Prostorová analýza ocelobetonových konstrukcí

Úvodní stránka Prost.analýza MOSTY ČR Závěr a zdroje

KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ A STATICKÉ PŮSOBENÍ

Spřažené ocelobetonové mosty využívají vhodným způsobem kombinace jednotlivých materiálů tak, aby jejich vlastnosti byly využity co nejlépe. Tyto mosty můžeme rozdělit :

Podle geometrie mostu: Podle statického působení hlavního nosného systému: Podle konstrukce hlavního nosníku: Podle počtu hlavních nosníků: Podle výšky hlavních nosníků po délce mostu:

Současná tendence je omezovat počet hlavních nosníků a to až na dva hlavní nosníky I průřezu nebo jeden komorový nosník. (V zahraničí patří k nejčastějším ocelobetonovým konstrukcím konstrukce dvounosníkové, podíl mezi ocelobetonovými konstrukcemi silničních mostů realizovanými ve Francii v letech 1996 až 1998 přibližné 85%) Tím pádem je jejich osová vzdálenost velká, což zvedá nároky na betonovou desku. Tloušťka betonové desky u mostů s více nosníky je okolo 300 mm zatímco u mostu se dvěma hlavníma nosníkama může být až 500 mm. S ohledem na váhu se dělá deska proměnné tloušťky. Konstrukce jsou navrženy tak, aby umožnily postupnou betonáž spřažené desky do bednění, zavěšeném a podporovaném betonářskými vozíky, pojíždějícími po horní přírubě ocelové konstrukce.

Příčně předepnutá spřažená deska má významnou statickou funkci. Deska nejen spolupůsobí s podélnými nosníky v podélném směru, ale také zajišťuje roznos zatížení, spolupůsobení nosníků a garantuje stabilitu a integritu konstrukce. Mostovková deska se většinou navrhuje jako částečně předpjatý prvek, namáhaný normálovou silou (předpětím) a ohybovým momentem. Posuzuje se tlakové namáhání betonu, statické a únavové namáhaní předpjaté a betonářské výztuže a šířka trhlin. Je zřejmé, že tuhost desky je redukována trhlinami a to nejen v oblasti podpor, kde vznikají příčné trhliny od podélného ohybu. V celém rozsahu konstrukce může být mostovková deska porušena podélnými trhlinami od příčného ohybu a diagonálními trhlinami od namáhání smykem Txz - [obr.1]. Zatímco u dvoutrámových konstrukcí je smykové napětí Txz způsobeno především podélným smykem, u komorových konstrukcí napětí Txz je vyvoláno podélným smykem a krouticím momentem. Protože některé konstrukce jsou v kroucení vetknuty až ve vzdálenosti 400 m, může smykové namáhání překročit hodnoty, které jsou přípustné pro namáhání betonu v hlavním tahu. Pak je nezbytné předepnout konstrukci i v podélném směru. Trhliny v mostovkové desce mohou ovlivnit prostorové chování konstrukce a vyvolat přerozdělení vnitřních sil v konstrukci.

TUHOST MOSTOVKY PORUŠENÉ TRHLINAMI

Zatímco redukci ohybové tuhosti desky lze jednoduše určit [obr.1], není jednoduché vystihnout redukci tuhostí konstrukce s diagonálními trhlinami od kroucení. Tuhost betonového komorového nosníku s diagonálními trhlinami může klesnout až na jednu desetinu tuhostí konstrukce bez trhlin. U spřažené konstrukce, u které beton tvoří jen část konstrukce, bude redukce podstatné menší. V konstrukci však nevznikají jen diagonální smykové trhliny, ale i podélné a příčné ohybové trhliny. Abychom byli schopni vystihnout redukci smykové tuhosti desky porušené ohybovými trhlinami, experimentálně bylo ověřeno chování stěnového panelu namáhaného smykem.

Byl zvolen následující postup zkoušky (VÚT Brno):

Panel reprezentující část mostovky, se v zatěžovacím rámu zatížil svislými silami působícími na jeho horním povrchu. Po stranách byl panel pevně a posuvně vetknut tak, aby se vyvolali okrajové podmínky odpovídající působení elementu desky v konstrukci. Nejdříve se zatěžovali panely neporušené trhlinami, potom panely porušené svislými trhlinami a nakonec panely porušené jak svislými, tak i vodorovnými trhlinami. Smyková tuhost panelu porušeného ohybovými trhlinami panelu se podstatné nezměnila redukce dosahuje maximálně 20%. Naměřené hodnoty odpovídali hodnotám určenými nelineární analýzou konstrukce programem Atena. Model stěny ale nebylo možno zatížit normálovými silami působícími ve svislém a vodorovném směru. Tento vliv se dále ověřoval analýzou programem Atena. Na základě získaných údajů o chování panelu byly upraveny vstupní charakteristiky popisující chování mostovkové desky a následné byla konstrukce analyzována programovým systém ANSYS. Mostovková deska byla modelována plnými prvky (SOLID45), ocelová konstrukce deskostěnovými prvky (SHELLč3). Takto byly analyzovány jak komorové, tak i dvoutrámové konstrukce.

NÁVRH PŘÍČNÝCH ZTUŽIDEL DVOUTRÁMOVÉ KONSTRUKCE

Betonáž mostovkové desky do pojízdného bednění neumožňuje návrh ztužení podélných nosníků podle [obr.2a]. Většinou jsou nosníky ztuženy nízkými příčníky umožňujícími průjezd bednění - [obr.2b]. Příčníky jsou připojeny ke svislým výztuhám, které jsou v místě připojení namáhány napětími střídavých znamének. Nízké příčníky výrazně nezvyšují spolupůsobení nosníků a proto jsou mnohdy u přímých mostů vynechány. Příčníky jsou pak navrhovány jen u podpěr. Protože každý spoj přináší problémy a při návrhu co nejjednodušší konstrukce, tvořené jen podélnými nosníky a mostovkovou deskou.

Výpočty (VÚT Brno):

Byla provedena řada parametrických výpočtů konstrukce o třech polích 36 + 51 + 36 m v půdorysném poloměru R = 150, 300, 600, 1200, 2400 a ~ m. Rozměry konstrukčních prvků odpovídaly rozměrům typického pole mostu Rudná na dálnici D4708 v Ostravě. Konstrukce byly zatížena zatížením stálým a nahodilým-seskupení 2 (S2) [obr.3]. Výpočty prokázali, že mostovková deska zajišťuje dostatečné, spolupůsobení nosníků.Bylo provedeno řada geometricky nelineárních výpočtů ve kterých se určila rovnováha vnitřních sil na deformované konstrukci při zvyšování velikosti nahodilého zatížení. Rovnováha nalezena nebyla (tedy konstrukce přestala být stabilní) až při zatížení velikostí od 5.30 do 6.65 násobku nahodilého zatržení. Výsledky byly porovnány s analýzou konstrukce ztužené nízkými příčníky. Zjistilo se, že oba typy konstrukcí ztrácí stabilitu při podobné velikostí zatížení.

PŘIPOJENÍ MOSTOVKY K NOSNÍKŮM

Někteří odborníci vyslovili pochybnosti o bezpečnosti detailu připojení betonové mostovky k podélným nosníkům [obr.4]. Vlivem rozdílné deformace nosníků vzniká v místě spojení příčný ohybový moment, který má podle polohy zatížení rozdílné znaménko. Vlivem tohoto momentu pak podle nich může dojít k únavovému porušení detailu spojení.

Zkoušky (VÚT Brno):

Při stavbě mostu přes Odru byla ověřena únosnost mostovky na výseku konstrukce šířky jeden metr. Příčně předepnutá mostovka byla podepřena nízkým ocelovým rámem, který měl stejnou tuhost jako komorový nosník. Konstrukce byla zatížena osamělou silou působící v ose mostu - [obr.5]. První trhlinky se objevily ve středu mostu při zatížení odpovídajícímu 2.12 násobku návrhového zatížení, mezní únosnost byla dosažena při 4.16 násobku návrhového zatržení. Deska se porušila při zatížení velikostí 1.248 MN (125 tun)! V oblasti připojení desky k ocelové konstrukci vznikly první vodorovné trhlinky při 3.30 násobku návrhového zatížení - [obr.6].. Výsledky byly ověřeny detailní nelineární analýzou rovinné napjatosti programem Atena . Shoda výsledků analýzy a experimentu byla velmi dobrá.

V příčném směru mostu musí spoj mezi ocelovými nosníky a mostovkovou deskou přenést ohybový moment delta M - [obr.4]. Čím větší je tuhost konstrukce v příčném směru, tím větší je tento moment. To znamená, že největší delta M vzniká u podpěr (S), kde podélné nosníky jsou ztuženy poměrně vysokými příčníky. Naopak v poli je díky malé torzní tuhosti nosníků moment delta M velmi malý - jeho velikost dosahuje cca 10 % momentu, při kterém vznikly první trhliny. Čím menší je torzní tuhost nosníků, tím menší je moment zatěžující spoj. Ve spoji je moment delta M přenášen dvojicí sil T a C. Tahová síla T musí být zajištěna tahovou únosností betonu. Protože tahová únosnost betonu může být vyčerpána vedlejšími účinky, je vhodné u podpěr v místě připojení desky k nosníkům navrhnout svislé spony.

Podrobná statická analýza i modelová měření byly provedeny za podpory grantového projektu MPO FD-K/092. Na řešení projektu se podíleli VUT-FAST a firmy SHP Brno, OKF Brno a Hutní montáže, Ostrava. Výsledky řešení jsou aplikovány při stavbě ocelobetonových mostů dálnice D47.