Napätostná analýza veľkorozponovej strešnej konštrukcie

Definitívna voľba toho ktorého konštrukčného systému však obyčajne leží na projektantovi daného objektu. Veľkorozponové a mobilné strešné konštrukcie patria do kategórie menej používaných riešení. Tieto systémy s pribúdajúcim počtom realizácií jednoznačne dokazujú výhodnosť a efektívnosť ich použitia [1] a [6]. Majú však určité zvláštnosti, ktoré ich odlišujú od tradičných konštrukcií. Výrazné odlišnosti sú najmä v rozdelení zaťaženia (ide o klimatické zaťaženie), ale aj v charaktere odozvy a tvare priestorovej plochy zastrešenia. Špecifickými konštrukciami zastrešenia sú mobilné konštrukcie. Tento systém si pri návrhu vyžaduje úzku spoluprácu stavebného, strojárskeho a elektrotechnického inžiniera. Pri návrhu tohto systému vzniká veľký počet špecifických problémov. Týmito problémami sú: pôsobenie konštrukcie v jednotlivých fázach pohybu ako aj pôsobenie pri úplne otvorenej a úplne zatvorenej konštrukcii, vplyv pohybu konštrukcie na podperný systém ako aj zosúladenie problematiky strojárskej, stavebnej a elektrotechnickej do jednotného kompaktného funkčného celku.

ČASOVÁ ANALÝZA
Pri riešení fixných lanových strešných sústav sa stretávame s celým radom závažných problémov. Takýmito sú napr. fyzikálna, geometrická nelinearita a dotvarovanie samotných lanových prvkov počas pôsobenia samotnej strešnej konštrukcie. Tento problém bežné programové produkty nie sú schopné poňať v požadovanej miere. Tento dôvod bol hlavným stimulom tvorby samostatného programu pod názvom LANSTAT, ktorý umožňuje statickú nelineárnu časovú analýzu uvedeného typu konštrukcií [4] a [5].
Pri vypracovaní parametrickej štúdie bol použitý aj program LANSTAT na jednoznačné definovanie účinku nelineárneho chovania sa celej sústavy zastrešenia. Výsledky, získané pomocou tohto programu, je možné považovať za lepšie zodpovedajúce skutočnosti (vzhľadom na zohľadnenie fyzikálnej, geometrickej nelinearity) ako výsledky, získane bežnými programami.

CHARAKTERISTIKA STREŠNÝCH KONŠTRUKCIÍ
Charakteristickým znakom membránových veľkorozponových střešných konštrukcií je súčasné plnenie nosnej a ochrannej funkcie (ochrana vnútorného prostredia pred poveternostnými vplyvmi), čo u lanových konštrukcií plnia dve osobitné konštrukcie (nosnú funkciu plní lanový prvok a ochrannú plní strešný plášť, často tvorený strešnými panelmi). Druhým charakteristickým znakom membránových konštrukcií je spojenie troch základných podsystémov, a to: membránového, prídavného a podperného obrysového podsystému.
Prídavný podsystém plní stabilizačnú funkciu konštrukcie zastrešenia voči nežiadúcim účinkom zaťaženia (napr. sanie vetra). Prídavný podsystém môže byť často z konštrukcie zastrešenia vynechaný. V takom prípade jeho funkciu preberá dodatočné priťaženie (napr. súvislá betónová vrstva, umiestnená na membráne).
Membránový podsystém je najčastejšie tvorený plechmi (oceľovými alebo hliníkovými) hrúbok 1 až 6 mm. Pri výbere materiálu membrány vychádzame z prevádzkových podmienok danej konštrukcie, prístupnej technológie výroby a montáže a technických možností výrobcu. V našich podmienkach sú najviac používané oceľové plechy z ocele triedy S 235 a S 355.

PRÍKLAD RIEŠENEJ SÚSTAVY
Podrobná analýza vhodnosti zvoleného typu zastrešenia objektu o kruhovom pôdoryse bola rozpracovaná v [3] a [4]. V ďalšom, vzhľadom na obmedzený rozsah, sa budeme zaoberať len jednou zvolenou alternatívou zastrešenia. V prípade analyzovanej úlohy ide o veľkorozponovú membránovú strešnú konštrukciu s priestorovou plochou s kladnou gaussovou krivosťou v tvare symetrického paraboloidu. Celú konštrukciu možno rozdeliť na tri základné tvoriace systémy. A to sú:

1. membránový podsystém
2. obrysový podperný podsystém
3. stabilizujúci, stužujúci a prídavný úložný systém.

Membránový podsystém je tvorený oceľovým plechom hrúbky 4 mm, lokálne zosilený až na 6 mm (najmä v okolí stredového prstenca, kde dochádza ku koncentrácii napätí). Obrysový podperný podsystém sa skladá z dvoch samostatných častí, a to: vnútorného ťahaného prstenca a vonkajšieho tlačeného prstenca. V tejto štúdii je vonkajší prstenec navrhnutý ako železobetónový. Vnútorný prstenec v tejto alternatíve je vytvorený z oceľového rúrového profilu.
Konštrukčné riešenie stabilizujúceho (stužujúceho) systému do značnej miery ovplyvňuje všetky ostatné podsystémy. Tento podsystém bol navrhnutý ako lanový väzník typu Jawerth. Geometria tohoto väzníka je nasledujúca: previs vrchného tvoriaceho lana je 3 m a navrhnuté vzopätie spodného predpínacieho lana je 2,4 m. Polomer vonkajšieho prstenca je 30 m a polomer vnútorného prstenca je 3 m. Z týchto rozmerov jednoznačne vyplýva geometrický tvar lanového väzníka, ktorý je zobrazený na obr. č.1. Voľba kombinácie zaťaženia bola orientovaná na získanie max. silových účinkov pri reálnosti pôsobenia daných (kombinovaných) zaťažení. Celkovo bolo v tejto časti definovaných 16 možných kombinácií. Rôznorodosť volených kombinácií zaťaženia je spôsobená najmä veľkým počtom možných rozmiestnení zaťaženia po konštrukcii (ide najmä o zaťaženie snehom).

NAPÄTOSTNÁ ANALÝZA
Pri podrobnejšej analýze riešenia tohoto typu zastrešenia (ide o veľkorozponovú strešnú konštrukciu – lanový predpätý väzník) nevyhnutne dospejeme ku dvom možným variantným riešeniam zastrešenia pri zachovaní geometrického tvaru priestorovej plochy. Prvým takýmto riešením je lanová veľkorozponová strešná konštrukcia. Druhé riešenie je reprezentované membránovou veľkorozponovou strešnou konštrukciou s kladnou gaussovou krivosťou. U tohoto riešenia je spôsob stabilizácie strešnej konštrukcie voči sacím účinkom rovnaký ako u prvého riešenia (pomocou predpätého lanového väzníka). Rozdiel je iba v priereze hlavného nosného lana, ktorý v tomto riešení je uvážený „T“ profilom porovnateľnej tuhosti. Rozdiel je aj pri skladbe strešného plášťa, kde oceľový VSŽ plech nahrádza oceľová membrána. Samotný membránový podsystém tedavhodne dopĺňa celý systém zastrešenia. Pôsobením membránového podsystému sa znižujú priehyby sústavy pri menšej možnej tuhosti hlavných tvoriacich prvkov. Membránový podsystém však vykazuje určitú problematickosť, ktorá spočíva v lokálnom preťažení membránového podsystému, najmä okolo stredového prstenca (preťaženie je zobrazené najmä červenou farbou). V okolí vonkajšieho podperového prstenca dochádza ku negatívnemu ovplyvňovaniu membránového podsystému, vzniká tu tlakové namáhanie membránového podsystému. Tento problém sa však dá efektívne vyriešiť vhodnou voľbou detailu pripojenia membrány ku vonkajšiemu podpernému prstencu. Celé riešenie úlohy bolo realizované pomocou programov IDA NEXIS 32, Strap a LANSTAT. Výsledky sú na obr. 2. Výsledky získané jednotlivými softvérmi sa líšili až o 15 %. Za najlepšie popisujúce skutočnosť je možné považovať výsledky získané pomocou programu LANSTAT.

Obr. č. 1: Tvar lanového väzníka typu Jawerth.

Obr. č. 2a) Priebeh hlavných napätí (kPa) v smere osi „x“ od maximálneho zaťaženia.

Obr. č. 2b) Priebeh hlavných napätí (kPa) v smere osi „y“ od maximálneho zaťaženia.

ZÁVER
V článku sa poukazuje na niektoré aspekty modelovania, analýzy a navrhovania netradičných nosných strešných konštrukcií s fixnými podsystémami, ktorých komplexný návrh si vyžaduje interdisciplinárny prístup. Tento článok vznikol v rámci riešenia grantového projektu č. 1/0357/03, podporovaného VEGA MŠ A SAV SR.

Autor

• Ing. Brda Jiří