Rozvoj plastických zón v kĺbovom pripojení strešného priehradového lamelového väzníka

• Foto

Pokiaľ je nevyhnutné realizovať rekonštrukciu stavebných objektov, musí byť preukázaná ich adekvátna odolnosť proti novým zaťažovacím účinkom. Základným predpokladom dobrého statického zhodnotenia stavebného objektu je poznanie fyzikálno-mechanických vlastností jednotlivých prvkov konštrukcie a ich vzájomné statické pôsobenie v konštrukcii, teda parametrov, ktoré obsahuje aj teoretický výpočtový model, ak sa má dosiahnuť ekvivalencia medzi reálnym správaním sa stavebného objektu a teoretickou odozvou statického výpočtového modelu.

V súčasnej dobe existuje rozsiahly výpočtový aparát pre statické výpočty budov a v praktických realizáciách slúži väčšinou k návrhu nových budov, kde na základe normami predpísanými a zavedenými postupmi s istou mierou bezpečnosti je možné budovu navrhnúť. Opačný postup, t.j. priblíženie sa výpočtu k namáhaniu už existujúcej budovy a vystihnutie miery jej spoľahlivosti je obtiažnejšie. Pri tvorbe výpočtového modelu jestvujúceho objektu, ktorý má už určitú časť svoje životnosti má za sebou, nie je možné dôsledne aplikovať modelovanie budovy tak, ako je to pri novostavbách, pretože je nutné spresniť výpočtový model z hľadiska materiálovo-fyzikálnych charakteristík jednotlivých konštrukčných prvkov a staticko-tuhostných vlastností objektu.

VŠEOBECNÁ CHARAKTERISTIKA OBJEKTU
Predmetný zimný štadión bol postavený a daný do užívania v roku 1973, t.j. pri predpokladanej životnosti objektu cca 70 rokov, sa zimný štadión nachádza približne v polovici svoje životnosti. Štadión prestal plniť štandardy požadované užívateľom a bolo rozhodnuté realizovať rekonštrukciu zimného štadióna, ktorá bola zameraná najmä na výmenu nevyhovujúcej, poškodenej a zatekajúcej strešnej krytiny.

Uvedená skutočnosť si vyžiadala realizáciu statického prepočtu súčasného stavu konštrukcie s novo navrhovanou strešnou krytinou. Strešnú konštrukciu štadióna je možné charakterizovať ako oceľovú priehradovú škrupinu, ktorej nosný systém je tvorený dvojvrstvovou klenbou s rebrami vedenými šikmo, ktoré sa vzájomne prenikajú, [2], [3].

DIAGNOSTIKA AKTUÁLNEHO STAVU NOSNEJ OCEĽOVEJ KONŠTRUKCIE
Poznanie skutkového stavu objektu umožňuje navrhnúť v rámci rekonštrukcie novú strešnú krytinu, čo spôsobí nové zaťažovacie účinky na jestvujúcu nosnú oceľovú konštrukciu strechy. Novým statickým výpočtom sa definuje možnosť použitia jestvujúcej nosnej konštrukcie, alebo potreba realizovať staticko-konštrukčné opatrenia, ktorými sa zabezpečí ďalšie bezpečné a spoľahlivé užívanie stavebného objektu.

Príspevok priamo nadväzuje na článok publikovaný v [1], v ktorom sa uvádzajú základné postupy a princípy použité pri diagnostike predmetného zimného štadióna potrebnej pre statické posúdenie strešnej nosnej oceľovej konštrukcie zaťaženej novým strešným plášťom. Realizovaná diagnostika bola zameraná na experimentálne meranie hrúbok stien vybraných oceľových prvkov nosnej strešnej konštrukcie a geodetické meranie pre zistenie skutočnej nivelety hrebeňa strešnej oceľovej konštrukcie objektu, t.j. pokles celej, resp. niektorej časti oceľovej konštrukcie strechy oproti pôvodnému projektu, [1].

STATICKÝ VÝPOČET A POSÚDENIE
Statický výpočtový model zimného štadióna bol vytvorený v programe IDA NEXIS. Priestorový model obsahuje 14.452 uzlov a 22.357 prútov, obr. 1, obr. 2. Vzájomné spolupôsobenie jednotlivých prútových prvkov bolo kĺbové, alebo tuhé. Výpočtový model bol analyzovaný použitím geometricky nelineárneho výpočtu, kde bolo použitých 20 prírastkov zaťaženia, [1]. Zaťažovacie účinky boli určené podľa [6] a posúdenie bolo realizované podľa [7].

Pri zohľadnení nameraných koróznych úbytkov jednotlivých prvkov nosnej konštrukcie v modeli bola uskutočnená statická analýza účinkov vetra na konštrukciu zimného štadióna. Na spresnenie aerodynamických súčiniteľov bol použitý modul prúdenia vzduchu v programe ANSYS, kde boli určené tlakové koeficienty v jednotlivých častiach konštrukcie a následne použité v statickej analýze účinkov vetra v realizovanej v programe IDA NEXIS, [1]. Pri posúdení boli prekročené hodnoty medzných napätí v okrajoch horného a spodného pásu lamelových oblúkov a vypočítané napätia niektorých zvislíc oblúka nosnej konštrukcie strechy boli prekročené oproti medzným napätiam v pružnej oblasti, obr. 3. Stavebný objekt po predpísaných a vykonaných úpravách vyhovuje na I. a II. medzný stav podľa súčasne platnej normy.

Na základe realizovanej statickej analýzy boli konštatované závery súvisiace s podmienkami technológie realizácie prác, požiadavky na povrchovú úpravu, kontrolu zvarov a skrutkových spojov, podmienok užívania objektu súvisiacich s naakumulovanou vrstvou snehu a definovali sa nutné požiadavky súvisiace so statickými úpravami, t.j. na základe statického výpočtu bolo nutné realizovať úpravy (do prvého poľa všetkých väzníkov tvoriacich strešnú konštrukciu dovariť plech hr. 8 mm), obr. 4.

DEFORMAČNO-NAPÄTOSTNÁ ANALÝZA KĹBOVÉHO PRIPOJENIA VÄZNÍKOV
Cieľom navrhnutého zosilnenia prvého poľa lamelových väzníkov oceľovou platňou hr. 8 mm je prerozdelenie napätí v jednotlivých nevyhovujúcich častiach nosnej oceľovej konštrukcie strechy. V programe ANSYS bol vytvorený FEM 3D-model predmetného prvého poľa lamelového väzníka s čapovým uložením:

1. bez zosilnenia – 42 156 uzlov, 20 514 elementov, obr. 5a);
2. zo zosilnením oceľovou platňou hr. 8 mm – 42 692 uzlov, 20 577 elementov, obr. 5b).

Pri modelovaní predmetného detailu bol použitý objemový prvok SOLID 186 (3-D space, 20-Node Tetrahedral Structural Solid or Layered Solid) a SOLID 187 (3-D space, 10-Node Tetrahedral Structural Solid).

Kontakt čapových dosiek s čapom je uvažovaný len na tlak. Pri metóde plastických zón sa uvažoval pružno-plastický materiál so spevnením v ťahu charakterizovaný bilineárnou aproximáciou pracovného diagramu ocele S 235, t.j. E = 209 821 MPa, E_spev = 8.944 MPa, [5].

Výpočet sa realizoval prírastkovou Newton-Rapsonovou metódou. Boli sledované pomerné plastické deformácie a Von Mises napätia, obr. 6, 7, 8, 9, 10, tab. 1. Osové sily boli prevzaté zo statického výpočtu [4], t.j. sila v hornom páse = 152,11 kN, sila v dolnom páse = 41,67 kN a následne boli sily prepočítané na obvodovú plochu rúry upravenú o korózne úbytky A_r = 1.041,9 mm² (pôsobiace zaťaženie na plochu A_r rúry horného pásu je 14,6.10⁴ kPa a spodného pásu je 4.10⁴ kPa).

Ak počas užívania objektu napadol sneh v uvažovanej maximálnej hodnote zaťaženia podľa [6], tak sa jedná sa o dominantné zaťaženie snehom (nie je možné exaktne tvrdiť, je možné len predpokladať), t.j. vznikli plastické zóny a potom prezentované výsledky statickej analýzy pre detail zosilnenia prvého poľa lamelového väzníka sú ovplyvnené neuvažovaním už vzniknutých plastických zón (lokálne plastické zóny v hornom, resp. spodnom páse prvého poľa, v čapových doskách a čape sú trvalé) v stave ešte pred zosilnením. V danom prípade je prezentovaný výpočet pre prvé pole lamelového väzníka zosilneného oceľovou platňou len informáciou, ako sa prerozdelilo napätie pri uvažovaní oceľovej platne v lamelovom väzníku.

Ak počas užívania objektu nenapadlo maximálne normou [6] uvažované množstvo snehu na objekt, tak potom by nedošlo k plastickým deformáciám a prezentovaný výpočet lamelového väzníka zosilneného oceľovou platňou je možné považovať z hľadiska podmienok zaťaženia za relevantný. Neboli uvažované vnútorné napätia v hornom, dolnom páse a v diagonálach, ktoré by vznikli pri navarení plechu, t.j. môže dôjsť k zníženiu únosnosti a vzniku lokálnych plastických zón.

ZÁVER
Vplyv opotrebovania (znižovanie technicky významných vlastností konštrukčných prvkov a zariadenia vplyvom času, prostredia, podmienok užívania a kvality údržby) a prirodzené fyzické starnutie (chátranie konštrukčných prvkov objektu vplyvom pôsobenia príčin, ako je únava konštrukcie, opotrebovanie, mechanické poškodenia a pod. závislé na dobe ich pôsobenia), nie je jednoduché zohľadniť, ak sa má dosiahnuť ekvivalencia medzi reálnym sa správaním stavebného objektu a jeho teoretickým výpočtovým modelom.

Príspevok bol vypracovaný v rámci riešenia vedeckých projektov s registračným číslom 1/4197/07 a 1/0400/09 podporovaných VEGA MŠ SR a SAV.

Tento článok, bol vytvorený realizáciou projektu s názvom Podpora Centra excelentného integrovaného výskumu progresívnych stavebných konštrukcií, materiálov a technológií, na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

LITERATÚRA:
[1] Demjan, I., Tomko, M.: Diagnostika a staticko-expertízny posudok strešnej oceľovej konštrukcie zimného štadióna, In: Konstrukce, vol. 8, no. 1, 2009
[2] Zeman, J.: Projektová a výrobná dokumentácia – časť statika (nekompletná), 1971
[3] Marek, P. a kol.: Kovové konstrukce pozemních staveb, SNTL/ALFA, Praha, 1985
[4] Tomko, M., Marko, Ľ., Brda, J.: Statický posudok oceľovej nosnej konštrukcie strechy zimného štadióna v Poprade, 2008
[5] Kmeť, S., Tomko, M., Brda, J.: Pravdepodobnostné posúdenie spoľahlivosti sústav na báze visutých ohybovo-tuhých prvkov, In: Spolehlivost konstrukcí: Od pravděpodobnostního posudku spolehlivosti prvků a dílců stavebních konstrukcí k pravděpodobnostnímu posudku systémů, 7. ročník celostátní konference se zahraniční účastí, Sborník referátů, Praha 5. 4. 2006, Ostrava, Dům techniky
[6] STN 73 0035 Zaťaženie stavebných konštrukcií, 1988
[7] STN 73 1401 Navrhovanie oceľových konštrukcií, 1998

Development of plastic zones in the hinged connection of laminated lattice-girder
The static analysis is oriented on existing ice-ring`s bearing steel structure and calculation of its roof structure loaded by new roof coat. According to the static analysis results, the repair of initial state was designed and realized with designing of details, which must be modified. By means of software ANSYS, the detail of hinged joint support of laminated lattice-girders was 3D-modeled with volume elements. The deformation-stress analysis of mentioned detail was also done.

Autoři

• Ing. Demjan Ivo Ph.D.
• Doc.Ing. Tomko Michal Ph.D.