Návrh spřažení příhradových ocelobetonových mostů Prof. Josef Macháček Martin Charvát, PhD student Martin Čudejko Ph.D.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Návrh spřažení příhradových ocelobetonových mostů Prof. Josef Macháček Martin Charvát, PhD student Martin Čudejko Ph.D."

Kamil Růžička
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 Návrh spřažení příhradových ocelobetonových mostů Prof. Josef Macháček Martin Charvát, PhD student Martin Čudejko Ph.D. Seminář FSv ČVUT 1

2 Obsah 1. Úvod 2. Teoretické modely 3. Numerické studie 4. Závěry a doporučení Seminář FSv ČVUT 2

3 1. Úvod Spřažené příhradové mosty: ocelový příhradový nosník + železobetonová deska železniční most L = 63 m železniční most L = 35 m silniční mosty s rozpětím L od 21 do 45 m Seminář FSv ČVUT 3

4 Pružná a plastická analýza podélného smyku mezi ocelovým příhradovým nosníkem a ž.b. deskou: plnostěnný nosník C L příhradový nosník C L podélný smykový tok plastický pružný plastický pružný Pružná analýza je nutná pro: - průřezy 3. a 4. třídy, - netažné" prvky spřažení, - návrh na únavu, - mosty. Seminář FSv ČVUT 4

5 Provedené studie: '70 '90 Galambos & Tide, Azmi, Iyengar & Zils (výzkum i praktické aplikace v USA a Kanadě) Brattland & Kennedy, Woldegiorgis, Viest (experimentální a teoretické studie v USA a Kanadě) Steel Construction Institute po 2000 Johnson & Ivanov: - numerické studie pro soustředěný podélný smyk, - Eurokód 4 (část 2 spřažené mosty) Autoři: - experimentální výzkum stropních spř. příhr. nosníků (05-6) - numerické analýzy, Engineering Structures (09, 11) Seminář FSv ČVUT 5

6 2. Teoretické modely 1. 3D MNA (materiálově nelineární analýza) 3D model (ANSYS): betonová deska: SOLID65 horní ocelový pás: SHELL43 výplňové pruty: BEAM24 dolní ocelový pás: BEAM24 spřažení: COMBIN39 Seminář FSv ČVUT 6

7 Pracovní diagramy použité v numerických studiích: ocel (S355) a [MPa] beton (C 30/37) c [MPa] [-] 12 E cm = MPa [-] Seminář FSv ČVUT 7

8 Pracovní diagram spřažení: - pro trny použity studie publikované Oehlersem & Coughlanem, - pro děrovanou lištu vlastní výsledky prvního autora. Příklad: spřahovací trn Ø 19 mm: smyková síla P [N] na 1 trn Shear force P [N] ,55; ,87; ,57; ,60; ,00; ,11; ,39; Slip [mm] prokluz [mm] Seminář FSv ČVUT 8

9 Experimentální ověření Odzkoušeny dva identické spřažené příhradové nosníky s rozpětím L = 6 m (celková výška nosníku 510 mm) hydraulický lis PZ20 stojan lámací dráhy roznášecí rošt HE 200 B děrovaná lišta válečkové ložisko maltové lože osa symetrie Seminář FSv ČVUT 9

10 Detaily experimentu Zatížení řízeno silou (hydraulickými válci) Plastický kolaps Seminář FSv ČVUT 10

3D MNA (ANSYS): ověření modelu Materiálové vlastnosti: zavedeny měřené hodnoty pracovní diagramy podle výše uvedeného Srovnání: experimentální výsledky vs.

11 3D MNA (ANSYS): ověření modelu Materiálové vlastnosti: zavedeny měřené hodnoty pracovní diagramy podle výše uvedeného Srovnání: experimentální výsledky vs. 3D MNA (a Eurokód) síla na lis F [kn] Loading per jack F [kn] F pl F el δ el Eurokód Theory-EN 1994 EX1 EX2 FE model Deflection at midspan δ [mm] průhyb uprostřed rozpětí [mm] Loading per jack F [kn] síla na lis F [kn] EX1 40 EX2 20 FE model 0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 End slip δ s [mm] koncový prokluz s [mm] 3D MNA zcela koresponduje s experimenty (= vzor, benchmark). Seminář FSv ČVUT 11

2. Zjednodušený 2D pružný rámový model (SCIA Engineer software) všechny prvky jsou modelovány jako pruty, včetně betonové desky bez vyloučení tahu (jak doporučuje Eurokód - konzervativní řešení),

12 2. Zjednodušený 2D pružný rámový model (SCIA Engineer software) všechny prvky jsou modelovány jako pruty, včetně betonové desky bez vyloučení tahu (jak doporučuje Eurokód - konzervativní řešení), spřažení (trny) modelovány jako konzolky, kloubově spojené se střednicovou rovinou desky: (kreslena pouze ocelová část) bet. deska ocelový pás prvek reprezentující bet. desku D e prvek reprezentující ocelový pás (v těžišti pásu) Seminář FSv ČVUT 12

13 3. Numerické studie 3.1 Železniční most velkého rozpětí (L = 63 m) L/2 = Seminář FSv ČVUT 13

3D MNA (ANSYS) podélný smyk ve spřažení 4 paralelní trny Ø 19 mm, podélně po 400 mm síla na trn [N] Shear force per connector [N] 100000 80000 60000 40000 20000-20000 0 0 5000 10000 15000 20000 25000

14 3D MNA (ANSYS) podélný smyk ve spřažení 4 paralelní trny Ø 19 mm, podélně po 400 mm síla na trn [N] Shear force per connector [N] Distance from support [mm] q= 50 kn/m q= 100 kn/m q= 150 kn/m q= 200 kn/m q= 250 kn/m q= 270 kn/m q= 300 kn/m q= 325 kn/m vzdálenost od podpory [mm] modrá odpovídá návrhovému zatížení mostu (200 kn/m) (kreslena polovina rozpětí) Seminář FSv ČVUT 14

2D LA (rámový) zjednodušený pružný model Pružná linearizace smykového spojení: síla Shear na trn force P [N] P [N] 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0 plně lineární chování

15 2D LA (rámový) zjednodušený pružný model Pružná linearizace smykového spojení: síla Shear na trn force P [N] P [N] plně lineární chování (zhruba odpovídá návrhovému zatížení) 4x 4 Stud x trn D19/200 (acc. (podle Oehlers Oehlerse and Coughlan) a Coughlana) cantilever náhradní Ø 110 konzolka mm; length ø mm, mm délky 305 mm Slip prokluz [mm] [mm] Seminář FSv ČVUT 15

16 Srovnání 3D MNA, 2D LA, Eurokód EN : (pro odpovídající návrhové zatížení 200 kn/m, kreslena polovina L): Shear smykový flow tok [N/mm] [N/mm] EN 1994 (trapezoidal: non-ductile connectors) EN 1994 (rectangular: stud connectors) Auxiliary technical calculation FEM-ANSYS Eurokód ANSYS 3D MNA SCIA 2D LA FEM-SCIA (D109.64) netažné (např. bloky) tažné (trny) Distance from support [mm] vzdálenost od podpory [mm] 2D LA je velmi vhodný, Eurokód je extrémně konzervativní. Seminář FSv ČVUT 16

17 3.2 Železniční most středního rozpětí (L = 35.2 m): Parametrická studie Seminář FSv ČVUT 17

Zatížení použité ve studiích: mostní zatížení LM71 podle Eurokódu 1 v pozici vyvolávající maximální podélnou smykovou sílu na jeden nosník (včetně

18 Zatížení použité ve studiích: mostní zatížení LM71 podle Eurokódu 1 v pozici vyvolávající maximální podélnou smykovou sílu na jeden nosník (včetně dynamických účinků a vlivu excentricity koleje) 264,4 kn 264,4 kn 264,4 kn 264,4 kn 84,6 kn/m Seminář FSv ČVUT 18

Vliv tuhosti smykového spojení smykový tok [kn/mm] Shear flow [kn/m] 700 600 500 400 300 200 100 0-100 10 studs trnů 19/150 19/150 5 5 studs trnů 19/150 1 1 stud trn 19/150 0 3000 6000 9000 12000

19 Vliv tuhosti smykového spojení smykový tok [kn/mm] Shear flow [kn/m] studs trnů 19/150 19/ studs trnů 19/ stud trn 19/ Distance vzdálenost from od podpory support [mm] [mm] /200 mm počet trnů na horní pásnici; podélná rozteč vždy 200 mm Čím tužší smykové spojení, tím vyšší špičky smykového toku Seminář FSv ČVUT 19

Vliv velikosti plochy ocelového pásu Shear smyková force per síla connector na trn [kn] [kn] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5 half chord area poloviční plocha pásu doubled chord area dvojnásobná plocha

20 Vliv velikosti plochy ocelového pásu Shear smyková force per síla connector na trn [kn] [kn] half chord area poloviční plocha pásu doubled chord area dvojnásobná plocha pásu vzdálenost Distance od from podpory support [mm] [mm] upper horní steel pás chord with s 5 trny studs /200 mm Čím větší plocha pásu, tím nižší špičky smyku Seminář FSv ČVUT 20

21 Vliv velikosti/tvaru plochy ž.b. desky smyková Shear force síla per na one trn stud [kn] [kn] 22, , , , ,5 9 7,5 6 4,5 3 1,5 0 double dvojnásobná width (6750x300 šířka (6750x300 mm) mm) half poloviční width (1687x300 šířka (1687x300 mm) mm) upper horní steel pás chord with s 5 trny studs /200 mm Distance from support [mm] vzdálenost od podpory [mm] The Čím wider širší/tlustší or thicker deska, slab, the tím higher vyšší špičky shear peaks smyku Seminář FSv ČVUT 21

22 Zhušťování trnů nad styčníky: Shear smyková force per síla one na stud trn [kn] [kn] uniform rovnoměrné distribution rozmístění trnů (3 trny v rozteči 200 mm) 1st 1. iteration iterace 2nd 2. iteration iterace 3rd 3. iteration iterace vzdálenost Distance od from podpory support [mm] příčné zhuštění na ukázaný počet trnů à 200 mm v délce čtvrtiny vzdálenosti styčníků průměrná hodnota smykové síly pro rovnoměrné rozmístění trnů Optimální zhuštění vyžaduje iterační proces Seminář FSv ČVUT 22

Optimální návrh smykového spojení Shear smyková force per síla one na stud trn [kn] [kn] 35 30 25 20 15 10 5 0-5 3 7.6 2.6 27.5 9.5 uniform rovnoměrné distribution rozmístění trnů 3rd 3.

23 Optimální návrh smykového spojení Shear smyková force per síla one na stud trn [kn] [kn] uniform rovnoměrné distribution rozmístění trnů 3rd 3. iterace densification Distance vzdálenost from od support podpory [mm] [mm] utilized optimum optimální studs využití capacity trnů (pružná ( 26 kn) únosnost 26 kn) Optimální návrh vyžaduje celkové snížení počtu trnů k využití jejich únosnosti Optimální návrh vede k využití únosnosti trnů Seminář FSv ČVUT 23

24 Vliv teploty (popř. smršťování): smyková síla na trn [kn] vliv snížení teploty ž.b. desky oproti ocelovému pásu o 9 C (požadavek Eurokódu 1) Eurokód 4 upper horní steel pás chord with s 5 trny studs /200 mm vzdálenost od podpory [mm] Odpovídá velmi dobře předpokladu Eurokódu 4, tj. trojúhelníkovému rozložení od podpory Seminář FSv ČVUT 24

25 Vliv dotvarování: Shear smyková force per síla one na stud trn [kn] [kn] 20 a) a) Ec(28 E c (28 days) dní) = = MPa 000 MPa b) b) Ec(2 E c months) (2 měsíce) = = 198 MPa MPa 15 c) c) Ec(100 E c (100 years) let) = = 309 MPa MPa Creep účinek influence dotvarování (a-c) (a-c) Distance vzdálenost f rom od support podpory [mm] [mm] upper horní steel pás chord with s 5 trny studs /200 mm Účinek dotvarování je v místech špiček podélného smyku nižší. Seminář FSv ČVUT 25

26 4. Závěry a doporučení V pružné oblasti spřažení vznikají nad styčníky příhradové konstrukce výrazné špičky podélného smyku. Obě navržené metody na bázi MKP (3D MNA ANSYS a 2D LA - rám) umožňují vhodné řešení. Špičky smyku nad styčníky jsou výrazně ovlivněny: - pracovním diagramem smykového spojení (např. trnů), - plochou ocelové pásnice a plochou betonové desky, - úrovní zatížení. Eurokód 4 poskytuje dobrý odhad velikosti špiček smyku pouze pro velmi nízkou úroveň zatížení a velmi konzervativní odhad pro úroveň zatížení odpovídající dosažení pružné (resp. návrhové) únosnosti smykového spojení. Seminář FSv ČVUT 26

27 Zhuštění smykových zarážek (trnů) nad styčníky zde vyvolává zvýšení podélného smyku vlivem větší smykové tuhosti. Optimální návrh proto vyžaduje iterační proces. Podle numerických studií se doporučuje zhuštění po každé straně styčníku v délce cca čtvrtiny vzdálenosti mezi styčníky. Styčníkové plechy a jejich tuhost je nutné zvážit přiměřeně. Vliv teploty a smršťování modifikovaného dotvarováním lze uvažovat obdobně jako u plnostěnných spřažených mostů. Seminář FSv ČVUT 27

28 Poděkování: Údaje o realizaci některých mostů poskytli pracovníci SUDOP a.s., zejména Ing. J. Laifr (s převzetím snímků od firmy Bögl a Krýsl, k.s.). děkuji Seminář FSv ČVUT 28

Podobné dokumenty

9. Spřažené ocelobetonové nosníky Spřažené ocelobetonové konstrukce, návrh nosníků teorie plasticity a pružnosti.

9. Spřažené ocelobetonové nosníky Spřažené ocelobetonové konstrukce, návrh nosníků teorie plasticity a pružnosti. Spřažené ocelobetonové konstrukce (ČSN EN 994-) Spřažené nosníky beton (zejména lehký)