5 Analýza konstrukce a navrhování pomocí zkoušek 5.1 Analýza konstrukce 5.1.1 Modelování konstrukce V článku 5.1 jsou uvedeny zásady a aplikační pravidla potřebná pro stanovení výpočetních modelů, které se mají používat pro navrhování nebo ověřování konstrukcí v různých mezních stavech. Konstrukční systém pozemní nebo inženýrské stavby se má zvolit s ohledem na funkční požadavky a na bezpečnost a použitelnost z hlediska očekávaných účinků zatížení a vlivů prostředí. Předpokládá se, že konstrukční systém je vybrán přiměřeně kvalifikovanými a zkušenými pracovníky a splňuje příslušné požadavky na stavební materiály, provádění, kontrolu jakosti, údržbu a používání. Konstrukční systém obecně zahrnuje tři subsystémy: a) hlavní konstrukční systém: primární nosné prvky pozemní nebo inženýrské stavby a způsob, jakým tyto prvky spolupůsobí, b) sekundární nosné prvky, kterými se přenášejí zatížení do hlavního konstrukčního systému, c) další prvky, jako např. obvodový plášť nebo příčky, ze kterých se zatížení přenášejí do primárních a sekundárních nosných prvků. Jestliže dojde k porušení hlavního nosného systému, lze předpokládat celkové zřícení stavby s možností velkých následků, zatímco porušení sekundárních nosných prvků nebo dalších stavebních prvků je obvykle pouze lokálního charakteru s menšími následky. Proto může být potřebné pro každý z těchto subsystémů nebo pro jejich kombinace použít rozdílné výpočetní modely a úrovně spolehlivosti. V článku 5.1.1(1)P se upozorňuje, že se analýza každé konstrukce má provádět na základě vhodných modelů, které zahrnují všechny důležité základní veličiny, včetně vlivů prostředí. Modely se mají zvolit tak, aby umožnily výstižnou predikci chování konstrukce s ohledem na uvažovanou návrhovou situaci a příslušný mezní stav. Je zřejmé, že modely vhodné pro trvalé návrhové situace se mohou lišit od modelů požadovaných pro analýzu mimořádných návrhových situací při požáru, nárazu nebo výbuchu. Zatímco při ověřování trvalých návrhových situací se často vychází z předpokladu lineárního chování konstrukce, při ověřování mimořádných návrhových situací je třeba přihlížet k vlastnostem konstrukčních materiálů při krátkodobém namáhání od nárazu nebo při působení extrémních teplot během požáru. Při stanovení modelů konstrukce je třeba obecně vycházet ze zásad teorie konstrukcí a z praxe, s přihlédnutím k mechanickým vlastnostem konstrukčních materiálů. V nezbytných případech se mají mechanické vlastnosti konstrukčních materiálů nebo chování částí konstrukce ověřit experimentálně. Výběr modelu konstrukce ovlivňují tato hlediska: a) geometrické vlastnosti (uspořádání, rozpětí, rozměry průřezů, odchylky, imperfekce a očekávané deformace),
b) vlastnosti materiálů (pevnost, časově závislé vlastnosti, plasticita, teplotní roztažnost, nasákavost), c) zatížení (přímá, nepřímá, proměnnost v čase a prostoru, statická, dynamická). Volba adekvátního modelu konstrukce má tedy vycházet z předchozích zkušeností, ze znalostí o chování konstrukcí a má zahrnovat hlediska příslušných mezních stavů. Podle celkového uspořádání nosného systému se může uvažovat, že jde o systém třírozměrný nebo soustavu rovinných rámů. Například konstrukční systém, u kterého nedochází k významnému kroucení, by se mohl uvažovat jako soustava rovinných rámů. Často lze vhodný model konstrukce stanovit na základě analýzy deformací, způsobených příslušným zatížením. Při ověřování stability konstrukce je důležité ověřit jak jednotlivé nosné prvky, tak také celou konstrukci. 5.1.2 Statická zatížení Modely konstrukcí, které se používají pro určení účinků statických zatížení, mají přihlížet ke stanoveným silově deformačním vztahům mezi prvky a jejich styky, a také mezi prvky a základovou půdou. U staticky neurčitých konstrukcí a při ověřování mezních stavů použitelnosti jsou takové předpoklady o chování konstrukce nezbytné. Obecně jsou tyto předpoklady závislé na uvažované návrhové situaci, na ověřovaném mezním stavu a na působícím zatížení. Předpoklad lineárního chování poskytuje v některých případech pouze první aproximaci pro výstižnější nelineární řešení. Teorie plasticity, která předpokládá vznik plastických kloubů u nosníků nebo plastických oblastí u desek, by se měla používat obezřetně z několika důvodů: přetvoření nezbytná pro vytvoření plastických oblastí konstrukce mohou narušit požadavky na mezní stavy použitelnosti zejména u spojitých nosníků a prvků o velkých rozpětích, k přetvořením by nemělo opakovaně docházet s ohledem na nebezpečí vzniku nízkocyklové únavy, zvláštní pozornost by se měla věnovat konstrukcím, u nichž může dojít ke křehkému porušení nebo ke ztrátě stability. Obecně by se měly účinky zatížení a odolnost konstrukce stanovit za předpokladu konzistentních silově deformačních předpokladů. V mnoha případech se však tato pravidla nedodržují s ohledem na zjednodušení výpočtu. Například výpočet rámu se obvykle provádí za předpokladu lineárního (elastického) chování konstrukce, zatímco odolnost průřezů se zpravidla stanoví s ohledem na nelineární (plastické) chování konstrukčních materiálů (běžný postup u železobetonových nebo ocelových rámových konstrukcí). Při analýze konstrukce je nutné uvažovat účinky druhého řádu, jestliže mohou vést k významnému nárůstu účinků zatížení. Obvykle se rozlišují dva druhy účinků druhého řádu: účinek druhého řádu u konstrukce, účinek druhého řádu u jednotlivých nosných prvků. Účinky druhého řádu se většinou mohou zanedbat
pokud je přírůstek příslušných ohybových momentů nebo smykových sil vyvolaných deformacemi druhého řádu menší než 10 % účinku ohybového momentu od účinků prvního řádu, případně patrového posunu; pokud osové síly v konstrukci nepřekročí 10 % teoretického vzpěrného zatížení. V případech pravidelných ocelových nebo betonových rámových konstrukcí může celková analýza vycházet z metody prvního řádu a při analýze jednotlivých prvků uvažovat celkové účinky a účinky druhého řádu. Tento postup však nelze použít u nepravidelných nebo neobvyklých konstrukcí. Nepřímá zatížení (např. účinky teplot, sedání) se mají podle ČSN EN 1990 [1] uvažovat v lineárně pružné analýze přímo nebo prostřednictvím ekvivalentních zatížení, nebo v nelineární analýze jako vnesené deformace, jak uvádí článek 5.1.2(4)P. Pokud je například při navrhování důležité hledisko sedání a celková stabilita konstrukce, musí se uvažovat vliv základových konstrukcí a základových poměrů. Interakce mezi zeminou a základem se provádí ve společné analýze, nebo se rozčlení na analýzu jednotlivých systémů. 5.1.3 Dynamická zatížení Dynamická zatížení mohou vyvolat podstatná zrychlení konstrukce nebo nosných prvků (def. 1.5.3.12). Pro stanovení dynamických zatížení a pro jejich interakci s konstrukcí je třeba zvolit vhodný model konstrukce, ve kterém se uvažují všechny příslušné nosné prvky, včetně vlastní tíhy, pevnosti, tuhosti, charakteristik útlumu a vlastností nenosných částí a také skutečných okrajových podmínek. Pokud jsou dynamická zatížení vyvolána pohybem hmot (např. lidmi, stroji, vozidly), které jsou konstrukcí neseny, pak se v analýze tyto hmoty musí uvažovat, protože zejména u lehkých konstrukčních systémů mohou mít značný vliv. V mnoha případech je možné dynamická zatížení transformovat na ekvivalentní statická zatížení. Tyto ekvivalentní síly se stanovují tak, aby se jejich účinky co nejvíce shodovaly s účinky skutečných dynamických zatížení. Podle článku 5.1.3(3) se dynamické složky zatížení ve kvazistatickém modelu zatížení zohlední tak, že se buď zahrnou do statických hodnot, nebo se statická zatížení upraví na základě dynamických součinitelů. Dynamické součinitele se v některých případech stanovují s přihlédnutím k vlastním frekvencím konstrukce, jak se např. uvádí v ČSN EN 1991-2 [9]. Jestliže jsou dynamické účinky vyvolány významnou interakcí základové půdy s konstrukcí, může se pro modelování vlivu základové půdy použít vhodný systém náhradních pružin a tlumičů, např. pro určení nepříznivého účinku kmitání konstrukce vyvolávaného okolní dopravou. V některých případech lze pro odhad dynamického chování konstrukce použít modální analýzu spektra odezvy (např. kmitání konstrukce větrem, seizmická zatížení, zatížení lávky chodci). Obvykle je možné uvažovat s lineárním chováním materiálů i s geometrickou linearitou. Nelineární materiálové vlastnosti lze aproximovat na základě iterativních metod s uvážením proměnných tuhostí souvisejících s velikostí odezvy. U konstrukcí, u kterých přichází v úvahu pouze základní tvar kmitání, se může místo modální analýzy použít analýza s využitím ekvivalentních statických zatížení v závislosti na tvaru kmitání, na vlastní frekvenci a útlumu. Odezva konstrukce na dynamická zatížení se může určit na základě průběhu zatížení v čase nebo analýzy frekvenční oblasti, jak je uvedeno v článku 5.1.3(6).
V případě, že dynamická zatížení způsobují kmitání o velikosti nebo frekvenci, které by mohly narušit předpokládané využití konstrukce, musí se provést ověření mezních stavů použitelnosti. Doplňující pokyny pro dynamická zatížení jsou uvedeny v ČSN EN 1990 [1] a také v dalších částech EN Eurokódů. 5.1.4 Navrhování na účinky požáru V ČSN EN 1990 [1] se uvádějí obecné postupy, jak navrhovat konstrukci na účinky požáru. Tyto postupy jsou podrobně popsány v ČSN EN 1991-1-2 [3] a v dalších částech Eurokódů pro navrhování konstrukcí z různých materiálů na extrémní teploty. Zatížení teplotou od účinků požárů se klasifikují jako mimořádná zatížení a uvažují v mimořádných návrhových situacích. Při navrhování konstrukce na účinky požáru se musí uvažovat tři významná hlediska, která charakterizují příslušnou mimořádnou návrhovou situaci: návrhové scénáře při požáru, vývoj teplot v konstrukci, mechanické chování konstrukce za přítomnosti extrémních teplot. Při posuzování chování konstrukce vystavené účinkům požáru se rozlišují dva postupy: nominální zatížení požárem, zatížení požárem stanovené modelem. Kromě účinku teploty od požáru je třeba také uvažovat další druhy zatížení, postup jejich kombinace je uveden v kapitole 6. Ve většině případů se zatížení teplotou určují prostřednictvím nominálních časově závislých křivek. Tyto křivky se uvažují pro určenou návrhovou dobu a používají se normativní pravidla nebo výpočetní modely podle ČSN EN 1991-1-2 [3]. Parametrické časově závislé teplotní křivky se určují na základě fyzikálních parametrů, které se při navrhování konstrukce uplatňují ve výpočetních modelech. Některé údaje a výpočetní modely se uvádějí v informativních přílohách ČSN EN 1991-1-2 [3]. Zatížení požárem se uvažuje v mimořádných kombinacích zatížení, popsaných v kapitole 6 a příloze A1. Aby se mohla provést analýza chování konstrukce za působení zvýšených teplot, jsou v ČSN EN 1992 až 1996 a 1999 uvedeny modely teplot a modely různých druhů konstrukčních materiálů. V článku 5.1.4(5) se uvádějí zjednodušená pravidla a předpoklady týkající se modelů zatížení teplotou (rovnoměrný nebo nerovnoměrný průběh teplot po průřezu nebo podél prvku) a modelů konstrukce vystavených požáru, které zahrnují výpočet jednotlivých prvků nebo přihlížejí k interakci mezi prvky vystavenými požáru. Tyto předpoklady se zvolí s ohledem na vlastnosti materiálu nebo metody hodnocení. V článku 5.1.4(6) se doporučuje, aby se s ohledem na vliv teplot na vlastnosti materiálu použily nelineární modely pro mechanické chování nosných prvků za zvýšených teplot.
5.2 Navrhování na základě zkoušek Pro návrh se doporučuje použít kombinace zkoušek a výpočtů. Podrobnější pokyny jsou uvedeny v příloze D. Tyto postupy je vhodné uplatňovat tehdy, jestliže výpočetní modely nebo vlastnosti materiálů nejsou v Eurokódech dostatečně specifikovány, nebo pokud tyto postupy vedou k ekonomičtějšímu řešení, jak uvádí článek 5.2(1). V článku 5.2(2)P se požaduje, aby konstrukce nebo nosné prvky navržené na základě výsledků zkoušek splňovaly úroveň spolehlivosti, požadovanou pro příslušnou návrhovou situaci. Zkoušky se musí provést a zhodnotit takovým způsobem, aby konstrukce měla stejnou úroveň spolehlivosti s ohledem na všechny příslušné mezní stavy a návrhové situace, jaké by se dosáhlo návrhem na základě Eurokódů. Při vyhodnocování výsledků zkoušek se musí uvážit statistické nejistoty způsobené omezeným počtem zkoušek a vliv různých převodních součinitelů, které přihlížejí ke tvaru, velikosti, teplotě a vlhkosti zkoušených prvků. Pokyny pro uvážení statistických nejistot a převodních součinitelů jsou uvedeny v příloze D. Obecně se požaduje, aby podmínky během zkoušek byly dostatečně reprezentativní, tedy takové, jaké se očekávají u skutečné konstrukce. Přednost se obecně dává postupu, při kterém se návrhová hodnota vyšetřované veličiny (materiálová vlastnost, odolnost) stanoví na základě její charakteristické hodnoty odvozené z výsledků zkoušek a příslušných dílčích součinitelů, před postupem, při kterém se návrhová hodnota stanoví přímo z výsledků zkoušek. Přímé stanovení návrhové hodnoty totiž často selhává, zejména, když je k dispozici pouze malý počet zkoušek. V článku 5.2(3) se uvádí důležité doporučení, podle kterého se mají používat dílčí součinitele (včetně součinitelů modelových nejistot) srovnatelné se součiniteli podle ČSN EN 1991 až 1999. V ČSN EN 1990 [1] není uveden postup pro stanovení stálých zatížení na základě zkoušek. Potřebné informace pro tento důležitý postup, který se uplatní zejména při hodnocení existujících konstrukcí, lze nalézt v národní příloze ČSN ISO 13822 [29], popř. v odborné literatuře.