VYHODNOCENÍ ZATÍŽITELNOSTI MOSTNÍHO PROVIZÓRIA TMS PODLE NOREM NATO Pplk. Doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. 1 Doc. Ing. Tomáš Rotter, CSc. 2 ABSTRAKT V článku je popsána metoda výpočtu zatížitelnosti provizorního mostu TMS podle standardu NATO STANAG 2021, tj. stanovení vojenské zatěžovací třídy MLC. Jsou stanoveny příslušné parciální součinitele spolehlivosti. Stanovení MLC je provedeno zvlášť pro mostovku a zvlášť pro příslušné konfigurace hlavního nosníku. Tyto výpočty prokazují, že TMS může být klasifikována pro použití podle norem NATO. Klíčové slova: Těžká mostová souprava TMS, STANAG 2021, vojenská zatěžovací třída MLC ABSTRACT Determination of the loading capacity of TMS bridge set according to STANAG 2021 The paper describes the calculation method of the TMS loading capacity according to STANAG NATO 2021 i.e. Military Load Class (MLC). The partial safety factors for live and death loads and for resistance have been derived. The MLC calculations have been carried out for the bridge deck and for all appropriate main beam configurations. These calculations show that the TMS constructions can be classified for the use in accordance with NATO standards. Key words Heavy Bridge Set TMS, STANAG 2021, Military Load Class MLC 1 Univerzita obrany, Fakulta vojenských technologií, Kounicova 65, 612 00 Brno, Česká republika, http://user.unob.cz/manas, tel. +420 973 442 552, e-mail: pavel.manas@unob.cz 2 České vysoké učení technické, Fakulta stavební, Thákurova 7, 166 29 Praha 6, Česká republika, tel. +420 224 353 876, e-mail: rotter@fsv.cvut.cz
1. ÚVOD Mostní provizórium TMS je často používáno při řešení krizových situací v dopravě, jako dočasná náhrada za zničené nebo poškozené trvalé mosty. Jedním z nejdůležitějších parametrů všech provizorních mostů je jejich únosnost, resp. zatížitelnost v závislosti na rozpětí a typu konstrukce. Únosnost mostního provizória TMS byla řešena v původní technické dokumentaci [1], v Technických podmínkách [2] a komplexně ve výzkumných zprávách [3], [4]. Po vstupu české republiky do NATO se projevila nutnost klasifikovat toto mostní provizórium i pro podle norem NATO [5]. V tomto článku jsou shrnuty některé výsledky dosažené při řešení projektu MD ČR Posouzení a návrh úprav mostní konstrukce TMS podle standardů NATO [6], [7]. 1.1. TĚŽKÁ MOSTOVÁ SOUPRAVA TMS Konstrukce TMS díky své variabilitě poskytuje množství různých variant konstrukčního uspořádání, které má samozřejmě vliv i na únosnost konstrukce. V rámci řešení projektu byly analyzovány na základě výsledků již dříve dokončených projektů [3], [4] dvoustěnné jednopatrové i dvoupatrové konstrukce s mostovkovými ztužidly po celé délce mostu. Analyzované typy a rozpětí konstrukcí TMS jsou shrnuty v následující tabulce, ukázky modelů těchto konstrukcí jsou na obr. 1 a 2. Tab. 1) Analyzované mosty TMS Typ Z2s1p Popis dvoustěnný jednopatrový se zesílenou mostovkou (obr. 1) Z2s2p dvoustěnný dvoupatrový se zesílenou mostovkou Z2s2pz dvoustěnný dvoupatrový se zesílenou mostovkou a zesílenými pásy hlavního nosníku (obr. 2) Obr. 1) Model mostu TMS Z2s1p 18 m Rozpětí 15, 18, 21, 24 a 27 m 30, 33, 36, 39, 42, 45, 48, 51 a 54 m 36, 39, 42, 45, 48, 51 a 54 m Obr. 2) Model mostu TMS Z2s2pz
1.2. STANAG 2021 Standardizační dohoda STANAG 2021 zavádí vojenskou zatížitelnost mostních konstrukcí. Rozdíl proti běžným civilním normám je především v definici. Je zde definováno 16 zatěžovacích tříd (dále MLC) a ke každé z nich je přiřazeno hypotetické pásové a kolové vozidlo určité geometrie, hmotnosti, nápravová síla a kolový tlak (viz obr. 3). Pro každé reálné vozidlo lze nalézt hypotetické vozidlo jisté MLC třídy, které vyvolá stejné nebo nejblíže vyšší účinky na mostní konstrukci. Podle standardizační dohody STANAG 2021 se v alianci rozlišují tři režimy přejezdu vozidel po mostní konstrukci: Normální přejezd Normal crossing, vozidla jedou v koloně se vzdáleností mezi vozidly 30m, vozidla se mohou pohybovat po libovolné části vozovky, součinitelé spolehlivosti mají hodnotu větší než 1 ale nižší než předepisují civilní normy a předpisy. Přejezd s výstrahou Caution crossing, v jednom mostním poli může být vždy pouze jedno vozidlo, které jede v ideální stopě, součinitelé spolehlivosti mají hodnotu rovnou 1. Rizikový přejezd Risk crossing, v jednom mostním poli může být vždy pouze jedno vozidlo, které jede v ideální stopě, proti přejezdu s výstrahou se připouští vyšší využití materiálu vyjádřené součinitelem spolehlivosti materiálu s hodnotou nižší než 1. Obr. 3) Tabulka s definicí hypotetických vozidel Obr. 4) Hypotetické vozidlo umístěné v nejúčinnější poloze na mostu typu Z2s2p 2. VÝPOČET ZATÍŽITELNOSTI PODLE STANAG 2021 Pro každou mostní konstrukci lze nalézt hypotetické vozidlo, jehož účinky je daná konstrukce ještě schopná přenést. Zatížitelnost mostní konstrukce je potom klasifikována třídou tohoto hypotetického vozidla. Při výpočtu se postupně jednotlivá hypotetická vozidla umisťují do nejúčinnější polohy (obr. 4) a porovnávají se jejich účinky s vypočtenou únosností posuzovaného prvku. Výpočet se prováděl odděleně pro prvky mostovky a pro pruty hlavních
nosníků. Při posouzení podélníků a příčníků rozhodovaly nápravové a kolové tlaky vozidel. Při posouzení pásových prutů, diagonál a svislic hlavního nosníku rozhodovala celá vozidla. Pro každou konstrukci TMS rozhoduje nejnižší MLC klasifikace z mostovky nebo hlavního nosníku. 2.1 DEFINICE SOUČINITELŮ SPOLEHLIVOSTI Při posuzování konstrukce TMS je možno vycházet ze skutečnosti, že je známá skutečná hmotnost všech prvků včetně detailů, svarů a spojovacích prostředků. Z toho vyplývá, že je možno použít specifický součinitel γ F pro stálé. Velikosti součinitelů γ F pro nahodilá dopravou lze stanovit diferencovaně v závislosti na účelu použití konstrukce TMS. Pro civilní sektor, je nutno použít součinitele γ F dle příslušných ČSN. Pro vojenské použití lze při výpočtu zatížitelnosti postupovat diferencovaně v závislosti na návrhové situaci, s respektováním managementu spolehlivosti konstrukcí TMS a se zavedením třídy následků. Na základě aplikace těchto závislostí lze při stanovení velikosti součinitelů γ F pro hypotetická vozidla dle STANAG 2021 rozlišovat dopravní režim pro normální přejezd, pro přejezd s výstrahou nebo pro rizikový přejezd. Obecně součinitel materiálu γ M zahrnuje kromě odchylek materiálových vlastností také nevýstižnosti použitého teoretického modelu při statickém výpočtu. Volba teoretického výpočetního modelu mostu z konstrukce TMS s ohledem na skutečné chování rozebíratelné konstrukce je obtížná a je tudíž nutno toto respektovat při stanovení velikosti součinitelů γ M. Stanovené dílčí součinitelé spolehlivosti jsou v tab.2. Tab. 2) Součinitelé spolehlivosti pro výpočet zatížitelnosti TMS podle STANAG 2021 Typ Stálé Nahodilé Spolehlivost materiálu Dynamický součinitel Civilní 1,05 1,35 1,10 ( 1,05) δ Vojenské dle STANAG 2021 Normální Přejezd Rizikový přejezd s výstrahou přejezd 1,05 1,10 1,05 δ = 1,10 δ = 0,95 δ = Při posouzení mostů z konstrukce TMS pro vojenské použití [6] rozhodují pouze mezní stavy únosnosti. Mezní stavy použitelnosti v tomto případě nerozhodují, protože nemůže vzniknout situace, při které by nebyly splněny provozní požadavky.
2.2. ZATÍŽITELNOST MOSTOVKY TMS Pro určení zatížitelnosti mostovky TMS je rozhodující maximální přípustný kolový tlak na podélník a maximální přípustný nápravový tlak na příčník [8]. Byly použity dvě úrovně výpočtu: Analytický výpočet pomocí programu Mathcad byla určena ohybová únosnost podélníku a příčníku a porovnána s ohybovým momentem od kolového a nápravového tlaku. MKP výpočet v systému ANSYS byla vyšetřována napjatost deskostěnových modelů při podélníku nebo příčníku příslušným kolovým nebo nápravovým tlakem. Výpočtové modely mostovky zohledňovaly spolupůsobení podélníků při roznášení kolového přes dřevěné mostiny a pružné uložení příčníků na hlavní nosník TMS (obr. 5 a 6). Obr. 5) Výpočtový model mostovky Obr. 6) Podélník zatížený kolovým tlakem přes dřevěné mostiny 2.3. ZATÍŽITELNOST HLAVNÍHO NOSNÍKU TMS V jednotlivých prutech hlavního nosníku rozpětí a typu mostu dle tab. 1 byly vypočteny maximální osové síly a ty byly porovnávány s vypočtenými únosnostmi příslušných prutů. Z toho bylo odvozeno přípustné kolové nebo pásové vozidlo s nejvyšší MLC klasifikací. Výpočet únosnosti jednotlivých prutů hlavního nosníku byl proveden v programu Mathcad 13 a je součástí zprávy [7]. Výpočet zatížitelnosti hlavního nosníku proběhl ve dvou fázích. V první fázi byly v programu SCIA ESA PT analyzovány všechny typy a rozpětí mostů TMS (viz obr. 7 a 8). V druhé fázi byly vypočtené vnitřní síly vyhodnoceny v programu EXCEL a následně byla vyšetřena zatížitelnost jednotlivých mostů podle [5]. Výsledná tabulka MLC klasifikací TMS typu Z2s1p, Z2s2p a Z2s2pz je součástí [7].
Obr. 7) SCIA ESA PT pracovní prostředí programu, vyhodnocení pásů Obr. 8) SCIA ESA PT pracovní prostředí programu, vyhodnocení diagonál Jako příklad se uvádí zatížitelnost pro kolová vozidla: Typ mostu normální rizikový přejezd přejezd Z2s1p 27 m MLC 30 MLC 80 Z2s2p 54 m MLC 16 MLC 40 Z2s2pz 54 m MLC 30 MLC 80 2.4. VYHODNOCENÍ ZATÍŽITELNOSTI TMS V programu EXCEL byly následně vyhodnoceny a porovnány zatížitelnosti vozovky a hlavního nosníku (viz obr. 9). Obr. 9) Vyhodnocení zatížitelnosti TMS podle STANAG 2021 Z těchto výsledků vyplývá, že pro kratší rozpětí daného typu mostu je hlavním omezením únosnost mostovky, konkrétně podélníku při kolovým vozidlem (nápravovým nebo kolovým tlakem).
3. ZÁVĚR Na základě provedených analýz je možné konstrukci TMS klasifikovat pro použití v souladu se standardy NATO, což má velký význam například při řešení krizových situací. Po vyhodnocení získaných výsledků bude možné doporučit vhodné konstrukční úpravy, které při rozumných nákladech budou mít vliv na zvýšení únosnosti TMS. Příspěvek byl zpracován s podporou grantového projektu MD ČR 1F44L/078/030. LITERATURA [1] Nauka TMS I., II., III. Díl. VS 040, 1963 [2] Směrnice pro používání mostů TMS v civilním sektoru. Pontex, Praha 1992 [3] Malina, Z. Maňas, P.: Konstrukční zesílení TMS pro vyšší. Výzkumná zpráva projektu S 303/150/730. Vojenská akademie v Brně, 2000 [4] Rotter, T. a kol.: Vliv únavy na únosnost zesílené konstrukce Těžké mostové soupravy. Výzkumná zpráva projektu 803/030/106. ČVUT Praha, 2004 [5] STANAG 2021 Military load classification of bridges, ferries, raft and vehicles. NATO/PFP Unclassified. Edition 6, 6 January 2003 [6] Rotter, T. Maňas, P.: Periodická zpráva 2004 projektu 1F44L/078/030. Praha, MD ČR, 2005 [7] Rotter, T. Maňas, P.: Periodická zpráva 2005 projektu 1F44L/078/030. Praha, MD ČR, 2006 [8] Maňas, P. Rotter, T.: Některé výsledky statického výpočtu mostovky TMS pro podle norem NATO. In. Sborník 6. konference s mezinárodní účastí Krizové stavy a doprava. Lázně Bohdaneč : Institut Jana Pernera, o.p.s., ISBN 80-86530-27-2