Moderní přístupy k návrhu segmentových mostních konstrukcí

• Foto

NELINEÁRNÍ ANALÝZA MOSTŮ
Počítačová simulace chování konstrukcí je účinný nástroj, který může podpořit inženýry při posuzování stávajících mostů, a rovněž při návrhu mostů nových. Pro nelineární analýzu betonových, železobetonových a předpjatých konstrukcí byl firmou Červenka Consulting, s. r. o., vyvinut světově unikátní program ATENA, který umožňuje posoudit použitelnost a únosnost konstrukce nebo její části, zjistit způsob porušení konstrukce a její pokritické působení. U mostních konstrukcí je nelineární analýza vhodná pro stanovení celkové únosnosti a globální bezpečnosti konstrukce, ale i k podrobné analýze konstrukčních detailů.

U předpjatých konstrukcí lze využít například pro posouzení namáhání betonu a výztuže v oblasti ukotvení předpínacích kabelů či deviátorů. Prefabrikované segmenty a jejich výztuž lze optimalizovat tak, aby se maximálně využila výztuž a přitom se předešlo možnému porušení betonu.

Program ATENA byl využit v rámci evropského výzkumného projektu „Udržitelné mosty“ (Sustainable Bridges) k vývoji nových metod pro stanovení zbytkové únosnosti a použitelnosti stávajících železničních mostů [1]. V kombinaci s vhodnými stochastickými metodami je možno v nelineární analýze uvážit náhodnost vstupních údajů a degradaci materiálu konstrukce. Na základě výsledků stochastické analýzy lze vyhodnotit spolehlivost a životnost skutečné mostní konstrukce, což je předmětem výzkumu mezinárodních projektů SARA a RLACS, postavených na nelineární simulaci programem ATENA [2].

PROGRAM ATENA
Program ATENA je k dispozici ve dvou konfiguracích – Engineering nebo Science. První z nich nabízí moderní nelineární výpočet železobetonových konstrukcí pro obvyklé typy zatížení a chování prostřednictvím komfortního uživatelského prostředí, které podporuje uživatele nejen při vytváření modelu konstrukce a vyhodnocování výsledků výpočtu, ale rovněž v průběhu řešení. Jedná se o nástroj pro ověření navrženého vyztužení, místa a šířky trhlin, průhybů, pro posouzení mezní únosnosti konstrukce. ATENA Science pokrývá širokou oblast chování konstrukcí v prostředí a čase – teplotní analýzu, dynamické chování atd. Systém je tvořen programem AtenaWin pro řízení vlastního výpočtu modelu konstrukce, a programem GiD, který zajišťuje profesionální geometrické modelování a přípravu numerického modelu. Tato konfigurace je určena pro podrobnější a pokročilejší analýzu chování konstrukce, a pro analýzu složitějších a náročnějších výpočtových úloh.

Pro obě konfigurace programu je společné výpočtové jádro systému, analýza konstrukce založená na metodě konečných prvků (obr. 1) s využitím nelineárních materiálových modelů chování betonu a výztuže, případně modelů pro další materiály (drátkobeton, podloží atp.). Řešení probíhá iterativně v přírůstkových krocích, které reprezentují postupné zatěžování konstrukce vnějšími účinky. Zásadní roli při výpočtu hrají materiálové modely betonu a oceli, které vystihují všechny důležité aspekty chování železobetonu – vznik a lokalizaci tahových trhlin, drcení betonu v tlaku, tečení výztuže, vliv příčného sevření na nárůst tlakové pevnosti betonu atd. Trhliny v betonu jsou modelovány metodami nelineární lomové mechaniky s konceptem tzv. rozetřených trhlin. Modely materiálu jsou založeny na moderní energetické formulaci porušování kontinua, což zajišťuje objektivitu řešení.

OPTIMALIZACE VÝZTUŽE MOSTNÍHO SEGMENTU
Použití programu ATENA je dokumentováno na příkladu výpočtu namáhání kotevní oblasti mostního segmentu. Předpjatý most připravovaný pro realizaci na estakádě „Prackovice“ na stavbě dálnice D805 překračuje okraj údolí Labe nad Litochovicemi a Prackovicemi.

Most o 10 polích s typickým rozponem 48 m má celkovou délku 456 m, maximální výška nad terénem je cca 20 m (obr. 2a). Zhotovitel mostu, SMP CZ, a. s., zadal v lednu 2008 u firmy Pragoprojekt, a. s., zpracování optimalizace segmentové konstrukce pro nový typ segmentů výšky 2,7 m a pro rozpětí mostu 48,0 m. Vstupními podmínkami bylo použití 15 a 19lanového předpínacího systému Dywidag, omezení nebo zcela vyloučení volných předpínacích kabelů a případné použití lehčeného betonu LC 40/44 nebo běžného betonu C 55/67.

Účelem bylo dosažení cenové konkurenceschopnosti segmentové technologie proti variantě monolitického mostu betonovaného na pevné nebo posuvné skruži. Při zpracování optimalizace se ukázalo, že z hlediska ekonomického při daných podmínkách není výhodné použití lehčeného betonu nebo betonu s vyšší pevností. Naopak zjednodušení tvaru a forem segmentů při vyloučení komplikovaných detailů v souvislosti s použitím volných kabelů přináší poměrně významné úspory. Vyloučení kabelů volného předpětí však vyvolává nutnost kotvení dvojic vahadlových kabelů v čelech stěn segmentů. Tento systém kotvených dvojic byl v minulosti zcela běžně používán, avšak po výskytu trhlinek ve stěnách segmentů prováděných zhruba před osmi lety byl na dalších mostech volen systém předpětí tak, aby ve stěně byl kotven vždy jen jeden kabel. Zhotovitel se rozhodl upřednostnit segmentovou variantu provádění mostu s dvojicemi kotvených kabelů ve stěnách. Pro zamezení výskytu trhlin bylo přikročeno k podrobnému statickému výpočtu a optimalizaci výztuže pomocí nelineární analýzy pomocí programu ATENA [4]. Předmětem výpočtu bylo vyšetření napjatosti a návrh vyztužení problematické kotevní oblasti se dvěma kotvami umístěnými ve stěně segmentu tak, aby při předpětí nedošlo ke vzniku trhlin. Byla modelována symetrická polovina segmentu s výztužným žebrem (obr. 2b, c) a dvěma kabelovými kanálky ve stěně (obr. 4b). Při výpočtech byla nejprve zjišťována napjatost výztuže a porušování betonu od působení předpínací síly konzolových kabelů v podkotevní oblasti při základním  vyztužení (obr. 3). Zatížení konstrukce bylo zadáváno postupně v zatěžovacích krocích. V těchto předběžných výpočtech byly výsledky vyhodnoceny při plném předpětí kabelů.

Na základě výsledků numerické simulace byla výztuž segmentu v kritických oblastech postupně doplňována výztužnými mřížkami a sponami (obr. 5). Segment s kompletní výztuží byl pak zatížen smrštěním betonu, a následné předpětí konzolových kabelů bylo zvyšováno až do porušení konstrukce, aby byla zjištěna bezpečnost segmentu proti porušení (obr. 4a). Pro ověření únosnosti konstrukce bylo na model po plném předpětí kabelů aplikováno zatížení čela segmentu průřezovými silami působícími v provozním stavu, které bylo rovněž zvyšováno do porušení konstrukce.

ZÁVĚR
Počítačová simulace je účinným nástrojem využitelným při návrhu mostních konstrukcí. Nelineární analýza je vhodná jak pro stanovení únosnosti a bezpečnosti stavby, tak i k podrobné analýze konstrukčních detailů. V ilustrativním příkladě byla výztuž kotevní oblasti předpínacích kabelů nového typu prefabrikovaných mostních segmentů optimalizována na základě výsledků nelineárního výpočtu.

Doplňující mřížky v podkotevní oblasti a přídavná výztuž v čelech stěn segmentu byly navrženy v návaznosti na základní výztuž segmentu tak, aby pokryly vypočtená tahová napětí, včetně dostatečné kotevní délky výztužných prutů. Přidané výztuže podstatně redukují možný výskyt trhlin ve stěně segmentu, resp. jejich šířku. V takto vyztuženém segmentu by dle provedené nelineární analýzy nemělo během předpínání ani v provozním stavu dojít ke vzniku viditelných trhlin ve stěně segmentu.

Při této práci bylo využito poznatků získaných v rámci výzkumných projektů EU-Eurostars E!4351 „RLACS“ a GAČR 103/08/1527 „Globální formát posuzování bezpečnosti železobetonových konstrukcí“. Získaná finanční podpora umožnila vyvinout metody, které byly použity při řešení publikované problematiky.

LITERATURA:
[1] Červenka V., Červenka J., Janda Z.: Posouzení bezpečnosti železobetonových konstrukcí v nelineárních výpočtech, Beton TKS, 1/2007
[2] Pukl R.: Moderní metodika pro stanovení bezpečnosti a spolehlivosti betonových konstrukcí, Beton TKS, 4/2008
[3] Projektová dokumentace prefabrikovaného mostního segmentu, Pragoprojekt, 2008
[4] Analýza vybraných částí předpjatého segmentového mostu, zpráva Červenka Consulting, 2008
[5] Janda Z., Mikula J.: Moderní přístupy k návrhu segmentových mostních konstrukcí, sborník příspěvků mezinárodního sympozia Mosty 2009, str. 238–242, ISBN: 978-80-86604-43-5

Advanced design of segmental bridge structures
Simulation of real structural behavior is a powerful tool, which helps engineers in assessment of existing and design of new bridges. ATENA software is specifically developed for the advanced analysis of reinforced and pre-stressed concrete structures. It can be used for the assessment of structural serviceability, load carrying capacity, failure modes and post-peak response. Optimization of reinforcement in the anchoring region of pre-stressed segmental bridge is presented as a practical application example.

Autoři

• Ing. Mikula Jiří
• Ing. Janda Zdeněk