Selhání dlouhých předpjatých prefabrikovaných betonových nosníků

Nadměrná deformace kolem měkké osy štíhlého prefabrikovaného předpjatého nosníku není vzácným jevem. Ale opravdu se to děje i v dnešní době se všemi bezpečnostními předpisy, směrnicemi a předchozími inženýrskými zkušenostmi? Ano, děje. Ale proč? V čem je problém?

Příčná nestabilita dlouhých předpjatých nosníků

Prefabrikované nosníky se používají v řadě konstrukcí, typicky v průmyslových halách, hypermarketech, skladech nebo na mostech z prefabrikovaných nosníků z předpjatého betonu. S vývojem technologických postupů, které vedou k zlepšování použitých materiálů a zefektivnění tvarů průřezů, je dosaženo větších rozpětí. V důsledku zvětšení rozpětí se také zvyšuje celková hmotnost těchto nosníků, což někdy činí fáze přepravy a manipulace kritickými případy namáhání, jak je znázorněno na obrázku [3].

Obvyklou strategií k překonání tohoto problému je minimalizovat vlastní hmotnost nosníků zmenšením šířky přírub. To však také snižuje tuhost k měkké ose a tuhost v kroucení prvku, což zvyšuje riziko ztráty příčné stability. [1]

Hlášené kolapsy a škody v důsledku ztráty příčné stability jsou obvykle spojeny s excentricitami, které aktivují efekty druhého řádu při přechodných zatěžovacích situacích (zvedání, přeprava a dočasné uložení). Typickými zdroji těchto excentricit jsou výrobní tolerance, odchylky v poloze předpínacích lan v příčném směru, trhliny, dotvarování a smršťování nebo oslunění jedné strany nosníku, což způsobuje příčnou deformaci nosníku. Vzhledem k tomu, že se předpokládalo, že nosníky z předpjatého betonu mají dostatečnou toleranci tuhosti k měkké ose, byla tomuto jevu tradičně věnována omezená pozornost. [1]

Havárie dlouhých předpjatých betonových prefabrikátů

Kyjevský most Dehtiarivskyi postavený v roce 1965, který byl uzavřen kvůli rekonstrukci 13. června 2023, se zřítil [2]. Poté, co bylo uloženo šest nosníků a stavební dělníci začali instalovat sedmý, nosník ztratil stabilitu, zatlačil na zbytek nosníků a vše se zhroutilo. Naštěstí nedošlo k žádným obětem na životech, ale samozřejmě došlo k obrovským finančním škodám.

Dalším příkladem je selhání předpjatého betonového prefabrikátu o délce 45,6 m s konstantním průřezem ve tvaru I o výšce 2 m a šířce horní pásnice 1,2 m během fáze zvedání. Představte si toto: deformovaný tvar po prvním zdvihu a drastické zvýšení bočního posunutí až o 300 mm (L/150). Nosník byl opět položen na zem za účelem vyhodnocení možného poškození. Po kontrole byly pozorovány svislé trhliny na levé horní pásnici. Šířka trhlin byla větší než 0,4 mm, což mělo být opraveno, aby byly splněny požadavky na životnost, pokud měl být prvek nakonec přijat.

Pak byl proveden druhý záměr zdvihu. Nicméně vykazoval boční prohnutí větší než L/400, což znamenalo, že tento nosník již nebyl schopen obnovit svůj původní tvar. To bylo pravděpodobně způsobeno plastickou deformací, ke které došlo při zdvihacích operacích. Proto byl tento nosník odmítnut a byl vyroben nový nosník, který byl dopraven na staveniště. [1]

Bezpečná konstrukce štíhlých předpjatých prefabrikovaných betonových nosníků

Jak můžeme takovým nehodám a škodám předcházet? Přestaneme navrhovat dlouhé předpjaté betonové nosníky? Samozřejmě že ne, byl by to krok zpět a taková škoda (autor je velkým fanouškem předpjatého betonu)! Pro statika není snadný úkol dodat bezpečný a ekonomický návrh během několika minut.

A v tomto případě se obávám, že tužka a papír nestačí. Ve své nedávné inženýrské praxi jsem si vždy přál, aby existoval software, který by mi pomohl se složitými výpočty spojenými s klopením (LTB) štíhlých předpjatých nosníků. Přirozeně jsem nechtěl trávit své mládí zadáváním vstupních hodnot a interpretací výsledků v polovičatých programech.

Řešení pro klopení

Dobrou zprávou je, že IDEA StatiCa přichází s komplexním výpočtem pro klopení (LTB) dlouhých prefabrikovaných předpjatých betonových nosníků. To vše je k dispozici v jednom nástroji, který se snadno používá, má jasné výsledky a automaticky generuje zprávy. Postupujte podle typického pracovního postupu IDEA StatiCa Beam:

• Geometrie: průřez, informace o rozpětí, předpínací kabely, historie fází výstavby jsou již definovány v aplikaci Beam pro globální analýzu a posouzení. Všechna data jsou automaticky zohledněna.
• Karta Boční stabilita: definujte podrobné vstupní údaje o zdvihu, přepravě a dalších fázích výstavby, jako jsou počáteční imperfekce, detaily úchytů, konečné typy podpor atd.  Všechny tyto aspekty mají vliv na analýzu klopení.
• Spusťte analýzu LTB: tj. materiálově a geometricky nelineární analýzu s počátečními imperfekcemi. Za nimi stojí pokročilá metoda, nikoli zjednodušené metody nebo vzorce.
• Výsledky: Výstupem výpočtu klopení jsou reakce, vnitřní síly a průhyb
• Kontrola LTB: zatím je k dispozici ruční zadávání do aplikace RCS. Po spuštění analýzy LTB přejděte na podrobné výsledky (aplikace RCS) a uložte jej jako nový soubor, zadejte další vnitřní síly v důsledku vybočení pro rozhodující kombinaci únosnosti a použitelnosti a spusťte všechny kontroly.
  Poznámka: Automatické zadávání výsledků klopení do kontrolních kombinací bude brzy vyvinuto. 
• Zpráva: Generujte přesné zprávy s automatickými posudky a přizpůsobitelnými výstupy, což vám ušetří čas a sníží riziko chyb. 

Více technických podrobností o analýze a kontrolách LTB naleznete zde.

Poslední slovo

Zajistěte bezpečnost nosníku v každé fázi výroby a výstavby pomocí integrovaných kontrol příčné stability, které pokrývají všechny podmínky od skladování, přes přepravu až po zvedání. Přestaňte se obávat nebo se dokonce vyhýbat návrhům štíhlých předpjatých betonových prefabrikovaných nosníků, protože jim hrozí ztráta boční stability. Dnes si můžete být jisti, že máte IDEA StatiCa na své straně!

Zdroje

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Případová studie selhání dlouhého předpjatého předpjatého betonového nosníku během zdvihu, analýza technických poruch, svazek 100, 2019, strany 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061, (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] K dispozici online https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] K dispozici online https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/