Základní koncept interakce konstrukce s podložím

Co znamená interakce konstrukce s podložím?

Začněme jednoduchou otázkou: Co je SSI (z anglického termínu Soil-Structure Interaction)?

Způsob, jakým konstrukce spolupůsobí se základovou půdou, se nazývá interakce konstrukce s podložím. Toto spolupůsobení lze definovat jako vzájemně závislý vztah odezvy mezi konstrukcí a podložím a je jedním z hlavních faktorů ovlivňujících chování konstrukcí zejména při dynamickém zatížení, jako je zemětřesení, dopravní zatížení nebo vibrace od strojů. 

Proč uvažovat SSI v návrhu konstrukcí?

Možná vás napadne otázka: Proč je potřeba SSI vůbec analyzovat?

V běžné praxi se konstrukce často navrhuje odděleně od podloží – tedy za předpokladu, že je založení dokonale tuhé a nedochází k ovlivnění rozložení účinků zatížení vlivem deformace podloží. Tento přístup je přijatelný u menších a lehčích staveb, ale u velkých, těžkých nebo citlivých konstrukcí může vést k nepřesným výsledkům.

Hlavní důvody, proč zohlednit SSI:

• Různé typy podloží (např. jíly, písky, skalní masivy) vedou ke různému rozložení účinků zatížení v konstrukci.
• Nižší tuhost podloží snižuje tuhost systému a tím zvyšuje přirozenou periodu kmitání konstrukce.
• Analýza s uvažováním SSI bývá méně konzervativní, a tedy ekonomičtější a přesnější.

Pro jednoduchost můžeme konstrukce rozdělit do dvou kategorií:

1. Nadzemní konstrukce jako mosty, budovy atd.

2. Podzemní konstrukce jako propustky, potrubí, tunely atd.

Důležitost SSI pro nadzemní konstrukce

• U vícepodlažních budov SSI pomáhá odhadnout sedání základů a rozsah, v jakém půda ovlivňuje chování nadzemní části.
• U mostů (především integrovaných, rozpěrákových apod.) může mít rozdílná tuhost podloží za následek významné přerozdělení sil v konstrukci.

Důležitost SSI pro podzemní konstrukce

• U potrubí a propustků je rozložení napětí v okolní půdě nerovnoměrné. Bylo zjištěno, že mechanismus selhání systému půda – potrubí závisí na hloubce uložení a hustotě půdy. Pro přesnou předpověď rozložení napětí a místa selhání je nezbytné provést analýzu SSI.
• U tunelů je SSI důležitá jak ve fázi výstavby (kdy ovlivňuje deformace nadloží), tak i ve fázi provozu (kdy dochází k dynamickému zatížení od dopravy). Efekt takového zatížení lze zachytit pouze při uvažování SSI.
• SSI se také uplatňuje při návrhu integrovaných mostů a přesypaných konstrukcí.

Jak uvažovat SSI v návrhu konstrukce?

V návaznosti na sérii otázek je poslední otázka, která nám vytane na mysli: Jak uvažovat SSI v analýze konstrukce?

Software MIDAS nabízí propojení mezi Civil NX a GTS NX, které je schopné analýzu SSI zohlednit.

Existují dva hlavní přístupy:

• Nepřímá metoda (Substructure Method, Spring Analogy)
• Přímá metoda (Direct method)

Nepřímá metoda (analogie pružin)

Nepřímá metoda je hojně využívaná v běžné inženýrské praxi při analýze mostních konstrukcí, kdy je interakce s podložím simulována soustavou pružin o dané tuhosti. Metoda je vhodná pro získání odezvy konstrukce na chování podloží, ale neposkytuje výsledky pro samotnou základovou půdu. Často také nastává otázka, jakou tuhost pružin do výpočtu zvolit. Existuje řada metod, jak chování podloží vystihnout. Jednotlivé modely se liší mírou idealizace (Winklerův model, Pasternakův model…), chováním (lineární/nelineární) nebo způsobem stanovení (empirické metody, dle ČSN 73 1004 – známý parametr Kh, numerické metody).

MIDAS Civil NX poskytuje různé způsoby modelování pružných podpor (Point Spring Support). Podpory mohou být lineární, přenášející pouze tlak/tah nebo nelineární. Pokud jsou známy parametry tlumení podloží, lze je rovněž zadat.

Pro modelování opěr a základových desek se používají podpory přenášejí pouze tlak. Pro piloty se používají nelineární pružiny založené na experimentálních P-Y křivkách. Tuhost pružin je definována koeficientem reakce podloží. Závisí na tuhosti půdy, Poissonově poměru, rozměrech základu, hloubce základu atd.

Přímá metoda

Celý systém konstrukce – podloží je modelován a analyzován společně v jednom kroku. Tento přístup poskytuje následující výsledky:

• deformace a přerozdělení sil v konstrukci,
• sedání podloží,
• rozložení napětí v okolním prostředí.

Ideálním nástrojem pro tento typ analýz jeprávě  MIDAS GTS NX, protože umožňuje komplexní 3D modelování systému podloží – konstrukce.

Propojení mezi Civil NX a GTS NX

Obě výše zmíněné metody lze velmi efektivně vzájemně kombinovat. Pomocí propojení mezi výpočetními softwary Civil NX a GTS NX lze tuhosti pružin pro nepřímou metodu podepření modelu získat iterací. V prvním kroku je provedena analýza mostu pro dané zatížení. Získané reakce jsou následně načteny do modelu podloží v GTS NX a je proveden nelineární výpočet pro určení odezvy podloží. Výsledná odezva pilot je ve formě nelineárních pružin vrácena zpět do Civil NX, kde je provedena nová analýza mostu.