Pozadí a úvahy
Vítejte u mého šestého blogového příspěvku! Jak už je zvykem, rád přidávám osobní tón. Kolik z nás si pamatuje, kdy analyzovalo svou první příhradovou konstrukci? Mně bylo 18 let a byl jsem ve druhém ročníku sixth form, kde jsem se připravoval na zkoušky A Levels. Předmětem bylo technické kreslení a metodou Bowova notace.
Kolik (starších) inženýrů si ji pamatuje? O pár let později byla příhradová konstrukce první konstrukcí, kterou jsem vyrobil na univerzitě – pravda, spolu se třemi dalšími členy týmu. Byla řezána, vrtána, sešroubována a zkoušena až do porušení – což netrvalo příliš dlouho, dodávám hned!
Příhradové konstrukce samozřejmě existují v mnoha tvarech a velikostech a jsou vyrobeny z tolika různých materiálů, že je těžké je spočítat – pamatujete na konstrukce ze slámek na pití? Společným jmenovatelem však vždy byly styčníky – nejen jak by se s nimi mělo zacházet, ale také jak by se měly navrhovat. Vzhledem ke své velikosti nabízejí mimořádnou únosnost, což je jeden z důvodů, proč jsou oblíbeným řešením pro složité situace!
Dřevo mám vždy rád – pravděpodobně proto, že jsem nadšeným fanouškem historických budov a stavitelství. Dřevo bylo prvním konstrukčním materiálem používaným k tvorbě příhradových konstrukcí. Dřevěné příhradové konstrukce sahají až do roku 2500 př. n. l. Staří Řekové je používali ve střechách a hojně se objevovaly ve středověké architektuře.
Mnoho starých desátkových stodol bylo postaveno těmito metodami. Styčníky byly vytvářeny přímo ve dřevěných prvcích tradičním čepovým spojem se dřevěnými kolíky nebo podobně. Nástroje, ke kterým měli řemeslníci minulosti přístup, byly poněkud omezené, což vedlo ke vzniku trojrozměrných uměleckých děl, nikoli jen něčeho, co drží venku vítr a déšť.
Dřevěné příhradové konstrukce se vždy využívaly v bytové výstavbě, od středověkých panských sídel po moderní obydlí. Dramaticky se změnily metody a formy. Dnešní moderní střešní vazníky se štíhlými prvky a navrženými styčníkovými plechy mají k obrázku výše hodně daleko.
Při pohledu na vývoj ocelových příhradových konstrukcí se nejprve musíme podívat na železo, a to jak litinu, tak kujné železo, a na jeho roli. Odvětvím, které je za tento vývoj z velké části odpovědné, je doprava – vzpomeňte si na železnice (po celém světě).
Po celém světě najdeme mnoho krásných příkladů:
Brunelův čočkový příhradový nosník – Royal Albert Bridge – železo
Železniční most Firth of Forth – ocel
Když byly mosty průkopníky důmyslného a elegantního návrhu, kdo se ujme vedení z pohledu pozemních staveb? V roce 1889 byla v Paříži postavena „Železná dáma“ (známá také jako Eiffelova věž). Přestože je postavena z kujného železa, je možná jednou z nejikoničtějších budov na světě, v nichž se uplatňují příhradové konstrukce a příhradové působení.
Moderní konstrukce se samozřejmě stále více spoléhají na příhradové konstrukce při překonávání zvláštních okolností nebo velkých rozpětí. Existuje několik typů příhradových konstrukcí, některé s vlastními názvy:
- obloukový příhradový nosník (bowstring)
- vějířový příhradový nosník
- Finkův příhradový nosník
- lomený příhradový nosník (gambrel)
- Howeův příhradový nosník
- vazník s jedním stojatým sloupkem (king post)
- vazník se dvěma stojatými sloupky (queen post)
- Vierendeelův nosník (forma příhradové konstrukce)
- Warrenův příhradový nosník
- atd.
Konstrukční analýza, návrhové metody i materiály se změnily, ale jedna věc zůstává neměnná – obtížný návrh přípojů. Schopnost posoudit správné požadavky na zatížení příhradové konstrukce (a vlastně jakékoli konstrukce) je zásadní. Mnoho příhradových konstrukcí má své kořeny v geometrii, proto je důležité, aby byla geometrie uznána také jako významný, někdy architektonický faktor.
A co IDEA StatiCa?
Samotné prvky (v ocelové příhradové konstrukci) jsou často štíhlé a následně jsou vystaveny dalším účinkům, které mohou projektanta vést k zvážení pokročilejších forem analýzy. Softwarové řešení, které dokáže spojit všechny tyto požadavky s snadno použitelnými funkcemi, je v dnešním světě stavebního inženýrství naprosto nezbytné.
Naštěstí existuje IDEA StatiCa. IDEA StatiCa Connection dokáže bezpečně a efektivně navrhovat dnešní složité přípoje příhradových konstrukcí – k dispozici jsou také pokročilé dřevěné přípoje (s použitím plechů). Může využít výpočetní model z několika řešení pro metodu konečných prvků pomocí aplikace nazvané IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot poskytuje propojení mezi MKP a IDEA StatiCa Connection. Pokud má projektant obavy o prvky v příhradové konstrukci, máme IDEA StatiCa Member. IDEA StatiCa Checkbot lze použít i pro ovládání tohoto řešení.
Kde do toho IDEA StatiCa zapadá? Uvažujme jednoduchý, ale zásadní příklad:
Jedná se pravděpodobně o nejpodceňovanější konstrukce na dnešních silničních sítích. Jsou vystaveny všem obvyklým typům zatížení: stálému, nahodilému, větru, sněhu a námraze. Dále je třeba případně uvažovat i dynamická zatížení. To vše při snaze navrhnout něco, co lze efektivně vyrobit a rychle smontovat.
Tento příklad byl zjednodušen, protože se chceme zaměřit na interakci s řešením IDEA StatiCa.
Krok 1 – Analýza metodou konečných prvků
Konstrukce byla namodelována, analyzována a navržena v vhodné aplikaci pro analýzu metodou konečných prvků (MKP) – v tomto případě v Autodesk Robot Structural Analysis. Úplný seznam podporovaných aplikací najdete na našem webu.
Doplněk IDEA StatiCa Checkbot byl spuštěn z aplikace Robot. Instalace většiny těchto takzvaných doplňků do ostatních podporovaných aplikací probíhá automaticky, aby byly jejich použití ještě rychlejší a snazší.
Krok 2 – Export do Checkbot
Prvky a přípoje se vyberou v aplikaci Robot a exportují se do Checkbot. Pokud dojde ke změnám, model v Checkbot lze také synchronizovat s MKP. Vnější zatížení zadaná v modelu MKP se použijí pro globální analýzu a vnitřní reakce – osové síly, smykové síly a momenty – se přenesou do Checkbot. Jakmile jsou v Checkbot, jsou k dispozici pro Connection i Member.
V Checkbot lze také vizualizovat účinky zatížení.
Prvky v IDEA StatiCa Checkbot lze také slučovat – spojité prvky složené z kratších délek lze tedy pro návrh přípoje sloučit. V tomto příkladu byly takto upraveny prvky dolního pásu. Naopak horní pás upraven nebyl, protože ve svém přípoji to není nutné. To je výhodné při použití aplikací MKP, které musí spojité prvky modelovat tímto způsobem.
Krok 3 – Návrh a posouzení přípojů
Přípoje lze navrhovat a posuzovat v IDEA StatiCa Connection a prvky lze posuzovat v IDEA StatiCa Member. Umístění prvků bylo vždy kompromisem mezi analýzou a skutečností. Prvky se mohou při výrobě posunout, aby se snáze svařovaly – to často vede k problémům ve výpočetním modelu. V IDEA StatiCa můžeme upravit excentricity, abychom tuto nesrovnalost zohlednili.
V řešení Connection je třeba nezapomenout přizpůsobit analytický model při nastavení Typu modelu. Pokud chcete použít přípoje s jedním šroubem v tradičním styčníkovém plechu, musíte nezapomenout odpovídajícím způsobem změnit Typ modelu – na N,Vy,Vx – tedy takový, který nepřenáší momenty. Pokud však váš přípoj (jako v tomto příkladu) dokáže přenést moment, lze tento krok vynechat.
Práce se skutečnými návrhovými kombinacemi zatížení je nezbytná pro dosažení bezpečného a efektivního modelu přípoje a normového posouzení. Pomocí čtyř jednoduchých operací k vytvoření plně svařovaného styčníku vidíme, že všechny kritické účinky zatížení (naše návrhovékombinace) byly postupně posouzeny a všechny vyhovují.
Krok 4 – Posouzení prvků
Druhý přípoj lze navrhnout obdobným způsobem, než se podíváme na diagonálu v IDEA StatiCa Member.
Z toho však vyplývá, že existuje dostatek prostoru pro další zkoumání úspor materiálu a přípojů, protože mnoho prvků příhradových konstrukcí je předimenzováno, aby se kompenzoval nedostatek pokročilé analýzy.
Závěrečné myšlenky
Příhradové konstrukce jsou nezbytnou součástí stavebního inženýrství a jejich použití bude stále odvážnější. Pokrok v materiálech a metodách výstavby bude znamenat, že v následujících letech vzniknou nové návrhy a koncepce – jsem si tím jistý. Přístup IDEA StatiCa fungovat jako datové úložiště považuji za to nejlepší z obou světů: odborníci v oblasti MKP mohou pokračovat ve vývoji prvotřídních řešení a my se napojíme na jejich výsledky a model, abychom vytvořili modely přípojů a posudky prvků – v oboru, ve kterém patříme ke světové špičce!
Doufám, že se vám tento exkurz do světa příhradových konstrukcí líbil a že vidíte, jak vám můžeme v IDEA StatiCa pomoci hned několika způsoby. Brzy očekávejte související článek o ztužidlech.
