Návrh spřažení příhradových ocelobetonových...

Seminář FSv ČVUT 1

Návrh spřažení příhradovýchocelobetonových mostů

Prof. Josef MacháčekMartin Charvát, PhD student

Martin Čudejko Ph.D.


1. Úvod

2. Teoretické modely

3. Numerické studie

4. Závěry a doporučení

Obsah


Spřažené příhradové mosty: ocelový příhradový nosník + železobetonová deska

1. Úvod

železniční most L = 63 m železniční most L = 35 m

silniční mosty s rozpětím L od 21 do 45 m


CL CL

podélnýsmykový tok

plastickýpružný

plastickýpružný

Pružná a plastická analýza podélného smyku mezi ocelovým příhradovým nosníkem a ž.b. deskou:

plnostěnný nosník příhradový nosník

Pružná analýza je nutná pro:- průřezy 3. a 4. třídy,- „netažné" prvky spřažení,- návrh na únavu,- mosty.


Provedené studie:'70’ Galambos & Tide, Azmi, Iyengar & Zils

(výzkum i praktické aplikace v USA a Kanadě)

'90’ Brattland & Kennedy, Woldegiorgis, Viest(experimentální a teoretické studie v USA a Kanadě)Steel Construction Institute

po 2000 Johnson & Ivanov:- numerické studie pro soustředěný podélný smyk,- Eurokód 4 (část 2 – spřažené mosty)

Autoři:- experimentální výzkum stropních spř. příhr. nosníků (05-6)- numerické analýzy, Engineering Structures (09, 11)


1. 3D MNA (materiálově nelineární analýza)

3D model (ANSYS):betonová deska: SOLID65horní ocelový pás: SHELL43

výplňové pruty: BEAM24dolní ocelový pás: BEAM24

spřažení: COMBIN39

2. Teoretické modely


Pracovní diagramy použité v numerických studiích:

ocel(S355)

beton(C 30/37)

[-]

c [MPa]

- 3.8

Ecm = 32 000 MPa

3025

12

-0.001 0.001 0.002 0.003 0.004

a [MPa]

[-]


Pracovní diagram spřažení:- pro trny použity studie publikované Oehlersem & Coughlanem,- pro děrovanou lištu vlastní výsledky prvního autora.

Příklad: spřahovací trn Ø 19 mm:

1,39; 54840

2,11; 73120

2,57; 82260

3,55; 86830 5,87; 91400

7,60; 86830

10,00; 73120

0100002000030000400005000060000700008000090000

100000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Shea

r for

ce P

[N]

Slip [mm] prokluz [mm]

smyková síla P [N]na 1 trn


Odzkoušeny dva identické spřažené příhradové nosníkys rozpětím L = 6 m (celková výška nosníku 510 mm)

Experimentální ověření

stojan lámací dráhyhydraulický lis PZ20

roznášecí rošt HE 200 B

maltové lože

osa symetrieděrovaná lištaválečkové ložisko


Detaily experimentu

Zatížení řízeno silou(hydraulickými válci) Plastický kolaps


3D MNA (ANSYS): ověření modeluMateriálové vlastnosti:

• zavedeny měřené hodnoty• pracovní diagramy podle výše uvedeného

Srovnání: experimentální výsledky vs. 3D MNA (a Eurokód)

Theory-EN 1994EX1EX2FE model

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Deflection at midspan δ [mm]

Load

ing

per j

ack F

[kN

]

δ el

F el

F pl

0

20

40

60

80

100

120

140

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12End slip δ s [mm]

Load

ing

per j

ack F

[kN

]

EX1EX2FE model

průhyb uprostřed rozpětí [mm] koncový prokluz s [mm]

síla

na

lisF

[kN

]

síla

na

lisF

[kN

]

Eurokód

3D MNA zcela koresponduje s experimenty (= vzor, benchmark).


2. Zjednodušený 2D pružný rámový model(SCIA Engineer software)

• všechny prvky jsou modelovány jako pruty,včetně betonové desky bez vyloučení tahu (jak doporučuje Eurokód - konzervativní řešení),

• spřažení (trny) modelovány jako konzolky,kloubově spojené se střednicovou rovinou desky:

(kreslena pouze ocelová část)

ocelovýpás

bet.deska

prvek reprezentující bet. desku

prvek reprezentující ocelový pás(v těžišti pásu)

DD e


L/2 = 31 500

7229 7545

3231600

31001600

3. Numerické studie3.1 Železniční most velkého rozpětí (L = 63 m)


4 paralelní trny Ø 19 mm, podélně po 400 mm

(kreslena polovina rozpětí)

modrá odpovídá návrhovémuzatížení mostu (200 kN/m)

-20000

0

20000

40000

60000

80000

100000

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Distance from support [mm]

Shea

r for

ce p

er c

onne

ctor

[N]

q= 50 kN/mq= 100 kN/mq= 150 kN/mq= 200 kN/mq= 250 kN/mq= 270 kN/mq= 300 kN/mq= 325 kN/m

síla

na

trn

[N]

vzdálenost od podpory [mm]

3D MNA (ANSYS) podélný smyk ve spřažení


2D LA (rámový) zjednodušený pružný modelPružná linearizace smykového spojení:

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Slip [mm]

Shea

r for

ce P

[N]

4x Stud D19/200 (acc. Oehlers and Coughlan)cantilever Ø 110 mm; length 305 mm

síla

na

trn

P [N

]

prokluz [mm]

4 x trn D19/200 (podle Oehlerse a Coughlana)náhradní konzolka ø110 mm, délky 305 mm

plně lineární chování (zhruba odpovídá návrhovému zatížení)


Srovnání 3D MNA, 2D LA, Eurokód EN 1994-2:

2D LA je velmi vhodný, Eurokód je extrémně konzervativní.

-100100300500700900

11001300150017001900

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Shea

r flo

w

[N/m

m]


EN 1994 (trapezoidal: non-ductile connectors)

EN 1994 (rectangular: stud connectors)

Auxiliary technical calculation

FEM-ANSYS

FEM-SCIA (D109.64)


smyk

ový

tok

[N/m

m]

Eurokód

ANSYS 3D MNASCIA 2D LA

netažné (např. bloky)tažné (trny)

(pro odpovídající návrhové zatížení 200 kN/m, kreslena polovina L):


3.2 Železniční most středního rozpětí (L = 35.2 m): Parametrická studie


Zatížení použité ve studiích: mostní zatížení LM71 podle Eurokódu 1

v pozici vyvolávající maximální podélnou smykovou sílu na jeden nosník(včetně dynamických účinků a vlivu excentricity koleje)

1400 1975264,4 kN

264,4 kN264,4 kN

264,4 kN 84,6 kN/m

1600 1600 1600800

8600800

17600

2600


Vliv tuhosti smykového spojení

Čím tužší smykové spojení, tím vyšší špičky smykového toku

/200 mm

počet trnů na horní pásnici;podélná rozteč vždy 200 mm

-1000

100200300400500600700

0 3000 6000 9000 12000 15000Distance from support [mm]

She

ar fl

ow [k

N/m

]

10 studs 19/150

5 studs 19/150

1 stud 19/150


smyk

ový

tok

[kN

/mm

] 10 trnů 19/150

5 trnů 19/150

1 trn 19/150


Vliv velikosti plochy ocelového pásu

Čím větší plocha pásu, tím nižší špičky smyku

/200 mmupper steel chord

with 5 studshorní páss 5 trny

-505

1015202530354045


She

ar fo

rce

per c

onne

ctor

[kN

]half chord areadoubled chord area


poloviční plocha pásu

dvojnásobná plocha pásusm

ykov

á sí

la n

a trn

[kN

]


Vliv velikosti/tvaru plochy ž.b. desky

The wider or thicker slab, the higher shear peaks

01,53

4,56

7,59

10,512

13,515

16,518

19,521

22,5

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000Distance from support [mm]

Shea

r for

ce p

er o

ne s

tud

[kN

]

double width (6750x300 mm)

half width (1687x300 mm)

Čím širší/tlustší deska, tím vyšší špičky smyku


smyk

ová

síla

na

trn [k

N]

dvojnásobná šířka (6750x300 mm)

poloviční šířka (1687x300 mm)/200 mm

upper steel chordwith 5 studs

horní páss 5 trny


Zhušťování trnů nad styčníky:

Optimální zhuštění vyžaduje iterační proces

-5

0

5

10

15

20

25

30

35


She

ar fo

rce

per o

ne s

tud

[kN

] uniform distribution

1st iteration

2nd iteration

3rd iteration

27.5 9.5

6.015.5 4.1

7.3

průměrná hodnota smykové sílypro rovnoměrné rozmístění trnů

3


smyk

ová

síla

na

trn [k

N]

příčné zhuštění na ukázaný počet trnůà 200 mm v délce čtvrtiny vzdálenosti styčníků

rovnoměrné rozmístění trnů (3 trny v rozteči 200 mm)

1. iterace

2. iterace

3. iterace


Optimální návrh smykového spojení

Optimální návrh vede k využití únosnosti trnů

-5

0

5

10

15

20

25

30

35


She

ar fo

rce

per o

ne s

tud

[kN

]uniform distribution

3rd densification

utilized studs7.6

2.6

27.5 9.5

Optimální návrh vyžadujecelkové snížení počtu trnůk využití jejich únosnosti

3

optimum stud capacity (≈ 26 kN)


smyk

ová

síla

na

trn [k

N] rovnoměrné rozmístění trnů

3. iterace

optimální využití trnů (pružná únosnost ≈ 26 kN)


Vliv teploty (popř. smršťování):

Odpovídá velmi dobře předpokladu Eurokódu 4,tj. trojúhelníkovému rozložení od podpory



vliv snížení teploty ž.b. desky oprotiocelovému pásu o 9 C (požadavek Eurokódu 1)

Eurokód 4


smyk

ová

síla

na

trn [k

N]


Vliv dotvarování:

Účinek dotvarování je v místech špičekpodélného smyku nižší.



-5

0

5

10

15

20

0 3000 6000 9000 12000 15000


Shea

r for

ce p

er o

ne s

tud

[kN

]

a) Ec(28 days) = 32000 MPa

b) Ec(2 months) = 18198 MPa

c) Ec(100 years) = 10309 MPa

Creep inf luence (a-c)


smyk

ová

síla

na

trn [k

N]

a) Ec (28 dní) = 32 000 MPa

b) Ec (2 měsíce) = 18 198 MPa

c) Ec (100 let) = 10 309 MPa

účinek dotvarování (a-c)


V pružné oblasti spřažení vznikají nad styčníky příhradové konstrukce výrazné špičky podélného smyku.Obě navržené metody na bázi MKP (3D MNA – ANSYS a 2D LA - rám) umožňují vhodné řešení.

Špičky smyku nad styčníky jsou výrazně ovlivněny:- pracovním diagramem smykového spojení (např. trnů),- plochou ocelové pásnice a plochou betonové desky,- úrovní zatížení.

Eurokód 4 poskytuje dobrý odhad velikosti špiček smyku pouze provelmi nízkou úroveň zatížení a velmi konzervativní odhad pro úroveňzatížení odpovídající dosažení pružné (resp. návrhové) únosnostismykového spojení.

4. Závěry a doporučení


Zhuštění smykových zarážek (trnů) nad styčníky zde vyvolávázvýšení podélného smyku vlivem větší smykové tuhosti.Optimální návrh proto vyžaduje iterační proces. Podle numerickýchstudií se doporučuje zhuštění po každé straně styčníku v délcecca čtvrtiny vzdálenosti mezi styčníky.Styčníkové plechy a jejich tuhost je nutné zvážit přiměřeně.

Vliv teploty a smršťování modifikovaného dotvarováním lze uvažovatobdobně jako u plnostěnných spřažených mostů.


děkuji

Poděkování:

Údaje o realizaci některých mostů poskytli pracovníciSUDOP a.s., zejména Ing. J. Laifr (s převzetím snímků odfirmy Bögl a Krýsl, k.s.).

Date post:	08-Mar-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

Návrh spřažení příhradových ocelobetonových...

Documents