analýza velmi štíhlé konstrukce lávky pro pěší a cyklisty

Konference ANSYS 2009
ANALÝZA VELMI ŠTÍHLÉ KONSTRUKCE LÁVKY
PRO PĚŠÍ A CYKLISTY
Hradil P., Salajka V., Kala J.
Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně
Abstrakt: Příspěvek je věnován modelování a výpočtu velmi štíhlé konstrukci lávky pro pěší
a cyklisty. Lávka je navržena pomocí konstrukčního systému tzv. předpjatého pásu, který se skládá
ze štíhlé mostovky tvořené betonovými segmenty, předpínacími lany a podporami přenášejícími
svislé a vodorovné síly. Pomocí předpětí vneseného do konstrukce předpínacími lany je mostovka
vytvarována do požadovaného velmi estetického tvaru. Známou nevýhodou těchto konstrukčních
soustav je nutnost neposuvného zakotvení konců a přenesení velkých vodorovných sil do podloží.
Abstract: The paper deal with modeling and analysis of pedestrian bridge structure. Pedestrian
bridge is designed using of structural system, formed concrete segments, prestress cables and
supports transferring vertical and horizontal forces. Disadvantage of this structural system is
necessity anchorage end of bridge and transfer great horizontal forces to the soil.
Klíčová slova: lávka pro pěší, FEM
Keywords: pedestrian bridge, FEA
1. Úvod
Ve stavební a technické praxi jsou navrhovány poměrně často nosné konstrukce, jejichž základním
prvkem je lano případně soustava lana o jednom nebo více polích. Jsou to např. lanovky, lanové
visuté střechy, visuté mosty apod. Navržené a realizované lanové konstrukce jsou velmi štíhlé a
estetické. Z hlediska stavební mechaniky analyzovaná konstrukce lávky pro pěší tvoří klasickou
tížnou řetězovku, která je jedenkrát staticky neurčitá. Pro stanovení vnitřních sil v konstrukci
nutno zapsat silové podmínky rovnováhy a určit doplňkovou podmínku. Obvykle se za
doplňkovou podmínku stanoví hodnota průvěsu konstrukce v určitém místě nebo hodnotu
horizontální síly v závěsu.
2. Popis modelované konstrukce
Pomocí výpočtového modelu v programovém systému ANSYS byla analyzována konstrukce
lávky pro pěší a cyklisty. Lávka má tři pole. Střední pole je navrženo na rozpětí 50,0 m, krajní pole
mají rozpětí 25,0 m. Celková délka láky je sto metrů. Lávka je navržena pomocí konstrukčního
systému předpjatého pásu, který předpokládá průvěs konstrukce mezi jednotlivými podporami.
Předpokládaný a projektovaný průvěs středního pole je 575 mm, u krajních polí je to 100 mm.
Vlastní nosnou konstrukci lávky tvoří dvojice nosných předpínacích lan uložených do nerezových
TechSoft Engineering & SVS FEM
ocelových trubek o průměru 219 mm. Na trubky se ukládají železobetonové segmenty proměnné
tloušťky od 100 mm do 250 mm. Součástí nosné konstrukce je také skupina předpínacích lan
vedených uvnitř betonových segmentů. Konstrukce je podporována dvěma vnitřními pilíři ve tvaru
sedla a na krajích mostu kotvena do železobetonových opěr. Nosné pilíře přenáší do základů svislé
zatížení pomocí dvojice pilot, zatímco železobetonové opěry přenáší soustavou zemních kotev a
pilot také vodorovnou sílu, která vzniká na koncích mostu. Výstavba konstrukce probíhá, tak že na
již zhotovené pilíře a opěry se uloží částečně předepnuté nosné předpínací lana, na které jsou
uloženy železobetonové segmenty. Předepnutím všech instalovaných kabelů se provede aktivace a
konstrukce zaujme tvar klasické řetězovky.
Celá konstrukce byla modelována pomocí prostorových prutových a příhradových prvků.
Prutovými prvky typu BEAM44 byly modelovány betonové segmenty, konstrukce pilířů, opěr a
pilot. Pomocí příhradových prvků typu LINK8 byly modelovány předpínací lana a zemní kotvy.
Zemina v okolí pilot byla modelována pružinovými prvky COMBIN14.
Obr. 1. Výpočtový model lávky pro pěší
Obr. 2. Detail výpočtového modelu v místě uložení mostovky na pilíř
3. Statická a dynamická analýza
Byla provedena podrobná statická a dynamická analýza nosné konstrukce lávky. Pro statickou
analýzu bylo nutné vytvořit celou řadu výpočetních modelů pro stanovení účinků postupu
výstavby, změn statického působení během výstavby a posouzení globálního chování konstrukce a
výpočet počátečního napětí nosných lan. Do všech výpočtů byl zaveden předpoklad geometricky
nelineárního chování konstrukce. Výsledky byly porovnávány se zjednodušenými analytickými
výpočty.
Konference ANSYS 2009
Vlastní statický výpočet byl rozdělen na několik po sobě následujících zatěžovacích stavů, které
modelovaly postup výstavby konstrukce lávky pro pěší. První montážní stav modeloval
vybudování základových konstrukcí, pilířů a opěr, částečné předpětí dvojice nosných lan a vnesení
zatížení od betonových prefabrikátů. Ve druhém zatěžovacím stavu bylo modelováno
zmonolitnění konstrukce aktivací železobetonových prefabrikátů a dopnutí nosných předpínacích
kabelů na maximální dovolené předpětí. Ve třetím zatěžovacím stavu byly předepnuty vnitřní
kabely a výpočtový model byl přitížen ostatním stálým zatížením. V této konfiguraci mostovka
zaujala tvar odpovídající projektovanému a předpokládanému stavu.
,
Obr. 3. Hodnoty posunutí nosné konstrukce lávky a vodorovné posunutí opěry
Obr. 4. Normálové napětí uprostřed mostu a nad podporou
Projektovaný stav byl výchozím stavem pro výpočet návrhových situací, odpovídají normovým
předpisům. Návrhové situace obsahovaly především přitížení konstrukce nahodilým zatížením a
určení vlivu změny teploty na konstrukci lávky. Výpočet byl vždy proveden jako geometricky
nelineární, proto pro každou návrhovou situaci byl proveden samostatný výpočet obsahující postup
výstavby a přitížení nahodilým zatížením. Statická analýza byla doplněna o dynamickou analýzu
vlastních tvarů. Další dynamické výpočty nebyly prováděny.
TechSoft Engineering & SVS FEM
4. Závěr
Příspěvek se zabývá statickou analýzou, která má sloužit pro chodce a cyklisty. Konstrukce
analyzované lávky je navržena pomocí konstrukčního systému tzv. předpjatého pásu. V prostředí
systému ANSYS byl vytvořen výpočtový model pomocí, kterého byly analyzovány různé
návrhové situace. Získané výsledky byly použity pro návrh a posouzení jednotlivých
konstrukčních částí.
5. Reference
1. Stráský J., Stress gibbon and cable-supported pedestrian bridges, Thomas Telford 2005,
ISBN 0 7277 3282 X
2. ANSYS, Inc., „Release 11.0 Documentation for ANSYS“, SAS IP 2007
6. Poděkování
Příspěvek vznik za finančního přispění MŠMT, projekt 1M6840770001 v rámci činnosti
výzkumného centra CIDEAS.