Experimentální analýza první série modelů kruhového ztužidla

1. Úvod

Od doby prvních mrakodrapů bylo do dnešních dnů vystavěno nespočet výškových budov, které byly realizovány za pomocí nových materiálů a především nových konstrukčních systémů. Zvýšené nároky na ztužení se netýkají pouze mrakodrapů, ale také věží, rozhleden, stožárů a komínů.

Jedním z důležitých prvků zajišťujících stabilitu těchto konstrukcí jsou stěnová ztužidla, jejichž tvar se mění dle požadavků architektů a projektantů tak, aby vhodně přenášel především vodorovné síly od účinků větru, otřesů, imperfekcí a podobně. Předmětem této práce je návrh nového stěnového ztužidla, které by dostatečně přenášelo vodorovné síly, ale také síly svislé a tím uspořilo nutnost provádění stěnových sloupků.

2. Základní popis zkoumaného problému

Všechny vertikální štíhlé konstrukce jsou kromě běžných zatížení, jakou je vlastní tíha, užitné zatížení, zatížení sněhem a další, vystaveny značným především vodorovným silám od účinků větru, zemětřesení [1], imperfekcí a dalších [2]. Náchylnost těchto konstrukcí na nepříznivé účinky vodorovných zatížení je umocněna v případech, kdy první vlastní frekvence kmitání konstrukce klesne pod hranici 4 Hz někdy i 1 Hz. Z toho vyplývají zvýšené nároky na tuhost a útlum ztužujícího systému, který musí odolávat dynamickým účinků větru a také seismicity.

Obrázek 1: Osazení kruhového ztužidla do skeletu patrové budovy (1 – obruč, 2 – výplet).

Zvýšení tuhosti a útlumu konstrukce lze dosáhnout pomocí ztužujícího systému, který by svými vlastnostmi přispíval ke zlepšení přenosu nepříznivých vnějších sil. Pro tyto účely byl vyvinut nový kruhový ztužující systém (viz obr. 1) [4, 5]. Ztužidlo je tvořeno tuhou obručí, která redistribuuje vnější tlakové síly do dalších částí ztužidla, k čemuž díky kruhovému tvaru má ty nejlepší předpoklady. Jádrem kruhového ztužujícího systému je tzv. „výplet“, který tvoří táhla ukotvená mezi středem a obvodem obruče. Tyto prvky jsou vhodně předepnuty tak, aby absorbovaly vnější síly bez vzniku tlakových sil v táhlech. Nutnou podmínkou funkčnosti je zachycení styku táhel k tuhému patru základní konstrukce. Takto navržené ztužidlo by mělo odolávat vnějším silám působícím na konstrukci a tím zlepšovat tuhost konstrukce. Předpokládanou výhodou navržené konstrukce ztužení je možnost změny tuhosti v průběhu času a také využití subtilních profilů, které nebrání výhledu z konstrukce.

Dále se očekávají výhodné dynamické vlastnosti, které vyplývají z možnosti změny předpětí (ladění konstrukce). Nevýhodami systému jsou subtilní táhla, která mohou mít problémy s požární odolností, nutnost použít vysokopevnostních ocelí a zejména složitější realizace konstrukcí využívajících tento prvek. Nový kruhový ztužující systém je chráněn jako duševní vlastnictví ve stupni „užitný vzor“ pod číslem 22608.

3. Experimentální měření

Měřicí metody a postupy laboratorního měření byly zvoleny na základě požadovaných měřených veličin a dostupných měřících zařízení. Posun zkoušeného vzorku byl zajišťován pomocí „snímačů dráhy“, vertikálního posun byl kontrolován odečtem posunu čelistí hydraulického lisu. Síla působící na zatěžovanou konstrukci ztužidla byla odečítána z hydraulického lisu. Nejdůležitější měřenou veličinou je poměrné přetvoření snímané pomocí foliových tenzometrů. Jako doplňková metoda byla užita fotogrammetrie, jejíž výsledky by měly zajistit komplexní chování konstrukce při zatěžování.

3.1. Zatěžovací zkoušky

Obrázek 2: Osazení kruhového ztužidla do zkušební konstrukce kyvného rámu.

Experimentální vzorky obručového ztužidla (1:20) budou zkoušeny na smykovou odolnost ve třech etapách. První etapa bude zachycovat stav bez předpětí výpletu obruče. Další etapa bude realizována s polovičním předpětím výpletu obruče a poslední etapou bude plné předpětí. Cílem měření je především ověření předpokladů chování konstrukce při zatížení a porovnáni s numerickými modely. Navrhovaná měření byla naplánovaná na základě možností a dostupnosti měřící techniky laboratoře FAST. Jednou z měřených veličin, pomocí tenzometru, je poměrné přetvoření [µm/m], které je možné přepočítat na napětí [MPa]. Další měřenou veličinou je vertikální posun kyvného rámu. Pro zajištění objektivnosti výsledků jsou měřeny také posuny kyvného rámu ve směru kolmém na rovinu ztužidla. Doprovodnou metodou při měření bude využito fotogrammetrie, která na půdě FAST doposud nebyla použita. Pro možnost zpracování zaznamenaných fotografií byl vytvořen software TRACY, který načte fotografie a vyhodnotí v souřadnicích posuny jednotlivých sledovaných bodů. Aby bylo možné provést zatěžovací zkoušky smykové odolnosti ztužující obruče bylo nutné zkonstruovat pomocné konstrukce umožňující běžnému hydraulickému lisu provádět smykové zatěžovací zkoušky. Jedná se o dvě pomocné konstrukce. První z nich zajišťuje pevnou oporu a je tvořena kotevním rámem z HEA profilů. Konstrukce byla navržena tak, aby při zatěžování nedocházelo k deformacím kotevního rámu. Další pomocnou konstrukcí je kyvný rám, jehož úkolem je zajištění volnosti ve směru roviny zkoušeného vzorku a naopak zajištění tuhosti kolmo na směr roviny vzorku. Díky těmto přídavným konstrukcím je možné provádět smykové zatěžovací zkoušky na běžném hydraulickém lisu.

4. Závěr

Moderní konstrukce jsou v současnosti navrhovány pomocí softwaru využívajících MKP. Těmito prostředky je možné modelovat téměř vše, ale ne vždy výsledky korespondují se skutečností. Dosavadní výsledky numerických modelů obručového ztužidla jsou slibné, ale teprve experimentální ověření vlastností v laboratoři ukáže, zda předpoklady numerických modelu souhlasí s realitou [3]. Momentálně probíhá intenzivní zkoušení experimentální konstrukce obručového ztužidla a dílčí výsledky budou uvedeny v připravované prezentaci k tomuto článku.

Poděkování

Projekt byl realizován za finanční podpory specifického vysokoškolského výzkumu pro rok 2011 a 2012, přidělený VŠB-TU Ostrava Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky a také z nadačního příspěvku z prostředků NIF program „Věda a výzkum pro život 2011“.

Literatura

• [1] KALÁB, Z.: Seizmická měření v geotechnice. vydání 1. VŠB-TU OSTRAVA, 2008. ISBN 978-80-248-1796-5.
• [2] STUDNIČKA, J.; MACHÁČEK, J.; VOTLUČKA, L.: Ocelové konstrukce 20 – pozemní stavby. Praha: ČVUT v Praze, 1998. ISBN 80-01-01556-4.
• [3] FOJTÍK, R., NOVOTNÝ, T. Experimentální ověření numerických modelů konstrukce obručového ztužidla. Modelování v mechanice 2012. Ostrava: 2012, ISBN 978-80-248-2694-3.
• [4] FOJTÍK, R., NOVOTNÝ, T. Nový ztužující systém vertikálních ocelových konstrukcí. Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, řada stavební. Ročník XII, 1/2012, ISSN 1213-1962.
• [5] FOJTÍK, R., ROSMANIT, M. A New Pre-Stressed Bracing System for Buildings. CC2009: The 12^th International Conference on Civil, Structural and Enviromental Engineering Computing, Funchal, Madeira, Portugal, September 2009, Proceedings and CD, ISBN 978-1-905088-32-4.