Jak si poradit s návrhem převázky pilot?

20.08.2024

| Autor: Petra Topinková

Beton

Detail 2D

Detail 3D

EN (Eurokód)

ACI (USA)

Kotvení

Základový blok

CSFM

Základ na pilotách

Napětí ve výztuži

Narazili jste se ve své praxi na převázky pilot? Pak víte, že to může být nelehký úkol, zejména pro některá složitější rozvržení pilot. Pojďme si ujasnit, co návrh převázky zahrnuje a jaké jsou naše možnosti návrhu.

Co je převázka pilot?

Převázka pilot je betonová deska nebo pás používaná v základech budov, mostů a další těžké infrastruktury, kde základové poměry nejsou ideální pro plošné základy. Jeho primární funkcí je rozložit zatížení z horní stavby na piloty, které následně přenášejí zatížení do hlubších půdních nebo horninových vrstev. 

Převázka pilot je typickým příkladem oblasti diskontinuity, kde nelze uplatnit klasický přístup dimenzování. Jaké jsou tedy možnosti návrhu?

Metoda vzpěra-táhlo

Metoda vzpěra-táhlo (MVT) se používá pro analýzu a navrhování oblastí betonových konstrukcí, kde neplatí tradiční předpoklady teorie nosníků. Jedná se o oblasti diskontinuit (D-oblasti), jako jsou části konstrukce kolem otvorů, podpěr a bodového zatížení. Vzpěra-táhlo zjednodušuje rozložení napětí do modelu složeného z jednoduchých, idealizovaných prvků: vzpěr reprezentujících beton v tlaku, táhel (výztuž) a uzlů.

Chcete-li použít tuto metodu, je třeba vytvořit soustavu vzpěr a táhel, která reprezentuje tok napětí v D-oblasti. Geometrii této soustavy určuje projektant a posléze vypočítá síly v každém prvku. Následuje posouzení napětí v betonu, výztuži a posouzení uzlů.

Metoda vzpěra-táhlo je dobrým nástrojem pro posudek D-oblastí, má ale pár nevýhod:

Složitost a požadavky na dovednosti: Navrhování pomocí MVT vyžaduje vysokou úroveň odborných znalostí a zkušeností. Pro inženýry může být na začátku obtížné určit model VT.
Časově náročné: Vývoj přesného modelu vzpěry a táhla a provedení nezbytných výpočtů může být časově náročné.
Nelze posoudit mezní stav použitelnosti: Nelze určit velikost trhlin, deformace.
Předpoklady zjednodušení: MVT se opírá o zjednodušení a idealizaci skutečného rozložení napětí. Tyto předpoklady nemusí dokonale odrážet skutečné chování konstrukce.
Iterativní povaha: Proces může být iterativní a vyžaduje více úprav modelu, aby bylo dosaženo přijatelného návrhu. Tato iterativní povaha může zvýšit složitost a potřebný čas.
Není dostatečně univerzální: Určení správného VT modelu pro netypické tvary může být složité nebo dokonce nemožné.

Dále je třeba doplnit další výpočty a posudky, jako je například únosnost ve smyku při protlačení a kontrolu konstrukčních zásad.

Přístup CSFM

Alternativou je použití pokročilejších metod konečných prvků, jako je CSFM implementovaný v IDEA StatiCa Detail.

CSFM je zkratka pro Concrete Stress Field Method. Jedná se o metodu používanou ve stavebnictví pro analýzu a posouzení železobetonových konstrukcí. Metoda je založena na konceptu napěťového pole, které představuje průběh vnitřních napětí v rámci konkrétního prvku. Bere v úvahu interakci mezi betonem a výztuží, která je modelována konečnými 1D prvky v betonovém kontinuu. I přes svou jednoduchost poskytuje metoda velmi realistický popis odezvy betonové konstrukce jak v mezním stavu únosnosti (MSÚ), tak v mezním stavu použitelnosti (MSP). Všechny základní předpoklady jsou vysvětleny v článku Vysvětlení CSFM.

2D CSFM je již validován, a to nejen teoretickými a experimentálními verifikacemi, ale také existujícími konstrukcemi a jejich využitím v praxi. Podívejte se například na některé z těchto případových studií.

Příklad 1 - Betonová převázka pilot s kotvením

V prvním příkladu níže můžete vidět návrh převázky dvou pilot včetně kotvení ocelového sloupu (do modelu jsou skrze kotvy vneseny tahové síly, trojúhelníkové zatížení reprezentuje tlak patního plechu). Návrh byl proveden včetně všech posouzení MSÚ a MSP pomocí 2D CSFM v IDEA StatiCa Detail. Na obrázku můžete vidět základní model a souhrnné výsledky. Detailní postup modelování a také komplexní výsledky najdete v záznamu webináře.

Ne vše lze ale zjednodušit pomocí 2D úlohy – proto vyvíjíme 3D CSFM. Ta je v současné době v beta verzi a je veřejně dostupná k otestování pomocí tohoto odkazu. S tím, jak se dokončuje stále více a více verifikačních studií, budeme blíže k oficiálnímu vydání.

Příklad 2 - Trojúhelníkový betonový základ převázky pilot

Na dalším obrázku níže můžete vidět příklad návrhu trojúhelníkové převázky se třemi pilotami, který by mohl být vhodný pro 3D CSFM, protože zjednodušení na 2D řešení by neodpovídalo skutečnosti. S 3D CSFM budeme moci nejen navrhnout tahovou výztuž a zkontrolovat, zda beton může správně přenášet veškerý tlak, ale také uvidíme, jak je zatížení rozloženo na jednotlivé piloty.

Největší výhody metody jsou:

Automatizace: V IDEA Statica se model konečných prvků vytváří automaticky. Není potřeba zdlouhavě definovat omezení a oproti modelu vzpěra-táhlo není potřeba předem znát chování konstrukce.
Přesná reprezentace napětí: Poskytuje přesnější znázornění rozložení napětí ve složitých oblastech ve srovnání s metodou vzpěra-táhlo
Dostatečně univerzální: Lze použít na širokou škálu tvarů a podmínek zatížení.
Zvýšená bezpečnost: Přesně předvídá mechanismus porušení.

Závěr

Je na první pohled zřejmé, že převázky pilot jsou dalším případem oblasti diskontinuity. Přestože známe obecné inženýrské zásady a principy návrhu převázek, potřebujeme více porozumět jejich chování, zejména pokud se jedná o atypické tvary a uspořádání. Navíc, idealizace do roviny nemusí vždy dostatečně vystihovat skutečné chování konstrukce.

CSFM i vzpěra-táhlo se používají pro složité oblasti v betonových konstrukcích. Zatímco metoda vzpěra-táhlo zjednodušuje oblast do modelu podobného příhradovému nosníku s diskrétními vzpěrami, kotvami a uzly, model CSFM modeluje spojité rozložení napětí v betonu. Stručně řečeno, Concrete Stress Field Method (CSFM) implementovaná v IDEA StatiCa Detail je sofistikovaný nástroj pro návrh a analýzu železobetonových konstrukcí, který nabízí detailní pohled na rozložení napětí a přesné výsledky pro 2D i 3D úlohy.