O příhradách a příhradových konstrukcích

Vítejte u mého šestého příspěvku na blogu! Jak už se stalo tradicí, rád bych do něj vnesl něco osobního. 

Kolik z vás si vzpomene, kdy jste analyzovali svou první příhradu? Pro mě to bylo ve druhém ročníku střední školy. Předmětem bylo technické kreslení a počítali jsme pomocí průsečné metody.

Kolik (starších) inženýrů si to ještě pamatuje? Přešlo pár let a příhradový vazník byl první konstrukční model, který jsem vytvořil na univerzitě - pravda, s dalšími třemi členy našeho hvězdného týmu. Model byl vyřezán, vyvrtán, sešroubován a zatížen až do jeho destrukce - což, podotýkám, netrvalo příliš dlouho!

Příhradové konstrukce mají samozřejmě mnoho tvarů a velikostí a jsou vyrobeny z tolika různých materiálů, že je těžké je vyjmenovat - vzpomínáte si na konstrukce z brček na pití? Společným jmenovatelem však vždy byly spoje - nejen to, jak by měly být provedeny, ale také jak by měly být navrženy. Na svou velikost nabízejí příhrady výjimečnou nosnost, což je jeden z důvodů, proč jsou řešením pro svízelné situace velkých rozponů.

Vždycky jsem měl rád dřevo - dost možná proto, že jsem nadšenec historie stavitelství. Dřevo bylo prvním konstrukčním materiálem, který se používal k vytváření krovů. Dřevěné vazníky se datují do doby 2500 let před naším letopočtem. Používali je už staří Řekové na střechy a hojně se objevovaly i ve středověké architektuře.

Mnohé ze starých stodol byly postaveny právě těmito metodami. Přípoje se vytvářely v dřevěných trámech pomocí tradičních čepů z dřevěných kolíků apod. Nástroje, které měli tehdejší řemeslníci k dispozici, byly poněkud omezené, což vedlo k tomu, že vznikala spíše unikátní umělecká díla než jen standardní konstrukce, která měla chránit před větrem a deštěm.

Dřevěné krovy se v obytných stavbách používají odedávna, od středověkých panských sídel až po moderní domy. Výrazně se ale změnily používané metody a formy. Dnešní moderní střešní vazníky se štíhlými pruty a ocelovými styčníkovými deskami s hroty jsou na hony vzdálené výše uvedenému obrázku.

Při pohledu na nástup ocelových příhradových konstrukcí je třeba se nejprve podívat na litinu, a to jak litou, tak svářkovou. Odvětvím, které je za tento vývoj do značné míry zodpovědné, je doprava - vzpomeňme na první železnice. Po celém světě najdeme opravdu mnoho krásných příkladů litinových a železných mostů:

Royal Albert Bridge (ve výstavbě) - svářková ocel

The Firth of Forth Rail Bridge - ocel

A kdo se postavil úžasným mostům na poli pozemních staveb s nějakým opravdu chytrým a elegantním designem? V roce 1889 to byla v Paříži postavená "Železná dáma", neboli známá Eiffelova věž. Ačkoli byla postavena z konstrukčního železa, je to pravděpodobně jedna z nejikoničtějších staveb na světě, na které se podílí příhradový systém.

I moderní konstrukce se samozřejmě stále spoléhají na příhradové vazníky a systémy, aby tak překonaly volná rozpětí a jiné problémy konstrukcí. Pro některé vazníky dokonce existují zvláštní názvy, jako např. z holandštiny převzatý "Vierendeel". Angličtina zná dokonce celou řadu typů příhradových konstrukcí (truss):

• bowstring truss
• fan truss
• fink truss
• gambrel truss
• howe truss
• king post truss
• queen post truss
• Vierendeel girder
• Warren truss
• etc.

Analýza, metody navrhování a materiály se v průběhu let sice změnily, ale jedna konstanta týkající se obtížného navrhování styčníků zůstává. Schopnost posoudit správné požadavky normy na únosnost příhradové konstrukce (a vlastně jakékoliv konstrukce). Samotné pruty (v ocelovém příhradovém vazníku) jsou často štíhlé a následně jsou vystaveny dalším účinkům, které by mohly vést projektanta ke zvážení pokročilých forem analýzy.

Řešení příhradových konstrukcí v IDEA StatiCa?

Mít softwarové řešení, které dokáže všechny tyto požadavky skloubit se snadno použitelnými funkcemi, je v dnešním světě stavebního inženýrství naprosto nezbytné. Naštěstí je tu IDEA StatiCa. Aplikace Connection  dokáže bezpečně a efektivně navrhnout dnešní komplikované příhradové styčníky - k dispozici jsou i přípoje pro dřevěné konstrukce (pomocí plechů a šroubů).

Software také dokáže využít analytický model z MKP programů pomocí aplikace nazvané IDEA StatiCa Checkbot. Checkbot zajišťuje propojení mezi MKP programem a aplikací IDEA StatiCa Connection. Pokud má statik starosti s pruty vazníku, pak je k dispozici aplikace IDEA StatiCa Member samozřejmě také s možností načtení dat z MKP programů.

Jak tedy zapadá IDEA StatiCa do procesu navrhování příhradových konstrukcí? Vezměme si jednoduchý, ale zásadní příklad:

Brány dopravního značení. Jedná se pravděpodobně o nejvíce podceňované stavby na našich současných silnicích. Jsou vystaveny všem obvyklým typům zatížení: stálému, proměnlivému, větru, sněhu i námraze. Dále je třeba vzít v úvahu také dynamické zatížení. To vše při snaze navrhnout něco, co lze co možná nejlevněji vyrobit a rychle postavit.

1) MKP model

Pro názorný příklad byla příhradová konstrukce takové brány navržena a analyzována nejprve v MKP aplikaci - v tomto případě Autodesk Robot Structural Analysis. Úplný seznam podporovaných MKP programů naleznete na našich webových stránkách.

Aplikace IDEA StatiCa Checkbot se spustí přímo v programu Robot. Instalace většiny těchto tzv. pluginů do ostatních podporovaných MKP programů probíhá automaticky, aby bylo jejich používání ještě rychlejší a jednodušší.

2) Import do aplikace Checkbot

Pruty a uzly jsou vybrány v Robotu a exportovány do Checkbotu. Pokud dojde ke změnám na konstrukci v globálním modelu (např. změna průřezu diagonály), pak lze model Checkbotu synchronizovat i s FEA.

V aplikaci Checkbot můžeme také vizualizovat průběh vnitřních sil.

Prvky v IDEA StatiCa Checkbot lze také slučovat - takže jednotlivé prvky mezi uzly lze pro posouzení přípojů sloučit dohromady v jeden průběžný prut. V tomto příkladu byly takto upraveny pruty spodního pásu. To je skvělé při použití MKP aplikací, neboť některé neumožňují mezilehlé uzly pro průběžné spojité pruty.

3) Návrh a posouzení přípojů

Přípoje lze navrhovat a posuzovat v aplikaci IDEA StatiCa Connection a prvky lze posuzovat na ztrátu stability v aplikaci IDEA StatiCa Member. Umístění prutů v globálním modelu bylo vždy kompromisem mezi zjednodušeným prutovým modelem a skutečným tvarem konstrukce. Pruty se mohou při výrobě posouvat, aby se daly snadněji svařovat - to může často vést k problémům v rámci analytického modelu. V aplikaci IDEA StatiCa můžete excentricity upravit, abyste tento nesoulad zohlednili.

V rámci práce v aplikaci Connection je třeba také sladit model přípoje a globální model nastavením okrajových podmínek pro prvky pomocí parametru Typ modelu. Např. pokud chcete použít přípoj s jedním šroubem na přípojný plech, pak musíte pamatovat na příslušnou změnu typu modelu na N,Vy,Vx, u kterého jsou vyloučeny momenty. Pokud však prvky ve vašem přípoji přenáší také momenty (jako v tomto příkladu), pak není třeba nastavovat nic.

Přípoje jsou samozřejmě posuzovány dle platných norem na vnitřní síly vycházející z návrhových kombinací zatížení. Pomocí čtyř jednoduchých operací pro vytvoření svařovaného styčníku vidíme, že všechny kritické účinky zatížení (naše návrhové kombinace) byly postupně posouzeny a všechny součásti přípojů vyhovují.

4) Posouzení prutů citlivých na ztrátu stability

Druhý styčník lze navrhnout podobným způsobem. Potom se na výsek konstrukce s oběma styčníky podíváme také v aplikaci IDEA StatiCa Member a provedeme jejich analýzu na ztrátu stability (boulení a vzpěr).

Z výsledků vyplývá, že existuje velký prostor pro další zkoumání a optimalizaci využití materiálu a připojů, protože tak jako náš příklad, i mnoho skutečných příhradových konstrukcí je předimenzováno, aby se kompenzovalo neprovedení pokročilých analýz.

Slovo na závěr

Příhradové konstrukce jsou nezbytnou součástí stavebního inženýrství a jejich použití bude snad stále dobrodružnější. Jsem si jistý, že pokrok v materiálech a metodách navrhování konstrukcí bude znamenat, že se v příštích letech objeví další nové koncepce příhrad. 

V přístupu IDEA StatiCa jako nástroje využívající data z globálních modelů vidím to nejlepší z obou světů: můžeme nechat odborníky v oblasti MKP analýz konstrukcí pokračovat ve vývoji lepších řešení, zatímco my se napojíme na jejich výsledky a vytvoříme modely přípojů a detailních prvků. A to je oblast, ve které jsme nejlepší ve své třídě!

Doufám, že se vám tato exkurze do světa příhradových konstrukcí a toho, jak vám můžeme v IDEA StatiCa pomoci, líbila. Vzpomeňte si na nás, až zase budete podjíždět nebo nadjíždět nějakou hezkou příhradu.