Tartószerkezet rekonstrukciós szakmérnök képzés Feszített és előregyártott vasbeton szerkezetek 3. előadás Előregyártott vasbeton szerkezetek tervezése rendkívüli hatásokra Dr. Sipos András Árpád 2013. Március 2.
gázrobbanás ütközés (gépjármű, repülőgép) robbantás súlyos tervezési/kivitelezési hiba földrengés / időjárási hatás nem tartozik ide Kis valószínűséggel bekövetkező események, a rendkívüli hatás miatt bekövetkező progresszív összeomlás az igazán veszélyes. Kérdés, hogy ezt hogyan lehet elkerülni előregyártott vasbeton szerkezetek esetén? Rendkívüli hatások Födémek progresszív összeomlása Atlantic City, USA
Példa progresszív összeomlásra Rendkívüli hatások
Rendkívüli hatások A földrengéssel szembeni ellenállás általában a rendkívüli hatásokkal szembeni ellenállást is növeli: a függőleges tartószerkezeti elemek jelentős mértékű kengyelezése (confinement) nem csak a nyomószilárdságot, hanem a maximális nyúlást is növeli a vízszintes tartószerkezeti elemek nyomott zónájába vasalást kell helyezni (fővas ¼-e) födémek / tetők tárcsamerevek, kapcsolódásuk a pillérekhez / falakhoz duktilis Ugyanakkor pusztán az EC8 szerinti tervezés nem helyettesíti a rendkívüli hatások számbavételét.
Rendkívüli hatások a robbanás keltette lökés eltér a földrengéstől, a robbanás lokális hatás a nagytömeg a robbanás hatását csökkenti, a földrengését növeli
Hatások csoportosítása: dinamikus nyomás (robbanás, lökéshullám) ütközés (gépjármű, repülő, lehulló darabok) statikus túlterhelés alapsüllyedés földmozgás tervezési / kivitelezési hiba Rendkívüli hatások
Beltéri gázrobbanás elvileg a helyiség minden felületén azonos nyomás (nyílás esetén lehet kisebb), megemelheti a födémet és kinyomhatja a falakat. lakóépület esetén a teher 15-20 kn/m 2, ami ipari épület esetén 30-100 kn/m 2 értéket is elérheti, a teher időtartama 50-100 ms között van. magas épületek esetén a robbanás a felsőbb szinteken veszélyesebb (kicsi leterhelés miatt a robbanás megemeli az épület felső szintjét / zárófödémét)
hangsebességgel érkező lökés Bel- és kültéri robbantás a hatás gyakran lokális: csak a robbanáshoz legközelebbi szerkezeti elemek károsodnak (a robbanási energia a távolság növekedésével rohamosan csökken) a hatás nagysága változó, pl. 50 kg TNT 2,0 m távolságban 33 MPa nyomást fejt ki 0.001 s alatt.
Bel- és kültéri robbantás kültéri robbantás esetén a talajban kráter keletkezik, a kiváltott lökés egy rövidebb földrengés hatásával azonos a maximális nyomás a robbantási energiának és a távolság köbének függvénye!
Dinamikus hatás a rendkívüli hatások jellemzően dinamikus igénybevételt keltenek, a tapasztalat szerint ez gyakrabban vezet ridegtöréshez (például: egy kéttámaszú tartón a támasznál következik be nyírási tönkremenetel, pedig statikus számítás alapján hajlítási tönkremenetelre számítanánk) így nem csak az ellenállásra, hanem a maximális deformációra, a teljes, elnyelhető rugalmas energiára és a dukilitásra is gondolni kell a tervezéskor 20 2 3 4 5 30 1 10 3
Tervezési módszerek 1. indirekt: a progresszív összeomlással szembeni ellenállást minimális húzószilárdság és duktilitás biztosításával növeljük (~ szerkesztési szabályok) 2. alternatív teherviselés: különböző károsodási helyeket egyesével számba veszünk, megvizsgáljuk, hogy a szerkezeti elemek sérülése / kiesése esetén az épület maradék szerkezete még állékony-e? 3. kulcs elemek vizsgálata: robbanási teherre méretezzünk függőleges tartószerkezeti elemeket. Ezek azok az elemek, amelyek kiesése az épület progresszív összeomlásához vezet (nincs alternatív erőút ) 4. Szisztematikus kockázat elemzés: teljes költség kockázat elemzés. (Statikusok körében nem elterjedt)
Teherfelvétel: G P A Q Q k, j d X k1 2, i k, i j 1 i 1 X=1, vagy 2. (Teher Segédletben X=1) Tervezési módszerek Anyagjellemzők: a megfelelő anyagszabvány szerint. Például beton esetében g M =1.2 rendkívüli hatásra, szemben a tartós tervezési helyzetre adott g M =1.5 tel. Ütközés esetén lineáris számításban a szilárdság a beton és a betonacél esetében 25%-kal növelhető. fa: g M =1.00 rendkívüli kombinációk esetén falazat: a tartós / ideiglenes tervezési helyzethez meghatározott g M parciális tényezőt kell használni (EC6)
Indirekt tervezési módszer Előregyártott szerkezeteknél abból indulunk ki, hogy az minden csomópontba elhelyezett összekötő vasalás mindenképpen növeli az ellenállást. A vasalást mind függőleges, mind vízszintes irányban el kell helyezni.
Alternatív teherviselés Alapvető fontosságú szerkezeti elem (pillér, fal) teljes károsodását tételezzük fel, azonban a szerkezet többi részét teljesen épnek tekintjük. Kérdés az alternatív erőút megfelelősége. Pontosabb számításban feltehetjük, hogy az adott támasz nem egy pillanat alatt, hanem időben elnyújtva veszíti el teherbíró képességét. A károsodott terület / elemszám az építési rendszertől függ. Például falas (panelos) rendszer esetén a kár lokalizáltabb, mint vázas szerkezetek esetén. Paneles rendszernél általában 1 panel kiesésével számolnak, vázas szerkezeteknél gyakran egy belső és egyidejűleg egy homlokzati pillér eltávolítását érdemes vizsgálni, mint legrosszabb eshetőséget.
Alternatív teherviselés Födémek esetében a legkritikusabb eset, ha a támaszaik szűnnek meg: a legtöbb progresszív összeomlás leeső födémek miatt következik be, mert jellemzően az alsó födém nem viseli el a rázuhanó terhet.
A megmaradó szerkezet ellenőrzése: kötélszerű erőjáték: a kieső pillérhez csatlakozó gerendák (megfelelő megtámasztás esetén) kötélként viselkednek. konzolos erőjáték felfüggesztés membrán erőjáték Alternatív teherviselés
Alternatív teherviselés A sarok: legnehezebb kérdés előregyártott szerkezeteknél. A födém kétirányú teherviselésére nem lehet számítani.
Alternatív teherviselés A sarok: legnehezebb kérdés előregyártott szerkezeteknél. A födém kétirányú teherviselésére nem lehet számítani.
T Alternatív teherviselés lineáris, statikus számítás: elsősorban a kötélszerű erőjátékot érdemes ellenőrizni. N N 2sin 2 l 2 2 cr cr T pl pl 2sin 2 l 2 2 cr cr
Alternatív teherviselés nem lineáris, statikus számítás: figyelembe vesszük, hogy a támasz eltávolítása mozgást kelt. A legnagyobb sebesség a statikus egyensúlynál van (B), a szerkezet sebessége csak a (C) pontban válik 0-vá. Ezért: - ha a (B) pontban az acélokban a folyási erő fele van, akkor a szerkezet mindvégig rugalmas- - a (C) pontban a kötélerő nem okozhat szakadást
Alternatív teherviselés nem lineáris, statikus számítás: jelölje a függőleges elmozdulást a (C) pontban a! Ekkor a nyúlás: ll 2 2 l l a l s uk Ideális rugalmas-képlékeny acél feltételezésével: a Wint l FS sl As f W yk ext pl 2 pla Wint Wext FS 2 l nem lineáris dinamikus analízis: egy szabadságfokú modell, itt is a külső és belső energiák egyensúlyát írjuk fel. Ha a duktilitás nem elegendő (= a szerkezet nem tudja az energiát felvenni), akkor összeomlás következik be.
Számpélda középmagas épület pillérváz monolit vb. merevítőmag előregyártott pillérek, gerendák, körüreges pallók homlokzat: függönyfal g k =5*3,6=18,0 kn/m q k =4*3,6=14,4 kn/m G k =7,5 kn/m G k =1,5 kn/m
g k =27,0 kn/m q k =14,4 kn/m 2 =0,3 (iroda) f yk =500 Mpa E s =200000 Mpa uk = 75*10-3 Számpélda p d =27+0,3*14,4=31,30 kn/m
Konklúziók: Számpélda kötélszerű erőjáték feltétele a megfelelő lehorgonyzás! nincs összeomlás, ha a kieső oszlop miatt ébredő erők a vasalásban nem haladják meg a vasak teherbírását. ahhoz, hogy a fenti, képlékenységet kihasználó számítást használni lehessen, a betonacélnak C duktilitási osztályúnak kell lennie (B500C) pontosabb eredmények kaphatók, ha az energia egyensúlyban a hajlítási energiát is figyelembe vesszük
Irodalom fib Bulletin 63: Design of precast concrete structures against accidental actions, 2012 január EC2: MSZ EN 1992-1-1:2010