Výpočty pevnosti stavebních konstrukcí s ohledem na etapovitost výstavby | Inženýrské výpočty
Většina průmyslových a občanských stavebních projektů má počáteční stav napětí a deformace kvůli fázované povaze jejich výstavby. Podívejme se na specifika zohlednění tohoto faktoru při výpočtu pevnosti konstrukcí metodou konečných prvků.
Tradičně se výpočty stavebních konstrukcí metodou konečných prvků (MKP) provádějí za předpokladu jejich počátečního stavu, bez napětí a deformací. Ve skutečnosti však většina objektů, zejména v oblasti průmyslové a občanské výstavby, má počáteční stav napětí a deformace, způsobený postupností jejich výstavby. Příkladem takových konstrukcí je telekomunikační stožár, v jehož pásech mohou působit značné montážní síly, které je nutné zohlednit při dalších výpočtech zatížení větrem, nebo železobetonový most, jehož sekce jsou přidávány postupnou betonáží. V takových případech je zřejmý význam zohlednění napětí v důsledku postupné montáže konstrukcí.
Systém předpětí
kontejnment reaktoru jaderné elektrárny
Zohlednění počátečních a zbytkových napětí může být důležité i v méně zřejmých situacích. Například při opravě nebo restaurování postavené stavební konstrukce je nutné zvážit dopad prací na rozložení zatížení během opravy i po ní. Schopnost řešit problémy metody konečných prvků (FEM) s ohledem na etapovitost výstavby konstrukce je kritickým faktorem určujícím úspěšnou výměnu parogenerátoru v reaktorové budově jaderné elektrárny, která vyžaduje demontáž části stavebních konstrukcí, včetně systému předpínání. Výpočtové studie umožňují zdůvodnit plán postupného uvolnění části předpínacích lan, vytvoření dočasné vzduchové komory pro průchod parogenerátoru a opětovné napnutí lan systému po dokončení prací. Dalšími příklady, kde lze FEM s ohledem na postupnost procesu aplikovat, jsou modelování výkopu zeminy, modelování svařovacího procesu a technologie aditivní 3D tisku.
V softwarovém systému ANSYS, ověřeném Ruskou akademií architektury a stavebních věd, jsou procesy výstavby a postupné montáže modelovány pomocí možnosti „zrození“ a „zániku“ konečných prvků. Odpovídající příkazy definují konečné prvky, které program aktivuje a deaktivuje během výpočtového procesu na základě nějakého kritéria (poloha v prostoru, stav napětí atd.). Deaktivace neboli „zánik“ konečného prvku se provádí vynásobením jeho tuhosti (nebo tepelné vodivosti, či jiné vlastnosti v závislosti na fyzice řešeného problému) malou hodnotou. Všechna zatížení působící na deaktivovaný prvek jsou vynulována. Také všechny mechanismy pro přenos zatížení tímto prvkem jsou dočasně vynuleny, jako je tlumení, měrná tepelná kapacita, hmotnost atd. To umožňuje například jednoduše modelovat žíhání kovu a odbourávání pnutí deaktivací a následnou aktivací konečných prvků.
Podobně, když se konečné prvky „narodí“, nejsou do modelu přidány, ale aktivovány. Všechny konečné prvky, které by se měly v modelu objevit během výpočtového procesu, musí být v modelu přítomny v počáteční fázi a musí být deaktivovány. Při modelování konstrukce stavební konstrukce se všechny prvky kromě základů deaktivují před zahájením řešení a „narodí se“ ručně nebo automaticky v každém dalším kroku.
Když je konečný prvek aktivován, jeho tuhost, hmotnost a zatížení se vrátí na své původní hodnoty. To není vždy realistické. Například přesný popis tvrdnutí betonu vyžaduje modelování několika paralelních nezávislých procesů: okamžité působení gravitace a postupnou změnu tuhosti betonu během 28 dnů tvrdnutí a nárůstu pevnosti. Aktivované prvky si nezachovávají svou historii napětí ani tepelného zatížení, a to ani v případě, že byly v deaktivovaném stavu vystaveny významným deformacím nebo ohřevu od zbytku konstrukce.
Při modelování fázované výstavby stavebních konstrukcí by měl výpočetní inženýr zohlednit následující doporučení:
- Často je nutné zafixovat (fixovat) pohyby nebo jiné stupně volnosti deaktivovaných prvků, aby se zabránilo jejich nadměrnému zkreslení způsobenému deformací okolní části konstrukce nebo volným pohybem. Při následné aktivaci těchto prvků by měly být tyto umělé fixace odstraněny;
- Aktivace a deaktivace konečných prvků probíhá okamžitě, což je postupná nelinearita (podobná stavu kontaktu) a může způsobovat potíže se zajištěním numerické konvergence řešení. Tento problém lze překonat zmenšením velikosti zón (počet konečných prvků) podléhajících aktivaci a deaktivaci v jednom kroku řešení;
- Při zpracování výsledků by měly být deaktivované prvky vyloučeny z úvahy, aby se předešlo nefyzickým výsledkům.