Przykłady obliczeń konstrukcji przepustów

  • Published on
    11-Jan-2017

  • View
    216

  • Download
    2

Embed Size (px)

Transcript

<ul><li><p>88</p><p>1. WprowadzenieTradycyjne metody obliczeniowe konstrukcji podatnych </p><p>nie uwzgldniaj wielu czynnikw oraz danych wyjciowych, pozwalajcych na wierne odzwierciedlenie uzyskanych wyni-kw zrzeczywistym zachowaniem tych konstrukcji. Pomimo wszystko metody te s jednak wdalszym cigu szeroko stoso-wane wrd praktykw. Pozytywny wtym przypadku jest fakt jak uczy dowiadczenie autorw artykuu e uzyskiwane wyniki su bezpieczestwu konstrukcji zuwagi na wiele konserwatywnych zaoe, jakie obowizuj wtych metodach analitycznych.</p><p>Jak ju wspomniano wpoprzednim artykule, duo dokad-niejsze odwzorowanie rzeczywistego zachowania si konstrukcji mona uzyska za pomoc oblicze numerycznych zuyciem metody elementw skoczonych [15].</p><p>Zgodnie zzapowiedzi, wcelu zilustrowania sposobu prze-prowadzania oblicze zuyciem metod oblicze przepustw opisanych wpoprzednich trzech artykuach zniniejszego cy-klu, poniej zestawiono wybrane dla czytelnikw przykady oblicze. Zakres itematyk tych przykadw dobrano wten sposb, aby pomimo szczupych ram artykuu byy one wjak najwikszym wszechstronne.</p><p>Dla przypomnienia oraz dla nowych czytelnikw poniej przytoczono spis artykuw na temat przepustw, ktre suk-cesywnie od dwch lat ukazuj si wkolejnych numerach No-woczesnego Budownictwa Inynieryjnego [15, 16]:</p><p>1. ARTYKU WPROWADZAJCY2. ASPEKTY PRAWNE PROJEKTOWANIA, BUDOWY </p><p>IUTRZYMANIA PRZEPUSTW3. PRZEPUSTY TRADYCYJNE4. PRZEPUSTY NOWOCZESNE5. PRZEPUSTY JAKO PRZEJCIA DLA ZWIERZT6. MATERIAY DO BUDOWY PRZEPUSTW </p><p> CZ. I, CZ. II7. METODY OBLICZE KONSTRUKCJI PRZEPUSTW </p><p>CZ. I OGLNE ZASADY OBLICZE8. METODY OBLICZE KONSTRUKCJI PRZEPUSTW </p><p>CZ. II TRADYCYJNE METODY OBLICZE9. METODY OBLICZE KONSTRUKCJI PRZEPUSTW </p><p>CZ. III NOWE METODY OBLICZE10. METODY OBLICZE KONSTRUKCJI PRZEPUSTW </p><p>CZ. IV. OBLICZENIA PRZEPUSTW METOD ELE-MENTW SKOCZONYCH MES</p><p>2. Przykady obliczeniowe przepustw wykonanych ze sztywnych rur osonowych</p><p>Przepusty wykonane ze sztywnych rur konstrukcyjnych uo-one wgruncie praktycznie nie odksztacaj si pod wpywem dziaajcego na nie obcienia eksploatacyjnego, co opisano wpoprzednich artykuach [15]. Jak ju wczeniej wykazano wwielu opracowaniach dotyczcych tej tematyki, brak wsp-pracy przekroju wprzenoszeniu obcie powoduje siln kon-centracj napre wgrnej idolnej czci rury. Niekorzystny rozkad si wystpuje wszczeglnoci wsytuacji, gdy grunt znajdujcy si wbocznych strefach rury osonowej zosta sabo zagszczony. Sytuacja ta ma miejsce gwnie podczas wykony-wania przepustw metod wykopu otwartego, gdzie istnieje konieczno staej kontroli stopnia zagszczenia gruntu zasypki wstrefach bocznych zasypki. </p><p>Obecnie dziki intensywnemu rozwojowi technologii wy-konywania konstrukcji przepustw komunikacyjnych coraz czciej stosuje si nowoczesne technologie bezwykopowe. Pod wzgldem pracy konstrukcji wnasypie przepusty wykonywane t technologi nie s naraone na czynniki zwizane znie-prawidowym zagszczeniem zasypki konstrukcji, jak ma to miejsce wprzypadku technologii wykopowych. Jak oglnie wiadomo, rura przepustu wprowadzana jest wnasyp gruntowy bez naruszania jego struktury. Tym samym nie mamy tutaj do czynienia zwczeniej opisanym zjawiskiem braku wsppracy rury zgruntem wstrefach bocznych [8].</p><p>Warunki wykonania oraz pracy podziemnej instalacji sieci przepustowych pod nasypem drogowym lub kolejowym wyma-gaj uycia rur o bardzo wysokiej jakoci iduej wytrzymaoci. Instalowane technologi bezwykopow rury musz spenia szereg rygorystycznych wymaga zarwno zwizanych zich cechami wytrzymaociowymi, jak itrwaociowymi. Materia, zktrego s wykonane, musi posiada du wytrzymao na ciskanie wywoane siami przecisku, by odporny na koro-zj zarwno na zewntrz rury, jak ipochodzc od mediw oraz gwarantowa bezawaryjn prac wykonanej konstrukcji przepustu. Dlatego do wykonywania przepustw t metod stosuje si gwnie rury pracujce wsposb sztywny (beton, polimerobeton, kamionka) oraz psprysty (GRP), co zostao szczegowo opisane wliteraturze przedmiotu.</p><p>Wcelu ilustracji uywanych metod obliczeniowych do ob-liczania konstrukcji zrur sztywnych poniej posuono si przykadem obliczania przedmiotowych konstrukcji zrur ka-</p><p>Nowoczesne Budownictwo Inynieryjne Listopad Grudzie 2011</p><p>Kraj Metody oblicze konstrukcji przepustw. Cz. V. Przykady oblicze konstrukcji przepustw </p><p>Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej cz. 11</p><p> prof. UZ dr hab. in. Adam Wysokowski, kierownik Zakadu Drg i Mostw, Uniwersytet Zielonogrski</p><p> mgr in. Jerzy Howis, konstruktor, Infrastruktura Komunikacyjna Sp. z o.o., migrd </p><p> mgr in. Danuta Dbska, specjalista, Infrastruktura Komunikacyjna Sp. z o.o., migrd</p><p>Jak ju wspomniano w poprzednich artykuach z niniejszego cyklu, istnieje wiele metod obliczeniowych konstrukcji przepustw zarwno sztywnych, jak i podatnych. Dua liczba obecnie wykonywanych przepustw to konstrukcje podatne, wsppracujce z gruntem. Z uwagi na fakt, e konstrukcje tego typu zostay wprowadzone do praktyki inynierskiej dopiero w ostatnich latach, metody obliczeniowe tych kon-strukcji s w dalszym stopniu udoskonalane. Wi si to rwnie z rozwojem metod numerycznych.</p></li><li><p>89</p><p>mionkowych wykonywanych metod przecisku dla rnych obcie komunikacyjnych wraz zwyliczeniem dopuszczalnych si przeciskowych [7].</p><p>PRZYKAD 1Naley wykona obliczenia przepustu zrury kamionkowej </p><p>orednicy DN 1200 mm pod lini kolejow wielotorow wy-konanego wtechnologii bezwykopowej. Celem oblicze jest wykazanie odpowiedniej nonoci rury kamionkowej do bu-dowy przepustu kolejowego pod wielotorow lini kolejow. </p><p>Zakresem oblicze objto obliczenia statyczno-wytrzymao-ciowe rur kamionkowych przy obcieniach charakterystycz-nych dla kolejowych przepustw komunikacyjnych wedug normy [21].Dane do oblicze</p><p>Parametry podstawowe rury osonowej przepustu: materia uytej rury kamionka rednica wewntrzna DN 1200 mm rednica zewntrzna 475 + 0/-36 mm grubo cianki 137,5 mm dopuszczalna sia wcisku 6400 kN redni ciar 990 kg/m.</p><p>Wyznaczenie obcieJako obcienie do oblicze przyjto dwa rodzaje oddzia-</p><p>ywa: obcienia stae, tj. ciar wasny konstrukcji, ciar wy-</p><p>posaenia iparcie gruntu obcienia zmienne, tj. obcienia taborem, parcie wiatru </p><p>lub kry.Podstawowym obcieniem staym dziaajcym na konstruk-</p><p>cj przepustu jest obcienie gruntem inawierzchni, gdy ciar wasny rury osonowej moe by wpraktyce pominity. Obcienie gruntem moemy dodatkowo podzieli na obci-enie speniajce rol balastu zalegajcego na konstrukcji oraz jako czynne parcie gruntu przy nieobcionym naziomie.</p><p>Do obcie zmiennych dziaajcych na konstrukcj prze-pustu zaliczamy obcienie taborem (samochodowym, kolejo-wym, tramwajowym) lub ruchem pieszych. Udzia obcienia zmiennego wobcieniu konstrukcji maleje wraz ze wzrostem naziomu, wprzeciwiestwie do obcienia staego, ktrego udzia ronie.</p><p>Wprzypadku obcienia taborem samochodowym klas obcienia przyjto wedug Polskiej Normy PN-85/S-10030 [21]. </p><p>rednie pionowe naprenie pE od ciaru gruntu:</p><p>pEv = B h = 0,92 20,00 1,5 = 28,00 kN/m2 </p><p>( )</p><p>( )bhK</p><p>e bhK</p><p>,1</p><p>2/1tan2</p><p>2/1tan2</p><p>1,</p><p>1</p><p>= = 0,92 </p><p> gdzie: wspczynnik zmniejszajcy h zagbienie przepustu, przyjto h = 1, 50 m b szeroko bryy gruntu obciajcego przepust, </p><p>b = da 3 = 2,55 m</p><p> K1 wspczynnik parcia gruntu, K1 = 0,5 , kt tarcia wewntrznego gruntu.</p><p>Obcienia komunikacyjne: pv, p = 48,00 kN/m2 </p><p>pv = p = 48,00 1,31 = 63,00 kN/m2 </p><p> = 1,40 0,10(1,50 0,60) = 1,31 </p><p>Cakowite obcienie rury:y</p><p>p = (pEv + pv) da = 134,22 kN/m2 </p><p> = EZFF</p><p>caa</p><p>N = 69.222.134</p><p>114 = 2,28 &gt; 2,20 </p><p>Maksymalna warto siy wciskajcej (niepowodujcej uszko-dzenia rury):</p><p>Vgran. = A</p><p>o</p><p>LD</p><p>max = 6400 kN </p><p> gdzie: LD wytrzymao kamionki na ciskanie podune, </p><p>przyjto LD = 150,00 MPa wspczynnik bezpieczestwa, przyjto = 2,0 max/o stosunek naprenia maksymalnego do red-</p><p>niego wciance rury, przyjto max/o = 2,00 A powierzchnia docisku.</p><p>Zprzeprowadzonych oblicze wynika, e nono przecisko-wych rur kamionkowych DN 1200 mm jest wystarczajca dla wykonania przepustu pod wielotorow lini kolejow wtech-nologii bezwykopowej dla zagbienia do 1,50 m, maksymalna sia przecisku nie moe by wiksza od 6400 kN.</p><p>PRZYKAD 2Naley przeprowadzi obliczenia dla przepustu zrury ka-</p><p>mionkowej orednicy DN 1200 mm pod drog koow wy-konanego wtechnologii bezwykopowej [7]. Obliczenia naley wykona dla rury kamionkowej otakich samych parametrach, jak wprzykadzie 1. Zmieniony zostaje jedynie rodzaj obcienia komunikacyjnego oraz wysoko naziomu nad konstrukcj rury. Jako obcienie oddziaywujce na konstrukcje rury przyj naley tabor samochodowy wedug normy [21].Dane do oblicze</p><p>Parametry podstawowe rury: materia uytej rury kamionka rednica wewntrzna DN 1200 mm rednica zewntrzna 1475 + 0/-36 mm grubo cianki 137,50 mm dopuszczalna sia wcisku 6400 kN redni ciar 990 kg/m.Obcienie: obcienia stae, tj. ciar wasny konstrukcji, ciar wy-</p><p>posaenia iparcie gruntu obcienia zmienne, tj. obcienia taborem samochodo-</p><p>wym, parcie wiatru lub kry.Wyznaczenie obcie</p><p>rednie pionowe naprenie pE od ciaru gruntu</p><p>pEv = B h = 0,86 20,00 3,00 = 51,00 kN/m2 </p><p>( )</p><p>( )bhK</p><p>e bhK</p><p>,1</p><p>2/1tan2</p><p>2/1tan2</p><p>1,</p><p>1</p><p>= = 0,86 </p><p>Listopad Grudzie Nowoczesne Budownictwo Inynieryjne</p><p>Metody oblicze konstrukcji przepustw. Cz. V. Przykady oblicze konstrukcji przepustw Kraj</p></li><li><p>90</p><p> gdzie:</p><p> wspczynnik zmniejszajcy h zagbienie przepustu, przyjto h = 3,00 m b szeroko bryy gruntu obciajcego przepust, </p><p>b = da 3 = 2,55 m K1 wspczynnik parcia gruntu, K1 = 0,5 , kt tarcia wewntrznego gruntu.</p><p>Obcienia komunikacyjne:: </p><p> pv, p = 17,00 kN/m2 = 1,40 0,10(3 0,60) = 1,16 </p><p>pv = p = 17,00 1,16 = 19,80 kN/m2 </p><p>Cakowite obcienie rury:y</p><p>p = (pEv + pv) da = 104,43 kN/m2 </p><p> = EZFF</p><p>caa</p><p>N = 69.243.104</p><p>114 = 2,93 &gt; 2,20 </p><p>Maksymalna warto siy wciskajcej (niepowodujcej uszko-dzenia rury):</p><p>Vgran. = A</p><p>o</p><p>LD</p><p>max = 6400 kN </p><p> gdzie: LD wytrzymao kamionki na ciskanie podune, </p><p>przyjto LD = 150,00 MPa wspczynnik bezpieczestwa, przyjto = 2,0 max/o stosunek naprenia maksymalnego do red-</p><p>niego wciance rury, przyjto max/o = 2,00 A powierzchnia docisku.</p><p>Analiza przeprowadzonych oblicze potwierdza, e nono rury kamionkowej DN 1200 jest wystarczajca dla wykonania przepustu wtechnologii bezwykopowej pod dowoln drog lub ulic odowolnym obcieniu ruchem koowym dla gbokoci do 3,00 m.</p><p> 3. Przykady obliczeniowe przepustw wykonanych z po-datnych rur osonowych</p><p>Jak ju wspomniano, przy projektowaniu konstrukcji po-datnych naley wzi pod uwag wiele parametrw losowych, wystpujcych przede wszystkim zuwagi na obcienia sta-tyczne, dynamiczne oraz wywoane eksploatacj. Zagadnienia zwizane ze sposobem obliczania przedmiotowych konstrukcji s tematem wielu pozycji literaturowych, m.in. [2, 4, 5, 6, 10, 13].</p><p>Stosowane dokumenty prawne, wtym inormy do modelo-wania konstrukcji, posiadaj wiele niedoskonaoci iulegaj cigym modyfi kacjom.</p><p>Newralgicznym elementem pod wzgldem nonoci tego typu konstrukcji jest reakcja powoki na boczne parcie gruntu za-sypowego. Cienka konstrukcja rury osonowej bez prawidowo wykonanej zasypki nie ma jeszcze waciwej nonoci, ktr osignie dopiero po pewnym czasie eksploatacji. Ito wanie faza robt zwizana zzasypywaniem stwarza najwiksze pro-blemy przy tego typu konstrukcjach. Wynika to zmoliwoci powstania wielu form wyboczenia iutraty statecznoci. Przy obliczaniu omawianych konstrukcji wanym czynnikiem jest </p><p>prawidowe zamodelowanie zasypki przepustu. Obecnie wob-liczeniach konstrukcji przepustw wsppracujcych zgruntem stosuje si coraz szerzej metod elementw skoczonych, ktra jest tematem wielu publikacji, eby wymieni chociaby [1, 3, 9, 11, 12, 18].</p><p>Poniej autorzy przedstawili wybrane przykady odlicze podatnych przepustw komunikacyjnych zrnych materiaw konstrukcyjnych pod rnymi obcieniami eksploatacyjnymi.</p><p>PRZYKAD 3Naley wykona obliczenia przepustu zrury wykonanej zy-</p><p>wic poliestrowych zbrojonych wknami szklanymi zsystemu CC-GRP orednicy DN 2400 pod drog ilini tramwajow [14]. Celem oblicze jest wykazanie dostatecznej nonoci dla zasto-sowania rury CC-GRP jako przepustu dla przeprowadzenia ka-nalizacji grawitacyjnej pod lini tramwajow jednotorow oraz ulic jednojezdniow. Tym samym zakres oblicze sprowadza si do sprawdzenia nonoci konstrukcji przy penej wsppracy rury CC-GRP iorodka gruntowego wprzenoszeniu obcie eksploatacyjnych.Dane i warunki przyjte w obliczeniach</p><p> rur osonow stanowi rura zywic poliestrowych wzmac-nianych wknem szklanym (CC-GRP)</p><p> rednica zewntrza rury DN 2400 mm dugo rury stanowicej przepust wynosi 9,45 m wysoko naziomu nad kluczem rury wynosi 0,47 m zasypka gruntowa zpiasku redniego (Ps) ostopniu za-</p><p>gszczenia Id = 0,67 rura posadowiona na elbetowej pycie przez podkadk </p><p>gumow ogruboci 50,00 mm obcienia normowymi pojazdami koowymi oraz obci-</p><p>enie taborem tramwajowym pena wsppraca rury CC-GRP iorodka gruntowego </p><p>wprzenoszeniu obcie dziaajcych na konstrukcj model obliczeniowy jest konstrukcj wpostaci prostokta </p><p>oszerokoci 5,20 m iwysokoci 2,87 m, pracuje wraz zrur CC-GRP wpaskim stanie odksztacenia.</p><p>Schemat modelu obliczeniowegoObliczenia przeprowadzono przy pomocy analizy nume-</p><p>rycznej modelu przepustu. Schemat modelu przepustu przed-stawiono na rycinie 1.</p><p>Ryc. 1. Schemat geometryczny modelu przepustu</p><p>Obliczenia numeryczne wykonano metod elementw sko-czonych (MES).</p><p>Model obliczeniowy zoony jest zdwch elementw or-nych wasnociach materiaowych. Model podoa gruntowego w ssiedztwie przepustu zamodelowano powierzchniowymi </p><p>Nowoczesne Budownictwo Inynieryjne Listopad Grudzie 2011</p><p>Kraj Metody oblicze konstrukcji przepustw. Cz. V. Przykady oblicze konstrukcji przepustw </p></li><li><p>Listopad Grudzie 2011 Nowoczesne Budownictwo Inynieryjne 91</p><p>Metody oblicze konstrukcji przepustw. Cz. V. Przykady oblicze konstrukcji przepustw Kraj</p><p>elementami skoczonymi oczterech wzach wkadym elemen-cie. Liczba statycznych stopni swobody modelu wynosia 334. Stan napre wkonstrukcji przyjto zgodnie zzaoeniami paskiego stanu odksztacenia. Liczba elementw skoczonych wynosia 160, natomiast liczba wzw 178.</p><p>Jako zasypk przyjto grunt wpostaci piasku redniego, rur osonow stanowi rura zywic poliestrowych wzmacnianych wknem szklanym (CC-GRP) orednicy DN 2400. Poszcze-glne dane materiaowe modelu przedstawia rycina 2.</p><p>Ryc. 2. Dane materiaowe modelu przepustu</p><p>ObcieniaJako obcienie modelu przyjto dwa rodzaje oddziaywa: ciar wasny gruntu (przyjty przez program obliczeniowy), obcienie charakterystyczne przepustu obcieniem </p><p>uytkowym taborem samochodowym jako bardziej niekorzystnego.</p><p>q1k = 4,00 kN/m2</p><p>q2k = 61,73 kN/m2</p><p>Schemat obcienia modelu obliczeniowego przedstawiono na rycinie 3.</p><p>Ryc. 3. Schemat obcienia modelu obliczeniowego</p><p>Wyniki przeprowadzonych obliczeWyniki przeprowadzonych oblicze zestawiono tabelarycznie. </p><p>Wtabeli 1 przedstawiono maksymalne wartoci przemieszcze pionowych ipoziomych wposzczeglnych wzach konstruk-cji. Wtabeli 2 przedstawiono wartoci maksymalne napre wkonstrukcji rury osonowej.</p><p>Tab. 1. Wartoci maksymalne przemieszcze w konstrukcji rury osonowej</p><p>Numer wzaPrzemieszczenie poziome</p><p>maksymalne [cm]Przemieszczenie pionowe</p><p>maksymalne [cm]</p><p>3 -1,09</p><p>40 -0,45 </p><p>Tab. 2. Wartoci maksymalne napre w konstrukcji rury osonowej</p><p>Numer wzaNaprenia</p><p>maksymalne [MPa]Naprenia</p><p>maksymalne [MPa]</p><p>30 -2,89</p><p>20 1,45 </p><p>Warto maksymalna przemieszczenia klucza rury wynosi 0,8385 cm =...</p></li></ul>