3D statická analýza plavební komory Přelouč II na Labi Jan Pěnčík 1 Abstrakt Součástí projektu prodloužení Labské vodní cesty, tj. projektu splavnění Labe v úseku mezi Chvaleticemi a Pardubicemi je plavební stupeň Přelouč. Součástí stavby je výstavba plavebního kanálu v délce cca 3150 m po pravém břehu Labe u Přelouče a nové plavební komory. Příspěvek se zabývá analýzami plavební komory. Je popisováno statické řešení typického řezu, horního a dolního ohlaví plavební komory.
Summary The article presents the project of the ship lock on the Elbe River in Přelouč. It describes the static solution of the typical section and the upper and lower part of the ship lock.
1)
Pěnčík Jan, Ing., Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky, Veveří 95, 662 37 Brno, tel.: 541 147 363, E-mail:
[email protected] ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 1
1. Plavební stupeň Přelouč s plavební komorou – Přelouč II Součástí projektu prodloužení Labské vodní cesty, tj. projektu splavnění Labe v úseku mezi Chvaleticemi a Pardubicemi je plavební stupeň Přelouč. Jedná se o vodohospodářskou stavbu, která představuje velký zásah do současného území. Součástí stavby je výstavba plavební kanál plavebního kanálu v délce cca 3150 m po pravém břehu Labe u Přelouče a nové plavební komory. Součástí stavby jsou i dva nové plavební komora mosty, jeden přes plavební kanál a jeden přes Labe, a přeložka silnice (Obr. 1). Součástí projektu je i biokoridor podél celého pravého břehu kanálu [1]. Navržená plavební komora Přelouč II má nahradit nevyhovující stávající jez s plavební komorou a vodní elektrárnou, která byla dokončena v roce 1927. Nová plavební komora Přelouč II s užitnými rozměry 115,0 x 12,5 x 4,0m a délkou Obr. 1: Vizualizace plavebního stupně Přelouč s plavebním 171,8 m bude patřit mezi nejvyšší kanálem a novou plavební komorou; zdroj vizualizace [1] plavební komory v ČR (Obr. 2). Je navržena k překonání spádu mezi hydrostatickými hladinami jezů Týnec nad Labem a Přelouč. Při minimálním průtoku bude v komoře spád 8,94 m, při maximálním průtoku se spád sníží na 5,58 m.
Obr. 2: Pohled na plavební komoru a na dolní ohlaví se vzpěrnými vraty; zdroj vizualizace [1]
Stavební a vodohospodářský návrh plavebního stupně Přelouč byl proveden firmou Pöyry Environment a.s. Brno [2]. Posouzení statického řešení a návrh výztuže plavební komory Přelouč II byl realizován v rámci hospodářské činnosti Ústavu betonových a zděných konstrukcí, FAST VUT v Brně [3] Ing. Milošem Zichem, Ph.D. a doc. Ing. Zdeňkem Bažantem, CSc. ve spolupráci s autorem příspěvku. 2. Konstrukce plavební komory Přelouč II Plavební komoru lze rozdělit podle podélného řezu (Obr. 3) na tři části – (A) vlastní ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 2
plavební komoru, (B) horní ohlaví a (C) dolní ohlaví.
Obr. 3: Podélný řez plavební komorou
2.1. (A) Vlastní plavební komora Vlastní plavební komora resp. její „typický“ příčný řez je tvořen otevřeným železobetonovým polorámem (Obr. 4). Dno je náběhované, uprostřed komory má tloušťku 2,30 m a u zdí 2,50 m. U levé zdi je dno vyloženo v délce 1,00 m. Na dno u pravé zdi navazuje po celé délce plavební komory obtokový kanál s tloušťkou stěny a horní desky 1,0 m a o vnitřním otvoru OBTOKOVÝ KANÁL 2,00 x 3,00 m. Levá zeď je po výšce po 4 m a 5 m odstupňována Obr. 4: Vlastní plavební komora ("typický" příčný řez) z tloušťky 2,5 m, přes 2,00 m až na 1,50 m. Pravá zeď má v místě obtokového kanálu i nad ním konstantní tloušťku 2,00 m. Pro účely provozu jsou ve zdech navrženy výklenky pro žebříky, plováková úvazná zařízení, pevné úvazné trny a odrazné trámce a vodorovné i svislé pancéřování hran zdí plavební komory. LEVÁ ZEĎ
a)
PRAVÁ ZEĎ
b)
Obr. 5: Příčný řez (a) a půdorys horního ohlaví (b) ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 3
2.2. (B) Horní ohlaví Horní ohlaví, které tvoří samostatný dilatační celek je masivní a výrazně prostorově členitou konstrukcí délky 24,15 m a šířky 24,70 m (Obr. 5). V místě horního ohlaví dochází ke změně výšky plavební komory z 5,81 m v horní rejdě na 13,74 m v typickém řezu komory. Součástí ohlaví jsou poklopová vrata, provizorní zahrazení a náhradní vrata. 2.3. (C) Dolní ohlaví Dolní ohlaví tvoří stejně jako horní ohlaví samostatný dilatační celek. Jedná se o masivní konstrukci délky 31,00 m a šířky 23,70 m (Obr. 6). Součástí ohlaví jsou vzpěrná vrata, provizorní zahrazení, česle, lanová dynamická ochrana vzpěrných vrat, obtokové kanály a náhradní vrata. a) b)
Obr. 6: Příčný řez (a) a půdorys dolního ohlaví (b)
3. Výpočtové modely K posouzení statického řešení a návrhu výztuže plavební komory byly vytvořeny rovinné a prostorové výpočtové modely. Výpočtový model vlastní plavební komory (A) byl prvotně vytvořen v programovém systému NEXIS32, kde byl typický příčný řez řešen jako rovinná prutová konstrukce [3]. K ověření získaných výsledků a k podrobnějšímu popisu chování typického příčného řezu byl vytvořen v programovém systému ANSYS rovinný výpočtový model, který byl tvořen prvky PLANE82 (Tab. 1) při uvažování teorie rovinné deformace. Vlastní plavební komora PLANE82 SURF153
SHELL93
Horní a dolní ohlaví SOLID92 SOLID95
SURF154
Tab. 1: Prvky použité při vytváření výpočtových modelů plavební komory Přelouč II ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 4
a)
b)
Obr. 7: Výpočtové modely horního (a) a dolního (b) ohlaví ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 5
K popisu chování horního a dolního ohlaví (Obr. 7) byly vytvořeny prostorové výpočtové modely pomocí prvků SHELL93, SOLID92, SOLID95 a SURF154 (Tab. 1). Výpočtové modely uvažovaly všechny detaily, tj. drážky vodočetné lati, drážky provizorního hrazení, kotvení náhradních vrat, vybrání stěny horního ohlaví v místě poklopových vrat, otvor pro ložiska poklopových vrat, uložení vzpěrných vrat, lanovou dynamickou ochranu vzpěrných vrat, žebříky, pachole, úvazné trny ve sklípcích, plovákové úvazné zařízení, rozrážeče, česle, stavidlový uzávěr obtoku, šachtu ovládání poklopových vrat včetně výztužného rámu pro kotvení hydraulického zařízení, šachtu hydraulického agregátu a obtokový kanál. Při vytváření geometrie konstrukce byla použita metoda objemového modelování, kdy byla prvotně vytvořena 3D geometrie v programu AutoCAD, která byla následně importována do prostředí systému NEXIS pomocí SAT a IGES formátů. Při generování sítě prostorových konečných prvků byla použita jak metoda mapped meshing, tak i metoda free meshing. První z metod byla použita při generování sítě konečných prvků v deskách, druhá metoda byla použita při generování sítě konečných prvků ve stěnách. Při vytváření výpočtových modelů bylo modelováno i zemní prostředí. Zemní prostředí bylo nahrazeno náhradní tuhostí, která byla zadána jako vstupní charakteristika EFS (elastic foundation stiffness), prvků typu SURF153 resp. SURF154. Náhradní tuhost zemního prostředí EFS byla určena v závislosti na průměrném napětí v základové spáře a sedání. 4. Statická analýza Předpoklady pro výpočet všech tří částí (A), (B) a (C) plavební komory byly určeny firmou Pöyry Environment a.s. [2]. Byla stanovena provozní hladina vody v komoře Přelouč, dále maximální a minimální plavební hladina dolní. Současně bylo určeno, že plavební kanál může být při opravě i ve zvláštní situaci tj. zcela bez vody. Jelikož je převážná část plavební komory je zapuštěna do terénu bylo nutné uvažovat při analýzách se zatížením zdí zemním tlakem. S ohledem na charakter zatížení byl uvažován zemní tlak v klidu a zemní tlakem se zvodnělou zeminou. Kromě popsaných zatížení byly uvažovány i zatížení, např. zatížení vlastní tíhou, přitížení terénu, síly působící na pachole a úvazné trny, síly působící na lanovou dynamickou ochranu vzpěrných vrat, přetlak vody v souběžně vedeném obtokovém kanále, tíhu vzpěrných a poklopových vrat, tíhu provizorního zahrazení a tíhu náhradních vrat atd. Z množiny vytvořených kombinací byly rozhodující pro stanovení extrémních účinků na dno a stěny komory dvě kombinace: (I) nádrž je odkopána a plně naplněna vodou a (II) nádrž bez vody je zasypaná zvodnělou zeminou. Zvláštní kombinací, která je součastně kombinací na stabilitu polohy plavebního kanálu, je vztlak vody, který by mohl vyvolat vyplavání prázdné konstrukce a protržení dna komory. Výpočty byly provedeny jako materiálově i geometricky lineární včetně interakce konstrukce se zemním prostředím. 5. Vyhodnocení statické analýzy V rámci vyhodnocení byly na celém výpočtovém modelu resp. dílčích částech zjištěny pro analyzované kombinace pole posunutí UX, UY, UZ a USUM. Kromě posunutí byly zjištěny i pole maximálního S1 a minimálního S3 hlavního napětí. Z důvodu komplikované prostorové geometrie horního a dolního ohlaví a způsobu použití vytvoření sítě konečných prvků (free meshing) bylo normálové napětí SX, SY a SZ zjištěno v podélných a příčných řezech. Při vyhodnocení napětí v řezech bylo využito vyhodnocení v řezné resp. pracovní rovině WP. Způsob vyhodnocení výsledků v pracovní rovině je uveden v (Tab. 2). ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 6
Na (Obr. 8) jsou zobrazeny ilustrativní výsledky analýzy horního a dolního ohlaví pro celý výpočtový model. Rovněž jsou prezentovány výstupy v podélných a příčných řezech zjištěné pomocí metody vyhodnocení výsledků v pracovní rovině. a)
b)
Obr. 8: Příklad výstupů analýz horního (a) a dolního (b) ohlaví stanovené pro celý výpočtový model a v pracovních rovinách
6. Návrh a posouzení jednotlivých částí plavební komory Jako rozhodující kombinace pro dimenzování byla zvláštní stabilitní kombinace modelující ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 7
vyplavání prázdné komory při současném namáhání zemním tlakem zvodnělou zeminou. Při této kombinaci vznikaly velké vodorovné deformace stěn, které by mohly způsobovat problémy s těsností vrat a zmenšení plavebního prostoru. Návrh betonářské výztuže a její posouzení bylo provedeno na 1MS i 2MS. U 2MS bylo provedeno rovněž posouzení na mezní stav šířky trhlin. WPAVE,... WPSTYLE,,,,,,,,0 SUCR,JMENO,CPLANE,1 SUMAP,SIGMA_X,S,X SUPL,REZ_Z, SIGMA_X,0 SUDEL,REZ_Z
!posun počátku WP do pozice pro vyhodnocení !nastavení vykreslení a charakteru WP !vytvoření povrchu !přiřazení výsledků na povrch !vykreslení výsledků !vymazání povrchu
Tab. 2: Postup vyhodnocení výsledků v pracovní rovině WP s automatickou definicí škály výsledků
7. Závěr Provedené analýzy jednotlivých konstrukčních částí konstrukce plavební komory prokázaly, že konstrukce vyhovuje požadavkům platných norem na statické zatížení. Bylo prokázáno, že části konstrukce nevykazují výraznější problémy od statického namáhání. Výpočtem bylo současně prokázáno, že vyplavání konstrukce plavební komory je vyloučeno, a to za předpokladu zasypání konstrukce zhutněným násypem o objemové hmotnosti min. 1900 kg/m3. Prostorové analýzy umožnily projektantům získat podrobnější informace o prostorovém chování konstrukce a ověřit si chování některých detailů. N současné době je projekt výstavby plavebního stupně Přelouč rozhodnutím ministra životního prostředí pozastaven. Poděkování Výsledky byly získány v rámci výzkumného záměru MSM0021630519. Literatura [1] http://www.rvccr.cz – Ředitelství vodních cest ČR [2] PÖYRY ENVIRONMENT a.s., Stupeň Přelouč II, SO12 – Malá plavební komora, projekt pro stavební povolení, 2006 [3] Zich, M, Pěnčík, J., Bažant., Z. Statický výpočet, typického řezu dolního a horního ohlaví, Brno 2006.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 8
