NK I - Základy navrhování Přednášky: Doc. Ing. Karel Lorenz, CSc., Prof. Ing. Milan Holický, DrSc., Ing Jana Marková, Ph.D. FA, Ústav nosných konstrukcí, Kloknerův ústav Cvičení: Ing. Naďa Holická, CSc., Fakulta stavební Ing. Jana Markova, Ph.D., Kloknerův ústav - Zásady navrhování - Zatížení - Uspořádání konstrukce - Zakládání staveb - Zděné konstrukce
Program přednášek 1
Metoda navrhování nosných konstrukcí, definice mezních stavů
2
Zatížení stavebních konstrukcí – stálé, proměnné, návrhové situace,
3 4
Uspořádání nosné konstrukce , odpovídající statická schémata, tok sil
5
určování silových účinků v jednotlivých prvcích, patrové a halové objekty
6
prostorová tuhost, mezní stav stability polohy
7
Zakládání staveb – plošné a hlubinné základy, vlastnosti základové půdy
8
mezní stavy únosnosti a použitelnosti,
9
návrh plošných základů
10
Zděné konstrukce materiály, návrhové vlastnosti, nosné prvky
11
uspořádání zděných prvků – zdivo prosté, vyztužené, předpjaté
12
výpočet únosnosti – tlak, mimostředný tlak, smyk, ohyb
13
Rezerva, inovace
14
Rezerva, inovace
Program cvičení 1 Návrh průřezu táhla. Stanovení zatížení, odolnost průřezu. 2. Výpočet účinků zatížení. Stálé a užitné zatížení, výpočet účinků. 3. Výpočet účinků zatížení. Zatížení sněhem a větrem. 4. Dimenzování zděné stěny. Zatížení a materiálové vlastnosti. 5. Dimenzování zděného pilíře. Výpočet rozměrů. 6. Dimenzování základu. Zatížení a vlastnosti základové půdy, patka. 7. Rezerva - Dimenzování základu. Necentrické zatížení pasu.
Podmínka pro získání zápočtu je věcně správné (výpočty a výkres) zpracování uvedených cvičení včetně účasti na cvičeních. Ke zkoušce se lze přihlásit pouze po složení zkoušky ze Statiky. Skripta: Hájek P. a kol. Konstrukce pozemních staveb Studnička J., Holický M.: Zatížení konstrukcí (Ocelové kon.) Pume D., Košatka P.: Zděné konstrukce (Betonové kon.)
Co je nosná konstrukce? Nosná konstrukce je kostra (skeleton), která nese zatížení a poskytuje potřebnou tuhost a ochranu proti vnějšímu prostředí.
Základní vlastnosti nosné konstrukce jsou: únosnost, dostatečná tuhost a trvanlivost.
Konstrukce přírodní a umělé
Velmi tenká skořepina vajíčka Podobně opera v Sydney má relativně tenkou konstrukci, která je současně nese a chrání zárodek ochranou před vlivy prostředí.
Konstrukce v přírodě a v architektuře
Pavoučí síť
Lord’s New Stand
Obě konstrukce používají prvky, které jsou při přenášení zatížení namáhány na tah.
Obecná hlediska navrhování
Odolnost a stabilita
Funkčnost
Proveditelnost
Hospodárnost
Estetický vzhled
Obvyklý postup navrhování 1. Koncepční návrh, prostorové uspořádání, materiály 2. Podrobný návrh - Analýza konstrukce, stanovení zatížení a jejich účinků - Návrh konstrukce jako celku, robustnost, propojení - Návrh průřezů, rozměrů, výztuže, krycích vrstev - Ověření použitelnosti, trvanlivosti a požární odolnosti 3. Prováděcí dokumentace, výkresy, konstrukční detaily, spoje, výztuž, kotvení
Navrhování je zpravidla iterační proces.
Význam rozhodnutí při navrhování Význam rozhodnutí
Koncepční návrh
Podrobný návrh Prováděcí dokumentace
Náklady při navrhování Náklady
Koncepční návrh
Podrobný návrh Prováděcí dokumentace
Směrnice rady 89/106/EHS (CPD) Hlavní požadavky • • • • • •
Mechanická odolnost a stabilita Bezpečnost při požáru Hygiena, zdraví, životní prostředí Uživatelská bezpečnost Ochrana proti hluku Úspora energie a ochrana tepla Interpretační dokumenty ID1 až ID6
Předmět „NK I – Základy navrhování“ se zabývá především požadavky na mechanickou odolnost
Spolehlivost konstrukce • Spolehlivost - vlastnost (pravděpodobnost) konstrukce plnit předpokládané funkce během stanovené doby životnosti a za určitých podmínek. - spolehlivost - pravděpodobnost poruchy pf - funkce - požadavky - doba životnosti T - určité podmínky
• Pravděpodobnost poruchy pf je nejdůležitější a objektivní míra spolehlivosti konstrukce
Návrhové situace a životnost • Návrhové situace – Trvalá - normální provoz – Dočasná - výstavba, přestavba – Mimořádná - požár, výbuch, náraz – Seizmická - zemětřesení • Návrhová doba životnosti – Vyměnitelné součásti 1 až 5 let – Dočasné konstrukce 25 let – Budovy 50 let – Mosty, památníky 100 let
Mezní stavy • Mezní stavy - stavy při jejichž překročení ztrácí konstrukce schopnost plnit funkční požadavky
• Mezní stavy únosnosti – ztráta rovnováhy konstrukce jako tuhého tělesa – porušení, zřícení, ztráta stability – porušení únavou • Mezní stavy použitelnosti – provozuschopnost částí konstrukce – pohodlí uživatelů – vzhled
Mezní stavy stavebních konstrukcí
Únosnosti - Překlopení - Stabilita - Kolaps
Použitelnost - Přetvoření - Trhliny - Nadměrné napětí v tlaku - Kmitání
Porušení železobetonového nosníku Trhliny - tahové, svislé - tahové, šikmé - smykové - tlakové
Celistvost - robustnost Konstrukce má být navržena a provedena tak, aby se neporušila způsobem nepřiměřeným příčině (požár, výbuch, náraz, lidské chyby). Ronan point 1960 – výbuch v 20 podlaží
Opatření – vytvoření vazeb mezi prvky Vnitřní vazby Obvodové věnce
Svázání sloupů
Svázání sloupů a stěn
Zajištění celistvosti
Vodorovné propojení
Svislé propojení
Metody ověřování spolehlivosti • • • • • •
Historické a empirické metody Dovolená namáhání Stupeň bezpečnosti Metoda dílčích součinitelů Pravděpodobnostní metody Rizikové inženýrství Zvyšuje se náročnost výpočtu
Nejstarší stavební zákon Zákony Hammourabiho, Babylon, 2200 BC
Stavitel nedostatečně pevného domu, který se zřítil a zabil majitele, - bude připraven o život.
Základy metody dílčích součinitelů Charakteristické hodnoty: - zatížení: Fk - vlastností materiálů: fk - rozměrů ak (=anom) Návrhové hodnoty: - Zatížení Fd = γ Fψ i Fk - Vl. materiálů f d = f k / γ M - Rozměrů ad = ak ± Δa, Δa ≈ 0 kde γF , γM ψi jsou dílčí součinitele Podmínka spolehlivosti: Ed ( Fd , f d , ad ) < Rd ( Fd , f d , ad ) Například: Ed = γGGk + γQQk < Rd = A fyk /γM
Charakteristické hodnoty Hustota pravděpodobnosti ϕ(x) pevnosti nebo zatížení X 0,4
0,3
0,2
charakteristická hodnota pevnosti
x k=x 0,05
x k=x 0,98
σ
průměr μ
p = 0,05
0,0 -3,5
směrodatná odchylka
σ
0,1
charakteristická hodnota ?zatížení
1- p = 0,02
(x-μ )/σ -2,5
-1,5
-0,5
0,5
1,5
2,5
3,5
Příklad náhodné veličiny X s normálním rozdělením
Charakteristické hodnoty nejsou zpravidla průměrné hodnoty. Pro běžné materiály a zatížení jsou uvedeny v předpisech.
Příklad ocelového táhla Účinek zatížení R
Odolnost
E=G+Q R = A fy Obecně Návrhové Ed = γGGk + γQQk Rd = A fyk /γM = A fyd hodnoty Ed < Rd A > Ed / fyd, nebo Návrh γGGk + γQQk < A fyk /γM plochy A > (γGGk + γQQk) / (fyk /γM) táhla A
E Příklad:
Gk = 0,6 MN, Qk = 0,4 MN, γG= 1,35 , γQ= 1,5 Ed = 1,35.0,6+1,5.0,4 = 1,41 MN fyk = 235 MPa, γM = 1,10, fyd = fyk/ γM= 214 MPa A > Ed / fyd = 1,41/214 = 0,00659 m2 = 65,9 cm2
Otázky ke zkoušce Obvyklý postup navrhování Hlavní požadavky na stavební výrobky Spolehlivost konstrukce Návrhové situace, životnost Mezní stavy únosnosti a použitelnosti Celistvost – robustnost Obvyklý postup navrhování Metoda dílčích součinitelů Charakteristická hodnota pevnosti a zatížení Příklad návrhu táhla
