7.12.2011
Podstata, použití a historie betonu:
Fakulta stavební VŠB –TUO
Ve srovnáni s konstrukcemi ocelovými, zděným, dřevěnými, a pod. se většinou prokazuje, že betonové konstrukce umožňují účelnější a hospodárnější řešení v hlavních oborech výstavby :
Prvky betonových konstrukcí -historiehistorie-základy teorieteorie-
Podstata, použití a historie betonu: Beton není v žádném případě moderním vynálezem. Prostý beton znali již Peršané, Kartaginci a Římané, kteří přimísením popele z Puteoli (dnešní Puzzuoli) k vápenné maltě získali pojivo tvrdnoucí i pod vodou (hydraulické pojivo). První zprávy o sloupu z umělého kamene v egyptském Labyrintu (3600 let před n.l.) uvádí římský historik Plinius starší. Římané též postavili např. část betonové silnice Via Appia u Říma a v 80.- 90. letech n.l. přiváděli do Kolína n/Rýnem (Colonia Aggripina) vodu pomocí 80 km dlouhého betonového koryta vodovodu.
•
v oboru bytové s občanské výstavby se beton používá v rozhodujícím rozsahu, a to jak na základové konstrukce, tak na nosné kostry budov, na nosné stěny, stropy, střechy, schodiště, balkony a pod..
•
v oboru průmyslové výstavby je výhodné použiti betonových konstrukcí při stavbách továrních hal, provozoven pro různé účely, zejména však pro speciální konstrukce strojírenského, hutního a rudného průmyslu i energetiky (např. základy pro turbogenerátory, základy pod válcovacími tratěmi, základy pod těžní věže, elektrárny, transformátorové stanice, jeřábové dráhy, chladící věže a pod.)
•
v oboru inženýrských staveb se beton uplatňuje pro stavby mostů všech typů a rozpětí, silniční vozovek a letištní dráhy, pro tunely, štoly, šachty, podzemní stavby, opěrné zdi, piloty, studny, kesony a podobně. Ve vodním stavitelství se z betonu budují téměř všechny přehrady, jezy, hydrocentrály, pIavební komory, nábřežní zdi, kanály, potrubí, vodojemy, nádrže, úpravny vody, čisticí stanice, a pod..
Podstata, použití a historie betonu: Další zmínka o použití betonu (již na bázi portlandského cementu) se objevuje až r.1796 Výroba cementu byla zahájena v Anglii r.1844. Největším počtem staveb, u kterých začal beton nahrazovat tradiční nosné stavivo kámen, se proslavila Francie.
S pádem Římské říše používání betonu na dlouhá staletí zaniklo.
1
7.12.2011
Podstata, použití a historie betonu: R.1849 připadl Francouz Lambot na myšlenku postavit člun nanesením cementové malty na drátěnou síť a r.1855 získal patent na stavbu lodí z vyztuženého betonu. Možnost použití kovu pro zpevňování tažených částí kamenných kleneb již ale byla známa starým Římanům, stejně jako stavitelům středověkých chrámů.
Podstata, použití a historie betonu:
•Teoretické základy použití železobetonu položil až Němec Koenen (1886) a E.Coignet, který společně s N. de Tédesco uveřejnil r.1894 způsob výpočtu (v podstatě donedávna používanou klasickou teorii).
Podstata, použití a historie betonu: •Francouz Coignet napsal r.1861 knihu „Les bétons aglomérés appliqués a lart de construire“. •Většinou je však považován za vynálezce železového betonu francouzský zahradník Josef Monier, který v r.1867 obdržel nejprve patent na výrobu květináčů vyztužených drátěnou sítí a později další patenty na použití železobetonu u desek, trub aj. K vyztužování betonu však přistupoval ryze empiricky a často nesprávně - např. u desek vkládal výztuž do střednicové roviny místo do tažené oblasti.
Podstata, použití a historie betonu: Kolem r.1895 navrhl F.Hennebique na základě zkoušek monolitický trámový strop, který dodnes nese jeho jméno.
2
7.12.2011
Podstata, použití a historie betonu: Tentýž „laický“ inženýr byl o 15 let později tvůrcem odvážné komůrkové obloukové konstrukce mostu Risorgimento o rozpětí 100m přes řeku Tiberu v Římě. Po světové výstavě v Paříži v r. 1900, kde se F.Hennebique účastnil zdařilými betonovými stavbami, nastává prudký rozvoj betonového stavitelství.
Podstata, použití a historie betonu: U nás ovlivnilo nepříznivě rozvoj železobetonových konstrukcí zřícení zkušebního obloukového mostu v podolské cementárně u Prahy v r.1892, při kterém zahynul jeho autor, vídeňský inženýr Diss. Přesto se i u nás stává beton záhy dominantním nosným stavivem, především zásluhou českých inženýrů. O rozvoj nového oboru se pak nejvíce zasloužili akademici F. Klokner, který napsal r.1909 společně s J.Fiedlerem rozsáhlejší knihu „Vyztužený beton“ a S.Bechyně, autor řady odborných a vědeckých publikací o betonu.
Podstata, použití a historie betonu: •Prvé pokusy o použití předpjatého betonu nebyly zdařilé, protože vlivem dlouhodobých nepružných přetvoření betonu se předpětí postupně vytrácelo. •Teprve ve třicátých letech ve Francii rozpoznal M. E. Freyssinet, že uplatnění předpjatého betonu je podmíněno užitím velmi pevného betonu a zejména kvalitní výztuže, která si uchová potřebné předpětí i po proběhnutí jeho nevyhnutelných ztrát. Nejvýznačnější stavbou ranného období předpjatého betonu je most přes řeku Marnu v Luzancy jako oblouk o rozpětí 89m, vzepětí 24m a s konstruktivní výškou ve vrcholu pouhých 0,8m.
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: Od poloviny minulého století se začala výrazně projevovat všeobecná snaha o zdokonalení posudku spolehlivosti konstrukcí. Deterministické chápání veličin vstupujících do posudku bezpečnosti a použitelnosti konstrukcí nepostačovalo k vystižení účinků zatížení a jejich kombinací. Bylo nutno zohlednit skutečnost, že všechny veličiny vstupující do posudku spolehlivosti konstrukce jsou v podstatě veličinami náhodně proměnnými a k rozboru jejich interakce je proto třeba přistupovat podle zásad statistiky a teorie pravděpodobnosti.
3
7.12.2011
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: Stále častěji byl používán termín "mezní stavy", který měl souhrnně označit „filozofii“ spočívající v rozdělení domény reprezentující interakci náhodných veličin na sub-doménu spolehlivou a na sub-doménu poruchy konstrukce. Rostoucí důraz byl při tom kladen na rozlišení kvalitativně různých mezních stavů, a to bezpečnosti (únosnosti) a použitelnosti (provozuschopnosti). Uvedená klasifikace byla postupně rozšiřována o trvanlivost (viz též v současnosti zaváděný pojem "Performance Design"). Na tomto základě byla na vědecké úrovni vytvářena "pravidla hry" posudku spolehlivosti.
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: V deterministických metodách navrhování se vyjadřuje spolehlivost nosné konstrukce pomocí hodnot zatížení a pevností, které se většinou získaly empiricky. 1. Metoda dovolených namáhání jako nejstarší metoda navrhování předepisovala podmínku spolehlivosti ve tvaru:
σ ≤ σdov
σdov = κ.
R
σ je napětí vznikající v konstr. účinkem provozního zatížení σdov je dovolené namáhání materiálu získané z jeho
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů:
Podle způsobu vyjadřování podmínek spolehlivosti lze rozdělit metody navrhování takto: 1. Metody deterministické, známé pod názvy metoda dovolených namáhání a metoda stupně bezpečnosti, 2. Metody pravděpodobnostní (probabilistické) jako metoda extrémních hodnot - polopravděpodobnostní čili semiprobabilistická - dále metoda funkčních extrémů a metoda exaktní. 3. Metody ekonometrické.
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: 2. Metoda stupně bezpečnosti byla zavedena po 2.světové válce a na rozdíl od metody dovolených namáhání (napětí) již začala s vyjadřováním odporu proti porušení pomocí souhrnných charakteristik průřezu (momentů, normálových a posouvajících sil).
γ. S ≤
R
kde γ je stupeň bezpečnosti předepisovaný odlišnými hodnotami pro různé způsoby namáhání.
průměrné pevnosti κ míra bezpečnosti pro určení dovoleného namáhání ( κ < 1)
4
7.12.2011
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: 3. Metoda mezních stavů Základní vlastností definující spolehlivost konstrukce je bezporuchovost jejího obvyklého užívání. Podmínka spolehlivosti je přitom matematické vyjádření vztahu mezi účinkem zatížení na konstrukci a přípustnou hodnotou tohoto účinku definovanou v příslušných normách pro navrhování. Mezním stavem lze tedy obecně označit stav, kdy stavební konstrukce, základ nebo základová půda (jako nedílná součást nosného systému základová půda základ - nadzákladová konstrukce) přestane vyhovovat předepsaným provozním požadavkům nebo požadavkům na její provádění.
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: Potřebnou spolehlivost betonové (a obecně jakékoli stavební) konstrukce však nelze zabezpečit pouze pečlivým návrhem konstrukce v duchu uvedených zásad. Při návrhu je třeba předpokládat, že: 1. konstrukci realizují osoby s potřebnou odborností a zkušenostmi, 2. je zajištěna nezbytná kontrola ve výrobnách a na stavbě, 3. použité stavební materiály mají vlastnosti podle příslušných předpisů, 4. konstrukce se bude užívat v souladu s předpoklady uvažovanými při návrhu konstrukce, 5. konstrukce bude náležitě udržována.
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: Nosná konstrukce musí být spolehlivá – po celou dobu své předpokládané životnosti musí být schopna užívání k požadovanému účelu s přijatelně malou pravděpodobností poruchy. Spolehlivost ztrácí jestliže překročí některý z mezních stavů. Mezní stavy 1. a 2. skupiny: 1. Únosnosti nesmí se zřítit nebo jinak porušit, což značí, že musí zůstat únosná
2. Použitelnosti nesmí přestat (ani dočasně) plnit funkce, pro které byla navržena, tj. musí zůstat použitelná.
Deformace Omezení napětí Vznik a šířka trhlin
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů:
podmínky spolehlivosti jako vztah mezi silovým účinkem zatížení Sd (setkáme se i s pojmem odezvy konstrukce na účinky zatížení) a mezi přípustnou hodnotou odporu konstrukce Rlim stanovenou s přihlédnutím k rozměrům prvku, použitému materiálu a způsobu vyztužení. Podmínka spolehlivosti pro první skupinu mezních stavů má tvar:
Sd ≤ Rlim ,
5
7.12.2011
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů:
podmínka spolehlivosti pro druhou skupinu mezních stavů, tj. matematický vztah mezi přetvárným účinkem zatížení ωs a jeho přípustnou hodnotou ωlim :
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: Statistické rozdělení zatížení
ω ≤ω s
lim
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: Časový průběh stálého a nahodilého zatížení na konstrukci
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: „a“ – statistické rozdělení hodnot pevnosti R (značení podle ČSN 73 1201) „b“ – stanovení hodnoty pevnosti Rp jako 1/p 100% kvantilu
6
7.12.2011
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: vyjádření spolehlivosti konstrukce ve vývoji metod navrhování
Základy teorie spolehlivosti a mezních stavů: Účinek = Sd ≤ Rlim = odpor (odolnost) Účinek zatížení (vnitřní síla, napětí)
Odolnost konstrukce
Nebezpečná oblast
Zatížení a kombinace zatížení: Mezní stav únosnosti
Zatížení a kombinace zatížení: Má nejvyšší míru závažnosti. Jde o situace, kdy je ohrožena bezpečnost lidí – havárie: • Úplné nebo částečné zřícení
Má nejvyšší míru závažnosti. Jde o situace, kdy je ohrožena bezpečnost lidí – havárie: • Úplné nebo částečné zřícení • Porušení celistvosti prvků (zlomení, přetržení) • Ztráta stability jako celku (překlopení opěrné zdi, sesuv objektu)
Sd ≤ Rlim
7
7.12.2011
Zatížení a kombinace zatížení:
Zatížení a kombinace zatížení:
Má nejvyšší míru závažnosti. Jde o situace, kdy je ohrožena bezpečnost lidí – havárie:
Má nejvyšší míru závažnosti. Jde o situace, kdy je ohrožena bezpečnost lidí – havárie:
•Porušení celistvosti prvků (zlomení, přetržení)
•Ztráta stability jako celku (překlopení zdi, sesuv )
Reologie betonu a trvanlivost:
Reologie betonu a trvanlivost:
8
7.12.2011
Základní prvky:
Základní prvky:
Základní prvky:
Základní prvky:
9
7.12.2011
Základní prvky:
Základní prvky:
Základní prvky:
Základní prvky:
10
7.12.2011
Základní prvky:
Základní prvky:
Vše lze rozložit na prvky:
Vše lze rozložit na prvky:
11
7.12.2011
Vše lze rozložit na prvky:
Vše lze rozložit na prvky:
Vše lze rozložit na prvky:
Vše lze rozložit na prvky:
12
7.12.2011
Eurokódy:
EN 1990 EN 1991 EN 1992 EN 1993 EN 1994 EN 1995 EN 1996 EN 1997 EN 1998 EN 1999
Eurokód: Eurokód 1: Eurokód 2: Eurokód 3: Eurokód 4: Eurokód 5: Eurokód 6: Eurokód 7: Eurokód 8: Eurokód 9:
Zásady navrhování konstrukcí Zatížení konstrukcí Navrhování betonových konstrukcí Navrhování ocelových konstrukcí Navrhování spřažených ocelobetonových konstrukcí Navrhování dřevěných konstrukcí Navrhování zděných konstrukcí Navrhování geotechnických konstrukcí Navrhování konstrukcí odolných proti zemětřesení Navrhování konstrukcí z hliníkových slitin
Závěrem:
Konec
13
