Modele obliczeniowe dla podpór w budynkach
Wiemy, że podczas etapu budowy obiektów dochodzi do wypadków i na tym etapie kontrola podpór ma fundamentalne znaczenie.
Należy opracować szczegółowe studium podpór dla każdego budynku, zwłaszcza gdy konstrukcje mają znaczną masę (płyty lite). By nie wykonywać tego studium, często przewymiarowuje się system podporowy, jednak nie oznacza to gwarancji lepszego wykonania budowy.
Wykonanie obliczeń pozwala zoptymalizować podparcie, co pozwala zaoszczędzić znaczne koszty w zakresie materiału, produkcji i czasu realizacji. Dlatego ważne jest, aby każda firma była w stanie obliczyć najbardziej zoptymalizowane wartości systemu podporowego, wybierając najbardziej odpowiedni model obliczeniowy.
Fazy obciążania
Celem tego obliczenia jest określenie obciążenia, które będzie wytwarzane na podporach i stropach konstrukcji w różnych fazach wznoszenia budynku.
System podpór jest bardzo ważnym elementem szalowania wykorzystywanego do wykonywania konstrukcji betonowych. Szalunek jest elementem pomocniczym składającym się z warstwy szalunkowej wspartej na wytrzymałej konstrukcji z belek i podpór. Podczas wznoszenia budynku z kolejnymi kondygnacjami, system podpór przechodzi przez trzy kolejne fazy obciążania:
- Kompletny sprzęt: Jest to pierwsza faza i dotyczy podpór niezbędnych do wykonania betonowania stropu – wymagana jest maksymalna liczba podpór, dlatego tę fazę obciążania nazywa się „sprzętem kompletnym”.
- Sprzęt podporowy: Obecnie stosowanym szalunkiem jest szalunek odzyskiwany trzeciego dnia, wówczas po odzyskaniu następuje zmniejszenie liczby podpór podtrzymujących strop („oczyszczenie”). Podczas tej drugiej fazy stan występującego obciążenia jest inny, ponieważ konstrukcja jest częściowo obciążona i wykorzystywana jest mniejsza liczba podpór, przy czym należy oszacować, jakie obciążenie jest rzeczywiście wywierane na sprzęt. Tę drugą fazę załadunku nazywamy „sprzętem podporowym”.
- Sprzęt na wysokości: na wykonanym już stropie, trzecia faza obciążania po obciążeniu kolejnych stopów umieszczanych powyżej tego stropu. Każdorazowo przy montażu nowego stropu następuje przeniesienie obciążeń z nowych stropów na niższe poprzez system podporowy i wykonaną konstrukcję. W trzeciej fazie obciążania zadanie polega na kontroli w ramach tego systemu podporowego, niezależnie od stanu betonowania nad nim, jakie jest najgorsze wytwarzane obciążanie, a poprzez jego kontrolowanie, wiadomo będzie, że wznoszenie budynku w pionie nie będzie stanowiło żadnego problemu. Ta trzecia faza załadunku nazywana jest „sprzętem na wysokości”.
Rozkład obciążeń występujących między podporami a stropami może mieć różne modele obliczeniowe; w rzeczywistości w przeszłości stworzono i opracowano osiem modeli teoretycznych i 9 modeli eksperymentalnych. Zobaczmy te najważniejsze.
Lata 60: metoda Grundy i Kabaila
Teoretyczny najbardziej rozpowszechniony i znany model obliczeniowy pochodzi z 1963 r. i jest to metoda Grundy i Kabaila. Główną hipotezą obliczeniową tego modelu jest uznanie, że podpory są nieskończenie sztywne.
Ta hipoteza ma sens, ponieważ mówimy o roku 1963 w Stanach Zjednoczonych, gdzie podpory były wykonywane z drewna i mocowane gwoździami, przez to były dość sztywne, inaczej niż podpory metale stosowane obecnie, które działają jak „sprężyny”. Z drugiej strony wykonywane konstrukcje miały mniejszą grubość i sztywność niż obecnie budowane.
W związku z tym ten model obliczeniowy, który jest bardzo wszechstronny i łatwy do zastosowania, nie odzwierciedla prawdziwej sytuacji urządzeń i konstrukcji, które są wykonywane w rzeczywistości.
Lata 90: zmiana modelu
Od 1990 roku pojawiały się inne modele (EFM, Duan i Chen, Fang itp.), w których hipoteza różni się w zależności od uwzględniania skończonej sztywności podpór oraz kompatybilności odkształceń między stropami a podporami.
Na podstawie tych hipotez opracowuje się wzór oparty na zależności pomiędzy sztywnością stropów a sztywnością podpór. Oczywiście umożliwia to zbliżenie modeli obliczeniowych do rzeczywistości, ale nadal nie w sposób wystarczający.
Równolegle opracowywane były modele eksperymentalne. W 1992 r. Moragues z Politechniki w Walencji dokonał rzeczywistego pomiaru w dwóch budynkach Alicante za pomocą odzyskiwanych szalunków i odkrył, że faktycznie występujące obciążenia mają niewiele wspólnego z teoretycznymi obciążeniami, które są zakładane, a zatem przy tych pierwszych testach należy przeprowadzić bardziej szczegółowe badania pozwalające ustalić, jakie obciążenie wywierane jest na całą konstrukcję.
Rok 2005: Nowy model obliczeniowy
Rozwinięciem poprzednich modeli i kontynuacją badań zainicjowanych przez Moraguesa w 2005 r. zajął się Uniwersytet w Walencji (UPV) i jego instytut ICITECH w ramach projektu badawczego realizowanego razem z firmą Encofrados Alsina, który trwał kilka lat i przechodził przez różne fazy.
W pierwszej fazie eksperymentalnie wznoszony był prawdziwy budynek, a cała jego konstrukcja była w pełni monitorowana – rozwinięcie tezy doktorskiej Yezida A. Alvarado Vargasa.
Wznoszona konstrukcja była budynkiem z litej płyty o grubości 25 cm, składającym się z przęsła z dwoma bocznymi wspornikami, w pełni oprzyrządowanymi podporami wykonywanym w ramach procesu obejmującego różnymi rzeczywistymi fazami budowy, z użyciem szalunku odzyskiwanego.
Najpierw wykonano betonowanie pierwszego stropu i oczyszczanie, następnie betonowanie drugiego stropu powyżej i oczyszczanie, a po wybetonowaniu trzeciego, zwolniono system podporowy pierwszego stropu z podłoża, by nie wywierały już efektu na nieskończenie sztywny fundament. Na końcu przeprowadzono symulację wykonania czwartego stropu z wykorzystaniem zbiorników wodnych, odtwarzając standardową konstrukcję z 3 kompletami szalowanych kondygnacji.
Intensywna kontrola betonu przeprowadzana w budynku laboratorium przy budowie.
Wprowadzono tensometry do pomiaru odkształceń, a także sondy do pomiaru temperatury otoczenia i sondy do pomiaru temperatury wewnętrznych betonu. W ten sposób doskonale określono rodzaj betonu i jego właściwości.
Należy zauważyć, że na każdej z podpór zamieszczono trzy mierniki ustawione pod kątem 120 stopni, zabezpieczone nakrętkami Armaflex w celu kontrolowania obciążania wytwarzane na całej konstrukcji podpory.
Do gromadzenia i przechowywania danych dostępnych było 40 modułów akwizycji danych i ponad 3700 metrów kabla, wykonano 17 000 pomiarów. W rzeczywistości pomiary były ciągłe, a w każdej z faz betonowania, oczyszczania lub rozszalowania, pomiary były wykonywane co pięć sekund, a gdy nie były prowadzone prace budowlane, co pięć minut.
Pod koniec eksperymentu uzyskano 4 500 000 zapisów obciążeń, co pozwoliło na bardzo dobrą kontrolę całego procesu budowlanego, znacznie wykraczającą poza inne wcześniejsze eksperymenty.
Model NPS
Równolegle z badaniem eksperymentalnym i zgodnie z nim opracowywana jest nowa metoda obliczeniowa NPS, która jako główną hipotezę obliczeniową przyjmuje, że podpory mają skończoną sztywność. Oprócz eksperymentalnej walidacji metoda jest zatwierdzania w oparciu o modele numeryczne przy użyciu elementów skończonych 3D w programie Ansys.
Aby uzyskać lepszą walidację metody, od 2008 r. Isabel Gasch Molina realizowała drugą pracę doktorską w celu sprawdzenia, czy pomiary na miejscu mogą być zgodne z wynikami uzyskanymi dla modelu.
Pomiary wykonano na trzech różnych budowach z trzema stosowanymi typami stopów dwukierunkowych: płyta stała, keson tracony, keson odzyskiwany, a wyniki porównano z różnymi modelami obliczeniowymi, dowodząc, że nowa metoda obliczeniowa jest najdokładniejsza ze wszystkich – zbieżność obciążeń 90–95% i odchylenie standardowe między 0,14 a 0,16.
Potwierdzeniem tego modelu obliczeniowego stanowiącego nowy wkład do nauki jest jego publikacja w czasopiśmie Engenieering Structures (tom 33, 2011, str. 1565 do 1575).
Został on doceniony i potwierdzony w 2014 r. wraz z włączeniem go do Przewodnika wdrażania EHE-08.
Wnioski
Podsumowując, dla wszystkich powyższych można stwierdzić, że metoda NPS jest najbliższa rzeczywistości, a jednocześnie ma poziom walidacji numerycznej i eksperymentalnej spośród wszystkich modeli obliczeniowych.
Dlaczego to takie ważne? Ponieważ dzięki zastosowaniu tego modelu (poprzez wykorzystanie Oprogramowania STC) firmy będą mogły zoptymalizować systemy podporowe i terminy realizacji podczas wykonywania konstrukcji w sposób bezpieczny. Dzięki temu koszty i straty w wydajności podczas budowy będą minimalne. A są to obecnie istotne czynniki konkurencyjne.
