Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STAVEBNÍ
ING. MIROSLAV BAJER, CSc.
ING. MILAN PILGR
ING. MILOSLAV VESELKA
KONSTRUKCE
A DOPRAVNÍ STAVBY
MODUL BO01-MO1
KONSTRUKCE – OBECNÝ POSTUP PŘI NÁVRHU
STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍ – VÝPOČTOVÝ MODEL,
VLASTNOSTI STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ, ZATÍŽENÍ
STUDIJNÍ OPORY
PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 2 (43) -
Jazyková korektura nebyla provedena, za jazykovou stránku odpovídá autor.
© Ing. Miroslav Bajer, CSc. (kap. 2, 3),
Ing. Milan Pilgr (kap. 4),
Ing. Miloslav Veselka (kap. 5).
Obsah
- 3 (43) -
OBSAH
1 Úvod ..............................................................................................................5
1.1 Cíle........................................................................................................5
1.2 Požadované znalosti..............................................................................6
1.3 Doba potřebná ke studiu.......................................................................6
1.4 Klíčová slova.........................................................................................6
2 Druhy stavebních konstrukcí......................................................................7
3 Základní postup při návrhu a realizaci stavební konstrukce...................8
3.1 Vytváření výpočtového modelu konstrukce.........................................8
3.2 Výpočet konstrukce.............................................................................11
3.3 Dimenzování prvků a spojů................................................................12
3.4 Projektová dokumentace stavby..........................................................12
3.5 Výroba prvků a dílců konstrukce........................................................13
3.6 Montáž stavebního díla.......................................................................13
3.7 Dokumentace skutečného provedení stavby.......................................14
4 Materiály pro nosné stavební konstrukce................................................15
4.1 Složení a výroba konstrukčních materiálů..........................................15
4.1.1 Beton.....................................................................................15
4.1.2 Ocel.......................................................................................16
4.1.3 Dřevo.....................................................................................17
4.2 Hlavní materiálové charakteristiky.....................................................17
4.3 Výhody a nevýhody konstrukčních materiálů....................................20
1.1.1 Beton.....................................................................................20
4.3.2 Ocel.......................................................................................20
4.3.3 Dřevo.....................................................................................20
5 Zatížení podle ČSN 73 0035-1988 .............................................................22
5.1 Názvosloví a značky...........................................................................22
5.1.1 Názvosloví............................................................................22
5.1.2 Značky...................................................................................23
5.2 Všeobecně...........................................................................................23
5.2.1 Charakteristiky zatížení a jejich stanovení...........................23
5.2.2 Klasifikace zatížení (stálá, nahodilá)....................................23
5.2.3 Zatížení ve statických výpočtech..........................................24
5.2.4 Kombinace zatížení...............................................................24
5.3 Přehled stálých zatížení.......................................................................26
5.4 Přehled nahodilých užitných zatížení.................................................26
5.4.1 Zatížení stropů a střech.........................................................26
5.4.1.1 Rovnoměrná zatížení............................................................26
5.4.1.2 Soustředěná a podobná místní zatížení.................................27
5.4.1.3 Zatížení stroji a zařízením.....................................................27
5.4.1.4 Zatížení vysokozdvižnými vozíky........................................28
5.4.2 Zatížení zábradlí, říms a obvodových plášťů objektů...........28
5.4.3 Zatížení jeřáby......................................................................28
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 4 (43) -
5.5 Klimatická zatížení.............................................................................28
5.5.1 Zatížení sněhem....................................................................28
5.5.2 Zatížení větrem.....................................................................29
5.6 Užitná nahodilá zatížení zvláštních konstrukcí..................................29
5.6.1 Zatížení stropů a střech........................................................29
5.6.1.1 Zatížení silničními motorovými vozidly..............................29
5.6.1.2 Zatížení letadly se svislým startem a přistáním...................29
5.6.1.3 Zatížení rázem......................................................................29
5.6.2 Zatížení dočasných konstrukcí a tribun................................30
5.6.3 Zatížení svislých konstrukcí rázem......................................30
5.6.3.1 Zatížení od nárazů dopravních prostředků...........................30
5.6.3.2 Zatížení tenkostěnných a lehkých konstrukcí, zábradlí.......30
5.6.4 Zatížení vodorovným tlakem betonové směsi......................30
5.7 Klimatická zatížení zvláštních konstrukcí..........................................30
5.7.1 Zatížení námrazou................................................................30
5.8 Zatížení od vynucených přetvoření....................................................31
5.8.1 Zatížení teplotami.................................................................31
5.8.2 Zatížení smršťováním a dotvarováním betonu.....................31
5.8.3 Zatížení poddolováním a poklesem podpor.........................31
5.9 Zatížení konstrukcí navrhovaných jinak než podle ČSN 73 0031.....32
5.10 Mapa větrových oblastí......................................................................33
5.11 Zatížení dynamickou složkou větru....................................................33
5.12 Hmotnosti a jiné charakteristiky staviv..............................................33
5.13 Mapa sněhových oblastí.....................................................................33
5.14 Námrazová mapa................................................................................34
6 Závěr...........................................................................................................35
6.1 Příklady..............................................................................................35
6.2 Kontrolní otázky.................................................................................41
6.3 Shrnutí................................................................................................42
7 Studijní prameny.......................................................................................43
7.1 Seznam použité literatury...................................................................43
7.2 Seznam doplňkové studijní literatury.................................................43
Úvod
- 5 (43) -
1 Úvod
1.1 Cíle
Modul, který se chystáte studovat, obsahuje informace o základním členění
stavebních konstrukcí (kap. 2), základním postupu při návrhu a realizaci sta-
vebního díla s důrazem na tvorbu výpočtových modelů (kap. 3), zabývá se
vlastnostmi stavebních materiálů (kap. 4) a problematikou stanovení zatížení
stavebních konstrukcí (kap. 5).
Cílem kapitol „Druhy stavebních konstrukcí” a „Základní postup při návrhu a
realizaci stavební konstrukce” je shrnout obecné zásady, platné při sestavování
a vytváření výpočtových modelů stavebních konstrukcí nebo jejich částí.
Problematika návrhu vytvoření výpočtového modelu je pojata obecně, bez
vazby na konkrétní materiál a typ konstrukce. Vedle poznatků o obecných
pravidlech sestavování výpočtových modelů jsou v těchto částech taktéž
stručně popsány základní typy výpočtových modelů konstrukcí z hlediska
jejich statického působení, základní typy nejběžněji používaných prvků
stavebních konstrukcí, vzájemné vazby mezi prvky konstrukce a vazby
konstrukce na spodní stavbu, taktéž jsou rozebrány možnosti působení různých
zatížení na stavební konstrukci a to jak z hlediska jejich polohy, tak z hlediska
jejich typu. Nastudováním této části čtenář získá základní obecnou představu
o problematice sestavování výpočtových modelů stavebních konstrukcí.
Kapitola „Materiály pro nosné stavební konstrukce” prezentuje zevrubný výčet
konstrukčních materiálů vhodných pro navrhování a provádění standardních
konstrukcí pozemního, inženýrského, dopravního i vodního stavitelství.
Navržený konstrukční materiál zpravidla určuje celkové uspořádání, detaily i
provedení konstrukce a naopak požadavky kladené na stavbu určují volbu
použitého materiálu. Vedle poznatků o konstrukčních pravidlech je pro
inženýra nezbytná také znalost materiálových charakteristik, jakož i materiálu a
jeho zpracování. Proto u vybraných materiálů uvádíme jejich složení a výrobu,
dále číselné hodnoty fyzikálně-mechanických vlastností a s tím souvisící
přednosti i nedostatky. Pro ilustraci je na konci modulu zařazen číselný příklad
osvětlující praktický význam uváděných materiálových charakteristik. Studiem
této části čtenář získá pouze rámcovou představu o dané problematice.
Kapitola „Zatížení podle ČSN 73 0035-1988” je koncipovaná tak, aby po jejím
prostudování studenti dokázali:
- charakterizovat problematiku zatížení stavebních konstrukcí v souladu
s ČSN 73 0035-1988,
- sestavit zatížení stavební konstrukce.
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 6 (43) -
1.2 Požadované znalosti
Student by měl mít základní znalosti z teoretických předmětů (zejména mate-
matiky a fyziky) ze střední školy, rozšířené o znalosti z teoretických předmětů
prvního ročníku matematika I, matematika II a základy stavební mechaniky.
Dále z dosavadního studia na Fakultě stavební VUT v Brně jsou potřebné zna-
losti ze stavebních látek a pružnosti a pevnosti. Protože studium pružnosti a
pevnosti probíhá paralelně s tímto kurzem, požaduje se alespoň znalost pojmů
„napětí“ a „Hookeův zákon“. Pro pochopení této kapitoly je nutné mít prostu-
dované kapitoly „Materiály pro konstrukce“ a „Zatížení stavebních konstrukcí“.
1.3 Doba potřebná ke studiu
Celková optimální doba pro prostudování kapitol 2, 3 je, včetně zopakování zá-
kladních pojmů, 2 hodiny. Taktéž studium každé z kapitol 4, 5 činí cca 2 hodiny.
Celková doba pro prostudování modulu tedy činí cca 6 hodin, pokud budete pro-
cházet i řešené příklady , pak se doba prodlouží o jednu až dvě hodiny.
1.4 Klíčová slova
Výpočtový model, stavební konstrukce, geometrický tvar, statické schéma,
podpory, spojení prvků, materiálové vlastnosti, průřezové charakteristiky, vý-
počet, posouzení, pevnost, dílčí součinitel spolehlivosti materiálu, modul pruž-
nosti v tahu a tlaku, Youngův modul, hustota, zatížení, charakteristické (nor-
mové) zatížení, návrhové (výpočtové) zatížení, součinitel zatížení, stálé zatíže-
ní, nahodilé zatížení, užitné zatížení, klimatická zatížení, zatížení od vynuce-
ných přetvoření, nahodilá zatížení dlouhodobá, nahodilá zatížení krátkodobá,
nahodilá zatížení mimořádná, kombinace zatížení, součinitel kombinace zatížení,
dokumentace.
Druhy stavebních konstrukcí
- 7 (43) -
2 Druhy stavebních konstrukcí
Stavební konstrukce můžeme členit podle různých hledisek. Dělení je možné
např. podle:
a) Účelu, ke kterému mají sloužit:
- konstrukce budov (obytných, administrativních, speciálního určení),
- halové konstrukce (průmyslové, zemědělské, skladovací, sportovní, vý-
stavní),
- mosty a lávky pro pěší,
- technologické konstrukce (věže, zásobníky, stožáry),
- vodohospodářské stavby ( hradící klapky, jezy, plavební komory),
- další konstrukce.
b) Použitých materiálů a jejich kombinací:
- zděné (cihlové, z tvárnic),
- betonové (prostý beton, železobeton, předpjatý beton),
- kovové (ocelové, hliníkové),
- dřevěné (rostlé dřevo, lepené lamelové dřevo, materiály na bázi dřeva).
c) Skladby nosného systému (podle nosných prvků, které v systému převažují):
- prutové (příhradové, rámové, plnostěnné, obloukové),
- panelové (tvořené z plošných prvků skořepinových nebo deskostěnových),
- další typy,
- kombinované (kombinace různých typů nosných prvků).
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 8 (43) -
3 Základní postup při návrhu a realizaci sta-
vební konstrukce
Chceme-li navrhnout a realizovat jakoukoliv stavební konstrukci, je třeba napl-
nit následující posloupnost:
- provést architektonický návrh stavby,
- definovat geometrický tvar konstrukce,
- definovat spojení částí konstrukce (prvků a dílců) mezi sebou,
- vyřešit návaznost konstrukce na spodní stavbu,
- definovat charakteristiky použitých materiálů,
- navrhnout typy průřezů jednotlivých prvků konstrukce,
- stanovit zatížení a jeho kombinace,
- provést výpočet konstrukce,
- provést dimenzování prvků a spojů,
- vypracovat projektovou dokumentaci stavby,
- vyrobit prvky a dílce konstrukce,
- provést montáž stavebního díla,
- vypracovat dokumentaci skutečného provedení stavby.
3.1 Vytváření výpočtového modelu konstrukce
Výpočtový model konstrukce lze definovat jako model, přibližující se svým
chováním v maximální možné míře chování reálné stavební konstrukce. Na
jeho správném sestavení závisí míra shody se skutečným chováním navrhova-
ného stavebního díla. Nesprávně sestavený výpočtový model může ve svém
důsledku vést k nepředvídatelným důsledkům.
Vytvořit výpočtový model znamená uspořádat nosné prvky tak, aby byl vytvo-
řen výsledný prostorový útvar (jedná-li se o výpočtový model konstrukce jako
celku, případně jeho ucelené části), resp. rovinný útvar (obvykle, jedná-li se o
řešení určitého dílce, např. rámu, vazníku, ztužidel, oblouku…) .
Jedním ze základních předpokladů úspěšnosti výpočtu je správné definování
geometrického tvaru sestavovaného výpočtového modelu. Je třeba stanovit
skladbu konstrukce tak, tzn. použít odpovídající typy prvků (pruty, stěny, des-
ky, skořepiny, prostorové prvky), aby odpovídala skutečnému působení kore-
spondujících prvků v reálné konstrukci. O tom, jaký typ prvku zvolíme, rozho-
duje složitost navrhované konstrukce. Prutové prvky (obr. 3.1) použijeme tam,
kde jeden rozměr prvku (délka) výrazně převyšuje zbylé dva rozměry prvku
(výšku a šířku průřezu). Je-li prut zabudován do konstrukce zatížen tak, že je
schopen přenášet pouze normálové síly, hovoříme o příhradovém prutu, je-li
zabudován tak, že navíc přenese i posouvající síly a momenty (ohybové, krou-
ticí), hovoříme o prutu rámovém. Tento typ prvku lze použít pro sestavování
výpočtových modelů jak v rovině, tak v prostoru. Stěnové prvky (obr. 3.2) lze
do výpočtového modelu konstrukce navrhnout tehdy, jestli-že odpovídající
reálný prvek má charakter plošného prvku, tzn. že tloušťka prvku je výrazně
menší než zbylé dva rozměry (šířka a délka) a zároveň zatížení působí pouze
ve střednicové rovině prvku. Deskové prvky (obr. 3.3) použijeme tehdy, jedná-
li se u reálné konstrukce opět o plošný prvek, ale zatížení na tento element pů-
Základní postup při návrhu a realizaci stavební konstrukce
- 9 (43) -
sobí pouze kolmo ke střednicové rovině deskového prvku. V případě, že sku-
tečný prvek v reálné konstrukci má opět tloušťku prvku výrazně menší než
šířku a délku, přičemž může být i zakřiven, a působí-li zatížení obecně, potom
při sestavení výpočtového modelu použijeme skořepinový prvek (obr. 3.4).
Prostorové prvky (obr. 3.5) využijeme v těch případech, kdy rozměry prvku
jsou ve všech třech směrech srovnatelné, stejně tak zatížení může působit libo-
volnými směry.
obr. 3.1 prutový prvek obr. 3.2 stěnový prvek obr. 3.3 deskový prvek
obr. 3.4 skořepinový prvek obr. 3.5 prostorový prvek
Při vytváření výpočtového modelu je dále nutné definovat uzly a hrany, ve
kterých se prvky spojují a následně pak stanovit způsob spojení prvků mezi
sebou – provést tzv. modelování spojů. Podle chování spoje rozlišujeme tři
základní modely :
a) kloubové spoje, u nichž předpokládáme že přenáší pouze silové účinky,
nikoliv tedy účinky momentové,
b) tuhé spoje, u kterých předpokládáme plnou momentovou únosnost,
c) polotuhé spoje, kde předpokládáme částečnou momentovou únosnost.
Při praktických návrzích konstrukce, se v nejčastěji uplatňují případy a), b).
Při vytváření výpočtového modelu složeného z prutových prvků je možné na
konci nebo počátku prutu taktéž předepsat vnitřní klouby s reálnou tuhostí a
tím simulovat pružně poddajné připojení prutu ke styčníku. Na konstrukci lze
taktéž obvykle zadat skupinu netypických prutů a přiřadit jim typ odlišný od
základního typu. Tak lze vytvořit smíšenou konstrukci, např. kombinaci rámo-
vých a příhradových prutů.
V inženýrské praxi se nejčastěji používají výpočtové modely prutových kon-
strukcí vyobrazených na obr. 3.6. Plošné resp. prostorové prvky mají využití
zejména při numerickém řešení konstrukčních detailů obr. 3.7.
Konstrukce - obecný postup při návrhu stavebních konstrukcí - výpočtový model, vlastnosti materiálů, zatížení
- 10 (43) -
obr. 3.6 konstrukce vedoucí na výpočtový model sestavený z prutových prvků
obr. 3.7 výpočtový model konstrukčního detailu – přípoje ocelové konstrukce
Další krokem, který musíme při vytváření výpočtového modelu provést, je de-
finování způsobu podepření konstrukce. V praxi to znamená zadat vnější
vazby – tzn. definovat způsob převedení akcí konstrukce na základy či spodní
stavbu. Obvykle definujeme okrajové podmínky podle toho, které složky vnitř-
ních sil jsou schopné přenést na základy. Přenáší-li kotvení pouze složky silo-
vé, hovoříme o kloubovém uložení, přenáší-li navíc taktéž složky momentové,
hovoříme o rámovém kotvení nebo-li vetknutí. Je-li kotvení schopné přenést
momentový účinek pouze částečně, hovoříme o částečném vetknutí.
V místě zadaných podpor lze taktéž obvykle zadávat poklesy a pootočení ve
směrech souřadného systému dané podpory.
Následným krokem při sestavování výpočtového modelu je definování mate-
riálu jednotlivých použitých prvků. Materiál definujeme prostřednictvím
výpočtových charakteristik (výpočtové pevnosti, moduly pružnosti, hustoty, a
dalších charakteristik příslušejících danému materiálu).
obr. 3.8 dílec v kombinaci materiálů obr. 3.9 kombinace materiálu v průřezu
V používaných výpočetních programech jsou tyto charakteristiky obvykle sou-
částí katalogu materiálů. Je zcela obvyklé, že stavební konstrukce je sestavena
z různých typů materiálů a to jak v rámci konstrukce jako celku nebo dílců
konstrukce obr. 3.8, tak v částech dílčího prvku (např. nosník profilu I s dřevě-
nými pásnicemi a ocelovou stěnou) obr. 3.9. Vlastnostmi stavebních materiálů
se podrobněji zabývá kapitola 1.
Základní