Zniszczenie długich sprężonych prefabrykowanych belek betonowych

Ugięcie lub nadmierne wygięcie wokół słabej osi smukłej prefabrykowanej belki sprężonej, a nawet zawalenie się mostu z prefabrykowanych belek sprężonych na placu budowy podczas fazy podnoszenia, nie jest rzadkim nieszczęściem. Ale czy naprawdę nadal się to zdarza przy wszystkich obowiązujących normach bezpieczeństwa, wytycznych i dotychczasowym doświadczeniu inżynierskim? Tak, zdarza się. Jak to możliwe? Na czym polega problem?

Stateczność boczna długich sprężonych belek

Prefabrykowane belki betonowe lub dźwigary są stosowane w szerokiej gamie projektów, typowo w halach przemysłowych, sklepach wielkopowierzchniowych, magazynach lub mostach dźwigarowych z prefabrykowanego betonu sprężonego. Kilka postępów technologicznych, takich jak stosowane materiały, bardziej efektywne kształty przekrojów poprzecznych i większe sploty sprężające, umożliwia osiąganie większych rozpiętości. Wraz ze wzrostem rozpiętości rośnie również całkowita masa takich belek, co sprawia, że etapy transportu i montażu stają się niekiedy miarodajnymi przypadkami obciążeń w projektowaniu konstrukcji, jak pokazano na rysunku [3].

Powszechną strategią przezwyciężenia tego problemu jest minimalizacja ciężaru własnego belek poprzez zmniejszenie szerokości półek. Niemniej jednak zmniejsza to również sztywność względem słabej osi i sztywność skrętną elementu, zwiększając ryzyko utraty stateczności bocznej. [1]

Odnotowane wypadki i uszkodzenia spowodowane utratą stateczności bocznej są zazwyczaj związane z mimośrodami aktywującymi efekty drugiego rzędu podczas przejściowych sytuacji obciążenia (podnoszenie, transport i oparcie na łożyskach). Typowymi źródłami tych mimośrodów są tolerancje wykonawcze, zróżnicowanie bocznego rozmieszczenia splotów, lokalne zarysowanie, pełzanie i skurcz powodujące wygięcie oraz jednostronne nagrzewanie słoneczne, powodujące wygięcie dźwigara. Ponieważ zakładano, że sprężone belki betonowe mają wystarczający zapas sztywności względem słabej osi, tradycyjnie poświęcano temu zjawisku ograniczoną uwagę. [1]

Wypadki z udziałem długich sprężonych prefabrykowanych belek betonowych

Most Dehtiarivskyi w Kijowie, wybudowany w 1965 roku, zamknięty na remont 13 czerwca 2023 roku, zawalił się [2]. Najwyraźniej po zamontowaniu sześciu belek robotnicy przystąpili do instalacji siódmej i belka utraciła stateczność, przewracając pozostałe belki, co doprowadziło do całkowitego zawalenia. Na szczęście nie było ofiar śmiertelnych, jednak straty finansowe były ogromne.

Innym przykładem jest zniszczenie podczas fazy podnoszenia. Sprężony prefabrykowany dźwigar betonowy o długości 45,6 m, o stałym przekroju poprzecznym w kształcie litery I, o wysokości 2 m i szerokości górnej półki 1,2 m. Wyobraźmy sobie: zdeformowany kształt po pierwszej operacji podnoszenia i drastyczny wzrost przemieszczenia bocznego do 300 mm (L/150). Dźwigar został ponownie złożony na ziemi w celu oceny ewentualnych uszkodzeń. Po inspekcji stwierdzono pionowe rysy w lewej górnej półce. Szerokości rys przekraczały 0,4 mm, co wymagałoby naprawy w celu spełnienia wymagań trwałości, gdyby element miał zostać ostatecznie zaakceptowany.

Następnie podjęto drugą próbę podnoszenia. Wykazała ona jednak boczne wygięcie przekraczające L/400, co oznaczało, że belka nie była w stanie odzyskać pierwotnego kształtu. Było to prawdopodobnie spowodowane odkształceniami plastycznymi, które wystąpiły podczas operacji podnoszenia. W związku z tym belka została odrzucona, a nowy dźwigar został wyprodukowany i przetransportowany na plac budowy. [1]

Bezpieczne projektowanie smukłych sprężonych prefabrykowanych belek betonowych

Jak możemy zapobiegać takim wypadkom i uszkodzeniom? Czy mamy zaprzestać projektowania długich sprężonych belek betonowych? Oczywiście nie, byłby to krok wstecz i wielka szkoda (autor jest wielkim fanem betonu sprężonego)! Dla inżyniera konstruktora dostarczenie bezpiecznego i ekonomicznego projektu w krótkim czasie nie jest łatwym zadaniem.

W tym przypadku obawiam się, że ołówek i papier nie wystarczą. W mojej niedawnej praktyce inżynierskiej zawsze żałowałem, że nie ma oprogramowania, które mogłoby mi pomóc w złożonych obliczeniach związanych ze zwichrzeniem (LTB) smukłych belek sprężonych. Naturalnie nie chciałem spędzać czasu na wprowadzaniu danych wejściowych i interpretowaniu wyników w połowicznych programach.

Rozwiązanie problemu zwichrzenia

Dobra wiadomość: dostępna jest IDEA StatiCa oferująca zaawansowaną analizę zwichrzenia (LTB) długich prefabrykowanych sprężonych belek betonowych. Wszystko to jest dostępne w jednym narzędziu, które jest łatwe w użyciu, prezentuje czytelne wyniki i automatycznie generuje raporty. Wystarczy postępować zgodnie z typowym przepływem pracy IDEA StatiCa Beam:

• Geometria: przekrój poprzeczny, informacje o rozpiętości, cięgna sprężające, historia etapów budowy są już zdefiniowane w aplikacji Beam na potrzeby analizy globalnej i projektowania. Wszystkie dane są automatycznie uwzględniane.
• Zakładka stateczności bocznej: definiowanie szczegółowych danych wejściowych dotyczących podnoszenia, transportu i innych etapów budowy, takich jak imperfekcja początkowa, szczegóły zawiesi, typy podpór końcowych itp.  Wszystkie te elementy mają wpływ na analizę LTB.
• Uruchomienie analizy LTB: tj. materiałowo i geometrycznie nieliniowa analiza z imperfekcjami początkowymi. Zaawansowana metoda obliczeniowa, nie uproszczone metody ani wzory.
• Wyniki: wynikami analizy LTB są reakcje, siły wewnętrzne i ugięcia.
• Sprawdzenie normowe LTB: na razie dostępne jest ręczne wprowadzanie danych do aplikacji RCS. Po przeprowadzeniu analizy LTB należy przejść do szczegółowych wyników (aplikacja RCS) i zapisać jako nowy plik, wprowadzić dodatkowe siły wewnętrzne wynikające z wyboczenia do miarodajnych kombinacji SGN i SGU oraz uruchomić wszystkie sprawdzenia.
  Uwaga: Automatyczne wprowadzanie wyników LTB do kombinacji sprawdzających zostanie wkrótce opracowane. 
• Raport: Generuj dokładne raporty z automatycznymi sprawdzeniami normowymi i konfigurowalnymi wynikami, oszczędzając czas i zmniejszając ryzyko błędów. 

Więcej szczegółów technicznych dotyczących analizy LTB i sprawdzeń normowych znajdziesz tutaj.

Podsumowanie

Zapewnij bezpieczeństwo belek na każdym etapie produkcji i budowy dzięki zintegrowanym sprawdzeniom stateczności LTB, obejmującym wszystkie warunki — od składowania, przez transport, po podnoszenie. Przestań się martwić lub unikać projektowania smukłych sprężonych prefabrykowanych belek betonowych ze względu na ryzyko utraty stateczności bocznej. Dziś możesz działać pewnie, mając IDEA StatiCa po swojej stronie!

Źródła

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Volume 100, 2019, Pages 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061, (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] Dostępne online https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] Dostępne online https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/