Studium przypadku

Wymiana łożysk na wiadukcie Weyermannshaus

Bern | Switzerland | Emch+Berger AG Bern

Concrete

Detail 2D

SIA (Switzerland)

Ten artykuł jest również dostępny w:

Przetłumaczone przez AI z języka angielskiego

Projekty infrastrukturalne w gęsto zabudowanych obszarach miejskich często wymagają wysoce zoptymalizowanych konstrukcji żelbetowych, w których przenoszenie obciążeń, detale zbrojenia i wykonalność muszą być starannie wyważone. Dotyczy to w szczególności konstrukcji łączących wymagania architektoniczne z rygorystycznymi wymogami bezpieczeństwa i trwałości, takich jak betonowe elementy związane z transportem, narażone na duże obciążenia i długotrwałe warunki eksploatacji. W Bernie w Szwajcarii firma EMCH+BERGER AG uczestniczyła w projektowaniu konstrukcyjnym konstrukcji betonowej, w której kluczowe było dokładne określenie przenoszenia sił i szczegółów zbrojenia. Projekt wymagał wiarygodnego podejścia do weryfikacji złożonych stref betonu, których nie można było w wystarczającym stopniu ocenić za pomocą standardowych obliczeń ręcznych ani uproszczonych metod analitycznych.

O projekcie

Projekt obejmował projektowanie i weryfikację szczegółu konstrukcyjnego żelbetowego, stanowiącego część większego systemu infrastrukturalnego.

Wiadukt (zbudowany w latach 1974–1977) składa się ze sprężonych dźwigarów skrzynkowych (rozpiętości od 26,5 do 38 metrów) z masywnym sprężonym poprzecznikiem opartym na filarach. Filary te będą wymieniane etapami podczas budowy. W tym celu wiadukt jest podnoszony za pomocą tymczasowego systemu podparcia (masywnych spawanych dźwigarów stalowych na wieżach rusztowaniowych) i siłowników hydraulicznych. Istniejące filary są odciążane i rozbierane, po czym budowane są nowe, dłuższe filary, tak aby można było obniżyć poziom terenu.

Układ pierwotny

Układ nowy

Widok izometryczny i przekrój poprzeczny tymczasowego podparcia (fragment planu: Frutiger AG)

Konstrukcja była poddana znacznym siłom skupionym, co prowadziło do złożonych rozkładów naprężeń w objętości betonu. Elementy betonowe zostały zaprojektowane zgodnie z Eurocode 2, ze szczególną uwagą poświęconą:

Lokalnym strefom wprowadzania sił
Zakotwienia i przenoszeniu obciążeń między elementami konstrukcyjnymi
Rozmieszczeniu zbrojenia w strefach nieciągłości (D-regions)

Ze względu na geometrię i warunki obciążenia zachowania konstrukcji nie można było opisać za pomocą prostej teorii belki. Zamiast tego wymagane było zrozumienie przepływu sił oparte na modelu Strut-and-tie, aby zapewnić odpowiednie zaprojektowanie zarówno pól ściskanych betonu, jak i rozciąganych prętów zbrojeniowych.

Przekrój poprzeczny dźwigara mostowego przedstawiający porównanie rozkładu sił w istniejącej konstrukcji (góra) i podczas budowy (dół)

Kluczową zaletą IDEA StatiCa była możliwość jawnego modelowania każdego pojedynczego elementu zbrojenia i bezpośredniej analizy jego naprężeń.

Victor Zahn

Inżynier projektu – Emch+Berger AG Bern
Switzerland

Wyzwania inżynierskie

Jednym z głównych wyzwań projektu była weryfikacja złożonych stanów naprężeń w żelbecie, szczególnie w strefach, gdzie:

Siły były wprowadzane na stosunkowo małych powierzchniach
Wiele ścieżek przenoszenia obciążeń oddziałuje w ograniczonej objętości betonu
Zagęszczenie zbrojenia stwarzało potencjalne problemy z wykonalnością

Tradycyjne podejścia projektowe oparte na uproszczonych modelach Strut-and-tie zapewniały wstępne koncepcyjne zrozumienie, lecz brakowało im dokładności potrzebnej do ostatecznej weryfikacji. Ręczne opracowanie udoskonalonych modeli Strut-and-tie byłoby niezwykle czasochłonne i podatne na konserwatywne założenia, co mogłoby prowadzić do nieefektywnego rozmieszczenia zbrojenia.
Kolejną krytyczną kwestią była potrzeba wyraźnego wykazania zgodności z wymaganiami Eurokodu. Ze względu na znaczenie konstrukcji projekt musiał być przejrzysty, identyfikowalny i łatwy do przeglądu przez wszystkich interesariuszy projektu.

Rozwiązania i wyniki

Aby sprostać tym wyzwaniom, firma EMCH+BERGER AG Bern wdrożyła IDEA StatiCa Concrete, wykorzystując metodę CSFM (Compatible Stress Field Method) do analizy rzeczywistego zachowania szczegółu żelbetowego.
Podejście to pozwoliło inżynierom na:

Modelowanie dokładnej geometrii elementu betonowego
Bezpośrednie przyłożenie realistycznych kombinacji obciążeń do modelu
Zdefiniowanie rozmieszczenia zbrojenia odzwierciedlającego praktyczne ograniczenia wykonawcze

Zamiast polegać na wyidealizowanych ścieżkach sił, analiza oparta na Metodzie Elementów Skończonych zapewniła wyraźną wizualizację:

Trajektorii głównych naprężeń ściskających w betonie
Stopnia wykorzystania poszczególnych prętów zbrojeniowych
Szerokości rys i poziomów naprężeń w stanach granicznych użytkowalności i nośności

Umożliwiło to iteracyjne udoskonalanie rozmieszczenia zbrojenia, osiągając projekt, który był zarówno efektywny konstrukcyjnie, jak i wykonalny. Strefy krytyczne mogły być wzmacniane dokładnie tam, gdzie było to potrzebne, bez zbędnego nadmiernego zbrojenia w innych miejscach.
Oprogramowanie wygenerowało również przejrzyste i kompleksowe wyniki, w tym sprawdzenia stopnia wykorzystania i graficzne reprezentacje naprężeń, co znacznie uprościło proces weryfikacji i komunikację z recenzentami.

Wnioski

Dzięki zastosowaniu IDEA StatiCa Concrete firma EMCH+BERGER AG Bern mogła wyjść poza uproszczone założenia projektowe i oprzeć krytyczne decyzje na realistycznym odwzorowaniu zachowania konstrukcji. Metoda ta zapewniła pewność co do bezpieczeństwa i wydajności szczegółu betonowego, przy jednoczesnym zachowaniu efektywnego i ekonomicznego projektu.
Projekt ten pokazuje, jak zaawansowane narzędzia numeryczne mogą wspierać inżynierów w rozwiązywaniu złożonych problemów żelbetowych, szczególnie w projektach infrastrukturalnych, gdzie dokładność, przejrzystość i zgodność z normami są niezbędne.