20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
MODELOVANIE KONTAKTU PILOTA – ZEMNÝ MASÍV.
PREKOP ĽUBOMÍR
Stavebná fakulta STU, Katedra stavebnej mechaniky
Abstract: The paper deals with an analysis of the pile subjected to the bending
and its synergy with the surrounding natural massif. The greatest emphasis is devoted to
the modeling of the contact on a pile and soil. Finally some achieved results and their
comparing with an analytic solution as well are presented in graphic form.
Keywords: pile, the interaction with the surrounding, modeling of a contact
1
Úvod
Pilotový základ patrí medzi najrozšírenejšie hĺbkové zakladania. V porovnaní
s plošným základom sa znižuje hmotnosť základu, rozsah výkopu, vylučuje sa debnenie
a veľký spätný zásyp.
Betónové piloty sa vyhotovujú z prostého betónu alebo železobetónu. Tvar piloty býva
najčastejšie kruhový, štvorcový alebo mnohouholníkový. Rozmery pilot sa líšia podľa
použitej technológie a sú v rozsahu od 0,3 m do 2,0 m. Druhov pilot je veľké množstvo. Vo
všeobecnosti môžeme rozdeliť piloty podľa rôznych kritérií, univerzálne piloty pre všetky
možné prípady neexistujú.
2
Železobetónové piloty
Pre vystužovanie pilot je dôležité ich správne pôdorysné rozmiestnenie v pilotovom
základe. Piloty sa rozmiestnia tak, aby zaťaženie pilotového základu bolo čo najbližšie
dostrednému zaťaženiu. Do betónového prierezu sa podľa spôsobu namáhania navrhne
nosná výstuž. Pri návrhu výstuže je potrebné zvážiť aj štáduá, ktoré vzniknú počas výroby
pilot a ich dopravy na miesto použitia.
Rozmiestnenie výstuže piloty v priečnom reze je v zásade symetrické. Pozdĺžna výstuž sa
umiestňuje v rohoch piloty alebo pri kruhovom pôdoryse rovnomerne po obvode a volí sa
s priemerom  = 18 - 32 mm. V prípade potreby sa dopĺňa medziľahlo umiestnenou
výstužou s priemerom  = 14 - 22 mm. Krytie výstuže je aspoň 35 mm, v prípade pilot
vháňaných cez zeminy s agresívnou vodou sa krytie výstuže zvyšuje na 50 až 80 mm.
Výstuž v špici piloty sa dopĺňa konštrukčnou výstužou. Rovnako pod hlavou piloty sa
výstuž upravuje kvôli zväčšeniu tuhosti piloty pri baranení.
Šmyková výstuž sa navrhuje v tvare skrutkovice, prípadne v tvare uzavretých strmeňov
s priemerom 5,5 až 8 mm. Výška závitu skrutkovice alebo vzdialenosť strmeňov je po
výške piloty rozdielna. V spodnej a hornej časti je po 50 až 100 mm, v strednej časti piloty
do 200 mm.
Monolitické piloty sa vystužujú pomocou výstužných košov, ktoré sa spúšťajú do
vyrobeného otvoru. Kôš musí byť upravený tak, aby sa do otvoru mohla spustiť
betónovacia rúra. Výstužné koše sa stykujú presahom.
http://aum.svsfem.cz
1
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
3
SVSFEM s.r.o
Model konštrukcie
Riešená bola pilota dĺžky l = 8,0 m kruhového priečneho rezu s priemerom
 = 0,42 m. Pilota bola vyrobená z materiálu, ktorého vlastnosti charakterizuje Yougov
modul pružnosti Ep = 2,1.107 kPa. Podložie predstavuje málo únosné prostredie
s modulom pružnosti Ep = 1000 kPa. Poissonovo číslo pre zeminu malo hodnotu  = 0,35.
Pre výpočet boli použité dva zaťažovacie stavy: v prvom prípade je pilota v hlave
zaťažená vodorovne pôsobiacou silou Fx = 100 kN, v druhom prípade je pilota v hlave
zaťažená
momentom
My = 100 kNm.
Obrázok 1 – Model konštrukcie
Vo výpočte boli použité rôzne spôsoby podopretia päty piloty: voľný koniec, kĺbové
podopretie a votknutie.
Model konštrukcie bol vytvorený ako priestorový. Pilota bola modelovaná pomocou prvkov
SOLID65 a okolitý zemný masív prvkami SOLID45. Z hľadiska kontaktu boli vytvorené
3 rôzne modely:
Tabuľka 1 – Popis modelov konštrukcie
Model konštr.
Typ kontaktu
Kontaktné prvky
A
bez kontaktu
–
B
bod – bod
CONTAC52
C
plocha – plocha
TARGE170
CONTA173
http://aum.svsfem.cz
2
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
Na nasledujúcich obrázkoch sú pre ilustráciu uvedené výsledky priehybov a napätí pre
model C, zaťaženie vodorovnou silou v hlave piloty a voľný koniec päty piloty.
Obrázok 2 – Priebeh priehybov a napätí pri zaťažení vodorovnou silou
Obrázok 3 – Priebeh priehybov a napätí pri zaťažení momentom
Výsledky riešenia jednotlivých zaťažovacích stavov, rôznych spôsobov podopretia
a rôznych modelov kontaktu sú prezentované v nasledujúcich grafoch. V prípadoch, keď
bolo k dispozícii analytické riešenie úlohy, je toto uvedené v grafických priebehoch
priehybov a ohybových momentov po výške piloty.
http://aum.svsfem.cz
3
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
zaťaženie momentom
8
6
6
Pilota [m]
Pilota [m]
zaťaženie silou
8
4
4
Legenda
Model A
Model B
Model C
Analyticky
2
Legenda
Model A
Model B
Model C
Analyticky
2
0
0
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
-0.005
0
Priehyb [m]
0.005
0.01
0.015
0.02
Priehyb [m]
Obrázok 4 – Priehyby po výške piloty pre pilotu s voľnou pätou
zaťaženie silou
zaťaženie momentom
8
8
Legenda
Model A
Model B
Model C
Analyticky
6
Pilota [m]
Pilota [m]
6
4
2
4
Legenda
2
0
Model A
Model B
Model C
Analyticky
0
-100
-80
-60
-40
Moment [kNm]
-20
0
-100
-80
-60
-40
-20
0
Moment [kNm]
Obrázok 5 – Ohybové momenty po výške piloty pre pilotu s voľnou pätou
http://aum.svsfem.cz
4
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
zaťaženie momentom
8
6
6
Pilota [m]
Pilota [m]
zaťaženie silou
8
4
Legenda
4
Legenda
Model A
Model B
Model C
Model A
Model B
Model C
2
2
0
0
-0.006
-0.004
-0.002
0
0.002
-0.004
0.004
-0.002
Priehyb [m]
0
0.002
0.004
Priehyb [m]
Obrázok 6 – Priehyby po výške piloty pre pilotu s kĺbovo podopretou pätou
zaťaženie momentom
8
8
6
6
Pilota [m]
Pilota [m]
zaťaženie silou
4
4
Legenda
Legenda
Model A
Model B
Model C
2
2
0
Model A
Model B
Model C
0
-0.02
0
0.02
0.04
Priehyb [m]
0.06
0.08
-0.004
0
0.004
0.008
0.012
Priehyb [m]
Obrázok 7 – Priehyby po výške piloty pre pilotu s votknutou pätou
http://aum.svsfem.cz
5
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
4
SVSFEM s.r.o
Záver
Na záver je možné konštatovať, že v prípade piloty s voľnou pätou je dosiahnutá pomerne
dobrá zhoda veľkostí deformácií medzi modelmi s kontaktom (model B a model C)
a analytickým riešením (pre tento pípad podopretia bolo analytické riešenie k dispozícii).
Pre ostatné dva prípady podpretia päty piloty je zrejmé, že riešenie pomocou modelovania
kontaktu dosahuje oproti modelu bez kontaktu väčšie hodnoty. Pre prípad zaťaženie
momentom prakticky nie sú rozdiely v priehyboch pre modely kontaktu.
Literatúra
ANSYS ® User’s Manual for Revision 12, Swanson Analysis Systems, Inc.
KOLLÁR, P., MISTRÍKOVÁ, Z.: 1985. Spolupôsobenie ohybom namáhaných pilót
s pružným polpriestorom – piloty voľné v päte. Inžinierske stavby 01/1985, strany 29–39.
MAJDÚCH, D.: 1984. Zásady vystužovania betónových konštrukcií. Bratislava, Alfa,
368 strán.
Poďakovanie
Príspevok bol vypracovaný v rámci grantovej úlohy VEGA č.1/0629/12.
Kontaktná adresa:
Ing.Ľubomír Prekop, PhD., [email protected]
Katedra stavebnej mechaniky, Stavebná fakulta STU, Radlinského 11, 813 68 Bratislava
http://aum.svsfem.cz
6
Download

MODELOVANIE KONTAKTU PILOTA – ZEMNÝ MASÍV. PREKOP