Při navrhování a statickém posuzování modulárních staveb je potřeba zohlednit některá specifika a odlišnosti související se statickým působením nosné konstrukce tvořené vzájemně propojenými ocelovými kontejnery. Cílem výrobců kontejnerových modulů je dosažení širokého uplatnění jejich výrobků v pozemním stavitelství. Nosná konstrukce kontejnerů používaných ve stavitelství vznikla modifikací původních kontejnerů využívaných především v železniční a lodní dopravě. Nezbytnou podmínkou uplatnění výrobků v pozemním stavitelství je zajištění mechanické odolnosti a stability nosné konstrukce v souladu s požadavky platných norem. Předkládaný článek proto poukazuje na vybrané statické problémy související s uplatněním kontejnerů při návrhu vícepodlažních modulárních staveb.
Modulární kontejnerový systém byl vyvinut za účelem rychlé a časově nenáročné výstavby. Modulární výstavba je založena na třech základních předpokladech, kterými jsou prefabrikace dílčích stavebních dílců na výrobní hale, mobilita pro jednoduchý transport dílce na staveniště a variabilita dílce pro vytvoření potřebné kompozice stavby. Moduly je možné spolu kombinovat a vytvářet tak různé sestavy podle potřeby účelu a místa stavby. Požadované dispoziční řešení a estetický vzhled konstrukce jsou dosaženy pomocí možnosti variace výplňových stěn mezi hlavními nosnými prvky jednotlivých kontejnerů, popřípadě jejich úplným vypuštěním. Příklad vícepodlažní modulární stavby z kontejnerů je uveden na obrázku 1. Podrobnější informace o možnostech uplatnění modulárních staveb z kontejnerů lze nalézt například v [1].
Hlavní nosná konstrukce ocelového kontejneru je konstrukčně řešena jako prostorový rám tvořený rohovými sloupy a podélnými a příčnými průvlaky, viz obrázek 2 (vlevo). Podlaha a stropní konstrukce jsou uloženy na příčných nosnících. Celá konstrukce kontejneru je navržena jako svařovaná. Všechny prutové nosné prvky jsou realizovány z prvků s otevřeným za studena tvarovaným průřezem. Rámový roh je tvořen masivní rohovou kostkou, ke které jsou přivařeny sloupy a průvlaky. Stropní a stěnový plášť je navržen z tvarovaného plechu kotveného pomocí nýtů a samořezných šroubů do pomocného stěnového roštu. Kontejnery jsou vzájemně spojeny v rozích (ve svislém i vodorovném směru) pomocí mechanických spojovacích kotev, viz obrázek 2 (vpravo).
Soustava kontejnerů staticky působí jako prostorová konstrukce tvořená dílčími rámy jednotlivých kontejnerů. Svislé zatížení je z podlahových či střešních nosníků přenášeno podélnými průvlaky do rámových rohů. Přenos účinků zatížení mezi sousedními kontejnery se uskutečňuje pouze v rozích, přičemž spoj staticky působí jako kloub. Tlakové síly v kloubu jsou přenášeny kontaktem, tahové síly a smykové síly jsou přenášeny pomocí mechanických spojovacích prostředků.
Nosná konstrukce modulárních staveb není příliš složitá, přesto je potřeba při statickém posuzování konstrukcí věnovat zvýšenou pozornost některým specifickým problémům plynoucím netradičního konstrukčního systému. Návrh vícepodlažních modulárních staveb může být ovlivněn především následujícími limitujícími faktory:
a) zajištění dostatečné vodorovné tuhosti konstrukce,
b) statické posouzení rámových rohů.
V předkládaném článku je věnována pozornost především problematice zajištění dostatečné vodorovné tuhosti konstrukce. Problematika statického posouzení rámových rohů je pouze stručně naznačena na konci článku.
VODOROVNÁ TUHOST KONSTRUKCE
Vodorovná tuhost konstrukce je primárně zajištěna momentovými spoji mezi sloupy a průvlaky dílčích kontejnerů. Hlavní nosné prvky kontejneru jsou však poměrně subtilní a vodorovná tuhost otevřeného rámu, tj. rámu bez opláštění tvarovaným plechem, je touto skutečností významně ovlivněna. Tuhost spoje sousedních kontejnerů je zanedbatelná a ve statických prutových modelech se proto předpokládá kloubové spojení (spojení ve svislém směru se obvykle modeluje pomocí krátkého tuhého prutu s kloubem na konci). S ohledem na výše uvedené skutečnosti je zřejmé, že splnění podmínky mezního stavu použitelnosti vztažené k nejvyšší přípustné hodnotě vodorovné deformace objektu může být rozhodujícím kritériem limitujícím využití kontejnerů pro vícepodlažní objekty.
S ohledem na požadovanou dispozici stavby je v obvyklých případech možné ponechat některé stěny kontejnerů se souvislým opláštěním z tvarovaného plechu vyztuženého pomocným stěnovým roštem (typové řešení společnosti IMECON Containers, a. s.). Běžně jsou takto řešeny například štítové stěny objektu. Vzhledem k nízké tuhosti kontejnerového rámu ve vodorovném směru se proto nabízí možnost statického využití opláštění jako doplňkového ztužujícího diafragmatu.
Aby bylo možno zjistit reálnou vodorovnou tuhost opláštěné stěny kontejneru, byl ve spolupráci s výrobcem kontejnerů (společnost IMECON Containers, a. s.) naplánován program experimentálních zkoušek realizovaných na typizovaném konstrukčním řešení opláštěné stěny kontejneru (pro možnost porovnání rovněž proběhlo ověření tuhosti samostatného ocelového rámu kontejneru). Rozsáhlý experimentální program realizovaný na vzorcích skutečných rozměrů probíhal v prostorách ostravské pobočky TZÚS Praha, s.p. Testovaná kontejnerová stěna byla upevněna do předem připravené uchycovací klece a po osazení měřičů deformací a tenzometrů bylo realizováno postupné zatěžování vodorovnou silou v oblasti horního rámového rohu. Stěna byla zatěžována až do úplného poškození, v oblasti pružných deformací byla stěna několikrát zcela odtížena a poté znovu zatížena. Koncepce a základní rozměry fyzikálního testu a fotografie vybrané testované stěny po ukončení měření jsou uvedeny na obrázku 3.
Při postupném zatěžování opláštěné stěny nejprve došlo k lokálnímu vyboulení profilovaného plechu, se zvětšující se deformací poté docházelo k porušování samořezných šroubů a nýtů, konečné poškození bylo způsobeno vznikem trhliny ve svaru plasticky zdeformovaného rámového rohu, viz obrázek 4.
Z výsledků experimentálního měření vyplývá, že stěna tvořená profilovaným plechem (v experimentu použit plech TR9/123‑0,55) významně přispívá ke zvýšení vodorovné tuhosti konstrukce. Porovnání experimentálně zjištěných dat pro neopláštěnou a opláštěnou kontejnerovou stěnu jsou uvedeny na obrázku 5.
Experimentálně zjištěná data je možno využít pro ověření numerických modelů. S využitím běžně dostupných komerčních statických softwarů je možné vytvořit skořepinový model stěny opláštěné profilovaným plechem s vyztužujícím stěnovým roštem. Skořepinový model uvedený na obrázku 6 (nahoře) byl vytvořen v programu SCIA Engineer a byla prokázána shodná počáteční tuhost numerického a experimentálního modelu. S využitím numerického modelování je tak možné s dostatečnou mírou přesnosti stanovit příspěvek smykové tuhosti opláštění k celkové vodorovné tuhosti stěny kontejneru. Zjištěnou hodnotu přídavné vodorovné tuhosti je možné následně zavést do celkového prutového modelu konstrukce, například pomocí fiktivních tuhých diagonál ukončených axiální pružinovou vazbou, viz obrázek 6 (uprostřed). Tuhost pružinové vazby lze naladit na základě porovnání deformací skořepinového a prutového modelu, které musí být u obou modelů totožné.
Náhrada stěnové tuhosti opláštění pomocí fiktivních diagonálních prvků s axiální pružinovou vazbou je korektní pouze za předpokladu, že vodorovné zatížení působící na stěnu kontejneru nepřesáhne hodnotu odpovídající pružnému působení stěny. Protože při experimentálním zatížení nejprve docházelo k lokálnímu vyboulení profilovaného plechu, lze limitní hodnotu vodorovného zatížení odvodit z výsledků nelineární stabilitní analýzy provedené na výše uvedeném modelu ze skořepinových prvků. Například pro kontejnerovou stěnu uvedenou na obrázku 6 (nahoře) namáhanou ve vrcholu vodorovnou silou F = 5 kN byl nelineárním stabilitním výpočtem určen pro první vlastní tvar kritický součinitel αcr = 3,05, tvar vybočení je patrný z obrázku 6 (dole). Při ověřování vhodnosti prutového modelu kontejnerové sestavy je tak potřeba ověřit, že vodorovná síla působící do opláštěné stěny (vodorovnou sílu lze určit například z reakcí) nepřesahuje hodnotu zaručující pružné působení opláštěné stěny Fmax = αcr · F = 3,05 · 5 = 15,3 kN (ve statických výpočtech různých kontejnerových sestav realizovaných autory tohoto článku bylo toto kritérium vždy splněno).
STATICKÉ POSOUZENÍ RÁMOVÝCH ROHŮ
Z výsledků provedených statických analýz realizovaných s využitím prostorových prutových modelů kontejnerových sestav vyplývá, že hlavní nosné prvky kontejnerů (sloupy a průvlaky) jsou nejvíce staticky využity právě v oblasti rámových rohů (prvky jsou často využity téměř na 100 % jejich statické únosnosti stanovené v souladu s platnými normami). Konstrukční řešení svařovaných rámových rohů je však natolik složité, že jej nelze pomocí prutových prvků dostatečně výstižně namodelovat.
Z praktických zkušeností autorů článku vyplývá konzervativní doporučení k provedení podrobné analýzy konstrukce v oblasti rámového rohu, pokud je některý z připojovaných prutů v rámovém rohu při použití prutového modelu staticky využit na více než 80 % únosnosti stanovené v souladu s platnými normami. Autoři článku mají pro tyto případy dobré zkušenosti s využitím statických modelů kombinujících prutové a skořepinové prvky – celá konstrukce je namodelována jako prutová (využije se původní prutový model) kromě rámového rohu a přiměřené délky připojovaných prutů. Pro výpočet účinků zatížení je využita geometricky a materiálově nelineární analýza s imperfekcemi (GMNIA) s využitím dnes běžně dostupných statických programů (například software SCIA Engineer) [2]. Detaily k modelování modulárních konstrukcí pomocí (GMNIA) přesahují rozsah tohoto článku a budou uvedeny v plánovaných výstupech autorů.
Pro posouzení mezního stavu únosnosti na části konstrukce modelované skořepinovými prvky lze využít kritéria přípustných poměrných celkových a plastických deformací uvedená v normě ČSN EN 1993‑1‑5.
ZÁVĚR
Hlavním cílem autorů článku byla snaha podělit se o praktické zkušenosti se statickým navrhováním modulárních staveb z kontejnerů. Při statickém posuzování různých vícepodlažních modulárních systémů vyvinutých společností IMECON Containers, a. s. bylo potřeba věnovat zvýšenou pozornost především problematice zajištění a ověření dostatečné vodorovné tuhosti objektů a dále posouzení mezního stavu únosnosti v nejvíce zatížených rámových rozích kontejnerové sestavy. Pro modelování konstrukce lze využít běžně dostupné statické programy, a to jak pro vytvoření prutového modelu celé konstrukce, tak také pro složitější numerické analýzy využívající skořepinové konečné prvky. Kontejnerové modulární sestavy vyvinuté společností IMECON Containers, a. s., ověřené s využitím podrobného numerického a experimentálního modelování, splňují příslušné požadavky na spolehlivé působení nosné ocelové konstrukce.
PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek vznikl na základě spolupráce zástupců projekčního oddělení Institutu ocelových konstrukcí, spol. s r. o., výzkumných pracovníků Fakulty stavební VŠB‑TU Ostrava a výrobce kontejnerových sestav společnosti IMECON Containers, a. s. Autoři článku chtějí poděkovat vedení společnosti IMECON Containes, a. s. za umožnění realizace nezbytných experimentálních testů a rovněž chtějí poděkovat MŠMT za finanční podporu v rámci řešení projektu Studentské grantové soutěže SP2019/140.
LITERATURA:
[1] https://moraviacontainers.com/cz/
[2] Křivý, V., Kubzová, M. Statická analýza a numerické modelování korozně oslabených válcových ocelových nádrží, In Modelování v mechanice, 2017.
