NUMERICKÁ ANALÝZA METODY SPŘAŽENÍ SMYKOVÝMI OZUBY PRO DŘEVO-UHPC KOMPOZITNÍ MOSTNÍ KONSTRUKCE

Abstract

V rámci disertační práce jsem se soustředil na numerickou analýzu metody spřažení smykovými ozuby pro kombinaci dřeva a ultra-vysokohodnotného betonu (UHPC či UHPFRC) pro kompozitní mostní konstrukce. Tento typ spřažení umožňuje přenést velká zatížení, která lze u mostních konstrukcí očekávat, přesto se jedná o poměrně jednoduše realizovatelný způsob spojení. Výhodou využití UHPC namísto betonu běžných pevností je zejména možnost návrhu subtilnějších konstrukcí, které díky úspoře vlastní hmotnosti při zachování dostatečné únosnosti mohou nabídnout efektivní konstrukční systém. Využití obnovitelného materiálu ve formě dřeva v kombinaci s moderním cementovým kompozitem UHPC může vést k návrhům a realizacím konstrukcí v souladu s konceptem udržitelné výstavby. Vzhledem k tomu, že UHPC je poměrně novým materiálem, tak pro navrhování konstrukcí s jeho využitím prozatím chybí potřebné normové předpisy, které by podpořily jeho širší využití. Jeho kombinace se dřevem je tématem, kterému se zatím věnovalo pouze malé množství prací. Spřahování běžného betonu se dřevem se sice již realizuje několik desetiletí a existuje široké spektrum možností, jak spojení dosáhnout, tak i přesto v normách existuje v některých oblastech jejich návrhu řada nedostatků. Má práce bude spočívat ve využití moderních výpočetních programů pro nelineární numerické výpočty Atena 3D a Ansys. Pro vstupní údaje výpočtů budu využívat experimentálně získaná data v rámci řešení grantu TAČR TH02020730. V rámci tohoto grantového projektu zaměřeného na vývoj spřahovacího systému pro dřevo-UHPC kompozitní mostní konstrukce s důrazem na využití prefabrikace byla provedena řada nezbytných experimentálních zkoušek pro validaci výpočetních modelů, na kterých jsem v rámci grantového projektu pracoval. Na základě získaných validovaných modelů jsem mohl již v rámci své práce provést detailní rozbor fungování systému spřažení a provést jeho optimalizaci. Optimalizace spoje spočívala ve využití UHPC materiálu přímo pro samotný ozub a využila tedy jeho výborné vlastnosti při namáhání smykem. V dalších krocích jsem na optimalizovaném spoji provedl dvě parametrické studie. První byla zaměřena na získání závislosti hloubky smykového ozubu na jeho délce. Tato studie mi pomohla odvodit analytické vztahy, které mohou být použity pro výpočet únosnosti a tuhosti spoje. Druhou parametrickou studií byl vliv teploty na napjatost v konstrukci. Díky této studii jsem byl schopen stanovit alespoň přibližné vztahy pro určení vlivu tohoto nesilového zatěžovacího stavu. Výsledky své práce hodnotím jako náhled do možností využití numerického nelineárního modelování v oblasti navrhování spřažených konstrukcí ze dřeva a UHPC. Věřím, že poznatky plynoucí z mé práce, budou znamenat posun v oblasti navrhování spřažených dřevo-betonových konstrukcí. Další přínos mé práce vidím v možnosti doplnění normových předpisů v případě důkladného ověření získaných výsledků.

In my dissertation I focused on the numerical analysis of the shear notch coupling method for the combination of timber and ultra-high performance concrete (UHPC or UHPFRC) for composite bridge structures. This type of coupling allows to transfer the large loads that can be expected in bridge structures, yet it is a relatively simple method of connection to implement. In particular, the advantage of using UHPC instead of conventional strength concrete is the possibility of designing more subtle structures that can offer an efficient structural system due to the saving of dead weight while maintaining sufficient load carrying capacity. The use of a renewable material in the form of timber in combination with the modern cement composite UHPC can lead to the design and implementation of structures in line with the concept of sustainable construction. As UHPC is a relatively new material, the design of structures using it lacks the necessary standard regulations to encourage its wider use. Its combination with timber is a topic that has received little attention so far. Although the combination of conventional concrete with timber has been implemented for several decades and there is a wide range of possibilities to achieve the combination, there are still a number of shortcomings in the standards in some areas of their design. My work will involve the use of Atena 3D and Ansys nonlinear numerical computation programs. For the input data of the calculations I will use data obtained experimentally during the TAČR grant TH02020730. This grant project focused on the development of a coupling system for timber-UHPC composite bridge structures with emphasis on the prefabrication used, a number of necessary experimental tests were performed to validate the computational models I worked on in the grant project. On the basis of the validated models obtained, I was able to perform a detailed analysis of the functioning of the coupling system and to perform its optimization already in the framework of my work. The optimization of the coupling consisted in the use of UHPC material directly for the notch itself and thus took advantage of its excellent shear strength properties. In the next steps, I performed two parametric studies on the optimized coupling. The first one was aimed at obtaining the dependence of the shear notch depth on its length. This study helped me to derive analytical relationships that can be used to calculate the load capacity and stiffness of the joint. The second parametric study was the effect of temperature on the stresses in the structure. Through this study, I was able to establish at least approximate relationships to determine the effect of this loading condition. I evaluate the results of my work as an insight into the possibilities of using numerical nonlinear modeling in the design of coupled timber-UHPC structures. I believe that the findings from my work will make a difference in the design of this composite structures. Another contribution of my work I see in the possibility of supplementing the standard regulations in case of thorough verification of the obtained results.