Optimalizace kompozitních mostních konstrukcí ze dřeva a UHPC

Abstract

V rámci své disertační práce jsem se zabýval optimalizací kompozitních mostních konstrukcí ze dřeva a ultra-vysokohodnotného betonu (UHPC nebo UHPFRC) spočívající zejména v aplikaci prefabrikované mostovky z UHPC. Využití moderního materiálu UHPC umožňuje redukci tloušťky mostovky a tím také značnou redukci vlastní tíhy, dalším přínosem aplikace prefabrikátů z UHPC je minimalizace mokrého procesu ve styku se dřevem, zrychlení výstavby, redukce vlivu smršťování a dotvarování mostovky, která se projeví snížením dlouhodobých průhybů a omezením přerozdělení napětí z betonu do dřeva. Spřažené dřevo-betonové konstrukce obecně tvoří velmi komplexní téma. Jednak proto, že existuje velké množství možných způsobů provedení těchto konstrukcí, že zahrnují více různých kompozitních materiálů a dále pro jejich specifické statické působení dané poddajným spřažením. Podrobněji jsem se zaměřil na možnosti realizace v oblasti prefabrikace a aplikace UHPC, věnoval jsem se výpočetní analýze dřevo-betonových konstrukcí, návrhu a analýze konkrétního způsobu spřažení a návrhu prefabrikované mostovky z UHPC. Za podpory grantu TAČR TH02020730 mi bylo umožněno v Kloknerově ústavu provést množství experimentů. První část experimentů jsem zaměřil na ověření mechanických charakteristik navrženého systému spřažení, který je tvořen pomocí ocelových lišt zabudovaných do dřevěných trámů. Ocelové lišty jsou opatřeny smykovými trny, na které jsou nasazeny prefabrikáty s připravenými otvory, které jsou následně zality zálivkou. Navrhl jsem experimentální tělesa ve více variantách, aby bylo dosaženo různých způsobů porušení, což se také podařilo. Vzhledem k tomu, že UHPC je stále poměrně nový materiál a nejsou pro něj zatím v ČR vydány platné normy, další část experimentů jsem zaměřil na ověření ohybové únosnosti tenkých desek z UHPC lokální receptury. Pro verifikaci návrhu mostovky jsem navrhl ohybové testy se speciálními deskovými tělesy, provedl jsem jejich vyhodnocení a výsledky porovnal s hodnotami ohybové pevnosti stanovenými na základě různých platných norem v ČR. Chování optimalizované kompozitní mostní konstrukce ze dřeva a UHPC jsem zkoumal v rámci parametrické studie a dále jsem ho ověřil pomocí „full-scale“ experimentální konstrukce, na které byly také odzkoušeny jednotlivé výrobní detaily a postupy. Pro návrh a posouzení spřažené dřevo-betonové konstrukce jsem vytvořil vlastní výpočetní program. Po dosažení únosnosti experimentální konstrukce v podélném směru byla konstrukce rozřezána na segmenty, na nichž jsem dále ověřoval únosnost mostovky v příčném směru. Svoji práci hodnotím jako vstupní impuls do oblasti navrhování spřažených mostních konstrukcí ze dřeva a UHPC. Pevně věřím, že získané poznatky znamenají posun v oblasti navrhování spřažených dřevo-betonových mostních konstrukcí a v oblasti konstrukcí z materiálu UHPC v ČR. Přínos mé práce dále spočívá v odhalení některých nedostatků aktuálně platných normových předpisů.

I dealt with the topic of the optimization of the composite bridge structures made of timber and Ultra-High Performance Concrete (UHPC or UHPFRC) in my thesis. This optimization of the Timber-Concrete Composite (TCC) bridge structures consists mainly in the application of the precast bridge deck made of UHPC, which enables a reduction of the deck thickness and of its self-weight and presents other advantages: a minimization of wet process in contact with timber, a faster erection and a reduction of the shrinkage and creep effects of the deck. The TCC structures generally form a very complex topic. Firstly, because these structures include more different complex materials, and because of their specific static behavior given by the semi-rigid connection. I focused on prefabrication and using UHPC for TCC structure, dealt with the computational analysis of TCC structures, with the design and analysis of specific type of coupling elements and with the design of prefabricated deck made of UHPC in more detail. I was able to carry out a number of experiments at Klokner Institute of CTU in Prague under the support of the research project TH02020730 of the Technology Agency of the Czech Republic (TACR). The first part of my experiments was focused on the verification of mechanical characteristics of the proposed shear connection system. The shear connection is carried out by notches made of steel plates embedded in the timber beams supplemented with welded shear dowels (headed studs). The precast segments are provided with slots for the shear dowels, which are poured with UHPC after placing of the deck segments on the timber beams. Because UHPC is still a relatively new material in the Czech Republic and no standards have been issued yet, another part of my experiments was focused on the verification of the load bearing capacity of thin slabs made of local mixture of UHPC. Various bending tests for determining flexural strength of UHPC were executed. I compared results of tests on special test specimens with results of bending tests according to different valid standards. I have researched the behavior of optimized TCC bridge structure using parametric study and experimentally. I created my own computational program for design and verification of TCC structures. The experimental full-scale bridge structure was produced to verify some manufacturing details and the load-bearing capacity. After the overall load test was done, some bridge deck segments were cut from the structure and a load test of bridge deck in transversal direction were executed and compared with analytical prediction. I evaluate my work as an input impulse into the design of timber-UHPC composite bridge structures. I strongly believe that the achieved findings represent a progress in the area of the design of the TCC bridge structures and of the design of the structures made of UHPC in the Czech Republic. The benefit of my work is also in revealing some shortcomings of the currently valid standards.