A4: Pencik 3D staticka analyza plavebni komory Prelouc.pdf

3D statická analýza plavební komory Přelouč II na LabiAbstraktJan Pěnčík 1Součástí projektu prodloužení Labské vodní cesty, tj. projektu splavnění Labe v úseku meziChvaleticemi a Pardubicemi je plavební stupeň Přelouč. Součástí stavby je výstavbaplavebního kanálu v délce cca 3150 m po pravém břehu Labe u Přelouče a nové plavebníkomory. Příspěvek se zabývá analýzami plavební komory. Je popisováno statické řešenítypického řezu, horního a dolního ohlaví plavební komory.SummaryThe article presents the project of the ship lock on the Elbe River in Přelouč. It describes thestatic solution of the typical section and the upper and lower part of the ship lock.1) Pěnčík Jan, Ing., Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav stavební mechaniky, Veveří95, 662 37 Brno, tel.: 541 147 363, E-mail: pencik.j@fce.vutbr.czANSYS konference 200816. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ MeetingLuhačovice 5. - 7. listopadu 20081

1. Plavební stupeň Přelouč s plavební komorou – Přelouč IISoučástí projektu prodloužení Labské vodní cesty, tj. projektu splavnění Labe v úsekumezi Chvaleticemi a Pardubicemi je plavební stupeň Přelouč. Jedná se o vodohospodářskoustavbu, která představuje velkýzásah do současného území.Součástí stavby je výstavbaplavební kanálplavebního kanálu v délce cca3150 m po pravém břehu Labe uPřelouče a nové plavební komory.Součástí stavby jsou i dva novéplavební komoramosty, jeden přes plavební kanál ajeden přes Labe, a přeložka silnice(Obr. 1). Součástí projektu je ibiokoridor podél celého pravéhobřehu kanálu [1].Navržená plavební komoraPřelouč II má nahradit nevyhovujícístávající jez s plavebníkomorou a vodní elektrárnou, kterábyla dokončena v roce 1927. Nová plavební komora Přelouč II s užitnými rozměry115,0 x 12,5 x 4,0m a délkouObr. 1: Vizualizace plavebního stupně Přelouč s plavebnímkanálem a novou plavební komorou; zdroj vizualizace [1] 171,8 m bude patřit mezi nejvyššíplavební komory v ČR (Obr. 2). Jenavržena k překonání spádu mezi hydrostatickými hladinami jezů Týnec nad Labem aPřelouč. Při minimálním průtoku bude v komoře spád 8,94 m, při maximálním průtoku sespád sníží na 5,58 m.Obr. 2: Pohled na plavební komoru a na dolní ohlaví se vzpěrnými vraty; zdroj vizualizace [1]Stavební a vodohospodářský návrh plavebního stupně Přelouč byl proveden firmou PöyryEnvironment a.s. Brno [2]. Posouzení statického řešení a návrh výztuže plavební komoryPřelouč II byl realizován v rámci hospodářské činnosti Ústavu betonových a zděnýchkonstrukcí, FAST VUT v Brně [3] Ing. Milošem Zichem, Ph.D. a doc. Ing. ZdeňkemBažantem, CSc. ve spolupráci s autorem příspěvku.2. Konstrukce plavební komory Přelouč IIPlavební komoru lze rozdělit podle podélného řezu (Obr. 3) na tři části – (A) vlastníANSYS konference 200816. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ MeetingLuhačovice 5. - 7. listopadu 20082

plavební komoru, (B) horní ohlaví a (C) dolní ohlaví.Obr. 3: Podélný řez plavební komorouLEVÁ ZEĎPRAVÁ ZEĎ2.1. (A) Vlastní plavební komoraVlastní plavební komora resp. její„typický“ příčný řez je tvořenotevřeným železobetonovým polorámem(Obr. 4). Dno je náběhované,uprostřed komory má tloušťku2,30 m a u zdí 2,50 m. U levé zdi jedno vyloženo v délce 1,00 m. Nadno u pravé zdi navazuje po celédélce plavební komory obtokovýkanál s tloušťkou stěny a hornídesky 1,0 m a o vnitřním otvoruOBTOKOVÝ KANÁLObr. 4: Vlastní plavební komora ("typický" příčný řez)2,00 x 3,00 m. Levá zeď je po výšcepo 4 m a 5 m odstupňovánaz tloušťky 2,5 m, přes 2,00 m až na1,50 m. Pravá zeď má v místě obtokového kanálu i nad ním konstantní tloušťku 2,00 m.Pro účely provozu jsou ve zdech navrženy výklenky pro žebříky, plováková úvaznázařízení, pevné úvazné trny a odrazné trámce a vodorovné i svislé pancéřování hran zdíplavební komory.a) b)Obr. 5: Příčný řez (a) a půdorys horního ohlaví (b)ANSYS konference 200816. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ MeetingLuhačovice 5. - 7. listopadu 20083

a) b)Obr. 7: Výpočtové modely horního (a) a dolního (b) ohlavíANSYS konference 200816. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ MeetingLuhačovice 5. - 7. listopadu 20085

K popisu chování horního a dolního ohlaví (Obr. 7) byly vytvořeny prostorové výpočtovémodely pomocí prvků SHELL93, SOLID92, SOLID95 a SURF154 (Tab. 1). Výpočtovémodely uvažovaly všechny detaily, tj. drážky vodočetné lati, drážky provizorního hrazení,kotvení náhradních vrat, vybrání stěny horního ohlaví v místě poklopových vrat, otvor proložiska poklopových vrat, uložení vzpěrných vrat, lanovou dynamickou ochranu vzpěrnýchvrat, žebříky, pachole, úvazné trny ve sklípcích, plovákové úvazné zařízení, rozrážeče, česle,stavidlový uzávěr obtoku, šachtu ovládání poklopových vrat včetně výztužného rámu prokotvení hydraulického zařízení, šachtu hydraulického agregátu a obtokový kanál.Při vytváření geometrie konstrukce byla použita metoda objemového modelování, kdy bylaprvotně vytvořena 3D geometrie v programu AutoCAD, která byla následně importována doprostředí systému NEXIS pomocí SAT a IGES formátů. Při generování sítě prostorovýchkonečných prvků byla použita jak metoda mapped meshing, tak i metoda free meshing. Prvníz metod byla použita při generování sítě konečných prvků v deskách, druhá metoda bylapoužita při generování sítě konečných prvků ve stěnách.Při vytváření výpočtových modelů bylo modelováno i zemní prostředí. Zemní prostředíbylo nahrazeno náhradní tuhostí, která byla zadána jako vstupní charakteristika EFS (elasticfoundation stiffness), prvků typu SURF153 resp. SURF154. Náhradní tuhost zemníhoprostředí EFS byla určena v závislosti na průměrném napětí v základové spáře a sedání.4. Statická analýzaPředpoklady pro výpočet všech tří částí (A), (B) a (C) plavební komory byly určeny firmouPöyry Environment a.s. [2]. Byla stanovena provozní hladina vody v komoře Přelouč, dálemaximální a minimální plavební hladina dolní. Současně bylo určeno, že plavební kanál můžebýt při opravě i ve zvláštní situaci tj. zcela bez vody.Jelikož je převážná část plavební komory je zapuštěna do terénu bylo nutné uvažovat přianalýzách se zatížením zdí zemním tlakem. S ohledem na charakter zatížení byl uvažovánzemní tlak v klidu a zemní tlakem se zvodnělou zeminou. Kromě popsaných zatížení bylyuvažovány i zatížení, např. zatížení vlastní tíhou, přitížení terénu, síly působící na pachole aúvazné trny, síly působící na lanovou dynamickou ochranu vzpěrných vrat, přetlak vody vsouběžně vedeném obtokovém kanále, tíhu vzpěrných a poklopových vrat, tíhu provizorníhozahrazení a tíhu náhradních vrat atd.Z množiny vytvořených kombinací byly rozhodující pro stanovení extrémních účinků nadno a stěny komory dvě kombinace: (I) nádrž je odkopána a plně naplněna vodou a (II) nádržbez vody je zasypaná zvodnělou zeminou. Zvláštní kombinací, která je součastně kombinacína stabilitu polohy plavebního kanálu, je vztlak vody, který by mohl vyvolat vyplaváníprázdné konstrukce a protržení dna komory.Výpočty byly provedeny jako materiálově i geometricky lineární včetně interakcekonstrukce se zemním prostředím.5. Vyhodnocení statické analýzyV rámci vyhodnocení byly na celém výpočtovém modelu resp. dílčích částech zjištěny proanalyzované kombinace pole posunutí UX, UY, UZ a USUM. Kromě posunutí byly zjištěny ipole maximálního S1 a minimálního S3 hlavního napětí.Z důvodu komplikované prostorové geometrie horního a dolního ohlaví a způsobu použitívytvoření sítě konečných prvků (free meshing) bylo normálové napětí SX, SY a SZ zjištěnov podélných a příčných řezech. Při vyhodnocení napětí v řezech bylo využito vyhodnocenív řezné resp. pracovní rovině WP. Způsob vyhodnocení výsledků v pracovní rovině je uvedenv (Tab. 2).ANSYS konference 200816. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ MeetingLuhačovice 5. - 7. listopadu 20086

Na (Obr. 8) jsou zobrazeny ilustrativní výsledky analýzy horního a dolního ohlaví pro celývýpočtový model. Rovněž jsou prezentovány výstupy v podélných a příčných řezech zjištěnépomocí metody vyhodnocení výsledků v pracovní rovině.a) b)Obr. 8: Příklad výstupů analýz horního (a) a dolního (b) ohlaví stanovené pro celý výpočtový model av pracovních rovinách6. Návrh a posouzení jednotlivých částí plavební komoryJako rozhodující kombinace pro dimenzování byla zvláštní stabilitní kombinace modelujícíANSYS konference 200816. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ MeetingLuhačovice 5. - 7. listopadu 20087

vyplavání prázdné komory při současném namáhání zemním tlakem zvodnělou zeminou. Přitéto kombinaci vznikaly velké vodorovné deformace stěn, které by mohly způsobovatproblémy s těsností vrat a zmenšení plavebního prostoru.Návrh betonářské výztuže a její posouzení bylo provedeno na 1MS i 2MS. U 2MS byloprovedeno rovněž posouzení na mezní stav šířky trhlin.WPAVE,...WPSTYLE,,,,,,,,0SUCR,JMENO,CPLANE,1SUMAP,SIGMA_X,S,XSUPL,REZ_Z, SIGMA_X,0SUDEL,REZ_Z!posun počátku WP do pozice pro vyhodnocení!nastavení vykreslení a charakteru WP!vytvoření povrchu!přiřazení výsledků na povrch!vykreslení výsledků!vymazání povrchuTab. 2: Postup vyhodnocení výsledků v pracovní rovině WP s automatickou definicí škály výsledků7. ZávěrProvedené analýzy jednotlivých konstrukčních částí konstrukce plavební komoryprokázaly, že konstrukce vyhovuje požadavkům platných norem na statické zatížení. Byloprokázáno, že části konstrukce nevykazují výraznější problémy od statického namáhání.Výpočtem bylo současně prokázáno, že vyplavání konstrukce plavební komory jevyloučeno, a to za předpokladu zasypání konstrukce zhutněným násypem o objemovéhmotnosti min. 1900 kg/m 3 .Prostorové analýzy umožnily projektantům získat podrobnější informace o prostorovémchování konstrukce a ověřit si chování některých detailů.N současné době je projekt výstavby plavebního stupně Přelouč rozhodnutím ministraživotního prostředí pozastaven.PoděkováníVýsledky byly získány v rámci výzkumného záměru MSM0021630519.Literatura[1] http://www.rvccr.cz – Ředitelství vodních cest ČR[2] PÖYRY ENVIRONMENT a.s., Stupeň Přelouč II, SO12 – Malá plavební komora,projekt pro stavební povolení, 2006[3] Zich, M, Pěnčík, J., Bažant., Z. Statický výpočet, typického řezu dolního a horníhoohlaví, Brno 2006.ANSYS konference 200816. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ MeetingLuhačovice 5. - 7. listopadu 20088