Numerické skúmanie návrhov RC, SFRC a hybridných segmentových obložení
Aby bolo možné študovať výkonnosť betónových osteniacích konštrukcií v mierke tunela a porovnať ich s konvenčnými návrhmi železobetónových ostení, boli konštrukcie rôznych vystužených ostení tunelov analyzované oddelene pomocou podrobných 2D modelov vrátane injektážnych vrstiev a jednotlivých segmentov ostenia tunela. odpoveď. Za týmto účelom bol zadefinovaný referenčný projekt tunela (hĺbka krytu 20 m, pieskový základ, koeficient bočného zemného tlaku 0,5), v ktorom bolo zaťaženie ostenia stanovené procesne- simulácia orientovaného tunela (podrobnosti pozri v časti 6.4.1) (v ustálenom stave). Analýza sa zamerala na trvanlivosť kvantifikovanú maximálnym otvorením trhlín presahujúcim povolenú šírku 0,2 mm. Železobetónové obkladové segmenty s minimálnou výstužou (ďalšie 10-10 C oceľových tyčí vo vysoko namáhaných oblastiach), oceľové vláknami vystužené betónové obkladové segmenty s 60 kg/m3 60 mm konvenčnými pevnými hákovými vláknami, a hybridná výstuž boli analyzované Segmenty obloženia (125 mm oceľové vláknobetónové pásy a 200 mm dlhé oceľové vláknobetónové vrchné kryty). Celková hmotnosť ocele segmentov SFRC a RC obloženia je podobná (približne 260 kg/segment), zatiaľ čo segment hybridného obloženia používa o 65 % menej ocele (92 kg/segment). Simulácia bola vykonaná s použitím betónu triedy C40/50- s návrhovou pevnosťou v ťahu 2,5 N/mm2. Pre konštrukcie obsahujúce SFRC sa predpokladá, že vlákna majú izotropnú smerovosť. Porovnania rôznych bezpečnostných konceptov vo vláknových a konvenčných vystužených segmentoch a nelineárnej analýzy konečných prvkov možno nájsť v literatúre.
Pri typickom zaťažení nevznikajú v bežných betónových segmentových osteniach veľké trhliny. Existujú však dva možné spôsoby porušenia: v úseku klenby bola pozorovaná minimálna normálová sila (1375 kN/m) a maximálny ohybový moment (329 kNm/m), čo môže viesť k ohybovým trhlinám. Maximálne ťahové napätie sa vyskytuje v blízkosti 78 stupňov v pozdĺžnom spoji v dôsledku normálovej sily 1943 kN/m a ohybového momentu 217 kNm/m. To môže mať za následok zlomenie segmentovaných rohov. Na základe týchto pozorovaní boli pre účely návrhu vytvorené dva zaťažovacie stavy. Pre návrh ohybového úseku klenby sú zaťaženia upravené tak, aby sa výsledný ohybový moment zvýšil 1,5-krát a normálová sila sa znížila o 0,5-krát. Pri konštrukciách okolo pozdĺžnych spojov, kde je pravdepodobné, že dôjde k rozdrveniu, zvýšte normálovú silu a ohybový moment faktorom 1,5, aby sa zvýšil prenos napätia a udržala sa rotácia spoja.
Zaťažovací prípad: ohýbanie
Reakcia všetkých návrhov obloženia alebo schém výstuže na podmienky zaťaženia ohybom. Zobrazená je len ohybová odozva klenbového segmentu, pretože toto je oblasť, kde sú pozorované najväčšie trhliny. Ďalej je zobrazená iba šírka trhliny. Systém ostenia nebol poškodený a naďalej plnil funkciu nosnej konštrukcie. Jediným faktorom obmedzujúcim výber ktoréhokoľvek z týchto prípadov je teda predpokladaná šírka trhliny, ktorá nemôže prekročiť špecifické požiadavky projektu na medzný stav trvanlivosti (približne 0,2 mm).
Najväčšie ohybové trhliny sa podľa očakávania vyskytli na prostom betónovom ostení prstenca (PC), pričom hlavné trhliny sa vyskytli na vnútornej hrane zvršku ostenia tunela, kde sa predpokladá maximálny ohybový moment. Stojí za zmienku, že schéma PC vykazuje správanie viacerých trhlín (v dôsledku tlakových normálových síl) skôr ako jednu globálnu trhlinu vedúcu k zlyhaniu segmentu. Železobetónové segmenty vykazovali podobnú odozvu ako železobetónové segmenty, s hlavným rozdielom, že vzor trhlín bol pravidelnejší. Namiesto predpovedania veľkostí trhlín, ktoré viac-menej zodpovedajú ohybovému momentu aplikovanému v určitom bode, ako v segmentoch PC, sú veľkosti trhlín pozorované v segmentoch R viac-menej podobné, čo naznačuje, že oceľové tyče sa budú efektívne pohybovať pozdĺž odozvy trhlín. obmedzenia dĺžky tyče. Predpokladaná maximálna šírka trhlín v železobetónovej časti je 0,158 mm, čo je v prípustnom rozsahu menej ako 0,2 mm špecifikovanom v limite použiteľnosti. Našťastie segmenty SFRC boli najúčinnejšie pri znižovaní šírky trhlín. Obe možnosti vystuženia vedú k trhlinám výrazne pod prevádzkovým limitom, a preto sú efektívnymi návrhmi vystuženia. V rámci schémy hybridnej výstuže je výkon pri ohybe v celom priereze SFRC o niečo lepší (0.112 mm oproti 0.142 mm). To zodpovedá zväčšeniu šírky trhlín o približne 25 %, pričom celkové zníženie SFRC je 75 %.
Zaťažovací prípad: Odlupovanie v pozdĺžnych spojoch
Odozva všetkých návrhov obloženia alebo schém výstuže pri zaťažení odlupovaním je znázornená na obrázku 5.28. Najväčšia prasklina od triesok sa vyskytla v pozdĺžnom spoji 78 stupňov od vrcholu tunela, merané v smere hodinových ručičiek od vrcholu prstenca. Celkovo sú predpokladané trendy maximálnej šírky trhlín podobné ako pri variante ohybu. V prípade odlupovania sa však SFRC ukázal ako účinnejší pri znižovaní šírky trhlín.
Je dôležité poznamenať, že minimálna odolnosť ocele voči prasklinám poskytnutá v návrhu železobetónu nie je dostatočná na zabránenie vzniku trhlín, ktoré prekračujú tolerancie. To naznačuje, že SFRC je vhodnejší ako RC na odolnosť proti prasklinám. Účinnosť schém hybridnej výstuže možno zvýšiť použitím vyšších dĺžok vystuženého betónu, kde fungujú lepšie ako konvenčné konštrukcie vystuženého betónu a sú pod bežnými prevádzkovými limitmi. Trhliny vznikajú mimo vrstvy oceľových vlákien a kryt vrstvy oceľových vlákien môže len obmedziť ďalší vývoj trhliny. Na odhadnutie optimálnej dĺžky uzáveru SFRC sa môže použiť optimalizačný algoritmus.
