Modele sprężyste

W budownictwie wodnym stosowane są zasadniczo dwa rodzaje modeli, które odtwarzają kształt i obciążenie badanej konstrukcji:
- modele wykonane z materiału o własnościach mechanicznych zbliżonych do własności materiału projektowanej budowli wodnej,
- modele sprężyste wykonane w niewielkiej skali z materiałów o innych własnościach niż badany obiekt i obciążone w granicach ich odkształceń sprężystych (program uprawnienia budowlane na komputer).

Pierwszy typ modeli jest stosowany w celu wyznaczenia wytrzymałości całej konstrukcji. Ten typ daje bardziej prawidłową wartość rzeczywistego współczynnika bezpieczeństwa pod warunkiem, że:
a. modele mają dostatecznie duże wymiary,
b. materiał jest podobny do materiału obiektu pod względem jego własności wytrzymałościowych i sprężysto-plastycznych,
c. przy badaniu takich modeli aż do ich zniszczenia jest możliwe równoczesne odtworzenie obciążeń, podobnych do działających na rozpatrywaną konstrukcję rzeczywistą.

Jednoczesne spełnienie tych trzech warunków jest jednak przeważnie bardzo trudne do zrealizowania. Modele typu drugiego (sprężyste) są prostsze w wykonaniu. Dzięki temu umożliwiają one rozpatrzenie kilku wariantów kształtu i prowadzą do projektowania konstrukcji najekonomiczniejszych. Jeśli wyznaczone naprężenia nie przekraczają wartości dopuszczalnych, to wytrzymałość konstrukcji jest zapewniona (program uprawnienia budowlane na ANDROID). Można przy tym przyjąć niższą wartość współczynnika bezpieczeństwa, gdyż dopuszcza się miejscowe przekroczenie granicy sprężystości betonu. Przy projektowaniu zapór wodnych wprowadzane są najczęściej założenia, że ich materiał (łącznie z podłożem) jest ciągły, jednorodny i izotropowy oraz idealnie liniowo sprężysty.

Tymczasem rzeczywisty obraz jest następujący: materiał budowli wodnej jest niejednorodny, również podłoże jest niejednorodne i przeważnie anizotropowe; własności materiałów zapory i podłoża różnią się między sobą; zależność między naprężeniami i odkształceniami w budowli jest nielinowa jej materiał w pewnym stopniu płynie pod działaniem stałego obciążenia; umowny współczynnik sprężystości E dla betonu zmienia się wraz z jego składem, zawartością wody i wartością obciążenia (uprawnienia budowlane).

Metody teorii sprężystości

Zbyt trudno jest ustalić w jakim stopniu wszystkie te czynniki łącznie wpływają na zmianę stanu naprężenia. Mimo to, zgodnie z opinią wielu badaczy, wyniki uzyskane za pomocą modeli sprężystych są zwykle najbardziej zbliżone do faktycznego stanu naprężenia panującego w zaporach. Przyjęte założenia pozwalają korzystać zarówno z metod obliczeniowych teorii sprężystości jak i z modelowych metod doświadczalnych analizy naprężeń. Jednak w przypadku zapór znane matematyczne metody teorii sprężystości okazują się zbyt pracochłonne. Dlatego też w ostatnich dziesiątkach lat metody modelowe są stosowane do badań zapór w bardzo szerokim zakresie (program egzamin ustny).

W budowlach wodnych można rozróżnić naprężenia:
1) wywołane ciężarem własnym oraz siłami zewnętrznymi,
2) powstające wskutek zmian temperatury, skurczu itp.

Naprężenia te są rozpatrywane prawie zawsze oddzielnie, a uzyskane wyniki dodawane (opinie o programie). Przy projektowaniu zapór metodami modelowymi przeważnie wyznaczane są jedynie rozkłady naprężeń od ciężaru własnego i parcia hydrostatycznego. Wpływ innych obciążeń uwzględniany jest zwykle metodami obliczeniowymi. W kraju prace z zakresu modelowych badań zapór są prowadzone w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN. Przytoczone niżej przykłady stanowią fragmenty badań trzech budowanych obecnie w Polsce zapór betonowych: dwóch grawitacyjnych i jednej filarowej (segregator aktów prawnych).

Pierwsza zapora grawitacyjna ma wysokość 76 m. Całość badań tej zapory obejmowała:

a) kształtowanie poziomego przekroju w sekcji zapory,

b) badania stanu naprężenia w typowym przekroju poprzecznym zapory,

c) badania przekroju poprzecznego sekcji przelewowej (z komorą zasuw),

d) badania przekroju prostopadłego do poprzecznej dylatacji i do osi wylotu kanału spustowego. Badania te zostały przeprowadzone dla dwu schematów obciążenia zapory:

1) obciążenia samym tylko ciężarem własnym (pusty zbiornik wody),

2) obciążenia jednoczesnego ciężarem własnym oraz parciem hydrostatycznym działającym na ścianę odwodną zapory (zbiornik pełny) (promocja 3 w 1).