hidrotehnicke građevine

Sveuilite u Zagrebu, Graevinski fakultet Hidrotehnike graevine 1. dio, 28.2.2014.

1.3 OSNOVE PRORAUNA 33 HIDROTEHNIKIH GRAEVINA

1.3 OSNOVE PRORAUNA HIDROTEHNIKIH GRAEVINA Uvod Hidrotehnike graevine (HG) su vrlo sloene graevine koje se sastoje od niza konstrukcija, od kojih su veina hidrotehnike konstrukcije (HK). Graevina je openito sve to je sagraeno na tlu. Konstrukcija je sustav povezanih izgraenih dijelova koji tvore krutu cjelinu, ili graevina koja ima odreeni raspored izgraenih dijelova a nema krutost. Tako na pr. neka rijena hidroelektrana ima sljedee konstrukcije: zemljane nasipe i obaloutvrde uzdu vodotoka, te popreko vodotoka (na mjestu pregradnog profila): zemljanu branu na koju se nadovezuje AB brana (s preljevom i slapitem), AB strojarnica te vie AB konstrukcija brodske prevodnice. Preko svih poprenih konstrukcija je AB most. Na betonskoj brani je elina konstrukcija preljevnih zapornica, a u prevodnici su eline konstrukcije vrata prevodnice. Ispred i iza prevodnice su ulazni kanali. Od toga obaloutvrda (konstrukcija uglavnom od kamenog nabaaja) nema krutost. Za usporedbu vea stambena zgrada sastoji se od samo jedne; AB skeletne konstrukcije.

Slika 1.3::1 Primjer konstrukcija rijene hidroelektrane

Hidrotehnike konstrukcije spadaju u grupu inenjerskih konstrukcija. Za razliku od arhitektonskih konstrukcija (stambena izgradnja, privredni objekti,...), uloga graevinskog inenjera je kod inenjerskih konstrukcija dominantna. Kod arhitektonskih konstrukcija inenjeri graevinarstva imaju servisnu ulogu (prorauni konstrukcije, dimenzioniranje,...). Graevinske konstrukcije moraju biti pouzdane. Pouzdanost u sebi sadri sigurnost, funkcionalnost (uporabivost) i trajnost. Osim to moraju biti pouzdane, trebaju biti ekoloki prihvatljive, ekonomine i estetski oblikovane. Za svaku graevinu potrebno je provesti nune proraune kojima osiguravamo njihovu pouzdanost a koje moemo svrstati u dvije grupe: proraun funkcionalnosti i proraun konstrukcija. Proraun konstrukcija se sastoji od prorauna stabilnosti, prorauna mehanike otpornosti (vrstoe) i prorauna trajnosti.

MOST

ZEMLJANA BRANA(HIDROTEHNIKI NASIP)

DOVODNI KANAL

STROJARNICA

MALA HIDROELEKTRANA

KANAL ZA PROCJEDNU VODU

AB BRANA S PRELJEVOM I SLAPITEM



Spomenute proraune najzornije je prikazati na pojednostavljenom primjeru brane. Brana mora biti takva da, kada se njome pregradi dolina, svojom visinom osigura dovoljan volumen akumulacijskog prostora (kriterij funkcionalnosti). Zatim mora biti takva da se ne prevrne, pomakne, zakrene,... dakle da kao kruto tijelo ne promijeni poloaj u prostoru (kriterij stabilnosti). Nadalje mora biti takve konstrukcije da uslijed optereenja ne doe do njenog loma ili pojave pukotina (kriterij mehanike otpornosti). I konano, mora biti izraena tako da uz redovito odravanje u svom okruenju ostane sposobna za uporabu tijekom proraunskog radnog vijeka. Proraunima se u stvari dokazuje zadovoljavanje postavljenih projektnih kriterija. Za svaki od navedenih prorauna odreuju se projektni kriteriji koji se sastoje od projektnih uvjeta okruenja (npr. djelovanja) i graninih vrijednosti za te uvjete (npr. naprezanja u konstrukciji). Projektni kriteriji odreeni su propisima (npr. optereenje eljeznicom, irina ceste na kruni brane) ili ih je potrebno odrediti temeljem zahtjeva naruitelja i prorauna provedenih po pravilima struke (npr. visina brane). Navedeni prorauni provode se i dokumentiraju u studijama i projektima. Razliite su razine projektiranja, a sukladno tim razinama provode se prorauni vee ili manje tonosti. Najniu razinu projektiranja predstavljaju studije koje se koriste za izradu raznoraznih planova. Prilikom izrade studija koriste se okvirni prorauni provedeni na temelju raspoloivih projektnih podloga i opih inenjerskih saznanja. Neto vii stupanj projektiranja predstavlja izrada idejnih rjeenja. Zakonska pak regulativa razaznaje vie stupnjeve projekata koji su rangirani u Idejne projekte, Glavne projekte i Izvedbene projekte. To je slijed razina projektiranja koji je obvezatan u postupku ishoenja potrebnih dozvola za graenje i graenja. Za tu grupu projekata nuna je izrada detaljnijih podloga kako bi se prorauni proveli na bazi relevantnih podataka.

Zakon o prostornom ureenju i Zakon o gradnji

Studije

Idejna rjeenja

Idejni projekt

Glavni projekt

Izvedbeni projekt

Planski dokumenti,SUO

Slika 1.3::2 Razine projektiranja



Postavlja se pitanje u kojoj se fazi projektiranja provode prorauni funkcionalnosti (FP) i prorauni konstrukcija (PK). Bez obzira to postoje razlike kod projektiranja pojedinih tipova hidrotehnikih graevina, ipak postoji jedan osnovni slijed koji poinje sa eljama (zahtjev, potreba, cilj) investitora. Slijedi izrada Projektnog zadatka. Radi se o inenjerskoj artikulaciji zahtjeva investitora. Projektni zadatak sadri opis problema (inenjerske zadae), definiranje projektnih kriterija te popis potrebnih podloga (geodetske, geoloke, geomehanike, hidrografske, hidroloke, hidraulike, prostornoplanske, meteoroloke, pedoloke, projektne,...) temeljem kojih je mogue izraditi projektno rjeenje. Trei korak je izrada Programa istranih radova (geodetski, geoloki, geomehaniki, hidrografski,...). Tim programom odreuje se obim i nain izrade dodatnih istraivanja kako bi se dopunile postojee dostupne podloge. U nastavku se, temeljem analize i razrade podloga te temeljem funkcionalnih analiza i prorauna rade osnovna trasiranja (tlocrtno pozicioniranje graevine). Sljedei je korak osnovno oblikovanje graevine. Ono se provodi temeljem funkcionalnih analiza i prorauna, hidrolokih i hidraulikih prorauna. Daljnji korak je odabir tipa konstrukcije. Da bi se odabrao tip konstrukcije potrebno je poznavati tipina rjeenja za date uvjete. Potrebno je provesti osnovne proraune konstrukcije (statike, geomehanike), te je potrebno ekonomski valorizirati svaki pojedini tip. U ovom koraku projektiranja treba imati u vidu tehnologiju izgradnje (mogunost i nain izgradnje)! Nakon odabira tipa konstrukcije potrebno je provesti detaljni proraun i razradu svih elemenata konstrukcije. Slijedi izrada dokaznice mjera, pa trokovnika i konano za izvedbu detaljne nacrte i proraune detalja (planovi oplate, planovi armature, ...). Kako je projektiranje iterativan postupak do iznalaenja konanog rjeenja, sa svakog koraka bit e potrebno vraati se na jedan od prethodnih (koji puta bit e potrebno preskoiti unazad vie koraka).



Slika 1.3::3 Pojednostavljeni primjer slijeda projektiranja Specifinost hidrotehnikih graevina je u tome da se projektni kriteriji vezani uz vodu mahom veu uz vjerojatnost njihova pojavljivanja. U hidrotehnikoj se praksi vjerojatnost pojavljivanja opisuje tzv. povratnim periodom (PP, RP, period ponavljanja, razdoblje ponavljanja). Predstavlja recipronu vrijednost vjerojatnosti pojavljivanja dogaaja p(x) jednom u povratnom periodu (PP) izraenom u godinama (P(x)=1/PP[godina]). Na primjer, vjerojatnost pojavljivanja dogaaja x povratnog perioda od 100 godina je P(x)=0,01. Kako se dolazi do tih podataka? Temeljem izmjerenih hidrolokih veliina (protoci, vodostaji, oborine) kroz due vremensko razdoblje (10 50 - >100 godina), nakon osnovne hidroloke obrade (statistika obrada), koritenjem rauna vjerojatnosti prognoziramo vjerojatnost pojave. Inenjer mora biti svjestan da pri tome ne moe predvidjeti trenutak nastanka nekog dogaaja, ve samo moe teorijski odrediti vjerojatnost da se taj dogaaj desi u nekom vremenskom razdoblju. Na primjer, ne moe se znati kada e se pojaviti velika voda u rijeci povratnog perioda od 100 godina, koja moe poplaviti neko podruje. Ali zato se moe izraunati vjerojatnost (rizik) da se ta velika voda pojavi u nekom vremenskom razdoblju. Rizik pojave dogaaja definira se kao vjerojatnost pojave dogaaja (ili premaenja) definiranog povratnog razdoblja PP[god], jednom u ivotnom vijeku konstrukcije LT[god].



Izvodi se iz vjerojatnosti premaenja sluajne varijable ekstrema kao:

LT

PR111R LT>1

gdje su: R[1] rizik izlaganja graevine projektnim uvjetima i teim od njih PR[god] povratno razdoblje razmatranog djelovanja na graevinu LT[god] projektni vijek uporabe graevine,

U donjoj slici 1.3::4 i tablici 1.3::1 prikazane su vrijednosti rizika pojave (ili premaenja) dogaaja projektnog povratnog perioda jednom u vremenu projektnog vijeka uporabe graevine. Treba primijetiti da je rizik da se pojavi (ili premai) neki vodni val povratnog perioda 100 godina jednom u 100 godina R=0,63 (ili 63%). Dakle rizik je blizu 1 (ili 100%), to znai da je vrlo vjerojatno da e se u 100 godina pojaviti takav vodni val; t. j. da e mu vodne graevine na toj rijeci biti izloene. Tab. 1.3::1 Vjerojatnost pojave (ili premaenja) dogaaja projektnog povratnog perioda

jednom u vremenu projektnog vijeka uporabe graevine

Projektni povratni period [god]

Projektni vijek uporabe graevine [god.] 2 10 25 50 100 200

2 0.750 0.999 ~1.000 ~1.000 ~1.000 ~1.000 10 0.190 0.651 0.928 0.995 ~1.000 ~1.000 50 0.040 0.183 0.397 0.636 0.867 0.982

100 0.020 0.096 0.222 0.395 0.634 0.866 200 0.010 0.049 0.118 0.222 0.394 0.633 500 0.004 0.020 0.049 0.095 0.181 0.330

1,000 0.002 0.010 0.025 0.049 0.095 0.181 2,000 0.001 0.005 0.012 0.025 0.049 0.095

10,000 0.0002 0.001 0.002 0.005 0.010 0.020



Sl. 1.3::4 Vjerojatnost pojave (ili premaenja) dogaaja projektnog povratnog

perioda jednom u vremenu projektnog vijeka uporabe graevine Projektni kriteriji se odreuju za proraune funkcionalnosti i za proraune konstrukcije. Ako npr. govorimo o djelovanju vode, kao jednom od projektnih kriterija, tada emo se susresti sa razliitim povratnim periodima djelovanja za istu graevinu. Za primjer moemo opet uzeti pojednostavljeni primjer brane. Neka je namjena brane formiranje akumulacije za vodoopskrbu nekoga podruja koje troi 250 l/stanovniku/dan. Funkcionalni je kriterij da se osigura volumen vode koji e biti dostatan da osigura navedenu koliinu za povratno razdoblje od 25 godina. Prema tome kriteriju e se odrediti veliina akumulacije, odnosno poloaj i visina brane. Znai, pojednostavljeno, akumulacija e biti dovoljna da nee biti nestaice vode ee nego li jednom u 25 godina. Nikakva tragedija se nee desiti ukoliko jedan dan u 25 godina nee biti osigurana svim stanovnicima maksimalna koliina vode od 250 l/stanovniku. S druge strane, kriterij za proraune konstrukcije mora biti puno stroi s puno veim povratnim razdobljem prirodnih djelovanja. Razlog je da se smanji opasnost od ruenja zbog kojeg bi moglo doi do ljudskih rtava i velikih materijalnih teta. Tako e za proraune konstrukcije brane mjerodavni povratni periodi djelovanja biti reda veliine 1.000 do 10.000 godina. U nastavku emo se posebno baviti hidrotehnikim djelovanjima na konstrukcije, te posebnim djelovanjima na konstrukcije koja su specifino vezana uz njihovu namjenu. Tako emo, na primjer tumaiti i djelovanje broda na kej, luko optereenje,... itd. To nisu hidrotehnika optereenja ali su vezana uz namjenu graevine i ne spadaju u tipina djelovanja okolia koje djeluje na veinu ostalih graevina (vlastita teina, vjetar, snijeg i sl.)



1.3.1 Prorauni funkcionalnosti Prorauni funkcionalnosti hidrotehnikih graevina su specifini. Za druge tipove graevina funkcionalni elementi uglavnom su vezani uz normirane zahtjeve. Na primjer visina etae u visokogradnji (ovisno o namjeni), minimalni radijusi zavoja u cestama i irina kolnika (ovisno o kategoriji ceste) itd. Funkcionalni zahtjevi hidrotehnikih graevina uglavnom su vezani uz vjerojatnost pojavljivanja vodostaja i protoka. To znai da u pravilnicima, normama i preporukama za projektiranje nisu definirane apsolutne vrijednosti protoka i vodostaja mjerodavnih za funkcionalne analize hidrotehnikih graevina, samo su odreeni povratni periodi pojavljivanja mjerodavnih dogaaja, a primjerenim hidrolokim i hidraulikim proraunima morat emo odrediti pripadajue veliine (protoke i vodostaje). Jasno je, da i hidrotehnike graevine imaju neke normirane funkcionalne zahtjeve (npr. irina kolnika preko krune brane, ...) no o njima ovdje neemo govoriti. Raznovrsnost hidrotehnikih graevina i hidrotehnikih sustava unutar kojih se nalaze hidrotehnike graevine uvjetuje postojanje iroke lepeze projektnih (mjerodavnih) povratnih perioda. Funkcionalni zahtjevi hidrotehnikih graevina za zatitu podruja od poplava Graevine za zatitu od poplava moraju sprijeiti poplavljivanje podruja za hidroloke pojave povratnih perioda 25, 100 i 1000 i vie godina. Sprjeavanje poplava se postie odabirom sustava, prostornim rasporedom te oblikovanjem geometrije pojedinih graevina sustava. Na primjer grad Zagreb se titi od poplavnih voda rijeke Save sustavom sa graevinama odteretnog kanala i hidrotehnikih nasipa uzdu korita. Odteretni kanal i nasipi su smjeteni u prostoru i imaju definiranu geometriju (irina, dubina, visina, nagibi pokosa, uzduni pad, ...). Odabir mjerodavnog povratnog perioda vezan je uz nain koritenja zemljita koje se brani. Tako e za zatitu poljoprivrednog zemljita uglavnom biti odabran povratni period od 25 godina, za zatitu manjih naselja 100 godina, a za zatitu gradova i vrijednih podruja 1000 godina. Navedene vrijednosti se uglavnom koriste kod nas, s time da ih odreuje struna sluba Hrvatskih voda u okviru tzv. Vodopravnih uvjeta. U drugim zemljama postoje razliiti pristupi, pa recimo prema DEFRA (UK Department for Environment, Food and Rural Affairs) kriteriji stupnja rizika za zatitu od poplava ovise o koritenju zemljita koje je svrstano u 5 kategorija (vidi tablicu u nastavku).

Koritenje zemljita [kategorija]

Povratni period [god]

A 50-200 B 25-100 C 5-50 D 1,25-10 E



Kategorija koritenja zemljita odreuje se s obzirom na broj stambenih jedinica po km duljine obale vodotoka (jednostrano). Definicija kategorija dana je u donjoj tablici.

Koritenje zemljita [kategorija]

Broj stambenih jedinica/km obale

Opis

A >50 Razvijena urbana zona B >25 50 Manje razvijena urbana zona C >5 - 1,25 -



to uzrokuje velike materijalne tete. ak, kod dugotrajnijih poplava, moe biti uniten cjelokupan godinji prinos. Usporedno, izgradnja sustava za oborinsku odvodnju naselja sa podzemnim kolektorima je skupa, a potapanje povrina u naselju obino izaziva blokadu prometa bez nekih velikih izravnih teta. Funkcionalni zahtjevi hidrotehnikih graevina za koritenje vode Voda se moe koristiti kao sirovina, kao medij, a moe se koristiti i njen potencijal. Kao sirovina se koristi za pie, za navodnjavanje, kao rashladna voda i sl. gdje nakon uporabe voda mijenja svoje fizikalno kemijske osobine. Kao medij vodu koristimo za potrebe plovidbe, porta i rekreacije i sl., a vodni potencijal se koristi za potrebe proizvodnje energije. U ova dva potonja sluaja ne mijenjaju se fizikalno-kemijske osobine vode. Kako je veliki raspon naina koritenja voda, tako je i veliki raspon razliitih funkcionalnih kriterija. U nastavku emo na par pojednostavljenih primjera pokuati objasniti neke od funkcionalnih kriterija. Funkcionalni zahtjevi hidrotehnikih graevina za koritenje voda vezani su uz zahtjeve korisnika, ali voda je prirodni resurs sa svojim zakonitostima pojavljivanja. Tako, na primjer, akumulacija vode treba biti toliko velika da zadovolji potrebe korisnika vode iz akumulacije. Meutim tu nikako ne smijemo zaboraviti da se akumulacije uglavnom rade na prirodnim vodotocima koji na nju utjeu vodama svoga sliva. To znai da e se pojaviti neki hidroloki dogaaj koji e imati svoju vjerojatnost pojavljivanja, a kada e dotok u akumulaciju biti vei od potreba korisnika. Konkretnije, branu kao hidrotehniku graevinu, u funkcionalnom pogledu oblikovat emo tako da formira akumulaciju. Ta akumulacija mora uskladiti prirodne dotoke i potrebe za vodom (slika1.3::5). Takvo izravnjavanje radi se ili za prosjene uvjete ili za minimalne uvjete dotoka vode u akumulaciju.

Slika 1.3::5 Godinji hidrogram za neki vodotok (VQ- veliki protoci, SQ-srednji

protoci, NQ- mali protoci, Qkor. potrebe korisnika)



Npr. provede se analiza prosjenih (ili minimalnih) dotoka (prosjek iz viegodinjeg niza opaanja) vode i akumulaciju. Potrebe za vodom se namiruju na nain da se u akumulaciji zadri odreena koliina vode kada je dotok vei od potreba, da bi se ta voda kasnije, kada je dotok manji od potreba, koristila. To nam je funkcionalni kriteriji s aspekta korisnika za odreivanje potrebnog volumena akumulacije, odnosno poloaja i potrebne visine brane. Znai u funkcionalnu analizu ulaze prosjeni (ili minimalni) protoci vode. U sluaju pojave veeg dotoka u akumulaciju od njenog kapaciteta, morat emo na brani predvidjeti preljev preko kojega e se ta voda evakuirati. U tome sluaju preljev e trebati dimenzionirati na ekstremni protok odreenog povratnog perioda (Preljev je dio brane koji osigurava da se voda kontrolirano proputa preko brane - nekontrolirano prelijevanje vode preko krune brane nije dozvoljeno) (slika 1.3::6). Tako e funkcionalni kriterij za dimenzioniranje preljeva biti maksimalni protok vodnog vala koji nailazi na branu i to povratnog perioda 1.000 do 10.000 godina (Nonveiller). Visoka sigurnost zahtijevana je iz razloga sigurnosti brane kao graevine. S jedne strane je razlog stupnja povjerenja u tonost hidrolokih prorauna. S druge strane kako nekontrolirano prelijevanje ne bi uzrokovalo ruenje graevine (nasuta brana) to bi za posljedicu imalo mogua ljudska stradavanja i velike materijalne tete.

Slika 1.3::6 Shematizirani uzduni presjek kroz akumulaciju

Drugi primjer funkcionalnih prorauna konstrukcija bit e primjer luke na moru. Zahtjevi za luku su da bude sigurno mjesto na kojem se nesmetano mogu obavljati manevri brodova i luki procesi (utovar, istovar, ). Za to je potrebno izgraditi niz graevina (lukobran, gatovi, operativne obale, ). Zadrat emo se samo na primjeru lukobrana. U funkcionalnom smislu njegov poloaj i njegova geometrija moraju biti takvi da tite akvatorij luke od valova. Zahtjev je da valovi u lukom akvatoriju ne budu vei od odreene vrijednosti za maksimalne valove iji je povratni period od 1-5 godina. Jasno je da su projektni kriteriji za lukobran za zahtjeve konstrukcije puno stroi (povratni periodi 50, 100 i vie godina)!

Documents

hidrotehnicke građevine