O příhradových konstrukcích
Globální model je převážně sestaven z příhradových prvků, které přenášejí pouze tah a tlak. To znamená, že ohyb a smyk v prvcích jsou zcela potlačeny. Z hlediska metody konečných prvků je matice tuhosti tvořena převážně osovými členy, čímž se eliminují stupně volnosti (DOF) odpovídající ohybu a smyku.
- Převádějí ohyb na osové síly
- Maximalizují využití materiálu
- Zajišťují jasné cesty zatížení
- Umožňují velké rozpětí
- Zjednodušují posouzení stability
Globální model
Konzolový příhradový systém je vetknut do prefabrikovaného betonového sloupu. Příhradová konstrukce je s nosníkem spojena dvojicí kloubových přípojů. Všechny síly se přenášejí kotvami v tahu a smyku a betonem v tlaku.
01) Globální model příhradové konstrukce a jasná cesta zatížení
Checkbot
Tyto typy konstrukcí se do Checkbot importují se spárovanými nebo vícenásobnými uzly, které z principu nelze exportovat do IDEA StatiCa Connection jako jednu sadu. V prvním kroku se odstraní uzel horního pasu. Prvek horního pasu pak nebude navázán na žádný existující uzel a je nutné jej připojit k uzlu dolního pasu, který spojuje diagonálu a prvky dolního pasu. Po dokončení tohoto postupu budou všechny prvky sjednoceny pod jedním hlavním uzlem. Tím se otevírá cesta k efektivnější kontrole většího počtu prvků pomocí sestavy s odsazením.
02) Model v Checkbot a sloučení prvků do jednoho uzlu
IDEA StatiCa Connection
Vytvořený model obsahuje sérii dvojitých L-profilů. Horní a dolní pas příhradové konstrukce jsou připojeny k prefabrikovanému sloupu pomocí předem zabetonovaných podložek, doplněných o patní desku a předem přivařený styčníkový plech, což usnadňuje efektivní montáž na staveništi.
03) Popis navrženého modelu kotvení
V globální analýze se obvykle předpokládá, že osové síly působí v těžišti průřezu. Pokud však skupina šroubů ve skutečném přípoji není zarovnána s těžištěm průřezu, vzniká excentricita. Tato excentricita vyvolává v připojených prvcích sekundární ohybové momenty.
Takové účinky standardní globální MKP model nezachytí, pokud není geometrie přípoje a vnášení zatížení modelováno explicitně. V praxi se dodatečný moment od excentricity osové síly projeví jako zvýšené ohybové napětí, které následně přispívá ke konečnému vyhodnocení napětí podle von Mise v podrobném posouzení přípoje.
Pro zkoumané uspořádání příhradové konstrukce poskytuje podpora N–Vy–Vz realističtější popis přenosu sil. Toto tvrzení není zamýšleno jako obecné doporučení pro všechny příhradové systémy, ale jako závěr specifický pro toto konstrukční uspořádání.
Tyto podpory potlačují rotační deformaci ve styčníku, což vede ke vzniku zbytkových reakčních momentů. Svislá diagonála navíc brání ohybu pasu, což podporuje předpoklad, že podpora N–Vy–Vz v tomto případě lépe odpovídá skutečnému chování přípoje.
Z hlediska mechaniky přípoje se proto tato okrajová podmínka považuje za bližší fyzikální realitě.
04) Podepřené pasy a diagonály
Drátový model zobrazuje trajektorie zatížení a těžnice jednotlivých průřezů.
05) Drátový model a jasná cesta zatížení
Vizualizace deformovaného tvaru a napětí poskytují přehled a kontrolu věrohodnosti, zda je zatížení aplikováno správně. Tah v horním pasu a tlak v dolním pasu ukazují, že náhradní model funguje dobře.
06) Normová posouzení a deformovaný tvar
Interakce sil se v betonovém bloku nezohledňuje z důvodu zjednodušujících předpokladů, které platí pro betonové prostředí v aplikaci Connection. Využití je pouze 38 % a posouzení kotev nevyhovuje. Proč tomu tak je?
Pro informaci:
Skupiny kotev na samostatných patních deskách se v jednom betonovém bloku vzájemně ovlivňují. To je mimo rozsah norem pro navrhování kotvení. Vytržení betonu v tahu a vylomení betonu (pryout) se neposuzují. Porušení betonu u okraje se neposuzuje. (CEB-FIB: Bulletin 58 – Design of anchorages in concrete (2011) – kapitola 1.2: obrázek 1.2-8 a obrázek 1.2-9) .
Uživatele odkazuje na normové posouzení v 3D Detail, protože norma uvedené uspořádání nepokrývá.
07) Proč posouzení kotev nevyhovuje?
Boulení by se mělo vždy kontrolovat při posuzování přípoje. Tvar vybočení a součinitel boulení slouží jako ukazatele bezpečnostní rezervy a lze určit tvar, který se nejpravděpodobněji stane nestabilním jako první.
Týká se to lineární analýzy boulení, při které je kontakt mezi styčníkovým plechem a stěnami dvojitých L-profilů otevřený.
Otevřený kontakt (mezera):
Pokud jsou plechy v rovnovážném stavu odděleny:
- Kontakt je neaktivní
- Nepřispívá k tuhosti
- Povrchy se v tvaru boulení pohybují nezávisle
Důsledky pro praktické ocelové přípoje:
U mnoha ocelových přípojů:
- styčníkové plechy
- úhelníky
- otvory pro šrouby
- podložky
jsou kontakty v rovnovážném stavu aktivní pouze částečně.
Proto v LBA:
- Tuhost zajišťují pouze zóny, které jsou aktuálně tlačené
- Potenciální budoucí kontakty se ignorují
To může vést k:
- lokálnímu průniku ve vlastních tvarech
- příliš poddajným tvarům boulení
- nereálným deformačním obrazcům.
Nejde o chybu – jde o zásadní omezení vlastní analýzy boulení s kontaktem.
08) Lineární tvary boulení a kritický součinitel
IDEA StatiCa 3D Detail
K uzavření návrhového cyklu a dosažení vyhovujícího řešení pro všechny součásti – včetně prefabrikovaného betonového sloupu – je nezbytné zohlednit stávající uspořádání vyztužení a posoudit systém s ohledem na interakci mezi kotvami a výztužnými pruty.
Mechanismus přenosu zatížení nekončí u patní desky. Síly z kotev musí být přerozděleny do železobetonového prvku soudržností, ovinutím a působením vzpěra-táhlo. Vyztužení proto musí být do ověřovacího modelu výslovně zahrnuto.
Díky BIM propojení z IDEA StatiCa Connection je přenos dat jednoduchý a efektivní. Přímo lze importovat následující informace:
- Geometrii betonového sloupu
- Patní desku a konfiguraci kotev
- Výsledné síly v kotvách a svarech
Tím se výrazně urychlí cesta k závěrečnému normovému posouzení.
Aby však bylo možné získat fyzikálně konzistentní posouzení, je nutné v modelu 3D Detail (CSFM) definovat povinné součásti – zejména uspořádání vyztužení a reálné okrajové podmínky. Teprve poté lze správně vyhodnotit spolupůsobení betonu a výztuže a posoudit křehké způsoby porušení (např. vytržení betonu) v kontextu vyztuženého systému.
Systém předem definovaného pole vektorů sil, odvozený z aplikace Connection, zaručuje smysluplné přerozdělení napětí pod patní deskou.
09) Vyztužení, okrajové podmínky + rozdělení sil
Je nutné provést kontrolu věrohodnosti a vizuální prohlídku, aby se ověřilo, že se model chová podle očekávání. Tok tlakových napětí vykazuje očekávané chování a napětí ve výztuži zajišťuje bezpečnost návrhu.
10) Souhrnné posouzení, tok napětí
Deformovaný tvar by měl být prvním výstupem, který slouží k dvojí kontrole správnosti okrajových podmínek. Deformovaný tvar odpovídá předpokládanému chování.
11) Stav napětí v kotvách, deformovaný tvar
Závěr a klíčové poznatky
Příhradový model = osová idealizace
Je efektivní pro globální tok sil (pouze tah/tlak), ale účinky ohybu a smyku jsou potlačeny a je nutné je řešit na úrovni přípoje.
Předpoklad působení v těžišti je zásadní
Nesouosost mezi skupinou šroubů a těžištěm průřezu vyvolává sekundární ohyb, který není zachycen v globální MKP analýze. Je nutné jej ověřit v podrobném návrhu přípoje.
Okrajové podmínky určují realitu
V tomto případě podpora N–Vy–Vz lépe odpovídá chování styčníku. Rotační podepření a působení diagonály významně ovlivňují odezvu pasu.
Posouzení kotev v prostém betonu jsou konzervativní
Zjednodušené předpoklady normy mohou indikovat porušení. Skutečná únosnost závisí na spolupůsobení s výztuží a přerozdělení sil v betonovém prvku.
Vyztužení uzavírá cyklus
Cesta zatížení pokračuje i za patní desku. Pouze model 3D Detail (CSFM) s vyztužením a reálnými okrajovými podmínkami zachytí spolupůsobení betonu a výztuže a zabrání křehkým způsobům porušení.
Vždy zkontrolujte deformovaný tvar
Pokud deformace odpovídá konstrukčnímu citu, model pravděpodobně odráží fyzikální chování.
