Návrh železobetonových průřezů podle EN 1992-1-1 a EN 1992-2.
Ohyb
Smyk
Kroucení
Interakce
Posouzení omezení napětí
Omezení trhlin
Diagram N-M-κ
Literatura
Ohyb
Metody posouzení únosnosti průřezu
Pro posouzení mezního stavu únosnosti 1D betonových prvků lze použít dvě známé metody. První z nich určuje únosnost průřezu ve formě interakční plochy nebo interakčního diagramu (v případě ohybového momentu v jednom směru). Únosnost průřezu lze určit jako poměr působících vnitřních sil k silám na mezním stavu. Druhá metoda spočívá v nalezení rovnováhy v průřezu, při které sledujeme skutečné chování zatíženého průřezu, využití materiálů z hlediska napětí a slabá místa průřezu.
Obecné předpoklady návrhu a výpočtu pro mezní stav únosnosti
- Přetvoření ε ve vyztužení a v betonu se předpokládá přímo úměrné vzdálenosti od neutrální osy (průřezy zůstávají rovinné).
- Spolupůsobení vyztužení a betonu je zajištěno bez prokluzu (přetvoření ε ve vyztužení a v přilehlých vláknech betonu je stejné).
- Tahová pevnost betonu se zanedbává (veškerá tahová napětí přenáší vyztužení).
- Tlaková napětí v betonu v tlačené zóně se určují z přetvoření pomocí diagramů napětí-přetvoření.
- Napětí ve vyztužení se určují z přetvoření pomocí diagramů napětí-přetvoření.
- Tlakové přetvoření betonu je omezeno mezním přetvořením εcu2 (parabolicko-rektangulární diagram pro beton v tlaku) a εcu3 (bilineární vztah napětí-přetvoření), [2].
- Tlakové přetvoření vyztužení není omezeno v případě vodorovné plastické horní větve; v případě šikmé plastické horní větve je přetvoření omezeno hodnotou εud,[2].
- Mezní stav nastává, když stav alespoň jednoho z materiálů překročí mezní přetvoření (pokud εu není omezeno, rozhoduje tlačený beton).


Interakční diagram
První možností je posouzení průřezu pomocí interakční plochy (nebo interakčního diagramu). Vysvětlení je uvedeno na příkladu interakčních ploch pro vyztužený čtvercový průřez z obrázku níže. Na interakční ploše se nacházejí body definující mezní stav únosnosti posuzovaného průřezu. Interakční plocha je vykreslena z bodů (N, My, Mz), které se určují integrací napětí v průřezu, v němž bylo dosaženo mezního přetvoření v jednom z materiálů. U 3D interakce lze plochu odvodit z 2D interakčního diagramu, což je uzavřená křivka, která odpovídá napjatosti při plynule natáčené neutrální ose.


Pro průřez symetrický podle osy y je interakční diagram symetrický podle roviny N-My. Stejně tak pro průřez symetrický podle osy z je interakční diagram symetrický podle roviny N-Mz. Jednostranně vyztužený průřez vede k zploštělému tvaru interakčního diagramu.


Body definující mezní stav únosnosti se získají integrací napětí. Obrázek níže znázorňuje přetvoření na mezním stavu únosnosti.

Rozdělení přetvoření na mezním stavu únosnosti (převzato z [2]).

Interakční diagram znázorňuje porušení průřezu při působení normálové síly a ohybových momentů. [1]
Při řešení 2D diagramu (uzavřené křivky ležící na interakční ploše) lze zjistit, že rovina přetvoření prochází neutrální osou a kritickým bodem [y, z, ε], který označujeme jako kritický bod R. Bod [y, z] definuje bod v průřezu s hodnotou přetvoření ε na mezním stavu únosnosti. Sklon neutrální osy je pro všechny body 2D diagramu konstantní.
Pokud je pro návrh rozhodující tlakové napětí v betonu, bod R odpovídá nejvíce tlačenému vláknu betonu nebo limitnímu bodu C. Toto však lze použít pouze tehdy, je-li průřez vyroben z jednoho typu betonu - tedy nejde-li o smíšený průřez.
Pokud je pro návrh rozhodující tahové napětí ve vyztužení (na mezním stavu únosnosti je u jedné nebo více výztužných vložek překročeno přetvoření εud), musí být pro danou rovinu přetvoření splněna podmínka, že hodnota εud není překročena u žádné jiné výztužné vložky.


Obrázek výše ukazuje, že diagram lze rozdělit na dvě části: část, kde je porušení způsobeno tahovou silou, a část, která se porušuje tlakovou silou. Limitní body odpovídají případu uvedenému výše, kde je patrný také extrémní sklon roviny přetvoření. Při vykreslování interakčního diagramu se sklon roviny přetvoření průřezu mění v tomto intervalu, přičemž hledáme bod R (viz výše). Na základě takto definované roviny provedeme integraci a získáme napětí na mezním stavu únosnosti.
Posouzení průřezu namáhaného normálovou silou a ohybovým momentem
Posouzení průřezu namáhaného normálovou silou a ohybovým momentem spočívá v prokázání, že posuzovaná namáhání (kombinace Nd, Myd, Mzd) leží uvnitř interakční plochy nebo na ní. Lze to provést různými metodami. Následující příklad ukazuje posouzení obdélníkového průřezu namáhaného silami Nd = -500 kN, Myd = 120 kNm, Mzd = 100 kNm.
Metoda NuMuMu
Pro stanovení únosnosti průřezu předpokládáme proporcionální změny všech složek vnitřních sil (výstřednost normálové síly zůstává konstantní), dokud není dosaženo interakční plochy. Změnu uvažovaných vnitřních sil lze interpretovat jako pohyb po přímce spojující počátek souřadného systému (0,0,0) a bod definovaný vnitřními silami (NEd, MEd,y, MEd,z). Dva průsečíky této přímky s interakční plochou, které lze nalézt, představují dvě sady sil na mezním stavu únosnosti. V každém průsečíku program určí tři síly na mezním stavu: návrhovou únosnost v normálové síle NRd a odpovídající návrhové momenty únosnosti MRdy, MRdz.

Metoda NuMM
Pro stanovení únosnosti průřezu předpokládáme konstantní normálovou sílu (která se rovná působící návrhové normálové síle) a proporcionální změny ohybových momentů, dokud není dosaženo interakční plochy. Změnu uvažovaných vnitřních sil lze interpretovat jako pohyb ve vodorovné rovině po přímce spojující bod (NEd,0,0) a bod definovaný působícími vnitřními silami (NEd, MEd,y, MEd,z). Dva průsečíky této přímky s interakční plochou, které lze nalézt, představují dvě sady sil na mezním stavu únosnosti. V každém průsečíku program určí tři síly na mezním stavu: návrhové momenty únosnosti MRdy, MRdz a (odpovídající) působící návrhovou normálovou sílu NEd.

Metoda NMuMu
Pro stanovení únosnosti průřezu předpokládáme konstantní normálovou sílu (která se rovná působící návrhové normálové síle) a proporcionální změny ohybových momentů, dokud není dosaženo interakční plochy. Změnu uvažovaných vnitřních sil lze interpretovat jako pohyb ve vodorovné rovině po přímce spojující bod (NEd,0,0) a bod definovaný působícími vnitřními silami (NEd, MEd,y, MEd,z). Dva průsečíky této přímky s interakční plochou, které lze nalézt, představují dvě sady sil na mezním stavu únosnosti. V každém průsečíku program určí tři síly na mezním stavu: návrhové momenty únosnosti MRdy, MRdz, a (odpovídající) působící návrhovou normálovou sílu NEd.

Nalezení odezvy průřezu
Další možností posouzení průřezu je nalezení odezvy průřezu (tj. rozdělení přetvoření a napětí od působících vnitřních sil). Tato metoda je také známá jako metoda mezního přetvoření. Velikost působících napětí v každém vlákně (v případě rovinného ohybu v každé vrstvě) a v každém výztužném prutu se vypočítá v závislosti na přetvoření z diagramu napětí-přetvoření daného materiálu.
Odezva průřezu se vypočítá pomocí numerické metody uvedené v [6]. Princip spočívá v postupném přírůstku zatížení průřezu o nevyrovnané složky nepřenesených sil. Ty se získají integrací napětí po průřezu pomocí diagramů napětí-přetvoření. Pokud lze pro dané přetvoření v diagramu napětí-přetvoření nalézt hodnotu napětí, viz obrázek níže (a), je vypočtené napětí správné za předpokladu lineárně pružného materiálu. V případech (b) a(c) dosahuje napětí při lineárním výpočtu nereálných hodnot a část (b) nebo celou hodnotu (c) materiál nemůže přenést. Integrací nepřenesených napětí získáme nepřenesené vnitřní síly a jejich výslednice se musí přičíst k vnitřním silám od proměnných zatížení.

Nepřenesená napětí v diagramech napětí-přetvoření. [4]

Nepřenesené vnitřní síly. [4]
Tato výpočetní metoda vyžaduje použití numerických metod pro integraci napětí po ploše průřezu a pro nelineární řešení rovnic rovnováhy v průřezu. Iterace se ukončí ve chvíli, kdy jsou splněna konvergenční kritéria.
kde
Fe je zatížení průřezu,
Fi je odezva průřezu (vnitřní síly vypočtené na základě roviny přetvoření).
Je-li a přibližná (aproximovaná) hodnota a b přesná (skutečná) hodnota, pak je absolutní odchylka dána následující rovnicí.
Relativní odchylka je dána následujícím vztahem:
Ve většině programů lze tato konvergenční kritéria nastavit (výchozí hodnoty jsou 1 % jako relativní chyba, 100 N, 100 Nm jako absolutní chyba normálové síly a momentů).
Pokud tedy máme na vstupu N = 0 kN, My = 100 kNm, Mz = 0 kNm a integrované síly po iteraci N = - 0,07 kN, My = 100,5 kNm, Mz = 0,02 kNm, vyhodnocení bude následující. Vzhledem k tomu, že N a Mz jsou rovny 0, lze provést porovnání s absolutní odchylkou:
Hodnota normálové síly 100N> | 70 | N
Hodnota ohybového momentu Mz 100Nm> | 20 | Nm
Hodnota ohybového momentu My
Posouzení průřezu podle odezvy
V případě nalezení rovnováhy v průřezu je známa rovina přetvoření. Z roviny přetvoření lze vypočítat přetvoření v libovolném místě průřezu, poté napětí nebo vnitřní síly ve výztužných prutech, v průřezu nebo jeho částech pomocí diagramů napětí-přetvoření materiálů. Vypočtené hodnoty napětí a přetvoření porovnáme s mezní hodnotou přetvoření z diagramů napětí-přetvoření použitých materiálů.
Výhodou této metody je, že získáme úplný obraz hodnot napětí a přetvoření v průřezu od vnitřních sil působících na průřez.
Smyk
Z hlediska křehkého porušení je posouzení na smyk jedním z důležitých posouzení železobetonového průřezu.
Postup výpočtu
Výpočet smykové únosnosti se skládá z několika základních částí. Nejprve je třeba zanalyzovat, zda v posuzovaném místě vznikají trhliny od ohybu, či nikoliv. Pokud ano, použije se výpočet podle EN 1992-1-1 [2], článek 6.2.2 (1). V opačném případě určíme, zda se jedná o prostý beton, nebo slabě vyztužený beton, a dále postupujeme podle EN 1992-1-1, článek 12.6.3.
U železobetonových prvků bez trhlin (bez smykového vyztužení) posuzujeme podle EN 1992-1-1, článek 6.2.2 (2). U prvků, kde je smykové vyztužení požadováno, posuzujeme podle článku 6.2.3 [2].

Smyková únosnost prvků bez smykového vyztužení
Smyková únosnost prvků v oblastech s ohybovými trhlinami (čl. 6.2.2 (1) [2])
Smyková únosnost železobetonových prvků bez smykového vyztužení namáhaných ohybovým momentem je dána vztahem:
Tento vztah byl stanoven na základě zkoušek provedených na reprezentativním počtu prostých nosníků v případě porušení smykovou silou. Protože výše uvedená únosnost může být nulová pro prvky bez podélného vyztužení (rl), byly pro slabě vyztužené prvky odvozeny rovnice. Protože výše uvedená únosnost může být nulová pro prvky bez podélného vyztužení (rl), byla pro slabě vyztužené prvky určena rovnicí
Smyková únosnost s vlivem normálové síly byla určena rovnicí
Smyková únosnost v úplném vyjádření, které odpovídá EN 1992-1-1, čl. 6.2.2 (1)
S minimem
kde
CRd,c = 0,18 / γc,
k součinitel výšky průřezu
ρ1 stupeň vyztužení podélným vyztužením
fck charakteristická válcová pevnost betonu v tlaku ve stáří 28 dní
k1 = 0,15
σcp = NEd / Ac < 0,2 fcd v MPa
bw nejmenší šířka průřezu v tažené oblasti
d účinná výška průřezu
υmin minimální ekvivalentní smyková pevnost υmin = 0.035 k3/2 fck1/2
Smyková únosnost prvků v oblastech bez ohybových trhlin (čl. 6.2.2 (2) [2])
Smykovou únosnost prvků v oblastech bez ohybových trhlin lze určit z Mohrovy kružnice. Do rovnice
dosadíme σx = σcp a τz = VRd,c S / (I bw), vyjádříme VRd,c a získáme rovnici odpovídající vztahu uvedenému v EN 1992-1-1, čl. 6.2.2 (2)
kde
I je moment setrvačnosti průřezu,
bw je šířka průřezu v úrovni těžištní osy,
S je statický moment plochy nad těžištní osou a k této ose,
fctd návrhová hodnota pevnosti betonu v tahu v MPa,
scp je tlakové napětí v betonu v úrovni těžištní osy od zatížení a/nebo předpětí,
al součinitel přenosové délky, obvykle 1,0.
V souvislosti s výše uvedeným je třeba poznamenat, že v oblastech bez ohybových trhlin může být únosnost VRd ,c výrazně vyšší než v oblastech s trhlinami podle článku 6.2.2 (1) [2]. Z obrázku níže je zřejmé, že ačkoli je smyková síla posuzována v místě svého extrému (kde nevznikají trhliny), nemusí to nutně zajistit, že bude přenesena po celé délce nosníku. Je to způsobeno změnou způsobu výpočtu smykové únosnosti betonu. Na straně bezpečnosti lze samozřejmě smykovou únosnost uvažovat podle článku 6.2.2 (1) [2] také v místech, kde trhliny nevzniknou.

K výrazu pro VRd, c podle článku 6.2.2 (2)[2] je třeba také poznamenat, že by se v obecném případě mělo vycházet z posouzení ve vlákně s extrémním hlavním tahovým napětím v betonu v oblasti normálových tlakových napětí, nikoli však v těžišti průřezu. V tomto místě je nutné vypočítat průřezové charakteristiky (S a bW). Pro stanovení maximálního hlavního napětí s1 v programu IDEA RCS vedeme těžištěm přímku ve směru výslednice smykových sil. Tuto přímku rozdělíme na 20 úseků. Na této přímce dále uvažujeme charakteristické body (body polygonu průřezu, těžiště, neutrální osu). V těchto bodech vypočítáme S, bw, σx, τyz a σ1. V bodě maximálního hlavního tahového napětí vypočítáme smykovou únosnost.
Smyková síla před aplikací redukčního součinitele b požadovaného článkem 6.2.2 (6) musí splňovat dodatečnou podmínku
kde
kde fck je v MPa
Smyková únosnost prvků bez vyztužení nebo slabě vyztužených (čl. 12.6.3 [2])
Smykovou únosnost prostého nebo slabě vyztuženého betonu lze určit z výrazu
Kde
τcp nahradíme výrazem
nebo
Dílčí hodnoty použité ve výše uvedeném vztahu jsou dány vztahem:
kde
fcd,pl návrhová pevnost v tlaku prostého nebo slabě vyztuženého betonu,
fctd,pl návrhová pevnost v osovém tahu prostého nebo slabě vyztuženého betonu,
fcvd návrhová smyková únosnost při tlaku v betonu.
Únosnost prvků se smykovým vyztužením (čl. 6.2.3 [2])
Výpočet únosnosti železobetonových prvků se smykovým vyztužením je založen na metodě příhradové analogie s diagonálami o proměnném sklonu. Základem této metody je rovnováha sil v trojúhelníku určeném silou ve vzpěře (diagonále), silou ve smykovém vyztužení (třmínku) a silou v podélném vyztužení.

Průřez namáhaný smykem je porušen trhlinami pod úhlem θ, z tohoto důvodu smykové síle odolává betonová diagonála se stejným sklonem. Tlakovou sílu v diagonále lze vyjádřit jako Ved/sinθ. Tato síla musí být přenesena betonovou plochou kolmou na tlakovou diagonálu bwzcosθ. Napětí betonu v tlakové diagonále je pak rovno:
Dosazením a a vyjádřením získáme rovnici pro smykovou únosnost diagonály:
K zachycení svislé složky síly v tlakové diagonále slouží smykové vyztužení. Velikost svislé síly vychází z tlakového napětí v diagonále v ploše betonu, která odpovídá jednomu třmínku - \[{{\sigma }_{c}}{{b}_{w}}s{{\sin }^{2}}\theta\]. Mezní síla ve třmínku je dána vztahem \[{{A}_{sw}}{{f}_{ywd}}/s\].
Po dosazení σc a porovnání s mezní silou ve vyztužení získáme po úpravách:
Vyjádřením Ved jako VRDs pak získáme únosnost průřezu se svislým smykovým vyztužením:
Podélná smyková síla je přenášena podélným vyztužením a lze ji určit jako Vedcotgθ . Odvození uvedených vztahů lze nalézt v [4].
V programu IDEA RCS lze posuzovat pouze prvky se svislým smykovým vyztužením. Obecně lze použít následující rovnice:
Kde
Asw je plocha průřezu smykového vyztužení,
s je osová vzdálenost třmínků,
fywd je návrhová mez kluzu smykového vyztužení,
bw je minimální šířka mezi tahovým a tlačeným pásem. Pro výpočet únosnosti VRd,max se hodnota šířky průřezu musí snížit na tzv. jmenovitou šířku průřezu v případě, že je průřez oslaben kabelovými kanálky
bw,nom=bw-0,5ΣΦ pro injektované kovové kanálky
bw,nom=bw-1,2ΣΦ pro neinjektované kovové kanálky
υ = 0,6 pro fck ≤ 60MPa nebo pro fck > 60MPa,
αcw je součinitel zohledňující stav napětí v tlačeném pásu.
| Zatížení | σcp = 0 | 0 < σcp≤0,25 fcd | 0,25 fcd < σcp≤0,5 fcd | 0,5 fcd < σcp≤1,0 fcd |
| Součinitel acw | 1,0 | 1+σcp/fcd | 1,25 | 2,5(1 - σcp/fcd) |
Tab. 1‑1 Stanovení součinitele αcw
Úhel θ je úhel mezi betonovou tlakovou vzpěrou a osou nosníku kolmou na smykovou sílu. Mezní hodnoty cotθ pro použití v dané zemi lze nalézt v jejím národním dodatku. Doporučené meze jsou dány výrazem:
Volba velikosti úhlu θ může ovlivnit hodnoty únosností. Závislost únosností je patrná na obrázku 1.15. Z obrázku je zřejmé, že se vzrůstajícím úhlem θ únosnost VRd,max roste a únosnost VRd,s klesá. Únosnost VRd,c je konstantní, protože nevychází z metody příhradové analogie.

Výpočet průřezových charakteristik pro smyk
Pro výpočet smyku je důležité vypočítat průřezové veličiny ovlivňující smykovou únosnost. Mezi tyto veličiny patří zejména šířka průřezu přenášející smyk bw, účinná výška d a rameno vnitřních sil z. Norma [2] uvádí tyto hodnoty ve vazbě na skutečné ohybové namáhání. Problém však nastává při určování těchto hodnot, pokud se směr výslednice ohybových momentů (přesněji směr výslednice únosnosti průřezu) výrazně liší od směru výslednice smykových sil. V tomto případě norma EC2 neposkytuje žádná doporučení.
Šířka průřezu přenášející smyk bw
Program IDEA RCS vypočítá šířku průřezu přenášející smyk ve směru kolmém na výslednici smykových sil. V závislosti na článku Eurokódu se tato šířka určí jako:
- nejmenší šířka průřezu mezi výslednicí tlačeného betonu a tažené výztuže ve směru kolmém na výslednici smykových sil pro články 6.2.2 (a) a 6.2.3 (1)
- šířka průřezu ve směru kolmém na výslednici smykových sil v posuzovaném bodě podle článku 6.2.2 (2)
Účinná výška průřezu
Účinná výška se obvykle definuje jako vzdálenost nejvíce tlačeného betonového vlákna od těžiště výztuže. Protože přímo souvisí s ohybem, je tato vzdálenost dána jako kolmý průmět na těžištní přímku roviny přetvoření.
Tuto definici lze upřesnit tak, že místo těžiště tažené výztuže se použije poloha výslednice sil ve výztuži. Při vývoji programu IDEA RCS bylo řešeno to, jak definovat účinnou výšku průřezu, pro který rovina ohybového zatížení neodpovídá směru výslednice smykových sil. Účinná výška je proto definována jako vzdálenost nejvíce tlačeného betonového vlákna od výslednice sil v tažené výztuži (na základě ohybového namáhání) ve směru výslednice smykových sil, viz obrázek 1.17.
Výjimečné případy nastanou, pokud nelze určit tlačené vlákno nebo výslednici v tažené výztuži. V takovém případě doporučujeme použít hodnotu 0.9 h (90 % výšky průřezu ve směru výslednice smykových sil). Tuto hodnotu může uživatel v programu IDEA RCS definovat v nastavení proměnných normy.
Rameno vnitřních sil
Rameno vnitřních sil je uvedeno v článku 6.2.3 (3) [2] a je definováno jako „vzdálenost mezi tahovým a tlačeným pásem“. Norma nedefinuje, jak postupovat, pokud se rovina působícího ohybového momentu liší od směru výslednice smykových sil. Proto stejně jako v případě účinné výšky definujeme tuto vzdálenost ve směru výslednice smykových sil. I zde se můžeme setkat s podobnými výjimečnými případy, například když je celý průřez tlačený apod. V tomto případě uvažujeme hodnotu 0.9 d (90 % účinné výšky průřezu). Tuto hodnotu může uživatel nastavit v programu IDEA RCS v nastavení proměnných normy.
Závislost mezi sklonem roviny ohybu a výslednicí smykové síly je zřetelně patrná na obrázcích 1.18 a 1.19. Se zvětšujícím se sklonem se hodnoty účinné výšky, ramen vnitřních sil a s nimi související únosnosti snižují. Mezním stavem je 90°. Pro takový sklon nelze rameno vnitřních sil vypočítat, rameno je proto rovno nule. V tomto případě se uvažuje hodnota zadaná v nastavení proměnných normy. Proto dochází na konci grafu ke skoku. Tato studie dokládá, že doporučené maximum sklonu je přibližně 20°.


V rámci testování aplikace RCS byla provedena studie závislosti smykové únosnosti na změně normálové síly. Únosnost VRd,max je ovlivněna pouze součinitelem αcw, viz obr. 1.20. Obr. 1.21 ukazuje konstantní hodnotu únosnosti VRds. U únosnosti VRdc způsobuje nárůst normálové síly její pokles. Modrá křivka na obr. 1.21 znázorňuje únosnost VRdc bez uvažování vlivu trhlin a byla vypočtena podle vztahu v článku 6.2.2 (1) [2]. Skok při přechodu mezi tlakem a tahem je způsoben započtením tažené výztuže. Červená křivka je vypočtena podle vztahu v článku 6.2.2 (2) [2]. Po vzniku první trhliny je křivka závislosti stejná jako pro článek 6.2.2 (1) [2].


Kroucení
Předpoklady výpočtu
Chování železobetonového průřezu namáhaného kroucením lze rozdělit do dvou kategorií - před a po okamžiku, kdy lze poprvé očekávat vznik trhlin. Před vznikem trhliny se průřez chová jako pružný materiál. Napětí od kroucení lze vyjádřit vztahem
kde Wt je modul průřezu v kroucení.
Trhliny v nevyztuženém prvku způsobené hlavním tahovým napětím od kroucení jsou rovněž mezním stavem únosnosti. Chování železobetonového průřezu namáhaného kroucením lze popsat na základě tenkostěnného uzavřeného průřezu, viz obr. níže.

Postup výpočtu
Postup posouzení železobetonového průřezu na kroucení je velmi podobný posouzení na smyk. Nejprve posoudíme únosnost betonu. Pokud posouzení betonu vyhoví, lze vyztužení navrhnout podle konstrukčních zásad. V opačném případě je nutné výpočtem ověřit vyztužení a únosnost tlačených diagonál.

Únosnost
Smykový tok ve stěně tenkostěnného průřezu při kroucení lze vyjádřit jako:
Smykovou sílu ve stěně tenkostěnného průřezu lze vyjádřit jako:
Kde
τ je smykový tok ve stěně,
tef je účinná tloušťka stěny,
z je délka strany stěny,
TEd je krouticí moment,
Ak je plocha ohraničená střednicemi navazujících stěn, včetně vnitřních dutin.
Moment na mezi vzniku trhlin při kroucení lze určit dosazením fctd do předchozího vztahu. Tak získáme vztah pro únosnost v kroucení bez výztuže pro kroucení.
kde fctd je návrhová hodnota pevnosti betonu v tahu

Únosnost prvku s výztuží pro kroucení se skládá z únosnosti tlačených betonových diagonál, která je opět založena na metodě příhradové analogie. Tlakové napětí v diagonále lze vyjádřit pomocí smykové síly ve stěně tenkostěnného průřezu na uvažované ploše stěny, tj.
Dosazením σc=σcwfcd a TEd=TRd,max a vyjádřením TRd,max získáme rovnici pro únosnost tlačené diagonály
kde
ν = 0,6 pro fck ≤ 60MPa nebo pro fck > 60MPa
αcw je součinitel zohledňující stav napětí v tlačeném pásu
fcd je návrhová hodnota pevnosti betonu v tlaku
Únosnost smykové výztuže namáhané kroucením je opět založena na napětí v tlačené diagonále. Síla ve třmínku je rovna napětí v tlačené diagonále na ploše, která odpovídá příslušné řadě třmínků, tj.
Dosazením TEd=TRd,s a vyjádřením TRd,s získáme rovnici:
Je-li známo množství podélné a smykové výztuže, můžeme úhel θ určit ze vztahu
Dosazením do TRd,s získáme
Kde
Asw je plocha smykové výztuže
s je osová vzdálenost třmínků smykové výztuže
fywd je účinná návrhová pevnost smykové výztuže
Asl je plocha podélné výztuže
uk je vnější obvod průřezu
fywd je účinná návrhová pevnost podélné výztuže
Sílu v podélné výztuži lze odvodit ze smykové síly ve stěně průřezu namáhaného čistým krouticím momentem, která je dána vztahem:
Tato síla se transformuje do podélného směru a získáme:
Přípustný rozsah hodnot úhlu θ je podobný jako při posouzení na smyk, tj. 1 < cot θ < 2,5. Závislost mezi jednotlivými únosnostmi je zobrazena na obr. níže. Diagram ukazuje, že se zvětšujícím se úhlem θ únosnost TRd,max roste, únosnost TRd.s klesá a únosnost TRd,c je konstantní, protože není založena na metodě příhradové analogie.

Výpočet charakteristik průřezu pro kroucení
Pro posouzení průřezu na kroucení je nutné stanovit tzv. ekvivalentní tenkostěnný uzavřený průřez. Při určování rozměrů ekvivalentního tenkostěnného průřezu se předpokládá obdélníkový tvar. Pro skutečnou plochu obdélníku platí A = b×h a pro obvod obdélníku u =2 (b +h). Pomocí těchto dvou rovnic lze získat náhradní tenký obdélníkový tvar se stejnou plochou a obvodem jako původní průřez. Řešením dvou rovnic o dvou neznámých získáme:
Tloušťku stěny ekvivalentního průřezu lze určit z obvodu a plochy průřezu jako:
Plocha a obvod definované střednicí ekvivalentního průřezu pak jsou:
Problém této metody nastává u průřezu tvaru T se širokou deskou, kdy se pro výpočet rozměrů použije celková plocha a obvod (včetně této desky). V budoucích verzích programu IDEA RCS bude umožněn výběr nejmasivnější části průřezu, která bude použita pro posouzení na kroucení.
Interakce
Interakce smykové síly a kroucení pro smykové vyztužení
Stanovení síly ve smykovém vyztužení od smykové síly.

Výpočet vychází ze vztahu pro únosnost smykového vyztužení definovaného v EN 1992-1-1. Z rovnice 6.13 (kap. 6.2.3 (4)) lze odvodit únosnost jedné větve třmínku takto:
Asw,V . . . plocha průřezu jedné větve třmínku přenášející smyk v uvažovaném řezu
s . . . . . osová vzdálenost smykového vyztužení ve směru podélné osy prvku
asw,V . . . plocha průřezu smykového vyztužení na jednotku délky
z . . . . . rameno vnitřních sil. Pro prvek s konstantní výškou odpovídá ohybovému momentu v posuzovaném prvku. Při smykovém posouzení železobetonu bez osové síly lze obvykle použít přibližnou hodnotu z = 0,9d.
fywd . . . návrhová mez kluzu smykového vyztužení
θ . . . . . úhel mezi tlakovou betonovou vzpěrou a osou prvku kolmou na smykovou sílu
α . . . . . úhel mezi smykovým vyztužením a osou prvku kolmou na smykovou sílu
β . . . . . sklon větve třmínku vzhledem k výslednici působící smykové síly

Smyková síla se rovnoměrně rozdělí mezi jednotlivé pruty vyztužení přenášející smyk. Rozdělení vychází ze sklonu vyztužení a osové tuhosti jednotlivých větví třmínků.
Dále lze odvodit průměrné přetvoření vyztužení ve směru výslednice smykové síly:
Skutečné přetvoření i-tého vyztužení lze vypočítat jako:
Napětí v dané větvi vyztužení:
Stanovení síly v jednotlivém třmínku od kroucení
Únosnost průřezu v kroucení lze vypočítat na základě uzavřeného tenkostěnného průřezu, v němž je rovnováha zajištěna uzavřeným smykovým tokem. Plné průřezy lze modelovat ekvivalentními tenkostěnnými průřezy. U neplných průřezů nesmí ekvivalentní tloušťka stěny překročit skutečnou tloušťku stěny.
Smykový tok ve stěnách uzavřeného tenkostěnného průřezu od kroucení lze vypočítat jako:
Smyková síla v konkrétní stěně je pak:
li . . . . délka střednice uvažované stěny
Smyková síla ve stojině – délku střednice stojiny lze nahradit hodnotou ramene vnitřních sil „z“.
Síla ve třmíncích přenášejících kroucení na jeden metr délky prvku (na jednotku délky):
Rozklad sil pro jednotlivé třmínky
Pokud je pro všechny třmínky definován stejný materiál, je výsledné napětí od kroucení v každé větvi třmínku konstantní. Pak platí:
kde asw,T je celková plocha třmínků přenášejících kroucení na jednotku délky.
Pokud mají jednotlivé třmínky různé materiály, je nutné zohlednit osovou tuhost jednotlivých prutů.
nT . . . . počet větví vyztužení (skupin vyztužení) přenášejících kroucení
Fsi,T . . . síla v i-té skupině vyztužení od kroucení na jednotku délky
asi,T . . . plocha průřezu smykového vyztužení přenášejícího kroucení na jednotku délky
Esi,T . . . Youngův modul pružnosti i-té skupiny vyztužení přenášejícího kroucení
εsw,T . . přetvoření ve vyztužení od kroucení
Výsledné napětí v každém třmínku od působícího kroucení se vypočítá jako:
Interakce V+T
Napětí ve třmíncích od smyku a kroucení se pak vypočítá jako součet napětí od jednotlivých složek zatížení.
Výsledná síla v i-tém vyztužení:
Interakce smyku, kroucení a ohybu pro podélné vyztužení
Stanovení síly v jednotlivém podélném vyztužení od normálové síly a ohybového momentu
Aplikace RCS se používá k výpočtu odezvy průřezu na kombinaci normálové síly a ohybového momentu. Určuje se tak napětí a přetvoření v jednotlivých podélných prutech a předpínací výztuži.
Stanovení síly v jednotlivém podélném vyztužení od smykové síly
Přírůstek tahové síly v podélném vyztužení ΔFtd od smykové síly závisí na geometrii modelu vzpěra-táhlo.
ΔFtd . . . přírůstek tahové síly v podélném vyztužení od smykové síly
Ved . . . . návrhová hodnota smykové síly působící v uvažovaném řezu
θ . . . . . úhel mezi tlakovou betonovou vzpěrou a osou prvku
α . . . . . úhel mezi smykovým vyztužením a osou prvku

Pro podélné vyztužení umístěné v taženém pásu se výsledná síla Ft v podélném vyztužení od kombinace N+M+V uvažuje nejvýše MEd,max/z (kde MEd,max je maximální moment po délce nosníku).
Sílu ΔFtd přenášejí všechny kabely předpětí se soudržností a vyztužení umístěné v části průřezu, která přenáší smyk (u profilu I jde o stojinu). Na straně bezpečné lze příspěvek předpínací výztuže uvažovat jako nulový. Výpočet předpokládá, že přírůstek osového přetvoření jednotlivého podélného vyztužení přenášejícího smyk je konstantní (Δεs1,V = Δεs2,V = .... =Δεp1,V = Δεp2,V = ... = ΔεV = const.). Odvození platí pro bilineární pracovní diagram výztuže s vodorovnou plastickou větví. V případě diagramu s nakloněnou větví je nutné výpočet upravit.
ΔεV . . . . přírůstek přetvoření vpodélném vyztužení od smykové síly
ns,V . . . . počet podélných prutů vyztužení přenášejících smykovou sílu
Asl,i,V . . . plocha i-tého podélného vyztužení přenášejícího smykovou sílu
Esl,i,V . . . Youngův modul pružnosti i-tého podélného vyztužení přenášejícího smykovou sílu
np,V . . . . počet kabelů přenášejících smykovou sílu
Apl,i,V . . . plocha i-tého kabelu přenášejícího smykovou sílu
Epl,i,V . . . Youngův modul pružnosti i-tého kabelu přenášejícího smykovou sílu
Po stanovení hodnoty síly ΔFtd lze vypočítat průměrné přetvoření vyztužení ΔεV.
Přírůstek napětí v jednotlivých podélných prutech od působící smykové síly:
pro betonářskou výztuž
pro kabel předpětí
Stanovení síly v jednotlivém podélném vyztužení od kroucení
Je velmi důležité určit podélné vyztužení, které přenáší kroucení. Jedná se o vyztužení umístěné v náhradním účinném tenkostěnném průřezu přenášejícím kroucení.

Podle EN 1992-1-1 musí být pro podélné vyztužení přenášející kroucení splněno několik podmínek:
- vyztužení má být rovnoměrně rozloženo po délce zi, u malých průřezů však může být soustředěno v rozích třmínku
- maximální osová vzdálenost podélného vyztužení je 350 mm
Příspěvek předpínací výztuže se podle EN 1992-1-1 neuvažuje.
Norma EN 1992-2 uvádí, že příspěvek předpínací výztuže lze uvažovat, přičemž maximální přírůstek napětí v předpínací výztuži nesmí překročit Δσp ≤ 500MPa. Vztah pak lze upravit takto:
Přírůstek napětí v předpínací výztuži však lze uvažovat, ale záleží to na volbě uživatele. V současnosti se předpínací výztuž ve výpočtu neuvažuje.
Výpočet předpokládá, že přírůstek osového přetvoření každého podélného vyztužení přenášejícího smyk je konstantní (Δεs1,T = Δεs2,T = .... =Δεp1,T = Δεp2,T = ... = ΔεT = const.). Odvození platí pro bilineární pracovní diagram výztuže s vodorovnou plastickou větví. V případě diagramu s rostoucí větví je nutné výpočet upravit.
Ted . . . . návrhová hodnota kroutícího momentu působícího v uvažovaném řezu
θ . . . . . sklon tlakových diagonál vzhledem k podélné ose nosníku (shodný jako pro smykovou sílu)
uk . . . . obvod plochy Ak
Af . . . . plocha vymezená střednicí náhradního dutého tenkostěnného průřezu
ns,T . . . .počet podélných prutů betonářské výztuže přenášejících kroutící moment
Asl,i,T . . . plocha i-tého podélného prutu betonářské výztuže přenášejícího kroutící moment
ΔεT . . . .změna přetvoření podélného vyztužení od kroutícího momentu
Δσs,i,T . . změna napětí v i-tém podélném vyztužení od kroutícího momentu
Esl,i,T . . . modul pružnosti i-tého podélného prutu betonářské výztuže přenášejícího kroutící moment
Přírůstek napětí v každém podélném vyztužení od působícího kroutícího momentu:
Kontrola omezení napětí
Posouzení vychází z obecných předpokladů, kde se řeší dva stavy průřezu: průřez bez trhlin (tahová pevnost betonu se neignoruje) a průřez s plně rozvinutými trhlinami (tahová pevnost betonu se ignoruje). Řešení se zanedbanou tahovou pevností betonu se uvažuje podle předpokladů článku 7.1 (2) EN 1992-1-1.
Při výpočtu napětí a průhybů se uvažuje průřez bez trhlin, pokud tahové napětí od ohybu nepřekročí fct, eff. Hodnotu fct, eff lze uvažovat jako fctm nebo fctm,fl. Hodnota fctm se používá při výpočtu šířky trhlin a tahového zpevnění.
V rámci tohoto posouzení řešíme čtyři základní případy z hlediska omezení napětí.
- 7.2 (2) Tlakové napětí v prvcích vystavených prostředí tříd expozice XD, XF a XS by mělo být omezeno:
- 7.2 (3) Napětí v betonu při kvazistálém zatížení je omezeno:
- 7.2 (5) Tahová napětí ve vyztužení při charakteristické kombinaci zatížení musí být omezena:
- 7.2 (5) Pokud je napětí způsobeno vynuceným přetvořením, tahové napětí by nemělo překročit:
Hodnoty k1, k2, k3, k4 pro použití v dané zemi lze nalézt v její národní příloze. Doporučené hodnoty jsou 0,8; 1 a 0,75, charakteristická mez kluzu vyztužení, fck charakteristická válcová pevnost fck stanovená po 28 dnech.
Trhliny
Vznik trhlin
Charakteristickým rysem železobetonových konstrukcí namáhaných ohybem nebo tahem je vznik trhlin v místech, kde tahové napětí v betonu překročí pevnost betonu v tahu. Pro trvanlivost konstrukce i pro její estetický vzhled je důležité zajistit, aby vzniklé trhliny byly co nejmenší. Výpočet šířek trhlin i maximální přípustné šířky pro jednotlivé třídy prostředí jsou uvedeny v EN 1992-1-1, kapitola 7.3.
V prvním kroku výpočtu se určí, zda je průřez s trhlinami, nebo bez trhlin. Šířka trhliny se vždy počítá z kvazistálé nebo častné kombinace zatížení (podle národní přílohy), ale vznik trhlin je nutné posoudit ze všech předepsaných kombinací MSP. Mohou tedy nastat dva případy:
- Maximální tahové napětí v betonových vláknech nepřekročí pevnost betonu v tahu při žádné kombinaci zatížení (kvazistálé ME,qp, častné ME,fr nebo charakteristické ME,k), a proto uvažujeme průřez bez trhlin.
- Pokud vzniknou trhliny při některé z kombinací (kvazistálé, častné nebo charakteristické), tj. ohybový moment od uvažované kombinace zatížení je větší než kritický moment Mcr, je průřez od této kombinace zatížení s trhlinami a je nutné vypočítat charakteristiky průřezu s trhlinami a šířku trhliny.
ME,i . . ohybový moment získaný z některé kombinace zatížení pro MSP. Může to tedy být ME,qp, ME,fr nebo ME,k.
fct,ef . . pevnost betonu v tahu v uvažovaném čase. Pokud je beton starší než 28 dní, uvažujeme pevnost rovnou fctm.
Výpočet šířky trhlin
U prvku zatíženého ohybem se vznik trhlin dělí na 2 jevy:
- Fáze vzniku trhlin (stadium č. 2 na obr. 1)
- Stabilizovaný vývoj trhlin (stadium č. 3 na obr. 1)

Fáze vzniku trhlin
Jedná se o počáteční část procesu, kdy se postupně objevují jednotlivé trhliny, dokud není celá tažená část prvku zasažena trhlinami, které jsou přibližně rovnoměrně rozloženy po délce prvku. První trhlina vznikne, když síla v taženém pásu překročí hodnotu kritické síly Nr (kritická tahová síla, viz níže), a další trhliny se vyvíjejí až do úrovně zatížení, při které je síla v taženém pásu přibližně 1,3Ncr (stadium č. 2 na obr. 1).

Vznikající trhliny se dělí na 2 typy – primární a sekundární trhliny. Primární trhliny vznikají v tažených vláknech při dosažení účinné pevnosti betonu v tahu (fct,eff). Primární trhliny představují první obraz trhlin (obr. 2). Mezi primárními trhlinami pak vznikají kratší sekundární trhliny (obr. 3). Při napětích odpovídajících přibližně 1,2 až 1,5 σsr (obvykle se uvažuje střední hodnota 1,3 σsr, kde σsr je napětí ve vyztužení při vzniku primárních trhlin v tažené oblasti betonu) se vývoj sekundárních trhlin rovněž dokončí.

Šířku trhliny ve fázi vzniku trhlin lze vypočítat takto:

Stabilizované stadium trhlin
Po překročení přibližně 1,3násobku kritické síly v tažené oblasti už nevznikají nové trhliny, počet trhlin v prvku se stabilizuje a s dalším zatěžováním se zvětšuje pouze šířka stávajících trhlin (stadium č. 3 na obr. 1).

Šířku trhliny při stabilizovaném vývoji lze vypočítat jako:

Kritická tahová síla
Výpočet vychází z modelu taženého pásu (Tension Chord Model, TCM). Základním předpokladem je výpočet mezní únosnosti železobetonového pásu tvořeného výztužným prutem o ploše As,eff, který je obklopen účinnou plochou taženého betonu Ac,eff, jež je schopna přenášet tahové napětí, dokud není překročena pevnost v tahu fct,eff (běžně uvažujeme fctm). Za předpokladu dokonalé soudržnosti mezi vyztužením a betonem můžeme uvažovat, že do vzniku první trhliny je přetvoření vyztužení a okolního betonu shodné. Poté lze určit maximální sílu v taženém pásu těsně před vznikem první trhliny Nr:
Zavedením substituce
získáme:
Bezprostředně po vzniku první trhliny je celá síla Nr přenášena vyztužením, a napětí ve vyztužení procházejícím právě vzniklou trhlinou lze tedy vypočítat jako:
Výpočet šířky trhlin podle EC 1992-1-1
K výpočtu šířky trhlin na železobetonových prvcích se používá následující rovnice:
sr,max . . . maximální vzdálenost trhlin
εsm . . . . průměrné přetvoření vyztužení od kombinace zatížení, včetně vlivu tahového zpevnění.
εcm . . . . průměrné přetvoření betonu mezi trhlinami
Výpočet rozdílu přetvoření
Rozdíl přetvoření vyztužení a betonu mezi trhlinami lze získat z rovnice:
σs . . . . napětí ve vyztužení v trhlině od uvažované kombinace zatížení
kt . . . . empirický součinitel zohledňující průměrné přetvoření v závislosti na době trvání zatížení. Pro krátkodobý výpočet může nabývat hodnoty 0,6. Při dlouhodobém výpočtu se uvažuje snížení tuhosti složeného průřezu na přibližně 70 %, proto je jeho hodnota 0,4, která zahrnuje míru časové degradace soudržnosti mezi vyztužením a betonem.
αe . . . . účinný poměr modulů pružnosti
ςp,eff . . . . účinný stupeň vyztužení
Ac,eff . . . . účinná plocha taženého betonu obklopujícího vyztužení (určení Ac,eff viz níže)
As,eff . . . . plocha soudržného vyztužení nacházejícího se v oblasti Ac,eff
Ap´ . . . . plocha kabelů s předpětím nebo s dodatečným předpětím v oblasti Ac,eff
ξ1 . . . . . upravený poměr pevnosti soudržnosti, který zohledňuje různé průměry předpínací a betonářské oceli:
ξ . . . poměr pevnosti soudržnosti předpínací a betonářské oceli (tabulka 6.2)
ϕs . . největší průměr prutu betonářské oceli
ϕp . . průměr nebo ekvivalentní průměr předpínací oceli
U svazků je Ap plocha vyztužení v kabelu
Pro jednotlivá sedmidrátová lana, kde φwire je průměr drátu
Pro jednotlivá třídrátová lana, kde φwire je průměr drátu
Pokud se k omezení vzniku trhlin používá pouze předpínací vyztužení, je nutné uvažovat následující.
U předpjatých prvků není minimální plocha soudržného vyztužení vyžadována, pokud při charakteristické kombinaci zatížení a charakteristické hodnotě předpínací síly není tahové napětí v žádném vlákně větší než pevnost betonu v tahu fct,eff. (podrobnosti viz EN 1992-1-1, kap. 7.3.2)

Účinná plocha taženého betonu
Důležitým, a zároveň nejsložitějším krokem výpočtu je určení účinné plochy taženého betonu obklopujícího vyztužení. Eurokód i Model Code uvažují jednoduché způsoby zatížení, kdy je železobetonový prvek zatížen jednoosým ohybem nebo tahem. Hodnota účinné výšky se určí jako:

Obvykle je rozhodující hodnota hc,eff = 2,5(h-d). U tažených prvků je horní mez h/2, zatímco u ohýbaných prvků je to (h-x)/3. Plocha Ac,eff je však omezena také šířkou určenou z rovnice 5(c+ϕ/2). Pokud je osová vzdálenost vyztužení větší než 5(c+ϕ/2), uvažuje se pro jednotlivé pruty účinná plocha taženého betonu o šířce 5(c+ϕ/2).

Maximální vzdálenost trhlin
Při výpočtu maximální vzdálenosti trhlin sr,max mohou nastat dva případy:
- Osová vzdálenost soudržného vyztužení nepřekročí hodnotu 5(c+ϕ/2) – obr. 9a
- Osová vzdálenost soudržného vyztužení je větší než 5(c+ϕ/2) – obr. 9b
Maximální vzdálenost trhlin sr,max pro případ, kdy osové vzdálenosti vyztužení nepřekročí hodnotu 5(c+ϕ/2), je definována takto:
c . . . . . hodnota krytí betonu v mm. Protože krytí okrajového vyztužení může být k vodorovným a svislým okrajům různé, doporučuje se uvažovat největší hodnotu krytí zjištěnou pro posuzované vyztužení.
ϕ . . . . průměr soudržného vyztužení. V případě různých průměrů vyztužení se ekvivalentní průměr vypočítá podle rovnice 7.12 v EN 1992-1-1.
k1 . . . . součinitel zohledňující soudržnostní vlastnosti soudržného vyztužení
- k1 = 0,8 pro pruty s vysokou soudržností
- k1 = 1,6 pro pruty s prakticky hladkým povrchem (např. předpínací kabely)
k2 . . . . součinitel zohledňující rozdělení přetvoření
- k2 = 1,0 pro ohyb
- k2 = 0,5 pro čistý tah

Pro případy excentrického tahu nebo pro lokální oblasti je třeba použít mezilehlé hodnoty k2, které lze vypočítat ze vztahu:

k3 . . . . součinitel vyjadřující délku oblasti v blízkosti trhliny, kde je narušena soudržnost mezi betonem a vyztužením. Doporučená hodnota základního součinitele podle EC k3 = 3,4 může být upravena národní přílohou.
k4 . . . . součinitel vyjadřující vztah mezi soudržností a pevností betonu v tahu. Doporučená hodnota základního součinitele podle EC k4 = 0,425 může být upravena národní přílohou.
Maximální vzdálenost trhlin sr,max pro případ, kdy osové vzdálenosti vyztužení překročí hodnotu 5(c+ϕ/2), je definována takto:
Hodnoty maximální vzdálenosti trhlin podle rovnice
by měly být vždy větší než hodnoty určené z rovnice
v opačném případě se doporučuje uvažovat větší vzdálenost získanou z výše uvedených rovnic. Rovnice pro přetvoření betonu a vyztužení se pro případ velké osové vzdálenosti vyztužení neupravuje. V oblastech s regulovanou šířkou trhlin by osová vzdálenost jednotlivých vyztužení neměla být větší než 5(c+ϕ/2).
Výpočet šířky trhlin implementovaný v RCS
Určení účinné plochy Ac,eff
Protože není zcela jednoznačné určit, které vyztužení lze považovat za podélné vyztužení omezující trhliny, určuje se Ac,eff pomocí následujícího iteračního postupu.
- Ze všeho taženého vyztužení se určí těžiště tahových sil Cg,s,1. Účinná výška vyztužení d je vzdálenost mezi Cg,s a nejvíce tlačeným vláknem betonu, měřená ve směru výsledného ohybového momentu. Současně se určí poloha neutrální osy a výška tlačené oblasti x pro průřez s trhlinami. Tím lze určit účinnou výšku hc,eff:

- Vyloučením veškerého vyztužení, které leží mimo Ac,eff,1, se určí nové těžiště vyztužení Cg,s,2 spolu s novou účinnou výškou vyztužení d. Účinná výška hc,eff se určí stejným způsobem jako v předchozím kroku, pouze se změněnými vstupními hodnotami.

Opět se ověří, zda veškeré uvažované tažené vyztužení leží v Ac,eff,2. Je-li tato podmínka splněna, lze iteraci ukončit a hodnoty hc,eff,2, Ac,eff,2 a As,eff,2 se zobrazí jako výsledné hodnoty v IDEA StatiCa RCS.
Možné případy výpočtu šířky trhlin
Obecně mohou při výpočtu šířek trhlin nastat tři případy:
- Tažené vyztužení leží v oblasti Ac,eff a osová vzdálenost jednotlivých vyztužení je menší než 5(c+ϕ/2). Pro výpočet se pak použijí následující vztahy:
- Tažené vyztužení leží v Ac,eff a osová vzdálenost jednotlivých vyztužení překračuje hodnotu 5(c+ϕ/2). Pro výpočet se pak použijí následující vztahy:
- Tažené vyztužení neleží v Ac,eff (příčinou může být například velké krytí).

V tomto případě by nebylo možné šířku trhlin vypočítat. Výpočet účinné výšky hc,eff se proto upraví takto:
Současně se zobrazí následující nesplnění požadavků:
Účinná plocha taženého betonu obklopujícího vyztužení nebo předpínací kabely o výšce hc,eff, kde hc,eff je menší z hodnot 2,5(h – d) nebo h/2. Při uvažování hodnoty (h – x)/3 leží vyztužení mimo účinnou plochu taženého betonu, a proto by nebylo možné vypočítat šířku trhlin podle článku 7.3.4.
Diagram N-M-κ
Diagram N-M-κ znázorňuje křivost prvku (ohybovou tuhost) jako funkci působícího ohybového momentu a normálové síly. Existují tři typy diagramů N-M-κ:
- krátkodobý,
- dlouhodobý
- MSÚ.
Tyto diagramy se liší typy diagramů napětí-přetvoření použitými pro výpočet (vysvětleno níže).

K určení diagramu N-M-κ se používá výpočet tuhosti pro vybrané charakteristické stavy průřezu. Obecně může jít o jakýkoli stav průřezu, pro který se vypočte odezva a z níž se odvodí ohybová tuhost a křivost. V IDEA RCS uvažujeme čtyři charakteristické body (Mr, Mc, Ms a Mu)
Mr - moment na mezi vzniku trhlin
Průřez je zatížen uživatelem zadanou normálovou silou a rovina přetvoření se začne natáčet (ve směru zadaného ohybového momentu), dokud není v některém vlákně betonu dosaženo mezní pevnosti betonu v tahu (pro třídu betonu C30/37 je to fctm = 2,896 MPa). Pro výpočet se pro vyztužení i beton používá bilineární diagram napětí-přetvoření s vodorovnou plastickou větví.

Mc - ohybový moment, při kterém je dosaženo pevnosti betonu v tlaku
Z předchozího kroku se určí nejvíce využité tlačené vlákno betonu. Pro toto vlákno se nastaví přetvoření při mezní pevnosti betonu (fck/Ecm pro krátkodobý diagram, fck/Eceff pro dlouhodobý diagram a fcd/Ecm pro diagram MSÚ). Na základě zadané normálové síly a směru ohybového momentu se iteračním postupem hledá rovina přetvoření, při které je odezva průřezu v rovnováze se zadanou normálovou silou. Pro výpočet se pro vyztužení i beton používá bilineární diagram napětí-přetvoření s vodorovnou plastickou větví.

Ms - ohybový moment, při kterém je dosaženo meze kluzu v nejvíce využitém výztužném prutu
Dalším charakteristickým bodem diagramu N-M-κ je stav napětí v průřezu, při kterém je dosaženo meze kluzu v nejvíce využitém výztužném prutu (přetvoření prutu výztuže se rovná fyk/Es pro krátkodobý a dlouhodobý diagram, fyd/Es pro diagram MSÚ). Iterační postup nalezne rovnováhu normálových sil v průřezu natáčením roviny přetvoření kolem bodu určeného polohou nejvíce využitého výztužného prutu. Pro výpočet se pro vyztužení i beton používá bilineární diagram napětí-přetvoření s vodorovnou plastickou větví.

Mu - ohybový moment v mezním stavu únosnosti
Jedná se o mezní únosnost průřezu v ohybu, když je průřez zatížen zadanou návrhovou normálovou silou Ned. Při výpočtu únosnosti průřezu se předpokládá, že je dosaženo pevnosti v tlaku v nejvíce využitém vlákně betonu a pevnosti v tahu v nejvíce využitém výztužném prutu (maximální přetvoření betonu εcu = 0,1 a vyztužení εs,max = 0,5. Pro výpočet se pro vyztužení používá bilineární diagram napětí-přetvoření s vodorovnou plastickou větví a pro beton parabolicko-rektangulární diagram.

Výsledná tuhost a křivost pro uživatelem zadanou kombinaci normálové síly a ohybového momentu ( Md) se pak vypočtou lineární interpolací mezi jednotlivými charakteristickými body diagramu N-M-κ.
Výpočet tuhostí a křivostí
Tuhosti a křivosti pro každý stav napětí v průřezu (Mr, Mc, Ms nebo Mu) se vypočtou přímo z natočení roviny přetvoření.
EAx . . osová tuhost prvku
N . . . . zadaná normálová síla
εx . . . osové přetvoření v těžišti betonového průřezu
EIy . . . ohybová tuhost prvku
M . . . vypočtený ohybový moment Mr, Mc, Ms nebo Mu
κ . . . . křivost prvku, vypočtená jako tangenta úhlu mezi rovinou přetvoření a podélnou osou prvku
Praktický příklad
Betonový průřez (třída betonu C30/37) je vyztužen výztuží ϕ32 (třída B500B). Zadaná kvazistálá kombinace je N = -730 kN a My = 557 kNm.
Rovina přetvoření pro charakteristický bod Ms je v IDEA RCS určena takto:


Diagramy napětí-přetvoření použité pro výpočet
Vyztužení - Mr, Mc, Ms a Mu

Beton - Mr, Mc, Ms

Beton - Mu

Literatura
[1] Bradáč Betonové konstrukce, 1. část: Dimenzování prvků ze železového a prostého betonu, EXPERT Ostrava, 1996
[2] ČSN EN 1992-1-1 (73 1201) Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, včetně změny NA vyd. A (2007) a revize 1 (2009)
[3] ČSN EN 1992-2 (73 6208) Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 2: Betonové mosty - Navrhování a konstrukční zásady
[4] Navrátil, J. Předpjaté betonové konstrukce. 2. vydání, Akademické nakladatelství CERM, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, 2008
[5] Šmiřák, S. Pružnost a plasticita I, Vysoké učení technické v Brně, Akademické nakladatelství CERM, Brno, 1999
[6] Vondráček, R. Numerické metody při nelineárním návrhu betonu, Diplomová práce, ČVUT, Praha, 2000
[7] Zich, M. a kolektiv Konstrukční Eurokódy - Příklady posouzení betonových prvků dle Eurokódů, online kniha http://www.stavebniklub.cz/konstrukcni-eurokody-onbecd/, Verlag Dashöfer, 2010
Vyzkoušejte IDEA StatiCa zdarma
Začněte svou zkušební verzi ještě dnes a užijte si 14 dní plného přístupu a služeb zdarma.
Spustit bezplatnou zkušební verzi

