Konstrukcje kratownicowe
Model globalny jest zbudowany głównie z elementów kratownicowych, które przenoszą wyłącznie rozciąganie i ściskanie. Oznacza to, że zginanie i ścinanie w elementach jest całkowicie wyeliminowane. Z perspektywy Metody Elementów Skończonych macierz sztywności jest zdominowana przez składniki osiowe, co eliminuje stopnie swobody związane ze zginaniem i ścinaniem (DOF, Degrees of freedom).
- Zamiana zginania na siły osiowe
- Maksymalne wykorzystanie materiału
- Czytelne ścieżki przekazywania obciążeń
- Możliwość przekrywania dużych rozpiętości
- Uproszczona ocena stateczności
Model globalny
Wspornikowy układ kratownicowy jest zamocowany w prefabrykowanym słupie żelbetowym. Kratownica jest połączona z belką za pomocą pary połączeń przegubowych. Wszystkie siły są przekazywane przez kotwy w rozciąganiu i ścinaniu oraz przez beton w ściskaniu.
01) Globalny model kratownicy i czytelna ścieżka przekazywania obciążeń
Checkbot
Konstrukcje tego typu są importowane do Checkbot z węzłami parzystymi lub wielokrotnymi, których ze swej natury nie można wyeksportować do IDEA StatiCa Connection jako zestawu. W pierwszym kroku węzeł pasa górnego zostanie usunięty. Element pasa górnego nie będzie wówczas powiązany z żadnym istniejącym węzłem i należy go połączyć z węzłem pasa dolnego, w którym schodzą się krzyżulec i element pasa dolnego. Po zakończeniu tej operacji wszystkie elementy zostaną połączone w jednym węźle głównym. Umożliwia to skuteczniejsze sterowanie większą liczbą elementów w zestawie z przesunięciem.
02) Model w Checkbot + scalenie elementów w jednym węźle
IDEA StatiCa Connection
Zbudowany model składa się z szeregu podwójnych kątowników. Pas górny i dolny kratownicy są połączone z prefabrykowanym słupem za pomocą podkładek wylewanych na miejscu budowy, uzupełnionych o płytę podstawy i wstępnie przyspawaną blachę węzłową, co ułatwia sprawny montaż na budowie.
03) Opis zaprojektowanego modelu zakotwienia
W analizie globalnej przyjmuje się zazwyczaj, że siły osiowe działają przez środek ciężkości przekroju. Jeżeli jednak grupa śrub w rzeczywistym połączeniu nie jest wyrównana ze środkiem ciężkości przekroju, powstaje mimośród. Ten mimośród generuje wtórne momenty zginające w łączonych elementach.
Takie efekty nie są uwzględniane w standardowym globalnym modelu MES, o ile geometria połączenia i sposób wprowadzenia obciążenia nie zostaną zamodelowane jawnie. W praktyce dodatkowy moment wynikający z mimośrodu siły osiowej objawia się jako zwiększone naprężenie zginające, które następnie wpływa na końcową wartość naprężenia von Misesa w szczegółowej ocenie połączenia.
Dla analizowanej konfiguracji kratownicy więzy N–Vy–Vz zapewniają bardziej realistyczne odwzorowanie przekazywania sił. Stwierdzenie to nie jest uniwersalnym zaleceniem dla wszystkich układów kratownicowych, lecz wnioskiem właściwym dla tego konkretnego układu konstrukcyjnego.
Te więzy ograniczają odkształcenie obrotowe w złączu, w wyniku czego powstają resztkowe momenty reakcji. Ponadto pionowy krzyżulec ogranicza zginanie pasa, co potwierdza założenie, że więzy N–Vy–Vz lepiej odzwierciedlają rzeczywistą pracę połączenia w tym przypadku.
Z punktu widzenia mechaniki połączeń ten warunek brzegowy jest zatem uznawany za bliższy rzeczywistości fizycznej.
04) Pasy i krzyżulce z nałożonymi więzami
Model szkieletowy pokazuje trajektorie obciążeń oraz linie środków ciężkości każdego przekroju.
05) Model szkieletowy i czytelna ścieżka przekazywania obciążeń
Wizualizacje deformacji i naprężeń pozwalają zrozumieć zachowanie modelu oraz sprawdzić jego poprawność, w tym prawidłowość przyłożenia obciążeń. Rozciąganie w pasie górnym i ściskanie w pasie dolnym wskazują, że model zastępczy działa prawidłowo.
06) Sprawdzenia normowe i postać odkształcona
Oddziaływanie sił nie jest uwzględniane w bloku betonowym ze względu na uproszczone założenia, które są prawidłowe dla ośrodka betonowego w Connection application. Stopień wykorzystania wynosi tylko 38%, a sprawdzenie kotew kończy się niepowodzeniem. Dlaczego tak się dzieje?
Do wiadomości:
Grupy kotew na oddzielnych płytach podstawy oddziałują ze sobą w jednym bloku betonowym. Wykracza to poza zakres norm dotyczących projektowania zakotwień. Wyrwanie betonu przy rozciąganiu oraz odłupanie betonu za kotwą (pryout) nie są sprawdzane. Zniszczenie krawędzi betonu nie jest sprawdzane. (CEB-FIB: Bulletin 58 - Design of anchorages in concrete (2011) – Rozdział 1.2: Rysunek 1.2-8 i Rysunek 1.2-9) .
Program kieruje użytkownika do sprawdzenia normowego w 3D Detail, ponieważ norma nie obejmuje wspomnianego układu.
07) Dlaczego sprawdzenie kotew kończy się niepowodzeniem?
Wyboczenie należy zawsze sprawdzać podczas analizy połączenia. Postać wyboczenia i współczynnik wyboczeniowy stanowią wskaźniki zapasu bezpieczeństwa, a także pozwalają zidentyfikować postać, która najprawdopodobniej jako pierwsza straci stateczność.
Dotyczy to liniowej analizy wyboczeniowej, w której kontakt między blachą węzłową a ściankami podwójnych kątowników jest otwarty.
Kontakt otwarty (szczelina):
Jeżeli blachy są rozdzielone w stanie równowagi:
- Kontakt jest nieaktywny
- Nie jest dodawany żaden udział w sztywności
- Powierzchnie przemieszczają się niezależnie w postaci wyboczenia
Konsekwencje dla rzeczywistych połączeń stalowych:
W wielu połączeniach stalowych:
- blachy węzłowe
- kątowniki
- otwory na śruby
- podkładki
Kontakty są tylko częściowo aktywne w stanie równowagi.
Dlatego w LBA:
- Do sztywności wnoszą wkład tylko strefy aktualnie ściskane
- Potencjalne przyszłe kontakty są pomijane
Może to prowadzić do:
- lokalnej penetracji w postaciach własnych
- nadmiernie podatnych postaci wyboczenia
- nierealistycznych form deformacji.
To nie jest błąd — to fundamentalne ograniczenie analizy wartości własnych wyboczenia z uwzględnieniem kontaktu.
08) Liniowe postacie wyboczenia i współczynnik krytyczny
IDEA StatiCa 3D Detail
Aby domknąć proces projektowy i uzyskać zadowalające rozwiązanie dla wszystkich komponentów — w tym prefabrykowanego słupa żelbetowego — należy uwzględnić istniejący układ zbrojenia i ocenić układ z uwzględnieniem współdziałania kotew i prętów zbrojeniowych.
Mechanizm przekazywania obciążeń nie kończy się na płycie podstawy. Siły w kotwach muszą zostać rozdzielone w element żelbetowy poprzez przyczepność, ograniczenie odkształceń poprzecznych (confinement) oraz mechanizm Strut-and-tie. Dlatego zbrojenie musi być jawnie uwzględnione w modelu weryfikacyjnym.
Dzięki łączu BIM z IDEA StatiCa Connection przesyłanie danych jest proste i wydajne. Można bezpośrednio zaimportować następujące informacje:
- Geometrię słupa betonowego
- Płytę podstawy i konfigurację kotew
- Wynikowe siły w kotwach i spoinach
Znacznie przyspiesza to drogę do końcowej weryfikacji normowej.
Jednak aby uzyskać fizycznie spójną ocenę, obowiązkowe komponenty — w szczególności układ zbrojenia i realistyczne warunki brzegowe — muszą zostać zdefiniowane w modelu 3D Detail (CSFM). Dopiero wtedy można poprawnie ocenić współpracę betonu i zbrojenia oraz zbadać kruche formy zniszczenia (np. wyrwanie betonu) w kontekście układu zbrojonego.
Układ predefiniowanego pola wektorów sił, wyprowadzony z Connection application, gwarantuje sensowny rozkład naprężeń pod płytą podstawy.
09) Zbrojenie, warunki brzegowe + rozkład sił
Należy przeprowadzić kontrolę poprawności oraz oględziny wizualne, aby upewnić się, że model zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami. Przepływ naprężeń ściskających wykazuje oczekiwane zachowanie, a naprężenia w zbrojeniu potwierdzają bezpieczeństwo projektu.
10) Podsumowanie sprawdzenia, przepływ naprężeń
Postać odkształcona powinna być pierwszym wynikiem, służącym do ponownej weryfikacji poprawności warunków brzegowych. Postać odkształcona przedstawia oczekiwane zachowanie.
11) Stan naprężeń w kotwach, postać odkształcona
Wnioski i najważniejsze spostrzeżenia
Model kratownicy = idealizacja osiowa
Skuteczny dla globalnego przepływu sił (wyłącznie rozciąganie/ściskanie), ale efekty zginania i ścinania są pominięte i muszą zostać uwzględnione na poziomie połączenia.
Założenie o osi środka ciężkości ma kluczowe znaczenie
Niewspółosiowość grupy śrub i środka ciężkości przekroju powoduje wtórne zginanie, które nie jest uwzględniane w globalnej analizie MES. Należy to zweryfikować w szczegółowym projekcie połączenia.
Warunki brzegowe decydują o rzeczywistej pracy modelu
W tym przypadku więzy N–Vy–Vz lepiej odzwierciedlają pracę złącza. Zamocowanie obrotowe i oddziaływanie krzyżulców istotnie wpływają na odpowiedź pasa.
Sprawdzenia kotew w betonie niezbrojonym są konserwatywne
Uproszczone założenia normowe mogą wskazywać na zniszczenie. Rzeczywista nośność zależy od współdziałania ze zbrojeniem i redystrybucji sił w elemencie betonowym.
Zbrojenie domyka ścieżkę przekazywania obciążeń
Ścieżka przekazywania obciążeń biegnie dalej poza płytą podstawy. Dopiero model 3D Detail (CSFM) ze zbrojeniem i realistycznymi warunkami brzegowymi oddaje współpracę betonu i zbrojenia oraz zapobiega kruchym formom zniszczenia.
Zawsze sprawdzaj postać odkształconą
Jeżeli deformacja odpowiada intuicji konstrukcyjnej, model prawdopodobnie odzwierciedla rzeczywiste zachowanie.
