Osiągnij niemożliwe, szczególnie w projektowaniu kotew

Można by powiedzieć: „Po prostu projektuj to, na co norma wyraźnie pozwala". Ale sprawdźmy, jak to wygląda w rzeczywistości: tak to po prostu nie działa, czy to ze względu na ciasne przestrzenie, czy wymagania techniczne i architektoniczne. Dlatego kotwianie, które można uznać za „graniczne" (w przenośni) – a ściślej mówiąc, określone typy kotwiania – można spotkać wszędzie wokół nas. Wiele przypadków jest precyzyjnie obliczanych i weryfikowanych bardziej zaawansowanymi metodami (nawet jeśli zajmuje to nadmiernie dużo czasu). Jednak wiele przypadków prawdopodobnie nie zostało ocenionych tak dokładnie, jak na to zasługują. 

IDEA StatiCa od pewnego czasu zmienia i przesuwa granice projektowania połączeń stalowych, elementów stalowych i betonowych oraz szczegółów betonowych. Nie chodzi o uproszczenie procesu pracy poprzez obliczenia komputerowe, lecz przede wszystkim o innowacyjne metody, które pozwalają projektować to, co wcześniej było nie do pomyślenia. Nasze najnowsze osiągnięcie, wydanie IDEA StatiCa Detail dla 3D, ponownie rozszerza możliwości projektowania dalej niż dotychczas.

Niezależnie od tego, czy należysz do grupy, która zmaga się z projektowaniem kotew przez wiele dni, czy polega wyłącznie na doświadczeniu, ale potem nie śpi spokojnie – czytaj dalej.

Drzwi do nowych możliwości

Jeśli zajmujesz się kotwieniem konstrukcji, prawdopodobnie możesz wymienić kilka przypadków, które sprawiły Ci niemały kłopot. Oto kilka przykładów, które niedawno zidentyfikowaliśmy jako bardzo trudne do zaprojektowania przy użyciu wyłącznie standardowych metod. Jednak z pomocą naszych narzędzi IDEA StatiCa Connection i Detail staje się możliwe ich zaprojektowanie w stosunkowo rozsądnym czasie.

Rysunek 1: Wielokrotne kotwianie w jednym bloku betonowym

• Kotwianie przy krawędzi – Kotwianie blisko krawędzi jest niemal niemożliwe do zaprojektowania bez zbrojenia ze względu na sposób zniszczenia betonu (zniszczenie stożkowe i inne). Ocena kotwiania w żelbecie jest sama w sobie pracochłonna – szczegóły znajdziesz w tym artykule: Nie musisz już zmagać się z projektowaniem kotew. Jednak Detail (tryb 3D) jest specjalnie zaprojektowany do takich przypadków – żelbetu. Dodając zbrojenie, możemy zapobiec trybom zniszczenia, które w przeciwnym razie wystąpiłyby w betonie niezbrojonym. Jednocześnie zastosowanie zaawansowanej metody MES (3D CSFM) i jej implementacja w Detail sprawia, że bardzo złożone zadanie staje się stosunkowo proste.

Rysunek 2: Przykłady kotwiania blisko krawędzi w Connection (z elementami stalowymi) i w Detail (ze zbrojeniem)

• Wielokrotne kotwianie w bliskim sąsiedztwie – Problem z bliskim kotwieniem polega na tym, że stożki oddziaływują na siebie nawzajem. Żadne wytyczne nie podają bezpośrednio, jak oceniać takie przypadki. W powszechnie stosowanej literaturze, zarówno EN, jak i wytycznych fib, znajdziemy mniej lub bardziej jedynie warunki i ograniczenia, które możemy konserwatywnie uwzględnić. Zalecają po prostu stosowanie odległości umożliwiających indywidualną ocenę stożków. Jednak gdy tylko nie spełniamy tych warunków, jesteśmy w impasie. Natomiast w Detail, dzięki zaawansowanej metodzie opartej na MES, możemy analizować złożone zachowanie konstrukcji.

Rysunek 3: Wielokrotne kotwianie w jednej ścianie

• Wielokrotne kotwianie ogólnie (podparcie mostu na wspólnym fundamencie) – Typowa sytuacja spowodowana obciążeniem wiatrem, w której jeden słup podpory kratowej jest obciążony rozciąganiem, a drugi ściskaniem. Zachodzi wzajemne oddziaływanie między betonowym stożkiem z grupy kotew rozciąganych a obciążeniem ściskającym od drugiego słupa. Dla takiego przypadku Eurocode nie oferuje zadowalającego rozwiązania analitycznego, nie tylko dlatego, że z natury konieczne jest zbrojenie betonowego fundamentu, więc należy zastosować bardziej zaawansowaną analizę, taką jak Detail i jego 3D CSFM.

Rysunek 4: Kotwianie mostu rurociągowego, zaprojektowane przez FEVIA s.r.o

• Uwzględnienie istniejącego zbrojenia przy renowacjach – Wszelkie renowacje lub rozbudowy mogą być kolejnym interesującym przykładem zastosowania kotwiania w Detail, ponieważ idealnie uwzględnia się istniejące zbrojenie. 

Pojawiające się problemy

Podsumowując:

Eurocode określa tryby zniszczenia zarówno przy rozciąganiu, jak i ścinaniu dla kotew i betonu:

Rysunek 5: Schemat trybów zniszczenia – Design of Steel-to-Concrete Joints Design Manual II

EN 1992-4 jest poświęcona szczegółowej ocenie betonu niezbrojnego. Większości tych zniszczeń betonu można zapobiec przez dodanie zbrojenia, które w niektórych przypadkach jest wręcz konieczne (patrz przykłady powyżej). Jednak norma nie daje nam już jasnych wskazówek, jak sobie z tym radzić.

Kolejny problem pojawia się, gdy stożki betonowe oddziałują na siebie – Eurocode i inna literatura (fib bulletin 58) podają jedynie warunki określające, kiedy i jak te stożki mogą być sprawdzane oddzielnie.

Rysunek 6: CEB-FIB: Bulletin 58 – Design of anchorages in concrete (2011), rozdz. 1.2

Znamy problemy, które mogą wystąpić podczas projektowania, ale co z nimi zrobić? Poddać się czy...

...znaleźć rozwiązanie.

Rozwiązanie 

Detail może bardzo efektywnie rozwiązać powyższe przypadki. Umożliwia ocenę wpływu zbrojenia na nośność, a także ocenę przypadków nieobjętych normą. W połączeniu z Connection możliwe jest uzyskanie kompleksowych sprawdzeń normowych dla wszystkich typów zniszczeń. 

O obu aplikacjach napisano już wiele, ale z pewnością nie zaszkodzi dodać krótkie porównanie i kilka zasobów dla głębszego zrozumienia metod:

• IDEA StatiCa Connection – skupia się na ocenie połączeń stalowych, w tym kotwiania w betonie. Kotwy są sprawdzane według wzorów empirycznych zgodnie z normą. Blok betonowy jest modelowany przy użyciu schematu „Winklera", więc możliwa ocena dotyczy wyłącznie betonu niezbrojnego.
• IDEA StatiCa Detail – Model w Detail oparty jest na elementach skończonych, uwzględniając zbrojenie. Ze względu na podstawowe założenie, że całe rozciąganie jest przenoszone przez zbrojenie (w betonie rozciąganie jest pomijane), rozwiązanie nadaje się wyłącznie dla żelbetu. Stosując 3D CSFM, uzyskujemy naprężenia betonu i zbrojenia/kotew, które są oceniane w odniesieniu do wartości granicznych z Eurokodu. Ponadto otrzymujemy realistyczny obraz zachowania konstrukcji, taki jak przepływy naprężeń i odkształcenia. Metoda 3D CSFM uwzględnia efekty trójosowego stanu naprężeń. 

Rysunek 4: Porównanie między Connection a Detail (dane wejściowe i modele)

Jak wspomniano, do pełnej oceny potrzebna jest kombinacja obu narzędzi. Dla efektywnej pracy możliwy jest import z Connection do Detail, wraz z dodatkowymi parametrami i obciążeniami. 

Aby zrozumieć metodę, możesz przejść do Podstaw teoretycznych. Aby zapoznać się z funkcjonalnościami, przejdź do Informacji o wydaniu. 

Co zamierzasz zrobić?

Detail 3D (z CSFM) stanowi znaczący krok naprzód, umożliwiając pewne projektowanie bardziej złożonych przypadków. Choć niektórzy mogą odczuwać niepokój wobec tego postępu, technologie, którymi dysponujemy, pozwalają nam osiągać więcej niż kiedykolwiek wcześniej – więc dlaczego nie wykorzystać ich potencjału? Postęp jest zarówno naturalny, jak i nieunikniony.

W IDEA StatiCa postrzegamy kotwianie jako dopiero początek. To pierwszy przypadek, który w pełni zweryfikowaliśmy, i jesteśmy zdecydowani rozszerzać nasze działania na inne wyzwania w przyszłości.

Pytanie brzmi: Czy dostosujesz się do tych postępów, czy będziesz opierać się zmianom?