Projektuj tarcze żelbetowe w prosty sposób, korzystając z łącza BIM ETABS

Tarcza żelbetowa

Projektowanie tarcz żelbetowych jest zagadnieniem złożonym, ponieważ elementy te często zachowują się jak strefy nieciągłości, w których założenie płaskich przekrojów nie jest spełnione, a zatem standardowych wzorów empirycznych zawartych w normach projektowych nie można stosować. Oznacza to, że funkcje projektowania dostępne w globalnym oprogramowaniu MES, które zazwyczaj opierają się na założeniach dotyczących belek lub słupów, nie są odpowiednie do tego problemu.

W przypadku tarczy pokazanej powyżej inżynierowie konstruktorzy mają do dyspozycji dwie opcje projektowania. Pierwszą jest zastosowanie metody Strut-and-tie – choć jest to metoda dobra i odpowiednia, wymaga dużej ilości pracy ręcznej i podejścia iteracyjnego, co może być czasochłonne. Drugą opcją jest zastosowanie przybliżenia w globalnym oprogramowaniu MES poprzez ocenę głównych naprężeń rozciągających w celu określenia wymagań dotyczących zbrojenia oraz weryfikację, czy główne naprężenia ściskające pozostają poniżej obliczeniowej wytrzymałości betonu.

Opcja druga wydaje się bardziej praktycznym i efektywnym czasowo wyborem, jednak kryje w sobie ukryte niebezpieczeństwo.

Rozciąganie poprzeczne

Gdy beton jest poddany silnemu ściskaniu, często doświadcza odkształceń rozciągających w kierunku prostopadłym – zjawisko to nazywane jest rozciąganiem poprzecznym. Gdy do tego dochodzi, zaczynają tworzyć się drobne rysy, a beton staje się mniej skrępowany i słabszy na ściskanie. Efekt ten, znany jako compression softening, oznacza, że zarysowany beton nie jest w stanie przenosić tak dużych sił ściskających jak beton niezarysowany. W normach projektowych efekt ten jest uwzględniany przy projektowaniu, na przykład, belek wysokich. W krzyżulcach i węzłach belek wysokich stosuje się współczynnik k według Eurokodu (lub β według ACI) o różnych wartościach, zależnie od sytuacji, w celu redukcji maksymalnej nośności betonu na ściskanie ze względu na efekt compression softening.

IDEA StatiCa Detail

IDEA StatiCa Detail wykorzystuje metodę CSFM (Compatible Stress Field Method), która pozwala na dokładną analizę zarówno stref B, jak i stref nieciągłości. Detail uwzględnia również efekty compression softening w analizie poprzez zastosowanie współczynnika kc2, zapewniając tym samym bardziej realistyczną i bezpieczniejszą ocenę nośności krzyżulców betonowych.

IDEA StatiCa 25.1 umożliwia import elementów ściennych z ETABS do IDEA StatiCa Detail. Dzięki temu łączu BIM inżynierowie konstruktorzy mogą w łatwy sposób importować tarcze z ETABS w celu przeprowadzenia dokładniejszej analizy w IDEA StatiCa Detail.

Poniżej przedstawiono tę samą tarczę zaimportowaną z ETABS i przeanalizowaną w IDEA StatiCa Detail. W lewym górnym rogu widać, że przy zadanym podstawowym zbrojeniu analiza SGN wykazuje zniszczenie, mimo że naprężenia ściskające są podobne (około 15 MPa). Dlaczego tak się dzieje?

To zniszczenie w SGN jest spowodowane właśnie uwzględnieniem efektu compression softening przez współczynnik kc2, który redukuje nośność betonu o współczynnik 0,75. Obliczeniowa nośność betonu wynosi zatem σc,lim = fcd x k2 = 20 x 0,75 = 15 MPa. Dlatego przy naprężeniu ściskającym wynoszącym 15 MPa stopień wykorzystania (σc/σc,lim) wynosi 99,5%.

Rozwiązaniem jest dodanie zbrojenia dodatkowego w celu odciążenia betonu od części naprężeń ściskających. W ten sposób tarcza żelbetowa może spełnić wymagania sprawdzenia normowego, co pokazano poniżej. Konieczność dodania zbrojenia dodatkowego na ściskanie zostałaby pominięta, gdyby inżynierowie konstruktorzy nie korzystali z IDEA StatiCa Detail.

Warto zwrócić uwagę, że w lewym górnym rogu uwzględniony jest również wynik SGU, obejmujący ograniczenie naprężeń, ugięcie (z uwzględnieniem efektów długoterminowych) oraz szerokość rys – wszystko to jest analizowane w IDEA StatiCa Detail. Wynik SGU jest czymś, czego dwa pozostałe opisane powyżej podejścia nie są w stanie zapewnić. 

Dzięki zastosowaniu IDEA StatiCa Detail inżynierowie konstruktorzy mogą uzyskać pełną informację o zachowaniu tarczy żelbetowej – nie tylko w SGN, ale również w SGU.

Raport

Po zakończeniu projektowania inżynierowie konstruktorzy mogą wygenerować kompleksowy raport zawierający wszystkie wyniki analizy do przedłożenia. Ponadto można również wygenerować zestawienie materiałów dla prętów zbrojeniowych na potrzeby wykonawstwa.

Wnioski

Projektowanie tarcz żelbetowych wymaga szczególnej uwagi ze względu na złożone interakcje naprężeń występujące w strefach nieciągłości. Uproszczone podejścia lub bezpośrednie wykorzystanie wyników globalnego oprogramowania MES mogą pomijać istotne efekty, takie jak compression softening, prowadząc do przeszacowania nośności betonu. Stosując IDEA StatiCa Detail i opartą na CSFM analizę, inżynierowie konstruktorzy mogą dokładnie uwzględnić te nieliniowe zachowania, zapewniając właściwą weryfikację zarówno wymagań SGN, jak i SGU.

Zasoby

• Samouczek dotyczący łącza BIM ETABS do Detail