Projektuj podziemne tarcze żelbetowe z łatwością, korzystając z łącza BIM ETABS

Budynek zlokalizowany jest bezpośrednio nad konstrukcją podziemną. W związku z tym niektóre pale, które normalnie byłyby wykonane pod słupami, nie mogą zostać zrealizowane. Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie zaproponowali zastosowanie tarcz żelbetowych do podparcia odpowiednich słupów.

Projektowanie tarcz żelbetowych jest jednak z natury złożone, szczególnie gdy występują w nich otwory. Ponadto w przypadku konstrukcji podziemnych szczególnie istotne są wymagania stanu granicznego użytkowalności (SGU), takie jak kontrola szerokości rys, ponieważ konstrukcje te są w kontakcie z gruntem i przez to bardziej podatne na problemy trwałościowe, w tym korozję. Ugruntowane metody projektowania, takie jak metoda Strut-and-tie, dotyczą przede wszystkim wymagań stanu granicznego nośności (SGN), ale nie obejmują w wystarczającym stopniu zachowania w SGU.

Projektowanie tarcz żelbetowych

Projektowanie tarcz żelbetowych jest zagadnieniem złożonym, ponieważ elementy te często zachowują się jak strefy nieciągłości, w których założenie o płaskich przekrojach nie jest spełnione, a zatem nie można stosować standardowych wzorów empirycznych zawartych w normach projektowych. 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 zagadnienia.

W przypadku tarczy pokazanej powyżej inżynierowie mają dwie możliwości jej zaprojektowania. Pierwszą jest zastosowanie metody Strut-and-tie – choć jest to dobra i odpowiednia metoda, 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.

IDEA StatiCa Detail

IDEA StatiCa Detail wykorzystuje metodę CSFM (Compatible Stress Field Method), która pozwala dokładnie obsługiwać zarówno strefy B, jak i strefy nieciągłości. Detail uwzględnia również efekty compression softening w analizie za pomocą współczynnika kc2, zapewniając tym samym bardziej realistyczną i bezpieczniejszą ocenę nośności krzyżulców ściskanych.

IDEA StatiCa 25.1 umożliwia import elementów ściennych z ETABS do IDEA StatiCa Detail. Dzięki temu łączu BIM inżynierowie mogą łatwo 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 17 MPa). Dlaczego tak się dzieje?

To zniszczenie w SGN jest spowodowane uwzględnieniem efektu compression softening przez współczynnik kc2, który redukuje nośność betonu o współczynnik 0,87. W związku z tym nośność betonu wynosi teraz σc,lim = fcd x k2 = 20 x 0,87 = 17,4 MPa. Dlatego przy naprężeniu ściskającym 17 MPa stopień wykorzystania (σc/σc,lim) wynosi 99,5%. Czym zatem jest efekt compression softening?

Compression Softening

Gdy beton jest poddany dużemu ściskaniu, często dochodzi do odkształceń rozciągających w kierunku prostopadłym, co nazywane jest rozciąganiem poprzecznym. Gdy to nastąpi, 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 może przenosić tak dużej siły ściskającej 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 w Eurokodzie (lub β w ACI) o różnych wartościach, w zależności od sytuacji, w celu redukcji maksymalnej nośności betonu na ściskanie ze względu na efekt compression softening. Dzięki zastosowaniu IDEA StatiCa Detail współczynnik redukcyjny kc2 jest obliczany automatycznie na podstawie rzeczywistego stanu naprężeń.

Rozwiązanie

Rozwiązaniem jest dodanie zbrojenia dodatkowego w celu odciążenia betonu ze ściskania. W ten sposób tarcza żelbetowa może przejść sprawdzenie normowe, jak pokazano poniżej. Konieczność dodania zbrojenia ściskanego zostałaby przeoczona, gdyby inżynierowie nie skorzystali 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 mogą być w pełni poinformowani o zachowaniu swojej tarczy żelbetowej – nie tylko w SGN, ale również w SGU.

Raport

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

Podsumowanie

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

Zasoby

• Samouczek dotyczący łącza BIM ETABS do Detail