Nie trać czasu na sprawdzenia SGU

Zgodnie z Eurocode 1990, stany graniczne dotyczące:

• funkcjonowania konstrukcji lub elementów konstrukcyjnych w normalnych warunkach użytkowania;
• komfortu użytkowników;
• wyglądu obiektu budowlanego;

klasyfikuje się jako stany graniczne użytkowalności (SGU). Obejmują one odkształcenia, drgania oraz uszkodzenia wpływające na wygląd lub trwałość, takie jak np. zarysowanie.

Innymi słowy, te sprawdzenia stanów granicznych nie są ograniczone wytrzymałością elementów konstrukcji, lecz dotyczą przede wszystkim ogólnej trwałości konstrukcji oraz komfortu psychicznego użytkowników.

Pozwólcie, że wyjaśnię to dokładniej. Gdzie czulibyście się bardziej komfortowo? W nowym budynku z już zarysowanymi ścianami i ugiętymi stropami lub belkami, których stan może się z czasem pogarszać? Czy w budynku z gładkimi ścianami, gdzie nie można zauważyć niewielkiego ugięcia stropu? Nie muszę nawet zgadywać, że wszyscy wybierają drugi przykład. I właśnie dlatego powinniśmy zwracać uwagę na sprawdzenia SGU.

Wszyscy wiemy jednak, że czas inżynierów konstruktorów jest cenny, dlatego chcą oni być jak najbardziej efektywni w swoich projektach. Jako rozwiązanie opracowaliśmy nowe funkcje w aplikacji IDEA StatiCa Detail, aby zapewnić inżynierom korzystającym z naszych narzędzi szybkie, ekonomiczne i bezpieczne projektowanie oraz ocenę konstrukcji.

Sprawdzenie ograniczenia naprężeń – już nie takie ograniczające

Jak często spotykaliście się z niezadowalającymi wynikami sprawdzenia ograniczenia naprężeń? W moim przypadku muszę przyznać, że wiele razy. I w większości przypadków wiedziałem już wcześniej, że można je było pominąć ze względu na charakter wyników.

Jednym z najczęstszych problemów są spiętrzenia naprężeń – osobliwości występujące zazwyczaj w ostrych narożnikach. Przyjrzyjmy się, czym są i dlaczego ważne jest, aby nie mylić osobliwości ze koncentracją naprężeń.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że nie widać między nimi różnicy. Niemniej jednak istnieją różnice, o których należy zawsze pamiętać. Ponieważ ostatecznie całościowy projekt zawsze zależy od odpowiedzialnego inżyniera i jego oceny.

Czym jest osobliwość i jak inżynierowie konstruktorzy mogą odróżnić ją od koncentracji naprężeń?

Osobliwość naprężeń to punkt siatki, w którym naprężenie nie zbiega się do określonej wartości, tzn. że teoretycznie wartość naprężenia w miejscu osobliwości jest nieskończona.

Typowo jest to:

• Obszar, w którym przyłożone jest obciążenie skupione.
• Ostry narożnik konstrukcji.
• Punktowe podparcie.
• Narożniki ciał pozostających w kontakcie.

Można mieć pewność, że mamy do czynienia z osobliwością, gdy:

• Następuje gwałtowna zmiana naprężeń w jednym elemencie siatki.
• Wartość naprężenia w jednym węźle siatki przekracza wartość graniczną.
• Dotyczy tylko niewielkiego obszaru konstrukcji i nie obejmuje sąsiednich elementów.

Dawniej, gdy miałem do czynienia z konstrukcjami z osobliwościami, wiedziałem, że w niemal wszystkich przypadkach można je było pominąć z wyżej wymienionych powodów, ale nie było możliwości, aby to zrobić, jeśli chciałem uzyskać zadowalające wyniki sprawdzeń w używanej aplikacji. Oznaczało to konieczność modyfikowania modelu na różne sposoby, co zajmowało dużo czasu, lub ewentualnie zwiększenia klasy materiału bądź wprowadzenia dodatkowego zbrojenia.

I tu do gry wchodzi aplikacja Detail z nową funkcją Ograniczonego sprawdzenia naprężeń.

Zobaczmy, jak funkcja działa na praktycznym przykładzie. Mamy belkę z podcięciem i otworem. Obciążenie stanowi kombinacja obciążenia liniowego i skupionego. Po przeprowadzeniu analizy widać, że sprawdzenie ograniczenia naprężeń dla betonu nie jest spełnione, wraz ze wszystkimi niezbędnymi informacjami.

Po dokładniejszym zbadaniu wyraźnie widać, że wystąpiły obie opisane przeze mnie wcześniej sytuacje. Mamy koncentrację naprężeń w górnej części belki pod płytą podporową obciążenia skupionego oraz osobliwość w ostrym narożniku otworu.

Teraz nadszedł czas na zastosowanie inżynierskiej oceny! Osobliwość w narożniku może być bez wątpienia pominięta w projekcie. Ale co z małym obszarem koncentracji naprężeń? Co powinienem zrobić? Pierwszą rzeczą jest włączenie siatki, co może pomóc w ocenie wpływu. Jeśli nadal nie jest to jasne, mogę przejść do Ustawień, zagęścić siatkę i ponownie dokonać oceny.

Niemniej jednak w naszym przypadku na pierwszy rzut oka widać, że obszar koncentracji naprężeń jest bardzo mały, więc z mojego punktu widzenia dopuszczalne jest również jego wykluczenie z obliczeń.

I można to zrobić całkiem łatwo! W tym celu opracowaliśmy funkcję o nazwie Ograniczone sprawdzenie. Funkcjonalność ta pozwala na pominięcie obszarów niespełniających wymagań. Co to oznacza?

1. Zamiast czerwonych obszarów ze stopniem wykorzystania powyżej 100%, są one wyświetlane na biało, a wartość graniczna sprawdzenia wynosi 100% w przypadku wskaźnika naprężeń lub graniczna wartość naprężenia w MPa.
2. Ponadto w ogólnej tabeli sprawdzeń czerwone kółko ze znakiem krzyżyka zostaje zastąpione żółtym trójkątem z wykrzyknikiem oznaczającym kwestię informacyjną, a pojawia się niezgodność ze szczegółowym opisem.
3. Na dodatek można wyświetlić tylko pominięte obszary, podczas gdy reszta elementu pozostaje biała.

Wszystkie opcje można uwzględnić w raporcie po zakończeniu procesu modelowania i zatwierdzeniu projektu. Dzięki temu będziesz mieć niepodważalną dokumentację, która ucisza wszelkich wątpiących.

Konstrukcje sprężone w IDEA StatiCa

Każdy inżynier konstruktor zajmujący się konstrukcjami z betonu sprężonego wie, że bardzo ważne jest zwracanie uwagi na poszczególne etapy życia konstrukcji, zwłaszcza na początku i na końcu.

Wynika to z faktu, że żadna siła sprężająca nie jest stała. Jej wartość zmienia się wzdłuż długości cięgna sprężającego, a przede wszystkim w czasie. Oczywiste jest, że prawidłowa ocena dokładnej wartości siły sprężającej, a tym samym naprężeń w cięgnach, ma istotny wpływ na zachowanie konstrukcji.

Zmiany siły sprężającej (zmniejszenie siły sprężającej nie musi koniecznie wystąpić!) są spowodowane wieloma czynnikami i określane są mianem strat sprężenia. Tak, użyłem liczby mnogiej celowo. Straty sprężenia dzieli się na:

• Straty natychmiastowe
• Straty długoterminowe (reologiczne)

Straty natychmiastowe

Straty natychmiastowe zazwyczaj występują podczas procesu produkcji. Straty natychmiastowe mogą być spowodowane np. tarciem, poślizgiem w zakotwiu, natychmiastowym odkształceniem sprężystym betonu, relaksacją cięgien itp.

Straty długoterminowe (reologiczne)

Straty długoterminowe występują po przyłożeniu sprężenia i mogą wpływać na konstrukcję przez cały okres jej użytkowania. Przyczynami strat długoterminowych są: pełzanie, skurcz, długoterminowa relaksacja oraz odkształcenie sprężyste betonu spowodowane przyłożeniem obciążenia zmiennego.

Niełatwe zadanie. Czy na pewno?

Uwzględnienie tego wszystkiego (co jest konieczne w projekcie!) może prowadzić do konieczności stosowania wielu kombinacji uwzględniających różne współczynniki sprężenia.

Tu po raz drugi na pierwszy plan wysuwa się IDEA StatiCa Detail. Dzięki nowej funkcjonalności o nazwie Długoterminowe straty dla sprawdzenia SGU nie musisz tworzyć wielu kombinacji i spędzać godzin przy modelu, zastanawiając się, czy czegoś nie zapomniałeś.

Wystarczy ustawić jedną kombinację w aplikacji Detail, aby uwzględnić efekty krótko- i długoterminowe zarówno dla cięgien naprężanych przed betonowaniem, jak i dla cięgien naprężanych po stwardnieniu betonu.

Chcesz dowiedzieć się, jak to działa? Sprawdźmy!

Ważne jest, aby wiedzieć, że do sprawdzenia ograniczenia naprężeń i uzyskania wyników dla efektów krótko- i długoterminowych w Detail application stosujemy nieskończony liniowy diagram naprężenie-odkształcenie.

Wyróżniamy dwie gałęzie. Jedna dla efektów krótkoterminowych, wykorzystująca moduł sprężystości E_cm. Druga dotyczy efektów długoterminowych, gdzie naprężenie w cięgnach jest redukowane przyrostowo dla sprężenia i obciążenia stałego o zdefiniowaną wartość strat długoterminowych. Przyrost obciążenia zmiennego uwzględnia E_cm.

Jak prawidłowo ustawić wartość strat długoterminowych? Możemy zaproponować pewne ustawienia domyślne, jednak to inżynierowie konstruktorzy ostatecznie decydują, jaką wartość przyjmą do obliczeń.

Należy pamiętać, że wartość różni się dla cięgien naprężanych przed betonowaniem i po stwardnieniu betonu. Wynika to z dokładnego momentu czasowego, dla którego należy określić wartość strat. Zapoznaj się z artykułem Implementacja strat długoterminowych w Detail, gdzie znajdziesz bardziej szczegółowy opis zagadnienia, a przede wszystkim informację o właściwym momencie czasowym do przyjęcia szacunkowych strat długoterminowych w obliczeniach.

Jeśli interesują Cię kolejne nowe funkcje IDEA StatiCa 23.0 (może nie tylko dla betonu, ale również dla stali lub połączeń BIM), odwiedź naszą stronę z informacjami o wydaniu.  

IDEA StatiCa Detail to doskonałe narzędzie do rozwiązywania problemów ze strefami nieciągłości w betonie i innymi obszarami nieciągłości. Dowiedz się więcej o jego możliwościach w naszym Centrum wsparcia, gdzie możesz również nauczyć się, jak z niego korzystać, korzystając z licznych samouczków, obejrzeć naszych inżynierów produktu w akcji podczas jednego z webinarów lub pobrać przykładowy projekt.

Jeśli dopiero zaczynasz pracę z oprogramowaniem lub chcesz doskonalić swoje umiejętności, zapoznaj się z naszymi kursami do samodzielnej nauki na platformie Campus i wybierz ten, który najlepiej odpowiada Twoim potrzebom.

Dla tych, którzy chcą zgłębić teorię i metodę CSFM leżącą u podstaw aplikacji Detail, zapraszamy do Podstaw teoretycznych IDEA StatiCa Detail i zachęcamy do intensywnej nauki.