Zgodność IDEA StatiCa Detail z ACI

Analiza metodą elementów skończonych (FEA), w szczególności nieliniowa FEA, stała się uznaną metodą zarówno w badaniach, jak i w praktyce inżynierskiej, stanowiąc podstawę wielu równań projektowych i postanowień normowych stosowanych obecnie. Często pojawia się pytanie, czy IDEA StatiCa Detail jest zgodna z ACI 318 w zakresie projektowania stref nieciągłości i stref zakotwienia — odpowiedź brzmi: tak, jest.

Normy i standardy amerykańskie, w tym ACI, AISC  i inne, zawierają klauzule dopuszczające stosowanie nieliniowej analizy metodą elementów skończonych dla elementów konstrukcyjnych i połączeń, które nie są objęte normami, a które są zazwyczaj złożone. Jeśli normy dopuszczają stosowanie tej metody do problemów złożonych, to może ona rozwiązywać również problemy prostsze, oparte na upraszczających założeniach. Badania wykazały, że stany graniczne projektowania elementów i połączeń mogą być odwzorowane za pomocą analizy metodą elementów skończonych. 

Ponadto nieliniowa analiza MES jest wprost dopuszczona w ACI 318 (rozdz. 6.8 i 6.9).

• STM jest dopuszczone, lecz nie wyłączne (rozdz. 23).
• Podejście oparte na polu naprężeń / MCFT (Modified Compression-Field Theory) leżące u podstaw CSFM jest uznane przez ACI 445R.
• Narzędzia komputerowe do projektowania stref nieciągłości są wprost uznane (ACI PRC-445.2-21).

IDEA StatiCa Detail stosuje Compatible Stress Field Method (CSFM), która jest nieliniowym podejściem opartym na polu naprężeń, wprost zgodnym z zasadami projektowania uznanymi w ACI 318, komentarzu do ACI 318 oraz ACI 445R. ACI dopuszcza również nieliniową analizę MES jako prawidłową alternatywę dla Strut-and-Tie, pod warunkiem spełnienia wymagań dotyczących nośności i szczegółów konstruktywnych.

Odniesienia i walidacje dotyczące FEA i nieliniowej FEA

Poniżej przedstawiono wybrane odniesienia i walidacje dotyczące FEA i nieliniowej FEA, wymienione w różnych rozdziałach wytycznych ACI:  

• ACI 318-19, pkt 6.8 „Analiza niesprężysta" + pkt 6.9 „Dopuszczalność analizy metodą elementów skończonych" 
  Norma wprost dopuszcza analizę niesprężystą (nieliniową) oraz analizę metodą elementów skończonych do wyznaczania sił wewnętrznych, pod warunkiem że procedura obliczeniowa jest zwalidowana, a model jest odpowiedni do zamierzonego zastosowania (6.8.1.2, 6.9.2–6.9.4). Postanowienia te dotyczą wszystkich stref, w tym stref nieciągłości. Tym samym nieliniowy model, taki jak CSFM/NLFEA, jest dopuszczony do wyznaczania sił obliczeniowych w strefach nieciągłości. 
• ACI 445R-99, pkt 2.2–2.6 oraz pkt 4.4.6 „Modified Compression Field Theory" 
  ACI 445R przedstawia MCFT i teorię pola naprężeń jako prawidłowe podstawy projektowania i wskazuje, że MCFT może być stosowane zarówno w uproszczonych metodach ręcznych, jak i w pełni nieliniowych modelach MES. Ponieważ CSFM jest nieliniową formułą opartą na polu naprężeń / MCFT, stanowi to bezpośrednie teoretyczne uznanie analizy nieliniowej typu CSFM jako prawomocnej alternatywy dla STM. 
• ACI 445R-99, rozdział 6 „Projektowanie z użyciem modeli Strut-and-Tie" 
  STM jest przedstawione jako jeden z elementów szerszej rodziny modeli opartych na polu naprężeń / plastyczności. Tym samym bardziej zaawansowana metoda pola naprężeń zaimplementowana w nieliniowym MES (CSFM) jest z natury zgodna z teorią leżącą u podstaw STM i może bezpiecznie zastąpić STM, gdy jest właściwie zwalidowana. 
• ACI 318-19, pkt 23.1.2 (Zakres rozdziału STM) 
  Norma stwierdza, że modele Strut-and-Tie „mogą być stosowane" do projektowania stref nieciągłości. STM jest zatem metodą dopuszczoną, a nie jedyną wymaganą metodą. W połączeniu z ogólnym dopuszczeniem nieliniowej analizy MES w rozdziale 6 oznacza to, że strefy nieciągłości mogą być również projektowane z użyciem zwalidowanej analizy nieliniowej (np. CSFM), pod warunkiem spełnienia wymagań dotyczących nośności i szczegółów konstruktywnych. 
• ACI 318-19, Komentarz R23.2.1–R23.2.2 
  Komentarz wyjaśnia, że STM opiera się na teorii plastyczności dolnego ograniczenia / teorii pola naprężeń i powołuje się na Schlaich, Collins & Mitchell oraz ACI 445R. Kluczową zasadą jest równowaga + zgodność odkształceń + kontrolowane poziomy naprężeń, a nie dosłownie narysowana kratownica. CSFM jest metodą zgodnego pola naprężeń, a zatem jest zgodna z intencją rozdziału 23 i może zastąpić STM, gdy jest stosowana w sposób zachowawczy. 
• ACI 318-19, Komentarz R9.9.3.1 (minimalne zbrojenie belek wysokich) 
  Komentarz stwierdza, że wymagania dotyczące minimalnego zbrojenia obowiązują niezależnie od zastosowanej metody projektowania. Oznacza to, że Norma przewiduje wiele prawidłowych metod analizy, w tym nieliniową MES, a nie wyłącznie STM, pod warunkiem zachowania wymaganego minimalnego zbrojenia i szczegółów konstruktywnych. 
• ACI 318-19, pkt 1.10 „Zatwierdzanie specjalnych systemów" + pkt 4.4.3 (Alternatywne podejścia projektowe) 
  Rozdziały te dopuszczają stosowanie alternatywnych systemów projektowania, jeżeli wykazano odpowiednią nośność konstrukcji. Nieliniowa metodologia projektowania, taka jak CSFM zaimplementowana w oprogramowaniu, może zatem być uzasadniona jako „specjalny system projektowania" zgodnie z pkt 1.10, co stanowi formalną podstawę do zastąpienia STM. 
• ACI 318-19, Komentarz R6.9.2–R6.9.3 (wytyczne dotyczące modelowania MES) 
  Komentarz stwierdza, że modele MES objęte pkt 6.9 obejmują sprężystą i niesprężystą (nieliniową) MES z różnymi typami elementów, pod warunkiem że model jest odpowiedni, a wyniki są zweryfikowane. Stanowi to wyraźne poparcie dla zwalidowanego nieliniowego projektowania MES stref nieciągłości, w tym metod opartych na polu naprężeń, takich jak CSFM. 
• ACI 318-19, pkt 17.2.1 + Komentarz R17.2.1 (kotwy) 
  Pkt 17.2.1 dopuszcza analizę plastyczną, gdy miarodajnym zniszczeniem jest ciągliwe zniszczenie stali. R17.2.1 wprost odwołuje się do nieliniowej analizy opartej na plastyczności dla zachowania grupy kotew. Stanowi to precedens dla nieliniowej analizy stref przenoszenia sił beton–stal, który bezpośrednio rozciąga się na strefy nieciągłości zakotwienia modelowane z użyciem CSFM. 
• ACI PRC-445.2-21, pkt 5.13 „Komputerowe narzędzia wspomagające projektowanie" 
  Wytyczne te uznają narzędzia komputerowe do projektowania STM i stref nieciągłości, wymagając jedynie zachowania równowagi, ograniczeń naprężeń i zasad konstruowania. Stanowi to bezpośrednie poparcie dla stosowania oprogramowania, takiego jak IDEA StatiCa, do projektowania stref nieciągłości z użyciem zaawansowanych metod numerycznych, w tym nieliniowej CSFM. 
• ACI 318-19, przykłady w Komentarzu (R22.9.4, R24.2.3.3 itp.) 
  Wiele rozdziałów komentarza stwierdza, że „inne procedury mogą być stosowane, jeżeli wykazano, że dają akceptowalne wyniki". Ta powtarzająca się zasada potwierdza, że bardziej zaawansowane metody analizy nieliniowej (takie jak CSFM/NLFEA) są dopuszczalnymi substytutami uproszczonych wzorów lub STM, pod warunkiem wykazania zgodności z zachowaniem eksperymentalnym i limitami nośności określonymi w Normie. 
• ACI 224R-01 Kontrola zarysowania w konstrukcjach betonowych
  ACI 318-19 nie ogranicza wprost szerokości rys wartością liczbową. Zamiast tego odnosi się do niej pośrednio poprzez wymagania dotyczące maksymalnego rozstawu prętów. Wytyczne dotyczące bezpośredniego sprawdzenia granicznych szerokości rys można znaleźć w Podstawach teoretycznych i są one zgodne z ACI 224R-01, gdzie tabela dopuszczalnych szerokości rys znajduje się w Tabeli 4.1.

Podsumowanie

Inżynierowie konstruktorzy i projektanci połączeń mogą korzystać z zestawu narzędzi do wykonywania swojej pracy — bezpiecznego, dokładnego i szybkiego projektowania połączeń stalowych zgodnie z ACI. IDEA StatiCa, ze swoim unikalnym i przetestowanym rozwiązaniem FEA, jest częścią tego zestawu narzędzi. Więcej informacji o metodzie można znaleźć w naszych Podstawach teoretycznych oraz obszernym zestawie weryfikacji.