Kompletne sprawdzenie normowe kotew i bloku betonowego w IDEA StatiCa (EN)

Eurocode określa kilka metod zniszczenia kotew i stóp betonowych i dalej dzieli je według rodzaju obciążenia. W IDEA StatiCa Connection byliśmy dotychczas w stanie oceniać kotwy, jednak z pewnymi ograniczeniami – niektóre sprawdzenia musiały być wykonywane ręcznie. 

Jednocześnie uwzględnienie zbrojenia bloków betonowych było niemożliwe. To się teraz zmienia dzięki IDEA StatiCa Detail 3D, który dodaje więcej możliwości. IDEA StatiCa Detail 3D nie oferuje sprawdzeń w sposób, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni w normie definiującej je dla betonu niezbrojnego. Jednak dzięki analizie MES możemy zweryfikować, że żelbeton spełni zadane obciążenie, a tym samym zapobiec zniszczeniu betonu, które odpowiadałoby tym warunkom. Aplikacje działają niezależnie i mogą być używane osobno, ale dzięki połączeniu między Connection a Detail możliwe jest również użycie Detail wyłącznie jako obliczeń uzupełniających. 

Przejdźmy teraz przez warunki Eurokodu jeden po drugim oraz możliwości, jakie oferują nam aplikacje. 

Siła rozciągająca

Eurocode dzieli pierwszy rodzaj obciążenia (siła rozciągająca) na 6 możliwych przypadków zniszczenia kotwy lub bloku betonowego (a, b, c, d, e, f) oraz dwa dodatkowe dla stóp zbrojonych (g, h). 

Poniższy rysunek schematycznie pokazuje, który rodzaj zniszczenia można ocenić za pomocą aplikacji Connection oraz jakie zachowanie może być objęte przez zastosowanie żelbetu, a tym samym analizy w Detail. IDEA StatiCa Connection używa empirycznych wzorów z Eurokodu ( EN 1992-4-7.2.1) do projektowania kotew (CBFEM), podczas gdy IDEA StatiCa Detail opiera się całkowicie na metodzie elementów skończonych (3D CSFM). Niektóre opcje sprawdzenia nakładają się zatem w obu aplikacjach, ale zawsze z zastosowaniem innej metody. 

Ze względu na charakter metod zaimplementowanych w oprogramowaniu, w Connection można uwzględnić wyłącznie beton niezbrojony, natomiast w Detail można uwzględnić wyłącznie żelbetową stopę fundamentową. 

Główne założenia i ograniczenia analizy dla IDEA StatiCa Detail 3D są wymienione w artykule Znane ograniczenia. 

a) Zniszczenie stali 

Zniszczenie stali kotew obciążonych rozciąganiem jest weryfikowane w obu aplikacjach. Nośność kotwy na rozciąganie jest sprawdzana w Connection według następującego wzoru:

W Detail kotwy są sprawdzane zgodnie z wybranym Eurokodem (1992-4 lub 1993-1-8) w Ustawieniach projektu. To zachowanie obowiązuje począwszy od wersji 25.1.1. 

W starszych wersjach kotwy są sprawdzane jak zwykłe pręty zbrojeniowe, na podstawie wykresów naprężenie–odkształcenie zdefiniowanych dla poszczególnych materiałów, przy użyciu wartości granicznego odkształcenia maksymalnie 5% (obliczonego na podstawie efektu tension stiffening – więcej informacji w Podstawach teoretycznych)

b) Zniszczenie stożkowe betonu 

Zniszczenie stożkowe betonu może być weryfikowane w Connection. Jednak w Connection aplikacja może uwzględniać wyłącznie beton niezbrojony. 

Dlatego w przypadku zniszczenia stożkowego betonu wskazane jest przejście do IDEA StatiCa Detail, gdzie przeprowadzana jest analiza całego zbrojonego bloku. Wytrzymałość betonu na rozciąganie jest konserwatywnie pomijana, co oznacza, że nośność na zniszczenie stożkowe jest w znacznym stopniu określana przez zadaną ilość zbrojenia. Na poniższym rysunku można zobaczyć kierunki naprężeń głównych, które wskazują kształt wspomnianego powyżej stożka. W prawej części widoczne są wartości naprężeń betonu, które są oceniane względem wartości granicznych. 

 c) Wyrwanie kotwy

To sprawdzenie normowe jest dostępne w Connection tylko dla określonych przypadków (patrz pierwszy rysunek w tym artykule). Dodatkowe sprawdzenie jest konieczne dla kotew montowanych po betonowaniu mechanicznych. 

W Detail możliwe jest skonfigurowanie tzw. kotew klejonych i określenie obliczeniowej wytrzymałości na przyczepność zgodnie z ich parametrami technicznymi. Kotwy będą następnie weryfikowane na podstawie tych parametrów. (Dotyczy wyłącznie żelbetu.)

d) Kombinowane wyrwanie i zniszczenie betonu łączników klejonych

Ten rodzaj zniszczenia może być wykryty wyłącznie w Detail, gdzie naprężenia betonu i strefy zakotwienia są oceniane przy użyciu 3D CSFM. Mechanizm kombinowanego wyrwania i zniszczenia betonu jest w Detail oparty na zasadach zdefiniowanych powyżej, a jego sprawdzenie jest częścią kontroli wytrzymałości betonu i zakotwienia. (Dotyczy wyłącznie żelbetu.)

e) Zniszczenie przez rozłupanie betonu

Sprawdzenie w Connection nie jest możliwe. W przypadku Detail zniszczenie przez rozłupanie jest zazwyczaj problemem betonu niezbrojnego, gdzie zastosowanie zbrojenia zapobiega jego wystąpieniu. Jednocześnie możliwe jest obserwowanie naprężeń i odkształceń zarówno zbrojenia ściskanego lub rozciąganego, jak i betonu ściskanego w aplikacji Detail. 

f) Zniszczenie przez wybicie boczne betonu 

Dla betonu niezbrojnego możliwe jest empiryczne sprawdzenie normowe zgodnie z Eurokodem w Connection. 

Dla zbrojonych elementów konstrukcyjnych możliwe jest użycie Detail. Zniszczenie przez wybicie boczne betonu jest objęte analizą wytrzymałości betonu. Gdzie naprężenia rozciągające są przenoszone wyłącznie przez zbrojenie (jak wspomniano kilkakrotnie powyżej).

Dodatkowe sprawdzenia dla zbrojonych bloków betonowych:

Dla zbrojonych stóp fundamentowych wymagane jest dodatkowe sprawdzenie zbrojenia. Zniszczenie stali zbrojenia i zniszczenie zakotwienia zbrojenia są częścią sprawdzenia zbrojenia w Detail. 

g) Zniszczenie stali zbrojenia

h) Zniszczenie zakotwienia zbrojenia

Obciążenie ścinające

Eurocode dzieli drugi rodzaj obciążenia (siła ścinająca) na 4 możliwe przypadki zniszczenia kotwy lub bloku betonowego (a, b, c, d) oraz dwa dodatkowe dla stóp zbrojonych (e, f). 

Poniższy rysunek pokazuje schematycznie, który rodzaj zniszczenia można ocenić za pomocą aplikacji Connection oraz jakie zachowanie może być objęte przez zastosowanie żelbetu, a tym samym analizy w Detail.  IDEA StatiCa Connection używa empirycznych wzorów z Eurokodu ( EN 1992-4-7.2.2) do projektowania kotew (CBFEM). Wszystkie rodzaje zniszczenia spowodowane siłą ścinającą mogą być objęte w aplikacji Connection.  

W IDEA StatiCa Detail 3D ścinanie może być przenoszone przez tarcie, kotwy lub ostrogę. Należy zaznaczyć, że oceniana jest wyłącznie stopa fundamentowa. Pozostałe elementy stalowe (np. ostroga, spoiny) muszą być sprawdzone w Connection lub w innym miejscu. Ponownie należy podkreślić, że wymagany jest wyłącznie żelbet.

a) Zniszczenie stali bez ramienia dźwigni

Zniszczenie stali bez ramienia dźwigni kotew obciążonych ścinaniem jest weryfikowane w Connection. Nośność kotwy na ścinanie jest sprawdzana w IDEA StatiCa Connection według następującego wzoru:

W Detail kotwy są ponownie sprawdzane zgodnie z wybranym Eurokodem (1992-4 lub 1993-1-8) w Ustawieniach projektu. To zachowanie obowiązuje począwszy od wersji 25.1.1. Sprawdzenie nie jest możliwe w Detail dla starszych wersji.

b) Zniszczenie stali z ramieniem dźwigni

Zniszczenie stali z ramieniem dźwigni kotew obciążonych ścinaniem jest weryfikowane wyłącznie w Connection. Nośność kotwy na ścinanie jest sprawdzana w IDEA StatiCa Connection według następującego wzoru:

Sprawdzenie nie jest możliwe w Detail.

c) Zniszczenie przez oderwanie betonu

Zniszczenie przez oderwanie betonu kotew obciążonych ścinaniem jest weryfikowane wyłącznie w Connection. Nośność kotwy na ścinanie jest sprawdzana w IDEA StatiCa Connection według następującego wzoru:

Nośność betonu na ścinanie przez płytę podstawy jest następnie oceniana w aplikacji Detail. 

d) Zniszczenie krawędziowe betonu

Zniszczenie krawędziowe betonu kotew obciążonych ścinaniem jest weryfikowane w Connection wyłącznie dla betonu niezbrojnego. Nośność kotwy na ścinanie jest sprawdzana w IDEA StatiCa Connection według następującego wzoru:

Zniszczenie krawędziowe betonu może być sprawdzone w Detail (wyłącznie żelbet). 

Dodatkowe sprawdzenia dla zbrojonych bloków betonowych:

Dla zbrojonych stóp fundamentowych wymagane jest dodatkowe sprawdzenie zbrojenia. Zniszczenie stali i zakotwienia zbrojenia dodatkowego jest częścią sprawdzenia zbrojenia w IDEA StatiCa Detail. 

e) Zniszczenie stali zbrojenia dodatkowego

f) Zniszczenie zakotwienia zbrojenia dodatkowego

Podsumowanie

Największą zaletę można dostrzec w przykładach takich jak zakotwienie w pobliżu krawędzi i innych przypadkach, gdy beton niezbrojony nie spełnia wymaganego obciążenia. Należy zauważyć, że kotwy i ostrogi muszą być dodatkowo sprawdzone w Connection, jednak razem te dwa narzędzia programowe zapewniają kompleksowe rozwiązanie.

Ze względu na metodę i sposób zaprojektowania aplikacji, aplikacja Detail nadaje się wyłącznie do zbrojonych stóp fundamentowych.