Kratownice – wskazówki i porady dotyczące zakotwień

O konstrukcjach kratownicowych

Model globalny jest zbudowany głównie z elementów kratownicowych, które przenoszą wyłącznie rozciąganie/ściskanie. Oznacza to, że zginanie i ścinanie w elementach są całkowicie wyeliminowane. Z perspektywy MES macierz sztywności jest zdominowana przez człony osiowe, co eliminuje stopnie swobody związane ze zginaniem i ścinaniem.

•  Zamiana zginania na siły osiowe
•  Maksymalizacja stopnia wykorzystania materiału
•  Zapewnienie czytelnych ścieżek obciążeń
•  Umożliwienie dużych rozpiętości
•  Uproszczenie oceny stateczności

Model globalny 

Wspornikowy układ kratownicowy jest zamocowany do prefabrykowanej kolumny betonowej. Konstrukcja kratownicowa jest połączona z belką za pomocą pary połączeń przegubowych. Wszystkie siły są przenoszone przez kotwy na rozciąganie i ścinanie oraz przez beton na ściskanie.

01) Globalny model kratownicowy i czytelna ścieżka obciążeń

Checkbot 

Tego rodzaju konstrukcje są importowane do Checkbot z parowanymi lub wielokrotnymi węzłami, które ze swojej natury nie mogą być eksportowane do IDEA StatiCa Connection jako zestaw. W pierwszym kroku węzeł pasa górnego zostanie usunięty. Element pasa górnego nie będzie powiązany z żadnym istniejącym węzłem i musi zostać połączony z węzłem pasa dolnego, który łączy elementy skośne i pasa dolnego. Po zakończeniu procesu wszystkie elementy zostaną zunifikowane pod jednym węzłem głównym. Otwiera to możliwość efektywniejszego sterowania większą liczbą elementów za pomocą montażu z odsunięciem.

02) Model Checkbot + scalanie elementów w jeden węzeł

IDEA StatiCa Connection

Zbudowany model składa się z sekwencji podwójnych profili L. Pasy górny i dolny kratownicy są połączone z prefabrykowaną kolumną za pomocą podkładek wylewanych na miejscu budowy, uzupełnionych płytą podstawy i wstępnie przyspawanymi blachami węzłowymi, co ułatwia efektywny montaż na placu budowy.

03) Opis zaprojektowanego modelu zakotwienia

W analizie globalnej zakłada się zazwyczaj, że siły osiowe działają przez środek ciężkości przekroju. Jeśli jednak grupa śrub w rzeczywistym połączeniu nie jest wyrównana ze środkiem ciężkości przekroju, pojawia się mimośród. Mimośród ten generuje wtórne momenty gnące w połączonych elementach.

Takie efekty nie są uwzględniane w standardowym globalnym modelu MES, chyba że geometria połączenia i wprowadzenie obciążeń są modelowane w sposób jawny. W praktyce dodatkowy moment wynikający z mimośrodu siły osiowej objawia się zwiększonymi naprężeniami gnącymi, które następnie wpływają na końcową ocenę naprężeń von Misesa w szczegółowej analizie połączenia.

Dla analizowanej konfiguracji kratownicy więzy N–Vy–Vz zapewniają bardziej realistyczne odwzorowanie przenoszenia sił. Stwierdzenie to nie jest ogólną rekomendacją dla wszystkich układów kratownicowych, lecz wnioskiem specyficznym dla tego układu konstrukcyjnego.

Więzy te tłumią odkształcenia obrotowe w złączu, powodując resztkowe momenty reakcji. Ponadto pionowy element skośny ogranicza zginanie pasa, co potwierdza założenie, że więzy N–Vy–Vz lepiej odzwierciedlają rzeczywiste zachowanie połączenia w tym przypadku.

Z perspektywy mechaniki połączenia ten warunek brzegowy jest zatem uznawany za bliższy rzeczywistości fizycznej.

04) Więzy pasów i elementów skośnych

Model szkieletowy uwidacznia trajektorie obciążeń oraz linie środków ciężkości dla każdego przekroju.

05) Model szkieletowy i czytelna ścieżka obciążeń

Wizualizacje odkształconego kształtu i naprężeń pozwalają ocenić i zweryfikować poprawność przyłożenia obciążeń. Rozciąganie w pasie górnym i ściskanie w pasie dolnym wskazują, że model zastępczy działa prawidłowo.

06) Sprawdzenia normowe i odkształcony kształt

Interakcja sił nie jest uwzględniana w bloku betonowym ze względu na uproszczone założenia obowiązujące dla ośrodka betonowego w aplikacji Connection. Stopień wykorzystania wynosi zaledwie 38%, a sprawdzenie normowe kotew kończy się niepowodzeniem. Dlaczego tak się dzieje?

Informacja:

Grupy kotew na oddzielnych płytach podstawy oddziałują na siebie w jednym bloku betonowym. Zagadnienie to wykracza poza zakres norm dotyczących projektowania zakotwień. Wyrwanie stożkowe betonu na rozciąganie oraz wyrwanie betonu na ścinanie nie są sprawdzane. Zniszczenie krawędziowe betonu nie jest sprawdzane. (CEB-FIB: Bulletin 58 – Projektowanie zakotwień w betonie (2011) – Rozdział 1.2: Rysunek 1.2-8 i Rysunek 1.2-9). 

Kieruje to użytkownika do sprawdzenia normowego w module 3D Detail, ponieważ norma jest niewystarczająca dla opisanego układu.

07) Dlaczego sprawdzenie kotew kończy się niepowodzeniem?

Wyboczenie powinno być zawsze sprawdzane podczas analizy połączenia. Postać wyboczeniowa i współczynnik wyboczenia są podawane jako wskaźniki zapasu bezpieczeństwa, a postać najbardziej narażona na utratę stateczności może zostać zidentyfikowana. 

Dotyczy to liniowej analizy wyboczeniowej, w której kontakt między blachą węzłową a ściankami podwójnych profili L jest otwarty.

Otwarty kontakt (szczelina):

Jeśli płyty są rozdzielone w stanie równowagi:

• Kontakt jest nieaktywny
• Nie jest dodawany żaden wkład do sztywności
• Powierzchnie przemieszczają się niezależnie w postaci wyboczeniowej

Konsekwencje dla praktycznych połączeń stalowych:

W wielu połączeniach stalowych:

• blachy węzłowe
• kątowniki
• otwory na śruby
• podkładki

Kontakty są tylko częściowo aktywne w stanie równowagi.

Dlatego w LBA:

• Tylko aktualnie ściskane strefy wnoszą wkład do sztywności
• Potencjalne przyszłe kontakty są ignorowane

Może to prowadzić do:

• lokalnego przenikania w postaciach własnych
• nadmiernie podatnych postaci wyboczeniowych
• nierealistycznych wzorców odkształceń.

Nie jest to błąd — jest to fundamentalne ograniczenie analizy wyboczeniowej wartości własnych z kontaktem.

08) Liniowe postaci wyboczeniowe i współczynnik krytyczny

IDEA StatiCa 3D Detail

Aby zamknąć pętlę projektową i uzyskać zadowalające rozwiązanie dla wszystkich elementów — w tym prefabrykowanej kolumny betonowej — niezbędne jest uwzględnienie istniejącego układu zbrojenia oraz ocena układu z uwzględnieniem interakcji między kotwami a prętami zbrojeniowymi.

Mechanizm przenoszenia obciążeń nie kończy się na płycie podstawy. Siły w kotwach muszą być redystrybuowane do żelbetowego elementu przez przyczepność, ściskanie poprzeczne i działanie Strut-and-tie. Dlatego zbrojenie musi być jawnie uwzględnione w modelu weryfikacyjnym.

Dzięki łączu BIM z IDEA StatiCa Connection transfer danych jest prosty i efektywny. Następujące informacje mogą być importowane bezpośrednio:

• Geometria kolumny betonowej
• Konfiguracja płyty podstawy i kotew
• Wypadkowe siły w kotwach i spoinach

Znacznie przyspiesza to drogę do końcowej weryfikacji normowej.

Jednak w celu uzyskania fizycznie spójnej oceny obowiązkowe elementy — w szczególności układ zbrojenia i realistyczne warunki brzegowe — muszą być zdefiniowane w modelu 3D Detail (CSFM). Dopiero wtedy można prawidłowo ocenić zespolone zachowanie betonu i zbrojenia oraz ocenić kruche formy zniszczenia (np. wyrwanie stożkowe betonu) w kontekście układu zbrojonego.

Układ predefiniowanego pola wektorów sił, wyprowadzony z aplikacji Connection, gwarantuje znaczącą redystrybucję naprężeń pod płytą podstawy. 

09) Zbrojenie, warunki brzegowe + rozkład sił

Konieczne jest przeprowadzenie weryfikacji i inspekcji wizualnej w celu upewnienia się, że model zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami. Przepływ naprężeń ściskających wykazuje oczekiwane zachowanie, a naprężenia w zbrojeniu zapewniają bezpieczeństwo projektu. 

10) Zbiorcze sprawdzenie, przepływ naprężeń

Odkształcony kształt powinien być pierwszym wynikiem, służącym do weryfikacji poprawności warunków brzegowych. Odkształcony kształt odzwierciedla przewidywane zachowanie.

11) Stan naprężeń kotew, odkształcony kształt

Wnioski i kluczowe spostrzeżenia

Model kratownicowy = idealizacja osiowa
Efektywny dla globalnego przepływu sił (wyłącznie rozciąganie/ściskanie), jednak efekty zginania i ścinania są tłumione i muszą być uwzględnione na poziomie połączenia.

Założenie o środku ciężkości jest kluczowe
Niezgodność między grupą śrub a środkiem ciężkości przekroju wprowadza wtórne zginanie, które nie jest uwzględniane w globalnym modelu MES. Musi to zostać zweryfikowane w szczegółowym projekcie połączenia.

Warunki brzegowe decydują o zgodności z rzeczywistością
W tym przypadku więzy N–Vy–Vz lepiej odzwierciedlają zachowanie złącza. Ograniczenie obrotu i działanie elementów skośnych mają istotny wpływ na odpowiedź pasa.

Sprawdzenia kotew w betonie niezbrojonym są zachowawcze
Uproszczone założenia normowe mogą wskazywać na zniszczenie. Rzeczywista nośność zależy od interakcji ze zbrojeniem i redystrybucji sił w elemencie betonowym.

Zbrojenie zamyka pętlę projektową
Ścieżka obciążeń przebiega dalej poza płytę podstawy. Tylko model 3D Detail (CSFM) ze zbrojeniem i realistycznymi warunkami brzegowymi oddaje zespolone zachowanie i zapobiega kruchym formom zniszczenia.

Zawsze sprawdzaj odkształcony kształt
Jeśli odkształcenie odpowiada intuicji konstrukcyjnej, model prawdopodobnie odzwierciedla rzeczywiste zachowanie fizyczne.