Full functionalities of Detail 3D (EN)

Introdução

Detail 3D é essencialmente uma extensão da atual aplicação Detail estabelecida da IDEA StatiCa. Adiciona um novo tipo de Modelo 3D e, com isso, vem a implementação de um método para calcular campos de tensões no espaço 3D denominado 3D CSFM. Os cálculos e verificações são implementados para o Estado Limite Último.

Antes de entrar na descrição das funcionalidades do Detail 3D, será útil destacar a existência de Fundamentos Teóricos, onde pode ler mais detalhes técnicos sobre as entidades individuais do modelo e os próprios cálculos.

• IDEA StatiCa Detail – Dimensionamento estrutural de descontinuidades 3D em betão

No primeiro passo, o utilizador pode selecionar um novo tipo de Modelo no ecrã inicial (no assistente), onde estão disponíveis vários modelos e, naturalmente, a opção de introduzir um modelo de raiz.

Tal como nos modelos 2D, pode editar as Definições iniciais na parte direita, como o Código de dimensionamento, Materiais e Cobrimento do betão.

Após criar um modelo em branco ou um modelo a partir de um modelo, ficam disponíveis opções familiares ao ambiente de modelação 2D.

As opções para trabalhar com múltiplos itens de Projeto podem ser encontradas na faixa de opções superior, bem como os botões padrão de Desfazer/Refazer, opções de visualização de Etiquetas, controlos da Galeria, definições de cálculo e controlos de gestão de modelos.

Também inicializa a árvore, cujo primeiro item, denominado por defeito DRM1, contém as definições predefinidas para o Item de Projeto atual. Acima da árvore, pode encontrar ferramentas para manipular o modelo.

Modelação

Entidades do Modelo

Incluímos o seguinte na categoria de entidade Modelo na aplicação Detail:

• Elementos
• Apoios
• Dispositivos de transferência de carga

Apenas um Elemento pode ser introduzido, podendo ser definido como forma Retangular ou Polígono. Uma forma retangular é definida por três dimensões, enquanto para a opção Polígono, a forma no espaço 2D é introduzida numa tabela usando coordenadas, que podem depois ser extraídas para o espaço. Para definir a forma geral de um polígono, as coordenadas individuais podem ser preenchidas na tabela, ou pode ser utilizado o copiar-colar de um programa de folha de cálculo (como o Microsoft Excel).

O apoio de superfície é utilizado para suportar o modelo. Este tipo de apoio pode ser especificado de duas formas - dois tipos de Geometria.

• Superfície inteira
• Polilinha

Em ambos os casos, é necessário escolher uma superfície de referência e, naturalmente, definir os graus de liberdade. O apoio pode ser definido como elástico e o tipo Apenas compressão pode ser utilizado para uma direção perpendicular à superfície especificada. Na figura seguinte, podemos ver a introdução do apoio na superfície inteira número 4 e a opção Apenas compressão desativada.

Para a segunda opção de introdução de polilinha, está disponível a mesma tabela que para a introdução de Elementos. Novamente, pode utilizar a funcionalidade de copiar-colar ou introduzir as coordenadas manualmente. A forma introduzida pode ser movida ao longo da superfície de referência usando as coordenadas X e Y ou rodada introduzindo um ângulo.

Note que é possível especificar uma polilinha de forma que a origem das coordenadas esteja no centro de gravidade da forma desejada. A posição será então referenciada pelas coordenadas X e Y relativamente a esse centro de gravidade.

Rigidez dos apoios para fundações

Durante a modelação, podemos considerar dois casos. Se modelarmos a ancoragem à estrutura, os apoios podem ser assumidos como infinitamente rígidos. 

No caso de ancoragem num bloco de fundação, a rigidez deve ser definida corretamente. Além disso, os apoios devem ser definidos como apenas compressão. 

Os valores na direção z (rigidez Kz) são retirados da literatura de acordo com o tipo de solo adequado. Um exemplo específico pode ser encontrado no tutorial.

 Os valores dependem das recomendações da literatura regional relevante. Alternativamente, os valores são obtidos junto do engenheiro geotécnico.

Nas direções horizontais (K_x e K_y), a situação é menos direta. A nossa recomendação geral é utilizar um valor de aproximadamente 1/10 de K_z em conjunto com o julgamento de engenharia.

Uma abordagem mais precisa seria utilizar um procedimento iterativo, a partir do qual derivámos a nossa recomendação.

Em primeiro lugar, defina K_x e K_y com valores muito baixos (por razões computacionais, não é aconselhável definir o valor diretamente como zero), mas por exemplo 0,1, e examine as tensões da armadura. 

Uma vez que estes valores baixos resultam em deslocamentos irrealistas, a rigidez deve ser gradualmente aumentada para melhor refletir a realidade. O objetivo é obter valores de deslocamento mais realistas, mantendo a tensão de tração da armadura na borda inferior próxima do valor original, com um desvio inferior a 5%.

Dispositivos de transferência de carga

Os dispositivos de transferência de carga contêm duas entidades: a placa de base e a âncora individual. Comecemos pela placa de base. Para especificar a posição, é necessário selecionar uma superfície e uma aresta de referência. Estas definem a origem das coordenadas a partir das quais as distâncias X e Y são medidas. Existem duas opções de definição de forma: Retangular e Polígono.

A placa de base está ligada ao elemento de betão por um contacto que transfere tensões de compressão e, se o utilizador assim o desejar, pode também transmitir tensões de corte. Existem três mecanismos de transferência de corte que podem ser selecionados:

• por atrito
• por âncoras
• por chaveta de corte

O software não permite combinar estes mecanismos de transferência de corte.

Para a opção por atrito, é necessário introduzir o valor de cálculo do coeficiente de atrito. Para a opção por chaveta de corte, é necessário introduzir o perfil de aço, incluindo a geometria e a posição.

Todas as configurações possíveis de placas de base podem ser encontradas no artigo: Opções de Placas de Base.

A placa de base pode transmitir uma carga pontual ou um grupo de forças. Para uma carga pontual, o modelo pode ser carregado com seis forças internas (Fx, Fy, Fz, Mx, My e Mz) em qualquer posição na placa de base. Para um grupo de forças, os utilizadores podem introduzir as posições, intensidades e direções das forças numa tabela, permitindo um posicionamento geral na placa de base. É importante referir que a placa de base é carregada pontualmente e não possui qualquer enrijecedor ou elemento soldado na sua face superior. Assim, para uma distribuição correta da carga, é importante utilizar uma placa de base relativamente rígida com espessura relativamente elevada. Outra opção é utilizar um Stub, que resolve o problema da rigidez da placa.

Um segundo dispositivo de transferência de carga, a âncora individual, pode ser adicionado e interligado com a placa de base para criar, por exemplo, uma placa de base de coluna ancorada com quatro âncoras (ver figura abaixo). Também é possível modelar âncoras separadas sem placa de base.

Mais informações sobre a interligação com a placa de base podem ser encontradas no Fundo teórico.

Em termos de posição e geometria, as âncoras são referenciadas à superfície e à aresta do bloco, incluindo a determinação da posição relativa, tal como na placa de base. Naturalmente, é possível especificar o comprimento da âncora no betão e o comprimento acima da superfície do betão.

As âncoras são implementadas em duas variantes:

• Moldadas no local 
• Âncoras adesivas

Para a armadura moldada no local, a resistência de aderência é utilizada de acordo com a EN 1992-1-1 cap. 8.4.2. Além disso, é possível especificar o tipo de ancoragem para este tipo de âncora, tal como para a armadura convencional.

Para as âncoras adesivas, é possível introduzir diretamente a resistência de aderência, que o utilizador pode obter a partir da ficha técnica do produto da argamassa adesiva aplicada. Note-se que é necessário introduzir o valor de cálculo da resistência de aderência. O seguinte artigo ajudará a encontrar o valor. 

Consulte todas as opções de âncoras no artigo: Opções de Âncora Individual

Uma descrição detalhada do comportamento da interligação entre a âncora e a placa de base é apresentada no Fundo teórico.

Cargas e combinações

Carregamento

Os casos de carga podem ser definidos da mesma forma que para elementos de betão armado 2D. Isto significa que a cada caso de carga pode ser atribuído um tipo de carga Permanente ou Variável. Os casos de carga Permanente são aplicados ao modelo em primeiro lugar e, após um cálculo bem-sucedido, os casos de carga Variável são aplicados.

Tipo de impulsos de carga

Podem ser adicionados até 4 tipos de impulsos de carga a cada caso de carga.

A definição de Cargas de superfície é idêntica à definição de apoio de superfície. Isto significa que é possível especificá-la de duas formas: Superfície total e Polilinha. No caso das cargas de superfície, a intensidade da carga é naturalmente introduzida nas três direções gerais.

Grupo de forças é uma entidade de carga que permite especificar forças em três direções em qualquer ponto do modelo através de uma tabela. Pode ser referenciado à placa de base ou à superfície de um bloco de betão. Para a introdução tabular, é novamente possível utilizar a funcionalidade de copiar e colar a partir de um programa de folha de cálculo.

O peso próprio deve ser incluído em todos os modelos. Por exemplo, fundações de betão carregadas com um momento fletor não tombam tão facilmente.

Cargas pontuais podem ser aplicadas diretamente à placa de base com seis forças internas Fx, Fy, Fz, Mx, My e Mz em posição geral. 

Ao utilizar uma placa de base, aplicar esta força diretamente a uma placa de base realista e deformável pode conduzir a uma redistribuição de tensões irrealista na placa, nas âncoras e no betão. É, portanto, mais adequado utilizar a segunda opção — o troço curto.

O Troço Curto

O troço curto é representado por uma parte curta do pilar acima da placa de base, modelada como uma estrutura de elementos de casca e que funciona como uma interface fisicamente precisa entre as forças internas e a placa. É utilizada uma base de dados de secções normalizada.

O conjunto de 6 componentes de forças internas (forças e momentos) é aplicado num ponto único na face inferior do troço curto — ou seja, na base do pilar.

As restrições transferem as forças para a face superior do troço curto, a partir da qual são naturalmente redistribuídas através do troço curto para a placa de base, âncoras e betão.

Esta abordagem preserva a interação realista de rigidez entre o pilar e a placa e elimina a necessidade de qualquer redistribuição manual ou hipóteses artificiais.

O troço curto foi lançado na versão 25.1 do IDEA StatiCa.

Combinações

Uma vez que a análise no IDEA StatiCa Detail é não linear, são utilizadas as denominadas combinações não lineares. Isto significa que os casos de carga individuais não são calculados separadamente e os resultados não são depois somados. Pelo contrário, os casos de carga do mesmo tipo de carga são somados antes do cálculo, naturalmente com os respetivos coeficientes definidos nas combinações, e as combinações individuais são então calculadas. É por isso que a existência de pelo menos uma combinação é um pré-requisito para iniciar o cálculo.

Apenas podem ser definidas combinações para ULS.

Armadura

O modelo pode ser reforçado com Grupo de barras 3D. Este tipo de armadura contém muitas opções, que iremos percorrer no texto seguinte. Assim, podem ser especificados 4 tipos de Definições de forma de barra:

• Por dois pontos
• Na aresta de superfície
• Na aresta de superfície em mais arestas
• Em polilinha

Para cada um destes elementos, é claro que pode especificar o diâmetro e o material, incluindo o tipo de ancoragem no início e no fim das barras.

A definição de forma da barra Por dois pontos é autoexplicativa. É necessário introduzir dois conjuntos de coordenadas cartesianas X, Y, Z.

A definição Na aresta de superfície oferece muitos controlos para posicionar as armaduras na localização pretendida. É possível introduzir varões de armadura em mais camadas com mais varões numa camada, com distâncias especificadas entre varões e entre camadas. Naturalmente, é também necessário especificar a superfície e a aresta de referência. De seguida, deve especificar o Cobrimento de superfície, que define a distância à superfície de referência (da superfície [1] na figura abaixo), e o Cobrimento de aresta, que define a distância das inserções às superfícies laterais (das superfícies [4], [5] e [2] na figura abaixo), podendo ser especificado como Das definições ou Entrada do utilizador. O valor de cobrimento predefinido (Das definições) para o item de Projeto ativo pode ser encontrado no primeiro item da árvore (designado por defeito DRM1). Este foi definido no início deste artigo. O cobrimento de aresta pode ser definido como um valor único para cada Grupo de barras.

Por último, a Posição na aresta pode ser editada para este tipo de entrada. Por exemplo, como mostrado na figura abaixo, é possível especificar a armadura de modo a que o Cobrimento de aresta definido pelo utilizador seja aplicado apenas à superfície inferior [5]. As superfícies laterais são controladas pela Extensão do início e do fim.

Outro tipo de definição é Na aresta de superfície em mais arestas. Aqui é possível especificar uma lista de arestas ou superfícies nas quais a armadura será colocada, juntamente com uma lista de camadas de cobrimento para cada superfície, como mostrado na figura seguinte.

O cobrimento também pode ser especificado utilizando a opção Das definições, tal como na anterior. Novamente, é possível deslocar a armadura em relação à superfície de referência utilizando o Cobrimento de superfície e especificar o Número e a Distância das camadas. É também possível prolongar ou encurtar as extremidades a partir da Primeira aresta e da Última aresta.

A última forma de definir a armadura é Em polilinha. Tal como nas entidades de modelo mencionadas acima, a armadura pode ser especificada utilizando uma lista de coordenadas copiadas de um programa de folha de cálculo. Neste caso, está adicionalmente disponível uma cena 3D com a armadura apresentada para melhor orientação, permitindo rotações em torno de dois eixos.

Import of anchoring from Connection to Detail

Anchoring in a plain concrete block can be modeled and code-checked in IDEA StatiCa Connection. Sometimes, it could be useful or necessary to reinforce the concrete block. Although, this capability isn't available within the Connection app, we have 3D Detail. 3D Detail is focused on solving anchoring into concrete blocks and analysis of both the anchoring elements and the concrete block itself. Moreover, a direct link is implemented between the Connection and Detail applications to simplify the process.

Connection users who design anchoring according to Eurocode can import their model from Connection to the advanced 3D Detail by one button click.

How does it work?

• Import is allowed just for anchoring. If there is no concrete block in the Connection model, the export to Detail is disabled ("RC check").
• The model in Connection has to be calculated. If results are not available, the export icon ("RC check") is disabled.
• Only one concrete block for the import/export is allowed.

For a full list of limitations with further explanation, see the article Known Limitations for 3D Detail

The connection is imported, including 

• The concrete block
• Anchors
• The base plate
• Loads

Additional information and parameters that are set according to the corresponding settings in the Connection:

• Shear transfer (through Anchors, Shear lugs, and Friction) 
• Material
• Anchorage Type: Adhesive/Cast-in place
• Anchorage type at the end: Washer/Straight/Hook
• Friction coefficient

How to export anchoring from Connection to Detail

First, create a model of anchoring in Connection according to Eurocode and click the Calculate button.

When results exist, export of footing is enabled. By clicking the button "RC Check" in the ribbon, a dialog asking for the location and the name of the newly created Detail file appears.

After a successful export, the project in Detail is created. The geometry of the concrete block and the base plate, the position and properties of anchors, and the load are automatically transferred to Detail. Surface support placed at the bottom surface of the concrete block is automatically created.

The most tricky part of this process is the import of the load. For every calculated load effect in Connection, the corresponding load case and the ULS combination are automatically created in Detail.

• The base plate is loaded by forces in welds, which are modeled as a Group of forces. For the loading of the base plate itself, the imported loading is represented by a group of forces following the stresses in welds between the base plate and steel members in the Connection model.

• Anchors are modeled and loaded independently from the base plate, and they are axially loaded by point loads. The loading of anchors is represented in the scene by a double of arrows in opposite directions. One arrow represents the tension force acting only on the top of the anchor. The other one represents the compression force acting on the base plate. 

The Checkbox "Transfer of axial forces" is unticked by default as the anchors are loaded by forces directly. 

• Shear is transferred according to the setting in Connection by one of the options – anchors, shear lugs, or friction. If the shear force is transferred by anchors, you can turn off specific anchors by unticking the checkbox "Transfer of shear". If friction or shear lugs are set, shear in the anchors is never considered in the model.

The only step left is to add reinforcement and calculate the model.

More general information about Detail as a solution for anchoring can be found in the article 3D Detail out of Beta.

Note: Code-checks in the 3D Detail are currently for the Eurocode (EN) only. 

Released in IDEA StatiCa version 24.1.

Resultados

A apresentação dos resultados é muito semelhante ao Detail 2D. No entanto, existem algumas diferenças importantes, especialmente no que diz respeito aos resultados no betão e aos resultados das âncoras. Na secção seguinte, percorreremos todos os resultados disponíveis, com foco nas diferenças mencionadas. No separador de verificação, pode visualizar um total de 4 tipos de resultados:

• Resumo
• Verificação de resistência e de âncoras com base em normas
• Ancoragem da armadura
• Outros resultados adicionais

O fluxo de tensões nos resultados de Resumo mostra os vetores das tensões principais de compressão no betão e a utilização da armadura e das âncoras, para fornecer uma visão geral básica. 

Verificação de resistência do betão, armadura e âncoras

Na verificação de Resistência, pode visualizar a redistribuição de tensões e deformações no betão. Na barra superior da barra de ferramentas de Resultados, pode controlar o que será apresentado. É também possível visualizar os rácios σ_c,eq/σ_lim e ε/ε_lim, bem como a deformação plástica, o nível de triaxialidade σ_c3/σ_lim e a direção da tensão principal no betão. Todos os resultados em Resistência estão relacionados com o Estado Limite Último.

Nota: Poderá notar que a tensão principal equivalente σ_c,eq é zero imediatamente abaixo da placa de base comprimida. Consulte o Enquadramento teórico onde σ_c,eq é definido. Ou pode consultar este artigo de verificação, onde este fenómeno é explicado e verificado através de um ensaio triaxial bem conhecido: Tensão triaxial – o efeito de confinamento ativo

Os materiais podem ser alterados nas propriedades. 

A verificação da armadura é realizada de forma muito semelhante, comparando novamente os valores limite com a tensão/deformação calculada — σ_s/σ_lim e ε_s/ε_lim.

Para as âncoras, existem duas verificações. Uma é igual à da armadura — comparando os valores limite — σ_s/σ_lim e ε_s/ε_lim.

Nota: Poderá notar que cada âncora é verificada em várias posições, que são automaticamente calculadas como casos extremos.

Verificação normativa de âncoras de acordo com a norma de cálculo

Adicionalmente, existem verificações baseadas em normas de cálculo (EN, ACI/AISC, AUS), que são realizadas empiricamente de acordo com a norma. A norma específica considerada pode ser consultada nas definições, onde também é possível selecionar uma diferente consoante o tipo de ancoragem utilizado (placa de base em contacto direto com o betão, placa de base com calda de cimento e placa de base com folga), bem como a norma exigida com base nas práticas regionais.

Normas implementadas: EN 1992-4, EN 1993-1-8, EN 1994-1-1, ACI318-19, AISC 360-16, AS3600, AS 5216, AS 4100

As definições de norma podem ser alteradas em Definições do Projeto, onde os capítulos aparecerão de acordo com a norma selecionada aquando da criação do projeto. Ao importar do Connection, recomenda-se verificar que a mesma norma está definida.

No capítulo de Enquadramento Teórico - Verificações do Estado Limite Último, cada verificação é explicada em detalhe, incluindo todas as fórmulas utilizadas.

Ancoragem da armadura

A verificação de Ancoragem fornece informações sobre a tensão de aderência e a força total na armadura e nas âncoras.

Reações de apoio superficial

A secção Reações e Cargas inclui uma opção para visualizar as reações de apoio superficial. As reações podem ser visualizadas em dois modos:

• Intensidade – As reações superficiais são apresentadas na face apoiada do bloco de betão através de isobandas para ilustrar a distribuição sobre a área de apoio.

• Resultante – A reação resultante de cada apoio é apresentada como uma seta no centro de gravidade do apoio, indicando a magnitude e a direção.

Para ambos os modos, as reações podem ser apresentadas no Sistema de Coordenadas Global (GCS) ou no Sistema de Coordenadas Local (LCS) do apoio.

Uma nova tabela na Grelha de Propriedades lista as reações resumidas para apoios individuais, também disponível em coordenadas globais ou locais.

Adicionalmente, a distribuição das reações pode ser visualizada em vistas de secção criadas pelo utilizador.

Resultados avançados adicionais

Por último, mas não menos importante, pode visualizar os resultados Auxiliares na aplicação — Deformação, Taxa de armadura e Valores tensoriais do betão. O primeiro tipo, Deformação, pode apresentar as deformações escaladas do modelo não linear do ULS.

A taxa de armadura mostra os valores utilizados para calcular o efeito de enrijecimento à tração.

Os valores tensoriais do betão permitem visualizar as intensidades das tensões principais no betão e a sua direção. 

As secções de resultados também podem ser utilizadas.

Investigar o comportamento do modelo com resultados de Section e verificação de tensões

Os Resultados de Secção permitem obter informações sobre as tensões no elemento de betão. É possível criar qualquer número de secções e em qualquer plano.

Para modelos 3D, existe uma opção para apresentar resultados para o betão - Resultados de Section. Para definir ou modificar as secções, é necessário utilizar o botão de secção no controlo de vista, que se encontra no canto superior direito da cena.

Em seguida, pode simplesmente ativar o botão de secção e os resultados serão apresentados através de uma secção especificada.

Ou existe a opção de mudar a vista de 3D para 2D e, para maior clareza, apresentar a secção selecionada em 2D.

Verificação de tensões 

Para uma melhor compreensão dos resultados e da teoria implementada no Detail 3D, a iconografia foi significativamente melhorada. Na secção "Resistência", sob a avaliação das tensões no betão, encontrará novos ícones e, mais importante, dicas de contexto que explicam a teoria básica. Estas dicas de contexto correspondem ao enquadramento teórico.

Lançado na versão 24.0.2 do IDEA StatiCa

Relatório

Como é padrão nas nossas aplicações, todos os resultados podem ser impressos num relatório gerado automaticamente, incluindo fundamentos teóricos, parágrafos do utilizador e muito mais.