pomocí metody efektivní tuhosti (ESM)
1. Popis teoretického pozadí
Pro analýzu deformací v rámci návrhu betonových konstrukcí se používá analytický postup pro 2D konstrukce a 1D prvky, které jsou vystaveny normálovým silám a ohybovým momentům. Tento postup vychází ze stanovení efektivních tuhostí (metoda efektivní tuhosti) na úrovni průřezu s ohledem na stav trhlin, jakož i na efekty, jako je tension stiffening a jednoduché dlouhodobé účinky (smršťování a dotvarování).
1.1. Základní předpoklady materiálu a geometrie
Pro přímou analýzu deformací při návrhu betonových konstrukcí se předpokládá lineárně elastické chování v tlaku a lineárně elastické chování až do dosažení pevnosti v tahu. Takové předpoklady jsou pro posouzení použitelnosti dostačující. Pokud napětí překročí pevnost betonu v tlaku, probíhá rozvoj poškození podle EN 1992-1-1, čl. 7.3.4.
Výpočet je založen na jednoduchém izotropním modelu lomové mechaniky, který je definován samostatně pro oba směry výztuže. Podle EN 1992-1-1 se efektivní matice tuhosti materiálu vypočítá interpolací mezi nepoškozeným stavem (stav I) a porušeným stavem (stav II) podle čl. 7.4.3, rovnice (7.18). Železobeton je tak modelován jako ortotropní materiál. Přitom se zohledňují efekty jako tension stiffening a jednoduché dlouhodobé účinky (smršťování a dotvarování).
Výpočet matic tuhosti materiálu je implementován pro modely 2D-XY (uz / φx / φy) a 3D. U 3D modelu se navíc v matici tuhosti zohledňuje vliv excentricit ideálních těžišť.
1.2. Vnitřní návrhové síly
Jak je uvedeno výše, výpočet tuhostí je založen na lineárně elastických předpokladech. Vnitřní síly se transformují kolmo ke směru výztuže ф a na obě povrchové strany s (horní a dolní). Získané vnitřní síly – ohybové momenty ms,ф a normálové síly ns,ф (torzní momenty jsou transformací eliminovány) – závisí na:
(a) typu modelu;
(b) výpočetním postupu;
(c) klasifikačním kritériu.
1.3. Kritický povrch
Pro určení kritického povrchu se každý směr výztuže ф posuzuje samostatně. Napěťový stav se analyzuje na spodním povrchu (ve směru lokální osy +z) a na horním povrchu (ve směru lokální osy -z). Jako rozhodující se považuje ten povrch, na kterém je větší tahové napětí v betonu. Vnitřní síly na kritických površích se označují jako nф a mф.
Normálová síla nф,s, transformovaná do směru výztuže ф, má pro oba povrchy stejnou hodnotu (nф = nф,oben = nф,dole). Proto nejsou normálové síly pro určení kritického povrchu rozhodující; posuzují se pouze ohybové momenty, aby se určil rozhodující povrch. Znaménka ohybových momentů mф,s se určují podle toho, zda momenty způsobují tah nebo tlak na daném povrchu. Kritický povrch je ten s větším ohybovým momentem (tedy povrch více namáhaný tahem).
Pro výpočet tuhostí se u kritického povrchu berou v úvahu pouze vnitřní síly nф a mф. Dosud se pojem „spodní povrch“ vztahoval na lokální osu +z. V dalším textu se však „spodní povrch“ vztahuje na rozhodující stranu povrchu.
1.4. Vlastnosti průřezu
Vlastnosti průřezu se určují pro oba směry výztuže a pro oba stavy průřezu c (porušený / neporušený). Pro stav I (neporušený průřez) se předpokládá lineárně elastické chování betonu v tahu. Pro stav II (porušený průřez) se pevnost betonu v tahu neuvažuje.
Výpočet geometrických parametrů je pro stav I nezávislý na vnitřních silách, takže je možné přímé určení. Pro stav II se hloubka neutrální osy vypočítává iterativně. Z numerických důvodů program používá minimální stupeň vyztužení ρmin = 10-4 pro oba rozhodující povrchy (horní i dolní), avšak pouze při kladné složce normálové síly. To znamená, že při absenci výztuže se uvažuje virtuální minimální plocha výztuže. Takto malá hodnota nemá významný vliv na výsledky (tuhosti).
Vypočtené ideální vlastnosti průřezu (vztažené na betonový průřez) v jednom směru výztuže ф a pro stav trhlin c jsou:
(a) moment setrvačnosti k ideálnímu těžišti Ic,ф
(b) moment setrvačnosti k geometrickému těžišti průřezu I0,c,ф
(c) plocha průřezu Ac,ф
(d) excentricita ideálního těžiště ec,ф
1.5. Dlouhodobé účinky
Smršťování a dotvarování jsou časově závislé vlastnosti betonu. Podle EN 1992-1-1 je nutné dlouhodobé účinky posuzovat samostatně.
1.5.1. Dotvarování
Účinky dotvarování se zohledňují snížením modulu pružnosti betonu Ec, přičemž se používá efektivní součinitel dotvarování ϕeff podle EN 1992-1-1, rovnice (7.20):
1.5.2. Smršťování
Při výpočtu průhybu podle EN 1992-1-1 existují dva aspekty, které jsou ovlivněny účinky smršťování.
1.5.2.1. Snížení tuhosti materiálu
Tuhost materiálu v každém směru výztuže φ se snižuje tzv. součinitelem vlivu smršťování ksh,c,φ. Pro oba stavy trhlin c (porušený / neporušený) se smršťovací normálové síly nsh,c,φ a ohybové momenty msh,c,φ stanoví z volné smršťovací deformace εsh:
|
msh,φ |
Přídavný moment ze smršťování v těžišti ideálního průřezu ve směru výztuže ф |
|
nsh,φ |
Přídavná osová síla způsobená smršťováním ve směru výztuže ф |
|
aS1 |
Dolní plocha výztuže |
|
aS2 |
Horní plocha výztuže |
|
Es |
Modul pružnosti výztužné ocele |
|
εsh |
Smyková přetvoření |
|
esh |
Excentricita sil smršťování (stav I a stav II) z těžiště ideálního průřezu |
Obr. 1.1: Vnitřní síly nsh,ф a msh,ф
Pomocí těchto vnitřních sil od smršťování se vypočítá dodatečná křivost κsh,c,ф v analyzovaném bodě – bez vlivu okolního modelu. Následně se určí součinitel vlivu smršťování
|
κф |
Zakřivení vyvolané vnějším zatížením bez vlivu smršťování ve směru výztuže |
|
κsh,c,φ |
Zakřivení vyvolané smršťováním (a uspořádáním výztuže) bez vlivu dotvarování ve směru výztuže |
Součinitel ksh,c,ф je omezen na interval ksh,c,ф ∈ (1, 100). Tuhost tedy nesmí být vlivem ksh,c,ф snížena o více než 100násobek (z numerických i fyzikálních důvodů). Minimální hodnota ksh,c,ф = 1,0 znamená, že vliv smršťování nelze uvažovat, pokud má opačnou orientaci než křivost κd vyvolaná zatížením. Je-li smršťování deaktivováno, odpovídá součinitel ksh,c,ф = 1,0.
Vliv smršťování na membránovou tuhost se neuvažuje.
1.5.2.2. Výpočet distribučního součinitele
Druhý vliv smršťování se týká výpočtu distribučního součinitele (parametru poškození) ζ podle EN 1992-1-1, čl. 7.4.3, rovnice (7.18). Následující kapitola popisuje distribuční součinitel podrobně.
1.6. Distribuční součinitel
Výpočet distribučního součinitele ζd je uveden pro směr výztuže ф. Nejprve program vypočítá maximální tahové napětí v betonu σmax,ф za předpokladu lineárně elastického chování materiálu. Pokud jsou aktivovány dlouhodobé účinky (dotvarování nebo smršťování), musí se maximální napětí vypočítat dvakrát, jinak pouze jednou.
Krátkodobý výpočet: Ověřuje, zda trhliny vznikají bezprostředně po zatížení.
Dlouhodobý výpočet: Zohledňuje chování trhlin s vlivem dotvarování nebo smršťování na konci posuzovaného časového období.
Výpočetní kroky:
Při aktivovaném dotvarování: Vypočítají se krátkodobé geometrické parametry a maximální napětí.
Při aktivovaném smršťování: Stačí přepočítat pouze krátkodobé napětí. Poté se konečné maximální napětí σmax,ф určí jako maximum z dlouhodobého napětí σmax,lt,ф a krátkodobého napětí σmax,st,ф.
|
nф |
Osová síla vlivem vnějšího zatížení |
|
nsh,ф |
Přídavná osová síla v důsledku smršťování |
|
mф |
Moment od vnějšího zatížení |
|
msh,I,φ |
Přídavný moment způsobený smršťováním ve stavu I |
|
h |
Výška průřezu |
|
zI,φ |
Vzdálenost středu ideálního průřezu od povrchu betonu v tlaku ve stavu I |
|
AI,φ |
Ideální plocha průřezu ve stavu I |
|
II,φ |
Ideální moment setrvačnosti ve stavu I |
|
zI,st,φ |
Vzdálenost těžiště ideálního průřezu od povrchu betonu v tlaku ve stavu I ve směru výztuže ф, krátkodobé zatížení |
|
AI,st,ф |
Ideální plocha průřezu ve stavu I ve směru výztuže ф, krátkodobé zatížení |
|
II,st,φ |
Ideální moment setrvačnosti ve stavu I ve směru výztuže ф, krátkodobé zatížení |
Vliv smršťovací síly na maximální tahové napětí σmax,ф je zohledněn dodatečnými vnitřními silami od smršťování. Výpočet distribučního součinitele ζd,ф závisí na tom, zda je při výpočtu deformací podle EN 1992-1-1 uvažováno tension stiffening.
1.6.1. Distribuční součinitel ζd,ф s uvažováním tension stiffening
|
β |
Parametr zohledňující dobu působení zatížení |
|
fctm |
Střední pevnost v tahu |
|
n |
= 2 pro EN 1992-1-1 |
1.6.2. Distribuční součinitel ζd,ф bez uvažování tension stiffening
1.6.3. Zjištění stavu trhlin
Zjištění stavu trhlin lze nastavit v konfiguraci použitelnosti (Serviceability Configuration). K dispozici jsou následující možnosti:
(a) stav trhlin se vypočítá na základě příslušného zatížení;
(b) stav trhlin na základě příslušné charakteristické kombinace (CO) návrhové situace SLS;
(c) stav trhlin jako obálka ze všech návrhových situací SLS;
(d) stav trhlin nezávisle na zatížení.
Obr. 1.2: Konfigurace použitelnosti
Je-li zvolena možnost Stav trhlin se vypočítá na základě příslušného zatížení, pak se stav trhlin (distribuční součinitel ζd) určuje pouze na základě aktuálního zatížení (kombinace zatížení).
Je-li zvolena možnost Stav trhlin na základě příslušné charakteristické kombinace (CO) návrhové situace SLS, pak se distribuční součinitel ζd vypočítá jako maximum ze všech příslušných zatížení. Příslušná zatížení lze definovat v zadání kombinace zatížení.
Obr. 1.3: Příslušná zatížení
Je-li zvolena možnost Stav trhlin jako obálka ze všech návrhových situací SLS, pak se distribuční součinitel ζd vypočítá jako maximum ze všech návrhových situací. Je-li zvolena možnost Stav trhlin nezávisle na zatížení, je distribuční součinitel vždy 1,0.
1.6.4. Návrhové situace
Obecně se průhyb počítá pro kvazistálá zatížení. Je však možné zvolit požadované návrhové situace (v konfiguraci použitelnosti, možnost Vlastní přiřazení typu návrhové situace), pro které se má průhyb vypočítat.
Lze vybrat následující typy návrhových situací použitelnosti:
- kvazistálá,
- častá,
- charakteristická.
Pro každý typ lze stanovit mezní hodnotu průhybu (viz Obr. 1.2). Kromě toho se požadované návrhové situace stanovují i pro návrh betonových konstrukcí.
Obr. 1.4: Nastavení návrhových situací pro návrh betonových konstrukcí
Pro zjištění stavu trhlin (zejména při volbě, zda se zjištění provede z příslušných zatížení nebo ze všech návrhových situací použitelnosti) je rozhodující nastavení v návrhu betonových konstrukcí.
Jinými slovy:
- Pokud je návrhová situace v konfiguraci použitelnosti deaktivována, ale v nastavení návrhu betonových konstrukcí aktivována, bude tato návrhová situace zohledněna.
- Pokud je návrhová situace v konfiguraci použitelnosti aktivována, ale v nastavení návrhu betonových konstrukcí deaktivována, tato návrhová situace zohledněna nebude.
1.7. Vlastnosti průřezu pro analýzu deformací
V matici tuhosti materiálu D pro analýzu deformací potřebuje program vlastnosti průřezu v každém směru výztuže v závislosti na stavu trhlin. Jsou to:
(a) moment setrvačnosti k ideálnímu těžišti Iф;
(b) moment setrvačnosti k geometrickému těžišti průřezu I0,c;
(c) ideální plocha průřezu Aф;
(d) excentricita ideálního těžiště eф vzhledem ke geometrickému těžišti.
Střední přetvoření εф a střední křivost κф se vypočítají interpolací mezi porušeným a neporušeným stavem podle EN 1992-1-1, rovnice (7.18):
Deformace v neporušeném a porušeném stavu c (stav I a II) se vypočítají podle následujících rovnic:
Ideální vlastnosti průřezu se počítají k ideálnímu těžišti průřezu. Vliv smršťování se zohledňuje součinitelem ksh,c,ф :
Pokud je normálová síla různá od nuly, vlastnosti průřezu se počítají ke geometrickému těžišti průřezu s ohledem na excentricitu:
1.8. Matice tuhosti materiálu D (pruty)
Axiální tuhost EA a tuhost v ohybu EIy,0 se v jednom směru výztuže ф = 1 (ve směru prutu) vypočítají takto:
1.9. Matice tuhosti materiálu D (plochy)
Při výpočtu vlastností průřezu se počáteční hodnota Poissonova poměru νinit v obou směrech nezávisle snižuje podle následující rovnice:
Matice tuhosti materiálu se vypočítá podle teorie pro ortotropní plochy.
1.9.1. Tuhost v ohybu - desky a stěny
Tuhosti v ohybu ve směrech výztuže ф se stanoví takto:
Pro stěny:
Pro desky:
Nediagonální složka matice tuhosti materiálu je pro desky i stěny shodná:
U stěn se rozdíly v ohybových tuhostech způsobené momenty setrvačnosti vyrovnávají excentrickými složkami v matici tuhosti materiálu.
1.9.2. Torzní tuhost desek a stěn
Prvky matice tuhosti se pro desky a stěny vypočítají takto:
1.9.3. Smyková tuhost desek a stěn
Prvky matice tuhosti pro smyk se při analýze deformací nesnižují. Určují se ze smykového modulu G ideálního průřezu a výšky průřezu h. Výraz je pro stěny i desky shodný:
1.9.4. Membránová tuhost stěn
Membránové tuhosti ve směrech výztuže ф se vypočítají takto:
Nediagonální část matice tuhosti materiálu je určena:
Podíl složky smykové tuhosti je:
1.9.5. Excentricita – stěny
Prvky matice tuhosti pro excentricitu těžiště (ideální průřez) ve směru výztuže ф se vypočítají takto:
|
d |
= {1,2} podle směru |
Nediagonální část matice tuhosti materiálu je určena:
Složka excentricity pro torzi se vypočítá takto:
1.9.6. Test na pozitivní definitnost
Pozitivní definitnost matice tuhosti materiálu D se testuje pomocí upraveného SYLVESTEROVA kritéria (s přihlédnutím k nulovým blokům).
Pokud matice tuhosti D není pozitivně definitní, nediagonální složky matice tuhosti materiálu se postupně nastavují na nulu. V krajním případě zůstanou zachovány pouze kladné složky hlavní diagonály.
1.10. Výpočet průhybů
Průhyby objektu (prutu nebo plochy) se určují pomocí předem vypočtené matice tuhosti D. Návrhový poměr (Design Ratio) se vypočítá z průhybu a mezní hodnoty.
1.10.1. Příslušné zatížení
Je-li příslušné zatížení přiřazeno hlavnímu zatížení, vypočítá se konečný průhyb jako součet jednotlivých hodnot. Hlavní kombinace zatížení se vypočítá bez časově závislých vlastností (dotvarování a smršťování), a měla by proto být krátkodobá (častá nebo charakteristická). Příslušná kombinace zatížení se naopak vždy počítá s časově závislými vlastnostmi a měla by proto být dlouhodobá (kvazistálá). Je-li přiřazeno více než jedno příslušné zatížení, zohlední se to s nejvyšší hodnotou průhybu.
Celkový průhyb se vypočítá takto:
|
uz,tot,QP,lt |
Dlouhodobý průhyb (s dotvarováním a smršťováním) kvazistálého zatížení |
|
uz,tot,QP,st |
Krátkodobé průhyby (bez dotvarování a smršťování) pro kvazistálé zatížení |
|
uz,tot,st |
Krátkodobý průhyb (bez dotvarování a smršťování) současného (častého nebo charakteristického) zatížení |
1.11 Rozdíly mezi RFEM 5 a RFEM 6
Výpočet výšky betonové tlakové zóny
V RFEM 5 se výška betonové tlakové zóny vypočítává na základě čisté výšky průřezu, zatímco v RFEM 6 se používá hrubá výška průřezu. Tento postup zajišťuje rychlejší a přehlednější výpočet, který také umožňuje lepší dohledatelnost výsledků. Díky tomuto zjednodušení zůstává přesnost výpočtu na vysoké úrovni, takže výsledky se v praxi výrazně neliší. RFEM 6 tak nabízí efektivnější řešení při zachování přesných výsledků.
Distribuční součinitel výztuže
Distribuční součinitel, který popisuje rozdělení napětí v průřezu, byl v RFEM 5 určován výhradně na základě napětí působícího v dlouhodobém režimu. To znamená, že bylo uvažováno pouze napětí, které působí po delší dobu. V RFEM 6 byl výpočetní přístup dále rozvinut, takže se nyní zohledňuje maximum jak z dlouhodobého, tak z krátkodobého napětí. Tato změna zajišťuje realističtější zobrazení skutečných napěťových poměrů v průřezu.