415x
005936
23.1.2025

Přímý výpočet deformace

Pomocí metody efektivní tuhosti (ESM)

1. Popis teoretického zázemí

Pro analýzu deformací v rámci betonářského návrhu se používá analytická metoda pro 2D struktury a 1D prvky, které jsou vystaveny normálovým silám a ohybovým momentům. Ta je založena na určení efektivních tuhostí (metoda efektivní tuhosti) na úrovni průřezu s ohledem na stav trhlin a účinky jako tension stiffening a jednoduché dlouhodobé účinky (smršťování a dotvarování).

1.1. Základní materiálové a geometrické předpoklady

Pro přímou analýzu deformací v betonářském návrhu se předpokládá lineárně elastické tlakové chování a lineárně elastické chování až do dosažení pevnosti v tahu. Tyto předpoklady jsou dostatečné pro prokázání použitelnosti. Překročí-li napětí pevnost betonu v tlaku, dochází k rozvoji poškození podle EN 1992-1-1, odstavec 7.3.4.
Výpočet je založen na jednoduchém izotropním modelu lomové mechaniky, který je individuálně definován pro oba směry výztuže. Podle EN 1992-1-1 je efektivní materiálová tuhostní matice vypočítána interpolací mezi neroztrženým stavem (Stav I) a roztrženým stavem (Stav II) podle odstavce 7.4.3, rovnice (7.18). Železobeton je tak modelován jako ortotropní materiál. Zvažují se účinky jako tension stiffening a jednoduché dlouhodobé účinky (smršťování a dotvarování).
Výpočet materiálových tuhostních matic je proveden pro typy modelů 2D-XY (uz / φx / φy) a 3D. U 3D modelu se navíc zohledňuje vliv excentricit ideálních těžišť v tuhostní matici.

1.2. Vypočet vnitřních sil

Jak je uvedeno výše, výpočet tuhostí je založen na lineárně elastických předpokladech. Vnitřní síly jsou transformovány ortogonálně ke směru výztuže ф a na oba povrchy s (nahoru a dolů). Získané vnitřní síly – ohybové momenty ms,ф a normálové síly ns,ф (torzní momenty se přeměnou eliminují) – závisí na:
(a) typu modelu;
(b) výpočtové metodě;
(c) klasifikačním kritériu.

1.3. Kritický povrch

Pro určení kritického povrchu se každý směr výztuže ф zkoumá samostatně. Napěťový stav se analyzuje na dolním povrchu (ve směru lokální +z-osi) a na horním povrchu (ve směru lokální -z-osi). Povrch s větším betonovým tahem je považován za rozhodující. Vnitřní síly na kritických površích se označují jako nф a mф.

Normálová síla nф,s, transformovaná do směru výztuže ф, má na obou površích stejnou hodnotu (nф = nф,nahoru = nф,dolů). Proto nejsou normálové síly pro určení kritického povrchu relevantní; pro nalezení rozhodujícího povrchu se zvažují pouze ohybové momenty. Znaménka ohybových momentů mф,s jsou určována podle toho, zda momenty na daném povrchu způsobují tah nebo tlak. Kritický povrch je ten s větším ohybovým momentem (tedy více namáhaný tahem).

Pro výpočet tuhostí se zohledňují pouze vnitřní síly nф a mф na kritickém povrchu. Až dosud se termín "dolní povrch" vztahoval na lokální +z-osi. Následně se však "dolní povrch" vztahuje na rozhodující stranu povrchu.

1.4. Vlastnosti průřezu

Vlastnosti průřezu jsou určeny pro oba směry výztuže a pro oba stavy průřezu c (prasklý / bez prasklin). Pro stav I (bez prasklin) se předpokládá lineárně elastické chování betonu na tah. Pro stav II (prasklý průřez) není pevnost v tahu betonu zohledněna.

Výpočet geometrických parametrů je pro stav I nezávislý na vnitřních silách, takže je možný přímý výpočet. Pro stav II se hloubka neutrální osy vypočítává iterativně. Z numerických důvodů program používá minimální stupeň výztuže ρmin = 10-4 pro oba důležité povrchy (nahoru a dolů), avšak pouze při kladné složce normálové síly. To znamená, že při absenci výztuže se nastavuje virtuální minimální výztužná plocha. Tak malá hodnota nemá významný vliv na výsledky (tuhosti).

Vypočtené ideální charakteristiky průřezu (vztažené na betonový průřez) v jednom směru výztuže ф a pro stav trhlin c jsou:
(a) Inerční moment k ideálnímu těžišti Ic,ф
(b) Inerční moment k geometrickému těžišti průřezu I0,c,ф
(c) Plocha průřezu Ac,ф
(d) Excentricita ideálního těžiště ec,ф

1.5. Dlouhodobé efekty

Smršťování a dotvarování jsou časově závislé vlastnosti betonu. Podle EN 1992-1-1 jsou dlouhodobé efekty uvažovány samostatně.

1.5.1. Dotvarování

Účinky dotvarování jsou zohledněny snížením modulu pružnosti betonu Ec pomocí efektivního koeficientu dotvarování ϕeff podle EN 1992-1-1, rovnice

.

1.5.2. Smršťování

Ve výpočtu průhybů podle EN 1992-1-1 jsou dva aspekty, které jsou ovlivněny účinky smršťování.

1.5.2.1. Redukce materiálové tuhosti
Materiálová tuhost v každém směru výztuže φ je snížena tzv. koeficientem vlivu smršťování ksh,c,φ. Pro oba stavy trhlin c (prasklý / bez prasklin) jsou smrštovací normálové síly nsh,c,φ a ohybové momenty msh,c,φ stanoveny z volné smrštěniny εsh

.

Obr. 1.1: Vnitřní síly nsh,ф a msh,ф
S těmito vnitřními silami z smršťování se vypočítá dodatečné zakřivení κsh,c,ф v analyzovaném bodě – bez vlivu okolního modelu. Následně se stanoví koeficient vlivu smršťování

.

Koeficient ksh,c,ф je omezen na rozmezí ksh,c,ф ∈ (1, 100). Tuhost nesmí být redukována o více než 100-násobek (z numerických a fyzikálních důvodů). Minimální hodnota ksh,c,ф = 1,0 znamená, že vliv smršťování nelze zohlednit, pokud tento má opačnou orientaci k zakřivení způsobenému zatížením κd. Pokud je smršťování deaktivováno, odpovídá koeficient ksh,c,ф = 1,0.
Vliv smršťování na membránovou tuhost není zohledněn.

1.5.2.2. Výpočet distribučního koeficientu
Druhý vliv smršťování se týká výpočtu distribučního koeficientu (poškozovacího parametru) ζ podle EN 1992-1-1, odstavec 7.4.3, rovnice (7.18). Následující kapitola popisuje distribuční koeficient podrobně.

1.6. Distribuční koeficient

Výpočet distribučního koeficientu ζd se provádí pro směr výztuže ф. Program nejprve vypočítá maximální betonové tahové napětí σmax,ф za předpokladu lineárně elastického chování materiálu. Pokud jsou aktivovány dlouhodobé efekty (dotvarování nebo smršťování), musí být maximální napětí vypočítáno dvakrát, jinak pouze jednou.

Krátkodobý výpočet: Ověřuje, zda trhliny vzniknou okamžitě po zatížení.
Dlouhodobý výpočet: Zahrnuje chování v trhlinách s vlivem dotvarování nebo smršťování na konci sledovaného období.

Výpočetní postup:
Při aktivovaném dotvarování: Krátkodobé geometrické parametry a maximální napětí jsou vypočítány.
Při aktivovaném smršťování: Je nutné pouze znovu vypočítat krátkodobé napětí. Poté je konečné maximální napětí σmax,ф stanoveno jako maximum z dlouhodobého napětí σmax,lt,ф a krátkodobého napětí σmax,st,ф

.

Vliv smrštovací síly na maximální tahové napětí σmax,ф je zohledněn pomocí dodatečných vnitřních sil z smršťování. Výpočet distribučního koeficientu ζd,ф závisí na tom, zda se při výpočtu deformací uvažuje tension stiffening podle EN 1992-1-1.

1.6.1. Distribuční koeficient ζd,ф se zohledněním tension stiffening

1.6.2. Distribuční koeficient ζd,ф bez zohlednění tension stiffening

= 1.6.3. Detekce stavu trhlin

Nastavení detekce stavu trhlin lze upravit v konfiguraci použitelnosti (Serviceability Configuration). Dostupné jsou následující možnosti:
(a) Stav trhlin se vypočítá na základě příslušného zatížení;
(b) Stav trhlin založený na příslušné charakteristické kombinaci (CO) SLS - posouzení;
(c) Stav trhlin stanoven jako obálka ze všech SLS-posouzení;
(d) Stav trhlin nezávislý na zatížení.

Obr. 1.2: Konfigurace použitelnosti
Pokud je vybrána možnost Stav trhlin se vypočítá na základě příslušného zatížení, stav trhlin (distribuční koeficient ζd) se počítá pouze podle aktuálního zatížení (kombinace zatížení).
Pokud je zvolena možnost Stav trhlin založený na příslušné charakteristické kombinaci (CO) SLS - posouzení, distribuční koeficient ζd se počítá jako maximum z všech příslušných zatížení. Příslušná zatížení lze stanovit v definici kombinace zatížení.

Obr. 1.3: Příslušná zatížení
Pokud je vybrána možnost Stav trhlin stanoven jako obálka ze všech SLS-posouzení, distribuční koeficient ζd se počítá jako maximum ze všech posouzených situací. Pokud je zvolena možnost Stav trhlin nezávislý na zatížení, distribuční koeficient je vždy 1,0.

1.6.4. Posouzené situace

Obecně se průhyb počítá pro kvazistálé zatížení. Je však možné vybrat požadované posouzené situace (v konfiguraci použitelnosti, možnost Vlastní přidělení typu posouzené situace), pro které se má průhyb počítat.
Lze vybrat následující typy posouzení použitelnosti:
- Kvazistálý,
- Často,
- Charakteristický.
Pro každý typ lze stanovit limit průhybu (viz Obr. 1.2). Kromě toho se stanovují požadované posouzené situace i pro betonářský návrh.

Obr. 1.4: Nastavení posouzených situací pro betonářský návrh
Pro detekci stavu trhlin (zejména při volbě, zda detekce vychází z příslušných zatížení nebo ze všech použitelnostních posouzených situací) je klíčové nastavení v betonářském návrhu.
Jinými slovy:
- Pokud je posouzená situace v konfiguraci použitelnosti deaktivována, ale v nastavení betonářského návrhu aktivována, bude tato posouzená situace zohledněna.
- Pokud je posouzená situace v konfiguraci použitelnosti aktivována, ale v nastavení betonářského návrhu deaktivována, nebude tato posouzená situace zohledněna.

1.7. Charakteristiky průřezu pro analýzu deformací

V materiálové tuhostní matici D pro analýzu deformací program potřebuje charakteristiky průřezu v každém směru výztuže, závislé na stavu trhlin. Tyto jsou:
(a) Inerční moment k ideálnímu těžišti Iф;
(b) Inerční moment k geometrickému těžišti průřezu I0,c;
(c) Ideální průřezová plocha Aф;
(d) Excentricita ideálního těžiště eф k geometrickému těžišti.
Střední deformace εф a střední zakřivení κф se vypočítávají interpolací mezi prasklým a bez prasklinových stavem podle EN 1992-1-1, rovnice (7.18)

.
Deformace v bez prasklinovém a prasklém stavu c (stav I a II) se vypočítávají podle následující rovnice .
Ideální charakteristiky průřezu jsou vypočítávány k ideálnímu těžišti průřezu. Vliv smršťování se zohledňuje faktorem ksh,c,ф .
Pokud je normálová síla odlišná od nuly, charakteristiky průřezu se vypočítávají k geometrickému těžišti průřezu s ohledem na excentricitu .

1.8. Materiálová tuhostní matice D (pruty)

Axiální tuhost EA a ohybová tuhost EIy,0 se počítají pouze ve směru výztuže ф = 1 (směr prutu) takto

.

1.9. Materiálová tuhostní matice D (plochy)

Při výpočtu vlastností průřezu se počáteční hodnota Poissonova poměru νinit v obou směrech redukuje nezávisle podle následující rovnice

.
Materiálová tuhostní matice se vypočítává podle teorie pro ortotropní plochy.

1.9.1. Ohybová tuhost - desky a skořepiny

Ohybové tuhosti ve směru výztuže ф se určují takto:
Pro skořepiny:


Pro desky:
Ne diagonální složka materiálové tuhostní matice je pro desky a skořepiny identická:
Pro skořepiny se rozdíly v ohybových tuhostech kvůli inerčním momentům vyrovnávají excentricitními složkami v materiálové tuhostní matice.

1.9.2. Torzní tuhost desek a skořepin

Prvky tuhostní matice se pro desky a skořepiny vypočítávají takto

.

1.9.3. Směrná tuhost desek a skořepin

Prvky tuhostní matice pro směr určují při analýze deformací snížení. Vypočítávají se z modulu smyku G ideálního průřezu a výšky průřezu h. Výraz je pro skořepiny a desky identický

.

1.9.4. Membránová tuhost skořepin

The membrane stiffnesses in the reinforcement directions ф are calculated as follows:


Nediagonální část materiálové tuhostní matice je určena vztahem:

Podíl na komponentě směrné tuhosti je:

1.9.5. Excentricita – skořepiny

Prvky tuhostní matice pro excentricitu těžiště (ideální průřez) ve směru výztuže ф se vypočítávají takto

.
Nediagonální část materiálové tuhostní matice je určena vztahem:

Componenta excentricity pro torzi se vypočítává takto .

1.9.6. Test na kladnou definitnost

Kladná definitnost materiálové tuhostní matice D je testována upraveným (s ohledem na nulové bloky) SYLVESTROVÝM – Kriteriem.
Pokud tuhostní matice D není kladně definitní, nediagonální složky materiálové tuhostní matice jsou postupně nastaveny na nulu. V krajním případě zůstanou jen kladné složky hlavní diagonály.

1.10. Výpočet průhybů

Průhyby objektu (prut nebo plocha) se určují pomocí předběžně vypočítané tuhostní matice D. Výpočtová hodnota (Design Ratio) se vypočítává z průhybu a limitní hodnoty.

1.10.1. Příslušné zatížení

Pokud je k hlavnímu zatížení přiřazena příslušná zátěž, konečný průhyb se vypočítá jako součet jednotlivých hodnot. Hlavní kombinace zatížení se počítá bez časově závislých vlastností (dotvarování a smršťování) a měla by být tedy krátkodobá (častá nebo charakteristická). Naopak, příslušná kombinace zatížení se vždy počítá s časově závislými vlastnostmi a měla by být tedy dlouhodobá (kvazistálá). Pokud je přiřazeno více než jedno příslušné zatížení, zvažuje se ta , která má největší hodnotu průhybu.
Celkový průhyb se počítá takto

1.11 Rozdíly mezi RFEM 5 a RFEM 6

Výpočet výšky tlakové zóny betonu
V RFEM 5 se výška tlakové zóny betonu počítá na základě netto výšky průřezu, zatímco v RFEM 6 se používá brutto výška průřezu. Tento přístup zajišťuje rychlejší a přehlednější výpočet, který umožňuje lepší sledovatelnost výsledků. Tímto zjednodušením zůstává přesnost výpočtu na vysoké úrovni, takže výsledky v praxi neukazují žádné významné rozdíly. RFEM 6 tedy nabízí efektivnější řešení při zachování přesných výsledků.

Distribuční koeficient výztuže
Distribuční koeficient, který popisuje rozložení napětí přes průřez, byl v RFEM 5 určen výhradně na základě dlouhodobě působícího napětí. To znamená, že bylo zohledněno pouze napětí, které působí po delší dobu. V RFEM 6 byl tento výpočtový přístup dále rozvinut tak, že se nyní zohledňuje maximum jak dlouhodobého, tak krátkodobého napětí. Tato změna zajišťuje realističtější znázornění skutečných napěťových poměrů v průřezu.

Nadřazená kapitola