712x
005925
2025-01-21
Specyfikacja projektowa

TS według Quast i Quast zmodyfikowane

Quast

Model ten służący do uwzględnienia udziału betonu przy rozciąganiu pomiędzy rysami opiera się na zdefiniowanej krzywej naprężenie-odkształcenie betonu w strefie rozciągania (wykres paraboliczno-prostokątny).

Podstawowe założenia podejścia Quasta można podsumować następująco:

  • Pełny udział betonu przy rozciąganiu do osiągnięcia odkształcenia rysy εcr,R oraz obliczeniowej wytrzymałości betonu na rozciąganie fct,R.
  • Zredukowany usztywniający udział betonu w strefie rozciągania odpowiadający występującemu odkształceniu betonu.
  • Brak uwzględnienia usztywnienia przy rozciąganiu po wystąpieniu uplastycznienia decydującego pręta zbrojeniowego.

Podsumowując, oznacza to, że obliczeniowa wytrzymałość na rozciąganie fct,R nie jest wartością stałą, lecz odnosi się do występującego odkształcenia w decydującej włóknie stalowym (rozciąganym). Maksymalna wytrzymałość na rozciąganie fct,R maleje od zdefiniowanego odkształcenia rysy εcr,R do osiągnięcia odkształcenia odpowiadającego granicy plastyczności stali zbrojeniowej w decydującej włóknie stalowej liniowo (przy nVMB = 1) do zera. Osiąga się to za pomocą pokazanej na poniższym obrazie krzywej naprężenie-odkształcenie w strefie rozciągania betonu (wykres paraboliczno-prostokątny) oraz wyznaczenia współczynnika redukcji VMB (usztywniający udział betonu).

Na kolejnym obrazie schematycznie przedstawiono stany naprężeń dla rosnącego obciążenia z usztywnieniem przy rozciąganiu.

Krzywą naprężenie-odkształcenie w strefie rozciągania można opisać następującymi równaniami:

dla 0 < ε < εcr,R dla ε > εcr,R

  • Pełność paraboli w pierwszym odcinku może być sterowana za pomocą wykładnika nPR.
  • Wykładnik powinien zostać tak dobrany, aby przejście od zakresu ściskania do zakresu rozciągania następowało możliwie przy tym samym module sprężystości.

Do wyznaczenia współczynnika redukcji VMB wykorzystuje się odkształcenie w najbardziej rozciąganej włóknie stalowej. Położenie punktu odniesienia zilustrowano na poniższej grafice.

Współczynnik redukcji VMB maleje wraz ze wzrostem odkształcenia stali. Na wykresie współczynnika VMB (patrz obraz poniżej) widać, że współczynnik VMB zostaje zredukowany dokładnie do zera przy początku uplastycznienia zbrojenia.

Przebieg współczynnika redukcji VMB w stanie II (ε > εcr,R) może być sterowany za pomocą wykładnika nVMB.

  • Wartości empiryczne według Pfeiffera [2] to nVMB = 1 (liniowo) do nVMB = 2 (parabola) dla elementów obciążonych zginaniem.
  • Quast [3] stosuje w swoim modelu wykładnik nVMB = 1 (liniowo) i osiąga w ten sposób dobrą zgodność przy ponownym przeliczeniu prób słupów.
  • Według Pfeiffera [2] przy nVMB = 2 można odwzorować czyste próby rozciągania z akceptowalną zgodnością.
Informacje

W lokalnym anizotropowym rozszerzeniu usztywnienia przy rozciąganiu odpowiednią rolę pełni współczynnik pojemności gj dla każdej warstwy zbrojenia. Wykorzystuje on ten sam wykładnik nVMB, a w przypadku metody według Quasta odkształcenie rysy εcr,R. Krzywa docelowa σ̂(ε) sama w sobie jest w programie oceniana bez tej redukcji; redukcja wchodzi zatem tylko jednokrotnie, poprzez gj. Patrz sekcja „Umsetzung im Programm".

Przyjęcie wykresu paraboliczno-prostokątnego dla zarysowanej strefy rozciągania betonu należy traktować jako pomoc obliczeniową. Na pierwszy rzut oka istnieją duże różnice w stosunku do eksperymentalnie wyznaczonych krzywych naprężenie-odkształcenie po stronie rozciągania czystego betonu.

Przy analizie występujących naprężeń w zginanym przekroju żelbetowym okazuje się, że wykres paraboliczno-prostokątny jest zdecydowanie lepiej w stanie opisać odkształcenia i naprężenia w ujęciu średnim. W belce zginanej pomiędzy dwiema rysami tworzy się korpus betonowy. Działa on jako rodzaj tarczy, do której poprzez zbrojenie stopniowo ponownie wprowadzane są siły rozciągające. Wskutek tego powstaje bardzo nieregularny przebieg naprężenia i odkształcenia. W ujęciu średnim można jednak utworzyć płaszczyznę odkształceń z paraboliczno-prostokątnym przebiegiem, za pomocą której można uchwycić średnie zakrzywienie.

Dla modelu Quasta zaproponowano następujące wartości obliczeniowe

  • dla wytrzymałości na rozciąganie fct,R
  • dla odkształcenia rysy εcr,R

Wartość obliczeniowa wytrzymałości na rozciąganie fct,R jest zatem mniejsza niż wytyczne Eurokodu. Uzasadnione jest to opisem linii pracy oraz wyznaczeniem współczynnika redukcji VMB, przy którym przyjęte naprężenie rozciągające i wynikająca z niego siła rozciągająca po przekroczeniu odkształcenia rozciągającego są redukowane tylko powoli. Przy odkształceniu 2 ⋅ εcr pozostaje jeszcze działające naprężenie rozciągające około 0.95 ⋅ fct,R. Dzięki temu przy obciążeniu zginaniem redukcja sztywności może być dobrze przewidziana. Przy czystym rozciąganiu powyższe wartości dla fct,R są zbyt małe. Tutaj według Pfeiffera [2] należy przyjąć wartości z EC 2 dla wartości obliczeniowej wytrzymałości na rozciąganie. Zalecane przez Quasta [3] wartości dla fct,R = 1/20 ⋅ fcm można osiągnąć przyjmując 60 % podanych w EC 2 wytrzymałości na rozciąganie. Przy przyjęciu fct,R = 0.6 ⋅ fctm z jednej strony pękanie przekroju jest przewidywane zbyt wcześnie. Z drugiej strony uwzględniona jest w ten sposób już redukcja wytrzymałości na rozciąganie przy obciążeniu stałym (ok. 70 %) lub tymczasowo wyższe obciążenie (np. krótkotrwałe wprowadzenie rzadkiej kombinacji oddziaływań), które prowadzi do uszkodzonej strefy rozciągania. Poszczególne wartości obliczeniowe dla strefy rozciągania betonu można opisać następująco:

Zmodyfikowane podejście według Quasta

Zmodyfikowane podejście według Quasta wykorzystuje tę samą obliczeniową wytrzymałość na rozciąganie fct,R co podejście według Quasta (patrz poprzednia sekcja), ale własną, prostszą krzywą docelową σ̂(ε): Rośnie ona liniowo od zera do wytrzymałości na rozciąganie fct,R (przy odkształceniu fct,R/E, z modułem sprężystości E betonu) i po tym pozostaje stała. Nie ma części parabolicznej; wykładnik nt oraz odkształcenie rysy εcr,R podejścia według Quasta nie są używane. Ponadto różni się sposób zastosowania do naprężenia w betonie:

  • W podejściu według Quasta naprężenie w betonie w strefie rozciągania jest bezpośrednio ustawiane na wartość krzywej docelowej (σc = σ̂(ε), patrz krzywa docelowa w sekcji „Quast"); może to oznaczać zarówno zwiększenie, jak i redukcję w porównaniu z naprężeniem niemodyfikowanego modelu materiału bazowego.
  • W zmodyfikowanym podejściu krzywa docelowa jest natomiast czysto addytywnie dodawana do naprężenia w betonie σc,Basis(ε) dostarczonego przez model materiału bazowego (np. model uszkodzeń).

Naprężenie w betonie może więc poprzez usztywnienie przy rozciąganiu być tylko zwiększane, nigdy redukowane. To addytywne postępowanie jest numerycznie stabilniejsze niż wymuszający wariant według Quasta, ponieważ nie prowadzi do nagłego skoku sztywności, gdy naprężenie materiału bazowego już przekracza krzywą docelową.

Informacje

Implementację obu wariantów w programie, włącznie z ważeniem przez współczynnik aktywacji, opisano w sekcji sekcja „Umsetzung im Programm". Zmodyfikowane podejście według Quasta jest tam zalecane jako ustawienie domyślne.

Implementacja w programie: Lokalne anizotropowe rozszerzenie usztywnienia przy rozciąganiu

Przy użyciu modelu uszkodzeń betonu usztywnienie przy rozciąganiu jest odwzorowane poprzez lokalne anizotropowe rozszerzenie usztywnienia przy rozciąganiu [4]. W tym celu na odpowiedź materiału bazowego betonu w każdym punkcie integracji betonu nakładane jest naprężenie rozciągające wynikające ze zbrojenia, którego przebieg docelowy jest wyznaczany w zależności od wyboru według podejścia Quasta lub według zmodyfikowanego podejścia Quasta. Korekta jest obliczana lokalnie (dla poszczególnych punktów integracji) i anizotropowo (oddzielnie w obu kierunkach głównych odkształceń); kąt między kierunkiem zbrojenia a danym kierunkiem głównym rozciągania jest przy tym jawnie uwzględniany.

Informacje

Zakres obowiązywania według typu elementu: W przypadku elementów powierzchniowych (powłoki, płyty) z warstwową budową przekroju ocena odbywa się, jak opisano, w pełni anizotropowo, oddzielnie w obu kierunkach głównych odkształceń. Dla elementów prętowych oraz elementów bryłowych metoda nie jest obecnie dostępna. Również obecnie nie jest uwzględniana jawna symulacja zbrojenia za pomocą typu pręta „Pręt zbrojeniowy"; uwzględniane jest wyłącznie zbrojenie podłużne przy zbrojeniu powierzchniowym i zbrojeniu prętowym.

Informacje

Zakres obowiązywania według modelu materiałowego: Przy użyciu anizotropowego modelu uszkodzeń betonu („Anisotrope Beschädigung") usztywnienie przy rozciąganiu jest odwzorowane jak opisano powyżej poprzez lokalne anizotropowe rozszerzenie usztywnienia przy rozciąganiu. Dla izotropowego modelu uszkodzeń („Isotrope Beschädigung", Isotropic Damage) zamiast współczynnika kątowego aj,k stosuje się projekcję obu aktualnych głównych odkształceń rozciągających na kierunek zbrojenia, z tymi samymi wagami geometrycznymi cos2(Δθ) odpowiednio sin2(Δθ); wynik jest normalizowany do większego z obu głównych odkształceń rozciągających i dostarcza jedną wartość aktywacji, która jest używana równomiernie dla obu kierunków głównych. Współczynnik kątowy nie jest przy tym całkowicie pomijany, lecz przekształcany w projekcję opartą na odkształceniach, ponieważ izotropowy model uszkodzeń sam w sobie nie dostarcza informacji o tym, który kierunek faktycznie pękł. Zalety podejścia, między innymi poprawione zachowanie zbieżności, pozostają przy tym zachowane.

Współczynnik aktywacji

W każdym punkcie integracji betonu wyznaczane są główne odkształcenia ε1, ε2 oraz związany z nimi kąt głównych odkształceń θp; tylko kierunki rozciągania są istotne dla usztywnienia przy rozciąganiu (patrz poniżej, współczynnik położenia). Każda warstwa zbrojenia j wnosi wkład do współczynnika aktywacji αk kierunku głównego k poprzez trzy mnożne czynniki składowe:

  • gj (współczynnik pojemności): maleje ze wzrostem odkształcenia zbrojenia i osiąga zero przy osiągnięciu odkształcenia odpowiadającego granicy plastyczności zbrojenia; odkształcenie zbrojenia oraz odkształcenie uplastycznienia są przy tym każdorazowo przesunięte o odkształcenie rysy betonu (patrz poniżej, współczynnik pojemności).
  • aj,k (współczynnik kątowy): w anizotropowym modelu uszkodzeń cos2(Δθ) dla kierunku głównego 1 i sin2(Δθ) dla kierunku głównego 2, gdzie Δθ jest kątem między warstwą zbrojenia a kierunkiem głównym 1; suma obu współczynników wynosi zawsze 1. W izotropowym modelu uszkodzeń stosuje się zamiast tego opisaną powyżej projekcję opartą na odkształceniach, która dostarcza tę samą wartość dla obu kierunków głównych.
  • pj (współczynnik położenia): 1 wewnątrz strefy wpływu rozpatrywanej warstwy zbrojenia (odległość dj ≤ odległość wpływu cj, symetrycznie po obu stronach zbrojenia); poza tą strefą współczynnik nie zależy już od odległości, lecz od stosunku równoważnych odkształceń w warstwie zbrojenia i w rozpatrywanej warstwie betonu (patrz poniżej, współczynnik położenia).

Odkształcenie równoważne

We współczynnikach gj i pj odkształcenie wchodzi nie jako czyste odkształcenie pręta zbrojenia odpowiednio czyste odkształcenie betonu, lecz jako odkształcenie równoważne, które uwzględnia współczynnik Poissona μ betonu oraz stan odkształcenia w danym miejscu w kierunku zbrojenia:

Jest ono oceniane dwukrotnie: w miejscu warstwy zbrojenia j (εeq,s,j) oraz w rozpatrywanej warstwie betonu (εeq,c), każdorazowo w lokalnym układzie współrzędnych tej samej warstwy zbrojenia j. Przy tym ε∥ jest odkształceniem w kierunku warstwy zbrojenia, a ε⊥ odkształceniem prostopadłym do niej. Kierunki główne przekroju nie wchodzą tutaj; ε∥ nie jest zatem zawsze większą z obu wartości. Dzięki temu degradacja pojemności podąża za faktycznym otwarciem betonu wzdłuż zbrojenia. Te odkształcenia równoważne wchodzą do wzoru na wkład współczynnika aktywacji.

Współczynnik pojemności

Współczynnik pojemności spada z 1 do 0, gdy odkształcenie równoważne zbrojenia rośnie od odkształcenia rysy εcr,R do odkształcenia odpowiadającego granicy plastyczności εy,j zbrojenia; odkształcenie zbrojenia oraz odkształcenie uplastycznienia są przy tym przesunięte o odkształcenie rysy betonu:

Jeśli εy,j ≤ εcr,R, to gj = 0. Wykładnik nVMB (wprowadzanie „Wykładnik paraboli współczynnika redukcji po pierwszej rysie") jest daną materiałową, która jest używana zarówno dla metody według Quasta, jak i dla metody według Quasta zmodyfikowanej i zawsze musi być podana. Odkształcenie rysy εcr,R jest przy metodzie według Quasta wprowadzaniem „Obliczeniowe odkształcenie rysy" (patrz sekcja sekcja „Quast"). Przy zmodyfikowanym podejściu według Quasta dla współczynnika pojemności przyjmuje się εcr,R = 0, przesunięcie nie występuje.

Współczynnik pojemności działa w kolejnych krokach obciążenia jak wartość uszkodzenia: Jeśli gj raz zmalał, nie wzrasta ponownie w późniejszych krokach obciążenia. Wynik obliczenia wielokrokowego może być zatem mniejszy niż wartość ze wzoru dla odkształcenia aktualnego kroku obciążenia, ale nigdy większy.

Współczynnik położenia

Wewnątrz strefy wpływu warstwy zbrojenia, to znaczy dla warstw betonu w odległości dj ≤ cj od warstwy, obowiązuje pj = 1; strefa leży symetrycznie po obu stronach zbrojenia. Przy tym dj jest odległością rozpatrywanej warstwy betonu od warstwy zbrojenia j, a cj odległością wpływu. Odległość wpływu jest równa odległości środka warstwy od najbliższej powierzchni przekroju, cj = max(0, h/2 − |zs,j|), z grubością przekroju h i położeniem zs,j warstwy zbrojenia odniesionym do powierzchni środkowej, i jest wyznaczana osobno dla każdej warstwy zbrojenia. Nie jest to wprowadzona otulina betonowa: liczona jest do środka warstwy, a głębiej położone warstwy mają większą odległość wpływu. Jeśli warstwa leży w środku przekroju, to cj = h/2, a pj wynosi 1 w całym przekroju. W większej odległości od zbrojenia (dj > cj) współczynnik wynika ze stosunku odkształceń równoważnych w miejscu zbrojenia i w rozpatrywanej warstwie betonu, ograniczony do [0, 1]:

Ten przebieg nie jest stałą funkcją dj/cj: Oba odkształcenia równoważne zależą od aktualnego stanu odkształcenia, kształt zmienia się więc z obciążeniem. Grafika pokazuje go dla przykładowego liniowego przebiegu odkształceń w grubości przekroju.

Współczynnik położenia jest obliczany dla każdego punktu przekroju i każdej warstwy zbrojenia, również dla punktów na przeciwnej stronie przekroju. Czy w danym punkcie w ogóle działa usztywnienie przy rozciąganiu, decyduje niezależnie od tego osobne odkształcenie zastępcze: Tylko przy dodatnim odkształceniu zastępczym (rozciąganie) usztywnienie przy rozciąganiu może być aktywne dla danego kierunku głównego, przy zerze lub ściskaniu nigdy, niezależnie od wartości pj. Odkształcenie zastępcze jest tworzone z odkształcenia modelu materiału bazowego w rozpatrywanym kierunku głównym, nałożone ze składową skorelowaną poprzez współczynnik Poissona na podstawie rzeczywistych głównych odkształceń. Nie jest ono odkształceniem równoważnym εeq,s,j ani εeq,c i nie zależy od żadnej konkretnej warstwy zbrojenia.

Informacje

Dwa różne miary odkształcenia: Współczynniki gj i pj wykorzystują odkształcenie wzdłuż osi określonej warstwy zbrojenia. Czy punkt jest w ogóle obciążony rozciąganiem, odpowiadane jest natomiast odkształceniem w kierunkach głównych przekroju i obowiązuje niezależnie od warstwy zbrojenia.

Wkłady wszystkich warstw zbrojenia są scalane poprzez normy p do dwóch współczynników kierunku głównego k: współczynnika geometrycznego ak i scalonego współczynnika pojemności gk. Wagi warstw zbrojenia wynoszą wj = pj ⋅ aj,k:

Współczynnik pojemności nie jest więc uśredniany, lecz scalany z ważeniem tym samym wykładnikiem p co współczynnik geometryczny: Warstwy o większej wadze wchodzą wyraźnie silniej, i która warstwa jest w danym punkcie decydująca, może się dlatego zmieniać pomiędzy krokami obciążenia. Dopiero po scaleniu gk jest ograniczane od dołu do 5 %, aby pojedyncza, już uplastyczniona, ale geometrycznie istotna warstwa zbrojenia nie zredukowała całkowicie do zera aktywacji w słabo obciążonej warstwie betonu. Dolna granica nie działa ani na poszczególne gj, ani wewnątrz normy p. Współczynnik aktywacji kierunku głównego k wynika z obu współczynników i jest ograniczony do [0, 1]:

Bez dolnej granicy i bez ograniczenia do 1 iloczyn ak ⋅ gk jest równy normie p wkładów Δαj,k ze wzoru na wkład współczynnika aktywacji.

Informacje

Jeśli w decydującym kierunku głównym rozciągania nie ma zbrojenia lub zbrojenia zgodnego kierunkowo (αk = 0), korekta usztywnienia przy rozciąganiu dla tego kierunku całkowicie odpada; materiał bazowy dostarcza wtedy niezmienione zachowanie przy rozciąganiu.

Implementacja dla Quasta i Quasta zmodyfikowanego

Naprężenie docelowe w kierunku głównym k wynosi:

Do wyboru są dwie warianty leżącej u podstaw krzywej naprężeń docelowych σ̂(ε), których podstawy teoretyczne są opisane w poprzednich sekcjach. Obie krzywe nie zawierają redukcji przez współczynnik pojemności; działa ona wyłącznie poprzez gj:

Krzywa naprężeń docelowych: dwa warianty
Wariant Krzywa naprężeń docelowych z Zachowanie Zalecenie
według Quasta sekcja „Quast" wymuszające: może zarówno dodawać, jak i usuwać naprężenie rozciągające, aby doprowadzić średnią odpowiedź do wartości docelowej przy kalibracji na zadane średnie zachowanie naprężenie rozciągające-odkształcenie
według Quasta zmodyfikowane sekcja „Zmodyfikowane podejście według Quasta" czysto addytywne (Δσk ≥ 0): dodaje naprężenie rozciągające tylko wtedy, gdy wartość docelowa przewyższa aktualne naprężenie w betonie Ustawienie domyślne (numerycznie stabilniejsze)

Implementacja dla Quasta

Przy pełnej aktywacji implementacja odpowiada opisanemu w sekcji „Quast" bezpośredniemu narzuceniu krzywej docelowej dla naprężenia w betonie. Ogólnie naprężenie w betonie w kierunku głównym k wynika jako ważone nałożenie naprężenia docelowego i naprężenia σc,Basis modelu materiału bazowego:

Przy ak = 1 i gk = 1 jest to bezpośrednie narzucenie krzywej docelowej, przy ak = 0 naprężenie modelu materiału bazowego pozostaje niezmienione.

Implementacja dla Quasta zmodyfikowanego

Przy pełnej aktywacji implementacja odpowiada czysto addytywnemu dodatkowi z sekcji „Zmodyfikowane podejście według Quasta". Przy częściowej aktywacji dodatek wchodzi proporcjonalnie, odpowiadając czynnikom składowym współczynnika aktywacji, do naprężenia w betonie.

Granice metody

Ważne

Metoda nie modeluje dyskretnych rys, rozstawów rys ani szerokości rys; wyznaczanie szerokości rys odbywa się w ramach osobnego, zgodnego z normą kroku weryfikacji.


Odniesienia
Rozdział nadrzędny