Návrh a posouzení štíhlých ŽB sloupů jednoduše a rychle

Tento článek je dostupný také v dalších jazycích:
Úkolem statiků je navrhovat konstrukce tak, aby byly bezpečné,ale také hospodárné. V současné době se prot musí zabývat stále štíhlejšími a subtilnějšími konstrukcemi, ať už z důvodu úspory nákladů, nebo kvůli splnění architektonických požadavků.

Úvod

Co se vám honí hlavou, když musíte navrhnout a posoudit štíhlé železobetonové (ŽB) sloupy? 

  • Jaký zvolit přístup, zjednodušená nebo pokročilejší metoda
  • Použít specializovaný program nebo vlastní excel
  • Podporují programy nebo vlastní excel posudky obecného ŽB průřezu
  • Jak se vypořádat se ztrátou stabiliy štíhlého sloupu

Pravděpodobně se nespoléháte pouze na zjednodušené metody a raději sáhnete po přesnějších a bezpečnějších řešeních založených na nelineárních výpočtech. Použití pokročilejších metod, definice materiálových a geometrických nelinearit však zní jako velmi komplikovaný a časově náročný úkol. 

Anebo ne? Existuje nástroj pomocí kterého můžete jednoduše navrhnout a posoudit železobetonový šíthlý sloup, ale přitom používat pokročilé metody? Ano, existuje!

Prozkoumejte novou funkcionalitu Návrh a posouzení štíhlých betonových sloupů podle Eurokódu v IDEA StatiCa Concrete.

Pracovní postup

Návrh a posouzení ŽB štíhlých sloupů už nemůže být jednodušší. Postupujte podle tohoto 4-krokového pracovního schématu a navrhněte a posuďte železobetonové štíhlé sloupy jednoduše.

Návod na posouzení štíhlých sloupů pomocí GMNA
  • Vytvořte geometrii konstrukce, včetně okrajových podmínek a vyztužení
  • Definujte zatížení analyzované konstrukce
  • Proveďte nelineární analýzu a posuďte ŽB konstrukci
  • Generujte protokol se všemi nezbytnými obrázky, výsledky a posudky

Rádi byste byli ještě efektivnější? Nahraďte první dva časově náročnější kroky pouze jedním!

Použijte svůj oblíbený MKP program (SCIA Engineer, RFEM, AxisVM, Robot, aj.) a propojte globální model v MKP programu s IDEA StatiCa Checkbot. Z aplikace Checkbot můžete snadno provádět nelineární analýzy,
a díky tomu navrhnout a posoudit štíhlé betonové sloupy.

Princip nelineární metody

Implementovaná metoda je založena na vyhodnocení napětí a poměrných přetvoření na železobetonových řezech, na které je automaticky rozdělen analyzovaný prvek. Vaším úkolem je pouze to, aby byl analyzovaný prvek řádně vyztužen betonářskou výztuží.

Analyzovaný prvek automaticky rozdělen na jednotlivé řezy

Každý železobetonový průřez je automaticky rozdělen na konečné prvky podle nastavení GMNA řešiče. Výchozí hodnoty jsou k nahlédnutí pod tlačítkem nastavení řešiče. 

Díky jemné síti konečných prvků každého ŽB řezu dostáváte podrobné výsledky pro každé betonové vlákno v rámci řezu a výztužnou vložku procházející tímto řezem. Výsledky lze tedy ovlivnit nastavením uživatelských hodnot jemnosti sítě konečných prvků betonu a výztuže, stejně tak počet řezů po délce analyzovaného prvku.

GMNA - nastavení řešiče GMNA - geometricky a materiálově nelineární analýza

Materiálové vlastnosti betonu a výztuže jsou vystihnuty pomocí jejich pracovních diagramů. Pro beton se jedná o parabolicko-rektangulární pracovní diagram a pro výztuž o bilineární diagram se stoupající větví.

parabolicko-rektangulární pracovní diagram pro beton
bilineární pracovní diagram se stoupající větví pro betonářskou výztuž

Výpočet GMNA se skládá ze tří typů analýz:

  • Materiálově nelineární analýza (z ang. Material nonlinear analysis - MNA)
  • Lineární ztráta stability (z ang. Linear buckling analysis - LBA)
  • Geometricky a materiálově nelineární analýza s uvážením imperfekcí (z angl. Geometrically and Materially Nonlinear Analysis with Imperfections - GMNIA)

Nejdříve je provedena Materiálově nelineární analýza (MNA).

Spočtené hodnoty (napětí a poměrné přetvoření) jsou následně porovnány s mezními hodnotami napětí a poměrného přetvoření předepsanými normou. Podrobné výsledky na betonu či výztuži jsou graficky zobrazeny ve 2D okně pro vybraný řez, v tabulce výsledků potom vidíte odpovídající spočtené hodnoty a posudky. Výsledky jsou uvedeny zvlašť pro beton a výztuž.

Pokud nemusíte uvažovat gemetrickou nelinearitu a imperfekce, můžete zde ukončit výpočet a návrh a posuzení ŽB sloupu je u konce.

MNA-materiálově nelineární analýza ŽB sloupu-napětí v betonu
MNA-materiálově nelineární analýza ŽB sloupu-napětí ve výztuži

Pokud nestačí uvažovat pouze materiálovou nelinearitu a je nutné uvážit i geometrickou. Provedete tedy další analýzu, lineární ztrátu stability (LBA), jejímiž výstupy jsou vlastní tvary a kritické zatížení, při kterém konstrukce vybočí, resp. násobek zadaného zatížení. Tato analýza umožňuje inženýrovi určit teoretickou ztrátu stability konstrukce při definovaném zatížení.

Nebylo by bezpečné uvažovat pouze s teoretickou ztrátou stability konstrukce, protože každá konstrukce má tzv. počáteční imperfekce. Proto je možné definovat tyto počáteční imperfekce do tabulky s výsledky analýzy lineární ztráty stability pro každý vlastní tvar konstrukce. Číselná hodnota imperfekce je určena na základě zkušeností inženýra, požadavků výroby nebo stavby či dané normy. 

První tvar vybočení štíhlého betonového sloupu

Analýzou lineární ztráty stability (LBA) spočtete až 6 vlastních tvarů konstrukce.

Analýzou lineární ztráty stability (LBA) spočtete až 6 vlastních tvarů konstrukce

Jakmile je počáteční imperfekce definována, je automaticky, proporcionálně rozpočtena dle daného vlastního tvaru vybočení analyzovaného prvku. Potom jednoduše spustíte poslední typ analýzy - geometricky a materiálově nelineární analýza s uvážením imperfekcí (GMNIA)

Touto analýzou vezmete v úvahu všechny zdroje nelinearit, jako je materiálová a geometrická, včetně počátečních imperfekcí konstrukce. Výstupem GMNA analýzy jsou opět hodnoty napětí a poměrných přetvoření v řezech analyzovaného prvku.

Posudek je rovněž založen na porovnání spočtených hodnot napětí a přetvoření s meznímí hodnotami, které předepisuje norma. Výsledky si můžete prohlížet v detailním (v řezech) nebo přehledném režimu, pro beton a výztuž zvlášť. Na kartě Výsledky se můžete přepínat mezi jednotlivými výsledky v podobě napětí, poměrného přetvoření, deformací a příslušnými posudky.

GMNIA - napětí v betonu štíhlého sloupu
GMNIA-posudek napětí štíhlého betonového sloupu
GMINA-napětí ve výztuži štíhlého sloupu
Souhrnné výsledky štíhlého betonového sloupu

Příklad z praxe

Představte si globální model ŽB konstrukce v programu SCIA Engineer. Potřebujete vypracovat bezpečný, ale ekonomický návrh a posouzení železobetonové haly. Problematickou částí celého návrhu takovéto stavby je vypořádání se se vzpěrnými délkami betonových sloupů, jejichž výška je rovna výšce celé haly, to je 14,2 m, a uvážení všech zdrojů nelinearit, zejména té geometrické. Jelikož ztráta stabilty bude hrát velkou roli při návrhu a posouzení štíhlých betonových sloupů.

Pracovní postup by mohl vypadat takto:

  • Sestavení globálního modelu v programu SCIA Engineer
  • Definování zatěžovacích stavů, kombinací a spočtení lineární globální analýzy v programu SCIA Engineer
  • Použití BIM propojení mezi SCIA Engineer a IDEA StatiCa, pomocí kterého importujete geometrii, zatížení a výsledky
  • Import celé konstrukce pomocí SAF souboru do aplikace IDEA StatiCa Checkbot, ve které definujete analyzovaný prvek (štíhlý sloup) a vyberete kritické kombinace
  • Otevření analyzovaného prvku (štíhlý sloup) v aplikaci IDEA StatiCa Member
  • Kontrola správnosti importu - gometrie a zatížení 
  • Návrh výztuže sloupu 
  • Spuštění všech typů analýz (MNA, LBA, GMNIA)
  • Optimalizace geometrie nebo výztuže
  • Tisk protokolu o výpočtu a posouzení se všemi důležitými obrázky, výsledky a posudky
IDEA StatiCa Checkbot v 21.1

Zkušenosti uživatelů

Otestujte novou funkcionalitu a sdělte nám svůj názor. Neváhejte si stáhnout přiložený zip soubor a vyzkoušejte jej na vlastní kůži.

Chtěli byste něco vylepšit? Budeme rádi za vaši zpětnou vazbu. 

Jak jste si mohli všimnout, posudky nejsou závislé na normě ve smyslu různých vzorců nebo hluboce integrovaných pracovních postupů uvedených v normě. Ale jsou spíše v souladu s touto normou, pomocí uvažování mezních normových hodnot napětí a poměrných přetvořeních v betonu a výztuži. Zatím je implementován pouze Eurokód, máte zájem o implementaci jiných norem? Dejte nám vědět!

Přiložené soubory ke stažení