10 nejčastějších dotazů k návrhu kotvení ve 3D v aplikaci Detail

1. Proč se výpočet zastavil předčasně?

Stop kritéria (konvergenční kritéria) v metodě 3D CSFM zajišťují zastavení iteračního nelineárního výpočtu na definovaných mezích, viz The solution method and load-control algorithm for 3D CSFM v teoretických základech pro IDEA StatiCa Detail. Ve výchozím nastavení je aktivní možnost "Přerušit na mezním přetvoření / prokluzu", díky které je výpočet zastaven, když je dosaženo některého z dále uvedených kritérií. Mezní přetvoření se kontroluje u betonu a výztuže a prokluz v případě kotvení. Hodnota mezního přetvoření betonu v tlaku je stanovena na 5 % a v tahu na 7 %. Mezní přetvoření výztuže je omezeno hodnotou 5 %. U kotvení se kontroluje mezní prokluzu kotvy/výztuže vůči betonu. 

Dosažení výše uvedených kritérií a zastavení výpočtu předčasně, tedy před aplikací plného zatížení, může být způsobeno řadou příčin. Nejčastějším důvodem je chybějící výztuž v místech, kde je beton namáhán tahem, který beton nepřenese. Divergence modelu může nastat také díky nesprávnému podepření, které se neřídí zásadami z následujícího bodu 2 a které může vést k nadměrné deformaci. Pokud je však model vytvořen a podepřen správně  a výpočet je přesto zastaven předčasně, pak to znamená, že kotvení nevyhovuje zadanému zatížení a je jednoduše přetíženo. Pro kontrolu správného podepření modelu doporučujeme po výpočtu vždy kontrolovat tvar a hodnoty deformace.

2. Jaké typy podpor lze v Detailu použít?

V aplikaci Detail lze zadat plošné podpory, a to jak dokonale tuhé, tak s uživatelsky stanovenou tuhostí ve všech směrech. Ve výchozím nastavení jsou podpory zadány jako přenášejí pouze tlak (šedé tlačítko), což může způsobit nestabilitu modelu z hlediska překlopení. Chcete-li, aby podpora přenášela i tah, přepněte tlačítko na bílou. Je však nutné dodržet následující návrhové přístupy: 

1) přístup Základová patka

Použijte výchozí nastavení plošné podpory "přenášející pouze tlak" a nastavte její tuhost tak, aby odpovídala tuhosti zeminy. Tím simulujete situaci pro základové patky spočívající na zemi. V případě exportu z aplikace IDEA StatiCa Connection nezapomeňte ručně aplikovat vlastní tíhu, protože ta exportována není.

2) přístup Výsek konstrukce

U výseků konstrukce (např. balkonové desky, stěny apod.) je naopak potřeba odříznuté části podepřít i na zachycení tahových reakcí, avšak tyto podpory je nutné doplnit průběžnou výztuží, procházející přes pracovní spáru (řez), která by tyto tahy přenesla. Když průběžná výztuž není do podpory dotažena, beton tahové reakce nepřenese, "potrhá se" a dojde např. k nadměrné deformaci modelu. Tím se výpočet opět zastaví předčasně.

Podrobné informace nejen o podepření v aplikaci Detail, model 3D, naleznete v části Plná funkcionalita aplikace Detail 3D.

3. Proč je důležité dodržovat konstrukční zásady?

Jedním z hlavních předpokladů metody 3D CSFM je, že beton v tahu nepůsobí. Proto je vždy nutné modelovat vyztužený beton. Navržená výztuž by měla odpovídat konstrukčním zásadám stanovených normou (např. pravidla pro přídavnou výztuž pro přenos tahové a smykové síly podle EN 1992-4). V aplikaci Detail, modelu 3D, není posouzení konstrukčních zásad implementováno a je zodpovědností uživatele (inženýra/statika) betonový blok vyztužit správným způsobem. Je potřeba mít na paměti, že stejně jako v klasické příhradové analogii způsob vyztužení předurčujete způsob vývoje napětí a přenos zatížení. 

4. Jak správně namodelovat přenos smykové síly?

Smyková síla zadaná na patní desku může být přenášena třením, kotvami nebo smykovými zarážkami, přičemž jednotlivé metody přenosu smyku nelze vzájemně kombinovat. 

V případě tření je nutné zajistit správné pořadí zatěžovacích stavů: nejprve aplikujte přítlak (typ zatěžovacího stavu Stálé), poté smykovou sílu (typ zatěžovacího stavu Proměnné). Pokud tento postup není dodržen, může dojít k nadměrnému posunu patní desky vlivem smyku při nedostatečném přítlaku.  Při správné sekvenci zatížení a koeficientu tření nastaveném např. na hodnotu 0,25 pak lze zadanou smykovou sílu přenést při 25 % přítlaku. 

Prostřednictvím smykových zarážek se přenáší plná smyková síla, avšak posudek zarážky v IDEA StatiCa Detail není proveden. Samotné posouzení smykových zarážek může být provedeno v IDEA StatiCa Connection a poté může být navržené kotvení importováno do Detailu. Smyková zarážka je s betonem spojena prostřednictvím kontaktů, tj. do betonu se přenáší pouze tlakové napětí a pro přenos smyku se uplatňuje vždy příslušná část zarážky (stojina/příruba).

U kotev může uživatel definovat, které konkrétní kotvy budou účinné pro přenos smyku. Avšak stejně jako v případě zarážek, kotvy nejsou v Detailu na smyk posouzeny. V napětí kotev není zohledněn přírustek napětí od smyku, vykresluje se pouze napětí od osové síly. Posouzení kotev může být opět provedeno v aplikaci IDEA StatiCa Connection. Jinými slovy, IDEA StatiCa Detail slouží k posouzení přenosu zatížení do okolní betonářské výztuže, přenos zatížení z kotvy do betonu se nyní neposuzuje.

5. Jak správně propojit kotvu s patní deskou?

Zatížení v aplikaci Detail může být aplikováno buď přímo na kotvy (Fx, Fy, Fz) nebo na patní desku (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz). Kotvy a patní desky jsou modelovány jako samostatné prvky, které nejsou vzájemně propojeny. Vazba mezi kotvou a patní deskou musí být nastavena ručně, a to jak pro přenos osových sil, tak pro přenos smyku. Tyto vazby jsou vzájemně nezávislé a propojení může být aktivováno pouze pro jeden z typů namáhání (přenos osových a/anebo smykových sil) dle požadavků návrhu a posouzení kotvení.

Dva přístupy k modelování:

• Při exportu kotvení z IDEA StatiCa Connection do Detailu (např. viz BIM propojení IDEA StatiCa Connection a Detail - Excentricky zatížené kotvení) je vazba pro přenos osové síly mezi kotvami a patní deskou vypnuta, aby se zabránilo nežádoucímu dodatečnému páčení patní desky (viz obrázek níže). 
• Při modelování "od nuly" přímo v IDEA StatiCa Detail musí uživatel naopak aktivovat vazby jak pro přenos smyku, tak pro přenos osových sil, aby se zatížení zadané na patní desku do kotev přeneslo.

Podrobnější vysvětlení vzájemného propojení kotev s patní deskou naleznete ve webináři nebo v článku Teoretické základy pro Detail 3D.

6. Jakou tuhost patní desky je potřeba nastavit?

Důležité je také nastavení správné tuhosti patní desky. Na obrázku níže jsou porovnány tři modely: 

• měkká patní deska exportovaná z aplikace Connection, 
• měkká patní deska modelovaná přímo v aplikaci Detail, modelu 3D, se zatížením zadaným v jednom bodě patní desky, 
• tuhá patní deska se zvětšenou tloušťkou modelovaná přímo v aplikaci Detail, modelu 3D, se zatížením zadaným v jednom bodě patní desky. 

Výsledky ukázaly, že ohybově měkké patní desky modelované přímo v aplikaci Detail typu 3D způsobují nepřesné rozložení napětí v betonu pod patní deskou, protože dochází k jejímu nadměrnému páčení (chybí ztužující vliv sloupu). Tuhá deska tyto problémy eliminuje a poskytuje výsledky konzistentní s výsledky získanými exportem z aplikace Connection. Výpočtem stanovené síly v kotvách byly srovnatelné u prvního a třetího modelu. V druhém případě byly síly v kotvách nadhodnoceny o více než 30 %, což z něj činí nevhodně sestavený model. Pokud tedy model není vytvořen exportem z aplikace Connection a je zatížen v jednom bodě, je doporučeno použít tuhou patní desku (viz třetí model) tak, aby se interakce mezi patní deskou a betonem co nejvíce přiblížila realitě.

7. Jak je to s kontaktním napětím?

V aplikaci Connection je možné nastavit mezi dvěma plechy tzv. kontakt a zobrazit v nich kontaktní napětí. Je však známým omezením (viz Známá omezení pro Detail 3D) exportu kotvení z Connection do Detail, že toto kontaktní napětí není importováno. Důsledkem chybějících účinků odpovídajících kontaktnímu napětí je, že importované síly nejsou na patní desce v rovnováze a dojde k její nadměrné deformaci a tedy předčasnému ukončení výpočtu kvůli divergenci.

Jak toto omezení obejít?

• V modelu kotvení v aplikaci Connection se vyhnout použití funkce "kontakt". Jedná se o specifickou funkci, která v praxi nastává ve velmi úzkém rozsahu typů přípojů.
• Pokud je v přípoji kontakt reálně navržen, pak je nutné kotvení zatížit přímo v Detailu (nevyužít exportovaných sil), a to v kombinaci s tuhou patní deskou (viz bod 6).

8. Proč napětí v soudržnosti dosáhne 99,9 % tak rychle?

U většiny modelů dosahuje napětí v soudržnosti 99,9% využití pro velmi nízké úrovně zatížení tahem. Příčinu lze nalézt v pracovním diagramu pro vazbu mezi kotvou/výztuží a betonem, jak je znázorněno na obrázku níže. Vazba velmi rychle dosahuje svého mezního napětí v soudržnosti a jakékoli další zatížení vede k její plastické deformaci. 

Stanovení pevnosti v soudržnosti pro lepené kotvy je popsáno v článku Pevnost v soudržnosti pro kotvy v Detailu 3D.

9. Jak mám nastavit velikost sítě?

Kvalita sítě konečných prvků je pro 3D simulace zásadní, zejména u nelineárních výpočtů, protože mj. přímo ovlivňuje dobu výpočtu. Násobitel velikosti konečného prvku, který lze v aplikaci Detail zadat v Nastavení výpočtu, se pohybuje v rozmezí od 0,5 do 5, přičemž nastavená výchozí hodnota je 1. Použití násobitele o velikosti 5 urychluje výpočet, ale výsledky mohou být nepřesné (chyba více než 30 %). Jeho použití je vhodné pro ověření správnosti zadaného modelu a zda např. nedochází k jeho nadměrným deformacím. Po samotné posouzení je víceméně nutné použít násobitel sítě o velikosti 1 pro získání přesnějších hodnot napětí a deformace. 

Stručně řečeno, hrubá síť (vyšší násobitel) se používá pro předběžný návrh, zatímco jemnější síť (nižší násobitel) poskytuje přesnější výsledky, zejména v okolí kotev.

10. Je možné importovat vícenásobné kotvení?

Ano. V aplikaci Connection je možné analyzovat více patních/čelní desek najednou, které jsou však podepřeny "betonovým blokem" (ve skutečnosti se jedná o Winklerovo podloží) každá zvlášť. Toto vícenásobné kotvení je možné importovat do aplikace Detail, do které se naimportují všechny zadané betonové bloky, ale uživatel bude upozorněn, že aplikace nepodporuje model s více než jedním blokem, viz Známá omezení pro Detail 3D. Uživatel tedy musí odstranit všechny bloky kromě jednoho a všechny patní/čelní desky vztáhnout k tomuto zbývajícímu bloku. 

Závěr

3D CSFM v IDEA StatiCa Detail je výkonný nástroj pro modelování nelineárního chování betonu a výztuže, který zajišťuje shodu s Eurokódem a ACI. Nastavená kritéria zajišťují, že se výpočty zastaví při dosažení kritických mezí deformace, a pro realistické výsledky je nezbytné správné zadání výztuže. Kvalita sítě je zásadní pro přesné simulace, přičemž jemnější sítě poskytují lepší přesnost za cenu delší doby analýzy. Dodatečné vyztužení, přenos smykové síly a správné nastavení exportu jsou také klíčovými faktory pro dosažení přesných návrhů v souladu s normami.

Pro podrobnější informace se podívejte na webinář 10 nejčastějších dotazů k návrhu kotvení ve 3D v aplikaci Detail.