Idea Statica
  • Stal
  • Beton
  • BIM i przepływy pracy
  • Wsparcie i nauka
  • Cennik
  • Firma
  • Przegląd stali
  • Projektowanie połączeń
  • Projektowanie elementów
  • Projektowanie parametryczne
  • Studium przypadków – stal
  • Przegląd betonu
  • Ściany i strefy nieciągłości
  • Projektowanie zakotwień
  • Elementy & przekroje
  • Studium przypadków – beton
  • Przegląd BIM
  • Obsługiwane integracje
  • Checkbot
  • Viewer
  • API
  • Centrum wsparcia
  • E-learning i certyfikacja
  • Blog
  • Pliki do pobrania i licencjonowanie
  • Plany
  • Bezpłatne narzędzie społecznościowe
  • Klienci korporacyjni
  • Studenci i wykładowcy
  • Ile zaoszczędzisz?
  • O nas
  • Kontakt
  • Badania i rozwój
  • Autoryzowani resellerzy
  • Poznaj naszych klientów
  • Stal
    Przegląd staliProjektowanie połączeńProjektowanie elementówProjektowanie parametryczneStudium przypadków – stal
  • Beton
    Przegląd betonuŚciany i strefy nieciągłościProjektowanie zakotwieńElementy & przekrojeStudium przypadków – beton
  • BIM i przepływy pracy
    Przegląd BIMObsługiwane integracjeCheckbotViewerAPI
  • Wsparcie i nauka
    Centrum wsparciaE-learning i certyfikacjaBlogPliki do pobrania i licencjonowanie
  • Cennik
    PlanyBezpłatne narzędzie społecznościoweKlienci korporacyjniStudenci i wykładowcyIle zaoszczędzisz?
  • Firma
    O nasKontaktBadania i rozwójAutoryzowani resellerzyPoznaj naszych klientów
14-dniowy okres próbny
14-dniowy okres próbny
  • Stal
  • Beton
  • BIM i przepływy pracy
  • Wsparcie i nauka
  • Cennik
  • Firma

Zapisz się do naszego newslettera

Firma

  • O nas
  • Partnerstwa
  • Kariera
  • Opatentowana technologia dla inżynierów konstruktorów

Zasoby

  • Projekty klientów
  • Studium przypadków
  • IDEA StatiCa Connection Library
  • Weryfikacja poprawności obliczeń

Prawne

  • IDEA StatiCa UMOWA LICENCYJNA UŻYTKOWNIKA KOŃCOWEGO
  • Globalna polityka prywatności
  • Warunki korzystania z usługi – IDEA StatiCa Viewer
  • Licencjonowanie

Pomoc

  • Kontakt
  • Prośba o wycenę
  • Dystrybutorzy
  • Pliki do pobrania
FacebookInstagramLinkedInYouTube

© IDEA StatiCa 2009-2026

Zaufany i używany na całym świecie przez inżynierów, producentów i konsultantów.

Centrum wsparciaArtykuły Bazy Wiedzy3.1 Stany graniczne i obliczanie szerokości rys
3.1 Stany graniczne i obliczanie szerokości rys
ConcreteKnowledge baseDetail 2DACI (USA)EN (Eurocode)

3.1 Stany graniczne i obliczanie szerokości rys

Ten artykuł jest również dostępny w
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
Przetłumaczono przez AI z języka angielskiego

Ocena konstrukcji za pomocą CSFM jest przeprowadzana w dwóch różnych analizach: jednej dla kombinacji obciążeń w stanie granicznym użytkowalności i drugiej dla kombinacji obciążeń w stanie granicznym nośności. Analiza w stanie granicznym użytkowalności zakłada, że zachowanie graniczne elementu jest zadowalające, a warunki uplastycznienia materiału nie zostaną osiągnięte na poziomach obciążeń użytkowych. Takie podejście umożliwia zastosowanie uproszczonych modeli konstytutywnych (z liniową gałęzią wykresu naprężenie-odkształcenie betonu) w analizie użytkowalności, co poprawia stabilność numeryczną i skraca czas obliczeń. Dlatego zaleca się stosowanie przedstawionego poniżej schematu postępowania, w którym analiza w stanie granicznym nośności jest wykonywana jako pierwszy krok.

Analiza w stanie granicznym nośności

Poszczególne sprawdzenia wymagane przez konkretne normy projektowe są oceniane na podstawie bezpośrednich wyników uzyskanych z modelu. Sprawdzenia SGN są wykonywane dla wytrzymałości betonu, wytrzymałości zbrojenia oraz zakotwienia (naprężenia ścinające przyczepności).

Aby zapewnić efektywne zaprojektowanie elementu konstrukcyjnego, zdecydowanie zaleca się wykonanie analizy wstępnej, która uwzględnia następujące kroki:

  • Wybierz zestaw najbardziej niekorzystnych kombinacji obciążeń.
  • Oblicz tylko kombinacje obciążeń w stanie granicznym nośności (SGN).
  • Użyj rzadkiej siatki (zwiększając mnożnik domyślnego rozmiaru siatki w Setup (rys. 19)).

Fig. 19Mesh multiplier.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 19\qquad Mesh multiplier.}}}Fig. 19Mesh multiplier.

Taki model oblicza się bardzo szybko, co pozwala projektantom sprawnie przeglądać zbrojenie elementu konstrukcyjnego i ponawiać analizę, aż wszystkie wymagania weryfikacyjne zostaną spełnione dla najbardziej niekorzystnych kombinacji obciążeń. Po spełnieniu wszystkich wymagań weryfikacyjnych w tej analizie wstępnej zaleca się uwzględnienie pełnego zestawu kombinacji obciążeń granicznych oraz zastosowanie gęstej siatki (o rozmiarze zalecanym przez program). Użytkownik może zmienić rozmiar siatki za pomocą mnożnika, który przyjmuje wartości od 0,5 do 5 (rys. 19).

Podstawowe wyniki i sprawdzenia (naprężenie, odkształcenie i stopień wykorzystania (tj. wartość obliczona/wartość graniczna wynikająca z normy), a także kierunek naprężeń głównych w przypadku elementów betonowych) są wyświetlane na różnych wykresach, na których ściskanie jest zazwyczaj przedstawiane kolorem czerwonym, a rozciąganie niebieskim. Można wyróżnić globalne wartości minimalne i maksymalne dla całej konstrukcji, a także wartości minimalne i maksymalne dla każdej części zdefiniowanej przez użytkownika. W oddzielnej karcie programu można wyświetlić wyniki zaawansowane, takie jak wartości tensorowe, deformacje konstrukcji oraz stopnie zbrojenia (efektywne i geometryczne) używane do obliczania tension stiffening prętów zbrojeniowych. Ponadto można zaprezentować obciążenia i reakcje dla wybranych kombinacji lub przypadków obciążeń.

Analiza w stanie granicznym użytkowalności

Sprawdzenia SGU są wykonywane dla ograniczenia naprężeń, szerokości rys i granicznych wartości ugięć. Naprężenia w betonie i zbrojeniu są sprawdzane zgodnie z obowiązującą normą w sposób podobny do określonego dla SGN.

Analiza użytkowalności zawiera pewne uproszczenia modeli konstytutywnych stosowanych w analizie w stanie granicznym nośności. Zakłada się idealną przyczepność, tzn. długość zakotwienia nie jest sprawdzana w stanie użytkowalności. Ponadto pomijana jest gałąź plastyczna krzywej naprężenie-odkształcenie betonu przy ściskaniu, natomiast gałąź sprężysta jest liniowa i nieograniczona. Uproszczenia te poprawiają stabilność numeryczną i skracają czas obliczeń, a jednocześnie nie zmniejszają ogólności rozwiązania, o ile wynikowe graniczne naprężenia w materiale w stanie użytkowalności są wyraźnie poniżej granicy plastyczności (zgodnie z wymaganiami norm). Dlatego uproszczone modele stosowane w analizie użytkowalności są poprawne tylko wtedy, gdy spełnione są wszystkie wymagania weryfikacyjne.

Obliczenie szerokości rys i tension stiffening

Obliczenie szerokości rys

Istnieją dwa sposoby obliczania szerokości rys - zarysowanie ustabilizowane i nieustabilizowane. Na podstawie geometrycznego stopnia zbrojenia w każdej części konstrukcji określa się, który model obliczeniowy rys zostanie zastosowany (TCM dla zarysowania ustabilizowanego i POM dla modelu zarysowania nieustabilizowanego).

Fig. 20 Crack width calculation: (a) considered crack kinematics; (b) projection of crack kinematics into the principal\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 20 \qquad Crack width calculation: (a) considered crack kinematics; (b) projection of crack kinematics into the principal}}}Fig. 20 Crack width calculation: (a) considered crack kinematics; (b) projection of crack kinematics into the principal directions of the reinforcing bar; (c) crack width in the direction of the reinforcing bar for stabilized cracking; (d) cases with\textsf{\textit{\footnotesize{directions of the reinforcing bar; (c) crack width in the direction of the reinforcing bar for stabilized cracking; (d) cases with}}}directions of the reinforcing bar; (c) crack width in the direction of the reinforcing bar for stabilized cracking; (d) cases with local non-stabilized cracking regardless of the reinforcement amount; (e) crack width in the direction of the reinforcing bar\textsf{\textit{\footnotesize{local non-stabilized cracking regardless of the reinforcement amount; (e) crack width in the direction of the reinforcing bar}}}local non-stabilized cracking regardless of the reinforcement amount; (e) crack width in the direction of the reinforcing barfor non-stabilized cracking.\textsf{\textit{\footnotesize{for non-stabilized cracking.}}}for non-stabilized cracking.

Podczas gdy CSFM daje bezpośredni wynik dla większości weryfikacji (np. nośność elementu, ugięcia…), wyniki szerokości rys są obliczane na podstawie wyników odkształceń zbrojenia dostarczanych bezpośrednio przez analizę MES, zgodnie z metodologią opisaną na Rys. 20. Rozważana jest kinematyka rysy bez poślizgu (czyste rozwarcie rysy) (Rys. 20a), co jest zgodne z głównymi założeniami modelu. Kierunki główne naprężeń i odkształceń definiują nachylenie rys (θr = θs= θe). Zgodnie z (Rys. 20b), szerokość rysy (w) można rzutować na kierunek pręta zbrojeniowego (wb), co prowadzi do:

w=wbcos⁡(θr+θb−π2)w = \frac{w_b}{\cos\left(θ_r + θ_b - \frac{π}{2}\right)}w=cos(θr​+θb​−2π​)wb​​

gdzie θb jest nachyleniem pręta.

Należy zauważyć, że program wyświetla wartości θr i θb < π/2. Oznacza to, że powyższe równanie działa dla przypadków, w których zbrojenie i rysa przechodzą przez różne ćwiartki układu współrzędnych kartezjańskich, jak pokazano na Rys. 20, gdzie zbrojenie przechodzi przez I. i III. ćwiartkę, a rysa przez II. i IV. Dla przypadków, w których zbrojenie i rysa przechodzą przez te same ćwiartki, równanie należy zmodyfikować w następujący sposób:

w=wbcos⁡(−θr+θb+π2)w = \frac{w_b}{\cos\left(-θ_r + θ_b + \frac{π}{2}\right)}w=cos(−θr​+θb​+2π​)wb​​

Składowa wb jest konsekwentnie obliczana na podstawie modeli tension stiffening poprzez całkowanie odkształceń zbrojenia. Dla tych obszarów w pełni rozwiniętego rozkładu rys, obliczone odkształcenia średnie (em) wzdłuż prętów zbrojeniowych są bezpośrednio całkowane wzdłuż rozstawu rys (sr), jak wskazano na (Rys. 20c). Choć takie podejście do obliczania kierunków rys nie odpowiada rzeczywistemu położeniu rys, nadal dostarcza reprezentatywnych wartości prowadzących do wyników szerokości rys, które można porównać z wartościami szerokości rys wymaganymi przez normę w miejscu pręta zbrojeniowego.

Szczególne sytuacje obserwuje się w narożnikach wklęsłych obliczanej konstrukcji. W tym przypadku narożnik z góry określa położenie pojedynczej rysy, która zachowuje się w sposób nieustabilizowany, zanim rozwiną się dodatkowe sąsiednie rysy. Te dodatkowe rysy zazwyczaj rozwijają się po przekroczeniu zakresu użytkowalności (Mata-Falcón 2015), co uzasadnia obliczanie szerokości rys w takim obszarze tak, jakby były nieustabilizowane (Rys. 21).

Fig. 21Definition of the region at concave corners in which the crack width is computed as if it were non-stabilized.\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 21\qquad Definition of the region at concave corners in which the crack width is computed as if it were non-stabilized.}}}Fig. 21Definition of the region at concave corners in which the crack width is computed as if it were non-stabilized.

Tension stiffening

Implementacja tension stiffening rozróżnia przypadki ustabilizowanych i nieustabilizowanych rozkładów rys. W obu przypadkach domyślnie przyjmuje się, że beton jest w pełni zarysowany przed obciążeniem.

Fig. 22Tension stiffening model: (a) tension chord element for stabilized cracking with distribution of bond shear,\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 22\qquad Tension stiffening model: (a) tension chord element for stabilized cracking with distribution of bond shear,}}}Fig. 22Tension stiffening model: (a) tension chord element for stabilized cracking with distribution of bond shear, steel and concrete stresses, and steel strains between cracks, considering average crack spacing); (b) pull-out assumption\textsf{\textit{\footnotesize{steel and concrete stresses, and steel strains between cracks, considering average crack spacing); (b) pull-out assumption}}}steel and concrete stresses, and steel strains between cracks, considering average crack spacing); (b) pull-out assumption for non-stabilized cracking with distribution of bond shear and steel stresses and strains around the crack; (c) resulting\textsf{\textit{\footnotesize{for non-stabilized cracking with distribution of bond shear and steel stresses and strains around the crack; (c) resulting}}}for non-stabilized cracking with distribution of bond shear and steel stresses and strains around the crack; (c) resulting tension chord behavior in terms of reinforcement stresses at the cracks and average strains for European B500B steel;\textsf{\textit{\footnotesize{tension chord behavior in terms of reinforcement stresses at the cracks and average strains for European B500B steel;}}}tension chord behavior in terms of reinforcement stresses at the cracks and average strains for European B500B steel; (d) detail of the initial branches of the tension chord response.\textsf{\textit{\footnotesize{(d) detail of the initial branches of the tension chord response.}}}(d) detail of the initial branches of the tension chord response.

Zarysowanie ustabilizowane

W przypadku w pełni rozwiniętego rozkładu rys, tension stiffening jest wprowadzany za pomocą modelu Tension Chord Model (TCM) (Marti et al. 1998; Alvarez 1998) – Rys. 22a – który, jak wykazano, daje doskonałe przewidywania odpowiedzi pomimo swojej prostoty (Burns 2012). TCM zakłada schodkową, sztywno-idealnie plastyczną zależność naprężenia przyczepności od poślizgu, z τb = τb0 =2 fctm dla σs ≤ fy oraz τb =τb1 = fctm dla σs > fy. Traktując każdy pręt zbrojeniowy jako cięgno rozciągane – Rys. 22b i Rys. 22a – rozkład naprężeń przyczepności, stali i betonu, a tym samym rozkład odkształceń między dwiema rysami, można wyznaczyć dla dowolnej wartości maksymalnych naprężeń (lub odkształceń) stali w rysach.

Dla sr = sr0, nowa rysa może się utworzyć lub nie, ponieważ w środku między dwiema rysami σc1 = fct. W konsekwencji rozstaw rys może się różnić o czynnik dwa, tj. sr = λsr0, przy l = 0,5…1,0. Zakładając określoną wartość λ, średnie odkształcenie cięgna (εm) można wyrazić jako funkcję maksymalnych naprężeń zbrojenia (tj. naprężeń w rysach, σsr). Dla wyidealizowanego bilinowego wykresu naprężenie-odkształcenie dla gołych prętów zbrojeniowych, przyjętego domyślnie w CSFM, otrzymuje się następujące zamknięte wyrażenia analityczne (Marti et al. 1998):

εm=σsrEs−τb0srEsØ\varepsilon_m = \frac{\sigma_{sr}}{E_s} - \frac{\tau_{b0}s_r}{E_s Ø}εm​=Es​σsr​​−Es​Øτb0​sr​​

forσsr≤fy\textrm{for}\qquad\qquad\sigma_{sr} \le f_yforσsr​≤fy​

εm=(σsr−fy)2Ø4Eshτb1sr(1−Eshτb0Esτb1)+(σsr−fy)Esτb0τb1+(εy−τb0srEsØ){\varepsilon_m} = \frac{{{{\left( {{\sigma_{sr}} - {f_y}} \right)}^2}Ø}}{{4{E_{sh}}{\tau _{b1}}{s_r}}}\left( {1 - \frac{{{E_{sh}}{\tau_{b0}}}}{{{E_s}{\tau_{b1}}}}} \right) + \frac{{\left( {{\sigma_{sr}} - {f_y}} \right)}}{{{E_s}}}\frac{{{\tau_{b0}}}}{{{\tau_{b1}}}} + \left( {{\varepsilon_y} - \frac{{{\tau_{b0}}{s_r}}}{{{E_s}Ø}}} \right)εm​=4Esh​τb1​sr​(σsr​−fy​)2Ø​(1−Es​τb1​Esh​τb0​​)+Es​(σsr​−fy​)​τb1​τb0​​+(εy​−Es​Øτb0​sr​​)

forfy≤σsr≤(fy+2τb1srØ)\textrm{for}\qquad\qquad{f_y} \le {\sigma _{sr}} \le \left( {{f_y} + \frac{{2{\tau _{b1}}{s_r}}}{Ø}} \right)forfy​≤σsr​≤(fy​+Ø2τb1​sr​​)

εm=fsEs+σsr−fyEsh−τb1srEshØ\varepsilon_m = \frac{f_s}{E_s} + \frac{\sigma_{sr}-f_y}{E_{sh}} - \frac{\tau_{b1} s_r}{E_{sh} Ø}εm​=Es​fs​​+Esh​σsr​−fy​​−Esh​Øτb1​sr​​

for(fy+2τb1srØ)≤σsr≤ft\textrm{for}\qquad\qquad\left(f_y + \frac{2\tau_{b1}s_r}{Ø}\right) \le \sigma_{sr} \le f_tfor(fy​+Ø2τb1​sr​​)≤σsr​≤ft​

gdzie:
Esh           moduł umocnienia stali Esh = (ft – fy)/(εu – fy /Es) ,

Es            moduł sprężystości zbrojenia,

Ø            średnica pręta zbrojeniowego,

sr                rozstaw rys,

σsr           naprężenia zbrojenia w rysach,

σs            rzeczywiste naprężenia zbrojenia,

fy                granica plastyczności zbrojenia.

Implementacja CSFM w IDEA StatiCa Detail domyślnie uwzględnia średni rozstaw rys podczas przeprowadzania komputerowo wspomaganej analizy pól naprężeń. Średni rozstaw rys przyjmuje się jako 2/3 maksymalnego rozstawu rys (λ = 0,67), co jest zgodne z zaleceniami sformułowanymi na podstawie badań zginania i rozciągania (Broms 1965; Beeby 1979; Meier 1983). Należy zauważyć, że przy obliczaniu szerokości rys przyjmuje się maksymalny rozstaw rys (λ = 1,0) w celu uzyskania wartości bezpiecznych (konserwatywnych).

Zastosowanie TCM zależy od stopnia zbrojenia, dlatego kluczowe znaczenie ma przypisanie odpowiedniego pola przekroju betonu działającego na rozciąganie między rysami do każdego pręta zbrojeniowego. Opracowano automatyczną procedurę numeryczną w celu zdefiniowania odpowiadającego jej efektywnego stopnia zbrojenia (ρeff = As/Ac,eff) dla dowolnej konfiguracji, w tym zbrojenia skośnego (Rys. 23).

Fig. 23Effective area of concrete in tension for stabilized cracking: (a) maximum concrete area that can be activated;\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 23\qquad Effective area of concrete in tension for stabilized cracking: (a) maximum concrete area that can be activated;}}}Fig. 23Effective area of concrete in tension for stabilized cracking: (a) maximum concrete area that can be activated; (b) cover and global symmetry condition; (c) resultant effective area.\textsf{\textit{\footnotesize{(b) cover and global symmetry condition; (c) resultant effective area.}}}(b) cover and global symmetry condition; (c) resultant effective area.

Zarysowanie nieustabilizowane

Rysy występujące w obszarach o geometrycznym stopniu zbrojenia niższym niż ρcr, tj. minimalnej ilości zbrojenia, przy której zbrojenie jest w stanie przenieść obciążenie rysujące bez uplastycznienia, powstają w wyniku działań niemechanicznych (np. skurczu) lub propagacji rys kontrolowanej przez inne zbrojenie. Wartość tego minimalnego zbrojenia otrzymuje się w następujący sposób:

ρcr=fctfy−(n−1)fct{\rho _{cr}} = \frac{{{f_{ct}}}}{{{f_y} - \left( {n - 1} \right){f_{ct}}}}ρcr​=fy​−(n−1)fct​fct​​

gdzie:

fy              granica plastyczności zbrojenia,

fct             wytrzymałość betonu na rozciąganie,

n              stosunek modułów sprężystości, n = Es / Ec .

Dla konwencjonalnego betonu i stali zbrojeniowej, ρcr wynosi w przybliżeniu 0,6%.

Dla strzemion o stopniu zbrojenia poniżej ρcr, zarysowanie uznaje się za nieustabilizowane, a tension stiffening jest wdrażany za pomocą modelu Pull-Out Model (POM) opisanego na Rys. 22b. Model ten analizuje zachowanie pojedynczej rysy, nie uwzględniając mechanicznego oddziaływania między poszczególnymi rysami, pomijając odkształcalność betonu przy rozciąganiu i zakładając tę samą schodkową, sztywno-idealnie plastyczną zależność naprężenia przyczepności od poślizgu, jaka jest stosowana w TCM. Pozwala to na wyznaczenie rozkładu odkształceń zbrojenia (εs) w pobliżu rysy dla dowolnego maksymalnego naprężenia stali w rysie (σsr) bezpośrednio z warunków równowagi. Ze względu na fakt, że rozstaw rys jest nieznany dla nie w pełni rozwiniętego rozkładu rys, odkształcenie średnie (εm) jest obliczane dla dowolnego poziomu obciążenia na odcinku między punktami zerowego poślizgu, gdy pręt zbrojeniowy osiąga swoją wytrzymałość na rozciąganie (ft) w rysie (lε,avg na Rys. 22b), co prowadzi do następujących zależności:

Proponowane modele umożliwiają obliczenie zachowania zbrojenia z przyczepnością, które ostatecznie jest uwzględniane w analizie. Zachowanie to (z uwzględnieniem tension stiffening) dla najbardziej powszechnej europejskiej stali zbrojeniowej (B500B, z ft / fy = 1,08 i εu = 5%) jest przedstawione na Rys. 22c-d.

Powiązane artykuły

Ogólny opis wyników SGU w Detail application
  • Beton
  • Detail 2D
  • EN (Eurocode)
  • Overall check
  • +4
  • Beton
  • Detail 2D
  • EN (Eurocode)
  • Overall check

Knowledge base

Ogólny opis wyników SGU w Detail application

Czytaj więcej