Full functionalities of Detail 3D (EN)

Introducere

Detail 3D este, în esență, o extensie a aplicației Detail actuale, deja consacrate. Aceasta adaugă un nou tip de model 3D și, odată cu acesta, implementarea unei metode de calcul al câmpurilor de tensiuni în spațiul 3D, numită 3D CSFM. Calculele și verificările sunt implementate pentru Starea Limită Ultimă.

Înainte de a trece la descrierea funcționalităților Detail 3D, este util să menționăm existența fondului teoretic, unde puteți citi mai multe detalii tehnice despre entitățile individuale ale modelului și despre calculele propriu-zise.

• IDEA StatiCa Detail – Proiectarea structurală a discontinuităților 3D din beton

În primul pas, utilizatorul poate selecta un nou tip de model pe ecranul inițial (în asistent), unde sunt disponibile mai multe șabloane și, desigur, opțiunea de a introduce un model de la zero.

Ca și în cazul modelelor 2D, puteți edita setările inițiale în partea dreaptă, cum ar fi codul de proiectare, materialele și acoperirea cu beton.

După crearea unui model gol sau a unui model dintr-un șablon, sunt disponibile opțiunile familiare din mediul de modelare 2D.

Opțiunile pentru lucrul cu mai multe elemente de proiect se găsesc în bara de instrumente superioară, împreună cu butoanele standard Anulare/Refacere, opțiunile de vizualizare a etichetelor, controalele galeriei, setările de calcul și controalele de gestionare a șabloanelor.

De asemenea, se inițializează arborele, al cărui prim element, numit implicit DRM1, conține setările implicite pentru elementul de proiect curent. Deasupra arborelui, puteți găsi instrumente pentru manipularea modelului.

Modelare

Entități Model

Includem următoarele în categoria entității Model în aplicația Detail:

• Elemente
• Reazeme
• Dispozitive de transfer al încărcărilor

Poate fi introdus doar un singur Element, care poate fi definit ca formă Dreptunghiulară sau Poligonală. O formă dreptunghiulară este definită prin trei dimensiuni, iar pentru opțiunea Poligon, forma în spațiul 2D este introdusă într-un tabel folosind coordonate, care pot fi apoi extrase în spațiu. Pentru a defini forma generală a unui poligon, coordonatele individuale pot fi completate în tabel sau se poate utiliza funcția copiere-lipire dintr-un program de calcul tabelar (cum ar fi Microsoft Excel).

Rezemul de suprafață este utilizat pentru a susține modelul. Acest tip de reazem poate fi specificat în două moduri - două tipuri de Geometrie.

• Suprafață întreagă
• Polilinie

În ambele cazuri, trebuie să alegeți o suprafață de referință și, desigur, să definiți gradele de libertate. Rezemul poate fi definit ca elastic, iar tipul Numai compresiune poate fi utilizat pentru o direcție perpendiculară pe suprafața specificată. În figura următoare, putem vedea introducerea rezemului pe Suprafața întreagă numărul 4 și opțiunea Numai compresiune dezactivată.

Pentru a doua opțiune de introducere a poliliniei, același tabel este disponibil ca și pentru introducerea Elementelor. Din nou, puteți utiliza funcționalitatea copiere-lipire sau puteți introduce coordonatele manual. Forma introdusă poate fi deplasată de-a lungul suprafeței de referință folosind coordonatele X și Y sau rotită prin introducerea unui unghi.

Rețineți că este posibil să specificați o polilinie astfel încât originea coordonatelor să fie la centrul de greutate al formei dorite. Poziția va fi apoi referențiată prin coordonatele X și Y față de acel centru de greutate.

Rigiditatea rezemelor pentru fundații

În timpul modelării, putem lua în considerare două cazuri. Dacă modelăm ancorarea la structură, rezemele pot fi considerate infinit rigide. 

În cazul ancorării într-un bloc de fundație, rigiditatea trebuie definită corect. În plus, rezemele trebuie definite ca numai compresiune. 

Valorile în direcția z (rigiditatea Kz) sunt preluate din literatură în funcție de tipul de sol corespunzător. Unexemplu specific poate fi găsit în tutorial.

 Valorile depind de recomandările literaturii regionale relevante. Alternativ, valorile sunt obținute de la inginerul geotehnician.

În direcțiile orizontale (K_x și K_y), situația este mai puțin simplă. Recomandarea noastră generală este să se utilizeze o valoare de aproximativ 1/10 din K_z împreună cu raționamentul ingineresc.

O abordare mai precisă ar fi utilizarea unei proceduri iterative, din care am derivat recomandarea noastră.

Mai întâi, setați K_x și K_y la valori foarte mici (din motive de calcul, nu este recomandabil să setați valoarea direct la zero), de exemplu 0.1, și examinați tensiunile din armătură. 

Deoarece aceste valori mici duc la deplasări nerealiste, rigiditatea ar trebui crescută treptat pentru a reflecta mai bine realitatea. Scopul este de a obține valori de deplasare mai realiste, menținând în același timp tensiunea de întindere din armătură la marginea inferioară aproape de valoarea inițială, cu o abatere mai mică de 5%.

Dispozitive de transfer al încărcărilor

Dispozitivele de transfer al încărcărilor conțin două entități: placa de bază și ancora individuală. Să începem cu placa de bază. Pentru a specifica poziția, trebuie selectate o suprafață de referință și o muchie. Acestea definesc originea coordonatelor din care se măsoară distanțele X și Y. Există două opțiuni de definire a formei: Dreptunghiulară și Poligonală.

Placa de bază este conectată la elementul de beton printr-un contact care transferă tensiunile de compresiune și, dacă utilizatorul alege, poate transmite și tensiunile de forfecare. Există trei mecanisme de transfer al forțelor de forfecare care pot fi selectate:

• prin frecare
• prin ancore
• prin pivot de forfecare

Software-ul nu permite combinarea acestor mecanisme de transfer al forțelor de forfecare.

Pentru opțiunea prin frecare, trebuie introdusă valoarea de calcul a coeficientului de frecare. Pentru opțiunea prin pivot de forfecare, trebuie introdusă secțiunea de oțel, inclusiv geometria și poziția acesteia.

Toate configurațiile posibile ale plăcilor de bază pot fi găsite în articolul: Opțiuni pentru plăci de bază.

Placa de bază poate transmite fie o încărcare concentrată, fie un grup de forțe. Pentru o încărcare concentrată, modelul poate fi încărcat cu șase forțe interioare (Fx, Fy, Fz, Mx, My și Mz) în orice poziție pe placa de bază. Pentru un grup de forțe, utilizatorii pot introduce pozițiile, intensitățile și direcțiile forțelor într-un tabel, permițând o poziționare generală pe placa de bază. Este important de menționat că placa de bază este încărcată punctual și nu are niciun element de rigidizare sau element sudat pe fața sa superioară. Astfel, pentru o distribuție corectă a încărcărilor, este important să se utilizeze o placă de bază relativ rigidă, cu o grosime relativ mare. O altă opțiune este utilizarea unui Stub, care rezolvă problema rigidității plăcii.

Un al doilea dispozitiv de transfer al încărcărilor, ancora individuală, poate fi adăugat și interconectat cu placa de bază pentru a crea, de exemplu, o placă de bază a unui stâlp ancorată cu patru ancore (a se vedea figura de mai jos). Este de asemenea posibil să se modeleze ancore separate fără o placă de bază.

Mai multe informații despre interconectarea cu placa de bază pot fi găsite în Baza teoretică.

În ceea ce privește poziția și geometria, ancorele sunt referențiate față de suprafața și muchia blocului, inclusiv determinarea poziției relative, similar cu placa de bază. Desigur, este posibil să se specifice lungimea ancorei în beton și lungimea deasupra suprafeței betonului.

Ancorele sunt implementate în două variante:

• Turnate in situ 
• Ancore adezive

Pentru armătura turnată in situ, rezistența de aderență este utilizată conform EN 1992-1-1 cap. 8.4.2. În plus, este posibil să se specifice tipul de ancoraj pentru acest tip de ancoră, similar cu armătura convențională.

Pentru ancorele adezive, este posibil să se introducă direct rezistența de aderență, pe care utilizatorul o poate găsi în fișa tehnică a mortarului adeziv aplicat. Rețineți că este necesar să se introducă valoarea de calcul a rezistenței de aderență. Următorul articol vă va ajuta să găsiți valoarea. 

Consultați toate opțiunile pentru ancore în articolul: Opțiuni pentru ancora individuală

O descriere detaliată a comportamentului interconectării dintre ancoră și placa de bază este prezentată în Baza teoretică.

Încărcări și combinații

Încărcări

Cazurile de încărcare pot fi definite în același mod ca pentru elementele de beton armat 2D. Aceasta înseamnă că fiecărui caz de încărcare i se poate atribui fie un tip de încărcare Permanentă, fie Variabilă. Cazurile de încărcare permanentă sunt aplicate mai întâi modelului, iar după un calcul reușit, sunt aplicate cazurile de încărcare variabilă.

Tipuri de impulsuri de încărcare

Un total de 4 tipuri de impulsuri de încărcare pot fi adăugate fiecărui caz de încărcare.

Definirea încărcărilor de suprafață este identică cu definirea rezemării de suprafață. Aceasta înseamnă că poate fi specificată în două moduri: Suprafață întreagă și Polilinie. În cazul încărcărilor de suprafață, intensitatea încărcării este introdusă, desigur, în cele trei direcții generale.

Grupul de forțe este o entitate de încărcare care permite specificarea forțelor în trei direcții în orice punct al modelului folosind un tabel. Poate fi referențiat față de placa de bază sau față de suprafața unui bloc de beton. Pentru introducerea tabelară, este posibilă din nou utilizarea funcționalității de copiere-lipire din programul de calcul tabelar.

Greutatea proprie ar trebui inclusă în fiecare model. De exemplu, fundațiile din beton încărcate cu un moment încovoietor nu se vor răsturna atât de ușor.

Încărcările concentrate pot fi aplicate direct pe placa de bază cu șase forțe interioare Fx, Fy, Fz, Mx, My și Mz în poziție generală. 

Atunci când se utilizează o placă de bază, aplicarea acestei forțe direct pe o placă de bază realistă și deformabilă poate conduce la o redistribuire nerealistă a tensiunilor pe placă, ancore și beton. Prin urmare, este mai adecvat să se utilizeze a doua opțiune - tronsonul scurt.

Tronsonul scurt

Tronsonul scurt este reprezentat de o porțiune scurtă a stâlpului deasupra plăcii de bază, care este modelată ca o structură din elemente de tip placă și se comportă ca o interfață fizic precisă între forțele interioare și placă. Se utilizează o bază de date standard de secțiuni.

Setul de 6 componente de forțe interioare (forțe și momente) este aplicat într-un singur punct pe fața inferioară a tronsonului scurt - adică la baza stâlpului.

Constrângerile transferă forțele către fața superioară a tronsonului scurt, de unde acestea sunt în mod natural redistribuite prin tronsonul scurt în placa de bază, ancore și beton.

Această abordare păstrează interacțiunea realistă de rigiditate dintre stâlp și placă și elimină necesitatea oricărei redistribuiri manuale sau a unor ipoteze artificiale.

Tronsonul scurt a fost introdus în IDEA StatiCa versiunea 25.1.

Combinații

Deoarece analiza în IDEA StatiCa Detail este neliniară, se utilizează așa-numitele combinații neliniare. Aceasta înseamnă că cazurile individuale de încărcare nu sunt calculate separat, iar rezultatele nu sunt apoi însumate. Dimpotrivă, cazurile de încărcare de același tip sunt însumate înainte de calcul, desigur cu coeficienții respectivi definiți în combinații, iar combinațiile individuale sunt apoi calculate. De aceea, existența cel puțin a unei combinații este o condiție prealabilă pentru inițierea calculului.

Pot fi definite numai combinații pentru SLU.

Armătură

Modelul poate fi armat cu Grup de bare 3D. Acest tip de armătură conține multe opțiuni, pe care le vom parcurge în textul următor. Astfel, pot fi specificate 4 tipuri de Definiții ale formei barei:

• Prin două puncte
• Pe muchia suprafeței
• Pe muchia suprafeței pe mai multe muchii
• Pe polilinie

Pentru fiecare dintre aceste elemente puteți, desigur, specifica diametrul și materialul, inclusiv tipul de ancoraj la începutul și la sfârșitul barelor.

Definiția formei barei Prin două puncte este explicită. Trebuie să introduceți două seturi de coordonate carteziene X, Y, Z.

Definiția Pe muchia suprafeței oferă numeroase opțiuni de control pentru poziționarea barelor de armătură în locația dorită. Puteți introduce bare de armătură în mai multe straturi, cu mai multe bare într-un strat, cu distanțe specificate între bare și între straturi. Desigur, este necesar să specificați și suprafața de referință și muchia. În continuare, trebuie să specificați Acoperirea suprafeței, care definește distanța față de suprafața de referință (față de suprafața [1] din figura de mai jos), și Acoperirea muchiei, care definește distanța inserțiilor față de suprafețele laterale (față de suprafețele [4], [5] și [2] din figura de mai jos); aceasta poate fi specificată ca Din setări sau Introducere utilizator. Valoarea implicită a acoperirii (Din setări) pentru elementul de Proiect activ poate fi găsită în primul element al arborelui (denumit implicit DRM1). Aceasta a fost definită la începutul acestui articol. Acoperirea muchiei poate fi setată ca valoare unică pentru fiecare Grup de bare.

În cele din urmă, Poziția pe muchie poate fi editată pentru acest tip de introducere. De exemplu, după cum se arată în figura de mai jos, este posibil să specificați armătura astfel încât Acoperirea muchiei definită de utilizator să fie aplicată doar suprafeței inferioare [5]. Suprafețele laterale sunt controlate de Extensia de la început și de la sfârșit.

Un alt tip de definiție este Pe muchia suprafeței pe mai multe muchii. Aici este posibil să specificați o listă de muchii sau suprafețe pe care va fi plasată armătura, împreună cu o listă de straturi de acoperire pentru fiecare suprafață, după cum se arată în figura următoare.

Acoperirea poate fi specificată și folosind opțiunea Din setări, ca și în cazul precedent. De asemenea, este posibil să decalați armătura față de suprafața de referință folosind Acoperirea suprafeței și să specificați Numărul și Distanța straturilor. Este posibil, de asemenea, să prelungiți sau să scurtați capetele de la Prima muchie și Ultima muchie.

Ultima modalitate de definire a armăturii este Pe polilinie. Ca și în cazul entităților de model menționate mai sus, armătura poate fi specificată folosind o listă de coordonate copiate dintr-un program de calcul tabelar. În acest caz, este disponibilă suplimentar o scenă 3D cu armătura afișată pentru o orientare mai bună, permițând rotații în jurul a două axe.

Import of anchoring from Connection to Detail

Anchoring in a plain concrete block can be modeled and code-checked in IDEA StatiCa Connection. For certain cases, such as anchorage near the edge, the design is insufficient due to possible failure modes, and additional reinforcement is required. Although, this capability isn't available within the Connection app, it is possible to continue directly into the Detail application.

3D Detail is focused on solving anchoring into concrete blocks and analysis of both the anchoring elements and the concrete block itself. Moreover, a direct link is implemented between the Connection and Detail applications to simplify the process. Connection users who design anchoring according to Eurocode or AISC can import their model from Connection to the advanced 3D Detail by one button click.

• Import is allowed just for anchoring. If there is no concrete block in the Connection model, the export to Detail is disabled ("RC check").
• The model in Connection has to be calculated. If results are not available, the export icon ("RC check") is disabled. For export functionality, it is also necessary to have valid licenses for concrete applications. Otherwise, the export option will be disabled again.
• Only one concrete block for the import/export is allowed.
• Some anchor types are not supported for import, and we also do not recommend exporting so-called edge anchoring. A detailed breakdown of the limitations is provided in the article: Known Limitations for 3D Detail

The connection is imported, including 

• The concrete block
• Anchors
• The base plates
• Loads

Additional information and parameters that are set according to the corresponding settings in the Connection:

• Shear transfer (through Anchors, Shear lugs, and Friction) 
• Material
• Anchorage Type
• Anchorage type at the end
• Friction coefficient

The possible configurations and types of anchors that can be exported can be found in the following articles:

Anchor types

Base Plate options

Export from Connection to Detail step by step

First, create a model of anchoring in Connection according to Eurocode/AISC and click the Calculate button.

When results exist, export of footing is enabled. By clicking the button "RC Check" in the ribbon, a dialog asking for the location and the name of the newly created Detail file appears.

After a successful export, the project in Detail is created. The geometry of the concrete block and the base plate, the position and properties of anchors, and the load are automatically transferred to Detail. Surface support placed at the bottom surface of the concrete block is automatically created. 

Note: It is only necessary to check the settings in the Z direction. (For foundation footings, we use compression-only with the soil stiffness setting; for a continuing structure, we can also enable tension support).

The most tricky part of this process is the import of the load. For every calculated load effect in Connection, the corresponding load case and the ULS combination are automatically created in Detail.

• The base plate is loaded by forces in welds, which are modeled as a Group of forces. For the loading of the base plate itself, the imported loading is represented by a group of forces following the stresses in welds between the base plate and steel members in the Connection model.

• Anchors are modeled and loaded independently from the base plate, and they are axially loaded by point loads. The loading of anchors is represented in the scene by a double of arrows in opposite directions. One arrow represents the tension force acting only on the top of the anchor. The other one represents the compression force acting on the base plate. 

The Checkbox "Transfer of axial forces" is unticked by default as the anchors are loaded by forces directly. 

Note: The following figure does not apply to cast-in plates, where axial force transfer is correctly checked after export. The reason for this can be found in the Theoretical Background.

• Shear is transferred according to the setting in Connection by one of the options – anchors, shear lugs, or friction. If the shear force is transferred by anchors, you can turn off specific anchors by unticking the checkbox "Transfer of shear". 
• If friction or shear lugs are set, shear in the anchors is never considered in the model. (Even if the checkbox is selected.)

Then just add the required reinforcement using the tools mentioned above and calculate the model. Don't forget set the Design Bond strength for adhesive(post-installed) anchors according to the manufacturer’s parameters. 

It is also a good idea to check that the specified load will not overturn the concrete block. Overturning can be prevented by self-weight or sufficient compressive normal force. If the resultant vertical force is positive (the block will be lifted off the support), the calculation will also fail. 

Since the concrete does not act in tension, the cover between the bottom reinforcement and the support will be peeled off. 

A thorough explanation of imported forces acting on the base plate or anchors, which are shown in the figure below can be found in the Theoretical background. 

One-way sync from Connection to Detail

The Connection application provides an “Update Existing” function to synchronize a Detail project with the latest Connection data, eliminating the need to recreate the model from scratch.

The update process synchronizes the following data:

• Concrete block: geometry and material
• Base plate / cast-in plate: geometry and material
• Anchors / fasteners: geometry and material
• Load data: load cases, impulses, and combinations

The settings are not imported/synchronized, so code must always be set correctly.

During the update, entities originally created from Connection are handled as follows: existing entities are updated with the new data, entities no longer present in Connection are deleted, and new entities in Connection are added to the Detail project. Entities created directly in Detail remain unchanged, including negative volumes, cuts, boolean operations, reinforcement, plates, anchors, and load cases.

Before updating, the system asks to create a backup, and backups are automatically stored in the same folder to ensure recovery of the previous state.

The workflow supports multiple project items in both Connection and Detail. It is possible to copy a Connection project item to create a variant and then synchronize it with the corresponding Detail project. Updates are also supported for Detail projects containing multiple project items, allowing all relevant data to remain consistent.

Note: Released in IDEA StatiCa version 24.1. for EN. Gradually improved by implementing AISC, adding anchoring-element options, and refining the limitations. This article, including the full functionality, is applicable as of version 26.0. The individual changes can be seen in the release notes.

Results

The display of the results is very similar to 2D Detail. However, there are some major differences, especially when it comes to results on concrete and results of anchors. In the following section, we will go through all the available results, focusing on the differences mentioned. In the check tab you can view a total of 4 types of results:

• Summary
• Strength and Achor check based on codes
• Anchorage of the reinforcement
• Other additional results

Stress flow in Summary results shows you the vectors of compression principal stresses in concrete and utilization of the reinforcement and anchors to give you a basic overview. 

Strength check of concrete, reinforcement and anchors

In the Strength check you can display the redistribution of stresses and strains for oncrete. In the top ribbon in the Results toolbar, you can control what will be displayed. It is also possible to display, the ratios σ_c,eq/σ_lim, and ε/ε_lim as well as the plastic strain, the level of triaxiality σ_c3/σ_lim, and the direction of principal stress for concrete. All results in the Strength are related to the Ultimate Limit State.

Note: You may notice that the Equivalent Principal stress σ_c,eq is zero just below the compressed base plate. Please read the Theoretical background where the σ_c,eq is defined. Or you can go through this verification article, where this phenomenon is explained and verified using a well-known tri-axial test: Tri-axial stress – the active confinement effect

Materials can be switched in properties. 

The check for reinforcement is performed in a very similar way, where we again compare the limit values with the calculated stress/strain - σ_s/σ_lim, and ε_s/ε_lim.

For or anchors, we have two checks. One is the same as for reinforcement — comparing the limit values - σ_s/σ_lim, and ε_s/ε_lim.

Note: You may notice that each anchor is verified in several positions, which are automatically calculated as extreme cases.

Code-checking of anchors according to the design code

In addition, we have design code based checks (EN, ACI/AISC, AUS), which are done empirically according to the standard. The specific standard considered can be seen in the settings, where it is also possible to select a different one depending on the type of anchorage used (base plate in direct contact with concrete, grouted base plate, and base plate with a gap), as well as the required standard based on regional practices.

Implemented codes: EN 1992-4, EN 1993-1-8, EN 1994-1-1, ACI318-19, AISC 360-16, AS3600, AS 5216, AS 4100

The standard settings can be changed in Project Settings, where the chapters will appear according to the standard selected when the project was created. When importing from Connection, It is recommended to check that the same standard is set.

In the Theoretical Background chapter - Ultimate Limit State Checks, each check is explained in detail, including all formulas used.

Anchorage of reinforcement

Anchorage check gives you information about bond stress and total force on the reinforcement and anchors.

Surface support reactions

Reactions and Loads section includes an option to display surface support reactions. Reactions can be viewed in two modes:

• Intensity – Surface reactions are shown on the supported face of the concrete block using isobands to illustrate distribution over the support area.

• Resultant – The resultant reaction for each support is displayed as an arrow at the support’s center of gravity, indicating magnitude and direction.

For both modes, reactions can be displayed in either the Global Coordinate System (GCS) or the Local Coordinate System (LCS) of the support.

A new table in the Property Grid lists summarized reactions for individual supports, also available in global or local coordinates.

Additionally, reaction distribution can be visualized in section views created by the user.

Additional advanced results

Last but not least, you can view the Auxiliary results in the application - Deformation, Reinforcement ratio, and Tensor concrete values. The first type, Deformation, can display scaled deformations of the ULS non-linear model.

The Reinforcement ratio shows the values used to compute the Tension stiffening effect.

Tensor concrete values allow you to display the intensities of principal stresses in concrete and their direction. 

The result sections can also be used.

Investigați comportamentul modelului cu rezultatele Section și verificarea tensiunilor

Rezultatele Section permit vizualizarea tensiunilor din elementul de beton. Este posibilă crearea oricărui număr de secțiuni și în orice plan.

Pentru modelele 3D, există o opțiune de afișare a rezultatelor pentru beton - Section results. Pentru a defini sau modifica secțiunile, trebuie să utilizați butonul de secțiune din controlul vederii, care se află în colțul din dreapta sus al scenei.

Apoi puteți activa pur și simplu butonul de secțiune, iar rezultatele vor fi afișate printr-o secțiune specificată.

Sau există opțiunea de a comuta vederea din 3D în 2D și de a afișa secțiunea selectată în 2D pentru o mai bună claritate.

Verificarea tensiunilor 

Pentru o mai bună înțelegere a rezultatelor și a teoriei implementate în Detail 3D, iconografia a fost îmbunătățită semnificativ. În secțiunea „Rezistență", la evaluarea tensiunilor din beton, veți găsi pictograme noi și, cel mai important, sfaturi explicative care descriu teoria de bază. Aceste sfaturi corespund bazelor teoretice.

Lansat în IDEA StatiCa versiunea 24.0.2

Raport

Ca standard în aplicațiile noastre, toate rezultatele pot fi tipărite într-un raport generat automat, incluzând fundalul teoretic, paragrafe definite de utilizator și multe altele.