Eurocodes Solutions. Navrhování předpjatých konstrukcí

Transkript

1 Eurocodes Solutions Navrhování předpjatých konstrukcí

2 Eurocodes Solutions Beton jako stavební materiál se stal nejrozšířenějším stavebním materiálem na světě. Je oblíbený především pro svou přizpůsobivost architektonickým potřebám, variabilitu možných tvarů, dostupnost materiálů a relativně nízkou technologickou náročnost, což vede k výrazným úsporám při jeho použití. Moderní betonové konstrukce mohou dosáhnout značných ekonomických úspor použitím prefabrikovaných předpjatých prvků, případně kombinací hybridních systému z prefabrikovaného a monolitického betonu. Hospodárnost a rychlost výstavby může být zvýšena také použitím vhodných metod výstavby. Hlavní nosné prvky jsou vyráběny předem a jsou používány jako podpůrný systém pro další konstrukční prvky tak, aby byla redukována celková doba a cena výstavby. Návrhy konstrukcí, ve kterých je využito technologie prefabrikovaného a monolitického betonu, dosahují hospodárnosti výstavby a vysoké kvality při současné minimalizaci času potřebného k provedení výstavby. Scia Engineer je komplexní nástroj pro návrh a posouzení předpjatých konstrukcí, umožňující výpočet a posouzení předpjatých i nepředpjatých betonových vazníků, sloupů, dutinových panelů a betonových desek. Předem předpjaté betonové konstrukce Modul je efektivním nástrojem pro návrh a výpočet betonových předem předpjatých nosníku. Zadání jednotlivých kabelů se provádí vkládáním předpínacích kabelů /lan/ drátů do otvorů čelních desek koncových řezů symetrického betonového nosníku. S kabely se však pracuje vždy ve skupině, která tvoří jeden celek (předem předpjaté kabely nosníku). Nutnými kroky zadání jsou vytvoření šablony čelní desky, šablony kabelů v průřezu, definice předpínací dráhy, kabelů nosníku. Výrobní program Základní myšlenkou zavedení knihovny výrobního programu je umožnit uživateli definovat svůj vlastní katalog prvků, které jsou často vyráběny a používány. Prvky v katalogu jsou na míru šité, přitom je lze velmi efektivně a rychle používat podobně jako například předdefinované databázové průřezy. K tomu slouží parametrické zadání průřezu a možnost filtrovat a třídit položky v katalogu podle několika úrovní. Složitější tvary průřezů je možné převzít z CAD programů pomocí formátů DWG a DXF. Tento přístup se ukazuje výhodný především pro výrobce prefabrikovaných konstrukcí. Šablony čelní desky Šablona čelní desky je založena na tvaru průřezu příslušného prvku. Na tuto šablonu jsou v přehledném editoru umísťovány jednotlivé otvory nebo skupiny otvoru pro možná umístění kabelu do koncových řezů nosníku. Takto připravená šablona se ukládá do knihovny čelních desek a pomocí standardního správce knihoven je dostupná pro další použití či výměnu dat mezi různými projekty / uživateli. Čelní desky lze velice pohodlně načítat také z DXF/DWG formátu. Šablona kabelu v průřezu Šablona kabelu v průřezu (tj. vyztužení koncových řezů nosníku předem předpjatou výztuží) je založena na šabloně čelní desky, v níž jsou některé otvory obsazeny předpínacím kabelem (lanem či drátem). Tato šablona je rovněž dostupná pomocí standardního správce knihoven pro vícenásobné použití pro nosníky stejného průřezu. Kabely nosníku Kabely nosníku jsou založeny na šabloně čelní desky nebo na šabloně kabelu v průřezu, avšak datově obsahují i rozložení konkrétních kabelu/lan po délce nosníku. Je možné je jako skupinu mazat nebo kopírovat na jiné nosníky stejného průřezu. Při vhodné volbě referenčního bodu průřezu lze kopírovat i na nosníky jiného průřezu. Kabely jsou datově navázány na daný nosník a při jeho změně se automaticky adaptují (zakřivení, zkrácení/prodloužení). Osazování jednotlivých kabelu do otvoru šablon čelní desky se provádí v grafickém dialogu. Dialog nabízí v přehledné formě všechny důležité vlastnosti a nastavení jednotlivých kabelů, geometrii a průřezové charakteristiky kabelu v průřezu.

3 Navrhování předpjatých konstrukcí Typy a vlastnosti kabelu: ohýbaný, fixovaný (neměnná poloha v průřezu) a separovaný (se zrušenou soudržností s betonem), typ napínání a počáteční napětí, postup vnesení předpětí přeřezáním / uvolněním lan, kotevní délky, možnost parametrizace. Předpínací dráhy Knihovna předpínacích drah umožňuje nadefinovat m.j. tepelné ošetřování betonu proteplováním. Z uživatelsky zadaného proteplovacího cyklu je přepočteno stáří betonu (urychlení jeho zrání) a je zvětšena doba po napnutí lan o ekvivalentní dobu tak, aby byl postižen účinek tepelného ošetřování na ztrátu napětí způsobenou relaxací předpínací výztuže podle normy ČSN EN Přenášecí délky a otvory Přenášecí délka, na které je plně přenesena předpínací síla do betonu, je definována v šabloně kabelů průřezu buď uživatelsky nebo automatickým výpočtem dle ČSN EN Vytvoření otvorů v prefabrikovaných prvcích z důvodu různých prostupů je dnes samozřejmostí. Předem předpjatá lana jsou automaticky upravena s ohledem na dodatečně vytvořené otvory. Program identifikuje lana přerušená zadaným otvorem, lana přeruší, doplní přenášecí délky a zohlední přerušení ve výpočtu ztrát předpětí. Smazáním otvoru z nosníku dojde automaticky k opětovnému spojení přerušených lan. Dutinové panely v Scia Engineer Speciálním typem prefabrikovaného prvku je dutinový panel, který se hojně používá pro stropní konstrukce v pozemním stavitelství. Je charakteristický svou vysokou únosností a nízkou hmotností. Dutinové panely se navíc posuzují podle mechanické odolnosti ČSN EN1168. Šablona pro analýzu dutinových panelů Dutinové panely jsou často používány jako prefabrikované předpjaté i nepředpjaté stropní panely v pozemním stavitelství. Cílem bylo připravit šablonu, která může být obsluhována pouze operátorem (bez specializovaného vzdělání). Šablona obsahuje několik zjednodušení, které vedou ke snížení výpočetního času při současném dodržení vysoké kvality analýzy a provedených betonových posudků. Z této šablony, která je připravena pro prostý nosník, lze jednoduše připravit mnoho variací (prefabrikované nosníky zmonolitněné nad podporou; složitější změny statického sytému během výstavby a další). Posouzení mechanické odolnosti dutinových panelů EN1168+A1 Program Scia Engineer provádí posudky mechanické odolnosti dutinových panelů podle ČSN EN1168 včetně změny A1. Mezi implementované posudky patří Posouzení roztržení čela panelu Posouzení smyku podle zjednodušené a obecné metody Posouzení smyku s kroucením Posouzení podélné spáry mezi panely Posouzení v protlačení Posouzení panelu uloženého na třech stranách Tabulky únosnosti Tabulky ukazující závislost maximálního možného přitížení na délce rozpětí jsou jedním ze základních výstupů výrobce prefabrikovaných stropních dílců. Tabulky je možné obdržet pro vybraný průřez, zadaný rozsah zatížení a několik zvolených šablon výztuže. K vytvoření tabulek je použit program pro Obecnou optimalizaci, který je součástí balíčku Scia Engineer. Pomocí dávkového zpracování jsou získány výsledky pro kombinace délek, zatížení a šablon výztuže. Podle zadaných kritérií jsou následně výsledky vyhodnoceny a po exportu do tabulkového editoru jsou zkompletovány vlastní tabulky.

4 Eurocodes Solutions Dodatečně předpjaté betonové konstrukce Moduly pro dodatečně předpjaté betonové konstrukce jsou určeny pro zadání a výpočet betonových dodatečně předpjatých nosníků a desek. Tímto modulem lze modelovat především jedno nebo vícelanové kabely se soudržností zajištěnou injektováním kabelových kanálků. Vnější kabely Vnější kabely jsou zadávány v programu Scia Engineer za předpokladu konstantního počátečního napětí a bez možnosti automatického výpočtu relaxace. Zadání a výpočet účinků zatížení volné vnější předpínací výztuže teplotou Zadání zatížení teplotou bylo rozšířeno o možnost zadání zatížení volné vnější předpínací výztuže teplotou konstantní po délce volného kabelu. Účinky zatížení lze zobrazit ve standardních výsledkových servisech a zohlednit v posudcích. Ztráty předpětí Program umožňuje výpočet a zobrazení ztrát v číselné i grafické podobě. Ztráty okamžité: ztráta pokluzem, ztráta předpětí relaxací předpínací výztuže, ztráta třením pouze pro dodatečně předpjatý beton ztráta postupným předpínáním pouze pro dodatečně předpjatý beton ztráta předpětí přetvořením opěrného zařízení - pouze pro předem předpjatý beton ztráta předpětí způsobená rozdílem teplot předpínací výztuže a opěrného zařízení - pouze pro předem předpjatý beton Ztráty dlouhodobé v případě použití řešiče TDA: ztráta předpětí relaxací předpínací výztuže, ztráta předpětí smršťováním betonu, ztráta předpětí dotvarováním betonu, ztráta pružným přetvořením betonu způsobeným zatížením aplikovaným po vnesení předpětí. Výpočet Kabely se po vnesení předpětí stávají součástí předpjatého nosníku. Tuhost vložené výztuže je přidána do matice tuhosti celé konstrukce. Následně vnášená zatížení pak vyvolávají deformace konstrukce včetně kabelu, přičemž změna předpětí předpínací výztuže se určuje automaticky v závislosti na této deformaci. Zobrazení primárních a sekundárních účinků zatížení od předpětí poskytuje uživateli více informací o modelu a v případě deformačních zatížení umožňuje i dekompozici výpočetních kroků a lepší kontrolu programu. Primární účinky se zobrazují jako standardní výsledky. Fáze výstavby a provozu + TDA Modul fáze výstavby a provozu poskytuje uživateli v kombinaci se standardním řešičem nebo s řešičem TDA výkonný nástroj pro provádění výpočtů statických modelů předpjatých in nepředpjatých konstrukcí vytvářených automaticky s ohledem na postupnou montáž či betonáž prvku konstrukce a průřezu, změny okrajových podmínek a reologické účinky betonu. Moduly umožňují postupné vkládání zatížení a předpětí a odstraňování dočasných prvků konstrukce. Lze modelovat kompletní historii výroby prefabrikovaného prvku (předpětí, betonáž, skládka, finální podpory, montážní podpory) a také postupnou výstavbu patrových rámů. Materiály Modul pro fáze výstavby a provozu umožňuje využít rozšíření standardní materiálové databáze programu o informace zohledňující stárnutí betonu podle jednotlivých norem. Pro účely časové analýzy (modul TDA) jsou charakteristiky rozšířeny o údaje o složení betonu ovlivňující rychlost a rozsah smršťování a dotvarování betonu. Pro normy ČSN a EC je možné zadat stáří betonu a jemu odpovídající experimentálně zjištěné či požadované hodnoty pevnosti betonu v tlaku. Z nich je pak určován vývoj modulu pružnosti betonu v čase. Průřezy Databáze dostupných profilů je doplněna o průřezy skládající se z více fází spřažené průřezy. Každá z fází muže mít přiřazen jiný materiál. Modul Obecný průřez umožňuje uživatel nadefinovat libovolný tvar průřezu až s 10 možnými fázemi. Při výpočtu je každá fáze průřezu v podélném směru modelována samostatným konečným prvkem na excentricitě,

5 Navrhování předpjatých konstrukcí proto se při analýze TDA projeví redistribuce napětí mezi dvěma různými fázemi průřezu. Zadání fází Nastavení fází se provádí prostřednictvím přehledné tabulky vlastností z menu Fáze výstavby a provozu. V nastavení fází uživatel zvolí typ řešiče. Standardní FEM řešič umožňuje analýzu obecných 3D konstrukcí, avšak bez automatického zohlednění účinků dotvarování a smršťování betonu. Řešič TDA je určen pro obecnou časovou analýzu 2D rámu. Nastavení se pak rozšiřuje o zadání součinitelů zatížení pro zatěžovací stavy generované pro účinky dotvarování a smršťování a o nastavení lokální časové osy. Přidávání a odebírání entit ve fázích výstavby Přidávání a odebírání entit ve fázích výstavby je možné provádět přímo ze servisu Fáze výstavby a provozu nebo přímo v okně vlastností jednotlivé entity. V servisu Fáze výstavby a provozu jsou pak jednotlivé vznikající a zanikající entity zobrazeny jinou barvou. V případě časové analýzy lze pro každý prut stanovit lokální historii nosníku, která obsahuje např. čas betonáže, čas odbednění, konec ošetřování betonu apod. Zadávané údaje se vztahují k lokální časové ose prutu, jejíž počátek (nula) koresponduje s časem vložení prutu do konstrukce. Tento okamžik nemusí být totožný s betonáží prutu. Počátek lokální časové osy je potom umístěn do globální časové osy výstavby konstrukce. Vícenásobné podpory v jednom bodě nebo uzlu Scia Engineer umožňuje zohlednit změny vlastností podpory v čase. Je možné zadat více podpor v jednom bodě nosníku či uzlu včetně jejich přidání a odebrání ve fázích výstavby. Použití vícenásobné podpory je podmíněno současným použitím fází výstavby. Rovněž výsledné reakce musí být zobrazovány pro jednotlivé podpory v závislosti na fázích výstavby. Správce Fází výstavby a provozu Zadávání, změny a správa fází výstavby jsou možné ve standardním manažeru knihoven, kde jsou přehledně zobrazeny informace vztahující se k jednotlivým fázím výstavby a provozu konstrukce. Jde např. o přiražené zatěžovací stavy, popisy a v případě použití modulu TDA také časový údaj vzniku fáze. Pro řešič TDA jsou pak automaticky generovány mezilehlé časové uzly vložením lokálních časových os všech prutu a doplněním podrobných časových uzlů zadávaných pomocí počtu nutných subintervalů v jednotlivém časovém úseku. Podrobné časové uzly jsou nutné pro zpřesnění výpočtu dotvarování. Výpočet fází standardním rešičem FEM Ke každé fázi výstavby a provozu je přiřazen jeden zatěžovací stav (vyhrazen pro danou fázi), do kterého jsou ukládány přírůstky účinků zatížení a výrobních změn (např. zrušení podpěr) v dané fázi výstavby či provozu. Program během výpočtu fází výstavby automaticky vytváří kombinace a třídy výsledků. Pro každou fázi jsou generovány dvě třídy výsledku (ULS - se zahrnutím součinitelů zatížení, SLS součinitele zatížení = 1). Výsledky v každé třídě jsou kombinace zatěžovacích stavu, v nichž jsou uloženy celkové účinky zatížení a výrobních změn od všech předchozích a dané fáze výstavby či provozu. Zobrazují tak aktuální stav konstrukce po konkrétní fázi výstavby či provozu. Jednotlivé kroky výpočtu fází jsou lineární, vznik a zánik jednotlivých entit je modelován pomocí absencí a zatěžovacích stavů. Časově závislá analýza řešičem TDA Modul TDA ve své plné verzi umožňuje řešit speciální postupy výstavby s ohledem na dotvarování, smršťování a stárnutí betonu, relaxaci výztuže a dlouhodobé ztráty předpětí. Ve spojení s modulem pro předpjatý beton je TDA řešič využíván pro časově závislou analýzu dotvarování betonu při respektování historie napětí, jeho smršťování a stárnutí, pro výpočet dlouhodobých ztrát předpětí, relaxace a redistribuce vnitřních sil a napětí. Výpočet časově závislé analýzy TDA lze provézt podle norem ČSN , ČSN , ČSN EN pro pozemní stavitelství a také podle ČSN EN pro mosty. Analýza 3D>2D>3D Modul 3D>2D>3D umožňuje kombinaci časově závislé analýzy TDA s dalšími typy výpočtu. Jde o tzv. Analýzu po analýze. Tento postup lze výhodně použít právě při analýze účinků kroucení na mostní konstrukci v kombinaci s TDA. Construction Stage 1 Construction Stage 2 Construction Stage 3 Construction Stage 4

6 Eurocodes Solutions Princip lze shrnout v následujících bodech. Uživatel definuje konstrukci jako Rám XYZ Časově závislá analýza je provedena na rovinném rámu XZ a kombinace jsou naplněny výsledky (omezující podmínky jsou kontrolovány) Nahodilá zatížení, FNL nebo FGNL jsou analyzována na rámu XYZ. Všechny výsledky jsou přístupné jako pro rám XYZ. Omezujícími podmínkami jsou Všechny uzly konstrukce musí být v rovině XZ Rotace prvku není povolena Návrh a posudek Betonových prutů Program Scia Engineer provádí posudky předpjatých i nepředpjatých betonových prutů podle ČSN EN , v kombinaci s posouzením požární odolnosti podle ČSN EN a také speciální posudky mechanické odolnosti dle ČSN EN1168. Jedná se zejména o následující posudky: Únosnost průřezu namáhaného ohybem a normálovou silou odezva průřezu při působení mezního zatížení, mezní únosnost pomocí interakčního diagramu/plochy, Únosnost ve smyku Únosnost v kroucení (v interakci s ohybem a smykem), Posouzení smyku ve styčné ploše mezi betony různého stáří a návrh nutné výztuže ve spáře Výpočet a posouzení šířky trhlin (výpočet základního napětí) Výpočet a posouzení dovolených namáhání betonu a předpínací výztuže Výpočet a posouzení dovolených hlavních tahů Posouzení mechanické odolnosti dutinových panelů Posouzení koncových úložných oblastí nosníků s návrhem dodatečné výztuže Posouzení průhybů plně předpjatého betonu Návrh nepředpjaté výztuže (podélné i smykové) v předpjatém i nepředpjatém průřezu Výkaz betonářské a předpínací výztuže Spojitý nosník Za účelem zefektivnit návrh a analýzu spojitých nosníků sestavených z prefabrikovaných prostých nosníků zmonolitněných nad podporami byl do programu Scia Engineer implementován nový prvek, spojitý nosník. Ten umožňuje m.j. optimalizovat dimenzační ohybové momenty získané lineárně pružnou analýzou uplatněním omezené redistribuce ohybových momentů dle EN Tím dojde ke snížení ohybového momentu nad podporou a zvýšení momentu v poli tak, aby byla maximálně využita výztuž dimenzovaná na stádium působení prefabrikátu jako prostého nosníku. Snížení počtu vložek nebo zkrácení délky betonářské výztuže vede při sériové výrobě těchto prvků k obrovským úsporám. Vypočtené momenty po redistribuci je možné porovnat s původně spočtenými hodnotami. Vlastní posouzení míry redistribuce podle 5.5(4) ČSN EN je rozděleno na ověření převážně ohybem zatížených prvků, posouzení poměru sousedních polí a posouzení poměru redistribuovaného momentu k elastickému. Alternativně lze uplatnit podmínky pro plastickou analýzu bez nutnosti výpočtu rotační kapacity. Jde o posudky výšky tlačené zóny, třídy betonářské výztuže a poměry momentů nad vnitřní podporou a v poli podle 5.6.2(2) ČSN EN Spojitý nosník dále umožňuje výpočet spolupůsobící šířky desky u T průřezů a jejich následné zavedení do statického modelu. Výpočet spolupůsobící šířky se provádí podle EN s možností upřesnit vzdálenost mezi body nulových momentů provedením výpočtu vnitřních sil. Část desky T průřezu mezi body nulových momentů nad podporou spojitého nosníku je možné ve statickém modelu vyloučit z působení.

7 Navrhování předpjatých konstrukcí Posouzení koncových úložných oblastí nosníků Posouzení úložných oblastí zejména prefabrikovaných prvků je prováděno dle kapitoly ČSN EN Program rozlišuje tři základní typy uložení přímé uložení nasucho, přímé uložení do malty a tzv. nepřímé uložení. Vypočtené rozměry úložných oblastí jsou porovnávány s normovými doporučenými hodnotami. Tento modul navíc poskytuje uživateli návrh dodatečné podélné a smykové výztuže v oblasti koncové části nosníku. Analýza této části nosníku je prováděna metodou příhradové analogie. Návrh a posouzení sloupů Modul pro posouzení a návrh sloupů poskytuje uživateli komplexní řešení nepředpjatých i předpjatých sloupů. Program Scia Engineer umožňuje uživateli zadat, posoudit a navrhnout přídavnou betonářskou výztuž do předem předpjatého betonového sloupu. Do výpočtu sekundárních účinků není předpětí uvažováno. Vícefázované průřezy sloupů nejsou podporovány. Program provádí návrh a posouzení sloupů zatížených v jednom nebo dvou směrech, a také sloupů kruhových. Vysokopodlažní budovy Projektanti vysokopodlažních budov ocení především uvážení P-Delta efektu a využití modifikátorů tuhosti. P-Delta efekt v dynamických výpočtech V případě analýzy vysokopodlažních budov posunutí celého podlaží do deformované pozice způsobí vznik momentu druhého řádu. Přídavný moment druhého řádu je roven tíze všech podlaží P vynásobených jejich horizontální posunem Delta. Odtud P-delta efekt. P-Delta efekt pro statickou analýzu byl zohledněn už v dřívějších verzích programu jako součást geometricko-nelineární analýzy. Pro dynamickou analýzu jej lze postihnout tzv. sekvenční analýzou, kdy po geometricky nelineárním výpočtu je spuštěn výpočet dynamiky nebo seizmicity. Po nelineárním výpočtu je konstrukce zdeformována a tento stav konstrukce je počátečním stavem pro další analýzu. Modifikátory tuhosti V souvislosti s vysokopodlažními budovami lze využít tzv. modifikátorů tuhostí pro pruty i plochy. Tyto modifikátory simulují vznik trhlin v betonu (zmenšení tuhosti sloupů, změkčení desek v okolí tuhého jádra). Pomocí modifikátorů je program také schopen zvětšit nebo zmenšit tuhosti či vlastní tíhu pro statickou a dynamickou analýzu.

8 Výhody poskytované řešením pomocí Scia Engineer Výhody poskytované řešením pomocí Scia Engineer Komplexní řešení Scia Engineer je komplexní nástroj pro návrh a posouzení předpjatých konstrukcí v pozemním i dopravním stavitelství. Návratnost investice Pořizovací náklady nového programu mají malý vliv na návratnost investic do software. Rozhodující vliv má růst produktivity. Kvalitní program a odpovídající zaškolení jsou zárukou růstu produktivity a úspěchu uživatele programu Scia Engineer. Uživatelská adaptabilita Konstrukce pozemního stavitelství lze parametrizovat a snadno opakovaně použít v následujících projektech. Tyto uživatelsky zparametrizované šablony zvyšují celkovou produktivitu práce. Bezpečnost Kontrola dodržení norem ČSN EN pro pozemní stavby, posudky požární odolnosti dle ČSN EN Ověření mechanických vlastností prefabrikovaných dutinových panelů dle ČSN EN1168 včetně změny A1. Export / Import Scia Engineer je nejen vlastní výpočetní systém, ale je to zároveň platforma, která je základem pro další různé inženýrské aplikace. Výsledky mohou být exportovány do mnoha používaných formátů pro další analýzu: RTF (Word), MS, Excel, PDF (také 3D). Veškeré výkresy (výztuže, skladby ) lze exportovat do široké škály formátů: DWG, DXF, VRML. Podpora IFC a XML. Využití tzv. Roundtripu mezi Scia Engineer a Allplan, který využijí především projektanti prefabrikovaných konstrukcí. SS.0008.CZ.0310 Scia CZ, s.r.o. - Slavíčkova 1a Brno (Česká republika) - Tel: Fax: info.brno@scia.cz Scia CZ, s.r.o. - Thákurova Praha 6 (Česká republika) - Tel: Fax: info.praha@scia.cz Scia SK, s.r.o. - Topoľová 8 - SK Žilina (Slovensko) - Tel: Fax: info@scia.sk Scia Group nv (HQ) - Industrieweg B-3540 Herk-de-Stad (Belgium) - Tel: info@scia-online.com Seznam všech našich mezinárodních poboček a partnerů naleznete na našich webových stránkách