Často přehlížené aspekty návrhu železobetonových konstrukcí

V tomto článku se budeme zabývat třemi tématy, která inženýři zvažují při navrhování železobetonových konstrukcí, a tím, jak jim v tom může pomoci IDEA StatiCa.

Transportní kotvy a montážní zatížení

Železobetonový nebo předpjatý prvek je nutno navrhnout na jeho konečné působení v konstrukci avšak prefabrikované prvky je nutno rovněž navrhnout na zatěžovací stavy během transportu a montáže. Pomocí aplikace IDEA StatiCa Beam můžete analyzovat jak fáze výstavby, tak působení prvku zabudovaného v konstrukci. V aplikaci můžete například analizovat fáze předpínání, transport a montážní podepření na dočasných podporách.

V případě prefabrikovaných betonových prvků by měli inženýři posoudit montážní fáze zvedání prvku. Prvky musí být bezpečně zvednuty jeřábem do konečné polohy, jak je znázorněno na obrázku v horní části tohoto článku. Statické působení během zvedání bývá odlišné a prvek musí být navržen tak, aby i pro toto tyto stavy vyhověl. Navíc je však nutné navrhnout a posoudit transportní kotvy, jejich zakotvení, pozici a úhel zavěšení.

V aplikaci IDEA StatiCa Detail můžete modelovat závěsy jako podpory a vlastní tíhu nechat vygenerovat automaticky z geometrie prvku. Tímto způsobem může projektant analyzovat napětí a deformace v železobetonovém prvku během zvedání.

Podívejme se na problematiku prakticky a vymodelujme v aplikaci Detail stěnový panel s otvory.

V aplikaci IDEA StatiCa Detail jsou modelovány a analyzovány dvě situace. Scénář A představuje zatěžovací situaci při zvedání se dvěma transportními kotvami a vlastní tíhou působící jako účinek zatížení. Scénář B představuje konečnou fázi, kdy je stěna podepřena dole a nahoře působí liniové zatížení. Pro porovnání rozdílu mezi montážním a finálním stavem jsou uvedena napětí betonu v tlaku. Je vidět, že oblasti tlakových napětí se mezi oběma scénáři výrazně liší, což podtrhuje důležitost podrobné analýzy pro každý konkrétní případ. S využitím softwaru pro detailní posouzení železobetonu, jako je IDEA StatiCa, mohou inženýři porovnávat různé zatěžovací situace a zohlednit je při návrhu a detailním posouzením výztuže.

Kromě toho je pro namáhání prvku zásadní použitý typ transportních kotev, jejich poloha a úhel závěsu. Nesprávný návrh transportních kotev a způsobu zvedání může vést k nežádoucímu namáhání betonového prvku a nebo zvedacích tan s potenciálně katastrofálními následky.

V následujícím příkladu je betonový nosník o vlastní hmotnosti 60 kN zvedán dvěma lany. Úhel lana se mění z dokonale svislého úhlu 90 stupňů na sklon 30 stupňů. Kotvy jsou modelovány jako přímé pruty s dokonalým kotvením (kotevní hlava) na konci. Na kotvy i beton působí v důsledku náklonu závěsů zvýšené síly. Nárůst síly ve zvedacích lanech i v kotvách nosníku je třeba pečlivě zvážit při navrhování transportních kotev a plánování zvedání prvků.

Při zvedání železobetonových nosníků s otvory by navíc měli technici věnovat pozornost poloze zvedacích ok. Jejich umístění přímo nad otvory vyvolává nežádoucí napětí a deformace, což vede k trhlinám v betonu hned na začátku života nosníku.

Sedání základů

Budova je tak pevná, jak pevné je její založení. A to závisí na tuhosti základové půdy. Každá stavba má jedinečné základové poměry a proto je geotechnický průzkum pro statiku stavby zásadní. Různé typy zemin mají různou tuhost a chování při zatížení. Proto je nutné porozumět specifickým podmínkám půdy a zahrnout je do statických výpočtů.

V průběhu času může dojít k sedání základů z různých důvodů, ale mezi tři hlavní faktory patří:

1. Nadhodnocení pevnosti a tuhosti zeminy. Půda není schopna unést působící zatížení.
2. Špatné zhutnění zeminy, při kterém zůstávají vzduchové póry, které při stlačení zanikají a způsobují sedání zeminy.
3. Extrémní změny vlhkosti, které způsobují smršťování půdy v období sucha a bobtnání při nasycení.

Nesprávný návrh vede k nežádoucímu sedání v průběhu času a k neočekávaným trhlinám v železobetonových konstrukcích. Důsledky sahají od "kosmetických" problémů, jako jsou nerovné podlahy a popraskané stěny, až po vážné poruchy konstrukce.

Využitím možností pokročilého softwaru, jako je IDEA StatiCa, mohou inženýři předvídat potenciální problémy. IDEA StatiCa Detail umožňuje modelování liniových podpor se specifickou tuhostí, které simulují skutečné chování zemin. To je užitečné zejména v případech, kdy je například betonová stěna umístěna na dvou různých základech nebo typech zemin, což inženýrům umožňuje analyzovat vliv tuhosti zemin na chování betonové konstrukce. Jak je ukázáno níže, větší napětí a deformace vznikají ve scénáři B, kde má pravá část podpory nižší tuhost k2, což představuje slabší typ zeminy.

Analýza odhalila další trhliny, které se tvoří nad otvorem. Beton by měl být dále dovyztužen, aby unesl tato dodatečná namáhání. Případně můžeme zlepšit půdní podmínky nebo konstrukci základů, čímž se stanou tužšími, což znamená, že dojde k menšímu sedání. Kontrolou tohoto jevu pomocí pokročilého softwaru lze v budoucnu předejít mnoha problémům. V konečném důsledku se tak ušetří čas, peníze, úsilí a zabrání se potenciálnímu nebezpečí.

Vyztužování

Vyztužování betonových konstrukcích vyžaduje jak teoretické, tak praktické znalosti. To, co se zdá být nejlepším řešením z hlediska momentové únosnosti, nemusí být vždy nejpraktičtějším řešením. Pro ilustraci problému použijeme rámový roh železobetonové prutové konstrukce, který je znázorněn níže. Únosnost a duktilita tohoto železobetonového konstrukčního prvku kriticky závisí na detailním návrhu výztuže.

IDEA StatiCa Detail umožňuje přesně modelovat skutečný tvar výztuže a zobrazit ho ve 3D, což umožňuje inženýrům snáze navrhnout výztuž a předejít možným kolizím. Pomocí aplikace Detail může navíc inženýr efektivně modelovat a analyzovat různé varianty řešení výztuže a následně vybrat tu nejlepší na základě technických a praktických potřeb.

Na obrázku níže jsou znázorněny tři varianty vyztužení a výpočtového modelu rámového rohu v aplikaci Detail. Modely jsou pro přehlednost zjednodušené. Úkolem inženýra je při daných rozměrech prvků a daném zatížení navrhnout výztuž rámového rohu. Lze tvrdit, že varianta A se často používá v rámových rozích, kde působí záporný moment. V případě, kdy působí kladný moment, se běžně navrhuje šikmá výztuž, jak ukazuje varianta B.

Realita je však mnohdy složitější - návrh výztuže je potřeba provést tak, aby rámový roh přenesl jak záporné, tak kladné ohybové momenty, nebo aby splňovaly praktické požadavky na provádění. Uvažujme například scénář, kdy se konstruktér z praktických důvodů raději vyhne šikmým výztužným vložkám ve variantě B. Pomocí aplikace IDEA StatiCa je inženýr vybaven pro detailní analýzu alternativ a může například zjistit, že vliv šikmých výztuží je ve skutečnosti méně účinný, než se původně zdálo. Možná by stačilo jednoduše přidat další smyčku výztuže. Pomocí aplikace Detail pak lze prokázat, že tři výztužné smyčky, zobrazené níže ve variantě C, jsou adekvátní řešení pro přenos působícího zatížení.

Výše popsané inženýrské výzvy lze detailně řešit pomocí pokročilého softwaru jako je IDEA StatiCa, který umožňuje analýzu různých variant pro nalezení optimálního řešení pro váš návrh.

Vyhněte se nepřesným odhadům a vsaďte na jistotu - vsaďte na IDEA StatiCa!