Účinky smršťování v nelineární analýze
Při navrhování betonových konstrukcí obvykle není lineární analýza plně dostačující. Existuje několik dalších aspektů, které ovlivňují chování konstrukce především z hlediska použitelnosti. Mezi tyto vlivy především patří:
- Vznik trhlin v betonu
- Dotvarování a smršťování
Vznik trhlin v betonu je obvykle nevratný jev, který se projeví při překročení pevnosti betonu v tahu. Konstrukce však může být trvanlivá a spolehlivá i s trhlinami, pokud nedojde k překročení limitů definovaných normami. Tento článek se zabývá především upozorněním na tyto účinky při návrhu se zaměřením na smršťování.
Účinek smršťování
Jevy dotvarování a smršťování jsou nejdůležitější časově závislé materiálové charakteristiky betonu. Při lití betonu na místě začíná cement hydratovat pomocí volné vody ve směsi. Obvykle voda z betonu odchází a začíná proces smršťování při vysychání. To je důvod, proč se beton musí ošetřovat zejména v počátečních fázích po vylití. Bez speciálního procesu vytvrzování vznikají uvnitř betonu dodatečná napětí, která mohou vést ke vzniku smršťovacích trhlin.
Druhou částí smršťování je autogenní smršťování, kdy beton během procesu tvrdnutí spotřebovává vlastní vodu. Zde velikost autogenního smrštění závisí především na poměru vody a cementu (w/c). Pokud je poměr w/c nižší, je autogenní smrštění vyšší.
Na průběh smršťování má vliv několik následujících aspektů:
- Začátek a délka vytvrzování betonu
- Množství a umístění výztuže
- Rozměry konstrukce
- Relativní vlhkost a teplota
- Typ cementu
- A další
Teoretické pozadí
Jak bylo uvedeno výše, celková deformace od smrštění (εcs(t,ts)) se skládá ze dvou částí:
- Smršťování vysycháním (εcd(t,ts))
- Autogenní smršťování (εca(t))
εcs(t,ts) = εcd(t,ts) + εca(t)
Výpočet obou přetvoření je popsán přímo v normě EN1992-1-1[1].
SCIA Engineer [2] ve výchozím nastavení automaticky zohledňuje obě části vlivu smrštění. (V případě potřeby lze tuto funkci vypnout v Nastavení pro betonové konstrukce/ Datech prvku). Hodnota smrštění se vypočítá na základě předem definované doby vytvrzení a doby zatížení.
Průhyby způsobené smršťováním se vypočítají na základě deformace a zakřivení způsobených smršťováním pro neporušený a plně porušený průřez. Celý postup lze vyjádřit ve třech krocích:
Výpočet sil od smršťování
Síly způsobené smršťováním se vypočítají podle níže uvedených vzorců na základě přetvoření od smrštění.
- Nshr = -εcs(t,ts)·CoefReinfΣ(Esi·Asi)
- Mshr,y = Nshr·eshr,z
- Mshr,z = Nshr·eshr,y
kde
-
eshr,y = Σ(Esi·Asi)/ Σ(Esi·Asi·ysi) - tiy
-
eshr,z = Σ(Esi·Asi)/ Σ(Esi·Asi·zsi) - tiz
-
Esi - modul pružnosti i-tého prutu výztuže
-
Asi - plocha výztuže i-tého prutu výztuže
-
ysi – poloha i-tého prutu výztuže od těžiště průřezu ve směru "y"
-
zsi – poloha i-tého prutu výztuže od těžiště průřezu ve směru "z"
-
tiy – vzdálenost mezi těžištěm transformovaného neprotrhaného/potrhaného průřezu a těžištěm betonového průřezu ve směru "y"
-
tiz – vzdálenost mezi těžištěm transformovaného neprotrhaného/potrhaného průřezu a těžištěm betonového průřezu ve směru "y"
Výpočet přetvoření a křivosti od smrštění
Pro každý prvek se vypočítá přetvoření a křivost způsobené smršťováním a tyto hodnoty se vypočítají pro oba stavy (neporušený a porušený průřez). Výpočet přetvoření od smrštění:
- εsh = -εcs(t,ts)·CoefReinf·Σ(Esi·Asi)/(Eceff·Ai)
Výpočet zakřivení kolem y- a z- osy od smršťování:
- (1/ry) = -εcs(t,ts)·CoefReinf·Σ(Esi·Asi·(tiz-zsi))/(Eceff·Iiy)
- (1/rz) = -εcs(t,ts)·CoefReinf·Σ(Esi·Asi·(tiy-ysi))/(Eceff·Iiz)
Výpočet tuhosti pro smršťování
Tuhost nepotrhaného/potrhaného průřezu pro smršťování se vypočítá z deformace a zakřivení způsobených smršťováním pomocí celkové úrovně zatížení (celková kombinace zatížení) a poté se použije při výpočtu metodou konečných prvků.
-
tuhost v ohybu kolem osy "y" EIy = Mtot,y/(1/ry)
-
tuhost v ohybu kolem osy "z" EIz = Mtot,z/(1/rz)
-
osová tuhost EA = Ntot/εsh
Poznámka: Jak je uvedeno výše, pro zjednodušení se pro výpočet tuhostí při analýze metodou konečných prvků používají celkové síly namísto sil způsobených smršťováním.
Prezentace výsledků
Výstup výsledků průhybu lze zobrazit graficky v okně 3D a také numericky prostřednictvím výstupu Stručný, Standardní nebo Detailní. Následující obrázek ukazuje příklad stručné tabulky, která obsahuje následující hodnoty:
- součinitel dotvarování φ(t,t0)
- přetvoření od smrštění ε(t,ts)
- průhyb od dotvarování (δcreep)
- průhyb od smrštění (δshr)
Konkrétní studie
Vliv smrštění je ilustrován na středně velkém projektu. Konstrukce má tloušťku desky 270 mm z betonu C30/37, která je zatížena stálým zatížením 2,5 kN/m2 a proměnným zatížením 3,0 kN/m2. Uvažovaná výztuž je na obou površích a v obou směrech f12/200 mm v poli a nad podporami f12/100 s B500B. Krytí betonu je 30 mm. Doba tvrdnutí betonu je 7 dní, doba působení zatížení je 28 dní. Doba vyšetřování je 50 let. Relativní vlhkost okolního prostředí je 50 %.
Porovnání je provedeno pro výsledky průhybů z lineární a nelineární analýzy, včetně potrhání betonu a časově závislých vlivů, jako je dotvarování a smršťování.
- Nelineární průhyb s vlivem trhlin
- Nelineární průhyb s vlivem trhlin a dotvarováním
- Nelineární průhyb s vlivem trhlin, dotvarováním a smršťováním
Předchozí grafické výsledky lze shrnout:
-
Lineární průhyb: maximální deformace 4,2 mm
-
Nelineární průhyb s vlivem trhlin: maximální deformace 7,8 mm
-
Nelineární průhyb s vlivem trhlin a dotvarováním: maximální deformace 16,8 mm
-
Nelineární průhyb s vlivem trhlin, dotvarováním a smršťováním: maximální deformace 26,0 mm
Závěr
Jak je z výsledků patrné, použití pouhé lineární analýzy není pro železobetonové konstrukce dostačující. Vliv trhlin způsobuje téměř 2x vyšší hodnoty deformace ve srovnání s lineárním průhybem. Kromě toho je pro získání skutečného chování konstrukce nezbytné zohlednit také účinky dotvarování a smršťování. Uvážení trhlin a dotvarování vede k 4x větším deformacím a při zohlednění všech vlivů dohromady téměř 7x větším deformacím. Zanedbání těchto účinků při návrhu by mohlo vést k významným problémům během životnosti konstrukce, zejména k nižší použitelnosti v důsledku vysokých průhybů.
Reference
[1] EN1992-1-1 - Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby
[2] www.scia.net