ÚČINKY ZMRŠŤOVANIA V NELINEÁRNEJ ANALÝZE
Pri navrhovaní betónových konštrukcií obvykle nie je lineárna analýza úplne dostačujúca. Existuje niekoľko ďalších aspektov, ktoré ovplyvňujú správanie konštrukcie predovšetkým z hľadiska použiteľnosti. Medzi tieto vplyvy predovšetkým patria:
- Vznik trhlín v betóne
- Dotvarovanie a zmršťovanie
Vznik trhlín v betóne je obvykle nevratný jav, ktorý sa prejaví pri prekročení pevnosti betónu v ťahu. Konštrukcia však môže byť trvanlivá a spoľahlivá aj s trhlinami, pokiaľ nedôjde k prekročeniu limitov definovaných normami. Tento článok sa zaoberá predovšetkým upozornením na tieto účinky pri návrhu so zameraním na zmršťovanie.
Účinok zmršťovania
Javy dotvarovania a zmršťovania sú najdôležitejšie časovo závislé materiálové charakteristiky betónu. Pri liatí betónu na mieste začína cement hydratovať pomocou voľnej vody v zmesi. Obvykle voda z betónu odchádza a začína proces zmršťovania pri vysychaní. To je dôvod, prečo sa betón musí ošetrovať najmä v počiatočných fázach po vyliatí. Bez špeciálneho procesu vytvrdzovania vznikajú vo vnútri betónu dodatočné napätia, ktoré môžu viesť k vzniku zmršťovacích trhlín.
Druhou časťou zmršťovania je autogénne zmršťovanie, kedy betón počas procesu tvrdnutia spotrebováva vlastnú vodu. Tu veľkosť autogénneho zmrštenia závisí predovšetkým od pomeru vody a cementu (w/c). Pokiaľ je pomer w/c nižší, je autogénne zmrštenie vyššie.
Na priebeh zmršťovania má vplyv niekoľko nasledujúcich aspektov:
- Začiatok a dĺžka tvrdnutia betónu
- Množstvo a umiestnenie výstuže
- Rozmery konštrukcie
- Relatívna vlhkosť a teplota
- Typ cementu
- A ďalšie
Teoretické pozadie
Ako bolo uvedené vyššie, celková deformácia od zmrštenia (εcs(t,ts)) sa skladá z dvoch častí:
- Zmršťovanie vysychaním (εcd(t,ts))
- Autogénne zmršťovanie (εca(t))
εcs(t,ts) = εcd(t,ts) + εca(t)
Výpočet oboch pretvorení je popísaný priamo v norme EN1992-1-1[1].
SCIA Engineer [2] v predvolenom nastavení automaticky zohľadňuje obe časti vplyvu zmrštenia. (V prípade potreby je možné túto funkciu vypnúť v Nastaven ia pre betónové konštrukcie/ Dáta o prvku). Hodnota zmrštenia sa vypočíta na základe vopred definovanej doby vytvrdnutia a doby zaťaženia.
![Concrete settings](/sites/default/files/styles/embed_medium/public/images/2023-01/Concrete-settings.png?itok=78ixEWbX)
Priehyby spôsobené zmršťovaním sa vypočítajú na základe deformácie a zakrivenia spôsobených zmršťovaním pre neporušený a plne porušený prierez. Celý postup je možné vyjadriť v troch krokoch:
Výpočet síl od zmršťovania
Sily spôsobené zmršťovaním sa vypočítajú podľa nižšie uvedených vzorcov na základe pretvorenia od zmrštenia.
- 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-teho prútu výstuže
-
Asi - plocha výstuže i-teho prútu výstuže
-
ysi - poloha i-teho prútu výstuže od ťažiska prierezu v smere "y"
-
zsi - poloha i-teho prútu výstuže od ťažiska prierezu v smere "z"
-
tiy vzdialenosť medzi ťažiskom transformovaného nepotrhaného/potrhaného prierezu a ťažiskom betónového prierezu v smere "y"
-
tiz - vzdialenosť medzi ťažiskom transformovaného nepotrhaného/potrhaného prierezu a ťažiskom betónového prierezu v smere "z"
Výpočet pretvorenia a krivosti od zmrštenia
Pre každý prvok sa vypočíta pretvorenie a krivosť spôsobené zmršťovaním a tieto hodnoty sa vypočítajú pre oba stavy (neporušený a porušený prierez). Výpočet pretvorenia od zmrštenia:
- εsh = -εcs(t,ts)·CoefReinf·Σ(Esi·Asi)/(Eceff·Ai)
Výpočet zakrivenia okolo y- a z- osi od zmršťovania
- (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 na zmršťovanie
Tuhosť nepotrhaného/potrhaného prierezu na zmršťovanie sa vypočíta z deformácie a zakrivenia spôsobených zmršťovaním pomocou celkovej úrovne zaťaženia (celková kombinácia zaťaženia) a potom sa použije pri výpočte metódou konečných prvkov.
- tuhosť v ohybe okolo osi "y" EIy = Mtot,y/(1/ry)
- tuhosť v ohybe okolo osi "z" EIz = Mtot,z/(1/rz)
- osová tuhosť EA = Ntot/εsh
Poznámka: Ako je uvedené vyššie, na zjednodušenie sa na výpočet tuhostí pri analýze metódou konečných prvkov používajú celkové sily namiesto síl spôsobených zmršťovaním.
Prezentácia výsledkov
Výstup výsledkov priehybu je možné zobraziť graficky v okne 3D a tiež numericky prostredníctvom výstupu Stručný, Štandardný alebo Detailný. Nasledujúci obrázok ukazuje príklad stručnej tabuľky, ktorá obsahuje nasledujúce hodnoty:
- súčiniteľ dotvarovania φ(t,t0)
- pretvorenie od zmrštenia ε(t,ts)
- priehyb od dotvarovania (δcreep)
- priehyb od zmrštenia (δshr)
![Deflections](/sites/default/files/styles/embed_medium/public/images/2023-01/Deflections.png?itok=BB4JusW9)
Konkrétne štúdie
Vplyv zmrštenia je ilustrovaný na stredne veľkom projekte. Konštrukcia má hrúbku dosky 270 mm z betónu C30/37, ktorá je zaťažená stálym zaťažením 2,5 kN/m2 a premenným zaťažením 3,0 kN/m2. Uvažovaná výstuž je na oboch povrchoch a v oboch smeroch f12/200 mm v poli a nad podporami f12/100 s B500B. Krytie betónu je 30 mm. Doba tvrdnutia betónu je 7 dní, doba pôsobenia zaťaženia je 28 dní. Doba vyšetrovania je 50 rokov. Relatívna vlhkosť okolitého prostredia je 50%.
![Example](/sites/default/files/styles/embed_medium/public/images/2023-01/Example.png?itok=QPjkLqb8)
Porovnanie je vykonané pre výsledky priehybov z lineárnej a nelineárnej analýzy, vrátane potrhania betónu a časovo závislých vplyvov, ako je dotvarovanie a zmršťovanie.
- Nelineárny priehyb s vplyvom trhlín:
![Cracking](/sites/default/files/styles/embed_medium/public/images/2023-01/Cracking.png?itok=astn4gn1)
- Nelineárny priehyb s vplyvom trhlín a dotvarovaním
- Nelineárny priehyb s vplyvom trhlín, dotvarovaním a zmršťovaním
Predchádzajúce grafické výsledky je možné zhrnúť:
- Lineárny priehyb: maximálna deformácia 4,2 mm
- Nelineárny priehyb s vplyvom trhlín: maximálna deformácia 7,8 mm
- Nelineárny priehyb s vplyvom trhlín a dotvarovaním: maximálna deformácia 16,8 mm
- Nelineárny priehyb s vplyvom trhlín, dotvarovaním a zmršťovaním: maximálna deformácia 26,0 mm
Záver
Ako je z výsledkov zrejmé, použitie obyčajnej lineárnej analýzy nie je pre železobetónové konštrukcie dostačujúce. Vplyv trhlín spôsobuje takmer 2x vyššie hodnoty deformácie v porovnaní s lineárnym priehybom. Okrem toho je pre získanie skutočného správania konštrukcie nevyhnutné zohľadniť aj účinky dotvarovania a zmršťovania. Uváženie trhlín a dotvarovanie vedie k 4x väčším deformáciám a pri zohľadnení všetkých vplyvov dohromady takmer 7x väčším deformáciám. Zanedbanie týchto účinkov pri návrhu by mohlo viesť k významným problémom počas životnosti konštrukcie, najmä k nižšej použiteľnosti v dôsledku vysokých priehybov.
Referencie
[1] STN EN1992-1-1 - Eurokód 2: Navrhovanie betónových konštrukcií - Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy
[2] www.scia.net