Kalkulator zbrojenia przekrojów zginanych i ściskanych lub rozciąganych, wykorzystujący nieliniowe krzywe interakcji przekroju żelbetowego można bez opłat i rejestracji pobrać poprzez kliknięcie na rys.1.
Opublikowano już rewelacyjny kalkulator żelbetu umożliwiający obliczenie zbrojenia ściskanego i zginanego przekroju prostokątnego bez konieczności budowy krzywych interakcji.
Kalkulator dotyczy jednokierunkowo mimośrodowo ściskanego lub rozciąganego żelbetowego przekroju prostokątnego bxh zbrojonego podwójnie, pokazanego na rys. 2. Pręt żelbetowy jest nieliniowy konstrukcyjnie, ponieważ: 1) rozkład naprężeń w ściskanej strefie betonu jest nieliniowy, 2) stal zbrojenia jest materiałem sprężysto-plastycznym ze wzmocnieniem , 3) teoretyczna wysokość strefy ściskanej x może przekroczyć wysokość przekroju h i obejmować naprężenia pozorne. Nowy algorytm projektowania przekroju żelbetowego opracowano z zastosowaniem nieliniowego modelu betonu [1] i modelu stali ze wzmocnieniem plastycznym [2] . Projekty wykonane z użyciem kalkulatora, pozwalają na oszczędności dochodzące do 30% zbrojenia, co przekracza oszczędności, które można uzyskać przy zastosowaniu standardowych procedur minimalizacji kosztu elementu żelbetowego (np. praca [3]) ).
Zaleca się, aby zestawy sił przekrojowych szacować metodą imperfekcyjną (teoria II rzędu z zadanymi siłami imperfekcji) a jednocześnie pomijać współczynniki niestateczności. Wówczas obliczenia zbrojenia przekroju są zbrojeniem elementu (np słupa).
Udostępniona wersja arkusza ma chronioną treść i strukturę. Uwagi dotyczące udoskonalenia arkusza lub dostrzeżonych usterek proszę zgłaszać do autora na adres: leszek.chodor@chodor-projekt.net.
Postawienie problemu
Zagadnienie żelbetu polega na poszukiwaniu pięciu niewiadomych: wysokości strefy ściskanej x, pola zbrojenia dolnego Asl , górnegoAsu, a także naprężeń w stali σsl, σsu przy ograniczeniu maksymalnego odkształcenia betonu do wartości εcu2=3,5‰. Poszukiwane zmienne zilustrowano na rys.1. Do dyspozycji mamy tylko dwa warunki równowagi sił: ΣX=0, ΣMi względem osi „i= O, l lub u=(oś przekroju betonowego, oś dolnego zbrojenia, oś górnego zbrojenia)”. Wybór osi jest dowolny, ale tylko jeden z warunków ΣM jest niezależny. Trzeci i czwarty warunek określa fizyczne prawo dla zbrojenia górnego i dolnego. Piąty warunek jest określony przez prawo fizyczne betonu, które można zapisać w postaci:
σc=Ec⋅εc
gdzie moduł odkształcalności Ec(εc, t) jest nieliniową funkcją odkształceń betonu oraz czasu t i zmniejsza się istotnie wraz ze wzrostem pełzania betonu [1],Rys.3.2. .
W przypadku analizy przekrojów prętów model (1) można przyjąć w postaci równoważnej, niezależnej od czasu (2) [1],wzory (3.17)-(3.18) :
σc(z)=fcd⋅{1,jeśli εc2≤εc≤εcu21−(1−εc/εc2)n,jeśli εc<εc2
gdzie wykładnik modelu n=2 , fcd – wytrzymałość obliczeniowa betonu na ściskanie.
Z zależności normowej (2), wynika, że obliczeniowy moduł odkształcalności betonu jest minimalny dla włókna skrajnego (tam, gdzie odkształcenie εc=εcu2) i wynosi:
Ecu=fcd/εcu2
Moduł Ecu (3) zastosujemy w prezentowanym algorytmie jako parametr klasy betonu.
Na przykład dla betonu C30/37 graniczny moduł odkształcalności wynosi Ecu=(30/1,4)/3,5‰=6,1 GPa.
Dla porównania: średni moduł styczny dla betonu C30/37 wynosi Ecm=32 GPa, a moduł długotrwały (z uwzględnieniem pełzania) Ec,eff=Ecm/[1+φ(∞,t0)]≈Ecm/(1+2)=32/3=10,7 MPa. Pomiędzy modułami betonu Ecu, Ecm oraz Ec,eff w istocie nie ma związku z punktu widzenia rozpatrywanego zagadnienia.
Model obliczeniowy przekroju żelbetowego
Wypadkowa i moment naprężeń w betonie
Na rys.1. pokazano bryłę naprężeń w betonie, opisaną zależnością (2). Wymaga się [1], Tab.3.1. , by maksymalne odkształcenie betonu nie przekroczyło εcu2, a na granicy prosto- i krzywo-liniowego przebiegu naprężeń odkształcenie betonu wynosi εc2. W analizie modelu z paraboliczną bryłą naprężeń odkształcenia te wynoszą:
εc2=2,0%,εcu2=3,5%
Po przekształceniu formuły (2) do postaci dogodnej od obliczeń numerycznych otrzymamy
σc(z)=fcd⋅{1,jeśli z≥(x−x0)1−[1−z/(x−x0)]n,jeśli z<(x−x0)
gdzie długość wykresu prostoliniowego x0:
x0=(1−εc2/εcu2)⋅x
Naprężenie σc w odległości „z” od osi obojętnej przekroju (od linii ε=0) działa na ramieniu:
ri=di–x+z,(i=O,l,u)
gdzie efektywne ramię di zależnie od osi do której jest odmierzane, wynosi:
di={h/2,(i=O)h−al,(i=l)au,(i=u)
uwaga (8): moment o wartości Mc=σc⋅ri jest lewoskrętny dla i=O,l, to znaczy ma zwrot reakcji MRd (jest przeciwny do obciążenia zewnętrznego MEd), a jest prawoskrętny dla i=u.
Rozpatrzymy dwa przypadki wysokości strefy ściskanej, pokazane na rys.1.: X<h dla wysokości strefy ściskanej x ≤ h X>h dla wysokości strefy ściskanej x > h
W przypadku X<h wypadkowa bryły naprężeń w betonie wynosi
Fx<hc=b⋅x∫0σc⋅dz=b⋅fcd⋅(x0∫0{1−[1−z/(x−x0)]2}⋅dz+x∫x0dz)=1721⋅b⋅x⋅fcd
a moment tej bryły:
Mx<hc,i=b⋅x∫0σc⋅dz=b⋅fcd⋅(x0∫0{1−[1−z/(x−x0)]2}ri⋅dz+x∫x0ri⋅dz)=Fc⋅di−Mc(x2)
gdzie Mc(x2)=3398⋅b⋅x2⋅fcd.
przy czym zwroty tych momentów zdefiniowano w uwadze (8).
Siły przekrojowe od obciążeń zewnętrznych (N,M)Ed uzyskuje się z rozwiązania problemu mechaniki budowli sprowadzone do osi przekroju betonowego, a w przypadku przekroju prostokątnego do osi „0”. Dlatego z punktu widzenia prezentowanego algorytmu najważniejszy jest przypadek „i=0”, czyli dla di=d0=h/2. W tradycyjnym podejściu często wykorzystywało się warunki dla „i=L”, co w szczególnych przypadkach prowadzi do uproszczenia formuł obliczeniowych. Takich uproszczeń nie wykorzystujemy, ze względu na brak ich ogólności.
W przypadku X>h na skutek tego, że pod przekrojem (na odcinku x do h) naprężenia faktycznie nie działają, a były wliczone w wyrażenia dla przypadku X<h, wyrażenia (9) i (10) należy skorygować:
{Fx>hc=Fx<hc−ΔFx>hcMx>hc,i=Mx<hc,i−ΔMx>hc
Fragment bryły naprężeń dla z∈ [0; x-h] na rys.1. oznaczono kolorem lekko czerwonym. Daje on następujące „nadmiarowe”: siłę Δ Fcx>h oraz moment Δ Mcx>h bryły naprężeń w betonie:
ΔFx>hc=b⋅fcd⋅x−h∫0{1−[1−z/(x−x0)]2}dz=FN⋅(21+20¯x)
ΔMx>hc,i=b⋅fcd⋅x−h∫0{1−[1−z/(x−x0)]2}⋅ridz=FN⋅h⋅{–(7+8¯x+9¯x2) : (i=O)[7+2¯x–9¯x2–4¯al(7+5¯x)] : (i=l)[21+18¯x+9¯x2–4¯au(7+5¯x)] : (i=u)
gdzie: ¯x=x/h , ¯al=al/h , ¯au=au/h , FN=7192(1−¯x)2¯x2⋅b⋅h⋅fcd.
Przypadek X>h w praktyce zachodzi rzadko, jednakże w celu wyznaczenia krzywych interakcji w całym zakresie pracy pręta, korektę (12),(13) należy stosować.
Model stali zbrojeniowej
Na rys. 3 pokazano nieliniowy model stali [2] , opisany formułą :
¯σs=k⋅¯εs+(1−k)⋅¯εs(1+¯εsR)1/R
Sieczny moduł odkształcalności stali zdefiniujemy jako
Esi=ksi⋅Es (i=l, 2)
gdzie
ksi=k+1−k(1+¯εsR)1/R
Można przyjąć, że pręt rozciągany (εsc>0) jest nieskrępowany na skutek zarysowań betonu rozciąganego. Wobec tego naprężenie w pręcie rozciąganym „i=t” wynosi
σst=Esc⋅εst
W przypadku pręta otoczonego betonem ściskanym redukujemy naprężenia w stali ściskanej „i=c” o naprężenia w betonie, co można zapisać
σsc=Esi⋅εsc−σc(εc=εsc)
gdzie σc wyznacza się z zależności (2).
W obu stanach wytężenia pręta (19) i (20) ograniczamy odkształcenia pręta εs<εuk/γs (16) , co skutkuje ograniczeniem naprężeń (choć dopuszcza naprężenia w stali większe od fyd).
Siły w prętach zbrojenia wyznaczamy w sposób standardowy:
Fsi=σsi⋅Asi
Równowaga przekroju i równanie żelbetu
Warunki równowagi przekroju
Na rys.1 pokazano siły działające w przekroju z przyjętą konwencją znakowania sił zewnętrznych: zewnętrzny moment zginający MEd jest dodatni jeśli rozciąga dolne włókna przekroju, zewnętrzna siła osiowaNEd jest dodatnia, jeśli ściska przekrój. Założono też dodatnie zwroty sił wewnętrznych: siły Fc i Fsu są ściskające, siła Fsl jest rozciągająca. Jeśli z rozwiązania zadania uzyskamy znaki ujemne, to będzie oznaczało, że w danej sytuacji obliczeniowej siła działa przeciwnie do założonego zwrotu.
Warunki równowagi przekroju zapiszemy w postaci :
{ΣX:NEd=Fc+Fsu–FslΣM0:MEd=Mc,0+Fsu⋅(d0–au)+Fsl⋅(d0–al)
Warunki równowagi (22) można zapisać w postaci równoważnej w drodze wyeliminowania z ΣX kolejno Fsl lub Fsu i podstawieniu do ΣM0:
{MEd=Mc,0–(NEd−Fc)⋅(d0–al)+Fsu⋅dsMEd=Mc,0+(NEd−Fc)⋅(d0–au)+Fsl⋅ds
gdzie ds=h−al−au.
Równanie żelbetu
Po dodaniu stronami obu równań (23) i po przekształceniach otrzymamy podstawowe równanie żelbetu:
Fsl+Fsu=2(MEd−Mc,0)ds+(NEd−Fc)
Równanie żelbetu (24) zawiera ogólne informacje o modelu i w zależności od sytuacji obliczeniowej może stanowić układ równań z jednym z równań równowagi (22) lub (23).
Równanie x2
Dla przypadku X<h po podstawieniu wyrażeń na Fc(9) i Mc(10) do równania żelbetu (24) otrzymamy równanie drugiego stopnia ze względu na x:
Ax2+Bx+C=0
gdzie:
A=33/49,
B=−17/21⋅(h+ds),
C=(C1+C2)/(b⋅fcd),
C1=–(Asl⋅σsl+Asu⋅σsu)⋅ds
C2=2MEd+NEd⋅ds,
Założenie płaskich przekroi i przypadki wytrzymałościowe
Równanie (25) jest tylko pozornie kwadratowe, ponieważ współczynnik C2 zależy od σsi, (i=l,u) , a naprężenie w stali zbrojeniowej jest funkcją odkształcenia zgodnie z (14). Odkształcenia z kolei podlegają zasadzie płaskich przekroi Bernoulliego , wyrażonej formułami (26) wynikającymi z rys. 1:
εsldl−x=εsux–du=εcu2x
Z zależność (26) można uzyskać jawną postać odkształcenia zbrojenia górnego (u) i dolnego (l):
εsl=εcu2⋅(dl/x−1)εsu=εcu2⋅(1–du/x)
Z (27) wynika, że zależnie od relacji wysokości strefy ściskanej x oraz wysokości użytecznych zbrojenia zachodzą następujące przypadki wytrzymałościowe:
T (ang. Tension)x=0 – przypadek dla którego odkształcenia w stali są nieokreślone. Odpowiada to jedorodnemu rozciąganiu przekroju, w którym w całym przekroju (w betonie i stali) mamy odkształcenia rozciągające, a przypadek należy rozpatrywać w języku przekrojów zespolonych. Takim przypadkiem nie zajmujemy się w niniejszym artykule.
SE (ang. Small Eccentricity) x>dux≤dl→ εsu>0, εsl>0, oba zbrojenia są ściskane – jest to przypadek małego mimośrodu.
LE (ang. Large Eccentricity) x>dl→\varepsilon_{su} > 0,\varepsilon_{sl} < 0$, czyli zbrojenie górne jest ściskane, a zbrojenie dolne rozciągane – jest to przypadek dużego mimośrodu,
Do przypadku LE zaliczymy też x≤du→ εsu≤0, εsl>0, dla którego zbrojenie górne jest rozciągane, a dolne ściskane. Wystarczy analizować przekrój odwrócony o 900 .
Przypadki X>h oraz X<h są w istocie jednym z SE lub LE.
Równanie x3
Po podstawieniu do (25) formuł zasady płaskich przekroi (26) oraz prawa fizycznego σsi=Esiεsi warunek równowagi można zapisać w postaci równania sześciennego (zwanego równaniem x3):
Ax3+Bx2+Cx+D=0
gdzie:
A=33/49,
B=−17/21⋅(h+ds),
C=(C1+C2)/(b⋅fcd),
C1=–(Asl⋅nEl+Asu⋅nEu)⋅ds⋅fcd
C2=2MEd+NEd⋅ds,
D=[Asl⋅nEl⋅(h−al)+Asu⋅nEu⋅au]dsb
W równaniu x3 (28) wprowadzono oznaczenie stosunku doraźnej (zależnej od stopnia wytężenia stali) sztywności stali i sztywności (3) betonu:
nEi=EsiEcu=ksi⋅nE
gdzie: współczynnik ksi określa formuła (18), a nE=EsEcu jest współczynnikiem materiałowym dla danego przekroju zależnym od klasy zastosowanej stali i betonu. Na przykład dla betonu C30/37 i stali B500 mamy nE=200/6,1=32,8.
Doraźny, sieczny moduł stali Esi (17) jest proporcjonalny do współczynnika ksi i zależy od odkształcenia stali, co w konsekwencji skrępowania przez beton (4) uzależnia go od wysokości strefy ściskanej x, więc równanie żelbetu (28) jest tylko pozornie sześcienne.
Algorytm wyznaczania nośności (interakcji) przekroju
Dwuparametrową nośność przekroju zginanego i ściskanego lub rozciąganego (M,N)Rd wyznaczają równania równowagi (22) po zamianie indeksów Ed na Rd:
{NRd=Fc+Fsu–FslMRd=Mc,0+Fsu⋅(d0–au)+Fsl⋅(d0–al)
Warunki nośności przekroju są zachowane, gdy spełniona jest nierówność
(M,N)Ed≤(M,N)Rd
Na rys. 3 pokazano przykład krzywych interakcji (linie w kolorze czerwonym) i obszarów interakcji (wewnątrz obszaru objętego czerwonymi liniami) dla konkretnneg o przekroju żelbetowego. Kółkami oznaczono dwie pary sił zewnętrznych (N,M)Ed dla których przekrój ma wystarczającą nośność ( punkty wypadają wewnątrz obszaru interakcji).
W celu wyznaczenia krzywych interakcji , przykładowo pokazanych na rys.3 stosujemy procedurę zastosowaną w arkuszach obliczeniowych [5] , sprowadzona do następujących kroków:
- Przyjąć przedział wysokości strefy ściskanej [xmin ; xmax] i podzielić go na kilkadziesiąt przedziałów o szerokości Δx
- Dla kolejnych wartości xi=xi−1+Δx wyznaczyć kolejno:
2.1. odkształcenia w stali (26),
2.2. naprężenia (19), (20) i siły w zbrojeniu (21),
2.3. wypadkową (9) i moment (10) naprężeń w betonie, a jeśli x>h skorygowane (11),
2.4. nośność przekroju (30), - Uzyskane punkty obwiedni nośności nanieść na wykres i połączyć liniami prostymi lub funkcjami sklejanymi.
Kalkulator żelbetu
Struktura informatyczna prezentowanego arkusza kalkulacyjnego – rys.1. jest wzorowana na [5] (obliczenia wg normy angielskiej i uproszczonej procedury) i jest dostosowana do obliczeń wg Eurokod 2 oraz nieliniowych modeli stali oraz betonu.
Uwaga do ukośnego zginania i ściskania
Rozszerzenie zadania na ukośne (dwukierunkowe) zginanie ze ściskaniem/rozciąganiem przedstawiono w artykule Model żelbetu My-Mz-N. Rozszerzony algorytm , obejmuje praktycznie wszystkie spotykane w praktyce przypadki projektowania belek lub słupów o przekroju prostokątnym.
Literatura
- PN-EN 1992-1+AC+Ap 1,2,3: 2008, Projektowanie konstrukcji z betonu, Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków
- Menegotto M., Pinto P., E. (1973). Method of analysis of cyclically loaded RC plane frames including changes in geometry and non-elastic behavior of elements under normal force and bending. [Preliminary Report IABSE]
- Mohammad F. A., Seyan D. A. (2016). Optimum design of reinforced concrete rec-tangular columns subjected to axial compression and biaxial bending mo-ments. Athens Journal of Technology and Engineering, 3 (2
- Filippou F., C., Popov E. P., Bertero V. V. (1983), Effects of Bond Deterioration on Hysteretic Behavior of Reinforced Concrete Joints [Report EERC]. Earthquake Engi-neering Research Center, University of California, Berkeley
- The Concrete Centre. (1999). RC Spreadsheets (1999). MPA The Concrete Center, UK London, [ http://www.concretecentre.com/Publications-Software/RC-Spreadsheets-v4B-2.aspx ]
________________________________