­
Krzywe interakcji M-N nieliniowego żelbetu ⋆ Chodor-Projekt ⋆ Architekci i Inżynierowie. Encyklopedia PiWiki
A B D E F G H I K Ł M N O P R S T U W Z

Krzywe interakcji M-N nieliniowego żelbetu

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. 

Rys.1. Kalkulator żelbetu M-N (CH-P Ż0.xls) rewizja 1.2 – kliknij na obraz, aby pobrać

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=Ecεc

gdzie moduł odkształcalności  Ecc, 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 εc2εcεcu21(1εc/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 εccu2) 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%

Rys.4 Model żelbetu

Po przekształceniu formuły (2) do postaci dogodnej od obliczeń numerycznych otrzymamy

σc(z)=fcd{1,jeśli z(xx0)1[1z/(xx0)]n,jeśli z<(xx0)

gdzie długość wykresu prostoliniowego  x0:

x0=(1εc2/εcu2)x

Naprężenie σc  w odległości  „z” od osi obojętnej przekroju (od linii ε=0) działa na ramieniu:

ri=dix+z,(i=O,l,u)

gdzie efektywne ramię di zależnie od osi do której jest odmierzane, wynosi:

di={h/2,(i=O)hal,(i=l)au,(i=u)

uwaga (8):  moment o wartości Mc=σcri 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=bx0σcdz=bfcd(x00{1[1z/(xx0)]2}dz+xx0dz)=1721bxfcd

a moment tej bryły:

Mx<hc,i=bx0σcdz=bfcd(x00{1[1z/(xx0)]2}ridz+xx0ridz)=FcdiMc(x2)

gdzie Mc(x2)=3398bx2fcd.

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<hcΔFx>hcMx>hc,i=Mx<hc,iΔMx>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=bfcdxh0{1[1z/(xx0)]2}dz=FN(21+20¯x)

ΔMx>hc,i=bfcdxh0{1[1z/(xx0)]2}ridz=FNh{(7+8¯x+9¯x2) : (i=O)[7+2¯x9¯x24¯al(7+5¯x)] : (i=l)[21+18¯x+9¯x24¯au(7+5¯x)] : (i=u)

gdzie: ¯x=x/h¯al=al/h , ¯au=au/h , FN=7192(1¯x)2¯x2bhfcd.

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+(1k)¯εs(1+¯εsR)1/R

gdzie: ¯εs=εs/εyd ; ¯σs=σs/fyd
Obliczeniowe graniczne odkształcenie sprężyste (początkowe plastyczne) wynosi:
εyd=fyd/Es
W analizie żelbetu przyjmuje się, że moduł Younga stali wynosi Es=200 GPa. Wytrzymałość obliczeniowa stali fyd=fyk/γs jest wartością granicy plastyczności, uzyskaną przez podzielenie charakterystycznej granicy plastyczności  fyk przez współczynnik materiałowy γs=1,15. Dla powszechnie stosowanej stali zbrojeniowej B500: fyk=500 MPa, fyd=500/1,15=434,8 MP ; εyd=434,8/200 ·10-3=2,17 ‰.
Model (14) upraszcza obliczenia numeryczne i dokładniej oddaje rzeczywiste zachowanie stali zbrojeniowej, szczególnie w zagadnieniach obciążeń zmiennych, gdzie istotny jest efekt Baushingera, a także uwzględnia wzmocnienie stali w zakresie plastycznym. Z analizy eksperymentalnie uzyskanych charakterystyk stali B500 (rys.2) wynika, że parametr wzmocnienia  k=(0,01÷0,2). Dla betonu B500 εyk=fyk/Es=500/200= 2,5‰.  W zależności od klasy plastyczności   minimalne  odkształcenia stali zbrojeniowej  εuk [1],Tab.C.1 i wynikające stąd współczynniki pochylenia półki plastycznej k wynoszą:
εuk{2,5%,k=0,05(klasaA)5,0%,k=0,08(klasaB)7,5%,k=0,15(klasaC)
Promień łączenia gałęzi sprężystej z gałęzią plastyczną zwykle przyjmuje się  na podstawie pracy [4]   R=20.
Model stali zbrojeniowej ze wzmocnieniem

Rys.3. Model stali zbrojeniowej ( linia pomarańczowa), (wykres rzeczywisty- linia niebieska)

Sieczny moduł odkształcalności stali zdefiniujemy jako

Esi=ksiEs (i=l, 2)

gdzie

ksi=k+1k(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=Escεst

.

W przypadku pręta otoczonego betonem ściskanym redukujemy naprężenia w stali ściskanej „i=c” o naprężenia w betonie, co można zapisać

σsc=Esiεscσc(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=σsiAsi

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+FsuFslΣM0:MEd=Mc,0+Fsu(d0au)+Fsl(d0al)

Warunki równowagi  (22) można zapisać w postaci równoważnej  w drodze wyeliminowania z ΣX  kolejno Fsl lub Fsu  i podstawieniu do ΣM0:

{MEd=Mc,0(NEdFc)(d0al)+FsudsMEd=Mc,0+(NEdFc)(d0au)+Fslds

gdzie ds=halau.

Równanie żelbetu

Po dodaniu stronami  obu równań (23) i po przekształceniach otrzymamy podstawowe równanie żelbetu:

Fsl+Fsu=2(MEdMc,0)ds+(NEdFc)

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)/(bfcd),
C1=(Aslσsl+Asuσsu)ds
C2=2MEd+NEdds,

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:

εsldlx=εsuxdu=εcu2x

Z zależność (26) można uzyskać jawną postać odkształcenia zbrojenia górnego (u) i dolnego (l):

εsl=εcu2(dl/x1)εsu=εcu2(1du/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>duxdl  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 xdu  εsu0,  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)/(bfcd),
C1=(AslnEl+AsunEu)dsfcd
C2=2MEd+NEdds,
D=[AslnEl(hal)+AsunEuau]dsb

W równaniu x3  (28) wprowadzono  oznaczenie stosunku doraźnej (zależnej od stopnia wytężenia stali) sztywności stali i sztywności (3) betonu:

nEi=EsiEcu=ksinE

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+FsuFslMRd=Mc,0+Fsu(d0au)+Fsl(d0al)

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:

  1. Przyjąć przedział wysokości strefy ściskanej [xmin ; xmax] i podzielić go na kilkadziesiąt przedziałów o szerokości Δx
  2. Dla kolejnych wartości xi=xi1+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),
  3. 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

  1. PN-EN 1992-1+AC+Ap 1,2,3: 2008, Projektowanie konstrukcji z betonu, Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków
  2. 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]
  3. 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
  4. 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
  5. The Concrete Centre. (1999). RC Spreadsheets (1999). MPA The Concrete Center, UK London, [ http://www.concretecentre.com/Publications-Software/RC-Spreadsheets-v4B-2.aspx ]

________________________________

Comments : 0
O autorze
* dr inż. Leszek Chodor. Architekt i Inżynier Konstruktor; Rzeczoznawca budowlany. Autor wielu projektów budowli, w tym nagrodzonych w konkursach krajowych i zagranicznych, a między innymi: projektu wykonawczego konstrukcji budynku głównego Centrum "Manufaktura" w Łodzi, projektu budowlanego konstrukcji budynku PSE w Konstancinie Bielawa, projektów konstrukcji "Cersanit" ( Starachowice, Wałbrzych, Nowograd Wołyński-Ukraina), projektu konstrukcji hali widowiskowo-sportowej Arena Szczecin Autor kilkudziesięciu prac naukowych z zakresu teorii konstrukcji budowlanych, architektury oraz platformy BIM w projektowaniu.

Wyślij

Translate »