Konstruktor - Belka żelbetowa
Moduł należy do grupy programów wspomagających projektowanie i obliczenia konstrukcji żelbetowych. Program umożliwia analizę statyczną i wymiarowanie (stan graniczny nośności i użytkowania) wieloprzęsłowych, ciągłych belek żelbetowych, o dowolnym przekroju i dowolnym schemacie statycznym (z uwzględnieniem podpór sprężystych), oraz automatycznym doborem zbrojenia. Wymiarowanie wykonywane jest wg najnowszej normy: PN-B-03264: 2002. Program umożliwia prowadzenie pełnej kombinatoryki obciążeń. Zbrojenie podłużne i poprzeczne belki dobierane jest z warunku nośności oraz ze względu na rysy ukośne i prostopadłe do osi elementu. Przy doborze zbrojenia na zginanie i ścinanie uwzględniane są także wszystkie podstawowe warunki konstrukcyjne. W module sprawdzane jest również ugięcie całej belki w stanie zarysowanym. Program wymiaruje elementy belkowe policzone w Ramie 2D. Na bazie wykonanych obliczeń statycznych i wymiarowania program może wykonać automatycznie rysunek wykonawczy w formacie DXF.
Opcja automatycznego rysunku wykonawczego (w formacie DXF) do modułu Konstruktor – Belka żelbetowa, pozwala na automatyczne wykonanie na podstawie obliczeń statycznych i wymiarowania, pełnego rysunku konstrukcyjnego ciągłych belek żelbetowych o przekroju prostokątnym, teowym, półteowym i dwuteowym z uwzględnieniem jedno lub dwustronnych wsporników. Rysunek zawiera: schemat statyczny belki, widok zbrojenia, wszystkie charakterystyczne przekroje, „wyrzucone zbrojenie” , wykaz stali zbrojeniowej oraz wszystkie niezbędne opisy i wymiarowania.
Podstawowe możliwości programu to m. in.:
- intuicyjny moduł wprowadzania danych,
- definiowanie dowolnych typów obciążeń,
- skalowana wizualizacja obciążeń,
- tworzenie kombinatoryki obciążeń,
- dowolny kształt przekroju żelbetowego (prostokątny, teowy, półteowy, teowy odwrócony, dwuteowy),
- możliwość zmiany przekroju na długości belki,
- możliwość zadawania podpór sprężystych,
- pełne wymiarowanie wg PN-B-03264:2002
- obliczenia stanów użytkowych belki (rysy prostopadłe do osi elementu, oraz ugięcie w stanie zarysowanym)
- dobieranie ilości prętów zbrojenia głównego i uzupełniającego z uwzględnieniem wszystkich warunków konstrukcyjnych,
- przy wymiarowaniu ścinania dobieranie rozstawu strzemion i prętów odgiętych,
- możliwość stosowania strzemion ukośnych,
- szerokie możliwości uwzględniania życzeń użytkownika w zakresie kształtowania zbrojenia, przy jednocześnie ograniczonej do minimum ilości wprowadzanych danych,
- wykonywanie szkicu zbrojenia,
- trójwymiarowa wizualizacja danych geometrycznych,
- graficzna i tekstowa prezentacja wyników obliczeń statycznych,
- możliwość decydowania przez użytkownika o ilości danych przeznaczonych do wydruku,
- obliczanie ciężaru przyjętego zbrojenia na zginanie i ścinanie umożliwiające optymalny dobór zbrojenia. Program "Belka żelbetowa", tak jak każdy z pozostałych modułów wymiarujących, zawartych w kompleksowym systemie wspomagania projektowania "Konstruktor" może pracować w ramach jego struktury na dwa różne sposoby:
- niezależnie jako osobny program w którym wprowadzamy dane geometryczne, obciążenia belki, a jako wyniki otrzymujemy w formie graficznej i tekstowej siły przekrojowe i szkic zbrojenia,
- lub jako moduł współpracujący z programem Rama 2D ( w przyszłości również z innymi modułami do obliczeń statycznych ).
W drugim przypadku dane geometryczne i obciążenia wprowadzane są w module Rama 2D. Program ten również generuje wyniki obliczeń statycznych w postaci wewnętrznych sił przekrojowych. Natomiast wymiarowanie wskazanych przez użytkownika elementów układu odbywa w programie "Belka żelbetowa", gdzie automatycznie przekazywane są wyniki z programu Rama 2D (technika przeciągnij i upuść). Taka nowatorska i logiczna struktura umożliwia indywidualny dobór programów do możliwości i potrzeb użytkownika, oraz pełną współpracę wszystkich modułów ze sobą, zarówno obecnie jak i w przyszłości. Przedstawiona koncepcja systemu wspomagania projektowania pozwala również na szybką i tanią rozbudowę programu o kolejno wprowadzane specjalizowane moduły obliczeniowe, wymiarujące i rysunkowe. W ostatecznym efekcie użytkownik otrzyma pełny pakiet programów inżynierskich niezbędnych w pracy konstruktora budowlanego, zarówno pod względem merytorycznym (wszystkie możliwe konstrukcje) jak i ich zakresu (od zbierania obciążeń, do otrzymania rysunków wykonawczych).
Funkcjonalność programu w zakresie obliczeń i wymiarowania:
Obliczenia statyczne
Program oblicza statykę belki ciągłej macierzową metodą przemieszczeń z uwzględnieniem pełnej kombinatoryki po grupach obciążeń. Wyniki mogą być podane dla poszczególnych grup obciążeń oraz dla kombinacji grup obciążeń. W drugim przypadku podawana jest obwiednia sił tnących i momentów w poszczególnych punktach belki. Dla każdej grupy obciążeń należy określić charakter obciążenia (stałe lub zmienne) oraz zdefiniować współczynniki obciążenia. W przypadku obciążania belki wielkościami obliczeniowymi oba współczynniki obciążenia powinny mieć wartość „1” (ustawienie domyślne). Wyniki w postaci ekstremalnych sił przekrojowych i wartości sił im odpowiadających, podawane są w programie dla obciążeń obliczeniowych (z uwzględnieniem podanych współczynników obciążenia), natomiast wartości charakterystyczne potrzebne do obliczeń stanów granicznych użytkowania, podawane są dla wartości charakterystycznych, otrzymanych przez podzielenie wielkości obliczeniowych przez średni współczynnik obciążenia o wartości 1.18.
Wymiarowanie zbrojenia na zginanie
Algorytm wymiarowania belki na zginanie opracowano w oparciu o metodę uproszczoną, zawartą w normie PN-B-03264: 2002 „Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone”. Program w każdym punkcie wymiaruje belkę na zginanie dobierając odpowiednio potrzebne wielkości powierzchni przekroju zbrojenia górnego i dolnego, uwzględniając warunek nośności i warunki konstrukcyjne na minimalne zbrojenie w przekroju. Dla tak policzonej powierzchni zbrojenia, oraz określonych przez użytkownika średnic zbrojenia górnego, dolnego i konstrukcyjnego ustalane są ilości prętów podłużnych górą i dołem belki.
Wkładki zbrojenia są dobierane z uwzględnieniem poniższych warunków:
-
minimum 1/3 prętów zbrojenia dolnego doprowadzona jest z przęsła do podpory, w przypadku stosowania zbrojenia konstrukcyjnego ilość prętów przyjętych przez program w przekroju jest nie mniejsza niż ilość cięć strzemion (w przypadku zbyt małej ilości prętów uzupełniane są prętami konstrukcyjnymi),
-
zachowana jest ciągłość dobranych średnic zbrojenia nad podporą i w przęśle,
-
sprawdzane jest minimalny przekrój zbrojenia podłużnego (wzory nr 23 a i b normy PN-B-03264: 2002) oraz minimalne zbrojenie rozciągane z uwagi na ograniczenie rys skurczowych (wzór nr 111 normy PN-B-03264: 2002),
-
zachowana jest ciągłość dobranych średnic zbrojenia nad podporą i w przęśle, całość przęsła podzielona jest domyślnie górą na 5 (dla wspornika 2), a dołem na 3 (dla wspornika 2) odcinki o jednakowym zbrojeniu,
-
istnieje możliwość zmiany przez użytkownika ilości (maksimum 10) i wielkości poszczególnych odcinków o jednakowym zbrojeniu.
Przedstawione powyżej warunki doboru wkładek zbrojeniowych pozwalają na logiczny i automatyczny ich dobór oraz optymalizację będącą kompromisem między ilością stali zbrojeniowej (obliczona jest szacunkowa masa stali na zginanie), ilością odcinków o różnym zbrojeniu, ciągłością poszczególnych wkładek i sztuką konstruowania zbrojenia belki. Dla tak dobranego (nie wyliczonego) zbrojenia oraz wartości charakterystycznych momentów obliczane są szerokości rozwarcia rys prostopadłych, dla górnej i dolnej powierzchni belki. Przy wyłączonej opcji doboru zbrojenia głównego na podstawie dopuszczalnej szerokości rozwarcia rys, na tym etapie kończy się wymiarowanie na zginanie. W przypadku włączenia opcji jak wyżej program w miejscach gdzie przekroczono wartość dopuszczalną rys, dodatkowo wykonuje iteracje polegające na stopniowym zwiększaniu zbrojenia na zginanie (za każdym razem o 5%), ponownym doborze wkładek a następnie sprawdzeniu szerokości rozwarcia rys, aż do momentu gdy będą one mniejsze od wielkości dopuszczalnej podanej przez użytkownika. W przypadku założenia przez użytkownika rys dopuszczalnych 0.1 mm, oraz dla belek o dużej ilości przęseł można spodziewać się pewnego spowolnienia obliczeń spowodowanego zwiększoną ilością iteracji. Górnym ograniczeniem dla powyższego procesu jest graniczny stopień zbrojenia belki równy 5%. W przypadku przejmowania wyników statyki z programu „Rama 2D”, w obliczeniach zbrojenia na zginanie uwzględniane są niewielkie osiowe siły rozciągające (znak -) i ściskające (znak +), przy czym siły rozciągające uwzględnione są przy liczeniu zbrojenia przez dodanie zbrojenia:
gdzie: Nsd - rozciągająca siła osiowa odpowiadająca ekstremalnemu momentowi;
fyd – wytrzymałość obliczeniowa stali
natomiast siły ściskające pomijane są w obliczeniach (działają korzystnie), do momentu aż przekroczą wartość dopuszczalną powyżej której przekrój powinien być liczony jako mimośrodowo ściskany, co powoduje przerwanie obliczeń i podanie odpowiedniego komunikatu.
Ugięcie w stanie zarysowanym
Program dla wybranej przez użytkownika kombinacji grup obciążeń oblicza wielkość ugięcia w stanie zarysowanym. Ugięcie liczone jest przybliżoną metodą belkową przy następujących założeniach:
-
dla wybranej przez użytkownika kombinacji grup obciążeń charakterystycznych (bez współczynników obciążenia), dla każdego przęsła ustalane są rzeczywiste przemieszczenia sprężyste (ugięcia i kąty obrotu) w minimum trzech punktach (na końcach i w środku przęsła),
-
ugięcia sprężyste w pozostałych punktach z uwzględnieniem powyższych przemieszczeń aproksymowane są wielomianem trzeciego stopnia,
-
dla każdego przęsła osobno ustalany jest współczynnik korygujący (zwiększający) ugięcie sprężyste, ze względu na spadek sztywności przęsła po zarysowaniu dla ekstremalnych momentów charakterystycznych (obwiedni momentów obliczeniowych podzielonych przez średni współczynnik obciążenia 1.18) mogących wystąpić w danym przęśle.
Tak policzone ugięcie w stanie zarysowanym jest wystarczająco dokładne do celów inżynierskich dla większości przypadków obciążenia. W przypadku gdy użytkownik chciałby jednak uzyskać kształt i wielkość ugięcia w bardziej dokładnej formie wystarczy odcinek belki, na którym przewidujemy wystąpienie maksymalnego ugięcia podzielić na części o teoretycznie różnym przekroju (w praktyce przekrój jest taki sam) wówczas w belce w czasie obliczeń tworzony jest w tym miejscu dodatkowy węzeł dla którego określane są dokładne ugięcia sprężyste (punkt podziału np. pod siłą skupioną). Analogicznie postępujemy gdy chcemy uzyskać precyzyjne ugięcie sprężyste w określonym miejscu belki (np. pod siłą skupioną).
Wymiarowanie zbrojenia na ścianie
Zbrojenie na ścinanie wyliczane jest zgodnie z nową procedurą zawartą w PN-B-03264: 2002, z uwzględnieniem dwóch wariantów możliwego zbrojenia (wybór jest pozostawiony użytkownikowi):
-
zbrojenie prostymi lub ukośnymi strzemionami,
-
zbrojenie prostymi strzemionami i prętami odgiętymi.
W pierwszym przypadku użytkownik zakłada średnicę strzemion i liczbę cięć (maksimum 10), a program na podstawie obwiedni obliczeniowych sił tnących określa długość odcinka ścinania na podporze, dzieli wyliczony odcinek na mniejsze fragmenty o maksymalnej długości 2 x d (dawniej h0) i na każdym z nich określa potrzebny rozstaw strzemion z warunku nośności, oraz z warunku użytkowego, określającego dopuszczalną szerokość rozwarcia rys ukośnych. Tak wyliczone rozstawy strzemion sprawdzane są z warunkami konstrukcyjnymi, oraz minimalnym stopniem zbrojenia na ścinanie i w razie potrzeby odpowiednio korygowane (uwzględniane są wzory nr 209 - 211 normy PN-B-03264: 2002 określające minimalny stopień zbrojenia strzemionami).
W drugim wariancie użytkownik musi zdecydować jaka część siły tnącej ma być przejęta przez strzemiona, a jaka przez pręty odgięte. Następnie procedura wymiarowania przebiega analogicznie jak w wariancie pierwszym, przy czym wyliczany jest rozstaw strzemion na poszczególnych odcinkach oraz ilość potrzebnych prętów odgiętych z uwzględnieniem warunków nośności i użytkowania. Również w drugim wariancie wyliczone rozstawy sprawdzane są z warunkami konstrukcyjnymi i minimalnym stopniem zbrojenia.
Przy ścinaniu dodatkowo wyliczane są:
-
nośność przekroju betonowego na ścinanie Vrd1
-
nośność ze względu na ściskanie krzyżulca betonowego Vrd2
-
maksymalny rozstaw ramion strzemion w kierunku poprzecznym
-
długość pozostałego odcinka zbrojonego na ścinanie jedynie z warunków konstrukcyjnych
-
rozstaw strzemion na odcinku konstrukcyjnym
-
masa stali przyjętego zbrojenia ścinanie
Stany graniczne użytkowania przy ścinaniu sprawdzane są dla obwiedni charakterystycznych sił tnących uzyskanych przez podzielenie sił obliczeniowych przez średni współczynnik obciążenia o wartości 1.18. Przy przejmowaniu sił przekrojowych z ”Ramy 2D” w algorytmie wymiarowania zbrojenia na ścinanie uwzględniane są niewielkie siły rozciągające.
Przy obliczaniu zbrojenia na ścinanie zbrojenie wyliczane jest jedynie na odcinkach przypodporowych, a w środku każdego przęsła zakładane jest zbrojenie konstrukcyjne. Algorytm programu nie przewiduje w chwili obecnej wymiarowania dodatkowego odcinka ścinania, którego początek i koniec znajduje się wewnątrz przęsła (sytuacja taka może wystąpić przy zadaniu np. dwóch rozsuniętych sił skupionych na jednym przęśle o znacznej wielkości w stosunku do pozostałych obciążeń ale o przeciwnym zwrocie). Wystąpienie powyżej opisanego przypadku jest dobrze widoczne na wykresie obwiedni sił tnących, gdy siły tnące występujące na podporach nie są maksymalnymi siłami tnącymi w danym przęśle belki.
Zmiany przekroju
Program belka umożliwia wprowadzanie zmian przekroju na poszczególnych przęsłach belki a nawet wewnątrz przęsła. Własność ta uwzględniana jest w obliczeniach statycznych oraz częściowo wymiarowaniu. Przy wymiarowaniu belek żelbetowych należy zwrócić szczególną uwagę na sposób w jaki wprowadza się zmianę przekroju.
Wszelkie zmiany przekroju (na podporach i w przęśle), polegające na zmianach szerokości lub wysokości półki dolnej i górnej przekrojów teowych i dwuteowych, nie powodują żadnych błędów w algorytmie obliczeniowym i szkicu zbrojenia. Również zmiana wysokości i szerokości całego przekroju przeprowadzona w osi podpory, przy zachowaniu górnego lica belki na jednym poziomie wymaga jedynie odpowiedniego wykonstruowania zbrojenia. Natomiast skokowe zmiany wysokości i szerokości przekroju w środku przęsła mogą powodować błędne wyniki wymiarowania na ścinanie (zwłaszcza gdy zmiana przekroju następuje na odcinku ścinania) oraz zły dobór zbrojenia. Generalnie przy wymiarowaniu obowiązują następujące zasady:
Zbrojenie na zginanie z warunku nośności i warunku użytkowego obliczane jest w każdym punkcie belki (minimum 121 punktów na każdym przęśle) z uwzględnieniem momentów (Mmax, Mmin) i przekroju jaki w tym punkcie występuje,
Zbrojenie na ścinanie obliczane jest dla maksymalnych (bezwzględnych) sił tnących na kolejnych odcinkach ścinania dla przekroju w osi podpory danego przęsła (całkowita długość odcinka ścinania ustalana jest również dla przekroju w osi podpory).
Punkt nieciąglości belki
Program umożliwia wprowadzenie na długości belki punktów nieciągłości w postaci przegubów (moment gnący Msd=0). Punkty te uwzględniane są przy obliczaniu statyki belki, natomiast ze względu na wątpliwą możliwość ich prawidłowego wykonstruowania w modelu żelbetowym, zostaną pominięte przy szkicowaniu zbrojenia (zachowana jest ciągłość zbrojenia w tych miejscach).
Wyniki i raporty
Wyniki obliczeń statycznych i wymiarowania tworzone są w postaci plików raportu (format „htm”) zlokalizowanych w katalogu projektu (podkatalog Raporty), które można przejrzeć w przeglądarce raportów. Wywołanie przeglądarki w górnym pasku narzędziowym (menu Narzędzia - Przeglądarka raportów) lub za pomocą odpowiedniej ikony w pasku narzędzi elementu. Pozostałe dane dotyczące obsługi przeglądarki zawiera opis modułu Konstruktor.
Wyniki w programie Belka żelbetowa można podzielić na trzy osobne i niezależne grupy:
-
Dane dotyczące geometrii układu i obciążeń:
- dane dotyczące przęseł, podpór i przegubów
- dane dotyczące przekroju i materiału,
- dane dotyczące obciążeń i grup obciążeń,
- parametry do wymiarowania belki.
-
Wyniki obliczeń statycznych dla:
- obwiedni momentów i sił tnących,
-
Wyniki wymiarowania belki w postaci:
- wielkości wyliczonego i przyjętego przekroju zbrojenia górnego i dolnego belki,
- przyjętej ilości prętów zbrojenia głównego i konstrukcyjnego górą i dołem belki,
- szacunkowego ciężaru przyjętego zbrojenia na zginanie,
- szerokości rozwarcia rys prostopadłych do osi elementu górą i dołem belki,
- wielkości przyjętego zbrojenia na ścinanie (strzemion i prętów odgiętych) na odcinkach obliczeniowych i konstrukcyjnych,
- szacunkowego ciężaru zbrojenia na ścinanie,
- wielkości ugięcia belki w stanie zarysowanym liczone dla kombinacji określonej przez użytkownika,
- szkicu zbrojenia na zginanie i ścinanie dla poszczególnych przęseł.
|
Ukryj
ArCADia BIM
ArCADia-ARCHITEKTURA
Podstawowy + Obciążenia PN-EN
Rama 2D
System ArCADia BIM - czy już dziś potrzebuję technologii BIM ?
