Projektując jakikolwiek budynek musimy dokonywać wielu założeń. Zakładamy pewne obciążenia, współczynniki bezpieczeństwa, to jak będzie użytkowany w przyszłości, schematy statyczne, fizyczno – matematyczne modele obliczeniowe i wiele innych. Stosujemy pewne uproszczenia, które pozwalają nam tak opisać dany problem, abyśmy mogli oszacować jego odpowiedź.
Czy stając przed zadaniem zaprojektowania konstrukcji prefabrykowanej możemy przyjmować takie same założenia jak dla konstrukcji monolitycznej? Jeśli nie, to w którym miejscu te dwie ścieżki się rozchodzą? Przy wymiarowaniu wydzielonych elementów? Przy doborze schematów statycznych czy już na etapie modelu globalnego?
Dokładność modeli obliczeniowych
Budując modele konstrukcji zawsze robimy to z pewnym uproszczeniem. Jego stopień zależy od stopnia skomplikowania oraz zaawansowania prac. Na początku możemy zrobić bardzo zgrubny model, który z czasem doprecyzowujemy na poziomie globalnym, wydzielonego elementu lub detalu. Zbyt dokładny model globalny będzie bardzo czasochłonny w budowie. Zaletą może być otrzymanie wyników do wymiarowania przekrojów już na poziomie jednego modelu. Tylko, że przy skomplikowanych układach otrzymamy wyniki, w których ciężko będzie nam stwierdzić, skutkiem czego są dane odpowiedzi. Czas poświęcony na kontrolę błędów będzie nieporównywalnie większy niż budowanie modeli dla mniejszych fragmentów lub liczenie pewnych rzeczy z ręki. Dobry model to taki, który możemy zweryfikować “na kartce”.
Złącza pionowe między ścianami
Przy tworzeniu globalnych modeli konstrukcji prefabrykowanych musimy dokonać więcej uproszczeń i założeń niż przy monolicie. Tu dużą rolę odgrywają połączenia. Ich sztywność wpływa na pracę całego układu. Pytanie czy możemy je pominąć w modelach globalnych i uwzględniać tylko przy wymiarowaniu? Np. fugi pionowe.
Sprawdźmy więc dwie skrajne sytuacje dla pewnego tężnika w budynku. W pierwszym modelu policzymy ścianę jako jeden element (w założeniu monolit). W drugim wykonamy dwie pionowe fugi nie przenoszące obciążeń (detal jak dla ściany prefabrykowanej z fugą wypełnioną wełną mineralną). Zakładam, że na ścianie opierając się stropy na trzech poziomach. Przenoszą one siły pionowe i poziome. W tym układzie nie modeluję połączeń ze stropami, czy też złączy poziomych pomiędzy ścianami, aby wyodrębnić pojedynczy problem.
Analiza problemu
Mała wizualizacja:
Model 1: Model 2:
Dla obu modeli stosuję takie same obciążenia. Sposób przykładania sił:
WYNIKI :
Przemieszczenia tężników:
Model 1: Model 2:
Przemieszczenia
Wykres reakcji na fundament
Model 1: Model 2
Rozbieżności widać od razu. Na skrajnych brzegach pojawią się znaczne siły ściskające i rozciągające. Muszą one być dalej przetransferowane. Np. na fundament i grunt. O ile w modelu „monolitycznym” nie występowały rozciągania na dolnej krawędzi, to w modelu drugim mają one znaczne wartości. Po drugiej stronie otrzymujemy z kolei dużo większe siły ściskające. Jeśli mamy płytę fundamentową to należy sprawdzić przebicie w tych miejscach. Pod fugami siły ściskające i rozciągające przechodzące na grunt równoważą się po części.
To równoważenie się sił następuje w fundamencie. Czyli otrzymujemy tu siły ścinające w belce / płycie fundamentowej, które należy uwzględnić w obliczeniach.
Model nieliniowy
W ramach analizy zrobiłem jeszcze model nieliniowy. Jako podporę wykorzystałem model gruntu Druckera-Pragera.
Model składał się z 3 tężników opartych na ławie fundamentowej. Fuga pozioma między tymi elementami przenosi ściskanie i ścinanie. Rozciąganie przenoszone jest przez pręty zbrojeniowe przeszywające fugę.
Wyniki analizy nieliniowej potwierdziły wcześniejsze wnioski. Przy poprawnym zaprojektowaniu samych tężników i ich połączenia z fundamentem, najsłabszym miejscem zostaje ława fundamentowa, która uległa zarysowaniu pod miejscami , gdzie występują fugi między ścianami.
Powstały rysy zarówno pionowe od zginania jak i ukośne od ścinania
Podsumowanie
Przykład powyżej pokazuje, że czasem przyjęcie zbyt dużych uproszczeń przy budowaniu modelu może prowadzić do dużych niedoszacowań. Szczególnie w konstrukcjach prefabrykowanych. Zastosowanie różnego rodzaju połączeń w fugach pionowych, takich jak płytki spawane czy połączenia pętlowe spowodują powstanie modelu, którego odpowiedź byłaby czymś pomiędzy dwoma zaprezentowanymi powyżej. Ale łączniki zawsze będą miały swoją charakterystykę podatności, którą należy brać pod uwagę. Od sztywności połączenia zależeć będzie w stronę którego modelu się zbliżymy.
Szczególną uwagę należy zwrócić na sytuację, gdy jesteśmy odpowiedzialni za konstrukcje prefabrykowane, a kto inny za fundamenty, albo elementy monolityczne, które są dla nas podporą. Najczęściej w takich sytuacjach spotykam się z tym, że osoby liczące swoje elementy nie uwzględniają poprawnej pracy prefabrykatu. A jak już to wcześniej sprawdziliśmy, może mieć to znaczenie.