Czy płyta podstawy jest wystarczająco sztywna?

Dlaczego mocowania są tak ważne?

Mocowania odgrywają kluczową rolę w integralności i bezpieczeństwie elementów konstrukcyjnych i niekonstrukcyjnych. Dlatego opracowano dedykowane normy, takie jak EN1992-4. Odnoszą się one do wyzwań związanych z połączeniami stalowo-betonowymi i zapewniają niezawodną metodę projektowania, gwarantującą bezpieczne przenoszenie obciążeń między elementami stalowymi i betonowymi. EN1992-4 obejmuje różne typy łączników (kotwy wbudowane z łbem, kotwy montowane po betonowaniu mechaniczne i klejone), a także różne kategorie oddziaływań.

Projektowanie mocowań stosowanych w betonie

Projektowanie mocowań w betonie zgodnie z EN1992-4 dla obciążeń statycznych/quasi-statycznych obejmuje wiele sprawdzeń normowych:

Rys. 1  Sprawdzenia normowe łączników na rozciąganie

Rys. 2 Sprawdzenia normowe łączników na ścinanie

Rys. 3 Sprawdzenia normowe uwzględniające interakcję obciążeń rozciągających i ścinających

Proces projektowania, opisany w normie (Rys.  1 - Rys.  3), wymaga szczegółowego podejścia, aby zapewnić spełnienie wszystkich istotnych sprawdzeń normowych. Każdy typ łącznika wymaga szczególnych rozważań. Na przykład kotwy mechaniczne opierają się na zazębieniu mechanicznym, podczas gdy kotwy klejone zależą od właściwości adhezyjnych materiału wiążącego. Proces projektowania musi uwzględniać te różnice, aby zapewnić niezawodne połączenie.

Przyjrzyjmy się bliżej jednemu z tych sprawdzeń normowych. Jako przykład weźmiemy charakterystyczną nośność łącznika lub grupy łączników w przypadku zniszczenia betonu w postaci stożka wyrywania (Rys.  4), który pokazuje, jak zaawansowany jest model obliczeniowy:

Rys.  4 Charakterystyczna nośność łącznika lub grupy łączników w przypadku zniszczenia betonu w postaci stożka wyrywania

W równaniu uwzględniono cztery współczynniki, które opisują takie efekty jak łuszczenie się otuliny, zaburzenie rozkładu naprężeń, obecność zbrojenia dodatkowego i inne. Pokazuje to, że nie tylko właściwości materiałów budowlanych (stal, beton), ale także inne czynniki, takie jak geometria bloku betonowego, siatka kotew, głębokość osadzenia, zbrojenie dodatkowe itp., mają wpływ na ostateczną nośność, tj. miarodajny tryb zniszczenia dla danej kombinacji obciążeń. Dowodzi to, że projektowanie połączeń stalowo-betonowych może być dość żmudne i złożone przy wykonywaniu ręcznym, gdyż wymaga licznych obliczeń i iteracji w celu optymalizacji projektu.

IDEA StatiCa Connection umożliwia użytkownikowi projektowanie połączeń stalowo-betonowych z zastosowaniem kotew montowanych po betonowaniu mechanicznych lub kotew wbudowanych z podkładkami. W zależności od typu kotwy należy wykonać wiele sprawdzeń normowych. Większość sprawdzeń normowych wymienionych na Rys.  1 - Rys.  3 jest obliczana w IDEA StatiCa Connection na podstawie danych wprowadzonych przez użytkownika oraz parametrów wskazanych w normie. Niektóre z nich nie są uwzględniane, ponieważ wymagają współczynników specyficznych dla danego produktu, opartych na badaniach przeprowadzonych przy użyciu znormalizowanego stanowiska i ocenionych zgodnie z obowiązującymi zharmonizowanymi specyfikacjami technicznymi. Współczynniki te można znaleźć w aprobatach technicznych, takich jak Europejska Ocena Techniczna (ETA). Oprócz współczynników wymaganych do obliczenia nośności obliczeniowej, w aprobacie zawarte są inne istotne charakterystyki, takie jak minimalna odległość od krawędzi c_min, minimalne rozstawienie kotew s_min, minimalna wysokość bloku betonowego h_min, współczynniki bezpieczeństwa i inne. Informacje o sprawdzeniach normowych, które nie są uwzględniane, opisano w zakładce wyników, jak pokazano na Rys.  5.

Rys.  5 Lista sprawdzeń normowych wymagających charakterystyk specyficznych dla danego produktu

Sztywność stalowej płyty podstawy

Oprócz listy wymaganych sprawdzeń normowych, norma określa dodatkowe zasady, których należy przestrzegać. Wśród nich znajdują się zasady wyznaczania sił działających na łączniki. Gdy na element mocujący działa moment gnący i/lub siła rozciągająca, podobnie jak w połączeniu stalowo-stalowym, mogą pojawić się siły podważające. Siły te muszą być uwzględnione w projektowaniu płyty podstawy, ponieważ prowadzi to do większych sił rozciągających w kotwach. Wymaganie to opisano w Klauzuli 6.1 (4) i przedstawiono na Rys. 6.1 b normy EN1992-4:

Rys.  6 Klauzula 6.1 (4) normy EN1992-4

Rys.  7 Amplifikacja sił rozciągających działających na łącznik wskutek sił podważających C_pr

Norma podaje wytyczne dotyczące obliczania obliczeniowych sił rozciągających działających na łącznik, pod warunkiem że element mocujący jest wystarczająco sztywny, co oznacza, że założenie liniowego rozkładu odkształceń jest zasadne (jak w teorii belek). Jednak jeśli wymagania określone w Klauzuli 6.2.1 nie są spełnione, uwzględnia się sprężyste odkształcenie stalowej płyty podstawy. Efekt ten jest brany pod uwagę w IDEA StatiCa Connection, ponieważ obliczenia metodą CBFEM pozwalają na uchwycenie zachowania giętnego płyty podstawy, w tym sztywności przyłączonego profilu, spoin i podkładu fundamentowego (modelowanego przy użyciu modelu podłoża Winklera). W następnej sekcji przyjrzymy się bliżej wpływowi grubości płyty na wynikowe siły rozciągające w kotwach, naprężenia zastępcze w słupie oraz naprężenia ściskające w bloku betonowym.

Przykłady w IDEA StatiCa

Przyjrzyjmy się kilku przykładom, które przygotowałem w IDEA StatiCa

W obu analizowanych przypadkach układ kotew (dwa rzędy po trzy kotwy), głębokość osadzenia, wymiary bloku betonowego oraz właściwości materiałowe pozostają takie same. Zmieniana będzie grubość płyty podstawy (10, 20 i 30 mm) oraz przyłożone efekty obciążeń – dla przypadku nr 1 jest to siła rozciągająca N = 100 kN, a dla przypadku nr 2 jest to siła ściskająca N = -100 kN. Przyjęte założenia pozwolą na łatwą weryfikację wpływu parametrów na wyniki, tj. siły osiowe w łącznikach, naprężenia zastępcze w słupie oraz naprężenia ściskające w betonie. Model przedstawiono na Rys. 8 poniżej.

Rys.  8 Model w IDEA StatiCa Connection

Zacznijmy od przypadku nr 1 – oto wyniki dla analizowanych przykładów:

Rys.  9 Przypadek nr 1, grubość płyty podstawy = 10 mm, naprężenia zastępcze

Rys.  10 Przypadek nr 1, grubość płyty podstawy = 10 mm, siły rozciągające w kotwach

Rys.  11 Przypadek nr 1, grubość płyty podstawy = 20 mm, naprężenia zastępcze

Rys.  12 Przypadek nr 1, grubość płyty podstawy = 20 mm, siły rozciągające w kotwach

Rys.  13 Przypadek nr 1, grubość płyty podstawy = 30 mm, naprężenia zastępcze

Rys.  14 Przypadek nr 1, grubość płyty podstawy = 30 mm, siły rozciągające w kotwach

Tab. 1 Zestawienie wyników dla przypadku nr 1 (N = 100 kN)

Zgodnie z oczekiwaniami, wraz ze wzrostem grubości płyty siły podważające maleją – przy t_fix = 30 mm siły podważające nie występują, a obciążenie jest równomiernie rozłożone na wszystkie kotwy w grupie. Porównując siły w najbardziej wytężonych kotwach w grupie, różnica między sprężystą płytą podstawy (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) a sztywną płytą podstawy (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN) wynosi 67%. Uwzględnienie zachowania giętnego stalowej płyty podstawy wpływa również na rozkład naprężeń w przyłączonych blachach oraz w spoinach łączących elementy. Pokazuje to, jak ważna jest weryfikacja sztywności płyty podstawy w procesie projektowania.

Wyniki dla przypadku nr 2 pokazują wpływ grubości płyty na rozkład naprężeń ściskających w betonie:

Przypadek nr 2, grubość płyty podstawy = 10 mm, naprężenia zastępcze, naprężenia w betonie

Rys.  16 Przypadek nr 2, grubość płyty podstawy = 20 mm, naprężenia zastępcze, naprężenia w betonie

Rys.  17 Przypadek nr 2, grubość płyty podstawy = 30 mm, naprężenia zastępcze, naprężenia w betonie

Tab. 2 Zestawienie wyników dla przypadku nr 2 (N = -100 kN)

Można zauważyć, że wraz ze wzrostem grubości naprężenia rozkładają się bardziej równomiernie, co z kolei obniża maksymalne naprężenia ściskające w betonie.

Podsumowanie

Dzięki IDEA StatiCa Connection użytkownik może dokładnie modelować zachowanie giętne stalowej płyty podstawy i weryfikować jego wpływ na modelowane połączenie. Oprogramowanie wykorzystuje metodę CBFEM do symulacji odkształcenia płyty podstawy pod wpływem zadanych efektów obciążeń. Pozwala to inżynierom na wizualizację rozkładu sił i identyfikację potencjalnych problemów związanych ze sprężystym zachowaniem stalowej płyty podstawy lub potwierdzenie poprawności założenia liniowego rozkładu odkształceń, określonego w EN1992-4. Jest to kluczowy element procesu projektowania połączeń stalowo-betonowych, ponieważ nawet stosunkowo grube płyty podstawy mogą nie spełniać wymagań sztywnej płyty podstawy, a pominięcie tej weryfikacji może prowadzić do niedoszacowania sił rozciągających w kotwach, jak pokazano w powyższych przykładach.

…jeszcze jedna rzecz

W najnowszej wersji naszego oprogramowania, Wersji 24.0, zaimplementowano wersję beta bezpośredniego łącza między IDEA StatiCa Connection a Detail. Umożliwia to weryfikację żelbetowych stóp fundamentowych (SGN) przy użyciu Detail 3D (opartego na metodzie CSFM). W naszym centrum wsparcia można znaleźć samouczek krok po kroku dotyczący wymiany danych między obydwoma programami, a także sposobu uruchamiania obliczeń w naszej Detail application.

Rys. 18 Łącze BIM między IDEA StatiCa Connection a Detail (wersja beta)

Więcej zasobów

Więcej informacji na ten temat można znaleźć tutaj:

Sprawdzenie normowe kotew (EN)

Import zakotwienia z Connection do Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Konstrukcyjne projektowanie betonowych stref nieciągłości 3D | IDEA StatiCa

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o najnowszej wersji, zapoznaj się z informacjami o wydaniu zawierającymi wszystkie szczegóły. 

Obejrzyj nagranie webinaru

Ten udany webinar, z ponad 1500 zarejestrowanymi uczestnikami, zapewnia głębsze omówienie tematu. Czytając ten wpis na blogu, możesz uzyskać dostęp do nagrania webinaru i poznać zaawansowane techniki oraz praktyki.
Nie przegap tej okazji i sprawdź!