Bază de stâlp – Stâlp cu secțiune tubulară (EN)

Descriere

Metoda elementelor finite bazată pe componente (CBFEM) pentru baza de stâlp cu secțiune tubulară verificată prin metoda componentelor (CM) este descrisă mai jos. Un stâlp comprimat este proiectat cu cel puțin o secțiune transversală de clasa 3. Studiul de sensibilitate este pregătit pentru dimensiunea stâlpului, dimensiunile plăcii de bază, clasa betonului și dimensiunile blocului de beton. Patru componente sunt activate: talpa și inima stâlpului la compresiune, betonul la compresiune inclusiv mortarul de nivelare, ancora la întindere și sudurile. Acest studiu este axat în principal pe două componente: betonul la compresiune inclusiv mortarul de nivelare și ancora la întindere.

Fig. 8.4.1 Puncte semnificative ale diagramei de interacțiune multilineare pentru secțiunea tubulară pătrată

Verificarea rezistenței

În exemplul următor, stâlpul din secțiune tubulară pătrată SHS 150×16 este conectat la blocul de beton cu dimensiunile în plan a' = 750 mm, b' = 750 mm și înălțimea h = 800 mm din beton de clasă C20/25 prin placa de bază a = 350 mm, b = 350 mm, t = 20 mm din oțel S420. Ancore sunt proiectate 4 × M20, A_s = 245 mm² cu diametrul capului a = 60 mm din oțel clasa 8.8 cu decalaje la partea superioară de 50 mm și la stânga de −20 mm și cu adâncimea de încastrare de 300 mm. Mortarul de nivelare are o grosime de 30 mm.

Rezultatele soluției analitice sunt prezentate ca diagramă de interacțiune cu puncte distinctive. O descriere detaliată a punctelor −1, 0, 1, 2 și 3 este prezentată în Fig. 8.4.1; a se vedea (Wald, 1995) și (Wald et al. 2008), unde punctul −1 reprezintă forța de întindere pură, punctul 0 momentul încovoietor pur, punctele 1 până la 3 forța de compresiune combinată cu momentul încovoietor, iar punctul 4 forța de compresiune pură.

Fig.8.4.2 Baza de stâlp pentru stâlpul SHS 150×16 și plasa selectată a plăcii de bază

În CBFEM, efectul de pârghie apare în cazul încărcării la întindere pură; în timp ce în CM, nu se dezvoltă forțe de pârghie prin limitarea rezistenței doar la modul de cedare 1-2; a se vedea (Wald et al. 2008). Datorită efectului de pârghie, diferența de rezistență este de aproximativ 10 %. Modelul numeric al bazei de stâlp este prezentat în Fig. 8.4.2. Rezultatele CBFEM sunt prezentate prin distribuția tensiunilor de contact pe beton pentru punctele 0 și 3, afișate în Fig. 8.4.3 și Fig. 8.4.4, și comparate pe diagrama de interacțiune din Fig. 8.4.5.

Fig. 8.4.3 Rezultate CBFEM pentru punctul 0, adică moment încovoietor pur

Fig. 8.4.4 Rezultate CBFEM pentru punctul 3, adică forță de compresiune și moment încovoietor

Fig. 8.4.5 Compararea rezultatelor predicției rezistenței prin CBFEM și CM pe diagrama de interacțiune pentru baza de stâlp cu secțiunea transversală SHS 150×16

Studiu de sensibilitate

Studiul de sensibilitate este pregătit pentru dimensiunea secțiunii transversale a stâlpului, dimensiunile plăcii de bază, clasa betonului și dimensiunile blocului de beton. Stâlpii selectați sunt SHS 150×16, SHS 160×12.5 și SHS 200×16. Placa de bază este proiectată cu dimensiuni în plan cu 100 mm, 150 mm și 200 mm mai mari decât secțiunea transversală a stâlpului. Grosimea plăcii de bază este de 10 mm, 20 mm și 30 mm. Blocul de fundație este din beton de clasă C20/25, C25/30, C30/37 și C35/45 cu înălțimea de 800 mm pentru toate cazurile și cu dimensiuni în plan cu 100 mm, 200 mm, 300 mm și 500 mm mai mari decât dimensiunile plăcii de bază. Un parametru a fost modificat în timp ce ceilalți au fost menținuți constanți. Parametrii sunt rezumați în Tab. 8.4.1. Sudurile de colț cu grosimea a = 12 mm au fost selectate. Coeficientul de îmbinare pentru mortarul de nivelare de calitate suficientă este luat ca β_j = 0,67. Plăcile de oțel sunt din S420 cu ancore M20 clasa 8.8 cu adâncimea de încastrare de 300 mm în toate cazurile.

Tabelul 8.4.1 Parametrii selectați

Pentru studiul de sensibilitate al secțiunii transversale a stâlpului, clasa betonului C20/25, grosimea plăcii de bază de 20 mm, decalajul plăcii de bază de 100 mm și decalajul blocului de beton de 200 mm au fost utilizate pentru varierea parametrilor secțiunii stâlpului. Compararea CBFEM cu modelul analitic prin CM este prezentată în diagramele de interacțiune din Fig. 8.4.6.

Fig. 8.4.6 Compararea rezultatelor CBFEM cu CM pentru diferite secțiuni transversale ale stâlpului

Pentru studiul de sensibilitate al decalajului plăcii de bază, au fost selectate secțiunea transversală a stâlpului SHS 200×16, clasa betonului C25/30, grosimea plăcii de bază de 20 mm și decalajul blocului de beton de 200 mm. Compararea diagramelor de interacțiune este în Fig. 8.4.7. Cea mai semnificativă diferență este în rezistența la întindere pură a unei plăci de bază mari, unde forțe de pârghie semnificative au fost prezente în analizele CBFEM, care sunt limitate prin proiectarea analitică.

Fig. 8.4.7 Compararea rezultatelor CBFEM cu CM pentru diferite decalaje ale plăcii de bază

Pentru studiul de sensibilitate al grosimii plăcii de bază, au fost selectate secțiunea transversală a stâlpului SHS 200×16, clasa betonului C25/30, decalajul plăcii de bază de 100 mm și decalajul blocului de beton de 200 mm. Grosimi ale plăcii de bază de 10 mm, 20 mm și 30 mm au fost utilizate în acest studiu. Compararea diagramelor de interacțiune este în Fig. 8.4.8. Cea mai mare diferență este în rezistența la întindere pură a unei plăci de bază subțiri, unde forțe de pârghie semnificative au fost prezente în analizele CBFEM, care sunt limitate în proiectarea analitică prin CM.

Fig. 8.4.8 Compararea rezultatelor CBFEM cu CM pentru diferite grosimi ale plăcii de bază

Pentru studiul de sensibilitate al clasei betonului, au fost selectate secțiunea transversală a stâlpului SHS 150×16, grosimea plăcii de bază de 20 mm, decalajul plăcii de bază de 100 mm și decalajul blocului de beton de 200 mm. Clasele de beton C20/25, C30/37 și C35/45 au fost utilizate în acest studiu. Compararea diagramelor de interacțiune este în Fig. 8.4.9.

Fig. 8.4.9 Compararea rezultatelor CBFEM cu CM pentru diferite clase de beton

Pentru studiul de sensibilitate al decalajului blocului de beton, au fost selectate secțiunea transversală a stâlpului SHS 160×12.5, grosimea plăcii de bază de 20 mm, decalajul plăcii de bază de 100 mm și clasa betonului C25/30. Decalaje ale blocului de beton de 100 mm, 300 mm și 500 mm au fost utilizate în acest studiu. Compararea diagramelor de interacțiune este în Fig. 8.4.10.

Fig. 8.4.10 Compararea rezultatelor CBFEM cu CM pentru diferite decalaje ale blocului de beton

Diferențele în predicția rezistenței bazei de stâlp prin CBFEM și CM sunt în principal în acceptarea efectului de pârghie în CBFEM și evitarea acestuia prin CM conform EN 1993-1-8:2005.

Tab. 8.4.2 Compararea diagramei de interacțiune CBFEM și CM

Caz de referință

Date de intrare

Secțiunea transversală a stâlpului

• SHS 150×16
• Oțel S420

Placă de bază

• Grosime 20 mm
• Decalaje la partea superioară 100 mm, la stânga 100 mm
• Suduri – suduri cap la cap
• Oțel S420

Ancore

• M20 8.8.
• Lungime de ancoraj 300 mm
• Tip ancoră: Placă tip șaibă - circulară; dimensiune 40 mm
• Decalaje straturi superioare 50 mm, straturi stânga −20 mm
• Plan de forfecare în filet

Bloc de fundație

• Beton C20/25
• Decalaj 200 mm
• Adâncime 800 mm
• Transfer forță tăietoare prin frecare
• Grosime mortar de nivelare 30 mm

Încărcări

• Forță axială N = −762 kN
• Moment încovoietor M_y = 56 kNm

Rezultate

• Plăci
• Ancore 97,8 % (\(N_{Ed,g} = 65.7 \textrm{ kN} \le N_{Rd,c} = 67.2 \textrm{ kN}\) (componentă critică: smulgerea conului de beton pentru grupul de ancore A1 și A2)
• Bloc de beton 91,5 % (\( \sigma = 24.5 \textrm{ MPa} \le f_{jd} = 26.8 \textrm{ MPa}\))
• Rigiditate rotațională secantă \(S_{js} = 6.3 \textrm{ MNm/rad}\)

Referințe

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Proiectarea structurilor de oțel – Partea 1-8: Proiectarea îmbinărilor, CEN, Bruxelles, 2005.

Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Praga, 1995.

Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.