Je patní deska dostatečně tuhá?

Proč jsou kotvení tak důležitá?

Kotvení hrají klíčovou roli v integritě a bezpečnosti konstrukčních i nekonstrukčních prvků. Proto byly vyvinuty specializované normy, jako je EN1992-4. Řeší problematiku přípojů oceli na beton a poskytují spolehlivou návrhovou metodu zajišťující bezpečný přenos zatížení mezi ocelovými a betonovými prvky. EN1992-4 pokrývá různé typy spojovacích prvků (předem zabetonované kotvy s hlavou, dodatečně instalované mechanické a lepené spojovací prvky) a také různé kategorie zatížení.

Návrh kotvení pro použití v betonu

Návrh kotvení v betonu podle EN1992-4 pro statické/kvazi-statické zatížení zahrnuje několik normových posouzení:

Obr. 1  Normová posouzení spojovacích prvků namáhaných tahem

Obr. 2 Normová posouzení spojovacích prvků namáhaných smykem

Obr. 3 Normová posouzení zohledňující interakci tahového a smykového zatížení

Návrhový proces, jak je popsán v normě (Obr.  1 – Obr.  3), vyžaduje podrobný přístup, aby byla splněna všechna příslušná normová posouzení. Každý typ spojovacího prvku vyžaduje specifická hlediska. Například mechanické kotvy se opírají o mechanické zaklesnutí, zatímco lepené kotvy závisí na adhezních vlastnostech pojivového materiálu. Návrhový proces musí tyto rozdíly zohledňovat, aby bylo zajištěno spolehlivé spojení.

Podívejme se blíže na jedno z těchto normových posouzení. Jako příklad vezmeme charakteristickou únosnost spojovacího prvku nebo skupiny spojovacích prvků v případě porušení betonovým kuželem (Obr.  4), který ukazuje, jak sofistikovaný je návrhový model:

Obr.  4 Charakteristická únosnost spojovacího prvku nebo skupiny spojovacích prvků v případě porušení betonovým kuželem

Rovnice obsahuje čtyři faktory zohledňující účinky jako odlupování povrchu betonu, narušení rozložení napětí, přítomnost přídavné výztuže a další. To ukazuje, že na výslednou únosnost, tj. rozhodující způsob porušení pro danou kombinaci zatížení, mají vliv nejen vlastnosti stavebních materiálů (ocel, beton), ale také další faktory, jako je geometrie betonového bloku, rastr kotev, hloubka zakotvení, přídavná výztuž atd. To dokládá, že návrh přípojů oceli na beton může být při ručním výpočtu poměrně zdlouhavý a složitý, protože zahrnuje řadu výpočtů a iterací pro optimalizaci návrhu.

IDEA StatiCa Connection umožňuje uživateli navrhovat přípoje oceli na beton pomocí dodatečně instalovaných mechanických spojovacích prvků nebo předem zabetonovaných kotev s podložkami. V závislosti na typu kotvy je třeba provést řadu normových posouzení. Většina normových posouzení uvedených na Obr.  1 – Obr.  3 je v IDEA StatiCa Connection vypočítána na základě vstupních údajů uživatele a parametrů uvedených v normě. Některá posouzení nejsou k dispozici, protože vyžadují faktory specifické pro daný výrobek, které jsou stanoveny na základě zkoušek provedených podle standardizovaného postupu a vyhodnocených v souladu s příslušnými harmonizovanými technickými specifikacemi. Tyto faktory lze nalézt v technických schváleních, jako je Evropské technické posouzení (ETA). Kromě faktorů potřebných pro výpočet návrhové únosnosti jsou ve schválení uvedeny další důležité charakteristiky, jako je minimální vzdálenost od okraje c_min, minimální osová vzdálenost kotev s_min, minimální výška betonového bloku h_min, součinitele spolehlivosti a další. Informace o normových posouzeních, která nejsou k dispozici, jsou popsány na záložce výsledků, jak je znázorněno na Obr.  5.

Obr.  5 Seznam normových posouzení vyžadujících charakteristiky specifické pro daný výrobek

Tuhost ocelové patní desky

Kromě seznamu požadovaných normových posouzení norma stanovuje další pravidla, která musí být dodržena. Mezi ně patří pravidla pro stanovení sil působících na spojovací prvky. Pokud na kotevní plech působí ohybový moment a/nebo tahová síla, podobně jako v ocelových přípojích, mohou vznikat páčící síly. Tyto síly musí být při návrhu patní desky zohledněny, protože vedou ke zvýšení tahových sil v kotvách. Tento požadavek je popsán v článku 6.1 (4) a znázorněn na Obr. 6.1 b normy EN1992-4:

Obr.  6 Článek 6.1 (4) normy EN1992-4

Obr.  7 Zvětšení tahových sil působících na spojovací prvek vlivem páčících sil C_pr

Norma poskytuje návod, jak vypočítat návrhové tahové síly působící na spojovací prvek za předpokladu, že kotevní plech je dostatečně tuhý, což znamená, že předpoklad lineárního rozdělení přetvoření je platný (jako v teorii nosníků). Pokud však nejsou splněny požadavky stanovené v článku 6.2.1, je zohledněno elastické deformační chování ocelové patní desky. Tento účinek je v IDEA StatiCa Connection zohledněn, protože výpočet metodou CBFEM umožňuje zachytit ohybové chování patní desky, včetně tuhosti připojeného profilu, svarů a základové patky (modelované pomocí Winklerova modelu podloží). V následující části se blíže podíváme na vliv tloušťky plechu na výsledné tahové síly v kotvách, ekvivalentní napětí ve sloupu a tlakové napětí v betonovém bloku.

Příklady v IDEA StatiCa

Podívejme se na několik příkladů, které jsem sestavil v IDEA StatiCa

Rozmístění kotev (dva řady se třemi kotvami), hloubka zakotvení, rozměry betonového bloku a také vlastnosti materiálů zůstávají pro oba zkoumané případy stejné. Upravována bude tloušťka patní desky (10, 20 a 30 mm) a aplikované účinky zatížení – pro případ č. 1 je to tahová síla N = 100 kN a pro případ č. 2 tlaková síla N = -100 kN. Tyto předpoklady nám umožní snadno ověřit vliv parametrů na výsledky, tj. osové síly ve spojovacích prvcích, ekvivalentní napětí ve sloupu a tlakové napětí v betonu. Model je znázorněn na Obr. 8 níže.

Obr.  8 Model v IDEA StatiCa Connection

Začněme případem č. 1, zde jsou výsledky pro zkoumané příklady:

Obr.  9 Případ č. 1, tloušťka patní desky = 10 mm, ekvivalentní napětí

Obr.  10 Případ č. 1, tloušťka patní desky = 10 mm, tahové síly v kotvách

Obr.  11 Případ č. 1, tloušťka patní desky = 20 mm, ekvivalentní napětí

Obr.  12 Případ č. 1, tloušťka patní desky = 20 mm, tahové síly v kotvách

Obr.  13 Případ č. 1, tloušťka patní desky = 30 mm, ekvivalentní napětí

Obr.  14 Případ č. 1, tloušťka patní desky = 30 mm, tahové síly v kotvách

Tab. 1 Přehled výsledků pro případ č. 1 (N = 100 kN)

Jak se očekávalo, se zvyšující se tloušťkou plechu páčící síly klesají; při t_fix = 30 mm nejsou žádné páčící síly přítomny a zatížení je rovnoměrně rozděleno mezi všechny kotvy ve skupině. Při porovnání sil v nejvíce namáhaných kotvách ve skupině je rozdíl 67 % mezi elastickou patní deskou (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) a tuhé patní deskou (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). Zohlednění ohybového chování ocelové patní desky ovlivňuje také rozdělení napětí v připojených pleších i ve svarech spojujících prvky. To ukazuje, jak důležité je ověření tuhosti patní desky v procesu návrhu.

Výsledky pro případ č. 2 ukazují vliv tloušťky plechu na rozdělení tlakového napětí v betonu:

Případ č. 2, tloušťka patní desky = 10 mm, ekvivalentní napětí, napětí v betonu

Obr.  16 Případ č. 2, tloušťka patní desky = 20 mm, ekvivalentní napětí, napětí v betonu

Obr.  17 Případ č. 2, tloušťka patní desky = 30 mm, ekvivalentní napětí, napětí v betonu

Tab. 2 Přehled výsledků pro případ č. 2 (N = -100 kN)

Je patrné, že se zvyšující se tloušťkou je napětí rozděleno rovnoměrněji, což snižuje maximální tlakové napětí v betonu.

Shrnutí

S IDEA StatiCa Connection může uživatel přesně modelovat ohybové chování ocelové patní desky a ověřit jeho vliv na modelovaný přípoj. Software využívá metodu CBFEM k simulaci deformace patní desky při daných účincích zatížení. To umožňuje inženýrům vizualizovat rozdělení sil a identifikovat potenciální problémy spojené s elastickým chováním ocelové patní desky, nebo potvrdit správnost předpokladu lineárního rozdělení přetvoření stanoveného v EN1992-4. Jedná se o klíčovou součást procesu návrhu přípojů oceli na beton, protože i relativně tlusté patní desky nemusí splňovat požadavky na tuhou patní desku a opomenutí tohoto ověření může vést k podhodnocení tahových sil v kotvách, jak je ukázáno ve výše uvedených příkladech.

…ještě jedna věc

V nejnovější verzi našeho softwaru, verzi 24.0, byla implementována beta verze přímého propojení mezi IDEA StatiCa Connection a Detail. To umožňuje ověření železobetonových základů (MSÚ) pomocí 3D Detail (na základě metody CSFM). V našem centru podpory naleznete podrobný návod krok za krokem, jak přenášet data mezi oběma programy a jak spustit výpočet v naší aplikaci Detail.

Obr. 18 BIM propojení mezi IDEA StatiCa Connection a Detail (beta verze)

Další zdroje

Více o tomto tématu si můžete přečíst zde:

Normové posouzení kotev (EN)

Import kotvení z Connection do Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Konstrukční návrh 3D diskontinuit v betonu | IDEA StatiCa

Pokud si chcete přečíst více o nejnovější verzi, prohlédněte si poznámky k vydání se všemi podrobnostmi. 

Zhlédněte záznam webináře

Tento úspěšný webinář s více než 1 500 registrovanými účastníky poskytuje hlubší pohled na dané téma. Přečtením tohoto příspěvku na blogu získáte přístup k záznamu webináře a možnost prozkoumat pokročilé techniky a postupy.
Nenechte si ujít tuto příležitost a podívejte se!