Patní deska – Přípoj sloupu s otevřeným průřezem ohýbaného kolem silné osy
Popis
Předmětem této kapitoly je ověření metody konečných prvků založené na komponentách (CBFEM) pro patní desku ocelového sloupu s otevřeným průřezem zatíženého tlakem a ohybem kolem silnější osy pomocí komponentové metody (CM). Studie je připravena pro různé velikosti sloupu, geometrii a tloušťku patní desky. Ve studii je zkoumáno pět komponent: pásnice a stojina sloupu v tlaku, beton v tlaku včetně zálivky, patní deska v ohybu, kotvy v tahu a svary. Všechny komponenty jsou navrženy podle EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005 a EN 1992‑4.
Ověření únosnosti
Příklad návrhu komponentovou metodou je uveden na kotvení ocelového průřezu sloupu HEB 240:
Betonový blok má rozměry a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 900 mm a třídu betonu C20/25. Rozměry patní desky jsou a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm a třída oceli S235. Kotevní šrouby jsou 4 × M20, As = 245 mm2, délka 300 mm, s průměrem hlavy a = 60 mm a třídou oceli 8.8. Tloušťka zálivky je 30 mm.
Výsledky analytického řešení mohou být prezentovány na interakčním diagramu s charakteristickými významnými body. Bod −1 představuje zatížení čistým tahem a bod 4 představuje únosnost v tlaku. Podrobný popis bodů 0, 1, 2 a 3 je uveden na Obr. 8.2.1; viz (Wald, 1995) a (Wald et al. 2008).
Obr. 8.2.1 Významné body na interakčním diagramu
Rozdělení napětí pro body 0 a 3 získané metodou CBFEM je zobrazeno na Obr. 8.2.2 a 8.2.3.
Obr. 8.2.2 Napětí v betonu a síly v kotvách pro bod 0 získané metodou CBFEM (měřítko deformací 10)
Obr. 8.2.3 Napětí v betonu a síly v kotvách pro bod 3 získané metodou CBFEM
(měřítko deformací 10)
Obr. 8.2.4 Porovnání modelů na interakčním diagramu
Porovnání interakčního diagramu získaného metodou CBFEM s interakčním diagramem vypočteným podle CM je uvedeno na Obr. 8.2.4 a v Tab. 8.2.1.
Tab. 8.2.1 Porovnání výsledků interakčního diagramu pro HEB 240 analytickým řešením a metodou CBFEM
| Analytické řešení | Výsledky CBFEM | |||
| Normálová síla [kN] | Momentová únosnost [kNm] | Normálová síla [kN] | Momentová únosnost [kNm] | |
| Bod -1 | 169 | 0 | 150 | 0 |
| Bod 0 | 0 | 45 | 0 | 37 |
| Bod 1 | −564 | 103 | −564 | 98 |
| Bod 2 | −708 | 108 | −708 | 111 |
| Bod 3 | −853 | 103 | −853 | 101 |
| Bod 4 | −1700 | 0 | −1683 | 0 |
Parametrická studie
Výsledky metody CBFEM byly porovnány s výsledky komponentové metody. Porovnání bylo provedeno na základě momentové únosnosti pro danou úroveň normálové síly v každém z bodů interakčního diagramu.
V parametrické studii byly měněny velikost sloupu, rozměry patní desky a rozměry betonového základu. Vybrané průřezy sloupů byly HEB 200, HEB 300 a HEB 400. Šířka a délka patní desky byly zvoleny o 100 mm, 150 mm a 200 mm větší než průřez sloupu; tloušťka patní desky byla 15 mm, 20 mm a 25 mm. Betonový základ byl z betonu třídy C25/30. Výška betonového základu byla ve všech případech 900 mm a šířka a délka byly o 200 mm větší než rozměry patní desky. Kotevní šrouby byly M20 třídy 8.8 s hloubkou zakotvení 300 mm. Parametry jsou shrnuty v Tab. 8.2.2. Svary byly stejné po celém obvodu průřezu sloupu s dostatečnou tloušťkou účinného průřezu svaru, aby nebyly rozhodující komponentou. Vždy byl měněn jeden parametr, zatímco ostatní byly udržovány na střední hodnotě.
Tab. 8.2.2 Vybrané parametry
| Průřez sloupu | HEB 200 | HEB 300 | HEB 400 |
| Přesah patní desky | 100 mm | 150 mm | 200 mm |
| Tloušťka patní desky | 15 mm | 20 mm | 25 mm |
Na Obr. 8.2.5 jsou uvedeny výsledky pro změny průřezu sloupu. Na Obr. 8.2.6 a Obr. 8.2.7 jsou postupně měněny přesah patní desky a tloušťka patní desky.
Obr. 8.2.5 Variace průřezu sloupu
Obr. 8.2.6 Variace přesahu patní desky – 100, 200 a 300 mm
Obr. 8.2.7 Variace tloušťky patní desky – 15, 20 a 25 mm
Referenční příklad
Vstupní data
Průřez sloupu
- HEB 240
- Ocel S235
Patní deska
- Tloušťka 20 mm
- Přesahy nahoře 100 mm, vlevo 45 mm
- Ocel S235
Kotevní šroub
- M20 8.8
- Kotevní délka 300 mm
- Typ kotvy: Podložka – kruhová; rozměr 40 mm
- Přesahy horní řady 50 mm, levé řady −10 mm
- Střižná rovina v závitu
- Svary oboustranně 8 mm
Základový blok
- Beton C20/25
- Přesah 335 mm a 530 mm
- Hloubka 900 mm
- Přenos smykové síly třením
- Tloušťka zálivky 30 mm
Zatížení
- Normálová síla N = −853 kN
- Ohybový moment My = 100 kNm
Výsledky
- Kotevní šrouby 42,2 % (NEd,g = 51,7 kN ≤ NRdc = 122,4 kN – vytržení betonového kužele pro kotvy A1 a A2)
- Betonový blok 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ fjd = 26,8 MPa)
Literatura
EN 1992-1-1, Eurocode 2, Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN, Brussels, 2005.
EN 1992-4:2018, Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels, 2018.
EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.
Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Prague, 1995.
Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.