Kolomvoet – Kokerprofielkolom (EN)

Beschrijving

De component-gebaseerde eindige elementen methode (CBFEM) voor de kolomvoet van een kokerprofielkolom geverifieerd aan de hand van de componentenmethode (CM) wordt hieronder beschreven. Een gedrukte kolom wordt ontworpen als minimaal een klasse 3 doorsnede. De gevoeligheidsstudie is opgesteld voor de afmeting van de kolom, de afmeting van de voetplaat, de betonkwaliteit en de afmeting van het betonblok. Vier componenten zijn geactiveerd: de kolomflens en het lijf onder druk, het beton onder druk inclusief grout, de ankerbout onder trek en lassen. Deze studie is voornamelijk gericht op twee componenten: beton onder druk inclusief grout en ankerbout onder trek.

Fig. 8.4.1 Significante punten van het multilineair interactiediagram van een vierkant kokerprofiel

Verificatie van de weerstand

In het volgende voorbeeld is de kolom van vierkant kokerprofiel SHS 150×16 verbonden met het betonblok met vlakafmetingen a' = 750 mm, b' = 750 mm en hoogte h = 800 mm van betonkwaliteit C20/25 door middel van de voetplaat a = 350 mm, b = 350 mm, t = 20 mm van staalsoort S420. Ankerbouten zijn ontworpen als 4 × M20, A_s = 245 mm² met een kopdiameter a = 60 mm van staalsoort 8.8 met een uitsprong aan de bovenzijde van 50 mm en links −20 mm en met een inbeddiepte van 300 mm. De grout heeft een dikte van 30 mm.

De resultaten van de analytische oplossing worden gepresenteerd als een interactiediagram met kenmerkende punten. Een gedetailleerde beschrijving van de punten −1, 0, 1, 2 en 3 is weergegeven in Fig. 8.4.1; zie (Wald, 1995) en (Wald et al. 2008), waarbij punt −1 een zuivere trekkracht vertegenwoordigt, punt 0 een zuiver buigend moment, punten 1 tot 3 gecombineerde druk kracht en buigend moment, en punt 4 een zuivere druk kracht.

Fig.8.4.2 De kolomvoet voor kolom SHS 150×16 en geselecteerde mesh van de voetplaat

In CBFEM treden wrikkrachten op bij belasting onder zuivere trekbelasting; terwijl in CM geen wrikkrachten worden ontwikkeld door de weerstand te beperken tot uitsluitend bezwijkmodus 1-2; zie (Wald et al. 2008). Door de wrikkrachten bedraagt het verschil in weerstand ongeveer 10 %. Het numerieke model van de kolomvoet is weergegeven in Fig. 8.4.2. Resultaten van CBFEM worden gepresenteerd door de drukspanningsverdeling op beton voor punten 0 en 3, weergegeven in Fig. 8.4.3 en Fig. 8.4.4, en vergeleken op het interactiediagram in Fig. 8.4.5.

Fig. 8.4.3 CBFEM-resultaten voor punt 0, d.w.z. zuiver buigend moment

Fig. 8.4.4 CBFEM-resultaten voor punt 3, d.w.z. druk kracht en buigend moment

Fig. 8.4.5 Vergelijking van resultaten van de weerstandsvoorspelling door CBFEM en CM op het interactiediagram voor de kolomvoet van kolomdoorsnede SHS 150×16

Gevoeligheidsstudie

De gevoeligheidsstudie is opgesteld voor de kolomdoorsnede-afmeting, de afmetingen van de voetplaat, de betonkwaliteit en de afmetingen van het betonblok. De geselecteerde kolommen zijn SHS 150×16, SHS 160×12,5 en SHS 200×16. De voetplaat is ontworpen met vlakafmetingen 100 mm, 150 mm en 200 mm groter dan de kolomdoorsnede. De voetplaatdikte is 10 mm, 20 mm en 30 mm. Het funderingsblok is van betonkwaliteit C20/25, C25/30, C30/37 en C35/45 met een hoogte van 800 mm voor alle gevallen en met vlakafmetingen 100 mm, 200 mm, 300 mm en 500 mm groter dan de afmetingen van de voetplaat. Één parameter werd gewijzigd terwijl de overige constant werden gehouden. De parameters zijn samengevat in Tab. 8.4.1. De hoeklassen met dikte a = 12 mm werden geselecteerd. De verbindingscoëfficiënt voor grout van voldoende kwaliteit wordt aangenomen als β_j = 0,67. Staalplaten zijn van S420 met ankerbouten M20 kwaliteit 8.8 met inbeddiepte 300 mm in alle gevallen.

Tabel 8.4.1 Geselecteerde parameters

Voor de gevoeligheidsstudie van de kolomdoorsnede werden betonkwaliteit C20/25, voetplaatdikte 20 mm, voetplaat uitsprong 100 mm en betonblok uitsprong 200 mm gebruikt voor de variërende parameters van de kolomdoorsnede. De vergelijking van CBFEM met het analytische model door CM is weergegeven in de interactiediagrammen in Fig. 8.4.6.

Fig. 8.4.6 Vergelijking van resultaten van CBFEM met CM voor de verschillende kolomdoorsneden

Voor de gevoeligheidsstudie van de voetplaat uitsprong werden kolomdoorsnede SHS 200×16, betonkwaliteit C25/30, voetplaatdikte 20 mm en betonblok uitsprong 200 mm geselecteerd. De vergelijking van interactiediagrammen is weergegeven in Fig. 8.4.7. Het meest significante verschil betreft de weerstand bij zuivere trek van een grote voetplaat waarbij aanzienlijke wrikkrachten aanwezig waren in CBFEM-analyses, die worden beperkt door het analytische ontwerp.

Fig. 8.4.7 Vergelijking van resultaten van CBFEM met CM voor de verschillende voetplaat uitsprongen

Voor de gevoeligheidsstudie van de voetplaatdikte werden kolomdoorsnede SHS 200×16, betonkwaliteit C25/30, voetplaat uitsprong 100 mm en betonblok uitsprong 200 mm geselecteerd. Voetplaatdikten van 10 mm, 20 mm en 30 mm werden gebruikt in deze studie. De vergelijking van interactiediagrammen is weergegeven in Fig. 8.4.8. Het grootste verschil betreft de weerstand bij zuivere trek van een dunne voetplaat waarbij aanzienlijke wrikkrachten aanwezig waren in CBFEM-analyses, die worden beperkt in het analytische ontwerp door CM.

Fig. 8.4.8 Vergelijking van resultaten van CBFEM met CM voor de verschillende voetplaatdikten

Voor de gevoeligheidsstudie van de betonkwaliteit werden kolomdoorsnede SHS 150×16, voetplaatdikte 20 mm, voetplaat uitsprong 100 mm en betonblok uitsprong 200 mm geselecteerd. Betonkwaliteiten C20/25, C30/37 en C35/45 werden gebruikt in deze studie. De vergelijking van interactiediagrammen is weergegeven in Fig. 8.4.9.

Fig. 8.4.9 Vergelijking van resultaten van CBFEM met CM voor de verschillende betonkwaliteiten

Voor de gevoeligheidsstudie van de betonblok uitsprong werden kolomdoorsnede SHS 160×12,5, voetplaatdikte 20 mm, voetplaat uitsprong 100 mm en betonkwaliteit C25/30 geselecteerd. Betonblok uitsprongen van 100 mm, 300 mm en 500 mm werden gebruikt in deze studie. De vergelijking van interactiediagrammen is weergegeven in Fig. 8.4.10.

Fig. 8.4.10 Vergelijking van resultaten van CBFEM met CM voor de verschillende betonblok uitsprongen

De verschillen in de weerstandsvoorspelling van de kolomvoet door CBFEM en CM zijn voornamelijk gelegen in het accepteren van wrikkrachten in CBFEM en het vermijden daarvan door CM conform EN 1993-1-8:2005.

Tab. 8.4.2 Vergelijking van interactiediagram van CBFEM en CM

Benchmarkgeval

Invoer

Kolomdoorsnede

• SHS 150×16
• Staal S420

Voetplaat

• Dikte 20 mm
• Uitsprongen aan bovenzijde 100 mm, links 100 mm
• Lassen – stompe lassen
• Staal S420

Ankers

• M20 8.8.
• Verankeringslengte 300 mm
• Ankertype: ankerplaat - cirkelvormig; afmeting 40 mm
• Uitsprongen bovenste lagen 50 mm, linker lagen −20 mm
• Afschuivingsvlak in schroefdraad

Funderingsblok

• Beton C20/25
• Uitsprong 200 mm
• Diepte 800 mm
• Dwarskrachtoverdracht door wrijving
• Groutdikte 30 mm

Belasting

• Normaalkracht N = −762 kN
• Buigend moment M_y = 56 kNm

Uitvoer

• Platen
• Ankerbouten 97,8 % (\(N_{Ed,g} = 65.7 \textrm{ kN} \le N_{Rd,c} = 67.2 \textrm{ kN}\) (maatgevende component betonkegel uitbreking voor groep ankers A1 en A2)
• Betonblok 91,5 % (\( \sigma = 24.5 \textrm{ MPa} \le f_{jd} = 26.8 \textrm{ MPa}\))
• Secante rotatieveer \(S_{js} = 6.3 \textrm{ MNm/rad}\)

Referenties

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Ontwerp van staalconstructies – Deel 1-8: Ontwerp van verbindingen, CEN, Brussel, 2005.

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

Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Componentenmethode voor stalen kolomvoeten, Heron, 53, 2008, 3-20.