Wprowadzenie
W niniejszym artykule przedstawiamy studium testu jednostkowego mające na celu weryfikację 3D-CSFM zachowania kotwy wyrywanej z betonu poprzez bezpośrednie porównanie z wynikami eksperymentalnymi[1]. Przedmiotem naszego badania jest ocena zdolności predykcyjnych modeli numerycznych w zakresie odwzorowania kluczowych aspektów zachowania kotwy, w tym form zniszczenia oraz nośności granicznej. Nasze badanie obejmuje szeroki zakres średnic kotew, od 10 mm do 32 mm, odzwierciedlając zmienność spotykaną w praktycznych zastosowaniach inżynierskich. Pozwala to na wykrycie ewentualnych tendencji zależnych od średnicy oraz ocenę odporności metody 3D-CSFM w różnych skalach. Warto zaznaczyć, że wszystkie symulacje przeprowadzono w ramach 3D-CSFM, metody zaimplementowanej w IDEA StatiCa Detail, z wykorzystaniem domyślnych ustawień wszystkich parametrów.
Definicja form zniszczenia
Aby ocenić skuteczność 3D-CSFM w modelowaniu kotew wklejanych montowanych po betonowaniu, musimy uwzględnić dwie formy zniszczenia: wyrwanie (pull-out), gdzie naprężenie przyczepności (τb) jest równe obliczeniowemu naprężeniu przyczepności (τbd), oraz uplastycznienie samej kotwy, co oznacza osiągnięcie granicznego odkształcenia plastycznego.

Konfiguracja testu jednostkowego
W niniejszym badaniu kotwy Hilti HIT-RE500 - SD Injectable Mortar with Reinforcement (500B) zostały zamodelowane w IDEA StatiCa Detail, a wyniki porównano z danymi eksperymentalnymi[1].
Wymiary bloków betonowych oraz ich zbrojenie zostały starannie dobrane, aby zminimalizować ich potencjalny wpływ na zachowanie przy wyrywaniu, zapewniając tym samym ważność wyników eksperymentalnych[1]. Jeden rozmiar bloku betonowego zastosowano dla wszystkich testów jednostkowych kotew (1,0x1,0x0,5 m; szerokość x głębokość x wysokość). Blok jest zbrojony prętami ze stali B 500B o średnicy 8-14 mm. 8 warstw prętów wokół każdej powierzchni (z wyjątkiem powierzchni dolnej, gdzie zbrojenie jest modelowane jako ciągłe przez podporę dolną) z rozstawem warstw 135,0 mm. Wszystkie współczynniki bezpieczeństwa przewidziane przez odpowiednie normy budowlane zostały rygorystycznie zachowane, przyjmując wartość 1,0 we wszystkich obliczeniach. Wielkość otworu na kotwę w porównaniu ze średnicą samej kotwy nie została jawnie uwzględniona w modelu obliczeniowym.


Wytrzymałość przyczepności kotwy, kluczowy parametr w projektowaniu kotwienia, została określona na 15,4 MPa zgodnie z warunkami eksperymentu[1] oraz 12,0 MPa dla drugiego modelu weryfikacyjnego. Podobnie, zgodnie z eksperymentem, konsekwentnie określono długość zakotwienia kotwy w bloku betonowym. W modelu uwzględniono dodatkową długość 50 mm kotwy powyżej bloku betonowego, do której przyłożono osiową siłę rozciągającą. W tym teście porównano z wynikami eksperymentalnymi kotwy o średnicy 10 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm, 25 mm, 32 mm. Konfiguracje eksperymentalne podsumowano w Tabeli 2.2.

Wykorzystując model bryłowy 3D-CSFM Solid Block, analiza obejmuje kompleksowe badanie różnych aspektów, w tym charakterystyk wyrywania kotwy, określenie krytycznych progów obciążenia oraz szczegółową predykcję form zniszczenia.
Właściwości materiałowe
Właściwości materiałowe betonu, zbrojenia oraz kotwy zastosowane w analizie CSFM zostały podsumowane w Tabeli 2.2. Naprężenie uplastyczniające () oraz naprężenie graniczne () zbrojenia, a także wytrzymałość na ściskanie (), odkształcenie plastyczne () oraz graniczne odkształcenie plastyczne () betonu zostały dobrane na podstawie warunków podanych w uwagach do eksperymentu. Wytrzymałość przyczepności jest również określona przez producenta w dostarczonym prospekcie.


Porównanie z wynikami eksperymentalnymi
Ta sekcja porównuje wyniki eksperymentalne od producenta z nośnościami granicznymi oraz formami zniszczenia przewidzianymi przez 3D-CSFM. Sześć przypadków granicznego obciążenia przy wyrywaniu, odpowiadających różnym średnicom kotew, zostało zestawionych z wynikami z 3D-CSFM. Dodatkowo dla każdej średnicy kotwy określono konkretną formę zniszczenia.
Formy zniszczenia i nośności graniczne
Tabela 2.4 przedstawia kompleksowe podsumowanie nośności granicznych zarejestrowanych w testach eksperymentalnych (Pu,exp) oraz przewidzianych przez 3D-CSFM (Pu,3D-CSFM), wraz z odpowiadającymi im formami zniszczenia. Współczynniki przekraczające jeden wskazują, że predykcje modelu są konserwatywnie wyższe niż zmierzone wartości. Jak wynika z Tabeli 2.4, podstawowe formy zniszczenia przewidziane przez wszystkie analizy 3D-CSFM są zgodne z wynikami eksperymentalnymi, choć dla większych średnic zauważono pewne rozbieżności w konkretnych podtypach zniszczenia. Predykcje 3D-CSFM są ogólnie dokładne, z lekko konserwatywnymi tendencjami wskazywanymi przez współczynniki powyżej 100% dla większych średnic.

Dodatkowo obliczono wartości () oraz () i dodano je do tabeli.
Gdzie () to pole przekroju kotwy, () to obwód kotwy, a () to długość kotwy w betonie.
Na podstawie przedstawionych powyżej wartości można stwierdzić, że eksperyment ma na celu udowodnienie, że solver jest w stanie poprawnie obliczyć złożone formy zniszczenia Pull-out oraz YA.
Dodatkowo te same modele z wytrzymałością przyczepności () zostały obliczone i porównane z analitycznie wyznaczonymi wartościami ().

Rysunek 1.4 potwierdza wyniki wskazane w Tabeli 2.4, pokazując, że osiągana jest pełna nośność naprężenia przyczepności, jak również graniczne odkształcenie, co w konsekwencji prowadzi do zidentyfikowania formy zniszczenia jako Pull-out i YA.




Podsumowanie
Porównanie danych eksperymentalnych[1] z wersją beta 3D-CSFM wskazuje na zadowalającą korelację. Kluczowe wnioski z tej wstępnej oceny obejmują:
- Silna korelacja została ustalona dla wszystkich kotew, widoczna w formach zniszczenia obserwowanych w modelach oraz wartościach nośności granicznych.
- Choć 3D-CSFM znajduje się wciąż w fazie beta, jego zgodność z wynikami eksperymentalnymi podkreśla jego potencjalną użyteczność. Ta zgodność stanowi pewną walidację skuteczności narzędzia, choć powinna być interpretowana z ostrożnością, biorąc pod uwagę etap jego rozwoju.
Bibliografia
[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injectable Mortar with Rebar (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Dostępne na: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf
