Coloană cu placă de bază: Coloană cu secțiune tubulară

8.4 Coloană cu secțiune tubulară

8.4.1 Descriere

Metoda elementelor finite bazată pe componente (CBFEM) pentru placa de bază a coloanei cu secțiune tubulară, verificată prin metoda componentelor (CM), este descrisă mai jos. O coloană comprimată este proiectată ca secțiune transversală de cel puțin clasa 3. Studiul de sensibilitate este pregătit pentru dimensiunea coloanei, dimensiunile plăcii de bază, clasa betonului și dimensiunile blocului de beton. Patru componente sunt activate: talpa și inima coloanei la compresiune, betonul la compresiune inclusiv grout-ul, bulonul de ancorare la întindere și sudurile. Acest studiu este axat în principal pe două componente: betonul la compresiune inclusiv grout-ul și bulonul de ancorare la întindere.

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

8.4.2 Verificarea rezistenței

În exemplul următor, coloana din secțiune tubulară pătrată SHS 150×16 este conectată la un bloc de beton cu dimensiunile în plan \( a' = 750 \, \texttt{mm} \), \( b' = 750 \, \texttt{mm} \), și înălțimea \( h = 800 \, \texttt{mm} \) din beton de clasă C20/25, prin intermediul plăcii de bază cu dimensiunile \( a = 350 \, \texttt{mm} \), \( b = 350 \, \texttt{mm} \), \( t = 20 \, \texttt{mm} \) din oțel S420. Buloanele de ancorare sunt proiectate 4 × M20, A_s = 245 mm² cu diametrul capului a = 60 mm din oțel 8.8, cu decalaje la partea superioară de 50 mm și la stânga de -20 mm. Grout-ul are grosimea 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.

În CBFEM, efectul de pârghie apare în cazul încărcării la întindere pură; în timp ce în CM, nu se dezvoltă efectul de pârghie, limitând rezistența 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 plăcii de bază a coloanei 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.8.4.2 Placa de bază a coloanei pentru coloana SHS 150x16 și plasa selectată a plăcii de bază

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

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

Fig. 8.4.5 Compararea rezultatelor predicției rezistenței prin CBFEM și CM pe diagrama de interacțiune pentru placa de bază a coloanei cu secțiunea transversală SHS 150×16

8.4.3 Studiu de sensibilitate

Studiul de sensibilitate este pregătit pentru dimensiunea secțiunii transversale a coloanei, dimensiunile plăcii de bază, clasa betonului și dimensiunile blocului de beton. Coloanele selectate 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 coloanei. 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 în 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. Au fost selectate suduri de colț cu grosimea a = 12 mm. Coeficientul de îmbinare pentru grout de calitate suficientă este luat ca β_j = 0,67. Plăcile de oțel sunt din S420 cu buloane de ancorare 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 coloanei, au fost utilizate 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 pentru varierea parametrilor secțiunii coloanei. 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 coloanei

Pentru studiul de sensibilitate al decalajului plăcii de bază, au fost selectate secțiunea transversală a coloanei 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 efecte 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 coloanei 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 efecte 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 coloanei 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 coloanei 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 plăcii de bază a coloanei prin CBFEM și CM sunt în principal legate de 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

8.4.4 Caz de referință

Date de intrare

Secțiunea transversală a coloanei

• 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
• Decalaje rânduri superioare 50 mm, rânduri stânga −20 mm
• Planul de forfecare în filet

Bloc de fundație

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

Încărcări

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

Rezultate

• Plăci \(\epsilon = 0,6 \, \% \)
• Buloane de ancorare 97,8 %; \(N_{Ed,g} = 65,7 \, \texttt{kN} \le N_{Rd,c} = 67,2 \, \texttt{kN} \) (componenta critică: conul de beton la smulgere pentru grupul de ancore A1 și A2)
• Bloc de beton 91,5 % ( \( \sigma = 24,5 \, \texttt{MPa} \le f_{jd} = 26,8 \, \texttt{MPa} \) )
• Rigiditate rotațională secantă \( S_{js} = 6,3 \, \texttt{MNm/rad} \)