Coloană cu placă de bază – Secțiune deschisă solicitată la încovoiere după axa tare

Descriere

Obiectul acestui capitol este verificarea metodei elementelor finite bazate pe componente (CBFEM) pentru placa de bază a unui stâlp metalic cu secțiune deschisă solicitat la compresiune și încovoiere în jurul axei tari, prin metoda componentelor (CM). Studiul este elaborat pentru dimensiunea stâlpului, geometria și grosimea plăcii de bază. În cadrul studiului, sunt examinate cinci componente: talpa și inima stâlpului la compresiune, betonul la compresiune inclusiv stratul de nivelare, placa de bază la încovoiere, ancorele la întindere și sudurile. Toate componentele sunt proiectate conform EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005 și EN 1992‑4.

Verificarea rezistenței

Un exemplu de proiectare prin metoda componentelor este prezentat pentru ancorarea unui stâlp metalic cu secțiunea HEB 240:

Blocul de beton are dimensiunile a' = 1000 mm, b' = 1500 mm,  h = 900 mm și clasa C20/25. Dimensiunile plăcii de bază sunt a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm, iar clasa oțelului este S235. Buloanele de ancorare sunt 4 × M20, A_s = 245 mm², lungime 300 mm, cu diametrul capului a = 60 mm și clasa oțelului 8.8. Grosimea stratului de nivelare este de 30 mm.

Rezultatele soluției analitice pot fi prezentate pe o diagramă de interacțiune cu puncte semnificative distinctive. Punctul −1 reprezintă încărcarea la întindere pură, iar punctul 4 reprezintă rezistența la compresiune. Descrierea detaliată a punctelor 0, 1, 2 și 3 este prezentată în Fig. 8.2.1; a se vedea (Wald, 1995) și (Wald et al. 2008).

Fig. 8.2.1 Puncte semnificative pe diagrama de interacțiune

Distribuția tensiunilor pentru punctele 0 și 3 obținută prin CBFEM este prezentată în Fig. 8.2.2 și 8.2.3. 

Fig. 8.2.2 Tensiuni în beton și forțe în ancore pentru punctul 0 obținute prin CBFEM (scară deformații 10)

Fig. 8.2.3 Tensiuni în beton și forțe în ancore pentru punctul 3 obținute prin CBFEM
(scară deformații 10)

Fig. 8.2.4 Compararea modelelor pe diagrama de interacțiune

Compararea diagramei de interacțiune obținute prin CBFEM cu diagrama de interacțiune calculată conform CM este prezentată în Fig. 8.2.4 și Tab. 8.2.1.

Tab. 8.2.1 Compararea rezultatelor diagramei de interacțiune pentru HEB 240 prin soluție analitică și prin CBFEM

Studiu de sensibilitate

Rezultatele CBFEM au fost comparate cu rezultatele metodei componentelor. Compararea a fost realizată prin rezistența la moment încovoietor pentru nivelul dat al forței normale pentru fiecare dintre punctele diagramei de interacțiune.

În studiul de sensibilitate, au fost modificate dimensiunea stâlpului, dimensiunile plăcii de bază și dimensiunile blocului de beton. Secțiunile transversale ale stâlpului selectate au fost HEB 200, HEB 300 și HEB 400. Lățimea și lungimea plăcii de bază au fost alese cu 100 mm, 150 mm și 200 mm mai mari decât secțiunea stâlpului; grosimea plăcii de bază a fost de 15 mm, 20 mm și 25 mm. Blocul de beton a fost din clasa C25/30. Înălțimea blocului de beton a fost în toate cazurile de 900 mm, iar lățimea și lungimea au fost cu 200 mm mai mari decât dimensiunile plăcii de bază. Buloanele de ancorare au fost M20 clasa 8.8 cu o adâncime de încastrare de 300 mm. Parametrii sunt rezumați în Tab. 8.2.2. Sudurile au fost identice pe întregul perimetru al secțiunii stâlpului, cu grosimea de gât suficientă pentru a nu reprezenta componenta critică. Un singur parametru a fost modificat, în timp ce ceilalți au fost menținuți constanți la valoarea medie.

Tab. 8.2.2 Parametrii selectați

În Fig. 8.2.5 sunt prezentate rezultatele pentru variațiile secțiunii transversale a stâlpului. În Fig. 8.2.6 și Fig. 8.2.7 sunt variate, respectiv, depășirea plăcii de bază și grosimea plăcii de bază.

Fig. 8.2.5 Variația secțiunii stâlpului

Fig. 8.2.6 Variația depășirii plăcii de bază – 100, 200 și 300 mm

Fig. 8.2.7 Variația grosimii plăcii de bază – 15, 20 și 25 mm

Caz de referință

Date de intrare

Secțiunea transversală a stâlpului

• HEB 240
• Oțel S235

Placă de bază

• Grosime 20 mm
• Depășiri sus 100 mm, stânga 45 mm
• Oțel S235

Bulon de ancorare

• M20 8.8
• Lungime de ancoraj 300 mm
• Tip ancoră: Placă tip șaibă - circulară; dimensiune 40 mm
• Depășiri rânduri superioare 50 mm, rânduri stânga −10 mm
• Plan de forfecare în filet
• Suduri ambele 8 mm

Bloc de fundație

• Beton C20/25
• Depășire 335 mm și 530 mm
• Adâncime 900 mm
• Transfer forță tăietoare prin frecare
• Grosime strat de nivelare 30 mm

Încărcare

• Forță axială N = −853 kN
• Moment încovoietor M_y = 100 kNm

Rezultate

• Buloane de ancorare 42,2 % (N_Ed,g = 51,7 kN ≤ N_Rdc = 122,4 kN - rupere con de beton pentru ancorele A1 și A2)
• Bloc de beton 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ f_jd = 26,8 MPa)

Referințe

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.