Nowe możliwości projektowania zakotwień wg. metody SOFA

Czy osiągasz granice normy EN 1992-4 i nie możesz znaleźć rozwiązania dla swojej sytuacji projektowej? Skorzystaj z obszernych wyników badań wewnętrznych i zewnętrznych oraz z integracji istniejących podejść projektowych w Hilti PROFIS Engineering

Podstawą projektowania kotew w Europie jest norma EN 1992-4. Istnieje jednak wiele przypadków, w których ścisłe przestrzeganie tej normy nie wystarcza do znalezienia rozwiązań. Z tego powodu Hilti oferuje podejście projektowe oparte na tak zw
anej „Metodzie SOFA” (SOFA oznacza „SOlution for FAsteners”, czyli Rozwiązanie dla Łączników) jako uzupełnienie specyfikacji projektowych normy EN 1992-4. SOFA została opracowana w celu rozszerzenia warunków stosowania obowiązujących przepisów i umożliwienia rzetelnych obliczeń. SOFA opiera się na szeroko zakrojonych wynikach badań wewnętrznych i zewnętrznych oraz na integracji istniejących podejść projektowych, takich jak Biuletyn fib 58. Ponieważ tworzenie przepisów można uznać za proces długotrwały, wdrożenie najnowszych wyników badań oraz ustaleń jest konieczne i znajduje odzwierciedlenie w filozofii SOFA. Metoda Hilti SOFA jest zatem zgodna z aktualnym stanem wiedzy i techniki. Ponadto metoda SOFA obejmuje między innymi podejścia projektowe, których należy przestrzegać, aby wykluczyć zagrożenia, które są znane i uznane za prawidłowe w odpowiednich kręgach specjalistycznych (patrz biuletyny fib). Jednak metoda SOFA nie jest nową, niezależną koncepcją projektową, ale rozszerzeniem zakresu części 4 Eurokodu 2. Oto prosty przykład.

Zarówno w przypadku obciążeń statycznych, jak i dynamicznych (sejsmicznych i zmęczeniowych), norma EN 1992-4 obejmuje tylko ograniczoną liczbę układów kotew, jak pokazano na rysunku 1, z ograniczeniem do maksymalnie prostokątnego układu trzech na trzy, jeśli nie zastąpiono go jedną betonową krawędzią. . Inne kształty (np. okrągły lub swobodny układ kotew w płycie kotwiącej) nie są objęte zakresem normy EN 1992-4.

a)    Zamocowania z otworami bez luzu dla wszystkich odległości od krawędzi i dla wszystkich kierunków obciążeń oraz zamocowania z otworami poszerzonymi według Tablicy 6.1, umieszczane daleko od krawędzi (dla wszystkich kierunków obciążenia, a także zamocowania z otworami poszerzonymi według Tablicy 6.1, umieszczane blisko krawędzi) poddane wyłącznie rozciąganiu.

a)    Zamocowania z otworami poszerzonymi według Tablicy 6.1, umieszczane blisko krawędzi dla wszystkich kierunków obciążeń

Rysunek 1 — Konfiguracje kotew objęte normą EN 1992-4 (Rysunek 1.2 z normy EN 1992-4)

Podejście projektowe biuletynu fib 58

Widzimy już, że projekt punktów mocowania, który mieści się tylko w zakresie normy EN 1992-4, nie może być w praktyce zrealizowany tylko ze względu na rozmieszczenie kotew. Ale Eurokod 2-4 nie obejmuje innych warunków, które omówimy bardziej szczegółowo poniżej.

Mocowania składające się z więcej niż jednej kotwy są często umieszczane w pobliżu krawędzi elementu betonowego, np. prostokątny układ kotew z 4 kotwami na rysunku 2. Ze względu na wpływ krawędzi betonu, głównym trybem zniszczenia pod działaniem siły ścinającej jest zazwyczaj zniszczenie krawędzi betonu poprzez rozwój półstożkowej powierzchni pęknięcia w betonie, pochodzącej z punktu podparcia i promieniście do swobodnej powierzchni. W zależności od kilku parametrów (odległość od krawędzi, odległość od środka łączników, grubość elementu i otwór przelotowy w płycie podstawy) wyłamanie może pochodzić od przedniego lub tylnego łącznika (patrz rysunek 2).

Rysunek 2 — Przedstawienie zniszczenia krawędzi betonu grupy kotew z 4 kotwami umieszczonymi blisko krawędzi betonu

Norma EN 1992-4 zapewnia uproszczone podejście do oceny odporności grup kotwiących na zniszczenie krawędzi betonu (równanie 1). W związku z tym podczas projektowania należy sprawdzić, czy wartość obliczeniowej siły ścinającej V Sd nie przekracza wartości nośności obliczeniowej V Rd (c 1,1 ). Przyjmuje się, że cała siła ścinająca działająca na element mocowany jest przejmowana tylko przez kotwy przednie, co często prowadzi do konserwatywnego obliczenia wytrzymałości krawędzi betonu.

V Ed ≤ V Rd,c1,1 (równanie 1, por. EN1992-4 tabela 7.2)

Innym, bardziej realistycznym podejściem jest założenie, że tylne kotwy również uczestniczą w przenoszeniu siły ścinającej, dodatkowo zwiększając wytrzymałość krawędzi betonu i zmniejszając obciążenia przednich kotew. Podejście to jest zawarte w fib-bulletin 58 (projektowanie zakotwień w betonie) i stanowi podstawę do wdrożenia metody SOFA w PROFIS Engineering. Aby móc zastosować metodę projektowania przewidzianą w wytycznych fib, wszystkie kotwy muszą być aktywowane w tym samym czasie. Wymaga to wypełnienia szczeliny pierścieniowej między kotwą a płytą kotwiącą podczas montażu, co można wykonać między innymi za pomocą zestawu z podkładką wypełniającą Hilti.
Podejście Fib wyjaśniono poniżej (jak pokazano na rysunku 3) dla grupy czterech łączników. Jeśli wszystkie kotwy przejmą siły ścinające, zniszczenie krawędzi betonu może nastąpić w następujący sposób:

·      Przez zniszczenie przedniego rzędu kotew, jeżeli połowa siły ścinającej działającej na element mocujący przekroczy nośność przedniego rzędu kotew (Rysunek 3a)

·      Cała grupa kotew może ulec uszkodzeniu z powodu tylnego rzędu kotew, jeśli całkowita działająca siła ścinająca przekroczy nośność tylnego rzędu kotew (Rysunek 3b)

W celu weryfikacji zniszczenia stali nośność pojedynczej kotwy mnoży się przez liczbę kotew (n=4 w pokazanym przypadku).

Weryfikacja zniszczenia krawędzi betonu zgodnie z biuletynem fib 58 jest zatem następująca:

V Sd ≤ min (2V Rd (c 1,1 ); V Rd (c 1,2 ))                          (równanie 2 , por. fib biuletyn 58)

a) s/c 11,1 duży                          b) s/c 11,1 mały

Podejście podane w równaniu 2 i pokazane na rysunku 3 jest często określane jako „podejście rozkładu siły ścinającej”, ponieważ wszystkie kotwy biorą udział w przenoszeniu przyłożonego obciążenia na podłoże. Podejście to jest realizowane w Hilti PROFIS Engineering metodą SOFA i daje mniej konserwatywne wyniki niż tradycyjne projektowanie wg EN 1992-4.

Rozkład sił poprzecznych

W poprzedniej części wyjaśniono podejście fib do rozkładu sił ścinających na tylnym rzędzie kotew w celu poprawy wytrzymałości na zniszczenie krawędzi betonu w odniesieniu do grupy czterech kotew. SOFA mierzy nie tylko układy prostokątne do 3x3, ale także konfiguracje nieregularne, np. okrągłe lub trójkątne. Poniżej przyjrzymy się bliżej, jak mierzona jest całość.

Prostokątny układ kotew do 3x3

Jak już wyjaśniono, podejście projektowe określone w normie EN 1992-4 zakłada, że podczas oceny odporności na zniszczenie krawędzi betonu siły ścinające są pochłaniane tylko przez przedni rząd kotew, co prowadzi do konserwatywnych wyników. SOFA podąża za podejściem projektowym zawartym w biuletynie fib 58, które pozwala na rozłożenie siły ścinającej na inne rzędy kotew. W Hilti PROFIS Engineering, gdy wybrana jest metoda SOFA, stosowany jest model rozkładu sił ścinających, jak pokazano na rysunku 4, a każdy przypadek jest sprawdzany indywidualnie. Podczas projektowania elementów złącznych w cienkim elemencie podłoża, uszkodzenie krawędzi betonu może wystąpić w tylnym rzędzie, dlatego ważne jest, aby przeprowadzić kontrolę uszkodzeń krawędzi betonu dla każdego rzędu. Na koniec PROFIS Engineering podaje wyniki projektowania z najbardziej niekorzystnym układem w raporcie.

Rysunek 4 - Rozkład siły ścinającej SOFA dla układów kotwiących do 3x3 (por. fib biuletyn 58)


Rysunek 4 - Rozkład siły ścinającej SOFA dla układów kotwiących do 3x3 (por. fib biuletyn 58)

Prostokątny układ kotew poza 3x3

Rozkład sił ścinających jest niedopuszczalny, jeśli w płycie kotwiącej znajdują się więcej niż 3 rzędy kotew. Wynika to z faktu, że nie można założyć, że płyta podstawy jest wystarczająco sztywna, aby siła ścinająca była w pełni przyłożona do przedniego rzędu kotew zgodnie z EC2-4 (Rysunek 5). Z tego powodu przy takiej samej odległości od krawędzi i tych samych parametrach podłoża SOFA zapewnia mniejszą odporność na zniszczenie krawędzi betonu przy układzie 4x2 niż przy układzie 3x2. Wyższe wskaźniki wykorzystania przy większej liczbie rzędów mogą sprawiać wrażenie, że projekt jest nieprawidłowy, ale wynika to z różnych ocen rozkładu sił ścinających.

Rysunek 5 — Rozkład obciążenia ścinającego z układem kotew 4x2

Inne układy kotew (nieregularne, okrągłe, trójkątne)

W przypadku układów prostokątnych łatwo jest określić płaszczyznę rozkładu sił ścinających, ponieważ obciążenia są przykładane do przednich lub tylnych rzędów. Jednak podczas projektowania z dowolnymi konfiguracjami (nieregularne, kołowe, trójkątne itp.) określenie przenoszenia siły ścinającej na krawędzi staje się coraz bardziej złożone. W tych konfiguracjach kotwy, które przyczyniają się do zniszczenia krawędzi betonu, są oceniane za pomocą „podejścia opartego na szerokości pasma”.

Takie podejście, oparte na wewnętrznych i zewnętrznych badaniach, jest przydatne, gdy dwa lub więcej elementów złącznych znajduje się prawie w tym samym rzędzie (np. gdy występują niewielkie różnice w stosunku do odległości między kotwami). W tym przypadku kotwy z niewielkimi odchyleniami względem odległości są rozpatrywane w tym samym stopniu, co kotwa znajdująca się najbliżej krawędzi, tworząc w ten sposób sztuczny rząd kotew. Uwzględniana jest więc nie tylko kotwa znajdujący się najbliżej krawędzi, ale wszystkie kotwy znajdujące się w określonym „zakresie”.

Na poniższym rysunku 6a kolejny kotwa znajduje się w obszarze szerokości pasma zaznaczonym czerwoną ramką i umożliwia tym samym przeniesienie sił ścinających na większy obszar zaznaczony niebieskimi liniami. W drugim scenariuszu z rysunku 6b odstęp między kotwami jest zbyt duży, więc druga kotwa nie mieści się w szerokości pasma i te dwie kotwi nie mogą być traktowane jako jeden rząd łączników. W rezultacie cała siła ścinająca musi być przenoszona przez poszczególne mocowanie blisko krawędzi.

Podsumowanie

W tym artykule podkreśliliśmy szczegóły zalet projektowych metody SOFA, które korzystają z obszernych wyników badań wewnętrznych i zewnętrznych, a także integracji istniejących podejść projektowych z oprogramowaniem do projektowania Hilti PROFIS Engineering. W skrócie:

·      SOFA oferuje podejścia projektowe analogiczne do EN 1992-4 dla układów zakotwień, które wykraczają poza układ 3x3

·      SOFA zapewnia wyższą wytrzymałość na zniszczenie krawędzi betonu poprzez przeniesienie obciążenia poprzecznego na tylne kotwy zgodnie z biuletynem fib 58

·      SOFA zapewnia wyższą wytrzymałość na zniszczenie krawędzi betonu poprzez utworzenie fikcyjnego rzędu kotew przy użyciu „podejścia szerokości pasma” z nieregularnym rozmieszczeniem kotew.

Dowiedz się więcej o oprogramowaniu Profis Engineering > PROFIS Engineering Suite - Hilti Polska
Zaloguj się do darmowego oprogramowania do projektowania > PROFIS Engineering.