Posouzení základové desky podle AISC v programu RFEM 6

Modelování připojení základové desky

1) Na kartě "Základní údaje" přiřaďte nový ocelový přípoj k příslušnému uzlu. Zkontrolujte položku "Konfiguraci mezního stavu únosnosti", abyste se ujistili, že výchozí nastavení je správné, a podle potřeby proveďte úpravy (obrázek 01).

1 Vytvoření nového ocelového přípoje

2) Na záložce "Komponenta" vyberte výběr "Vložit komponentu na začátek" a vyberte položku "Patní deska" (obrázek 02).

2 Vložení komponenty základové desky

3) V části "Nastavení komponenty" zadejte materiály, rozměry a rozmístění patní desky, betonového bloku, malty, kotev a svarů (obrázek 03).

3 Úprava nastavení komponent

Malta je modelována pomocí tuhých spojů v dílčím modelu, který upravuje geometrii styčníku a následně ovlivňuje vnitřní síly (obrázek 04).

4 Malta v dílčím modelu

K dispozici je také možnost zohlednit tvorbu trhlin v betonu. Standardně ACI předpokládá existenci trhlin. Pokud lze prokázat, že beton nepraská, zrušením zaškrtnutí této možnosti se zvýší pevnost kotev v tahu, v tahu při vytržení a v smyku.

Možnost "Výztuž pro kontrolu rozdělení" v souladu s ACI oddílem 17.3.5 lze aktivovat, pokud je k dispozici doplňková výztuž pro kontrolu rozštěpení způsobeného instalačními silami a/nebo následným utahovacím momentem. Pokud je tato možnost deaktivována, program zobrazí následující poznámku:
""Výztuž pro kontrolu rozštěpení není k dispozici. Zkontrolujte minimální rozestupy, vzdálenosti od okrajů a minimální tloušťku betonu.""
K dispozici je také přenos smyku přes kotvy, smykové zarážky a tření. Další informace jsou uvedeny v následujícím článku.

• AISC návrh spojení patky ve stavu tahu a smyku v programu RFEM 6

K dispozici jsou čtyři typy kotev: 1 dodatečně instalovaná a 3 zabetonované (šestihranná hlava, L-šroub s hákem a J-šroub s hákem). Pro tento příklad je vybrána zabetonovaná kotva se šestihrannou hlavou.
K dispozici je také možnost přidat podložku. Požadovanými parametry jsou tvar (kruhový nebo čtvercový), průměr a tloušťka podložky. Tyto parametry se používají k výpočtu čisté nosné plochy kotvy pro výpočet odolnosti proti vytržení a odolnosti proti odprýsknutí boční plochy.

Posudky návrhu podle AISC 360 a ACI 318

Síly v kotevních tyčích jsou založeny na analýze konečných prvků (FEA), která zohledňuje tuhost spojovacích prvků (kotevní tyče, základové desky, betonové bloky atd.). K páčení může dojít, když pružnost patní desky způsobí deformaci, která zvyšuje tah v kotevních tyčích. Tyto páčící síly jsou také zohledněny ve výpočtu FEA.

Pro zabetonované kotevní tyče jsou k dispozici následující posudky návrhu:

• Únosnost patní desky proti zatížení v otvorech pro šrouby, ϕ_bR_nb
• Odolnost kotvy proti tahu kotvy, ϕ_atN_sa
• Odolnost betonu proti vytažení, ϕ_cbtN_cbg
• Odolnost kotvy proti tahu, ϕ_pnN_pn
• Odolnost betonu proti odprýsknutí boční plochy, ϕ_cbtN_sbg
• Odolnost kotvy proti smyku oceli, ϕ_avV_sa
• Odolnost betonu proti smyku při vylomení, ϕ_cbvV_cbg
• Odolnost betonu proti vypáčení smykem, ϕ_cpvV_cpg

K dispozici jsou také další konstrukční kontroly, včetně odolnosti betonu proti tlaku, odolnosti svarů a plastické deformace patní desky sloupu a prvků.

Příklad

Příklad 4.7-11 z AISC Design Guide 1 je uveden pro ověření výsledků z modelu RFEM. V tomto příkladu je navrženo spoj patní desky sloupu pro sloup W12x96, který je vystaven tlaku a momentu. Sloup je připevněn k betonovému základu se specifikovanou pevností v tlaku ƒ'_c = 4 000 psi. Patní deska sloupu má tloušťku 2,0 palce s předpokládanou tloušťkou injektážní malty 1,0 palce. Efektivní délka zakotvení h_ef je rovna 18,0 palců. Zatížení a materiálové charakteristiky jsou zobrazeny na obrázku 05.

V příkladu nejsou uvedeny skutečné rozměry betonu a předpokládá se, že je k dispozici dostatečná plocha pro vytvoření kuželů pro přetržení tahů vzhledem k vzdálenosti od okraje. Aby byl tento předpoklad splněn, jsou použity rozměry betonového bloku rovnající se 1,5h_ef + rozteč tyčí +1,5h_ef (66,0 palců x 72,5 palců).
Kompletní vstupní údaje pro ocelový spoj jsou uvedeny výše na obrázku 03.

5 Příklad AISC DG1

Výsledky

Po spuštění výpočtu ocelového spoje se výsledek pro každou komponentu zobrazí na záložce Využití podle komponenty. Dále vyberte kotvu 1,1, abyste zobrazili podrobnosti posudku (obrázek 06).

6 Využití podle součástí

Podrobnosti kontroly návrhu obsahují všechny vzorce a odkazy na normy AISC 360 a ACI 318 (obrázek 07). Pro objasnění je také uvedena poznámka o vyloučených kontrolách návrhu.
Dále vyberte 'Výsledky v ocelovém přípoji' (Výsledky v ocelovém spoji), abyste graficky zobrazili vnitřní síly kotev (obrázek 08).

7 Detaily posouzení ukotvení

8 Výsledky v ocelových přípoji

Výsledky z AISC a ocelových přípoje jsou shrnuty níže, včetně důvodů nesrovnalostí.

Kotvy

9 Porovnání posouzení pro kotvy

Beton (únosnost v otlačení)

Napětí v otlačení 2,21 ksi je převzato z příkladu 4.7-10 za předpokladu A₁ = A₂, což poskytuje nejnižší možnou pevnost. Plocha patní desky se vypočítá jako 22 palců × 24 palců = 528 palců², což dává únosnost betonu v tlaku, ϕP_p =2,2 ksi × 528 palců² = 1166,9 kips, za předpokladu, že celá plocha patní desky odolává tlaku.

V addonu Ocelové přípoje se předpokládá, že A₂ ≫ A₁ splňuje odolnost proti tahu při porušení. Účinná oblast tlaku patní desky, A_eff, může být stanovena pomocí analýzy pomocí MKP nebo podle příručky AISC Design Guide 1, příloha B.3, kde A_eff se prodlouží vzdálenost c = 1,5*tloušťka patní desky mimo stěny a pásnice. Uvedená hodnota ϕP_p =1242,3 kips je založena na A_eff vypočítaném podle Design Guide 1. Alternativně, při použití analýzy pomocí MKP, A_eff závisí na prahové hodnotě kontaktního napětí specifikované v konfiguraci pevnosti; snížení této prahové hodnoty (až na 1 %) zvyšuje efektivní oblast tlaku.

10 Detaily posouzení betonového bloku

Patní deska

Návrh tloušťky patní desky se řídí buď opotřebením, nebo tahovým rozhraním. Podle výpočtů AISC je požadovaná tloušťka na základě opotřebení 1,92 palce (zaokrouhlená na 2,0 palce), což určuje návrh, zatímco tloušťka z tahu se vypočítá jako 0,755 palce.

V addonu Ocelové přípoje se návrh desky provádí pomocí plastické analýzy porovnáním skutečné plastické deformace s přípustnou mezí 5 % stanovenou v konfiguraci pevnosti. Patní deska o tloušťce 2,0 palce má maximální ekvivalentní plastickou deformaci 0,09 %, což naznačuje, že může být dostatečná tenčí deska. Snížení tloušťky desky však může zvýšit tahové síly v kotvách.

Ve většině případů vede addon Ocelové přípoje k výrazně tenčí patní desce, protože zohledňuje její pružnost, na rozdíl od použití v AISC Design Guide 1, kapitola 4.3.1, které předpokládá tuhou patní desku.

AISC Design Guide 1 Příloha B.3 [3] vysvětluje, jak zohlednění pružnosti patní desky může výrazně snížit požadovanou tloušťku. Mez kluzu desky odpovídá ohýbání patní desky směrem nahoru v předpokládaných místech mezí kluzu pod tlakem působícím směrem nahoru. Tento tlak se zase předpokládá jako konstantní, což implicitně naznačuje, že patní deska je tuhá.
U větších patních desek s velkou plochou však může tento předpoklad vést k nadměrně velkým momentům v mezích kluzu, což má za následek příliš silné patní desky.
Jedná se o konzervativní předpoklad, protože velká patní deska je také pružná, takže napětí v otlačení se soustřeďuje pod pásnicemi sloupu a ke stojině sloupu. Ve skutečnosti tento typ průběhu napětí vede k výrazně nižším momentům v patní desce, což snižuje požadovanou tloušťku.

Závěr

Addon Ocelové přípoje v programu RFEM 6 nabízí pokročilé použití k návrhu patní desky, které zohledňuje pružnost patní desky a možné páčící účinky. Ve srovnání s tradičními metodami popsanými v AISC Design Guide 1 vede tento přístup často k optimalizovaným návrhům s tenčími patními deskami.
Porovnáním výsledků s příkladem AISC addon prokazuje svou schopnost poskytovat přesná a ekonomická řešení pro spoje patních desek.