Die Stützenfußbemessung nach AISC 360 [1] und ACI 318 [2] kann mit dem Add-On Stahlanschlüsse durchgeführt werden. Der unten stehende Knowledge-Base-Artikel beschreibt den Modellierungsablauf, eine Liste der anwendbaren Nachweise sowie ein Bemessungsbeispiel von einem auf Druck und Moment beanspruchten Fußplattenanschluss.
In diesem Artikel wird die Bemessung eines durch Zug- und Schubbelastung beanspruchten Stützenfußes vorgestellt. Zur Verifizierung der Ergebnisse aus dem RFEM-Modell wird das Beispiel 4.7-7 des AISC Design Guide 1 herangezogen.
Querkraftübertragung
Wie wird bei einem freiliegenden Fußpunktanschluss die Querkraft von der Stütze in den Beton übertragen? Gemäß AISC Design Guide 1 [3] gibt es drei Möglichkeiten, Querkräfte von der Stütze und/oder dem Knotenblech in den Beton zu übertragen:
1) Durch ‚Reibung‘ bei vorhandenem Druck, wie in Beispiel 4.7-8 des DG 1 gezeigt.
- Die Druckkraft erzeugt Reibung zwischen der Fußplatte und der Mörtel-/Betonfläche, die zur Übertragung von Querkräften in den Beton genutzt werden kann. Dieser Druck wird als Spannkraft betrachtet, die eine Querkrafttragfähigkeit in senkrechter Richtung erzeugt. Die Schubtragfähigkeit infolge Reibung kann gemäß AISC DG 1, Gleichung 4-30, berechnet werden.
- In RFEM wird der Betonblock durch eine Flächenlagerung dargestellt, die im Teilmodell eingesehen werden kann. Durch Aktivieren der Option ‚Reibung berücksichtigen‘ wird die Reibung innerhalb der Flächenlagerung aktiviert, sodass ein Teil der Querkraft übertragen werden kann (Bild 1). Die verbleibende Querkraft wird von Ankerstäben oder Schubdübeln aufgenommen. Ein Bemessungsnachweis zur Bemessungsschubfestigkeit gemäß Gleichung 4-30 wird in RFEM nicht durchgeführt.
2) Verwendung von "Schubdübeln", wie in den Beispielen 4.7-4 und 4.7-5 des DG 1 gezeigt.
3) Durch "Schub in den Ankerstäben". Die folgenden Bauweisen stehen zur Verfügung:
- Ankerstäbe allein mit überdimensionalen Löchern (ungleichmäßige Schubverteilung).
- Platten-Unterlegscheiben mit Standardlöchern werden mit der Oberseite der Fußplatte verschweißt, um eine gleichmäßige Schubübertragung zu gewährleisten, wie in Beispiel 4.7-6 des DG 1 gezeigt. Diese Konfiguration ermöglicht eine erhebliche Biegung in den Ankerstäben, die derzeit in RFEM nicht berücksichtigt wird. Zukünftige Updates werden Nachweise für die Biegung der Ankerstäbe enthalten.
- Einstellplatte mit Standardlöchern, die an die Unterseite der Fußplatte angeschweißt wird, um eine gleichmäßige Schubverteilung auf alle Ankerstäbe sicherzustellen. Eine solche Einstellplatte verhindert die Biegung in den Ankerstäben, was die in RFEM angenommene Bedingung ist.
Beispiel
Beispiel 4.7-7 aus dem AISC Design Guide 1 wird zur Validierung der RFEM-Modellergebnisse herangezogen. In diesem Beispiel wird ein Fußplattenanschluss für eine Stütze W21x83 unter Zug- und Schubbeanspruchung bemessen. Die Stütze ist an einem Betonfundament mit einer spezifizierten Druckfestigkeit von ƒ'c = 5,000 psi befestigt. Die tatsächlichen Abmessungen des Betons sind nicht angegeben; es wird davon ausgegangen, dass sich die Fußplatte nicht in der Nähe von Betonkanten befindet. Um dies abzubilden, wird ein großer Betonblock mit den Maßen 175 in × 175 in × 100 in modelliert.
Die Querkraftübertragung im Beispiel erfolgt annahmegemäß über eine verschweißte Einstellplatte (nicht modelliert), welche die Biegung in den Ankerstäben verhindert. Der Verbandstab und der Anschluss sind im Modell enthalten, um das reale Tragverhalten des Knotens besser abzubilden.
Die Fußplatte ist 1,75 in dick, bei einer angenommenen Mörteldicke von 1,0 in. Die effektive Verankerungstiefe hef beträgt 24,0 in. Die Lasten und Materialeigenschaften sind in Bild 3 dargestellt.
Ergebnisse
Nach Durchführung der Berechnung der Stahlanschlüsse werden die Ergebnisse für jede Komponente im Register "Ausnutzungen nach Komponenten" angezeigt. Die relevanten Nachweise werden dort aufgeführt. Wählen Sie anschließend den Anker 1.2 aus, um die Details zum Bemessungsnachweis anzusehen (Bild 4).
Die Details zu Bemessungsnachweisen enthalten alle Formeln und Verweise auf die Normen AISC 360 und ACI 318 (Bild 5). Zur Verdeutlichung ist außerdem ein Hinweis zu den ausgeschlossenen Bemessungsnachweisen aufgeführt.
Die Ergebnisse aus AISC und dem Add-On Stahlanschlüsse sind unten zusammengefasst, einschließlich der Gründe für die Abweichungen.
Anker
Fußplatte
In diesem Beispiel wird die Dicke der Fußplatte durch die Zugkräfte in den Ankerstäben bestimmt. Nach den AISC-Berechnungen ist die vorhandene Biegetragfähigkeit (207 kip-in) deutlich größer als die erforderliche (51,9 kip-in). Dies deutet darauf hin, dass die Dicke der 1,75 inch starken Fußplatte reduziert werden kann.
Im Add-On Stahlanschlüsse erfolgt die Plattenbemessung mittels plastischer Analyse, indem die tatsächliche plastische Dehnung mit dem in der Tragfähigkeitskonfiguration festgelegten zulässigen Grenzwert von 5 % verglichen wird. Die 1,75 inches dicke Fußplatte weist eine äquivalente plastische Verzerrung von 0,00 % auf, was darauf hindeutet, dass eine dünnere Platte verwendet werden kann. Eine Verringerung der Plattendicke kann jedoch zu höheren Zugkräften in den Ankern führen.
Fazit
In dem Add-On Stahlanschlüsse wird davon ausgegangen, dass die Querkraftübertragung durch die Ankerstäbe mittels einer Einstellplatte gleichmäßig verteilt wird. Dadurch entfällt die Biegung in den Ankerstäben. Die Biegung der Ankerstäbe wird derzeit noch nicht berücksichtigt, ist jedoch für eine zukünftige Version geplant.
Dieser Artikel bestätigt, dass die Ergebnisse des Add-Ons Stahlanschlüsse mit denen des Beispiels aus dem "AISC Design Guide 1" übereinstimmen. Dadurch wird die Genauigkeit des RFEM-Modells zur Bemessung von Fußplattenanschlüssen unter Zug- und Schubbeanspruchung validiert.
