Projektowanie płyty podstawy według AISC w programie RFEM 6

Modelowanie połączenia blachy podstawy

1) W zakładce Główne przypisz nowe stalowe złącze do odpowiedniego węzła. Przejrzyj ‘Konfigurację wytrzymałości’, aby potwierdzić, że ustawienia domyślne są odpowiednie, dokonując wszelkich niezbędnych dostosowań (Obraz 01).

1 Tworzenie Nowego Połączenia Stalowego

2) W zakładce Komponenty wybierz ‘Wstaw komponent na początku’ i wybierz ‘Blacha podstawy’ (Obraz 02).

2 Wstawianie komponentu blachy podstawy

3) W ustawieniach komponentu określ materiały, wymiary i rozmieszczenie dla blachy podstawy, bloku betonowego, zaprawy, kotew i spawów (Obraz 03).

3 Dostosowanie ustawienia komponentu

Zaprawa jest modelowana przy użyciu sztywnych połączeń w podmodelu, co modyfikuje geometrię złącza i w konsekwencji wpływa na siły wewnętrzne (Obraz 04).

4 Zaprawa w submodelu

Opcja uwzględnienia pękniętego betonu jest również dostępna. Domyślnie ACI zakłada, że pęknięcia istnieją. Jeśli można wykazać, że beton nie pęka, odznaczenie tej opcji zapewnia wyższe wytrzymałości na rozciąganie, wyciąganie i rozrywanie dla kotew.

Opcja ‘Zbrojenie kontrolujące pękanie’ zgodnie z sekcją 17.3.5 ACI może być aktywowana, gdy zbrojenie uzupełniające jest dostarczone do kontrolowania uszkodzeń spowodowanych przez siły instalacyjne i/lub późniejszy skręcanie. Gdy ta opcja jest dezaktywowana, program wyświetla następującą notatkę: “Nie zapewniono zbrojenia kontrolującego pękanie. Sprawdź minimalne odstępy, odległości od krawędzi i minimalną grubość betonu.”

Przenoszenie sił ścinających przez kotwy, wypusty ścinające i tarcie jest również dostępne. Dodatkowe informacje znajdują się w poniższym artykule.

• Projektowanie połączeń podstawy słupa według AISC z uwzględnieniem rozciągania i ścinania w programie RFEM 6

Dostępne są cztery typy kotew: 1 kotwa osadzona po zamontowaniu i 3 kotwy wbudowane (z łbem sześciokątnym, hakowa L-śruba i hakowa J-śruba). W tym przykładzie wybrano kotwę osadzoną z łbem sześciokątnym. Opcja dodania podkładki jest również dostępna. Kształt (okrągły lub kwadratowy), średnica i grubość podkładki to wymagane parametry. Parametry te są używane do obliczania netto powierzchni nośnej kotwy, aby wyznaczyć odporność na wyciąganie i rozrywanie boczne.

Kontrole projektowe według AISC 360 i ACI 318

Siły w prętach kotwiących są oparte na analizie metodą elementów skończonych (MES), która uwzględnia sztywności elementów łączących (prętów kotwiących, blachy podstawy, bloku betonowego itp.). Działanie podciśnieniowe może wystąpić, gdy elastyczność blachy podstawy powoduje deformację zwiększającą napięcie w prętach kotwiących. Te siły podciśnieniowe są również uwzględniane w obliczeniach MES.

Poniższe kontrole projektowe dla wbudowanych prętów kotwiących są dostarczone:

• Odporność na ściskanie blachy podstawy w otworach na śruby, ϕ_bR_nb
• Odporność na rozciąganie stali kotwy, ϕ_atN_sa
• Odporność na wyrwanie rozciągające betonu, ϕ_cbtN_cbg
• Odporność na wyciąganie kotwy, ϕ_pnN_pn
• Odporność betonu na rozrywanie boczne, ϕ_cbtN_sbg
• Odporność na ścinanie stali kotwy, ϕ_avV_sa
• Odporność na wyrwanie ścinające betonu, ϕ_cbvV_cbg
• Odporność na wyrwanie ścinające betonu, ϕ_cpvV_cpg

Inne kontrole projektowe, w tym odporność na ściskanie betonu, odporność na spawanie i odkształcenie plastyczne blach podstawy i elementów montażowych, są również dostarczone.

Przykład

W przykładzie 4.7-11 Przewodnika projektowego AISC 1 przedstawiono weryfikację wyników z modelu RFEM. W tym przykładzie zaprojektowano połączenie blachy podstawy dla kolumny W12x96 podlegającej ściskaniu i momentowi. Kolumna jest przymocowana do fundamentu betonowego o określonej wytrzymałości na ściskanie, ƒ'_c = 4,000 psi. Blacha podstawy ma grubość 2,0 cala z założoną grubością zaprawy 1,0 cala. Efektywna długość osadzenia, h_ef, wynosi 18,0 cala. Obciążenia i właściwości materiałowe pokazano na Obrazie 05.

W przykładzie nie podano rzeczywistych rozmiarów betonu, przyjęto, że istnieje wystarczająca powierzchnia pozwalająca na powstanie stożków wyrwania kotew względem odległości od krawędzi. Aby spełnić to założenie, wymiary bloku betonowego równe 1,5h_ef + odstępy prętów + 1,5h_ef są używane (66,0 cala x 72,5 cala). Kompletny wprowadzony stalowy złącze przedstawiono powyżej na Obrazie 03.

5 Przykład AISC DG1

Wyniki

Po uruchomieniu obliczeń stalowego złącza wynik dla każdego komponentu jest prezentowany w zakładce Wskaźniki projektowe wg komponentu. Następnie wybierz Kotwę 1,1, aby zobaczyć szczegóły kontroli projektu (Obraz 06).

6 Wytężenie według komponentów

Szczegóły kontroli projektu dostarczają wszystkich wzorów i odniesień do norm AISC 360 i ACI 318 (Obraz 07). Dostarczono również uwagę na temat wykluczonych kontroli projektowych dla wyjaśnienia. Następnie wybierz „Wyniki w stalowym złączu”, aby zobaczyć siły wewnętrzne kotew w formie graficznej (Obraz 08).

7 Szczegóły warunku projektowego kotwy

8 Wyniki w połączeniach stalowych

Wyniki z AISC i stalowych złączy podsumowano poniżej, w tym przyczyny rozbieżności.

Kotwy

9 Porównanie warunków technicznych obliczania kotew

Beton (Wytrzymałość na ściskanie)

Nacisk na ściskanie o wartości 2,21 ksi został zaczerpnięty z Przykładu 4.7-10 przy założeniu A₁ = A₂, co zapewnia najniższą możliwą wytrzymałość. Powierzchnia blachy podstawy jest obliczona jako 22 cale × 24 cale = 528 cali², co daje odporność na ściskanie betonu na poziomie ϕP_p =2,2 ksi × 528 cali² = 1166,9 kipów, przy przyjęciu, że cała powierzchnia blachy podstawy jest odporna na ściskanie.

W dodatku stalowego złącza, przyjmuje się, że A₂ ≫ A₁, aby spełnić odporność na wyrwanie. Efektywna powierzchnia ściskania blachy podstawy, A_eff, może być określona przy użyciu albo analizy metodą MES, albo Przewodnika projektowego AISC 1, załącznik B.3, gdzie A_eff rozciąga się o odległość c = 1,5 x grubość blachy podstawy poza środniki i kołnierze. Podana wartość ϕP_p =1242,3 kipów jest oparta na A_eff obliczonym zgodnie z Przewodnikiem projektowym 1. Alternatywnie, przy użyciu analizy MES, A_eff zależy od progu naprężenia kontaktowego określonego w Konfiguracji wytrzymałości; obniżenie tego progu (do nawet 1%) zwiększa efektywną powierzchnię ściskania.

10 Szczegóły kontroli obliczeń bloczków betonowych

Blacha podstawy

Projekt grubości blachy podstawy jest kontrolowany przez interfejs na ściskanie lub rozciąganie. Zgodnie z obliczeniami AISC wymagana grubość bazująca na ściskaniu wynosi 1,92 cala (zaokrąglona do 2.0 cala), co kontroluje projekt, podczas gdy grubość na podstawie rozciągania jest obliczana jako 0,755 cala.

W dodatku stalowego złącza projekt płyty jest wykonywany przy użyciu analizy plastycznej poprzez porównanie rzeczywistego odkształcenia plastycznego z dopuszczalnym limitem 5% określonym w Konfiguracji wytrzymałości. Blacha podstawy o grubości 2.0 cale ma maksymalne równoważne odkształcenie plastyczne na poziomie 0.09%, co wskazuje, że cieńsza płyta może być wystarczająca. Jednakże redukcja grubości blachy może zwiększyć siły rozciągające w kotwach.

W większości przypadków dodatek stalowego złącza skutkuje znacząco cieńszą blachą podstawy, ponieważ uwzględnia on elastyczność blachy podstawy, w przeciwieństwie do podejścia w Rozdziale 4.3.1 Przewodnika projektowego AISC 1, które zakłada sztywną blachę podstawy.

Załącznik B.3 Przewodnika projektowego AISC [3] wyjaśnia, jak uwzględnienie elastyczności blachy podstawy może znacząco zmniejszyć wymaganą grubość. Stan graniczny plastyczności płyty odpowiada wznoszącemu się wyginaniu płyty podstawy w założonych lokalizacjach linii plastyczności pod wpływem ciśnienia podparcia z góry. To ciśnienie jest z kolei przyjmowane jako stałe, co implikuje sztywną blachę podstawy. Jednakże dla większych płyt podstawy o dużej powierzchni, to założenie może prowadzić do nadmiernie dużych momentów w liniach plastyczności, skutkujących nadmiernie grubymi płytami podstawy. To jest konserwatywne założenie, ponieważ duża płyta podstawy jest również elastyczna, powodując koncentrację naprężeń ściskających pod kołnierzami i środnikami kolumny. W rzeczywistości, tego typu rozkład naprężeń powoduje znacząco mniejsze momenty w blasze podstawy, zmniejszając wymaganą grubość.

Wnioski

Dodatek stalowego złącza w RFEM 6 oferuje zaawansowane podejście do projektowania blachy podstawy, uwzględniając elastyczność blachy podstawy i działanie podciśnieniowe, które mogą wystąpić. W porównaniu z tradycyjnymi metodami opisanymi w Przewodniku projektowym AISC 1, takie podejście często prowadzi do zoptymalizowanych projektów z cieńszymi blachami podstawy. Porównując wyniki z przykładem AISC, dodatek demonstracyjnie dowodzi swojej zdolności do dostarczania precyzyjnych i ekonomicznych rozwiązań dla połączeń blach podstawy.