Návrh kotvení sloupů z uzavřených průřezů patní deskou

Článek popisuje přesnost analytického návrhového modelu pro kotvení patní deskou sloupů z uzavřených kruhových nebo obdélníkových průřezů (CHS nebo RHS) podle ČSN EN1993-1-8: 2006.

Model, který je založen na metodě komponent, umožňuje stanovit ohybovou tuhost a únosnost přípoje vystaveného normálové síle, ohybovému momentu a normálové síle. Na kotvení patní deskou lze definovat čtyři komponenty: betonový blok v tlaku a patní deska v ohybu, kotevní šroub v tahu a patní deska v ohybu, kotevní šroub ve smyku a pásnice a stojina sloupu v tlaku. Pro popis komponenty betonový blok v tlaku a patní deska v ohybu rozhoduje porušení betonového bloku podrcením pod deformovatelnou patní deskou. Pro modelování komponenty kotevní šroub v tahu a patní deska v ohybu se používá představy náhradního T-profilu, jehož chování je výrazně ovlivněno obvykle relativně tuhou patní deskou a dlouhými kotevními šrouby. Příspěvek ukazuje kvalitu předpovědi na dvou experimentech z literatury, která je i při využití jednoduché metody podle ČSN EN1993-1-8: 2006 velmi dobrá.

Rozvoj poznání o kotvení sloupů vychází z poruch kotvení v seizmicky aktivních oblastech. Pro mezní stavy byl pružný návrhový model nahrazen plastickým. V porovnání se stovkami testů přípojů nosníků na sloupy, kde jsou k dispozici asi tři tisíce zkoušek, jsou poznatky o kotvení sloupu patní deskou podloženy pouze desítkami publikovaných výsledků zkoušek. Při návrhu pro seismické oblasti rozhoduje ohybová tuhost a její degradace při opakovaném zatížení a detailní řešení pro zabránění porušení nízkocyklovou únavou. Patky sloupů pláště budov jsou obvykle vystaveny tahu a ohybu a kotevní šrouby mohou být namáhány páčením. V Evropě se únosnost kotevních šroubů stanovuje experimenty podle metodiky ETAG nebo návrhem. Současný výzkum kotvení sloupů je zaměřen na návrh kotvení předem zabetonovanou patní deskou a návrhové modely pro štíhlé uzavřené průřezy čtvrté třídy, které se používají pro dříky větrných elektráren.

Metoda komponent
Metoda komponent pro kotvení patní deskou je popsána v ČSN EN1993-1-1: 2006, kde je únosnost popsána v čl. 6.2.8 a 6.2.5(7), tuhost v čl. 6.3.1(4) a klasifikace podle ohybové tuhosti v čl. 5.2.2.5. Komponenta betonový blok v tlaku a patní deska v ohybu v čl. 6.7(2), komponenta kotevní šroub v tahu a patní deska v ohybu v čl. 6.2.6.11(2) a komponenta kotevní šroub ve smyku v čl. 6.2.2(6). Chování komponent se skládá samostatně pro únosnost (obr. 1) a pro tuhost (obr. 2). Při stanovení únosnosti a tuhosti komponenty kotevní šroub v tahu a patní deska v ohybu se využívá model náhradního T-průřezu (viz ČSN EN1993-1-1: 2006 čl. 6.2.4. Pro sloupy z uzavřených průřezů byl výpočet náhradní délky T-průřezu odvozen (např. Horová, viz seznam použité literatury). Náhradní délku lze stanovit jako nejmenší z možných tvarů porušení, jako:

l_eff = min (l_eff, 1; l_eff, 2; l_eff, 3; l_eff, 4; l_eff, 5; l_eff, 6; l_eff, 7)

Obr. 1  Rovnováha sil pro kotvení sloupu patní deskou sloupu z uzavřeného průřezu pro stanovení únosnosti	Obr. 2  Model kotvení sloupu patní deskou sloupu z uzavřeného průřezu pro stanovení ohybové tuhosti

Ověření předpovědi výpočtu – experiment prof. Nakashimy
Studie kolegy Shigetoshi Nakashimy byly zaměřeny převážně na chování při zemětřesení. Studoval počáteční tuhost, únosnost ve smyku, ztrátu tuhosti při opakovaném namáhání ohybem a smykem a únosnost při opakovaném namáhání. Zkoušky ve skutečném měřítku byly zaměřeny na sloupy z uzavřených průřezů (obr. 3). Rozměry vzorků jsou shrnuty v tab. 1. Kotevní šrouby průřezu 55 mm byly instalovány ve vyztuženém betonovém kvádru s krychelnou pevností v tlaku 28,5 N/mm² a s podlitím 30 mm z malty pevnosti 45,2 N/mm². Šrouby byly volně dotaženy bez předepnutí. Mechanické vlastnosti vzorků jsou uvedeny v tab. 2. Zkoušelo se 40 vzorků. Pro ověření tuhosti je vybrán vzorek II-25-09.

Tab. 1  Geometrie vzorků

Tab. 2  Mechanické vlastnosti oceli

Obr. 3  Vzorky patky sloupu čtvercového průřezu se čtyřmi a šesti šrouby

Na obr. 4 je porovnána předpověď chování vzorku II-25-09 kotvení patní deskou s experimentem. Výpočet lze nalézt v diplomové práci Ing. Horové.

Obr. 4  Porovnání předpovědi chování vzorku II-25-09 a experimentu

Při porovnání počáteční tuhosti je vidět, že se výsledky předpovědi a vyhodnocení experimentu liší o asi 4 %, výpočtem 0,23 kNmrad-1 a měřením o 0,24 kNmrad-1. Únosnost je při předpovědi uvažována pro mez kluzu oceli a mez pevnosti spojovacích prostředků a počátek plastifikace a mezní únosnost je proto nižší. Výpočet vychází z nominálních hodnot, protože materiálové hodnoty nebyly publikovány. Lze shrnout, že výpočet dobře a konzervativně popisuje chování, počáteční i sečnou tuhost a únosnost při experimentu.

Experiment Dr. Takamatsua a prof. Tamaiho
Po zemětřesení Hyogokennanbu v Japonsku v roce 1995 byla u řady podlažních budov s ocelobetonovou nosnou konstrukcí porušena kotvení sloupů smykovou silou. Dr. Takao Takamatsu a prof. Hiroyuki Tamai z Hiroshima Institute of Technology uskutečnili experimentální studii s kotvením sloupu. Studie byla zaměřena na účinnost předepnutí kotevních šroubů vystavených opakovanému namáhání při zemětřesení. Vzorky jsou ukázány na obr. 5 a 6. Nominální hodnoty materiálových vlastností jsou shrnuty v tab. 3. Uzavřené průřezy sloupů byly tvarovány za studena. Kotevní šrouby s válcovanými závity odpovídaly požadavkům směrnice Japanese Society of Steel Construction.

Tab. 3  Geometrie a materiálové vlastnosti vzorků

Porovnání předpovědi chování vzorku při čistém ohybu bez zatížení tlakem je ukázáno na obr. 7. Vypočtená počáteční tuhost se liší od změřené asi o 12 %. Vzorek byl navržen, aby se porušila patní deska ohybem při působící síle 104,24 kNm. Ve skutečnosti se ale při síle 125,40 kNm plastizovaly šrouby. Tvar porušení se v návrhovém modelu liší od experimentu. Rozdíl je způsoben obtížnou předpovědí chování z nominálních hodnot zvláště při optimálním návrhu. I když se tvar porušení při návrhu liší od experimentu, lze konstatovat, že předpověď chování metodou komponent je dobrá. Rozsáhlejší posouzení lze nalézt v diplomové práci Ing. Horové.

Obr. 5  Zkušební zařízení	Obr. 6  Patní deska a kotevní šroub zkoušených vzorků

Obr. 7  Porovnání předpovědi chování vzorku při čistém ohybu bez zatížení tlakem

Závěr
Příspěvek shrnuje možnosti návrhu kotvení patní deskou pro sloupy z uzavřených průřezů. Je doloženo, že přesnost návrhu kotvení patní deskou v ČSN EN1993-1-8 je konzervativní a dobrá jak pro počáteční tuhost, tak pro mezní únosnost.

Příspěvek byl vypracován za podpory grantu RFCS INFASO+ Nové možnosti přípojů ocelových a betonových prvků.

Text: prof. Ing. František Wald,
Ing. Kamila Horová
Obrázky: archiv autorů

Autoři působí na Katedře ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze. Prof. Wald je vedoucím katedry, Ing. Horová studentkou doktorandského programu.

Literatura
ČSN EN 1993-1-8: 2006, Navrhování ocelových konstrukcí, Část 1-8, Navrhování styčníků, ČNI, Praha, 2006.
Melchers, R. E.: Column-base response under applied moment, J. Construct. Steel Re-search, 1992, 23,
s. 127–143.
Wald, F.; Sokol, Z.; Steenhouis, M.; Jaspart, J. P. Component Method for Steel Column Bases, Heron, 2008, vol. 53, no. 1/2, p. 3–20, ISSN 0046-7316.
Hsu, H. L.; Lin, H. W. Improving seismic performance of concretefilled tube to base connections, Journal of Constructional Steel Research, 2006, 62, p. 1 333–1 340.
Di Sarno, L.; Pecce, M. R.; Fabbrocino, G.; Inelastic response of composite steel and concrete base column connections, Journal of Constructional Steel Research, 2007, 63, p. 819–832.
Wilkinson, T.; Ranzi, G.; Williams, P.; Edwards, M.;
Bolt prying in hollow section base plate connections, Sixth International Conference on Advances in Steel Structures and Progress in Structural Stability and
Dynamics, Hong Kong 2009, ISBN 978-988-99140-5-9.
Ansley, M. H.; Cooc, R. A.; Tia, M. Use of grout pads for sign and lightening structures, Structural research report No. BB-512, University of Florida, 2000.
ETAG 001, Guideline for European technical approval of metal anchors for use in concrete, part 1–5,
Brussels, 2002.
Maklér, R.; Silva, J. F. Anchorage in Concrete Construction, Ernst and Sohn Verlag, Darmstadt, 2006, ISBN 978-433-01143-0.
Henriques, J.; Ozbolt, A.; Kuhlmann, U. a kol, Behaviour of Steel-to-Concrete Joints – Moment Resisting Joint of a Composite Beam to Reinforced Concrete Wall, Steel Construction, 2011, vol. 4, no. 3, p. 161–165, ISSN 1867-0520.
Horová, K.; Base plates of hollow sections, diplomová práce, ČVUT v Praze, 73 s., Praha, 2010.
Nakashima S., Experimental Behavior of Encased
Steel Square Tubular Column-Base Connections, in Proceedings of the First Word Conference on Construc­tional Steel Design, Elsevier Applied Science, 1992,
s. 240–249.
Takamatsu,T.; Tamai H. Non-slip-type restoring force characteristics of an exposed-type column base, Journal of Constructional Steel Research, 61, 2005, p. 942–961.

Článek byl uveřejněn v Realizace staveb.