Betonové sloupy a analýza kroucených informací

Tento článek se zabývá detailní analýzou betonových sloupů a jejich kotvení, s využitím moderních softwarových nástrojů pro statické posouzení. Zaměřuje se na příklad z knihy „Column baseplate connections CUR/BmS Report 10“, který tvoří základ pro zpracování v IDEA StatiCa Connection a 3D Detail. Cílem je ověřit různé mechanismy porušení a stanovit potřebné vyztužení k zabránění vytržení betonového kužele a štěpení.

Přípoj zatížený tlakem, ohybem a smykem

Ocelový sloup s průřezem IPE240 je umístěn na úzkém základovém nosníku o rozměrech 450x800 mm². Na sloup působí osová tlaková síla, smyková síla a ohybový moment. V kombinaci s malými vzdálenostmi od okraje to představuje náročný návrh.

Model v IDEA StatiCa Connection

Model je nejprve vymodelován v aplikaci Connection, kde je ocelový průřez včetně patní desky a svarů posouzen na základě výpočtu CBFEM. Kotevní síly a tlakové napětí v betonu jsou poté použity k posouzení kotvení podle příslušných norem EN 1992-4, EN 1992-1-1 a EN 1993-1-8, v závislosti na typu kotvy a příslušném mechanismu porušení.

V aplikaci Connection se výpočty provádějí podle EN 1992-4 za předpokladu nevyztuženého betonu. Pokud určitým mechanismům porušení nelze tímto způsobem zabránit, je nutné zahrnout do návrhu přídavnou výztuž. To lze provést exportem přípoje patní desky sloupu z Connection do aplikace 3D Detail, ve které je vyztužení explicitně zahrnuto do výpočtu.

Detaily přípoje

Patní deska má tloušťku 35 mm s maltovým ložem 25 mm. Kotvy jsou navrženy s kotevními plechy a mají vzdálenost od okraje 70 mm k ose kotvy. Kotevní plechy mají maximální rozměr 80x80 mm², čímž je zajištěno minimální krytí betonu 30 mm mezi kotevním plechem a hranou betonu. Kotvy přenášejí smykovou sílu a délka kotev byla zvolena 350 mm.

Čtěte také: Krok za krokem: Betonové sloupky

Analýza napětí-přetvoření je provedena v IDEA StatiCa Connection. Ohybový moment vytváří tahové síly v levých dvou kotvách. Tyto síly činí přibližně 114,3 kN každá, což vede k celkové tahové síle 228,6 kN. Na druhé straně je zatížení přenášeno do betonu přes patní desku jako tlak. IDEA StatiCa posuzuje tlakové napětí v betonu na základě efektivní plochy a výsledné tlakové síly. Zde je vypočtena pevnost v tlaku fjd = 12,6 MPa.

Normová posouzení sloupu, svarů, patní desky a tlakových napětí v betonu jsou vyhovující. Bližší pohled na výsledky ukazuje, že posouzení oceli na tahové a smykové síly, jakož i vytažení kotev, je vyhovující. Rozhodující posouzení je však určeno betonem, který porušuje podle tří mechanismů: vytržení betonového kužele, výbuch betonu a porušení hrany betonu. Jedná se o tři odlišné způsoby porušení, které nevyhnutelně nastávají při výpočtech s nevyztuženým betonem při této kombinaci kotevních sil a vzdáleností od okraje.

Protože rozměry betonového nosníku a patní desky sloupu nelze měnit, je nutné zahrnout vyztužení do návrhu. To je stanoveno v souladu s EN 1992-4 čl. 7.2.1.2 & 7.2.2.2, aby se zabránilo zmíněným mechanismům porušení.

Export do 3D Detail

Model Connection je exportován do IDEA StatiCa 3D Detail, aby bylo vyztužení explicitně zahrnuto do analýzy a bylo zabráněno porušení betonu. Tímto způsobem jsou pokryta všechna normová posouzení jak kotev, tak betonu.

Prostřednictvím RC-check je přenesen kompletní model včetně sil, betonového bloku, patní desky a kotev. Dalším krokem je návrh vyztužení a správné definování okrajových podmínek. Betonový prvek je převzat z modelu Connection a v případě potřeby jej lze zde dále upravit. Při exportu je automaticky vytvořena plošná podpora. Ta se nachází na spodní straně, ale musí být upravena tak, aby byla podpora přítomna na obou koncích nosníku. Kotvy 4xM24 s podložkami jsou převzaty z modelu Connection. Je třeba ještě nastavit pouze tloušťku kotevních plechů, protože jsou nyní explicitně zahrnuty v modelu. Předpokládá se tloušťka 20 mm, aby mohly být síly správně přeneseny.

Čtěte také: Postupy rekonstrukce trámových stropů

Síly v kotvách a na patní desce jsou automaticky exportovány z IDEA StatiCa Connection. Díky tomu jsou účinky sil přesně aplikovány v modelu 3D Detail bez nutnosti ručního zadávání. Beton v 3D Detail nemá tahovou pevnost, a proto musí být vždy modelováno vyztužení. Toto vyztužení se může lišit, protože jej nelze přímo odvodit z výpočtového příkladu. Při uvažování vytržení betonového kužele vlivem kotev namáhaných tahem by měla být výztuž navržena tak, aby absorbovala plné kotevní síly. V tomto případě je celková tahová síla Ft = 2 × 114,3 kN = 228,6 kN. V příkladu jsou jako výztuž symetricky kolem kotev aplikovány 4 x Ø16 třmínky s roztečí 70 mm.

Kromě tahových sil působí na kotvy také smykové síly, které vedou k porušení hrany betonu. Příklad rovněž uvažuje štěpení betonu, pro které musí být navržena výztuž ve směru štěpící síly. Pro štěpení jsou rozlišeny dvě situace:

• Štěpná trhlina od jedné kotvy k hraně betonu v příčném směru. Tuto lze zachytit podélnou výztuží.
• Štěpná trhlina mezi kotvami.

Pro správný výpočet v 3D Detail je nezbytné dodržovat konstrukční zásady vyztužení a připravit předběžný návrh požadované výztuže. To tvoří základ pro získání spolehlivých výsledků.

Výsledky 3D Detail

Jakmile je model 3D Detail sestaven včetně výztuže, lze provést výpočet CSFM. Posouzení MSÚ jsou zobrazena v levém horním rohu a jsou vyhovující. Napětí v betonu i výztuži jsou v mezích návrhových hodnot a kotvy i výztuž jsou dostatečně ukotveny. Deformace jsou v očekávaných mezích a nevyskytují se žádné nežádoucí deformace ani problémy se stabilitou.

Výsledky pro beton

Při pohledu na rozložení napětí vidíme, že v betonu se kolem kotev a pod patní deskou rozvíjejí tlakové napětí, lokálně dosahující -13,3 MPa. Pomocí řezu lze rozložení napětí v betonovém prvku analyzovat podrobněji. Dalšími cennými výsledky k analýze jsou hlavní napětí a hlavní přetvoření, která se nacházejí na záložce Pomocné.

Čtěte také: Význam betonových zátarasů pro Prahu

Výsledky pro ocel - kotvy & výztuž

Rozložení napětí v kotvách je dle očekávání. Protože kotvy s kotevním plechem nepřenášejí sílu prostřednictvím soudržnosti, dochází podél délky kotvy k téměř konstantní hodnotě napětí. Dále vidíme, že přídavná výztuž dokáže absorbovat tahové síly z kotev. Zajímavé však je, že napětí ve třmíncích 4Ø16 jsou nižší než dříve vypočtených přibližně 284 N/mm². Tento rozdíl lze vysvětlit tím, že v modelu CSFM přispívá k přenosu sil veškerá vymodelovaná výztuž a zatížení je rozděleno mezi více výztužných prutů. Stávající třmínky Ø12 jsou také součástí tohoto silového mechanismu a fungují jako příhrada, která absorbuje část tahových napětí. To ukazuje důležitou vlastnost práce s IDEA StatiCa Detail a vysvětluje, proč se výsledky mohou lišit od zjednodušeného ručního výpočtu.

Část tahových sil z kotev je stále přenášena do prvních třmínků přímou tlakovou vzpěrou. Ačkoli toto chování lze částečně zmírnit, další odstraňování třmínků není účelné, protože by mohlo způsobit vznik jiných mechanismů porušení, např. kroucení nosníku. Tato zjištění ukazují, že chování přípoje není určeno pouze silami nebo kotvami, ale silně závisí také na modelování a okrajových podmínkách. Faktory jako délka nosníku, typ podpor a modelování výztuže jsou všechny důležité pro posouzení, protože ovlivňují silové chování.

Důležitost okrajových podmínek

Přímý přenos sil do podpor

Zvolené modelování do značné míry určuje, jak jsou síly přenášeny betonem a zda výsledná napětí odpovídají skutečné situaci. V příkladu jsme již viděli, že síly z kotev ne vždy sledují to, co jsme předpokládali v ručním výpočtu. Podobné chování nastává, když je nosník modelován příliš krátký a podepřen na obou koncích. V takovém případě tahové síly z kotev nacházejí přímou cestu k podpoře, přičemž přídavná výztuž je téměř nevyužita. Aby byl zajištěn realistický průběh sil, je proto nutné zahrnout do modelu dostatečnou délku.

Nesprávná volba uspořádání podpor

Další situací, která může nastat, je, že model je nastaven jako základový nosník zcela spočívající na zemině, pouze s podporou na spodní straně. V tomto případě způsobí přítomná smyková síla a ohybový moment překlopení betonového prvku.

Příklady a doporučení pro návrh patek

Pro předběžný návrh je možno uvažovat s tím, že při použití betonu C20/25 a lepšího, patka zabetonovaná do hloubky H= 3bc je schopna přenést plnou výpočtovou plastickou momentovou únosnost ocelového sloupu z H-profilu z oceli S235 Mpl,Rd,S235. Rovněž lze počítat s tím, že sloup vyhoví v patce ve smyku, bude-li společně s momentem Mpl,Rd,S235 patku zatěžovat posouvající síla VSd taková, aby platilo VSd≤ Vpl,Rd/4. Betonový blok základu je třeba posoudit samostatně na smyk i na namáhání od zeminy. V případě kalichové patky se na podrcení posuzuje zálivka patky a vyztužený kalich se posuzuje na ohybový moment a na protlačení.

Příklady výpočtu návrhové únosnosti patek k tuhé ose sloupu jsou uvedeny v tabulce spočtené podle navrženého výpočetního modelu pro některé obvyklé rozměry sloupů a patek. Je použit patní plech velikosti sloupu bez přesahu o takové tloušťce, aby byla únosnost v protlačení přibližně rovna únosnosti v podrcení. Patka je bez smykové výztuže.

Tabulka únosnosti patek

Kde je:

• Npl,Rd Únosnost ve svislém směru
• VRd Únosnost v soudržnosti
• FRd Únosnost v protlačení
• Fber,Rd Únosnost ovlivněná hloubkou podbetonováním sloupu a v podrcení s patním plechem
• Fber,0,Rd Únosnost ovlivněná hloubkou podbetonováním sloupu a v podrcení bez patního plechu

Železobetonové sloupy a požární odolnost

Cílem je navrhnout a posoudit výztuž železobetonového sloupu na účinky požáru. Sloup má obdélníkový průřez o rozměrech 400x300 mm a výšce 3000 mm. Sloup je namáhán normálovou tlakovou silou, ohybovým momentem a posouvající silou v obou směrech. Použit má být beton třídy C35/45 a ocel třídy B550B. Sloup je umístěn uvnitř kancelářské budovy a je uvažován vetknutý v patě sloupu. Pro prvek typu sloup je doporučeno použít typ výpočtu "Zónová metoda".

Zadání průřezu, materiálu a vyztužení

Nejprve je nutné zadat základní geometrické a materiálové charakteristiky řezu v části "Průřez, Materiál, Vyztužení". "Typ prvku" určuje, jakou má prvek v konstrukci funkci: nosník, sloup, deska, stěna. V tomto případě je nutné vybrat typ "Sloup". Tato volba ovlivňuje způsob posouzení a kontrolu konstrukčního uspořádání výztuže.

Dále kliknutím na tlačítko "Průřez" zvolíme požadovaný tvar průřezu a zadáme jeho rozměry. Následuje zadání použitých materiálů. S ohledem na umístění sloupu uvnitř objektu zvolíme kategorii "Prostředí" jako "XC1", neboť sloup není nijak ohrožen vnějším prostředím. Následuje zadání samotných materiálů pro beton, podélnou a smykovou výztuž.

V části "Minimální třída betonu" se ověří, že vybraná třída betonu splňuje požadavky na minimální pevnost s ohledem na vybranou kategorii vlivu prostředí. Ve spodní části dialogového okna lze zadat vlastnosti materiálu, důležité pro výpočet požární odolnosti.

Zatěžovací případy

Pro zadání zatěžovacího případu se využije tlačítko "Přidat" pod tabulkou v části "Zatěžovací případy". V dialogovém okně "Nový zatěžovací případ" se nejprve zvolí "Typ kombinace". Tato volba určuje, dle jakého kombinačního předpisu byly získány vnitřní síly a pro jaký posudek má být zatížení použito. Pro náš případ se zvolí "základní návrhová (MSÚ), jelikož výsledné vnitřní síly na sloupu pochází ze základní kombinace pro trvalé a dočasné návrhové situace.

V okně se zadají vnitřní síly na řezu 3m dle tabulky: sílu N= -685kN (tlaková síla, proto se zadává se záporným znaménkem), ohybové momenty My= 140kNm, Mz= 135kNm a posouvající síly Vz= -80kN a Vy= -70kN (negativní hodnota znamená, že účinkují ve stejném směru jako ohybové momenty). Následně je potřeba zadat "Redukční součinitel". Jako zjednodušení lze uvažovat pro ηfi hodnotu 0,7. Zároveň je potřeba zadat "Koeficient trvání zatížení", který zohledňuje podíl kvazistálého zatížení na celkové hodnotě zatížení při výpočtu součinitele dotvarování. Pokud tento údaj není přesně znám, je možné nechat součinitel rovný 1,00.

Podélná výztuž

Dialogové okno pro zadání podélné výztuže se spustí tlačítkem "Vyztužení" v části "Průřez, Materiál, Vyztužení". Způsob stanovení krytí výztuže se ponechá na výchozí variantě "Minimální krytí a třmínky". V dialogovém okně "Editace vyztužení" se zadá potřebná výztuž z profilů o průměru 22mm, aby pozice odpovídala té uvedené na obrázku. Zadání se provede pomocí čtyř samostatných řad. V obou seznamech "Horní výztuž zadaného průřezu" a "Dolní výztuž zadaného průřezu" se zaškrtnou políčka u prvních řádků a tím se zadá horní a dolní řada výztuže. Profil se změní na 22mm. Způsob určení polohy se ponechá na variantě "Min. kr.". Následně v části "Horní výztuž zadaného průřezu" se použije i druhá a třetí řada výztuže, kde se však zadá poloha dvou vložek o průměru 22mm způsobem "Pozice".

Po zadání výztuže se ověří, že množství podélné výztuže je dostačující a návrh vyhovuje (využití průřezu ohybem 63,3%). Zároveň se v části "Informace o vyztužení" ověří, že jsou splněny konstrukční zásady dané normou.

Smyková výztuž

Dalším krokem je zadání příčné výztuže. Zadání se provádí v samostatném okně, které se spustí tlačítkem "Smyková výztuž". V tomto okně se zaškrtnutím políčka "Obvodové třmínky" zpřístupní políčka pro zadání vlastností třmínků. Po zadání smykové výztuže se ověří, že množství smykové výztuže je dostačující a návrh vyhovuje (využití průřezu ve smyku 49,3%).

Imperfekce, vzpěr

Následuje zadání imperfekce a parametrů vzpěru. Nejprve se zaškrtne nastavení "Připočíst imperfekci l/400", které do posouzení zahrne imperfekci v souladu s článkem 5.2(9) normy EN 1992-1-1. Jako délku l, která je použita pro stanovení velikosti imperfekce, se zadá délka sloupu 3m. Dále je nutné zaškrtnout obě nastavení "Počítat vzpěr Y/Z", aby byl ve výpočtu zohledněn vzpěr v obou hlavních směrech. Základní délky pro výpočet vzpěrných délek jsou převzaty z délky prvku pro stanovení imperfekce.

České technické normy pro betonové konstrukce

Platnost ČSN 73 1201 Navrhování betonových konstrukcí skončila k 1. 4. 2010. Dnešní norma se od ní v řadě principů liší, ale řadu zásad mají společných. Některá osvědčená doporučení a zásady, které platné normě neodporují, lze uplatnit.

Relevantní normy

• ČSN 73 0210-1 Geometrická přesnost ve výstavbě. Část 1: Přesnost osazení Datum schválení: prosinec 1992, datum účinnosti od 1. 1. 1993. Norma se týká přesnosti osazení stavebních dílců a dílců bednění.
• ČSN 73 0210-2 Geometrická přesnost ve výstavbě. Část 2: Přesnost monolitických betonových konstrukcí Datum schválení: září 1993, datum účinnosti od 1. 10. 1993. Norma se týká geometrických parametrů konstrukcí a bednění.
• ČSN 73 1201 Navrhování betonových konstrukcí Datum schválení: leden 1988, ukončení platnosti 1. 4. 2010.
• Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby Datum schválení: 1. 11. 2006, datum účinnosti od 1. 12. 2006. Norma se týká navrhování betonových konstrukcí z hutného betonu i z hutného betonu s pórovitým kamenivem. Odvolává se v oblasti zatížení na ČSN EN 1991 (730035) Eurokód 1: Zatížení konstrukcí.
• Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-2: Obecná pravidla - Navrhování konstrukcí na účinky požáru.

Konstrukční systémy monolitických skeletů

Z konstrukčního hlediska si můžeme tyto konstrukce rozdělit na skeletové konstrukce rámové nebo také průvlakové, s rámy příčnými, podélnými, v obou směrech, skeletové systémy bezprůvlakové hlavicové, deskové, konstrukce se skrytými průvlaky nebo hlavicemi.

• Sloupy - sloupy čtvercové, mnohoúhelníkové nebo kruhové průřezy. S rostoucí výškou je u štíhlých sloupů nutno počítat s deformacemi. Sloupy čtvercového průřezu mají dobrou únosnost, ale lze použít průřezy obdélníkové delší stranou ve směru většího ohybového momentu. Podíl výztuže při použití tuhé výztuže činí 10 % až 30 %.
• Nosníky a průvlaky - nosníky a průvlaky podporují stropní konstrukci. Tyto konstrukce jsou schopny vzdorovat svislým zatížením.
• Deskové konstrukce - podporované příčlemi po celém obvodě je staticky velmi výhodná. Deskové konstrukce odolávají svislým i vodorovným zatížením.

Kritéria spolehlivosti stavebních konstrukcí jsou schopnost konstrukce splnit požadavky na stavební konstrukci (např. akustická) a spolehlivě plnit předpokládané funkce po celou dobu životnosti objektu. Mezi takové funkce patří například účinky sedání, dynamické, akustické nebo tepelnětechnické. Konstrukce musí být schopna s dostatečnou spolehlivostí eliminovat nebezpečí poruch. V návrhu je třeba uvažovat s objemovými změnami způsobenými teplotními účinky, změnami vlhkosti, dotvarováním a smršťováním. Dilatační spáry musí umožňovat volné roztažení konstrukčních částí v příslušném směru. Rozteč dilatačních spár vychází ze zatěžovací teploty.

Betonové ploty z Kolína

Jsme ryze český výrobce z Kolína. Naše produkty dosahují nejvyšších kvalit. Specializujeme se na výrobu plotů a realizace projektů oplocení. Žádný projekt pro nás není moc malý, žádná výzva moc velká. Působíme po celé ČR.

Poskládat betonový plot z desek a sloupků, je pro Vás ideální řešení, pokud hledáte kvalitní, cenově dostupné a dlouhodobé řešení. Manipulace s betonovými částmi plotu je jednoduchá. Stačí zahloubit betonové sloupky, do kterých se zasouvají betonové desky.

Jsme výrobci betonových plotů nejvyšších kvalit. Naší hlavní výhodou je, že se specializujeme na výrobu. V případě potřeby jsme schopni rozšířit sortiment desek dle dohody se zákazníkem. Dbáme na kvalitu a profesionalitu. Naší obrovskou výhodou oproti konkurenci je velký skladovací prostor. Máme k dispozici i větší množství sloupků a desek ihned k odběru. Umíme vyrábět rychle, ale přesto dbáme na vysokou kvalitu našich výrobků.

Typy betonových sloupků

• Oboustranně štípaný průběžný betonový sloupek šedé barvy slouží k zasunutí betonových desek (z obou stran) pro betonový plot.
• Oboustranně štípaný koncový betonový sloupek slouží k zasunutí betonových desek (z jedné strany) pro betonový plot.
• Oboustranně štípaný průběžný betonový sloupek přírodní barvy slouží k zasunutí betonových desek (z obou stran) pro betonový plot.
• Oboustranně štípaný koncový betonový sloupek slouží k zasunutí betonových desek (z jedné strany) pro betonový plot.

tags: #betonove #sloupy #kroucene #informace

Oblíbené příspěvky:

• Bzučení a vrzání z palubní desky Škoda Fabia 1: Kompletní řešení
• Vše pro stavbu i zahradu – stavebniny Jiroušek
• inovativní zateplení fasády s Baumit open Reflect
• Klidné bydlení ve Frýdku-Místku
• Průvodce čištěním okapů