Tento článek se zabývá problematikou vylévání ocelových sloupů betonem a otázkou, jak se projevují rozdíly v součinitelích příčné kontrakce obou materiálů. Ačkoliv se úloha pro případ prostého tlaku může zdát banální, prezentované skutečnosti mohou překvapit, zejména s ohledem na nezanedbatelné tahové napětí kolmo na osu betonové výplně.
Charakteristiky a chování betonových výplní
Ocelové sloupy vylité betonem jsou standardním konstrukčním prvkem, a proto je klíčové věnovat patřičnou pozornost spřažení betonu a oceli. Bylo zjištěno, že spřažením oceli a betonu se namáhání trubky zhorší, přičemž tlakové napětí při stejné osové deformaci vzroste. Rovněž beton si výrazným tahem znatelně pohorší. Pokud je pro krátký sloup rozhodující porušení tlakem, je vhodné zabránit jakémukoliv spojení oceli a betonu. Význam spřažení nachází opodstatnění až v případě, že je nutné uvažovat vzpěr.
K napsání tohoto příspěvku vedla otázka, jaké napětí vznikne na vnitřním povrchu ocelové trubky vylité betonem. Trubka v konstrukci funguje jako sloup a pro jednoduchost uvažujeme, že nastane případ prostého tlaku. Je všeobecně známo, že součinitel příčné kontrakce oceli je větší než součinitel příčné kontrakce betonu, a to by se mělo v namáhání trubky vylité betonem nějak projevit.
Deformační analýza a materiálové parametry
Při řešení problému matematické teorie pružnosti se neznámé složky vektoru pole posunutí řeší na základě rovnic rovnováhy, které se odvozují z geometrických a fyzikálních rovnic. Fyzikální rovnice pro izotropní lineárně pružné těleso jsou známy jako zobecnělý Hookeův zákon se dvěma materiálovými parametry: Youngovým modulem pružnosti a součinitelem příčné kontrakce. Pro trubku je vhodné řešit úlohu v cylindrických souřadnicích.
Pro ilustraci namáhání v ocelovém sloupu tlačeném konstantní silou, jehož průřez je mezikruží, se vyvodí konstantní záporná svislá deformace. Pokud je tentýž ocelový sloup vylit betonem, je napjatost v ocelové trubce opět hlavní. Nejnepříznivější hodnoty jsou na styku oceli a betonu, kde mírně absolutní hodnoty klesají. Napjatost v betonu trubku vyplňujícím je konstantní a hlavní, přičemž nabývá stejných kladných hodnot. Radiální posun na vnitřním a vnějším líci bude stejně orientován.
Čtěte také: Betonová podlaha: detaily a postup
Návrhové únosnosti patek ocelových sloupů s betonovou výplní
Pro předběžný návrh lze uvažovat, 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 grafu a tabulkách spočtených 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. V následujícím grafu je zobrazena poměrná nutná hloubka zabetonování H/bc při zatížení omezeném únosností sloupu v ohybu Mpl,Rd a smyku Vpl,Rd.
Tabulka návrhových únosností patek
V tabulce je spočtena únosnost patky ve svislém směru v soudržnosti FRd, protlačení VRd, v podrcení pod patním plechem Fber,Rd, v podrcení bez použití patního plechu Fber,0,Rd při dané velikosti podbetonování d. Patka je bez smykové výztuže. Graf a tabulka jsou zpracovány pro ocel S235, beton C12/15, C20/25, C30/37, C40/50.
| Sloup | Typ průřezu | Kvalita betonu | Zvolená geometrie patky [mm] | Návrhové únosnosti [kN] | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| d | t | a | b | a1 | b1 | H | Npl,Rd | VRd | FRd | Fber,Rd | Fber,0,Rd | |||
| HE100B | C12/15 | C20/25 | 200 | 16 | 100 | 100 | 700 | 700 | 300 | 531 | 699 | 111 | 291 | 411 |
| 825 | 931 | 141 | 198 | 259 | ||||||||||
| 314 | 148 | 201 | 257 | 315 | ||||||||||
| 427 | 105 | 139 | ||||||||||||
| HE200B | C12/15 | C20/25 | 400 | 30 | 200 | 200 | 1400 | 1400 | 600 | 1596 | 860 | 349 | 432 | 502 |
| 483 | 679 | 889 | 1077 | 542 | ||||||||||
| 692 | 902 | 1096 | 1262 | 063 | ||||||||||
| 1441 | 9 | 419 | ||||||||||||
| HE300B | C12/15 | C20/25 | 600 | 40 | 300 | 300 | 2100 | 2100 | 900 | 3045 | 594 | 775 | 959 | 1179 |
| 051 | 272 | 1667 | 2020 | 1058 | ||||||||||
| 1371 | 784 | 2163 | 2403 | 995 | ||||||||||
| 997 | 99 | |||||||||||||
- 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
Experimentální testování odolnosti ocelobetonových sloupů proti výbuchu
Použití ocelobetonových kompozitních konstrukcí v oblasti odolnosti proti výbuchu nabývá v posledních letech na významu, protože beton všech druhů není schopen odolat vyššímu výbuchovému zatížení. Byla navržena experimentální zařízení pro zkoušení ocelobetonových kompozitních sloupů vystavených současnému osovému a výbuchovému zatížení.
Vyvinuté experimentální zařízení ve smyslu uzavřeného ocelového rámu umožnilo testovat prosté ocelové sloupy, kompozitní ocelobetonové sloupy a kompozitní ocelovo-UHPFRC sloupy. Vzorek byl zatížen kontaktní náloží 800 g a zároveň vystaven osovému tlakovému zatížení různé velikosti. Odezva vzorku byla získána pomocí laserové interferometrie (Photonic Doppler Velocimetry - PDV) a vyhodnocena. Tento článek prezentuje výsledky experimentu dokumentující přínos kompozitního působení na odolnost testovaných sloupů proti výbuchu.
Čtěte také: Betonová dlažba na zahradě
Vliv osového zatížení na odolnost proti výbuchu
Velmi důležitou vlastností sloupů budov, mostních pilířů a podobných diskrétních svislých nosných prvků je jejich odolnost proti výbuchu. Selhání takového konstrukčního prvku může mít za následek zřícení celé stavby nebo její části. Sloupy jsou navrženy především tak, aby odolávaly osovému tlakovému zatížení. Náhodné nebo úmyslné zatížení výbuchem nebo nárazem by mělo za následek dodatečné vodorovné boční zatížení, které by se kombinovalo s osovým stálým primárním zatížením. Vliv osového zatížení na odolnost sloupů proti výbuchu nebyl dosud řádně diskutován, ačkoli je tato interakce nevyhnutelná.
Pro experimentální program byl vyvinut jedinečný testovací aparát. Přístroj musí umožnit, aby byl zkoušený sloup současně vystaven osovému tlakovému zatížení a zatížení výbuchem, aby bylo možné simulovat skutečné chování ocelového nebo ocelobetonového kompozitního sloupu v reálné konstrukci. Zkouší se pouze úsek sloupu mezi inflexními body, aby se zmenšila velikost vzorku i zkušebního zařízení. Okrajové podmínky pro vzorek jsou nastaveny jako neposuvné klouby.
Popis experimentálního zařízení
Zkušební zařízení bylo navrženo jako uzavřený vertikální ocelový rám. Rám se skládá ze dvou 2,68 m dlouhých ocelových trubkových sloupů o průměru 245 mm a tloušťce stěny 35 mm rovnoběžných se vzorkem. Nahoře a dole jsou sloupy přivařeny k 2,3 m dlouhým vodorovným nosníkům HEA 400 vyztuženým ocelovými deskami, přivařenými k vnějším stranám přírub, a dalšími vloženými příčnými ztužujícími deskami. Prostorovou stabilitu aparatury zajišťuje vodorovná základna z 1,2 m dlouhých nosníků HEA 260. Na horní i spodní straně vzorku je sférické pouzdro pro ideální kloubové uložení. Spodní část sloupu je umístěna na ocelovém boxu, pod nímž je skrytý hydraulický lis, který vytváří požadované osové zatížení vzorku.
Každý sloup byl tvořen za tepla válcovaným ocelovým profilem HEA 220 (délka 2 m), vyrobeným z konstrukční oceli třídy S 355. Ocelový profil byl na obou koncích uzavřen 40mm plechy. Na každém konci byl umístěn ocelový kulový kloub (100 × 100 × 40 mm, opracovaný na poloměr 73 mm), který simuloval ideálně připevněné okrajové podmínky pro účely následného numerického modelování a také zajišťoval rovnoměrné rozložení napětí současného osového zatížení v celém průřezu vzorku. Svařované háky o průměru 8 mm z výztužné oceli zajišťovaly kompozitní působení betonové výplně.
Měření a výsledky experimentů
Před experimentem byl každý vzorek upevněn ve zkušebním zařízení a bylo na něj aplikováno předepsané osové tlakové zatížení. Výbuchové zatížení bylo generováno pomocí 800g nálože plastické trhaviny SEMTEX 1A umístěné na vnějším povrchu ocelové příruby ve střední výšce vzorku v podélném směru a v ose vzorku v příčném směru. Odezva samotného vzorku na výbuch byla měřena pomocí elektrooptických laserových senzorů využívajících principy laserové interferometrie (Photonic Doppler Velocimetry - PDV).
Čtěte také: Polské betonové jímky: kvalita
Navzdory symetrickému uspořádání experimentu nebyla odezva vzorku a jeho poškození ideálně symetrické, což bylo pravděpodobně způsobeno nedokonalostmi v umístění nálože a rozbušky. Obecně došlo u ocelových vzorků k lokálnímu porušení příruby přiléhající k výbuchu, což mělo za následek částečnou fragmentaci. U kompozitních vzorků došlo k výtrhu betonové výplně, způsobenému lokálním průhybem příruby a pásnice vyvolaným výbuchem. Chování sloupu při zatížení výbuchem bylo hodnoceno na základě pozorování průhybů během a po zatížení výbuchem (tzv. zbytkový posun).
Ztráta integrity obou pásnic průřezu má za následek výrazné zeslabení sloupu, které může iniciovat porušení ve vzpěru. Účinek axiální síly lze pozorovat při měření rychlosti/posunu vzorku NSC a UHPFRC. Zdá se, že osová síla brání vychýlení pásnice. Naměřené hodnoty excentrických kanálů se přibližují naměřeným hodnotám na ose stojiny. Experimentální zjištění jasně dokumentují příznivý vliv betonové kompozitní výplně tenkostěnných ocelových sloupů. Zatímco ocelový vzorek selhal v důsledku současně působícího osového zatížení, betonová výplň dokázala stabilizovat odezvu kompozitního vzorku na výbuch.
Výplň vnitřních dutin ocelových sloupů betonem
Vyplněním vnitřních dutin ocelových sloupů betonem se rozumí zaplnění dutiny ocelových sloupů betonem zn. II nebo III pro budovy se zvedanými stropy. Obsahem standardu je i nahození betonové směsi do konstrukce, hutnění, úprava povrchu a TMP. Popis standardu musí vymezit třídu betonu.
Sloupy o hmotnosti 600 kg a výšky 3,8 m byly přivezeny na betonárnu a betonová výplň byla realizována přímo na betonárně Kačerov. Vnitřní betonové jádro bylo vyrobeno z betonu pevnostní třídy C60/70 X0 s příměsí polypropylenových vláken Forta Ferro a ocelových vláken Dramix 3D. Stavební fakultou byly kladeny vysoké požadavky na homogenitu, konzistenci a zpracovatelnost betonové směsi.
Při ukládání směsi do ocelových sloupů byla použita pumpa s dosahem 32/28 m, protože betonáž musela probíhat ve svislém směru a bylo nutné řádné zabezpečení dostatečné stability při betonáži. Po uložení betonové směsi bylo vláknobetonové jádro zvibrováno ponorným vibrátorem a horní povrch byl následně zahlazen.
Zálivkové a fixační hmoty
V rámci aplikace zálivkové hmoty je její výběr klíčovým momentem a je třeba při něm sledovat několik rozhodujících parametrů. Především tekutost, finální pevnost, objemovou stálost/nesmrštivost, chemickou odolnost, rychlost dosáhnutí provozních parametrů, odolnost proti případnému dynamickému zatížení apod. Pro správnou aplikaci je důležité zvolit správnou hmotu, která má splňovat budoucí požadavky a parametry, které jsou na tyto stavby požadovány. Vysoce tekuté zálivky zajišťují správný kontakt mezi zatěžovanými plochami strojů, zařízení apod. Vysoce kvalitní epoxidové zálivky odolávají teplotě +70°C. Hodně aplikací vyžaduje rychlost, s jakou dosáhne zálivka požadované parametry.
Pro přesné zálivky strojů a strojních technologií v doporučené minimální tloušťce vrstvy 2,5 cm se používá MASTERFLOW® 940, který obsahuje křemičitý písek. Pro vrstvy nad 8 cm při velkých objemech je doporučeno pro úsporu vlastní suché směsi MASTERFLOW® 940 přimíchat specifické křemičité plnivo frakce 4/8 v maximálním množství do 30 % hmotnosti. Tento produkt je certifikován jako kotevní malta podle ČSN EN 1504-6 a jako vysoko pevnostní nesmrštivá zálivková malta se statickou funkcí podle ČSN EN 1504-3 (tř. R4). Malta je určena především pro podlévání technologií a konstrukcí. Široký záběr produktu podporuje také certifikace podle ČSN EN 1504-6, kde hmota splňuje funkční požadavky normy jako kotevní malta, především tahové pevnosti při kotvení výztuže.
Rychle tuhnoucí fixační malty
Produkt MASTERFLOW® 940 má standardní náběh pevnosti, a tak při potřebě rychlé fixace ocelových prutů je třeba použít produkt na jiné bázi. Při potřebě podlévat v relativně malých vrstvách vzhledem k ploše podlití se velmi dobře uplatňuje jemnozrnná vysoce pevnostní nesmrštivá zálivka PCI Vergussmoertel vhodná již pro vrstvy od 0,5 mm. Zálivka má krémovou konzistenci, velmi dobrou tekutost a dlouhou dobu zpracovatelnosti. Vykazuje vysoké finální pevnosti v tlaku (90 - 100 MPa).
V praxi často vzniká potřeba rychlého řešení. Zde lze s výhodou nabídnout THOROGRIP - rychlou tekutou kotevní maltu pro fixaci šroubů nebo jiných konstrukčních prvků s počátkem tuhnutí již po 15 minutách. Velmi často se v praxi také uplatňuje speciální plastická montážní a těsnící malta PCI Polyfix Plus s počátkem náběhu pevnosti již po 5 minutách po namíchání. Umožňuje rychlou a těsnou fixaci. Při rychlé fixaci ocelových rámů do vodorovných žb. konstrukcí nebo komunikací lze také využít speciální produkty s extrémním nárůstem pevnosti v čase. Jedná se o opravné malty řady EMACO Fast s konzistencí plastickou nebo tekutou, s vysokou finální pevností v tlaku (kolem 100 MPa) a vynikající soudržností s podkladem. Zpracovatelnost těchto malt je asi 25 minut a již po 2 hod. vykazují pevnost v tlaku 30 MPa (při 23 °C a 50% relat. vlhkosti). Certifikovány jsou podle EN 1504-3 v třídě R4 a umožňují i lokální konstrukční opravy betonových pojížděných ploch.
MASTERFOW® 920 SF je chemická kotva s platnou certifikací ETA pro kotvení šroubů i výztuže a zároveň také atest na vytržení podle ČSN EN 1504-6 pro kotvení výztuže. Jedná se o velmi výkonného a spolehlivého pomocníka pro fixace v každodenní stavební praxi, především při rychlém svislém kotvení nad hlavou a do vodorovných otvorů do betonu nebo i dutých bloků. Je ideálním prostředkem pro kotvení dodatečně vkládané výztuže nebo sítí KARI před aplikací opravných malt při sanacích žb. MASTERFLOW® 920 SF je dvousložková, vysoce účinná tixotrópní malta na bázi metakrylátové pryskyřice, bez styrenu.
Modelování a analýza v IDEA StatiCa
Tento článek se zabývá příkladem z knihy „Column baseplate connections CUR/BmS Report 10". Příklad z CUR/BmS Report 10 tvoří základ pro zpracování v IDEA StatiCa Connection a 3D Detail. Neporovnáváme však všechna posouzení, částečně proto, že kniha byla napsána v roce 2009 a tehdy platná EN 1992-4 ještě nebyla v účinnosti.
Analýza přípoje zatíženého 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. Úkolem je ověřit různé mechanismy porušení a stanovit vyztužení potřebné k zabránění vytržení betonového kužele a štěpení.
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.
Výsledky analýzy v 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 a návrh vyztužení
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.
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 (lze zachytit podélnou výztuží) a štěpná trhlina mezi kotvami. Pro správný výpočet v 3D Detail je nezbytné dodržovat konstrukční zásady vyztužení a připravit předběžný návrh požadované výztuže.
Výsledky analýzy v 3D Detail
Jakmile je model 3D Detail sestaven včetně výztuže, lze provést výpočet CSFM. Během fáze návrhu se doporučuje zvýšit faktor sítě na 3 nebo 4 pro urychlení výpočtu, pro závěrečné zprávy by však měl být výpočet proveden s faktorem sítě 1.
Posouzení MSÚ jsou zobrazeny 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.
Při pohledu na rozložení napětí vidíme, že v betonu se kolem kotev a pod patní deskou rozvíjejí tlakové napětí, lokálně dosahující -13,3 MPa. 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. 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.
Důležitost okrajových podmínek
Zvolené modelování do značné míry určuje, jak jsou síly přenášeny betonem a zda výsledná napětí odpovídají skutečné situaci. Faktory jako délka nosníku, typ podpor a modelování výztuže jsou všechny důležité pro posouzení, protože ovlivňují silové chování. Aby byl zajištěn realistický průběh sil, je proto nutné zahrnout do modelu dostatečnou délku.
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.
Tato zjištění ukazují, že chování přípoje není určeno pouze silami nebo kotvami, ale silně závisí také na modelování a okrajových podmínkách.
tags: #betonova #vypln #oceloveho #sloupu #informace