Вступ

В процесі проєктування кріплень, які безпечно з'єднують металоконструкції з бетоном, зазвичай вимагається анкерування, проте яке перевищує звичайні геометричні схеми, зазначені в національних і міжнародних нормативах з проєктування кріплень, таких як EN 1992-4 [1]. Наприклад, анкерування, що з'єднує головну балку з бетонною колоною, навантаженою на зсув, як показано на рис. 1, може потребувати високого рівня гнучкості для сприйняття прикладеного статичного і сейсмічного комбінованого навантаження порівняно з поточним обсягом доступних стандартів проєктування. Тут інженери та проєктувальники намагаються знайти рішення, які забезпечують надійність з'єднання в межах EN 1992-4.

Рис. 1: Головна балка, що підтримує плиту перекриття, прикріплену до бетонної колони

У цій статті представлено розширення положень проєктування, що містяться в поточному EN 1992-4, згідно з «Методом HILTI SOFA» (Рішення для кріплення), який дозволяє розподіляти зсув за межі переднього (крайнього) ряду для перевірки відколюванню краю бетону для статичних і сейсмічних умов і, зрештою, забезпечує більшу гнучкість проєктування при розгляді кількості анкерів у групі, навантаженій на зсув поблизу одного або кількох країв бетону.

Конфігурації анкерів і їх положення при проєктуванні згідно з EN 1992-4

EN 1992-4 містить положення проєктування для кріплень у бетоні, які відображають фундаментальні емпіричні дані, що враховують різні складні випадки, які забезпечують високий рівень безпеки, але не завжди можуть повністю врахувати все. Одним із наслідків є обмеження конфігурацій групи анкерів у EN 1992-4, показане на рис. 2. Хоча всі ці групи можуть бути розраховані на розтяг та/або зсув, якщо найближчий анкер у групі розташований досить далеко від краю бетону (з відстанню до краю ), EN 1992-4 обмежує проєктування зазначених груп анкерів на зсув поблизу краю бетону, якщо кільцевий зазор (так званий «зазором отвору») між анкером і опорною плитою повністю не заповнюється за допомогою цементного розчину, зварювання (в основному застосовується до залитих анкерів з головкою) або спеціальних засобів, таких як набір для заповнення HILTI.

Рис. 2: Кріплення без зазору в отворі для всіх крайових відстаней і для всіх напрямків навантаження та кріплення з зазором в отворах відповідно до Таблиці 6.1 (EN1992-4), які віддалені
від краю для всіх напрямків навантаження 

Схеми анкерів і розподіл статичного зсувного навантаження

Таблиця 3.1 Відмінності між групами анкерів, навантажених на зсув поблизу краю, з зазором в отворі та без нього.

Таблиця 3.1 ілюструє відмінності між групами анкерів із зазором в отворі та без нього, коли вони розташовані близько до краю та навантажені на зсув у напрямку до цього краю. Два фактори – зазор в отворі та відстань до краю – визначають ефективність окремих анкерів протистояти відколюванню краю, представленою напівконічною бетонною поверхнею. Для групи анкерів, навантажених на зсув перпендикулярно до краю, де зсув розподіляється порівну між рядом анкерів, наближеного до краю, де фактично лише передній ряд анкерів і включається в роботу згідно з EN 1992-4. Це консервативне припущення про те, що лише передній ряд анкерів у групі протистоїть усьому зсуву, прикладеному до опорної плити, може призвести до того що задачу не вдасться вирішити. Два інші режими руйнування – виривання сталі та бетону – враховують зсув, що діє на найбільш навантажений анкер у групі, і на всю групу відповідно.

Сучасний підхід до розподілу зсувного навантаження у fib Bulletin 58

Підхід EN 1992-4 до проєктування кріплень на основі заданих схем анкерів часто не вирішуються, коли потрібно розрахувати великі групи анкерів, наприклад, для кріплення сталевої колони близько до краю бетонного фундаменту. За певних обставин, залежно від таких параметрів, як відстань до краю, відстань між анкерами, товщина бетонного елемента та зазор в отворі, виламування краю може початися або з анкерів, найближчих до краю, або із найвіддаленіших від нього, що вимагає вже перевірки всіх анкерів.

Норми fib Bulletin 58 [2], Розділ 4.3.1.3, включає можливість проєктування в таких випадках і дозволяє розподіляти зсув, що діє перпендикулярно до краю, рівномірно за межі першого ряду, паралельного цьому краю. На практиці це означає перевірку опору тіла виламування, потенційно який утворюється кожним рядом анкерів, паралельним краю, оскільки площина руйнування, що визначається, не завжди може бути переднім (першим) рядом. Ілюстрація цього ефекту наведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1: Розподіл зсувного навантаження перпендикулярно до краю та поверхні руйнування

Як показано на рис. 4.2, той самий принцип застосовується до зсуву, що діє паралельно до краю, з перевіркою виривання для всіх рядів, перпендикулярних до цього краю, що забезпечує узгодженість принципу розподілу зсуву.

Рис. 4.2: Розподіл зсувного навантаження паралельно до краю та поверхні руйнування

Зауважте, що застосування того самого підходу з незаповненим зазором отвору може призвести до невідповідності конструкції та втрати експлуатаційної придатності.
Хоча нормативний документ fib 58 дозволяє розподіляти зсув за межі передніх рядів при руйнуванні краю (кромки бетону), групи анкерів все ще обмежені сіткою 3x3 без зазору отвору та 2x2 із зазором отвору, див. рисунок 4.3-1 [2]. Компонування анкерів за межами варіанту 3x3 та нерегулярна конфігурація, наприклад, трикутна та кругла, не охоплені ні EN 1992-4, ні нормами fib 58.

Рис. 4.3: Компонування анкерів

Для розрахунку статичного та сейсмічного навантаження метод SOFA дозволяє розподіляти зсув для регулярних схем розташування анкерів (в межах і за межами 3x3). Однак існують обмеження, засновані на поточних знаннях про більші схеми розташування, з нерегулярними та великими групами анкерів () які все ще чинять опір зсуву повністю через передній ряд анкерів, де  позначають кількість рядів, перпендикулярних

і паралельних до краю, відповідно. Максимальна кількість анкерів у ряду обмежена 5шт, щоб врахувати внесок заднього ряду. Це обмеження обґрунтовано наявними науковими дослідженнями (Grosser, 2012), які стверджують що під час сейсмічного навантаження розподіл на задній ряд(и) анкерів вимагає повного заповнення зазору в отворі.

Схеми із великим розташуванням анкерів та їх вплив на розподіл зсуву по рядах

Як зазначено в таблиці 5.1, хоча передача зсуву за межі переднього ряду анкерів можлива до трьох рядів, паралельних до краю, рисунок 4.3-1, норми fib 58 явно обмежує групи анкерів прямокутним розташуванням 3x3, обмежуючи, таким чином, кількість анкерів на ряд до трьох. Такі обмежувальні схеми розташування можуть бути недостатніми для кріплення основних сталевих конструктивних елементів, які зазвичай витримують високі зсувні зусилля. Розширення схем розташування за допомогою методу SOFA дозволяє проєктувальнику моделювати будь-яку схему розташування анкерів.

Приклад виламування краю за межі переднього ряду для схеми розташування анкерів 5x3, розташованої поблизу краю без зазорів в отворі, показано на рис. 5.1, де сила зсуву, , діє перпендикулярно до краю. Тут виламування кромки бетону за методом SOFA перевіряється для кожного ряду, який розміщений паралельного краю бетону, причому лише поверхня яку руйнуватиме середній ряд анкерів показано як спрощення.

Зауважте, що метод SOFA не вимагає однакової кількості анкерів на ряд.


Рис. 5.1: Руйнування тіла бетону для середнього ряду при навантаженні перпендикулярно до краю.

Підхід SOFA для анкерів, які не знаходяться в одній осі розташування

Для ортогональних схем розташування всіх анкерів в проєкті може бути проведено з ідеальним вирівнюванням в ряд, але виконання на місці не завжди може бути таким «ідеальним» чи «міліметрово» точним, що призведе до переоцінки опору, якщо площина руйнування почнеться від анкера, найближчого до краю. Однак площина руйнування для виламування краю бетону не вимагає ідеального вирівнювання всіх анкерів у ряду, і площина руйнування може охоплювати інші анкери, оскільки вони активуються у визначеній віртуальній «смузі». Як показано на рис. 5.2, смуга включає будь-які анкери в межах чверті максимальної відстані між найближчим і найдальшим анкером у напрямках  y-осі ( і x-осі ( якщо існує суміжний край. Це розширює тіло виламування, використовуючи найменшу відстань до краю між усіма анкерами в ряді, щоб збільшити опір краю бетону.

Зауважте, що цей підхід застосовується лише за статичних умов навантаження, де звичайний підхід EN 1992-4 до виламування краю бетону від анкера, найближчого до краю, застосовується для сейсмічних умов, навіть якщо зазору в отворі немає.

Рис. 5.2: Визначення «смуги», позначеної червоною рамкою, показано для однієї сторони

Перевірка міцності на сколювання бетонної кромки згідно з методом SOFA

У той час як перевірка сталі та виривання під час статичного та сейсмічного навантаження залишається незмінною, метод SOFA перевіряє міцність на сколювання кромки кожного ряду , використовуючи положення EN 1992-4 [1] з модифікаціями з fib Bulletin 58 [2] для охоплення більших груп анкерів. Єдина відмінність між двома положеннями проєктування стосується розрахунку для , що більш точно відображається для більших груп у fib Bulletin 58, як показано на рис. 5.3.

Рис. 5.3: Ілюстрація параметра в fib Bulletin 58 проти EN 1992-4

Варіанти проєктування в PROFIS Engineering

У програмному забезпеченні PROFIS Engineering від компанії HILTI інженер може знайти варіанти проєктування широкого спектру кріплень, охоплених у цій статті, відповідно до EN 1992-4, ETAG 001: Додаток C або методу SOFA:

Рис. 5.4: Варіанти проєктування із вибором нормативних документів в PROFIS Engineering

Налаштування шаблонів розрахунку можливе за допомогою «2D Editor», і PROFIS Engineering надає попереджувальне повідомлення з можливістю змінити метод на SOFA під час вибору або розміщення анкерів у шаблонах розрахунку за межами обмежень EN 1992-4.

Висновок

Результатом великих внутрішніх і зовнішніх досліджень протягом багатьох років став метод SOFA, який пропонує інженерам розширену гнучкість і забезпечує вирішення задач під час проєктування кріплень підвищеної складності як при статичних, так і при сейсмічних умов. Інтегрований у Concrete module PROFIS Engineering, метод SOFA надає проєктувальникам:

• Підхід до проєктування кріплень, що розширює межі EN 1992-4 для розміщення анкерів за межами схеми 3x3.
• Вища стійкість до руйнування краю бетону шляхом передачі зсувного навантаження за межі ряду анкерів, найближчих до краю, до максимум трьох рядів, з максимум п’ятьма анкерами в кожному ряду.
• Використання умовної «смуги» для об’єднання нерівно розташованих анкерів у нетипових шаблонах розрахунку в ряд для збільшення стійкості до виривання/руйнування по краю бетонної поверхні конструкції.

Список літератури

[1]. EN 1992-4:2018: Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018. 
[2]. fib bulletin 58: Design of anchorages in concrete, Lausanne: IFSC, 2011.
[3]. P. R. Grosser, Load-bearing behavior and design of anchorages subjected to shear and torsion loading in uncracked concrete, Germany: Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart, 2012.