Dosahujete hranice možností a nevíte najít řešení pro upevnění konstrukce?
Využijte flexibilitu průkopnické metody návrhu SOFA v PROFIS Engineering pro nalezení řešení.

1.0 Úvod

Složitější řešení dodatečně instalovaných spojovacích prvků, které bezpečně spojují ocelové prvky s betonem, mohou vést k řešením přesahujícím běžné geometrické rozložení specifikované v národních a mezinárodních směrnicích pro navrhování upevňovacích prvků, jako je STN EN 1992-4.

Obr. 1: Primární ocelový nosník podpírající plechobetonovou desku, který je ukotven do betonového sloupu

Tento článek hovoří o rozšíření ustanovení návrhu obsažených v současné normě STN EN 1992-4 v rámci „metody Hilti SOFA“ (řešení pro upevňování), která umožňuje rozložení smyku za přední řadu pro kotvy na ověření vylomení okraje betonu pro statické a seizmické podmínky a v konečném důsledku poskytuje větší flexibilitu návrhu při zohlednění počtu kotev ve skupině zatížených smykem v blízkosti jednoho nebo více okrajů betonu.

2.0 Konfigurace kotev a návrhová ustanovení podle STN EN 1992-4

Norma STN EN 1992-4 obsahuje ustanovení o návrhu upevňovacích prvků v betonu, které odrážejí základní empirické důkazy zohledňující různé nejistoty, které zajišťují vysokou úroveň bezpečnosti, ale nemusí vždy vést k realizovatelnému návrhu. Jedním z výsledků je omezení konfigurací skupin kotev v normě STN EN 1992-4, které je znázorněno na obr. 2. Ačkoli všechny tyto skupiny lze navrhnout na tah a/nebo smyk, pokud je nejbližší kotva ve skupině umístěna dostatečně daleko od okraje betonu (se vzdáleností od okraje 𝑐 ≥ max (10ℎ𝑒f; 60𝑑nom)), norma STN EN 1992-4 omezuje návrh specifikovaných skupin kotev na smyk blízko okraje betonu, pokud není mezikruží mezi kotvou a základovou deskou zcela odstraněno zálivkou, svařováním (většinou použitelné pro kotvy s litou hlavou) nebo speciálními prostředky, jako je například výplňová sada Hilti.

Obr. 2: Spojovací prvky bez vzdálenosti od okraje pro všechny vzdálenosti od okraje a pro všechny směry zatížení a spojovací prvky s vzdáleností od otvoru v souladu s tabulkou 6.1 (STN EN 1992-4) vzdálené od okraje pro všechny směry zatížení a spojovací prvky s vzdáleností od otvoru v souladu s tabulkou 6.1 blízko okraje.

3.0 Uspořádání kotev a rozložení statického smykového zatížení

Tabulka 3.1: Rozdíly mezi skupinami kotev zatíženými ve smyku blízko okraje s nevyplněným mezikružím a vyplněným mezikružím.

Tabulka 3.1 znázorňuje rozdíly mezi skupinami kotev s nevyplněným mezikružím a vyplněným mezikružím, když jsou umístěny blízko okraje a zatíženy smykem směrem k tomuto okraji. Dva faktory – mezikruží a vzdálenost od okraje – určují účinnost jednotlivých kotev při odolávání vylomení okraje, které představuje polokuželovitý betonový povrch. Pro skupinu kotev zatížených smykem kolmo na okraj je smyk rozdělen rovnoměrně mezi řadu kotev nejblíže k okraji a vylomené těleso, které je podle normy STN EN 1992-4 odolné pouze přednímu řadu kotev. Tento konzervativní předpoklad, že pouze přední řada kotev ve skupině odolává celému smyku aplikovanému na základovou desku, může vést k nerealizovatelným řešením. Další dva způsoby porušení – vylomení oceli a betonu – zohledňují smyk působící na nejvíce zatíženou kotvu ve skupině a na celou skupinu.

4.0 Nejmodernější přístup k rozložení smykového zatížení ve vláknitých prvcích Bulletin 58

Přístup k návrhu upevnění podle normy STN EN 1992-4 založený na předepsaném rozložení kotev je často nedostatečný a neuskutečnitelný, když jsou potřebné větší skupiny kotev, například při upevnění ocelového sloupu blízko okraje betonového základu. Za určitých okolností, v závislosti na parametrech, jako je vzdálenost od okraje, rozestup kotev, tloušťka betonového prvku a světlost otvoru, může odlomení okraje začít buď od kotev nejbližších nebo nejvzdálenějších od okraje, což si vyžaduje ověření všech kotev.
Bulletin 58 [2], odstavec 4.3.1.3, zahrnuje možnost návrhu pro takové případy a umožňuje rovnoměrné rozložení smykového namáhání kolmého na okraj za první řadu rovnoběžně s tímto okrajem, což je podloženo absencí vyplněného mezikruží mezi základovou deskou a kotvou. V praxi to znamená ověření únosnosti vylamovacího tělesa potenciálně generovaného každým řadem kotev rovnoběžně s okrajem, protože řídící rovina porušení nemusí být vždy přední řada. Ilustraci tohoto efektu poskytuje obr. 3.

Obr. 3: Rozložení smykového zatížení kolmo na hranu a povrchy porušení

Jak je znázorněno na obr. 4, stejný princip platí pro smykové síly působící rovnoběžně s hranou, přičemž porušení je ověřeno pro všechny řady kolmé na tuto hranu, což přináší konzistenci do principu rozložení smykových sil.

Obr. 4: Rozložení smykového zatížení rovnoběžně s hranou a povrchy porušení

Upozorňujeme, že použití stejného přístupu s normální (nenulovou) světlou vzdáleností otvoru může vést k nevyhovujícímu návrhu a způsobit ztrátu únosnosti.
Ačkoli Bulletin 58 umožňuje rozložení smyku za přední řady pro vylomení okraje, skupiny kotev jsou stále omezeny na mřížku 3x3 bez vyplněného mezikruží a na 2x2 s vyplněným mezikružím, viz obrázek 4.3-1 v [2]. Uspořádání kotev nad 3x3 a nepravidelná konfigurace, jako například trojúhelníková a kruhová, nejsou zahrnuty ani v normě STN EN 1992-4, ani v Bulletinu 58.

5.0 Metoda SOFA pro rozmístění kotev a rozložení smyku při statickém a seizmickém zatížení

Metoda SOFA aplikuje ustanovení Bulletin 58 pro rozložení smyku na všechny zúčastněné kotvy ve třech řadách ve skupině rovnoběžné a kolmé na okraj a rozšiřuje rozložení, na které se vztahuje. To umožňuje projektantovi modelovat rozložení upevnění zatížené smykem směrem k okraji, které přesahuje rozložení předepsané v normě STN EN 1992-4 i v Bulletinu 58, s předpokladem, že mezi kotvou a základovou deskou není žádná vůle (mezikruží je vyplněno). Pro různé uspořádání kotev je statické a seizmické rozložení smyku pro kotvy blízko okraje povolené v SOFA zachyceno v tabulce 5.1.

Tabulka 5.1: Rozložení smykového zatížení pro kotvy blízko okraje pro statické a seizmické zatížení.

5.1 Větší rozložení a vlivy na rozložení smykového namáhání na řadu

Jak je uvedeno v tabulce 5.1, ačkoli přenos smyku za přední řadu kotev je možný až do tří řad rovnoběžných s okrajem, obrázek 4.3-1 v Bulletinu 58 výslovně omezuje skupiny kotev na obdélníkové rozložení 3x3, čímž se počet kotev na řadu omezuje na tři.
Takové omezující rozmístění může být nedostatečné pro upevnění primárních ocelových konstrukčních prvků, které obvykle odolávají vysokým smykovým silám. Rozšíření rozmístění metodou SOFA umožňuje projektantovi modelovat jakékoli rozmístění, pravidelné nebo nepravidelné.
Příklad vylomení hrany za přední řadou pro rozložení kotev 5x3 umístěných blízko hrany bez vyplnění mezikruží je znázorněn na obr. 5, kde smyková síla 𝑉ed působí kolmo na hranu. Zde se ověřuje vylomení hrany na SOFA pro každou řadu rovnoběžně s každou hranou, přičemž jako zjednodušení je zobrazeno pouze vylomení střední řady.
Upozorňujeme, že metoda SOFA nevyžaduje stejný počet kotev na řadu.

Obr. 5: Rozložení smykového zatížení rovnoběžně s hranou a povrchy porušení

5.2 Přístup SOFA pro nezarovnané kotvy

Při ortogonálních rozloženích v návrhu mohou být všechny kotvy dokonale zarovnané v řadě, ale provedení na místě nemusí být vždy tak „milimetrově“ přesné, což vede k nadhodnocení odolnosti, pokud by rovina porušení měla začít od kotvy nejblíže k okraji. Rovina porušení pro vylomení okraje betonu však nevyžaduje dokonalé zarovnání všech kotev v řadě a rovina porušení může zahrnovat i jiné kotvy, když se aktivují v rámci definovaného virtuálního „pásu“. Jak je znázorněno na obr. 6, pás zahrnuje všechny kotvy v rámci čtvrtiny maximální vzdálenosti mezi nejbližší a nejvzdálenější kotvou ve směru y (𝑠𝑦,𝑚ax) a x (𝑠y,𝑚ax), pokud existuje sousední hrana.
Toto prodlužuje těleso vylamovacího otvoru a zároveň využívá nejmenší vzdálenost od okraje mezi všemi kotvami v pásmu, 𝑐𝑦,1, aby se zvýšila odolnost betonového okraje.
Upozorňujeme, že tento přístup platí pouze za podmínek statického zatížení a běžný přístup podle normy EN 1992-4, který se týká vylomení okraje z kotvy nejblíže k okraji, platí pro seizmické podmínky, i když je světlá výška otvoru nulová.

Obr. 6: Definice „pásu“ vymezeného červeným rámečkem, zobrazená pro jednu hranu

5.3 Ověření odolnosti betonu proti vylomení okraje podle metody SOFA

Zatímco ověření oceli a vylomení při statickém i seizmickém zatížení zůstává nezměněné, metoda SOFA ověřuje odolnost každé řady vůči vylomení okraje, 𝑉𝑅k,𝑐,𝑟ow 𝑖, s použitím ustanovení normy STN EN 1992-4 [1] s úpravami z Bulletinu 58 [2] na pokrytí větších skupin kotev.
Jediný rozdíl mezi těmito dvěma návrhovými ustanoveními se týká výpočtu pro 𝜓𝛼,𝑉, který je přesnější pro větší skupiny v Bulletinu 58, jak je znázorněno na obr. 7.

Obr. 7: Ukázka parametru 𝜓𝛼,𝑉 v porovnání Bulletin 58 a STN EN 1992-4

5.4 Možnosti návrhu v PROFIS Engineering

V Hilti PROFIS Engineering najde inženýr možnosti pro navrhování široké škály upevňovacích prvků uvedených v tomto článku podle normy STN EN 1992-4, ETAG 001: Příloha C nebo metody SOFA.

Obr. 8: Postup v programu Profis Engineering

Přizpůsobení rozložení je možné pomocí „2D editoru“ a PROFIS poskytuje varovné hlášení s možností změny metody na SOFA při výběru nebo umístění kotev v rozloženích mimo limity normy STN EN 1992-4.

6.0 Závěr

Výsledkem rozsáhlého interního a externího výzkumu v průběhu let je metoda SOFA, která inženýrům nabízí větší flexibilitu a umožňuje realizovatelná řešení při navrhování upevnění se zvýšenou složitostí za statických i seizmických podmínek. Metoda SOFA, integrovaná do modulu Beton v systému PROFIS Engineering, poskytuje projektantům:

• Přístup k návrhu upevnění, který rozšiřuje limity normy EN 1992-4 pro rozmístění kotev nad 3x3.
• Vyšší odolnost vůči porušení okraje betonu přenosem smykového zatížení za řadu kotev nejblíže k okraji až do maximálně tří řad, s maximálně pěti kotvami v každé řadě.
• Použití pomyslného „pásu“ na sjednocení nezarovnaných kotev v nepravidelném rozmístění do řady, aby se zvýšila odolnost vůči vylomení okraje.

Více informací najdete v naší brožuře, která podrobněji popisuje tento článek. Odkaz na brožuru: Beyond the edge with the Hilti Method for fastening design.
Pro návrh navštivte stránku https://profisengineering.hilti.com.

7.0 Použitá literatúra

[1]. EN 1992-4:2018: Eurocode 2 – Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018. (SK verzia STN EN 1992-4)

[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.