Resistance and stiffness assessment of reinforced column base using the component method

• Autorzy: Krystosik Przemysław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.151902

Warianty tytułu

PL

Obliczenia nośności i sztywności wzmocnionych podstaw słupów metodą składnikową

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents an algorithm for assessing the resistance and stiffness of a reinforced column base, which is based on the component method. The main part of the study formulates a mechanical model of the reinforced column bases, in the form of a stiffened base plate fixed to the concrete by eight anchor bolts. The adopted structural solution was analyzed using the component method for calculations. By referring to standard guidelines and existing literature, the mechanical properties, such as resistance and stiffness, of individual components of the column base are determined. Equivalent mechanical models were then formulated using equilibrium conditions and deflection compatibility, enabling the derivation of formulas for the bending resistance Mj.Rd and the initial stiffness Sj.ini of the entire column base. In the final part of the work, a comprehensive numerical example is provided to demonstrate the application of the presented method in calculations of the reinforced column bases.

PL

Metoda składnikowa jest zalecanym przez Eurokod sposobem oceny nośności i sztywności połączeń słupów z fundamentami. Bezpośrednie zastosowanie wytycznych EC3 pozwala obliczać połączenia słupów z fundamentami o prostej budowie w postaci poziomej blachy, którą do fundamentu mocuje się za pomocą śrub kotwiących. Pomimo to możliwości wykorzystania samej metody składnikowej w projektowaniu węzłów podporowych są większe. Oznacza to, że wspomniana metoda pozwala obliczać wzmocnione połączenia słupów z fundamentami, np. podstawy użebrowane, czy zamocowane w fundamencie większą liczbą kotwi. W przedstawionym artykule zaproponowano algorytm oceny nośności i sztywności wzmocnionej podstawy słupa, który oparto na metodzie składnikowej. W pierwszej części pracy przeprowadzono wstępne obliczenia numeryczne trzech przypadków wzmocnionej podstawy słupa. Symulacje komputerowe wykonano w programie IdeaStatika, służącym do projektowała, m. in. węzłów i połączeń stosowanych w konstrukcjach stalowych. Przedmiotowe obliczenia zrealizowano dla trzech podobnych przypadków podstawy, różniących się między sobą stosunkiem wysokości h do szerokości b przekroju poprzecznego słupa, wynoszącym odpowiednio: 1,6, 2,4 oraz 3,2. Otrzymane wyniki wskazały miejsca, w których należy się spodziewać znacznego wytężenia, zarówno stalowych elementach podstawy, jak również obszaru kontaktu podstawy z podłożem betonowym. W drugiej, zasadniczej części pracy przeprowadzono proces tworzenia modelu obliczeniowego wzmocnionej podstawy słupa. W przyjętym rozwiązaniu konstrukcyjnym połączenia słupa z fundamentem, dla przyjętego układu sił, wyróżniono dwie główne strefy – rozciąganą i ściskaną. Następnie, zgodnie z podstawowymi założeniami metody składnikowej, wyszczególniono w nich podstawowe składniki: kotwy utwierdzone w betonie, w strefie rozciąganej, blachę podstawy w strefie rozciąganej, żebro usztywniające, pas słupa oraz środnik słupa w strefie rozciąganej, blachę podstawy oraz podłoże betonowe w strefie ściskanej, żebro usztywniające oraz pas słupa w strefie ściskanej. Bazując na wytycznych normowych, studiów literaturowych, oraz pewnych wskazówkach uzyskanych z analizy numerycznej sformułowano podstawowe związki do obliczeń cech mechanicznych - nośności i sztywności poszczególnych składników modelu podstawy. W kolejnym, zasadniczym kroku algorytmu obliczeniowego, wykorzystując równania równowagi oraz warunki zgodności przemieszczeń utworzono końcowe zależności na obliczenia wzmocnionej podstawy słupa. Na podstawie analizy modelu mechanicznego w stanie granicznym nośności sformułowano związki do obliczeń nośności Mj.Rd podstawy słupa na zginanie. Z kolei ocena deformacji modelu podstawy słupa w stanie sprężystym pozwoliła wyznaczyć sztywność Sj.ini na zginanie. Dodatkowo w pracy zawarto obszerny przykład liczbowy, w którym przedstawiono sposób obliczeń metody składnikowej. Obliczenia nośności oraz sztywności przeprowadzono dla dwóch postaw słupów. Pierwsza analizowana podstawa jest typowym rozwiązaniem konstrukcyjnym w postaci blachy poziomej, utwierdzonej 4 kotwami do fundamentu. W drugim przypadku rozpatruje się użebrowaną blachę podstawy, która jest zamocowana w podłożu betonowym 8 śrubami fundamentowymi. W obu podstawach przyjęto ten sam trzon słupa, blachę poziomą, rodzaj kotwi oraz materiał (gatunek stali). Obliczenia nośności i sztywności podstawy nieużebrowanej wykonano (zasadniczo) zgodnie z wytycznymi EC3, natomiast nośność wzmocnionej podstawy wyznaczono na podstawie prezentowanego w artykule algorytmu. Otrzymane wyniki wyraźnie wskazują, że przyjęte rozwiązania konstrukcyjne w znacznym stopniu zwiększają jej nośność i sztywność względem prostej podstawy. Wymienione wnioski bezpośrednio odnoszą się do analizowanych w artykule przykładów, należy jednak sądzić, że mają one bardziej ogólny charakter i mogą dotyczyć większości stosowanych w praktyce inżynierskiej.

Słowa kluczowe

EN

column base; component method; resistance; stiffness

PL

podstawa słupa; metoda składnikowa; nośność; sztywność

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 4
• Strony: 441--457
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Krystosik Przemysław

• Koszalin University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Environment and Geodetic Sciences, Koszalin, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2871-8746

Bibliografia

• [1] EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. CEN, 2005.
• [2] J. Bródka, A. Kozłowski, I. Ligocki, J. Łaguna, and L. Ślęczka, Projektowanie i obliczanie połączeń i węzłów konstrukcji stalowych, vol. 2. Rzeszów: Polskie Wydawnictwo Techniczne, 2009.
• [3] The Steel Construction Institute, Publication P398. Joints in Steel Construction: Moment-resisting Joints to Eurocode 3. The Steel Construction Institute, 2013. [Online]. Available: https://www.steelconstruction.info/images/5/5d/SCI_P398.pdf.
• [4] M. Ivanyi and Ch. Baniotopoulos, Semi-rigid connections in structural steelwork. New York: Springer Verlag Vien, 2000, doi: 10.1007/978-3-7091-2478-9.
• [5] F. Wald, Z. Sokol, M. Steenhuis, and J. P. Jaspart, “Component method for steel column bases”, Heron, vol. 53, no. 1/2, pp. 3-20, 2008. [Online]. Available: https://heronjournal.nl/53-12/1.html.
• [6] M. Łubiński, A. Filipowicz, and W. Żółtowski: Konstrukcje metalowe, część I: podstawy projektowania. Warszawa: Arkady, 2000.
• [7] IDEA StatiCa Connection, “Structural design of steel connections”. [Online]. Available: https://www.ideastatica.com/support-center-theoretical-backgrounds.
• [8] EN 1992-1-1:2004 Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings. CEN, 2004.
• [9] EN 1992-4:2018 Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete. CEN, 2018.
• [10] U. Kuhlmann, F. Wald, J. Hofmann, et al., Design of steel-to-concrete joints, Design manual I. Prague, Stuttgart, Coimbra and Brussels: European Convention for Constructional Steelwork, 2014. [Online]. Available: http://steel.fsv.cvut.cz/infaso/InFaSo_Design-manual_I_En.pdf.
• [11] FiB Bulletin 58. Design of Anchorages in concrete – Guide to good practice. Switzerland: International Federation for Structural Concrete, 2011, doi: 10.35789/fib.BULL.0058.
• [12] L. Katula and P. Márai, “Study the prying effect on bolted base-plate connections“, Periodica Polytechnica Civil Engineering, vol. 57, no. 2, pp. 157-172, 2013, doi: 10.3311/PPci.7171.