Obliczenia nośności i sztywności wzmocnionych podstaw słupów metodą składnikową

Abstrakt

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.