Subkód: LRFD
Typ přípoje: Kotvení
Soustava jednotek: Metrická
Navrženo podle: ACI 318-14
Posuzováno: Kotvy namáhané tahem a smykem v blízkosti hrany
Materiál plechu: A709, Gr. 50
Šrouby: M12 A325M
Třída betonu: 4000 psi
Geometrie
Rozmístění kotev a průřez T-sekce patní desky–sloupu je nerealistické, ale slouží jako ověření většiny funkcí při návrhu kotev. Odsazení betonového bloku vůči patní desce je 200 mm nahoru a doleva, 300 mm doprava a 0 mm dolů. Výška betonového bloku je 600 mm. Levá a pravá kotva jsou vzdáleny 50 mm a 100 mm od osy sloupu. To slouží k dosažení excentricity tahového a smykového zatížení. Všechny plechy jsou navrženy tak, aby zůstaly v elastickém stavu.


Přiložené zatížení
Sloup je zatížen tahovou silou 10 kN a smykovými silami ve směru y a z, –5 kN a 2 kN. Tahové i smykové síly působí s excentricitou danou polohou kotev.
Postup
Kotvy jsou navrženy podle ACI 318-14 – Kapitola 17. V návrhu se předpokládá popraskání prostého betonu. Veškerá zatížení jsou uvažována jako statická. Kotvy jsou M12 A325M, předem zabetonované s hlavou a kruhovými podložkami o průměru 24 mm. Smykové síly jsou přenášeny prostřednictvím kotev. Únosnost plechů a svarů je dostatečná a zde není posuzována.
Poznámka: Převod imperiálních jednotek na metrické jednotky nehomogenních vzorců je uveden v Příloze B normy ACI 318-14. Vzorce dávají podobné, ale ne zcela totožné výsledky. Aby se předešlo rozdílnému využití pro imperiální a metrické jednotky, jsou upřednostňovány imperiální jednotky a koeficienty v nehomogenních vzorcích jsou pro metrické jednotky mírně upraveny, např. v rovnici 17.4.4.1 je místo koeficientu 13 použit přesnější koeficient 13,2855.
Ruční výpočet
Posouzení kotev je provedeno podle ACI 318-14 – Kapitola 17. Ocelová únosnost v tahu a smyku a únosnost na vytažení je stanovena pro jednotlivé kotvy; únosnost betonu při vyražení kužele v tahu a smyku, únosnost betonu při bočním vyražení a únosnost betonu při páčení je stanovena pro skupinu kotev. Předpokládá se, že beton je prostý a v popraskaném stavu.
Rozdělení sil
Tahová síla je přenášena 2 kotvami, jedna je vzdálena 50 mm od počátku vektoru síly, druhá 100 mm. Předpokládá se, že bližší kotva přenáší 2/3 tahové síly a vzdálenější 1/3, tj. bližší kotva je zatížena tahovou silou Nf1 = 6,67 kN, vzdálenější Nf2 = 3,33 kN. Excentricita síly skupiny kotev je 25 mm.
Smyková síla ve směru k nejbližší hraně je přenášena 2 kotvami, jedna je vzdálena 50 mm od počátku vektoru síly, druhá 100 mm. Předpokládá se, že bližší kotva přenáší 2/3 smykové síly a vzdálenější 1/3, tj. bližší kotva je zatížena smykovou silou Vfx1 = 3,33 kN, vzdálenější Vfx2 = 1,67 kN. Excentricita síly skupiny kotev je 25 mm. Smyková síla ve směru rovnoběžném s nejbližší hranou, 2 kN, je rozdělena rovnoměrně mezi obě kotvy. Vektorové součty smykových sil jsou Vf1 = 3,48 kN, Vf2 = 1,94 kN a pro skupinu kotev Vf = 5,39 kN.
Ocelová únosnost kotvy v tahu
Ocelová únosnost kotvy v tahu je stanovena podle ACI 318-14 – 17.4.1 jako
ϕNsa = ϕ Ase,Nfuta = 0,7 ⋅ 84 ⋅ 827,4 = 48,7 kN ≥ Nf1 = 6,67 kN
kde:
- ϕ = 0,7 – součinitel snížení únosnosti kotev v tahu podle ACI 318-14 – 17.3.3
- Ase,N = 84 mm2 – plocha průřezu v tahu
- futa = 827,4 MPa – stanovená pevnost oceli kotvy v tahu; nesmí být větší než 1,9 fya a 120 ksi
Využití: Nf1 / ϕNsa = 6,67 / 48,7 = 13,7 %
Únosnost betonu při vyražení kužele v tahu
Únosnost betonu při vyražení kužele je navržena podle metody Concrete Capacity Design (CCD) v ACI 318-14 – Kapitola 17.4.2. Kotvy jsou posuzovány jako skupina, protože jsou blízko sebe; rozteč s = 150 mm ≤ 3 ⋅ hef = 3 ⋅ 100 = 300 mm.
kde:
- ϕ = 0,7 – součinitel snížení únosnosti kotev v tahu podle ACI 318-14 – 17.3.3
- ANc = (50 + 150 + 12) ⋅ (150 + 12 + 150 + 12 + 150) = 100 488 mm2 – skutečná plocha betonového kužele vyražení pro skupinu kotev, které tvoří společný betonový kužel. Podle čl. 17.4.2.8 je průmět plochy porušení získán promítnutím plochy porušení ven od účinného obvodu podložky.
- ANco = 9 hef2 = 9 ⋅ 1002 = 90 000 mm2 – plocha betonového kužele vyražení pro jednu kotvu bez vlivu hran
- – modifikační součinitel pro skupiny kotev zatížené excentricky v tahu
- – modifikační součinitel pro vzdálenost od hrany
- ca,min = 50 mm – nejmenší vzdálenost kotvy od hrany
- Ψc,N = 1 – modifikační součinitel pro podmínky betonu
- Ψcp,N = 1 pro předem zabetonované kotvy
- – základní únosnost betonu při vyražení kužele jedné kotvy v tahu v popraskaném betonu; hef ≤ 280 mm (11 in)
- kc = 10 pro předem zabetonované kotvy a metrické jednotky
- hef = 100 mm – hloubka zakotvení; podle kapitoly 17.4.2.3 v ACI 318-14 se účinná hloubka zakotvení hef redukuje na
- pokud jsou kotvy umístěny méně než 1,5 hef od tří nebo více hran
- s = 150 mm – rozteč kotev
- ca,max = 350 mm – maximální vzdálenost kotvy od jedné ze tří blízkých hran
- λa = 1 – modifikační součinitel pro lehký beton
- f'c = 27,6 MPa – pevnost betonu v tlaku
Využití: Nf / ϕNcbg = 10 / 28,3 = 35,4 %
Únosnost na vytažení v tahu
Únosnost betonu na vytažení kotvy je definována v ACI 318-14 – 17.4.3 jako
ϕNpn = ϕΨc,PNp = 0,7 ⋅ 1 ⋅ 74,9 = 52,4 kN ≥ Nf1 = 6,67 kN
kde:
- ϕ = 0,7 – součinitel snížení únosnosti kotev v tahu podle ACI 318-14 – 17.3.3
- Ψc,P = 1 – modifikační součinitel pro podmínky betonu, Ψc,P = 1,0 pro popraskání betonu
- NP = 8 Abrgf'c = 8 ⋅ 339,3 ⋅ 27,6 = 74,9 kN – pro kotvu s hlavou – čl. 17.4.3.4
- Abrg = π ⋅ (dwp2 – da2) / 4 = π ⋅ (242 – 122) / 4 = 339,3 mm2 – plocha opření hlavy kotevního šroubu
- f'c = 27,6 MPa – pevnost betonu v tlaku
Využití: Nf1 / ϕNpn = 6,67 / 52,4 = 12,7 %
Únosnost betonu při bočním vyražení
Únosnost betonu při bočním vyražení kotvy s hlavou v tahu je definována v ACI 318-14 – 17.4.4 jako
Únosnost betonu při bočním vyražení je vynásobena redukčním součinitelem pro více kotev s hlavou v blízkosti hrany a blízko sebe podle čl. 17.4.4.2:
kde:
- ϕ = 0,7 – součinitel snížení únosnosti kotev v tahu podle ACI 318-14 – 17.3.3
- ca1 = 50 mm – kratší vzdálenost od osy kotvy k hraně
- ca2 = 350 mm – delší vzdálenost, kolmá na ca1, od osy kotvy k hraně
- Abrg = 339,3 mm2 – plocha opření hlavy kotevního šroubu
- f'c = 27,6 MPa – pevnost betonu v tlaku
- hef = 100 mm – hloubka zakotvení
- s = 150 mm – rozteč kotev
Využití: Nf / ϕNcbg = 10 / 67,4 = 26,7 %
Ocelová únosnost ve smyku
Ocelová únosnost ve smyku je stanovena podle ACI 318-14 – 17.5.1 jako
ϕVsa = ϕ 0,6 Ase,Vfuta = 0,65 ⋅ 0,6 ⋅ 84 ⋅ 827,4 = 27,1 kN ≥ Vf1 = 3,48 kN
kde:
- ϕ = 0,65 – součinitel snížení únosnosti kotev v tahu podle ACI 318-14 – 17.3.3
- Ase,V = 84 mm2 – plocha průřezu v tahu
- futa = 827,4 MPa – stanovená pevnost oceli kotvy v tahu; nesmí být větší než 1,9 fya a 120 ksi
Využití: Vf1 / ϕVsa = 3,48 / 27,1 = 12,7 %
Únosnost betonu při vyražení kužele ve smyku
Únosnost betonu při vyražení kužele skupiny kotev ve smyku je navržena podle ACI 318-14 – 17.5.2.
kde:
- ϕ = 0,65 – součinitel snížení únosnosti kotev ve smyku podle ACI 318-14 – 17.3.3
- Av = (50 ⋅ 1,5) ⋅ (50 ⋅ 1,5 + 150 + 50 ⋅ 1,5) = 22 500 mm2 – průmět plochy porušení betonu kotvy nebo skupiny kotev
- Avo = 4,5 ca12 = 4,5 ⋅ 502 = 11 250 mm2 – průmět plochy porušení betonu jedné kotvy bez omezení vlivem rohů, rozteče nebo tloušťky prvku
- – modifikační součinitel pro skupiny kotev zatížené excentricky ve smyku
- – modifikační součinitel pro vliv hrany
- Ψc,V = 1 – modifikační součinitel pro podmínky betonu; Ψc,V = 1,0 pro popraskání betonu
- $\psi_{h,V} = \sqrt{\frac{1.5 c_{a1}}{h_a}} = \sqrt{\frac{1.5 \cdot 50}{600}} = 0.354 \ge 1 – modifikační součinitel pro kotvy umístěné v betonovém prvku, kde ha < 1,5 ca1
- – modifikační součinitel pro kotvy zatížené pod úhlem 90° − αV k hraně betonu; v ACI 318-14 – 17.5.2.1 jsou uvedeny pouze diskrétní hodnoty, rovnice je převzata z FIB bulletin 58 – Design of anchorages in concrete (2011)
- ha = 600 mm – výška plochy porušení na straně betonu
- le = hef = 100 mm ≤ 8 da = 8 ⋅ 12 = 96 mm – účinná délka kotvy ve smyku
- da = 12 mm – průměr kotvy
- f'c = 27,6 MPa – pevnost betonu v tlaku
- ca1 = 50 mm – vzdálenost od hrany ve směru zatížení, ca2 ≥ 1,5 ca1 a ha ≥ 1,5 ca1
- ca2 = 350 mm – vzdálenost od hrany ve směru kolmém na zatížení
Využití: Vf / ϕVcbg = 5,39 / 5,835 = 92,3 %
Únosnost betonu při páčení kotvy ve smyku
Únosnost betonu při páčení je navržena podle ACI 318-14 – 17.5.3. Předpokládá se, že všechny kotvy jsou namáhány tahem a pro únosnost betonu při vyražení kužele není uvažována žádná excentricita.
ϕVcp = ϕkcpNcp = 0,65 ⋅ 2 ⋅ 47,1 = 61,2 kN ≥ Vf = 5,39 kN
kde:
- ϕ = 0,65 – součinitel snížení únosnosti kotev ve smyku podle ACI 318-14 – 17.3.3
- kcp = 2,0 pro hef ≥ 50 mm
- Ncp = Ncb = 47,1 kN (únosnost betonu při vyražení kužele – všechny kotvy jsou uvažovány v tahu) v případě předem zabetonovaných kotev
Využití: Vf / ϕVcp = 5,39 / 61,2 = 5,7 %
Interakce tahových a smykových sil
Interakce tahových a smykových sil je posouzena podle ACI 318-14 – R17.6.
kde:
- Nua a Vua – návrhové síly působící na kotvu
- Nn a Vn – nejnižší návrhové únosnosti stanovené ze všech příslušných módů porušení
- ς = 5 / 3
Únosnost kotvení není dostatečná pro přenos kombinovaných tahových a smykových sil.
Posouzení v IDEA StatiCa Connection



Dále jsou zobrazeny výsledky svarů a betonového bloku namáhaného tlakem. Zatížení těchto komponent je zanedbatelné, a proto je zanedbatelné i jejich využití.


Porovnání
Rozdělení sil v IDEA StatiCa Connection se mírně liší od ručního výpočtu. Sloup a patní deska jsou deformovány a patní deska je v kontaktu s betonovým blokem. Kontaktní napětí zvyšuje síly v kotvách. Proto jsou součinitele zohledňující excentricitu síly mírně odlišné. Únosnost betonu při bočním vyražení je v IDEA StatiCa Connection posuzována pro každou kotvu samostatně, zatímco v ručním výpočtu lze posouzení provést jako skupinu, čímž se dosáhne mírně vyšší únosnosti. Z těchto důvodů se některé dílčí únosnosti mírně liší, avšak pouze o několik procent. Výsledné využití – interakce tahových a smykových sil – je téměř totožné: 106,2 % v ručním výpočtu a 107,7 % v IDEA StatiCa.
