Najbardziej innowacyjna kotwa segmentowa do zamocowań w betonie

Zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu występuje, gdy beton wokół kotwy pęka i odrywa się w postaci stożka. Dzieje się tak z powodu naprężeń powodowanych w betonie przez siły przenoszone z mocowanego elementu przez punkt mocowania (kotwę). Metoda obliczania wytrzymałości na zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu kotew mechanicznych jest określona w normie EN 1992-4 [1], która jest normą europejską dotyczącą projektowania elementów złącznych do stosowania w betonie. Zgodnie z normą EN 1992-4, charakterystyczna wytrzymałość grupy elementów złącznych w przypadku uszkodzenia przez wyrwanie stożka betonu jest uzyskiwana poprzez pomnożenie charakterystycznej wytrzymałości pojedynczej kotwy (bez wpływu sąsiednich kotew lub bliskości krawędzi elementu betonowego), NRk,c przez szereg współczynników, które uwzględniają wpływ różnych czynników. Obejmują one takie zmienne, jak odległość od krawędzi płyty, rozstaw między kotwami w grupie, mimośrody obciążenia i momenty zginające oraz obecność gęstego zbrojenia. W szczególności, charakterystyczna wytrzymałość pojedynczej kotwy NRk,c zależy zarówno od wytrzymałości betonu, jak i głębokości osadzenia samej kotwy, zgodnie z poniższym wzorem [1]:

gdzie fck reprezentuje nominalną charakterystyczną wytrzymałość betonu na ściskanie, a hef jest efektywną głębokością osadzenia kotwy. Współczynnik k1 który liniowo wpływa na wytrzymałość charakterystyczną na zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu, jest ogólnie wskazany w Europejskiej Ocenie Technicznej ETA dla kotwy. Zgodnie z obecnymi standardami rynkowymi, a także wskazanymi w normie EN 1992-4, współczynnik ten zwykle przyjmuje wartości: 7.7 dla betonu zarysowanego i 11,0 dla betonu niezarysowanego dla elementów złącznych montowanych w gotowej konstrukcji oraz 8,9 dla betonu zarysowanego i 12,7 dla betonu niezarysowanego dla elementów złącznych zalewanych.

Hilti HST4 to pierwsza na świecie kotwa segmentowa, która dzięki swojej innowacyjnej konstrukcji osiąga taką samą wytrzymałość na zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu jak kotwy zalewane, ze współczynnikiem k1 8,9 dla betonu zarysowanego i 12,7 dla betonu niezarysowanego przy rozmiarach od M10 do M16. Oznacza to, że kotwa HST4-R może osiągnąć taką samą wytrzymałość na zniszczenie przez wyrwanie stożka jak inne kotwy segmentowe przy krótszej głębokości osadzenia lub może osiągnąć o ~16% wyższą obciążalność przy tej samej głębokości osadzenia. Co to oznacza w praktyce projektowej? Oznacza to, że można teraz używać krótszych kotew do tego samego zastosowania lub projektować większe obciążenia przy użyciu tych samych kotew. Kotwa HST4 posiada 4 kluczowe elementy, które przyczyniają się do jej doskonałej wydajności (patrz rysunek 1): (1) wyżłobione kanały i blokada, które zapewniają dodatkowy opór względem tulei; (2) wysoce zaawansowana technologicznie tuleja z rowkiem na końcówce, dłuższym czterosegmentowym kształtem i zwężającą się końcówką, która maksymalizuje przyczepność do betonu i pomaga zapobiegać poślizgowi; (3) kołnierz, który maksymalizuje rozszerzalność tulei, umożliwiając wysoką wydajność zarówno w betonie niezarysowanym, jak i zarysowanym, a także w warunkach sejsmicznych, oraz zapewniając niezawodną ochronę przed obracaniem się tulei; (4) zmienna głębokość kotwienia wykorzystująca w pełni nośność kotwy (5) konstrukcja umożliwiająca płytkie kotwienie w betonie nawet 30mm dla zamocowań wielopunktowych,

Rysunek 1: Innowacyjna konstrukcja kotwy HST4

Innowacyjna konstrukcja kotwy HST4 zapewnia ponadto wyższą wytrzymałość na wyrywanie zarówno w betonie niezarysowanym, jak i zarysowanym przy obciążeniach statycznych, jak i sejsmicznych. W porównaniu do naszej poprzedniej generacji kotew segmentowych, przy pojedynczej kotwie o tej samej długości i średnicy, typ HST4 zapewnia wzrost wytrzymałości na rozciąganie od +45% do +84% w betonie niezarysowanym w warunkach statycznych, od +18% do +41% w betonie zarysowanym i od +13% do +47% przy obciążeniach sejsmicznych C2, w zależności od średnicy kotwy.

Głębokość osadzenia kotwy w betonie determinuje zarówno mechanizm przenoszenia obciążenia, jak i model zniszczenia kotwy. Co do zasady, im głębsze kotwienie, tym większa obciążalność kotwy. Należy pamiętać o tym, że głębsze osadzenie kotwy skutkuje dłuższym czasem wiercenia a także wyższym ryzykiem trafienia w pręty zbrojeniowe. Większość kotew segmentowych jest zatwierdzona dla stałych głębokości osadzenia, zazwyczaj od 1 do 3 wartości. Ogranicza to elastyczność i potencjał optymalizacji zarówno w zakresie doboru kotew, jak i projektowania, ponieważ projektant wybiera spośród wstępnie zdefiniowanego zestawu długości kotew i głębokości osadzenia, co może skutkować przeprojektowaniem punktu mocowania. Kotwa HST4 jest kwalifikowana zgodnie z nowymi europejskimi dokumentami oceny, EAD 330232-01-0601 v02 [2], które obejmują zwiększoną wytrzymałość na zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu, oraz dokumentem oceny EAD 330232-01-0601 v03 [3], który obejmuje zastosowanie zmiennej głębokości kotwienia dla kotew mechanicznych mocowanych w betonie. Oznacza to, że w przypadku kotwy HST4-R głębokość osadzenia można dowolnie dobierać w określonych zakresach (jak określono w dokumencie Europejskiej Oceny Technicznej ETA-21/0878 [4]) zgodnie z wybraną średnicą kotwy i wymaganiami dotyczącymi obciążenia, jak pokazano w tabeli 1.

Dzięki zmiennej głębokości kotwienia , projektant lub inżynier budowy może wybrać optymalną długość kotwy i głębokość osadzenia dla swoich zastosowań, uzyskując najlepszy stosunek jakości do ceny, co pomaga zaoszczędzić na materiale i obniżyć koszty montażu. Kotwę HST4-R można zaprojektować za pomocą oprogramowania Hilti PROFIS Engineering, które jest oprogramowaniem opartym na chmurze, współpracującym z oprogramowaniem inżynieryjnym i pomagającym w projektowaniu i optymalizacji zakotwień i płyt podstawy. System PROFIS Engineering stanowi przyjazny dla użytkownika interfejs, środowisko modelowania 3D, generator raportów i wsparcie techniczne. PROFIS Engineering realizuje metodę projektowania EN 1992-4 i obejmuje wszystkie cechy i zalety kotwy HST4, takie jak ulepszona wytrzymałość na zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu, zmienna głębokość kotwienia i montaż nie wymagający czyszczenia otworu.

Wyższa wytrzymałość na rozciąganie HST4, w połączeniu z wykorzystaniem oprogramowania PROFIS Engineering, pomaga zoptymalizować zakotwienie, zmniejszyć rozmiar płyt podstawy, obniżyć koszty, zaoszczędzić na materiałach i uczynić rozwiązanie bardziej ekonomicznym. Zastosowanie mniejszych kotew i wyższa wytrzymałość na zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu kotwy HST4 umożliwiają stosowanie mniejszego rozstawu między kotwami, co w niektórych przypadkach pozwala na zmniejszenie całkowitego rozmiaru płyty podstawy. Jako prosty przykład rozważmy płytę podstawy o grubości 10 mm przedstawioną na rysunku 2. Jest to stalowa płyta podstawy poddana statycznej sile rozciągającej 50 kN. Element betonowy posiada klasę wytrzymałości betonu C20/25, grubość 250 mm i jest to beton zarysowany.

Rysunek 2: płyta podstawy w stanie naprężenia z tradycyjnym rozwiązaniem kotwienia

"Tradycyjne" rozwiązanie z kotwami segmentowymi wymagałoby czterech kotew klinowych M12 o efektywnej głębokości osadzenia 88 mm, długości kotwy 125 mm i rozstawie kotew 165 mm, co dałoby płytę podstawy o wymiarach 200 mm x 200 mm. Umieszczenie kotew bliżej siebie, na przykład przy rozstawie 160 mm, będzie wymagało użycia dłuższych i droższych kotew. Jakie możliwości optymalizacji oferuje kotwa HST4? OPCJA 1: Dzięki wyższej wytrzymałości na wyrywanie kotwy HST4, możliwe jest zmniejszenie średnicy kotwy z M12 do M10. Pozwala to na redukcję zarówno materiału, jak i kosztu samych kotew.

Jednocześnie, dzięki zwiększonej wytrzymałości na zniszczenie przez wyrwanie stożka betonu i zastosowaniu zmiennej głębokości osadzenia, możliwe jest również zmniejszenie długości kotwy poprzez zastosowanie mniejszej efektywnej głębokości osadzenia wynoszącej 71 mm. Płytsze osadzenie pozwoli zapewnić nawet taką samą wytrzymałość na zniszczenie przez wyrwanie stożka, jak w oryginalnym projekcie. KORZYŚCI Z OPCJI 1: Zastosowanie mniejszych średnic kotew skutkuje mniejszymi średnicami otworów, a zastosowanie krótszych kotew skutkuje mniejszą głębokością wiercenia, co pomaga skrócić zarówno czas montażu, zastosować mniejsze tańsze kotwy jak i zmniejszyć koszty robocizny.

OPCJA 2: Jednakże, aby naprawdę zmaksymalizować wartość, możliwe jest pozostawienie niezmienionej głębokości osadzenia i zmniejszenie rozstawu między kotwami. Tę samą wydajność można teraz osiągnąć za pomocą czterech kotew M10, z taką samą efektywną głębokością osadzenia 88 mm jak poprzednio, lecz z mniejszym rozstawem kotew 135 mm. Ulepszony rozstaw pozwala na zmniejszenie rozmiaru płyty podstawy do 165 mm x 165 mm. KORZYŚCI Z OPCJI 2: Zoptymalizowana płyta podstawy jest o 30% mniejsza, co przekłada się na 30% redukcję użytej stali!

Rysunek 3: HST4-R – najlepszy stosunek jakości do ceny dzięki optymalizacji projektu płyty podstawy