Projektowanie połączeń beton-beton w technologii kotew wklejanych ze zbrojeniem uzupełniającym

Kotwy instalowane wtórnie są szeroko stosowane w zastosowaniach konstrukcyjnych do łączenia elementów stalowych z istniejącymi elementami betonowymi. Typowe zastosowania obejmują połączenia nowych elementów stalowych z istniejącym betonem (rysunek 1). Kotwy te są często poddawane znacznym siłom rozciągającym i ścinającym, szczególnie w pobliżu krawędzi betonu, gdzie zniszczenie jest najczęściej determinowane przez wyrwanie stożka betonowego lub odłupanie betonu przy krawędzi. Ograniczenia te mogą prowadzić do zachowawczych wyników projektowych, zwłaszcza w przypadkach ograniczonych odległości od krawędzi lub rozstawów kotew.

Rysunek 1: Typowe konstrukcyjne połączenia stali z betonem

Zbrojenie uzupełniające, takie jak strzemiona, może być rozpatrywane jako jedno z możliwych rozwiązań projektowych wpływających na zachowanie zakotwień w określonych warunkach brzegowych. Alternatywnie można uwzględnić zbrojenie poprzeczne obecne w elemencie betonowym w strefach, w których jest ono częściowo lub całkowicie odciążone. Przy właściwym ukształtowaniu zbrojenie to przecina rozwijające się powierzchnie zarysowań i przyczynia się do przenoszenia sił po powstaniu rys.

Tradycyjne zasady projektowania zbrojenia uzupełniającego w zakotwieniach, określone w normie EN 1992‑4:2018[1], traktują stożek zniszczenia betonu oraz zbrojenie jako niezależne składniki nośności. Uproszczenie to może prowadzić do zachowawczych wyników projektowych, zwłaszcza w przypadku wielorzędowych układów kotew, gdzie rzeczywiste schematy zarysowania angażują większą ilość zbrojenia, niż zakłada ten model obliczeniowy.

Zbrojenie uzupełniające działa w oparciu o mechanizm cięgno‑rozporowy (strut‑and‑tie), który opisuje sposób przekazywania sił w betonie w warunkach niejednorodnego rozkładu ścieżek obciążenia. W strefach zakotwień, gdzie do elementu wprowadzane są siły skupione, wewnętrzny przepływ sił nie może być opisany za pomocą prostej teorii belki, lecz przebiega wzdłuż dyskretnych ścieżek ściskanych i rozciąganych. Jak przedstawiono na rysunku 2:

1. Przyłożone obciążenie kotwy przekazywane jest do betonu poprzez rozpory (1), czyli strefy betonu ściskanego, które rozchodzą się wachlarzowo od głowicy kotwy.

2. Rozpory te łączą się w węzłach (2), będących punktami przekazywania sił, w których zmienia się kierunek działania sił ściskających. Jednak rozprzestrzenianie się obciążenia powoduje powstawanie poprzecznych naprężeń rozciągających, których beton samodzielnie nie jest w stanie przenieść.

3. Cięgna (3), realizowane w postaci zbrojenia uzupełniającego, przejmują i przenoszą te naprężenia rozciągające, domykając tor przepływu sił i zapewniając równowagę układu. W efekcie zbrojenie uzupełniające może przyczyniać się do redystrybucji obciążeń w elemencie betonowym, zwiększając nośność na wyrwanie stożka betonowego.

Rysunek 2: Przykład mechanizmu cięgno‑rozporowego przy obciążeniu rozciągającym

Na przestrzeni lat projektowanie zbrojenia uzupełniającego ewoluowało od uproszczonych, wczesnych założeń do modeli, które lepiej odzwierciedlają rzeczywiste zachowanie zakotwień. Chociaż norma EN 1992‑4 zapewnia przejrzyste ramy projektowe, niektóre jej uproszczenia — takie jak założenie zniszczenia wyłącznie od przedniego rzędu kotew czy ograniczenie udziału zbrojenia po zarysowaniu — prowadzą do zachowawczych wyników w przypadku wielorzędowych grup kotew oraz typowych układów.

Najnowsze badania wskazują, że zarysowanie często inicjuje się w tylnej części układu, angażując większą ilość zbrojenia, niż przewiduje standardowy model, a w konsekwencji prowadząc do powstania większych powierzchni zniszczenia i wyższych nośności granicznych [2]. Wyniki te podkreślają potrzebę stosowania metody uwzględniającej rzeczywiste mechanizmy przenoszenia obciążeń, w tym wzajemne oddziaływanie stożka zniszczenia betonu, aktywacji zbrojenia oraz pracy rozpór betonowych.

Metoda Hilti została opracowana bezpośrednio na podstawie tych obserwacji. Uwzględnia ona współdzielenie obciążenia pomiędzy aktywnymi ramionami strzemion a betonem, włącza część nośności betonu niezbrojonego oraz ogranicza nośność obliczeniową poprzez mechanizm rozpór betonowych, odzwierciedlając obserwowane zachowanie wielorzędowych układów kotew.

Metoda Hilti odzwierciedla mechanizmy przenoszenia obciążeń zaobserwowane w badaniach eksperymentalnych [3], w zakresie i ograniczeniach opisanych w przywołanej publikacji, oraz w sposób jawny uwzględnia interakcję pomiędzy zniszczeniem betonu, aktywacją zbrojenia i nośnością rozpór betonowych. Po powstaniu dominującej rysy zniszczenia, zamknięte strzemiona obejmujące zbrojenie powierzchniowe/przy krawędzi zostają aktywowane i współdzielą obciążenie z betonem.

Nośność obliczeniowa przyjmowana jest zatem jako suma: – nośności zakotwienia zapewnianej przez aktywne ramiona strzemion (hak + przyczepność), – konserwatywnej części nośności betonu niezbrojonego.

Nośność obliczeniowa zakotwienia jest dodatkowo ograniczona górną granicą wynikającą z mechanizmu rozpór betonowych. Odzwierciedla to obserwowane zachowanie grup wielorzędowych, w których decydująca rysa często inicjuje się w tylnym rzędzie i rozwija się, przecinając wiele ramion strzemion.

Tabela 1 oraz poniższy wykres (rysunek 3) przedstawiają kluczowe różnice pomiędzy podejściem normy EN 1992‑4 a metodą Hilti.

Rysunek 3: Graficzna reprezentacja nośności zakotwienia [3]

Tabela 1: Zestawienie kluczowych różnic pomiędzy normą EN 1992‑4:2018 a metodą projektową Hilti

Oprogramowanie Hilti PROFIS Engineering umożliwia projektantom uwzględnienie wpływu zbrojenia, jeśli występuje ono w elemencie betonowym, zgodnie z normą EN 1992‑4 oraz metodą Hilti (rysunek 4). Możliwe jest modelowanie różnych sposobów ukształtowania zbrojenia, a ich wpływ na poszczególne mechanizmy zniszczenia jest uwzględniany w obliczeniach.

Rysunek 4: Opcja projektowania zbrojenia uzupełniającego w programie PROFIS Uwaga: Wyniki generowane przez PROFIS Engineering opierają się na danych wprowadzonych przez użytkownika oraz wybranych modelach obliczeniowych. Nie zastępują one oceny inżynierskiej. Projektant pozostaje odpowiedzialny za weryfikację poprawności przyjętych założeń, uzyskanych wyników oraz ich zgodności z obowiązującymi normami, aprobatami i przepisami lokalnymi.

Wyniki najnowszych badań prowadzonych na przestrzeni lat umożliwiły opracowanie bardziej realistycznego podejścia do projektowania zakotwień ze zbrojeniem uzupełniającym. Metoda ta, zintegrowana z modułem betonu w oprogramowaniu PROFIS Engineering, zapewnia uporządkowany sposób uwzględnienia interakcji pomiędzy zniszczeniem betonu (cone breakout), aktywacją zbrojenia oraz zachowaniem rozpór betonowych, w oparciu o aktualne wyniki badań i w ramach zdefiniowanych założeń.

• Kotwy instalowane wtórnie w betonie są często ograniczone nośnością na zniszczenie betonu, zwłaszcza w pobliżu krawędzi lub przy dużych obciążeniach rozciągających i ścinających.

• Zbrojenie uzupełniające poprawia pracę zakotwienia poprzez zaangażowanie mechanizmu cięgno‑rozporowego, w którym cięgna (strzemiona) przecinają rysy i uczestniczą w przenoszeniu obciążeń po zarysowaniu betonu.

• Metoda Hilti uwzględnia bardziej realistyczne zachowanie układu poprzez rozpatrzenie współdzielenia obciążenia między ramionami strzemion a betonem, uwzględnienie części nośności wynikającej z wyrwania stożka betonowego oraz wprowadzenie ograniczeń wynikających z nośności rozpór betonowych.

• PROFIS Engineering implementuje zarówno podejście zgodne z EN 1992‑4, jak i metodę Hilti, umożliwiając projektantom modelowanie detali zbrojenia oraz ocenę ich wpływu na różne mechanizmy zniszczenia. W połączeniu z naszymi zróżnicowanymi systemami sprzętowymi, wydajnymi i bezpiecznymi metodami instalacji oraz wsparciem technicznym i wiedzą oferowaną przez nasze Engineering Center, metoda ta stanowi element rozwiązań SPEC2SITE. Nasz zespół Field Force wspiera Państwa zarówno w biurze, jak i na budowie, a także pomaga w kontakcie z wykonawcą, aby zapewnić realizację montażu zgodnie z założeniami projektowymi. Aby rozpocząć projektowanie, odwiedź stronę: https://profisengineering.hilti.com