PROFIS ENGINEERING. Комплексний розрахунок анкерного кріплення

PROFIS ENGINEERING. Комплексний розрахунок анкерного кріплення

PROFIS Engineering - це нове покоління програмного забезпечення для розрахунку анкерів. Зараз вже здається, що софт для розрахунку анкерів був завжди, але це не так. Незважаючи на те, що компанія Hilti випускає анкерні болти з 1973 року - перший програмний продукт для розрахунку з'явився в лише в 2007 році і називався він Hilti PROFIS. Саме він і дав назву всім наступним програмам цього сімейства. На зміну Hilti PROFIS в 2011 році прийшов PROFIS Anchor, а вже в 2018 з'явилася перша пілотна версія PROFIS Engineering, яка в 2020 році стала першим повноцінним програмним продуктом для розрахунку пост-встановлених анкерів, сертифікованим на території Європи.



Різниця версій STANDARD і PREMIUM

Якщо поглянути на таблицю порівняння версій Profis Engineering Standard та Profis Engineering Premium, то можна виділити три основні переваги Pemium версії:

• Розрахунок з урахуванням пружно-пластичних деформацій анкерної пластини
• Можливість імпорту комбінацій навантажень зі сторонніх програм, вибираючи найбільш небезпечне завантаження
• Експорт в BIM і CAD програми

Методи розрахунку анкерних кріплень в бетоні. Жорсткий vs гнучкий * підхід до проектування вузла опирання.



Найчастіше проектувальники дуже ретельно підходять до розрахунків сталевих і бетонних конструкцій, але не приділяють особливу увагу розрахунку анкерів, але це саме той самий елемент, який ці конструкції з'єднує. І дуже часто анкери не розраховуються, а закладаються відповідно до керівництва з анкерного кріплення, каталогу або ж конструктивно. Ці методи підбору анкерів є небезпечними і ось чому...

Проектування групи анкерів, врахування кількості анкерів в групі

У каталозі і керівництві міститься інформація по кріпленню одиночного анкера, при цьому не враховується вплив сусідніх анкерів в групі, не враховуються геометричні характеристики опорної пластини та базового матеріалу (основи) або групи анкерів, тобто крайові, міжосьові відстані, товщина основи. На прикладі, представленому нижче, показаний один з видів руйнувань анкера - це руйнування по виколювання бетону основи. Тут ми бачимо, що при даному виді руйнування, конуси в групі анкерів накладаються один на одного. Іншими словами, в цьому випадку несуча здатність двох анкерів, не дорівнює несучій здатності одного анкера помноженій на два, так як міжосьова відстань має на це певний вплив. Так само в групі анкерів необхідно визначити зусилля на самий навантажений анкер, в разі, якщо у вас є якісь розрахункові сполучення зусиль, їх потрібно розраховувати на всі комбінації навантажень, так як незрозуміло, яка комбінація виявиться визначальною, тобто, найнесприятливішою для групи анкерів. Ну або, наприклад, якщо у вас комбінована дія навантажень і присутні як розтягуючі зусилля, так і зрізаючі, тут необхідно проведення додаткових розрахунків.




Визначення зусиль в групі анкерів

Ще одним важливим моментом є визначення навантажень в анкерах.
У пунктах ETAG 001 прописано, що навантаження на анкер визначаються в загальному випадку з умов рівноваги зовнішніх і внутрішніх сил в вузлі, що показано на малюнку 5.5. Так само зазначено, що опорна плита кріпильної деталі приймається абсолютно жорсткою, якщо максимальні напруження в ній не перевищують розрахункового опору сталі. Тобто, в цьому випадку не враховуються деформації опорної пластини і не враховується те, як ці деформації вплинуть на зусилля в анкерах або бетоні. В іншому випадку, якщо максимальні напруження перевищують розрахункові опори сталі, слід враховувати гнучкість пластини. Тут варто сказати про те, що навіть якщо максимальні напруження у вузлі не досягнуті, іншими словами у нас немає пластичних деформацій, все одно у вузлі будуть присутні пружні деформації, які якимось чином впливають на роботу вузла, в цьому випадку, як ви бачите на малюнку 5.6, через деформацію опорної плити, можуть виникати додаткові відпірні зусилля, які далі перерозподіляються на анкери.




Припущення щодо розподілу зусиль відповідно до жорсткої роботи елементу від стискаючої/розтягуючої/згинаючої сили:
•Відсутність деформації плити (пласкі поверхні залишаються незмінними)
•Зусилля розподіляється лінійно, через поперечний переріз опорної плити (відповідає "Гіпотезі Бернуллі" у залізобетоні)
•Відповідні механічні властивості розрахунку закріплення: поперечний переріз (𝐴𝑠) та модуль пружності (𝐸𝑠)
•Жорсткість бетону характеризується його модулем пружності

Принципові відмінності жорсткого і гнучкого підходів до проектування вузла опирання

Чи є жорсткий розрахунок безпечним?

Самі по собі, опорні плити є тонкими елементами і можуть деформуватися в залежності від своїх геометричних і фізичних характеристик і навантажень на вузол. Ігнорування деформацій пластини може призвести до неправильного визначення зусиль в анкерах. На прикладі нижче видно різницю в зусиллях на анкери при різних розрахункових схемах:
-У першому випадку у нас жорсткий розрахунок і розтягуюче зусилля 20 кН. Всі ці навантаження рівномірно розподілилася на чотири анкери.
-У другому випадку розрахунок з урахуванням пружно-пластичних деформацій, і ми бачимо, що у нас з'являється ефект важіля, що додає додаткові зусилля на анкери і кути опорної пластини тиснуть на бетонну основу.
-У третьому випадку наш розрахунок так само є гнучким, але ми поміняли розміри профілю щодо опорної плити і бачимо, що ефект важіля збільшився, за рахунок того, що край опорної пластини значно виходять за профіль, тепер тиск на бетон збільшився в 2 рази і навантаження на анкери значно вище, ніж, наприклад, в жорсткій схемі.



Вплив товщини опорної плити на зусилля, що виникають в опорному вузлі

Інший приклад, який показує, як жорсткість вузла впливає на виникаючі зусилля в анкерах. У нас є опорний вузол, до якого прикладено згинальний момент. Єдине, що змінювалося в цьому вузлі, це товщина опорної пластини. Індикаторами жорсткості вузла були взяті як раз-таки додаткові вириваючі зусилля в анкерах від згинального моменту. І тут на графіку ми бачимо, що, наприклад, при товщині 6 мм, пластина починає згинатися практично відразу, що призводить до великих додаткових зусиль в анкерах. Товщина пластини в 13 мм працює краще, але все одно є гнучкою і приблизно з 10 кНм починає деформуватися і додаткові зусилля на анкери так само присутні. За цим графіком видно, що плита з товщиною 125 мм поводиться як абсолютно жорстка. В будь-якому випадку, при проектуванні вузла не досягається межа текучості сталі і приклад досить перебільшений, але навіть при товщині плити в 25 мм, все одно на певному етапі зусилля в анкерах починають підвищуватися.



Типи пружно-пластичних деформацій

Давайте подивимося ще раз як це виглядає в перебільшеному варіанті. При розтягуванні кути опорної пластини тиснуть на основу і бетон під кутами пластини може кришитися. При цьому з'являється ефект важіля, що створює додаткові зусилля на анкери. У разі стиснення, концентрація напружень знаходиться безпосередньо під профілем, якби ми розглядали це завдання як жорстке, то все напруження рівномірно розподілилося під площею опорної пластини. Які ж з цього можна зробити висновки. По-перше, жорсткість вузла необхідно підтверджувати розрахунками. Якщо жорсткість вузла не враховується, можна неправильно оцінити навантаження на анкери.




Моделювання деформацій опорного вузла

В першу чергу хочеться розповісти про той метод, за яким здійснюється розрахунок. Для більш реалістичної поведінки опорної плити неможливе використання класичних формул і тут використовується компонентний метод кінцевих елементів (МКЕ). Дійсно, в рішенні таких задач дуже добре себе зарекомендував саме цей метод, тобто весь наш вузол розбитий на компоненти, які є взаємопов'язаними і взаємозалежними. Поведінка бетону моделюється відпірними зусиллями, анкери - розтягуючим зусиллями. Опорний вузол складається з наступних компонентів - профіль колони, опорна плита, ребра жорсткості, зварні шви, кожен елемент вузла моделюється відповідно до методу кінцевих елементів.




PROFIS ENGINEERING надає спеціальні інструменти для перевірки жорсткості вузла

При розрахунку за схемою, яка враховує пружно-пластичні деформації, програма так само зробить розрахунок за абсолютно жорсткою схемою. Після розрахунку з'явиться вікно порівняння двох цих методів розрахунку, в якому ми зможемо порівняти зусилля в анкерах і деформації. Є два ключових індикатори, за якими можна зробити висновок про жорсткість вузла. По-перше, це відхилення зусиль, воно не повинно перевищувати 10%, по-друге - відсутність критичних пластичних деформацій на пластині. Якщо при розрахунку ми бачимо, що ці умови у нас не виконуються, то вузол необхідно оптимізувати, іншими словами, підвищити його жорсткість.



Прийоми для оптимізації вузла

Нижче представлені методи оптимізації вузла. Першим і одним із найдієвіших способів є збільшення товщини опорної плити. Як впливає товщина опорної плити на зусилля в анкерах ми розбирали вище в статті і відмітили, що жорсткість плити збільшувалася тільки завдяки збільшенню цього показника. По-друге, можна поміняти розмір опорної плити по відношенню до розміру профілю, чим менше виступи опорної плити за профіль, тим менше вона деформується. Наступним методом є додавання ребер жорсткості, програмний комплекс дозволяє налаштовувати форму ребер і їх геометричні характеристики. Різні анкери так само впливають на жорсткість вузла, тут хочеться додати, що не можна вивантажити звіт, подивитися на зусилля в анкерах і замінити безпосередньо на будівельному майданчику на аналогічні анкери за несучою здатністю, в цьому випадку жорсткість опорного вузла може помінятися і на анкер будуть впливати абсолютно інші значення.




Основні висновки:

• Металоконструкції часто розраховуються в спеціалізованих розрахункових комплексах, проте вузли кріплення металоконструкцій до бетону не завжди опрацьовуються з такою ж ретельністю.
• Анкери необхідно розраховувати за нормативними документами (EN, ETAG і т. д.) і не закладати їх конструктивно або спираючись на значення з каталогу.
• Виявити найбільш несприятливу комбінацію навантажень вкрай складно без програмного забезпечення, яке охоплює розрахунок всіх елементів вузла.
• При розрахунку опорного вузла необхідно враховувати жорсткість і деформації всіх елементів вузла, так як всі компоненти вузла є взаємопов'язаними і взаємозалежними.

І в заключення...

Складові анкерного кріплення

Для коректного розрахунку необхідно враховувати спільну роботу всіх елементів вузла кріплення. Нажаль, часто цей розрахунок проектувальниками не виконується. В основному при підборі анкерів використовують або керівництва і каталоги з таблицями, або, в кращому випадку, програми від виробників, які не враховують роботу елементів кріплення і базового матеріалу. Також, буває, що при розрахунку металоконструкції в спеціалізованому ПЗ анкери вважають закладними елементами, допускаючи їх руйнування тільки по сталі, що теж не є коректним. До розрахунку бетону на зминання під опорною пластиною, як правило, черга не доходить, тут обмежуються лише конусом виколювання або руйнуванням кромки. І навіть якщо відповідально підходити до процесу проектування та перевіряти все - це зажадає від нас великих витрат часу і декількох програм.



PROFIS Engineering - комплексний розрахунок анкерного кріплення

PROFIS Engineering дозволить вам уникнути додаткових ітерацій при проектуванні виконуючи комплексний розрахунок з урахуванням роботи всіх елементів конструкції в одній програмі. Саме такий підхід є найбільш ефективним!



Як PROFIS Еngineering допомагає економити?

Крім цього, РROFIS Еngineering це не тільки програма для комплексного розрахунку анкерних кріплень, але ще і інструмент для підвищення ефективності Вашої роботи. Три основні переваги PE - саме вони і дозволяють суттєво економити час і ресурси:

• Імпорт навантажень
• Розрахунок з урахуванням пружно-пластичних деформацій
• Експорт в BIM і CAD програми

*дозволяють заощадити понад три години часу при розрахунку одного анкерного кріплення.

• Замовити програмне забезпечення ви можете тут.
• Ознайомитись з більш детальною інформацією по розрахунку ви можете тут.

З повагою,
команда Hilti