Belangrike tegniese en veiligheidskennisgewing: Hierdie is ’n argivale opvoedkundige teks, nie ’n struktuurontwerp, statiese berekening, toepaslike standaard, voegdetail of instruksie vir konstruksie, sweiswerk, beton, versterking, voorspanning of rehabilitasie nie. Alle oorspronklike formules, merke, afmetings, materiale, prosedures en eise word oorgedra sonder verifikasie volgens vandag se regulasies. Die ontwerp en uitvoering van gekoppelde staal-beton strukture behoort uitsluitlik aan gemagtigde siviele ingenieurs, strukturele ontwerpers, kontrakteurs en toesig gebaseer op die spesifieke voorwerp, vrag, grond, materiaal en toepaslike standaarde.
Gekoppelde konstruksies is nie ’n spesiale diens in die huidige openbare aanbod van Savo Kusić nie. Die huidige fokus is houtvensters, hout-aluminiumvensters en pasgemaakte deure. Vir ’n venster- of deurprojek kan jy versoek om kwotasie stuur.
Inleiding
In sommige konstruksies word gewapende betonblaaie op staalstutte gebruik, soos plaveiselblaaie van brûe op I-langs- en dwarsbalke of plafonne in geboue op I-balke. Voorheen is sulke stelsels gedimensioneer onder die veronderstelling dat hierdie twee elemente met mekaar kan beweeg en dat momente in die rigting van die hoofspan slegs deur staalstutte ontvang is. Die betonblad het die las na die staalbalke oorgedra, maar het nie deelgeneem aan die ontvangs van die ooreenstemmende statiese waardes nie (fig.1).
Figuur 1 — Gekoppelde draer, stelsel
Vir hierdie metode van konstruksie word dwarsvoegings met gereelde tussenposes in die betonblad voorsien om die krimp van die gewapende beton moontlik te maak en ongewenste krake, d.w.s. aanvullende spannings, te vermy. Ervaring het egter getoon dat die werklike kragte in so ’n stelsel aansienlik verskil van dié wat bereken is. By die kontak tussen die gewapende betonblad en die staalsteun vind ’n groot wrywing (adhesiespanning) plaas, sodat beide elemente altyd saamwerk.
Die nadeel van die onverwagte koppelingseffek is die voorkoms van ’n kerf-effek op die lasse van die betonblad. Skuifspanning langs die aanligoppervlak neem skerp toe naby die voeg, soortgelyk aan skuifspannings aan die punte van sy-nate. Aangesien die posisie van die nullyn by die las feitlik nie verander nie, kan die normale spannings in die staalsteun aansienlik hoër wees as dié wat vir eenvormige koppeling bereken word. Vanaf hierdie kerf kan adhesiebemeestering plaasvind wat verder versprei. Daarom vervul die lasse in die plaveiselblad nie hul rol nie en is nie effektief nie.
Gekoppelde hakies
In die geval van gekoppelde stutte, word aanvaar dat die skuifkragte op die kontakoppervlak tussen die staalsteun en die betonblad veilig oorgedra kan word (kragte in die balke). Die reël is dat die betonblad direk op die boonste band van die staalsteun rus en dat daar geen relatiewe bewegings is nie. By hierdie sogenaamde Met rigiede koppeling word spesiale verbindingsmiddels (spille, beuels, ankers) gebruik wat in beton ingebed is.
Ons sal die geval van ’n gekoppelde balk met ’n betonblad sonder dwarsverbindings oorweeg. Indien ’n sekere las (bv. buigmoment) slegs vir ’n kort tyd inwerk, sal die ooreenstemmende spannings en vervormings Δσ, resp. Δε volgens elementêre sterktewetenskap, soortgelyk aan gewapende beton. Spannings in staal en beton, by ’n sekere verlenging, staan in verhouding tot hul elastisiteitsmodulus: σst/σb = Est/Eb = n. As die las langtermyn is, vind vervormings van die beton as gevolg van krimping en vloei plaas. As met ε0= σ/E0 merk die vervorming as gevolg van korttermynlading op die oomblik t =0, die vervorming neem toe onder permanente las as gevolg van wrywing tot die oomblik t tot die waarde εt = ε0(t + φt). Onder dieselfde toestande word opbrengsvervormings bereken asof dit eweredig aan spannings is. Daarom word gesê dat Hooke se wet van toepassing is op vervormings as gevolg van vloei. Die vloeikoëffisiënt φt hang af van tyd, klas beton, eksterne temperatuur, lugvogtigheid, moment van laai van die element, ens.
In plaas daarvan om te buig volgens Bernoulli\ en Navier, verskyn differensiaalverwantskappe, dit wil sê die spanningsverspreiding moet uit die differensiaalvergelyking vir vloei bepaal word. As gevolg van vloei neem die spannings in die beton af, terwyl die spannings in die staal toeneem. Hierdie spanningsveranderinge hang, benewens die dwarssnitafmetings, af van die elastiese afmetings en die lasmoment. Soortgelyke gevolge as van vloei vind plaas as gevolg van krimping van beton. Die hoeveelheid krimpmaatreëls εs hang af van die beton, die metode van produksie daarvan, asook van die klimaatstoestande. Betonkrimping hang nie af van die las wat op die element toegepas word nie.
Koppel beteken
Die koppelmiddel moet alle skuifkragte veilig oordra in die beton- en staaloppervlaktes wat in kontak is, as gevolg van die belastings wat voorkom, en sodoende gly voorkom. Daarbenewens moet hulle die skuins hoofspanningskragte ontvang, as die betongedeelte dit nie self kan ontvang nie weens hul grootte. Die grootte van die kragte word bepaal volgens die elementêre buigteorie. Die volgende word as koppelingsmiddele beskou:
- Koppelankers: Dit is ronde of plat ysterplate, vasgesweis aan die boonste band van die staalsteun, wat soortgelyk optree as gebuigde versterking van gewapende betonbalke. Hulle word gemaak as hake of beuels, skuins of vertikaal. Hierdie ankers werk net in een rigting en is nie effektief as die skuifkrag van teken verander nie.
- Hakies: Hulle is aan die boonste oppervlak van die staalsteun vasgemaak, hulle kan skuifkragte in beide rigtings ontvang. Daar moet onderskei word tussen sagte en rigiede breine in die rigting van die skuifkrag. Sagte breinselle ly aansienlike vervormings en versprei die skuifkragte oneweredig oor hul oppervlak. Rigiede breine gee ’n beter verspreiding van kragte met kleiner vervormings.
Beeld 2 — Brug oor die Ruhrrivier naby Herdecke
- Spiraalversterking: Dit rus op ’n staalsteun en is by die raakpunte gesweis. Spirale is nie geskik vir beduidende koppelkragte nie. Dieselfde geld vir geriffelde ronde staal. As ’n voorbeeld van middele vir koppeling op brûe, in fig. 2 word die balke van die brug oor die Ruhr naby Herdecka gewys (balke 60x40 met vertikale stiebeuels ϕ12, wat vanself aan die sweisbalke vasgesweis is om nie verder te sweis nie); in fig. 3 middels vir die koppeling van die dwarsbalke van een brug, afhangende van die grootte van die dwarskrag, is sywaarts gelaste beuels vir die balke, sowel as direk gelaste beuels vir die boonste band met spesiale balke, toegepas. In die geval van lang beuels kan die beuels ook aan die teenoorgestelde kante gesweis word, fig. 4a. In fig. 4b is die getoonde oplossing met skuins beuels.
Figuur 3 — Dwarssteun van een brug
Beeld 4 — Breine met beuels
In boukonstruksie word rigiede beuels met beuels of net beuels ook gebruik, maar oplossings met sagte beuels word ook aangetref, soos bv. vasgenaelde hoeke. Om ekonomiese redes word koppelingsankers meer dikwels gebruik, wat aan ’n staalsteun vasgesweis is (fig. 5a), of met een gebuigde punt op die steun rus (fig. 5b). In fig. 5c toon die ooreenstemmende oplossing met verplaasde hake. In fig. 6 toon ’n normale oplossing vir plafonstutte in geboukonstruksie, naamlik a) ’n gekoppelde steun gemaak van I-balke, b) gemaak van T-balke, wat geskep word deur die I-balke te sny. Aan die punte van die stutte moet veral sterk eindstutte altyd voorsien word (fig. 7). Skuins ankers word gebruik om spanning van krimping en temperatuur in die blad in te voer.
- Foto5— Koppelankers*
- Foto6— Ondersteuning van die mezzanine-struktuur*
Dimensionering van die middele vir koppeling word volgens elementêre beginsels uitgevoer. Individuele middele moet ’n skuifkrag ontvang wat ooreenstem met hul spasiëring. Wanneer die sweisverbinding van die brein gedimensioneer word, moet die omdraaimoment in ag geneem word.
- Foto7— a) Eindbrein met anker; b) anker*
Elastiese koppeling
Vorige aanbiedings het verwys na rigiede koppeling, waar die relatiewe verplasing tussen die staalsteun en die plaat gelyk is aan nul, en die koppelingsmiddele werk voortdurend. Die vervorming van die koppelmiddel, die plaaslike vervorming van die beton en die staalsteun is afgeskeep.
- Foto8— Beugel met elastiese koppeling*
Onder die aanname van rigiede koppeling is die kragte wat deur individuele koppelingsmiddele oorgedra word eweredig aan die dwarskrag en die spasiëring van die brein. Indien beduidende relatiewe bewegings tussen die staalsteun en die betonblad in sekere gebiede voorkom, veroorsaak dit ’n merkbare hergroepering van kragte. Beton kan gedeeltelik ophou om as ’n drukplaat van ’n gekoppelde balk op te tree, waardeur die maksimum waardes van skuifkragte aansienlik verminder word. In fig.8’n voorbeeld van ’n konstruksie met elastiese koppeling word gegee, soortgelyk aan dié van die brug oor die Ryn, Koln-Rodenkirchen. In fig.9die effek van elastiese koppeling op ’n deurlopende ondersteuning word getoon, vir ’n gekonsentreerde krag en ’n ten volle eweredig verspreide las. Die verplasing ψ, wat ’n maatstaf is van die styfheid van die koppeling vir die ontvangs van skuif, word in fig.8. Die invloed van die elastiese koppeling is dus baie groot, indien die eienskappe van die koppeling doelgerig gekies word om skuif te ontvang.
- Foto9— Voorbeeld vir ’n brug met elastiese koppeling*
Berekening van gekoppelde konstruksies
In beginsel is dit ekonomies dat die dikte van die betonblad so klein as moontlik moet wees, terwyl die minimum diktes wat deur die regulasies bepaal word, nagekom moet word.
Staties-bepaalde strukture
In die geval van staties-bepaalde konstruksies (bv. eenvoudige balke), is die statiese invloede in die gemeenskaplike seksie vir ’n sekere las konstant, of onafhanklik van tyd. Slegs die buigmomente en normaalkragte in sekere dele van die gedeelte is veranderlik as gevolg van die effekte van vloei en krimping.
Die effek van krimping kan voorgestel word as ’n ooreenstemmende temperatuurverskil tussen die staalsteun en die betonblad. As gevolg van betonkrimping kom inwendige spanninge in die gekoppelde seksie voor, naamlik trekspannings van krimp in die beton, waarvan die krimping deur die invloed van die staalsteun (asook die wapening self) voorkom word, terwyl ooreenstemmende drukspannings in die staalgedeelte voorkom (fig. 10). Krimp neem toe met tyd tot ’n finale waarde volgens ’n enkele eksponensiële funksie. Aangesien krimpspanning ook toeneem met krimpvervormings, lei dit tot die sogenaamde krimpvloei.
Figuur 10 — a) Sametrekking van vrye plaat sonder koppeling; b) spannings as gevolg van krimping in gekoppelde stutte
Afhangende van die statiese stelsel wat die selfgewig van die betonblad aanneem, is daar ’n verskil: koppeling slegs vir die bewegende vrag (die selfgewig word slegs deur die staalsteun aanvaar, en die gekoppelde sisteem ontvang slegs die laste wat op die voltooide struktuur inwerk), koppeling vir die eie gewig en die bewegende las-werk op die eie gewig en die bewegende las-werk op die stelsel).
Die eerste geval vind plaas wanneer die staalbalke as bekistingsstutte dien, sonder om ondersteun te word, en tydens betonwerk kan hulle in die veld buig (fig. 11a). In hierdie geval neem die staalsteun self die gewig van die beton en bekisting. Verbinding vind slegs plaas wanneer die beton hard genoeg is (fig. 11b), dus moet die ondersteuning nie onmiddellik na beton gelaai word nie, om skade of oormatige vloei van die beton te vermy.
In die tweede geval, wanneer die selfgewig van die betonblad ook deur die gekoppelde stelsel ontvang word (fig. 11c), word aanvaar dat die staalsteun tydens beton op voldoende plekke ondersteun word, sodat dit nie noemenswaardige buigmomente ontvang nie. Die spanningsverspreiding na die verwydering van die steierwerk word in fig. 11d.
Figuur 11 — Koppelstuk vir bewegende en dooie vrag, met spanningverspreidings voor en na die verwydering van die steierwerk
Voorlaai
In die geval van eenvoudige balke kom kleiner trekspannings slegs in beton voor as gevolg van krimping en temperatuurverskil. Aansienlike trekspannings kom voor in oorhangbalke, aaneenlopende balke en ander strukture, en dit kan krake in die beton veroorsaak. As krake in die omgewing van negatiewe oomblikke voorkom, gaan die koppelingseffek verlore. Daarom is dit nuttig om vooraf klein drukspannings in die betonblad te veroorsaak om die vorming van krake as gevolg van betonkrimping veilig te vermy. Trekspannings in die betonblad van gekoppelde balke kan verminder word:
1. Deur ooreenstemmende negatiewe voorlading van die staalbalk (voorspanning van die boonste rand). Die volgorde van betonwerk moet noukeurig bestudeer word.
2. Deur die middelstutte van deurlopende stutte op te lig en te verlaag. waardeur, met die toepaslike prosedure, drukspannings in die betonblad van die gekoppelde ondersteuning veroorsaak kan word.
3. Deur voorspanning. Die eenvoudigste geval is wanneer ’n vrye betonblad voorgespan word, en eers daarna aan ’n staalsteun gekoppel word. Die voordeel van hierdie prosedure is ’n relatief klein voorspankrag, aangesien die saamgeperste band van die staalsteun nie voorgespan is nie. Hierdie balk kry buigmomente slegs as gevolg van die vloei en krimping van die betonblad, so dit bly reguit as gevolg van die voorspankrag. In fig.12en die spanningsverspreiding vir hierdie geval van voorspanning word getoon (t=0), en in fig.12b finale toestand aan die einde van vloei (t=tE) en in fig.12c buigspannings as gevolg van korttermyn-momentbelading (t=a). In fig.12d toon die spanningsverspreiding vir t=0 in die geval van voorspanning van die gebonde betonblad.
- Foto12— Voorspanning van ’n vrystaande betonblad met daaropvolgende koppeling*
Staties onbepaalde konstruksies
Deurlopende balke en soortgelyke strukture ontvang negatiewe buigmomente, wat dikwels hoë trekspannings in die gewapende betonblad veroorsaak. Krake is ongewens, veral in brûe, met inagneming van die lewensduur van die gekoppelde balke en die effek van kepe op die krake. Staties onbepaalde stelsels word bereken vir korttermynladings (bewegende vragte) volgens die gewone metodes van statika vir ’n onveranderde stelsel. Die ooreenstemmende statiese hoeveelhede en vervormings is dieselfde as in ’n ideaal elastiese stelsel. Onder die effek van konstante laai, veral hoë voorspanning, vind groot vloei altyd plaas. By die bepaling van die voorspankrag moet die wrywing van die gebuigde voorspanelemente in ag geneem word. Tydens konstruksie moet die oorhang van gekoppelde brûe versigtig gekies word. Klaargemaakte gekoppelde stutte is baie styf, so dit is byna onmoontlik om daaropvolgende regstellings van die hoogteposisie te maak. Die finale vlak word eers na ’n paar jaar bereik, met inagneming van die vloei. Daardie nivellering is tot ’n mate onseker, aangesien die uitwerking van krimping en vloei veranderlik is, afhangende van klimaatstoestande wat nie voorspel kan word nie.
Gevolgtrekking
Die toepassing van koppeling is nie beperk tot plaatmetaalbalke nie, maar kan ook stutte insluit vir die verstywing van Langer-balke, hangbrûe, ens. asook traliebalke met ’n rybaan op of af. Traliebrûe - hoë trekspannings kom voor in die padblaaie naby die ryvlak onder, aangesien hierdie blaaie in ’n mindere of meerdere mate die verlenging van die gespanne gordel van die hoofbalk moet volg. Voldoende longitudinale voorspanning word vereis om krake te vermy. In fig. 13 is ’n grensgeval waarin die staalrooster nie meer ’n onderste band het nie, en sy rol word heeltemal oorgeneem deur ’n gewapende betonblad wat in beide rigtings voorgespan is. In fig. 13b jy kan die dwarssnitkanale 60x180 mm in die ondersteuning self sien.
Beeld 13 — Gahle-brug: a) seksie; b) aansluiting van die onderste gordel, links by die hoofstasie, regs by Vešaljka