Важна техническа бележка и бележка за безопасност: Това е архивен образователен текст, а не структурен проект, статично изчисление, приложим стандарт, детайл на фугата или инструкция за изграждане, заваряване, бетониране, укрепване, предварително напрягане или рехабилитация. Всички оригинални формули, маркировки, размери, материали, процедури и претенции се прехвърлят без проверка съгласно днешните разпоредби. Проектирането и изпълнението на скачени стоманобетонни конструкции принадлежи изключително на оторизирани строителни инженери, строителни проектанти, изпълнители и надзор въз основа на конкретния обект, натоварване, почва, материал и приложими стандарти.
Свързаните конструкции не са специална услуга в настоящата публична оферта на Savo Kusić. Настоящият фокус е дървени прозорци, дърво-алуминиеви прозорци и нестандартни врати. За проект за прозорец или врата можете да изпратите заявка за оферта.
Въведение
В някои конструкции се използват стоманобетонни плочи върху стоманени опори, като тротоарни плочи на мостове върху I-надлъжни и напречни греди или тавани в сгради върху I-греди. Преди това такива системи бяха оразмерявани при предположението, че тези два елемента могат да се движат един с друг и че моментите в посока на главния участък се приемат само от стоманени опори. Бетонната плоча прехвърли натоварването върху стоманените греди, но не участва в получаването на съответните статични стойности (фиг. 1).
Изображение 1 — Свързан носач, система
При този метод на конструкция се предвиждат напречни фуги в бетонната плоча на редовни интервали, за да се даде възможност за свиване на стоманобетона и да се избегнат нежелани пукнатини, т.е. допълнителни напрежения. Опитът обаче показва, че действителните сили в такава система са значително различни от изчислените. При контакта между стоманобетонната плоча и стоманената опора възниква голямо количество триене (напрежение на сцепление), така че и двата елемента винаги си сътрудничат.
Недостатъкът на неочаквания ефект на свързване е появата на ефект на прорез върху фугите на бетонната плоча. Напреженията на срязване по опорната повърхност се увеличават рязко близо до съединението, подобно на напреженията на срязване в краищата на страничните шевове. Тъй като положението на нулевата линия на съединението практически не се променя, нормалните напрежения в стоманената опора могат да бъдат значително по-високи от изчислените за равномерно свързване. Започвайки от този прорез, може да настъпи овладяване на адхезията, което се разпространява по-нататък. Поради това фугите в тротоарната плоча не изпълняват ролята си и не са ефективни.
Свързани скоби
В случай на свързани греди се приема, че силите на срязване върху контактната повърхност между стоманената греда и бетонната плоча могат да бъдат безопасно предадени (сили в гредите). Правилото е бетонната плоча да лежи директно върху горния пояс на стоманената опора и да няма относителни движения. При това така наречено С твърдо свързване се използват специални средства за свързване (пръчки, стремена, анкери), които се вграждат в бетон.
Ще разгледаме случая на съединена греда с бетонна плоча без напречни фуги. Ако определено натоварване (напр. огъващ момент) действа само за кратко време, съответните напрежения и деформации Δσ, респ. Δε според елементарната якостна наука, подобно на стоманобетона. Напреженията в стоманата и бетона при определено удължение са свързани с техния модул на еластичност: σst/σb = Est/Eb = n. Ако натоварването е продължително, възникват деформации на бетона поради свиване и изтичане. Ако с ε0 = σ/E0 отбележим деформацията, дължаща се на краткотрайно натоварване в момента t = 0,, то деформацията нараства при постоянно натоварване, дължащо се на триене до момента t до стойността εt = ε0 (t + φt). При същите условия деформациите на провлачване се изчисляват така, сякаш са пропорционални на напреженията. Ето защо се казва, че законът на Hooke се прилага за деформации, дължащи се на потока. Коефициентът на поток φt зависи от времето, класа на бетона, външната температура, влажността на въздуха, момента на натоварване на елемента и др.
Вместо огъване според Bernoulli\ и Navier\ се появяват диференциални отношения, т.е. разпределението на напрежението трябва да се определи от диференциалното уравнение за потока. В резултат на потока напреженията в бетона намаляват, докато напреженията в стоманата се увеличават. Тези промени на напрежението зависят, в допълнение към размерите на напречното сечение, от еластичните размери и момента на натоварване. Подобни последици като от потока възникват от свиването на бетона. Степента на свиване εs зависи от бетона, метода на неговото производство, както и от климатичните условия. Свиването на бетона не зависи от натоварването, приложено към елемента.
Съединители
Съединителните средства трябва безопасно да пренасят всички сили на срязване в бетонните и стоманени повърхности в контакт, поради възникващите натоварвания, и по този начин да предотвратяват приплъзване. Освен това те трябва да поемат наклонените главни опъващи сили, ако поради техния размер самият бетонов участък не може да ги поеме. Големината на силите се определя съгласно елементарната теория на огъване. Разглеждат се следните свързващи агенти:
- Съединителни анкери: Те са кръгло или плоско желязо, заварени върху горния пояс на стоманената опора, които действат подобно на огъната армировка на стоманобетонни греди. Изработват се като куки или стремена, диагонално или вертикално. Тези котви действат само в една посока и не са ефективни, ако силата на срязване промени знака.
- Скоби: Те са прикрепени към горната повърхност на стоманената опора, могат да приемат сили на срязване и в двете посоки. Трябва да се прави разлика между меки и твърди мозъци по посока на силата на срязване. Меките мозъчни клетки претърпяват значителни деформации и неравномерно разпределят силите на срязване по повърхността си. Твърдите мозъци дават по-добро разпределение на силите при по-малки деформации.
Изображение 2 — Мост над река Рур близо до Herdecke
- Спирална арматура: Опира се върху стоманена опора и е заварена в точките на контакт. Спиралите не са подходящи за значителни съединителни сили. Същото важи и за гофрираната кръгла стомана. Като пример за средства за свързване на мостове, на фиг. 2 са показани гредите на моста над река Рур близо до Хердека (гредите 60x40 с вертикални стремена ϕ12, които са заварени към самите греди, за да се избегне по-нататъшно прорези от заваряване); на фиг. 3 средства за свързване на напречните греди на един мост, в зависимост от големината на напречната сила, бяха приложени странично заварени стремена за гредите, както и директно заварени стремена за горния пояс със специални трегери. При дългите стремена стремената могат да бъдат заварени и срещуположно, фиг. 4a. На фиг. 4b е показаното решение с наклонени стремена.
Фигура 3 — Напречна греда на един мост
Изображение 4 — Мозъци със стремена
В строителството се използват и твърди стремена със стремена или само стремена, но се срещат и решения с меки стремена, като напр. нитовани ъгли. По икономически причини по-често се използват съединителни анкери, които са челно заварени към стоманена опора (фиг. 5a) или лежат върху опората с един огънат край (фиг. 5b). На фиг. 5c показва съответното решение с изместени куки. На фиг. 6 показва нормално решение за таванни опори в сградната конструкция, а именно а) свързана опора, направена от I-греди, b) изработена от T-греди, която се създава чрез рязане на I-гредите. В краищата на опорите винаги трябва да се осигурят особено здрави крайни скоби (фиг. 7). Наклонените анкери се използват за въвеждане на напрежения от свиване и температура в плочата.
Изображение 5 — Съединителни анкери
Изображение 6 — Поддръжка на мецанинова структура
Оразмеряването на средствата за свързване се извършва съгласно елементарни принципи. Индивидуалните средства трябва да получават сила на срязване, съответстваща на тяхното разстояние. При оразмеряване на заварената връзка на мозъчния ствол трябва да се вземе предвид моментът на преобръщане.
Изображение 7 — а) Краен мозък със закотвяне; б) закрепване
Еластичен съединител
Предишните презентации бяха свързани с твърдо свързване, където относителното изместване между стоманената опора и плочата е равно на нула, а свързващите средства действат непрекъснато. Деформацията на свързващото средство, локалната деформация на бетона и стоманената опора се игнорира.
Изображение 8 — Скоба с еластичен съединител
При предположението за твърдо свързване, силите, предавани от индивидуалните средства за свързване, са пропорционални на напречната сила и разстоянието на мозъка. Ако в определени зони възникнат значителни относителни движения между стоманената опора и бетонната плоча, това причинява забележимо прегрупиране на силите. Бетонът може частично да спре да действа като притискаща плоча на свързана греда, при което максималните стойности на срязващите сили са значително намалени. На фиг. 8 е пример за конструкция с еластична връзка, подобна на моста над Рейн, Кьолн-Роденкирхен. На фиг. 9 показва ефекта на еластичното свързване върху непрекъсната опора за концентрирана сила и напълно равномерно разпределено натоварване. Преместването ψ, което е мярка за твърдостта на съединителя за приемане на срязване, е определено на фиг. 8. Следователно влиянието на еластичното съединяване е много голямо, ако свойствата на съединителя са целенасочено избрани да поемат срязване.
Фигура 9 — Пример за мост с еластична връзка
Изчисляване на свързани структури
По принцип е икономично дебелината на бетонната плоча да бъде възможно най-малка, като трябва да се спазват минималните дебелини, определени от нормативната уредба.
Статично определени конструкции
За статично определени конструкции (напр. прости греди), статичните влияния в общото сечение за определено натоварване са постоянни или независими от времето. Само огъващите моменти и нормалните сили в определени части на сечението са променливи поради ефектите на потока и свиването.
Ефектът от свиването може да бъде представен като съответна температурна разлика между стоманената опора и бетонната плоча. В резултат на свиването на бетона се появяват вътрешни напрежения в свързаното сечение, а именно напрежения на опън от свиване в бетона, чието свиване е предотвратено от влиянието на стоманената опора (както и самата армировка), докато в стоманеното сечение възникват съответните напрежения на натиск (фиг. 10). Свиването се увеличава с времето до крайна стойност според една експоненциална функция. Тъй като напрежението на свиване също се увеличава с деформациите на свиване, възниква така нареченият поток на свиване.
Фигура 10 — а) Свиване на свободна плоча без свързване; б) напрежения, дължащи се на свиване в съединени опори
В зависимост от статичната система, която поема собственото тегло на бетонната плоча, тя се различава: свързване само за движещия се товар (само стоманената опора поема собственото си тегло, а свързаната система получава само товарите, които действат върху завършената конструкция), свързване за собственото тегло и движещия се товар (цялото собствено тегло и движещият се товар действат върху свързаната система).
Първият случай възниква, когато стоманените греди служат като кофражни подпори, без да се поддържат, и по време на бетонирането могат да се огънат на полето (фиг. 11a). В този случай самата стоманена опора поема тежестта на бетона и кофража. Свързването става само когато бетонът е достатъчно твърд (фиг. 11b), така че опората не трябва да се натоварва веднага след бетонирането, за да се избегне повреда или прекомерно изтичане на бетона.
Във втория случай, когато собственото тегло на бетонната плоча се поема и от свързаната система (фиг. 11c), се приема, че стоманената опора е поддържана по време на бетонирането на достатъчно места, така че да не получава значителни моменти на огъване. Разпределението на напрежението след отстраняване на скелето е показано на фиг. 11d.
Фигура 11 — Съединител за движещ се и неподвижен товар, с разпределение на напрежението преди и след премахване на скелето
Предварително зареждане
В случай на прости греди, по-малки напрежения на опън възникват в бетона само поради свиване и температурна разлика. Появяват се значителни напрежения на опън в надвесени греди, непрекъснати греди и други конструкции, които могат да причинят пукнатини в бетона. Ако се появят пукнатини в областта на отрицателните моменти, ефектът на свързване се губи. Поради това е полезно да се предизвикат малки напрежения на натиск в бетонната плоча предварително, за да се избегне безопасно образуването на пукнатини поради свиване на бетона. Напреженията на опън в бетонната плоча на свързаните греди могат да бъдат намалени:
1. Чрез съответно отрицателно предварително натоварване на стоманената греда (предварително опъване на горния ръб). В същото време трябва внимателно да се проучи последователността на бетонирането.
2. Чрез повдигане и спускане на средните опори на непрекъснати опори. при което, с подходяща процедура, могат да бъдат причинени напрежения на натиск в бетонната плоча на съединената опора.
3. Чрез предварително напрягане. Най-простият случай е, когато свободна бетонна плоча е предварително напрегната и едва след това е свързана към стоманена опора. Предимството на тази процедура е сравнително малка сила на предварително напрягане, тъй като компресираният пояс на стоманената опора не е предварително напрегнат. Тази греда получава моменти на огъване само поради течението и свиването на бетонната плоча, така че остава права поради силата на предварително напрягане. На фиг. 12a показва разпределението на напрежението за този случай на предварително напрягане (t=0), а на фиг. 12b крайно състояние в края на потока (t=tE) и на фиг. 12c напрежения на огъване поради краткотрайно моментно натоварване (t=a). На фиг. 12d показва разпределението на напрежението за t=0 в случай на предварително напрягане на залепената бетонна плоча.
Фигура 12 — Предварително напрягане на свободностояща бетонна плоча с последващо свързване
Статично неопределени конструкции
Непрекъснатите греди и подобни конструкции получават отрицателни моменти на огъване, които често причиняват големи напрежения на опън в стоманобетонната плоча. Пукнатините са нежелателни, особено при мостове, като се има предвид експлоатационният живот на свързаните греди и ефектът от прорези върху пукнатините. Статично неопределените системи се изчисляват за краткотрайни натоварвания (движещи се товари) съгласно обичайните методи за статика за непроменена система. Съответните статични величини и деформации са същите като в идеално еластична система. Под въздействието на постоянно натоварване, особено високо предварително напрягане, винаги се получава голям поток. При определяне на силата на предварително напрягане трябва да се вземе предвид триенето на огънатите напрегнати елементи. По време на строителството надвесът на съединените мостове трябва да бъде внимателно избран. Готовите съединени опори са много твърди, така че е почти невъзможно да се направят последващи корекции на позицията на височината. Крайното ниво се постига едва след няколко години, като се има предвид потока. Това изравняване е несигурно до известна степен, тъй като ефектите от свиването и втечняването са променливи в зависимост от климатичните условия, които не могат да бъдат предвидени.
Заключение
Приложението на съединителя не се ограничава до ламаринени греди, но може да включва и опори за укрепване на греди на Лангер, висящи мостове и др., както и решетъчни греди с платно нагоре или надолу. Решетъчни мостове - високи напрежения на опън възникват в пътните плочи близо до пътното платно отдолу, тъй като тези плочи трябва да следват в по-голяма или по-малка степен удължението на опънатия пояс на главния трегер. Необходимо е подходящо надлъжно предварително напрягане, за да се избегнат пукнатини. На фиг. 13 е граничен случай, при който стоманената решетка вече изобщо няма долен пояс, а неговата роля се поема изцяло от стоманобетонна плоча, предварително напрегната в двете посоки. На фиг. 13b канали на напречно сечение 60x180 mm могат да се видят в самата опора.
Изображение 13 — Мост Gahle: а) участък; б) кръстовище на долния пояс, вляво при главната гара, вдясно при Vešaljka