Avís tècnic i de seguretat important: Aquest és un text educatiu d’arxiu, no un disseny estructural, càlcul estàtic, norma aplicable, detall d’unió o instruccions per a la construcció, soldadura, formigonat, apuntalat, pretensat o rehabilitació. Totes les fórmules, marques, dimensions, materials, procediments i reclamacions originals es transfereixen sense verificació segons la normativa actual. El disseny i l’execució d’estructures acoblades acer-formigó corresponen exclusivament a enginyers civils, dissenyadors estructurals, contractistes i supervisió autoritzats en funció de l’objecte, càrrega, sòl, material i normes aplicables concrets.
Les construccions connectades no són un servei especial en l’oferta pública actual de Savo Kusić. El focus actual és finestres de fusta, finestres de fusta i alumini i portes personalitzades. Per a un projecte de finestra o porta, podeu enviar sol·licitud de pressupost.
Introducció
En algunes construccions s’utilitzen lloses de formigó armat sobre suports d’acer, com ara lloses de paviment de ponts sobre bigues I-longitudinals i transversals o sostres en edificis sobre bigues I. Anteriorment, aquests sistemes es dimensionaven en el supòsit que aquests dos elements podien moure’s entre si i que els moments en la direcció de la llum principal eren rebuts només per suports d’acer. La llosa de formigó va transferir la càrrega a les bigues d’acer, però no va participar en la recepció dels valors estàtics corresponents (fig.1).
Imatge 1 — Portador acoblat, sistema
Per a aquest mètode de construcció es preveuen juntes transversals a la llosa de formigó a intervals regulars, per tal de permetre la contracció del formigó armat i evitar esquerdes indesitjables, és a dir, tensions suplementàries. Tanmateix, l’experiència ha demostrat que les forces reals en aquest sistema són significativament diferents de les calculades. En el contacte entre la llosa de formigó armat i el suport d’acer, es produeix una gran fricció (esforç d’adhesió), de manera que tots dos elements cooperen sempre.
El desavantatge de l’efecte d’acoblament no previst és l’aparició d’un efecte d’osca a les juntes de la llosa de formigó. Les tensions de cisalla al llarg de la superfície del contrafort augmenten bruscament prop de la unió, de manera similar a les tensions de cisalla als extrems de les costures laterals. Atès que la posició de la línia zero a la unió pràcticament no canvia, les tensions normals en el suport d’acer poden ser significativament superiors a les calculades per a l’acoblament uniforme. A partir d’aquesta osca, es pot produir un domini de l’adhesió que s’estén més. Per tant, les juntes de la llosa del paviment no compleixen la seva funció i no són efectives.
Portadors acoblats
En el cas de suports acoblats, s’assumeix que les forces de cisalla a la superfície de contacte entre el suport d’acer i la llosa de formigó es poden transmetre de manera segura (forces a les bigues). La regla és que la llosa de formigó descansi directament sobre la cinta superior del suport d’acer i que no hi hagi moviments relatius. En aquest anomenat amb acoblament rígid, s’utilitzen mitjans especials de connexió (barres, estreps, ancoratges), que s’encasten al formigó.
Considerarem el cas d’una biga acoblada amb una llosa de formigó sense juntes transversals. Si una determinada càrrega (per exemple, moment de flexió) actua només durant un temps curt, els esforços i deformacions corresponents Δσ, resp. Δε segons la ciència de la resistència elemental, semblant al formigó armat. Les tensions en acer i formigó, a un cert allargament, es mantenen en relació amb el seu mòdul d’elasticitat: σst/σb = Est/Eb = n. Si la càrrega és a llarg termini, es produeixen deformacions del formigó a causa de la contracció i el flux. Si amb ε0= σ/E0 marqueu la deformació deguda a la càrrega a curt termini en el moment t =0, la deformació augmenta sota càrrega permanent per fregament fins al moment t fins al valor εt = ε0(t + φt). En les mateixes condicions, les deformacions de fluència es calculen com si fossin proporcionals a les tensions. Per això es diu que la llei de Hooke s’aplica a les deformacions degudes al flux. El coeficient de cabal φt depèn del temps, classe de formigó, temperatura exterior, humitat de l’aire, moment de càrrega de l’element, etc.
En lloc de flexionar segons Bernoulli\ i Navier, apareixen relacions diferencials, és a dir, la distribució de l’esforç s’ha de determinar a partir de l’equació diferencial del flux. Com a resultat del flux, les tensions en el formigó disminueixen, mentre que les tensions en l’acer augmenten. Aquests canvis de tensió depenen, a més de les dimensions de la secció transversal, de les dimensions elàstiques i del moment de càrrega. Les conseqüències similars a les del flux es produeixen per la contracció del formigó. La quantitat de mesures de contracció εs depèn del formigó, del mètode de producció, així com de les condicions climàtiques. La contracció del formigó no depèn de la càrrega aplicada a l’element.
Mitjans d’acoblament
Els mitjans d’acoblament han de transferir de manera segura totes les forces de cisalla a les superfícies de formigó i acer en contacte, a causa de les càrregues que es produeixen, i així evitar el lliscament. A més, haurien de rebre les forces de tensió principals obliqües, si a causa de la seva mida, el propi tram de formigó no les pot rebre. La mida de les forces es determina segons la teoria elemental de flexió. Es consideren els següents agents d’acoblament:
- Ancoratges d’acoblament: Són plaques de ferro rodones o planes, soldades a la corretja superior del suport d’acer, que actuen de manera similar al reforç doblegat de bigues de formigó armat. Es fan en forma de ganxos o estreps, en diagonal o en vertical. Aquests ancoratges només actuen en una direcció i no són efectius si la força de tall canvia de signe.
- Suports: estan units a la superfície superior del suport d’acer, poden rebre forces de tall en ambdues direccions. S’ha de distingir entre cervells tous i rígids en la direcció de la força de cisalla. Les cèl·lules cerebrals toves pateixen deformacions importants i distribueixen de manera desigual les forces de cisalla per la seva superfície. Els cervells rígids donen una millor distribució de forces a deformacions més petites.
Imatge 2 — Pont sobre el riu Ruhr prop de Herdecke
- Reforç en espiral: recolza sobre un suport d’acer i està soldat als punts de contacte. Les espirals no són adequades per a forces d’acoblament importants. El mateix passa amb l’acer rodó ondulat. Com a exemple de mitjans d’acoblament en ponts, a la fig. 2 es mostren les bigues del pont sobre el Ruhr a prop d’Herdecka (bigues 60x40 amb estreps verticals ϕ12, que s’evitaran de soldar, per ordre de soldadura, a les bigues); a la fig. 3 mitjans per connectar les bigues transversals d’un pont, depenent de la mida de la força transversal, es van aplicar estreps soldats lateralment per a les bigues, així com estreps soldats directament per a la cinta superior amb bigues especials. En el cas dels estreps llargs, els estreps també es poden soldar per costats oposats, fig. 4a. A la fig. 4b és la solució mostrada amb estreps inclinats.
Figura 3 — Suport transversal d’un pont
Imatge 4 — Cervells amb estreps
En la construcció d’edificis, també s’utilitzen estreps rígids amb estreps o simplement estreps, però també es troben solucions amb estreps tous, com p. cantonades reblades. Per raons econòmiques, s’utilitzen més sovint ancoratges d’acoblament, que estan soldats a tope a un suport d’acer (fig. 5a), o recolzats sobre el suport amb un extrem doblegat (fig. 5b). A la fig. 5c mostra la solució corresponent amb ganxos desplaçats. A la fig. 6 mostra una solució normal per als suports del sostre en la construcció d’edificis, és a dir, a) un suport acoblat fet de bigues en I, b) fet amb bigues en T, que es crea tallant les bigues en I. Als extrems dels suports, s’han de disposar sempre tirants extrems especialment forts (fig. 7). Els ancoratges inclinats s’utilitzen per introduir esforços per contracció i temperatura a la llosa.
Imatge5— Ancores d’acoblament
Imatge6— Suport de l’estructura entresòl
El dimensionament dels mitjans d’acoblament es realitza segons principis elementals. Els mitjans individuals han de rebre una força de tall corresponent a la seva distància. A l’hora de dimensionar la connexió soldada del cervell, s’ha de tenir en compte el moment de bolcada.
Imatge7— a) Acabar el cervell amb ancoratge; b) ancoratge
Acoblament elàstic
Presentacions anteriors s’han referit a acoblament rígid, on el desplaçament relatiu entre el suport d’acer i la placa és igual a zero, i els mitjans d’acoblament actuen contínuament. Es va descuidar la deformació dels mitjans d’acoblament, la deformació local del formigó i el suport d’acer.
Imatge8— Suport amb acoblament elàstic
Sota l’assumpció d’acoblament rígid, les forces transmeses per mitjans individuals d’acoblament són proporcionals a la força transversal i l’espaiat del cervell. Si en determinades zones es produeixen moviments relatius importants entre el suport d’acer i la llosa de formigó, això provoca un notable reagrupament de forces. El formigó pot deixar d’actuar parcialment com a placa de pressió d’una biga acoblada, de manera que els valors màxims de les forces de tall es redueixen significativament. A la fig.8es dóna un exemple de construcció amb un acoblament elàstic, semblant al pont sobre el Rin, Koln-Rodenkirchen. A la fig.9es mostra l’efecte de l’acoblament elàstic sobre un suport continu, per a una força concentrada i una càrrega totalment distribuïda de manera uniforme. A la fig.8. La influència de l’acoblament elàstic és, per tant, molt gran, si les característiques de l’acoblament s’escullen a propòsit per rebre cisalla.
Imatge9— Exemple de pont amb acoblament elàstic
Càlcul de construccions acoblades
En principi, és econòmic que el gruix de la llosa de formigó sigui el més petit possible, mentre que s’han de respectar els gruixos mínims determinats per la normativa.
Estructures determinades estàticament
En el cas de construccions determinades estàticament (per exemple, bigues simples), les influències estàtiques en la secció comuna per a una determinada càrrega són constants, o independents del temps. Només els moments de flexió i les forces normals en determinades parts de la secció són variables a causa dels efectes del flux i la contracció.
L’efecte de la contracció es pot representar com una diferència de temperatura corresponent entre la biga d’acer i la llosa de formigó. Com a resultat de la contracció del formigó, apareixen esforços interns a la secció acoblada, és a dir, esforços de tracció per contracció del formigó, la contracció dels quals s’impedeix per la influència del suport d’acer (així com de la pròpia armadura), mentre que els esforços de compressió corresponents es produeixen a la secció d’acer (Fig.10). La contracció augmenta amb el temps fins a un valor final segons una única funció exponencial. Com que les tensions de contracció també augmenten amb les deformacions de contracció, això dóna lloc a l’anomenat flux de contracció.
Imatge10— a) Encongiment de la placa lliure sense acoblament; b) esforços per contracció en suports acoblats
En funció del sistema estàtic que assumeix el pes propi de la llosa de formigó, es diferencia: acoblament només per a la càrrega mòbil (només el suport d’acer agafa el seu propi pes, i el sistema acoblat només rep les càrregues que actuen sobre l’estructura acabada), acoblament pel propi pes i càrrega mòbil (tot el pes propi i la càrrega mòbil actuen sobre el sistema acoblat).
El primer cas es produeix quan les bigues d’acer serveixen com a bigues d’encofrat, sense suportar-se, i durant el formigonat es poden doblegar al camp (fig.11a). En aquest cas, el propi suport d’acer assumeix el pes del formigó i l’encofrat. L’enllaç només es produeix quan el formigó és prou dur (Fig.11b), i el suport no s’ha de carregar immediatament després del formigonat, per tal d’evitar danys o flux excessiu de formigó.
En el segon cas, quan el pes propi de la llosa de formigó també és rebut pel sistema acoblat (fig. 11c), s’assumeix que el suport d’acer està recolzat durant el formigonat en llocs suficients, de manera que no rebi moments de flexió significatius. La distribució de tensió després de retirar la bastida es mostra a la fig. 11d.
Figura 11 — Acoblament per a càrrega mòbil i morta, amb distribucions de tensió abans i després de la retirada de la bastida
Precàrrega
En el cas de bigues simples, es produeixen esforços de tracció més petits en el formigó només a causa de la contracció i la diferència de temperatura. Es produeixen esforços de tracció substancials en bigues en voladís, bigues contínues i altres estructures, i poden provocar esquerdes al formigó. Si apareixen esquerdes a la zona dels moments negatius, l’efecte d’acoblament es perd. Per tant, és útil induir amb antelació petites tensions de compressió a la llosa de formigó per evitar amb seguretat la formació d’esquerdes a causa de la contracció del formigó. Es poden reduir els esforços de tracció a la llosa de formigó de bigues acoblades:
1. Per la corresponent precàrrega negativa de la bigueta d’acer (pretensat de la vora superior). Al mateix temps, s’ha d’estudiar acuradament la seqüència de formigonat.
2. En pujar i baixar els suports mitjans dels suports continus. per la qual cosa, amb el procediment adequat, es poden produir tensions de compressió a la llosa de formigó del suport acoblat.
3. Per pretensat. El cas més senzill és quan una llosa de formigó lliure està pretensada, i només posteriorment es connecta a un suport d’acer. L’avantatge d’aquest procediment és una força de pretensió relativament petita, ja que la cinta comprimida del suport d’acer no està pretensada. Aquesta biga rep moments de flexió només a causa del flux i la contracció de la llosa de formigó, per la qual cosa es manté recta a causa de la força de pretensat. A la fig.12i es mostra la distribució de tensions per a aquest cas de pretensió (t=0), i a la fig.12b estat final al final del flux (t=tE) i a la fig.12c esforços de flexió a causa de la càrrega de moment a curt termini (t=a). A la fig.12d mostra la distribució de tensió per a t=0 en el cas de pretensar la llosa de formigó encolat.
Imatge12— Pretensat d’una llosa de formigó independent amb acoblament posterior
Construccions estàticament indeterminades
Les bigues contínues i estructures similars reben moments de flexió negatius, que sovint provoquen esforços de tracció elevats a la llosa de formigó armat. Les esquerdes són indesitjables sobretot en ponts, tenint en compte la vida útil de les bigues acoblades i l’efecte de les osques sobre les esquerdes. Els sistemes estàticament indeterminats es calculen per a càrregues a curt termini (càrregues mòbils) segons els mètodes habituals d’estàtica per a un sistema sense canvis. Les magnituds estàtiques i les deformacions corresponents són les mateixes que en un sistema idealment elàstic. Sota l’efecte de la càrrega constant, especialment la pretensió elevada, sempre es produeix un gran cabal. A l’hora de determinar la força de pretensat, s’ha de tenir en compte la fricció dels elements de pretensat doblegats. Durant la construcció, s’ha de seleccionar acuradament el voladís dels ponts acoblats. Els suports acoblats a punt són molt rígids, de manera que és gairebé impossible fer correccions posteriors de la posició d’alçada. El nivell final només s’aconsegueix després de diversos anys, tenint en compte el flux. Aquesta anivellació és incerta fins a cert punt, ja que els efectes de la contracció i el flux són variables, depenent de condicions climàtiques que no es poden predir.
Conclusió
L’aplicació de l’acoblament no es limita a les bigues de xapa, sinó que també pot incloure suports per a endurir bigues de Langer, ponts penjants, etc., així com bigues de gelosia amb una calçada amunt o avall. Ponts de gelosia: es produeixen altes tensions de tracció a les lloses de la calçada properes a la calçada inferior, ja que aquestes lloses han de seguir en major o menor mesura l’allargament de la corretja tensada de la bigueta principal. Es requereix un pretens longitudinal adequat per evitar esquerdes. A la fig.13hi ha un cas límit en què la reixeta d’acer ja no té cap cinturó inferior, i el seu paper queda totalment assumit per una llosa de formigó armat pretensada en ambdues direccions. A la fig.13b els canals del tram són visibles60x180mm en el propi suport.
Imatge13— Pont Gahle: a) tram; b) node del cinturó inferior, esquerra a l’estació principal, dreta a Vešaljka