Koblede konstruktioner

Vigtig teknisk og sikkerhedsmæssig bemærkning: Dette er en arkival undervisningstekst, ikke en strukturel udformning, statisk beregning, gældende standard, samlingsdetalje eller instruktion for konstruktion, svejsning, støbning, forstøtning, forspænding eller genopretning. Alle originale formler, markeringer, dimensioner, materialer, procedurer og krav overføres uden verifikation i henhold til dagens regler. Projektering og udførelse af sammenkoblede stål-betonkonstruktioner tilhører udelukkende autoriserede civilingeniører, konstruktionskonstruktører, entreprenører og tilsyn baseret på det specifikke objekt, belastning, jord, materiale og gældende standarder.

Forbundne konstruktioner er ikke en særlig service i det nuværende offentlige tilbud af Savo Kusić. Det aktuelle fokus er trævinduer, træ-aluminiumsvinduer og brugerdefinerede døre. For et vindues- eller dørprojekt kan du sende anmodning om tilbud.

Introduktion

I nogle konstruktioner anvendes jernbetonplader på stålunderstøtninger som fortovsplader af broer på I-langsgående og tværgående dragere eller lofter i bygninger på I-dragere. Tidligere var sådanne systemer dimensioneret under den antagelse, at disse to elementer kunne bevæge sig med hinanden, og at momenter i retning af hovedspændet kun blev modtaget af stålunderstøtninger. Betonpladen overførte belastningen til ståldragerne, men var ikke med til at modtage de tilsvarende statiske værdier (fig.1).

Figur 1 — Koblet holder, system

Til denne konstruktionsmetode er der forudset tværgående samlinger i betonpladen med jævne mellemrum, for at muliggøre krympning af armeret beton og undgå uønskede revner, dvs. supplerende spændinger. Erfaringen har dog vist, at de faktiske kræfter i et sådant system er væsentligt forskellige fra dem, der er beregnet. Ved kontakten mellem jernbetonpladen og stålunderstøtningen opstår der en stor friktion (vedhæftningsspænding), så begge elementer altid samarbejder.

Ulempen ved den uventede koblingseffekt er udseendet af en hakeffekt på betonpladens samlinger. Forskydningsspændinger langs anlægsfladen øges kraftigt nær samlingen, svarende til forskydningsspændinger ved enderne af sidesømmene. Da nullinjens position ved samlingen praktisk talt ikke ændres, kan de normale spændinger i stålunderstøtningen være væsentligt højere end de beregnede for ensartet kobling. Med udgangspunkt i dette indhak kan der forekomme adhæsionsmastering, som spreder sig yderligere. Derfor opfylder fugerne i belægningspladen ikke deres rolle og er ikke effektive.

Koblede beslag

Ved koblede understøtninger forudsættes det, at forskydningskræfterne på kontaktfladen mellem stålunderstøtningen og betonpladen kan overføres sikkert (kræfter i bjælkerne). Reglen er, at betonpladen hviler direkte på det øverste bånd af stålstøtten, og at der ikke er nogen relative bevægelser. Ved denne såkaldte Med rigid kobling anvendes specielle forbindelsesmidler (stænger, bøjler, ankre), som er indstøbt i beton.

Vi vil overveje tilfældet med en koblet bjælke med en betonplade uden tværgående samlinger. Hvis en bestemt belastning (f.eks. bøjningsmoment) kun virker i kort tid, vil de tilsvarende spændinger og deformationer Δσ, hhv. Δε ifølge elementær styrkevidenskab, svarende til armeret beton. Spændinger i stål og beton står ved en vis forlængelse i forhold til deres elasticitetsmodul: σst/σb = Est/Eb = n. Hvis belastningen er langvarig, opstår der deformationer af betonen på grund af svind og flow. Hvis med ε0= σ/E0 markér deformationen på grund af kortvarig belastning i øjeblikket t =0, deformationen stiger under permanent belastning på grund af friktion indtil tidspunktet t til værdien εt = ε0(t + φt). Under de samme forhold beregnes flydedeformationer, som var de proportionale med spændinger. Derfor siger man, at _Hooke_s lov gælder for deformationer på grund af flow. Strømningskoefficienten φt afhænger af tid, betonklasse, udvendig temperatur, luftfugtighed, elementets belastningsmoment osv.

I stedet for at bøje efter Bernoulli\ og Navier\ opstår differentialrelationer, dvs. spændingsfordelingen bør bestemmes ud fra differentialligningen for flow. Som følge af flow aftager spændingerne i betonen, mens spændingerne i stålet stiger. Disse spændingsændringer afhænger, udover tværsnitsmålene, af de elastiske dimensioner og belastningsmomentet. Lignende konsekvenser som ved flow opstår ved svind af beton. Mængden af ​​svindforanstaltninger εs afhænger af betonen, metoden til dens fremstilling samt af de klimatiske forhold. Betonsvind afhænger ikke af belastningen på elementet.

Kobling betyder

Koblingsmidlerne skal sikkert overføre alle forskydningskræfter i de beton- og ståloverflader, der er i kontakt, på grund af de opståede belastninger, og dermed forhindre glidning. Derudover bør de modtage de skrå hovedspændekræfter, hvis betonsektionen på grund af deres størrelse ikke selv kan modtage dem. Størrelsen af ​​kræfterne bestemmes efter den elementære bøjningsteori. Følgende betragtes som koblingsmidler:

- Koblingsankre: Disse er runde eller flade jernplader, svejset til det øverste bånd af stålstøtten, som virker på samme måde som bøjet armering af armerede betonbjælker. De er lavet som kroge eller stigbøjler, diagonalt eller lodret. Disse ankre virker kun i én retning og er ikke effektive, hvis forskydningskraften skifter fortegn.

- Beslag: De er fastgjort til den øvre overflade af stålstøtten, de kan modtage forskydningskræfter i begge retninger. Der bør skelnes mellem bløde og stive hjerner i retning af forskydningskraften. Bløde hjerneceller lider under betydelige deformationer og fordeler forskydningskræfterne ujævnt over deres overflade. Stive hjerner giver en bedre fordeling af kræfter med mindre deformationer.

Billede 2 — Bro over Ruhr-floden nær Herdecke

- Spiralforstærkning: Den hviler på en stålstøtte og er svejset ved kontaktpunkterne. Spiraler er ikke egnede til væsentlige koblingskræfter. Det samme gælder for bølget rundstål. Som et eksempel på midler til kobling på broer, i fig. 2 er vist dragerne på broen over Ruhr nær Herdecka (dragere 60x40 med lodrette bøjler ϕ12, som er svejset til svejsning i rækkefølge til ikke at svejse videre selv); i fig. 3 midler til at forbinde de tværgående dragere på én bro, afhængigt af størrelsen af ​​tværkraften, blev der anvendt sidesvejsede bøjler til dragerne, samt direkte svejste bøjler til det øvre bånd med specielle dragere. Ved lange bøjler kan bøjlerne også svejses på de modsatte sider, fig. 4a. I fig. 4b er den viste løsning med skrå stigbøjler.

Figur 3 — Tværgående støtte af én bro

Billede 4 — Hjerner med stigbøjler

I bygningskonstruktion anvendes også stive stigbøjler med bøjler eller bare bøjler, men man støder også på løsninger med bløde bøjler, som f.eks. nitte hjørner. Af økonomiske årsager anvendes oftere koblingsankre, som er stødsvejst til en stålstøtte (fig. 5a), eller hviler på understøtningen med en bøjet ende (fig. 5b). I fig. 5c viser den tilsvarende løsning med forskudte kroge. I fig. 6 viser en normal løsning for loftunderstøtninger i bygningskonstruktion, nemlig a) en koblet understøtning af I-bjælker, b) lavet af T-bjælker, som skabes ved at skære I-bjælkerne. Ved enderne af understøtningerne skal der altid være særligt stærke endebeslag (fig. 7). Skrå ankre bruges til at indføre spændinger fra krympning og temperatur i pladen.

Billede5— Koblingsankre

Billede6— Understøttelse af mezzaninstrukturen

Dimensionering af midlerne til kobling udføres efter elementære principper. Individuelle midler bør modtage en forskydningskraft svarende til deres afstand. Ved dimensionering af hjernens svejsede forbindelse skal væltemomentet tages i betragtning.

Billede7— a) Endehjerne med forankring; b) forankring

Elastisk kobling

Tidligere præsentationer har refereret til stiv kobling, hvor den relative forskydning mellem stålunderstøtningen og pladen er lig med nul, og koblingsorganerne virker kontinuerligt. Deformationen af ​​koblingsmidlerne, den lokale deformation af betonen og stålstøtten blev forsømt.

Billede8— Beslag med elastisk kobling

Under antagelsen om stiv kobling er de kræfter, der overføres af individuelle koblingsmidler, proportionale med den tværgående kraft og hjernens afstand. Hvis der i visse områder forekommer betydelige relative bevægelser mellem stålunderstøtningen og betonpladen, medfører dette en mærkbar omgruppering af kræfter. Beton kan delvist holde op med at fungere som en trykplade af en koblet bjælke, hvorved de maksimale værdier af forskydningskræfter reduceres væsentligt. I fig.8der gives et eksempel på en konstruktion med elastisk kobling, svarende til broen over Rhinen, Koln-Rodenkirchen. I fig.9effekten af ​​elastisk kobling på en kontinuerlig understøtning er vist, for en koncentreret kraft og en fuldstændig jævnt fordelt belastning. Forskydningen ψ, som er et mål for koblingens stivhed til at modtage forskydning, er defineret i fig.8. Påvirkningen af ​​elastisk kobling er derfor meget stor, hvis koblingens egenskaber er valgt målrettet til at modtage forskydning.

Billede9— Eksempel på en bro med elastisk kobling

Beregning af koblede konstruktioner

I princippet er det økonomisk, at tykkelsen af ​​betonpladen skal være så lille som muligt, mens de minimumstykkelser, der er fastsat i forskrifterne, skal overholdes.

Statisk bestemte strukturer

Ved statisk bestemte konstruktioner (f.eks. simple bjælker) er de statiske påvirkninger i fællessektionen for en bestemt last konstante eller uafhængige af tid. Kun bøjningsmomenterne og normalkræfterne i visse dele af strækningen er variable på grund af strømnings- og svindvirkningerne.

Effekten af ​​svind kan repræsenteres som en tilsvarende temperaturforskel mellem stålunderstøtningen og betonpladen. Som følge af betonsvind opstår der indre spændinger i den koblede sektion, nemlig trækspændinger fra svind i betonen, hvis svind forhindres ved påvirkning af stålunderstøtningen (samt selve armeringen), mens der opstår tilsvarende trykspændinger i stålsektionen (fig. 10). Krympning stiger med tiden til en endelig værdi ifølge en enkelt eksponentiel funktion. Da krympespændinger også øges ved krympedeformationer, resulterer dette i det såkaldte krympeflow.

Figur 10 — a) Sammentrækning af fri plade uden kobling; b) spændinger på grund af krympning i koblede understøtninger

Afhængig af det statiske system, der antager betonpladens egenvægt, er der en forskel: kobling kun for den bevægelige last (egenvægten påtages kun af stålunderstøtningen, og det koblede system modtager kun de belastninger, der virker på den færdige konstruktion), kobling for hele egenvægten og den bevægelige egenvægt og den bevægelige egenvægt (påvirkning af den bevægelige egenvægt) system).

Det første tilfælde opstår, når ståldragerne fungerer som forskallingsunderstøtninger, uden at blive understøttet, og under udstøbning kan de bøjes i marken (fig. 11a). I dette tilfælde tager selve stålstøtten vægten af ​​betonen og forskallingen. Limning sker kun, når betonen er hård nok (fig. 11b), så understøtningen må ikke belastes umiddelbart efter udstøbning, for at undgå beskadigelse eller overdreven flow af betonen.

I det andet tilfælde, når betonpladens egenvægt også modtages af det koblede system (fig. 11c), antages det, at stålunderstøtningen understøttes under udstøbning tilstrækkeligt mange steder, så den ikke får væsentlige bøjningsmomenter. Spændingsfordelingen efter afmontering af stilladset er vist i fig. 11d.

Figur 11 — Kobling til flytning og dødlast, med spændingsfordelinger før og efter afmontering af stilladset

Forudindlæst

Ved simple bjælker opstår der kun mindre trækspændinger i beton på grund af svind og temperaturforskel. Der opstår betydelige trækspændinger i udhængsbjælker, gennemgående dragere og andre konstruktioner, og disse kan forårsage revner i betonen. Hvis der opstår revner i området med negative øjeblikke, går koblingseffekten tabt. Derfor er det nyttigt at inducere små trykspændinger i betonpladen på forhånd for sikkert at undgå dannelse af revner på grund af betonsvind. Trækspændinger i betonpladen af koblede bjælker kan reduceres:

1. Ved tilsvarende negativ forspænding af ståldrageren (forspænding af overkanten). Rækkefølgen af ​​udstøbning bør studeres omhyggeligt.

2. Ved at hæve og sænke midterstøtterne på gennemgående understøtninger. hvorved der med den passende procedure kan forårsages trykspændinger i betonpladen på den koblede understøtning.

3. Ved forspænding. Det enkleste tilfælde er, når en fri betonplade forspændes, og først efterfølgende forbindes med en stålstøtte. Fordelen ved denne procedure er en relativt lille forspændingskraft, da stålstøttens komprimerede bånd ikke er forspændt. Denne drager modtager kun bøjningsmomenter på grund af betonpladens flow og svind, så den forbliver lige på grund af forspændingskraften. I fig.12og spændingsfordelingen for dette tilfælde af forspænding er vist (t=0), og i fig.12b sluttilstand ved slutningen af ​​flow (t=tE) og i fig.12c bøjningsspændinger på grund af kortvarig momentbelastning (t=a). I fig.12d viser spændingsfordelingen for t=0 ved forspænding af den limede betonplade.

Billede12— Forspænding af en fritstående betonplade med efterfølgende sammenkobling

Statisk ubestemte konstruktioner

Kontinuerlige dragere og lignende konstruktioner får negative bøjningsmomenter, som ofte forårsager høje trækspændinger i den armerede betonplade. Revner er uønskede, især i broer, i betragtning af levetiden af ​​de sammenkoblede dragere og indhaknes indvirkning på revnerne. Statisk ubestemte systemer beregnes for kortvarige belastninger (bevægelige belastninger) efter de sædvanlige statiske metoder for et uændret system. De tilsvarende statiske størrelser og deformationer er de samme som i et ideelt elastisk system. Under påvirkning af konstant belastning, især høj forspænding, opstår der altid stort flow. Ved bestemmelse af forspændingskraften skal der tages hensyn til friktionen af ​​de bøjede forspændingselementer. Under konstruktionen bør udhænget af koblede broer vælges omhyggeligt. Færdiglavede koblede understøtninger er meget stive, så det er næsten umuligt at foretage efterfølgende korrektioner af højdepositionen. Det endelige niveau opnås først efter flere år, strømmen taget i betragtning. Den udjævning er til en vis grad usikker, da virkningerne af svind og flow er variable, afhængigt af klimatiske forhold, der ikke kan forudsiges.

Konklusion

Anvendelsen af ​​kobling er ikke begrænset til pladebjælker, men kan også omfatte understøtninger til afstivning af Langer-bjælker, hængebroer etc. samt gitterdragere med kørebane op eller ned. Gitterbroer - høje trækspændinger forekommer i vejpladerne nær kørebanen nedenfor, da disse plader i større eller mindre grad skal følge forlængelsen af ​​hoveddragerens spændte bånd. Tilstrækkelig langsgående forspænding er nødvendig for at undgå revner. I fig. 13 er et grænsetilfælde, hvor stålgitteret ikke længere har et lavere bånd, og dets rolle overtages fuldstændigt af en armeret betonplade, der er forspændt i begge retninger. I fig. 13b kan du se tværsnitskanalerne 60x180 mm i selve understøtningen.

Billede 13 — Gahle Bridge: a) sektion; b) krydset mellem det nedre bånd, til venstre ved hovedstationen, til højre ved Vešaljka