Fontos műszaki és biztonsági megjegyzés: Ez egy archív oktatási szöveg, nem szerkezeti terv, statikai számítás, alkalmazandó szabvány, fugarészlet vagy utasítás építéshez, hegesztéshez, betonozáshoz, alátámasztáshoz, előfeszítéshez vagy helyreállításhoz. Minden eredeti képlet, jelölés, méret, anyag, eljárás és követelés ellenőrzés nélkül átadásra kerül a mai szabályozás szerint. A kapcsolt acél-beton szerkezetek tervezése és kivitelezése kizárólag az arra feljogosított építőmérnökök, szerkezettervezők, kivitelezők feladata, valamint az adott tárgy, terhelés, talaj, anyag és a vonatkozó szabványok alapján történő felügyelet.
Savo Kusić jelenlegi nyilvános ajánlatában az összekapcsolt építkezések nem minősülnek speciális szolgáltatásnak. A jelenlegi fókusz a fa ablakok, fa-alumínium ablakok és az egyedi ajtók. Ablak- vagy ajtóprojekt esetén elküldheti ajánlatkérés.
Bevezetés
Egyes konstrukciókban vasbeton födémeket használnak acél tartókon, például hidak járdalapjait I-es hossz- és kereszttartókon, vagy mennyezeteket I-tartókon. Korábban az ilyen rendszereket úgy méretezték, hogy ez a két elem el tud mozogni egymással, és a fő fesztáv irányába eső nyomatékokat csak acél támasztékok fogadják. A betonlemez átadta a terhelést az acéltartókra, de nem vett részt a megfelelő statikus értékek átvételében (1 ábra).
1 ábra – Csatolt hordozó, rendszer
Ennél az építési módnál rendszeres időközönként keresztirányú hézagokat terveznek a betonlemezben, hogy lehetővé tegyék a vasbeton zsugorodását és elkerüljék a nemkívánatos repedéseket, azaz a kiegészítő feszültségeket. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy egy ilyen rendszerben a tényleges erők jelentősen eltérnek a számítottaktól. A vasbeton födém és az acél tartó érintkezésekor nagy súrlódás (tapadási feszültség) lép fel, így mindkét elem mindig együttműködik.
A nem várt kapcsolási hatás hátránya, hogy a betonlap illesztésein bemetszések jelennek meg. A nyírófeszültségek az ütközőfelület mentén élesen megnövekednek a kötés közelében, hasonlóan az oldalvarratok végein jelentkező nyírófeszültségekhez. Mivel a zérusvonal helyzete a kötésnél gyakorlatilag nem változik, az acéltartóban a normál feszültségek lényegesen nagyobbak lehetnek, mint az egyenletes csatolásnál számítottak. Ebből a bevágásból kiindulva adhéziós mastering történhet, amely tovább terjed. Emiatt a járdalap illesztései nem töltik be szerepüket és nem hatékonyak.
Kapcsolt zárójelek
Kapcsolt tartók esetén feltételezzük, hogy az acél tartó és a betonlap érintkezési felületén fellépő nyíróerők biztonságosan átvihetők (a gerendákban lévő erők). A szabály az, hogy a betonlap közvetlenül az acéltartó felső szalagján feküdjön, és ne legyenek egymáshoz viszonyított elmozdulások. Ennél az úgynevezett merev tengelykapcsolónál speciális összekötő eszközöket (orsók, kengyelek, horgonyok) alkalmaznak, amelyeket betonba ágyaznak.
Megvizsgáljuk a keresztirányú illesztések nélküli betonlemezes csatolt gerendát. Ha egy bizonyos terhelés (pl. hajlítónyomaték) csak rövid ideig hat, a megfelelő feszültségek és alakváltozások Δσ, ill. Δε az elemi szilárdságtudomány szerint, hasonlóan a vasbetonhoz. Az acél és a beton feszültségei egy bizonyos nyúlásnál a rugalmassági modulusukhoz képest állnak: σst/σb = Est/Eb = n. Ha a terhelés hosszan tartó, akkor a beton deformálódik a zsugorodás és az áramlás miatt. Ha ε-vel0= σ/E0 jelölje meg a rövid távú terhelésből adódó alakváltozást t = pillanatban0, az alakváltozás a súrlódás miatti tartós terhelés hatására t pillanatig növekszik a εt = ε értékig0(t + φt). Ugyanezen feltételek mellett a folyási alakváltozásokat úgy számítjuk ki, mintha arányosak lennének a feszültségekkel. Ezért mondják, hogy a Hooke törvénye vonatkozik az áramlásból eredő alakváltozásokra. Az áramlási együttható φt függ az időtől, a beton osztályától, a külső hőmérséklettől, a levegő páratartalmától, az elem terhelési pillanatától stb.
A Bernoulli\ és Navier\ szerinti hajlítás helyett differenciálviszonyok jelennek meg, azaz a feszültségeloszlást az áramlási differenciálegyenletből kell meghatározni. Az áramlás hatására a betonban a feszültségek csökkennek, az acélban pedig nőnek. Ezek a feszültségváltozások a keresztmetszeti méretek mellett a rugalmas méretektől és a terhelési nyomatéktól is függnek. Hasonló következményekkel jár a beton zsugorodása, mint az áramlásnál. A zsugorodás mértéke εs függ a betontól, az előállítás módjától, valamint az éghajlati viszonyoktól. A beton zsugorodása nem függ az elemre kifejtett terheléstől.
A csatolás azt jelenti
A kapcsolóeszköznek biztonságosan át kell adnia az érintkező beton- és acélfelületeken a fellépő terhelések miatti összes nyíróerőt, és ezzel meg kell akadályoznia a csúszást. Ezenkívül fogadniuk kell a ferde főfeszítő erőket is, ha méretük miatt maga a betonszakasz nem tudja azokat fogadni. Az erők nagyságát az elemi hajlítási elmélet szerint határozzuk meg. A következőket tekintjük csatolási eszköznek:
- Csatlakozóhorgonyok: Az acéltartó felső szalagjára hegesztett kerek vagy lapos vaslemezek, amelyek hasonlóan működnek, mint a vasbeton gerendák hajlított vasalása. Horogként vagy kengyelként készülnek, átlósan vagy függőlegesen. Ezek a horgonyok csak egy irányban működnek, és nem hatékonyak, ha a nyíróerő előjelet vált.
- Konzolok: Az acéltartó felső felületére vannak rögzítve, mindkét irányban nyíróerőt tudnak fogadni. Különbséget kell tenni a lágy és merev agyak között a nyíróerő irányában. A lágy agysejtek jelentős deformációkat szenvednek, és a nyíróerők egyenetlenül oszlanak el felületükön. A merev agyak jobb erőeloszlást biztosítanak kisebb deformációkkal.
Kép 2 – Híd a Ruhr folyón Herdecke közelében
- Spirális erősítés: Acél tartóra támaszkodik, és az érintkezési pontokon hegesztve van. A spirálok nem alkalmasak jelentős csatolási erők kifejtésére. Ugyanez igaz a hullámos köracélra is. Példaként a hidakon való összekapcsolási eszközökre a 1. ábra. 2 láthatók a Herdecka melletti Ruhr-híd hídgerendái (60x40 tartók függőleges kengyellel ϕ12, amelyek a gerendáktól a további hegesztésig nem hegesztettek); ábrán. 3 egy híd kereszttartóinak összekötésére szolgáló eszközöket, a keresztirányú erő nagyságától függően, oldalsó hegesztésű kengyeleket alkalmaztak a tartókhoz, valamint közvetlenül hegesztett kengyeleket a felső szalaghoz speciális tartókkal. Hosszú kengyelek esetén a kengyel átellenes oldalon is hegeszthető, ábra. 4a. ábrán. 4b a képen látható megoldás ferde kengyellel.
3 ábra — Egy híd keresztirányú támasztása
Kép 4 — Agyak kengyellel
Épületépítésben merev kengyeles vagy csak kengyeles kengyelt is alkalmaznak, de találkoznak lágy kengyeles megoldásokkal is, mint pl. szegecselt sarkok. Gazdasági okokból gyakrabban használnak tengelykapcsoló horgonyokat, amelyek tompahegesztéssel vannak egy acél tartóhoz (5a ábra), vagy az egyik hajlított véggel a támasztékon támaszkodnak (5b ábra). ábrán. Az 5c a megfelelő megoldást mutatja eltolt horgokkal. ábrán. Az 6 egy normál megoldást mutat be az épületépítésben a födémtartókhoz, nevezetesen a) I-gerendákból készült csatolt támasztékot, b) T-gerendákból készült tartót, amelyet az I-gerendák levágásával hoznak létre. A támasztékok végein mindig különösen erős végmerevítőket kell biztosítani (7 ábra). A ferde horgonyok a zsugorodásból és a hőmérsékletből eredő feszültségek bevezetésére szolgálnak a födémbe.
Kép 5 — Csatolóhorgonyok
Kép 6 — Mezzanine szerkezet támogatása
A tengelykapcsoló eszközök méretezése az elemi elvek szerint történik. Az egyes eszközöknek a távolságuknak megfelelő nyíróerőt kell kapniuk. Az agytörzs hegesztett csatlakozásának méretezésekor figyelembe kell venni a borítási nyomatékot.
Kép 7 — a) Az agy végpontja rögzítéssel; b) lehorgonyzás
Rugalmas tengelykapcsoló
Korábbi előadások a merev tengelykapcsolóról vonatkoztak, ahol az acél tartó és a lemez közötti relatív elmozdulás nulla, és a kapcsolóeszközök folyamatosan működnek. Elhanyagolható a tengelykapcsoló eszköz deformációja, a beton és az acél tartó helyi deformációja.
Kép 8 — Konzol rugalmas tengelykapcsolóval
Merev csatolás feltételezése esetén az egyes kapcsolási eszközök által továbbított erők arányosak a keresztirányú erővel és az agy térközével. Ha bizonyos területeken jelentős relatív elmozdulások lépnek fel az acéltartó és a betonlap között, az az erők észrevehető átcsoportosítását okozza. A beton részben leállíthatja a csatolt gerenda nyomólemezeként való működését, ezáltal a nyíróerők maximális értékei jelentősen csökkennek. ábrán.8egy példát mutatunk be egy rugalmas tengelykapcsolós szerkezetre, hasonló a Rajnán átívelő hídhoz, Koln-Rodenkirchenben. ábrán.9látható a rugalmas tengelykapcsoló hatása a folytonos támaszra, koncentrált erő és teljesen egyenletesen elosztott terhelés érdekében. A ψ elmozdulást, amely a nyírást fogadó tengelykapcsoló merevségének mértéke, az 1. ábra határozza meg.8. A rugalmas csatolás befolyása tehát igen nagy, ha a tengelykapcsoló karakterisztikáját célirányosan úgy választják meg, hogy nyírást fogadjanak el.
Kép9— Példa rugalmas tengelykapcsolós hídra
Kapcsolt szerkezetek számítása
Elvileg gazdaságos, hogy a betonlap vastagsága a lehető legkisebb legyen, miközben az előírásokban meghatározott minimális vastagságokat be kell tartani.
Statikusan meghatározott szerkezetek
Statikailag meghatározott szerkezetek (pl. egyszerű gerendák) esetén a statikai hatások a közös szakaszban egy bizonyos terhelés mellett állandóak, vagy időtől függetlenek. Csak a szelvény egyes részein a hajlítónyomatékok és normál erők változnak az áramlás és a zsugorodás hatásai miatt.
A zsugorodás hatását az acéltartó és a betonlap megfelelő hőmérséklet-különbségeként ábrázolhatjuk. A beton zsugorodása következtében a csatolt szakaszon belső feszültségek jelennek meg, nevezetesen a beton zsugorodásából eredő húzófeszültségek, amelyek zsugorodását az acél tartó (valamint maga a vasalás) hatása akadályozza meg, míg az acélszelvényben ennek megfelelő nyomófeszültségek lépnek fel (ábra).10). A zsugorodás idővel növekszik a végső értékig egyetlen exponenciális függvény szerint. Mivel a zsugorodási feszültségek is nőnek a zsugorodási alakváltozásokkal, ez ún. zsugorodási áramlást eredményez.
Kép10— a) A szabad lemez zsugorodása csatolás nélkül; b) feszültségek a zsugorodás miatt a csatolt támaszokban
A betonfödém önsúlyát felvállaló statikai rendszertől függően különbözik: csak a mozgó terhelésre történő kapcsolás (csak az acéltartó veszi fel a saját súlyát, a csatolt rendszer pedig csak a kész szerkezetre ható terheléseket), a saját tömegre és a mozgó terhelésre történő kapcsolás (a teljes önsúly és a mozgó terhelés a kapcsolt rendszerre hat).
Az első eset akkor fordul elő, amikor az acéltartók zsaluzati tartóként szolgálnak, anélkül, hogy megtámasztnák őket, és betonozás közben a terepen meghajolhatnak (ábra).11a) Ebben az esetben maga az acéltartó veszi fel a beton és a zsaluzat súlyát. A ragasztás csak akkor következik be, ha a beton elég kemény (ábra).11b), és a betonozást követően a tartót nem szabad közvetlenül terhelni, hogy elkerüljük a beton sérülését vagy túlzott folyását.
A második esetben, amikor a betonfödém önsúlyát is fogadja a csatolt rendszer (11c ábra), feltételezzük, hogy az acél támaszték megfelelő helyen van megtámasztva a betonozás során, így nem kap jelentős hajlítónyomatékot. A feszültségeloszlást az állvány eltávolítása után a ábra mutatja. 11d.
11 ábra — Csatlakozó mozgó és holtterheléshez, feszültségelosztással az állványzat eltávolítása előtt és után
Előtöltés
Egyszerű gerendák esetén kisebb húzófeszültségek csak a zsugorodás és a hőmérsékletkülönbség miatt lépnek fel a betonban. Jelentős húzófeszültségek lépnek fel túlnyúló gerendákban, folytonos tartókban és egyéb szerkezetekben, és ezek repedéseket okozhatnak a betonban. Ha repedések jelennek meg a negatív pillanatok területén, a csatolási hatás elveszik. Ezért célszerű előzetesen kis nyomófeszültségeket előidézni a betonlapban, hogy biztonságosan elkerüljük a beton zsugorodása miatti repedések kialakulását. Az összekapcsolt gerendák betonlemezében a húzófeszültségek csökkenthetők:
1. Az acéltartó megfelelő negatív előfeszítésével (a felső él előfeszítésével). A betonozás sorrendjét gondosan tanulmányozni kell.
2. Folyamatos támaszok középső támaszainak emelésével és süllyesztésével. így a megfelelő eljárással nyomófeszültségek keletkezhetnek a csatolt tartó betonlemezében.
3. Előfeszítéssel. A legegyszerűbb eset az, ha egy szabad betonlapot előfeszítünk, és csak ezt követően kötjük össze acél támasztékkal. Ennek az eljárásnak az előnye a viszonylag kis előfeszítő erő, mivel az acéltartó összenyomott szalagja nincs előfeszítve. Ez a gerenda csak a betonlap folyása és zsugorodása miatt kap hajlítónyomatékot, így az előfeszítő erő hatására egyenes marad. ábrán. 12a mutatja a feszültségeloszlást erre az előfeszítési esetre (t=0), és az 1. ábrán. 12b végső állapot az áramlás végén (t=tE) és az 1. ábrán. 12c rövid távú nyomatéki terhelés miatti hajlítófeszültségek (t=a). ábrán. 12d mutatja a feszültségeloszlást t=0 esetén a ragasztott betonlemez előfeszítése esetén.
12 ábra — Szabadon álló betonlap előfeszítése utólagos csatolással
Statikailag határozatlan konstrukciók
A folytonos tartók és hasonló szerkezetek negatív hajlítónyomatékot kapnak, ami gyakran nagy húzófeszültséget okoz a vasbeton födémben. A repedések nemkívánatosak, különösen a hidakban, figyelembe véve a csatolt tartók élettartamát és a bevágások hatását a repedéseken. A statikusan határozatlan rendszereket rövid távú terhelésekre (mozgó terhelésekre) számítjuk a változatlan rendszerre szokásos statika módszerekkel. A megfelelő statikus mennyiségek és alakváltozások ugyanazok, mint egy ideálisan rugalmas rendszerben. Állandó terhelés, különösen nagy előfeszítés hatására mindig nagy áramlás lép fel. Az előfeszítő erő meghatározásakor figyelembe kell venni a meghajlított előfeszítő elemek súrlódását. Az építés során a csatolt hidak túlnyúlását gondosan meg kell választani. A kész összekapcsolt támasztékok nagyon merevek, így szinte lehetetlen a magassági helyzet utólagos korrekciója. A végső szintet csak néhány év múlva érik el, figyelembe véve az áramlást. Ez a kiegyenlítés bizonyos mértékig bizonytalan, mivel a zsugorodás és az áramlás hatása változó, az előre nem jelezhető éghajlati viszonyoktól függően.
Következtetés
A tengelykapcsoló alkalmazása nem korlátozódik a fémlemezgerendákra, hanem magában foglalhatja a Langer-gerendák, függőhidak stb. merevítésére szolgáló támasztékokat, valamint felfelé vagy lefelé vezető úttesttel rendelkező rácsos tartókat is. Rácsos hidak - nagy húzófeszültségek lépnek fel a lenti úttest közelében lévő útlemezekben, mivel ezeknek a födémeknek kisebb-nagyobb mértékben követniük kell a főtartó feszített hevederének megnyúlását. A repedések elkerülése érdekében megfelelő hosszanti előfeszítés szükséges. ábrán. Az 13 egy határeset, amelyben az acélrácsnak már nincs alsó szalagja, szerepét teljesen átveszi a mindkét irányban előfeszített vasbeton födém. ábrán. 13b magában a tartóban láthatja a 60x180 mm keresztmetszetű csatornákat.
Kép 13 — Gahle-híd: a) szakasz; b) az alsó öv csomópontja, balra a főpályaudvarnál, jobbra Vešaljkánál