Gekoppelde constructies

Belangrijke technische en veiligheidsmededeling: Dit is een educatieve archieftekst, geen structureel ontwerp, statische berekening, toepasselijke norm, voegdetail of instructie voor constructie, lassen, betonstorten, stutten, voorspannen of rehabiliteren. Alle originele formules, markeringen, afmetingen, materialen, procedures en claims worden overgedragen zonder verificatie volgens de huidige regelgeving. Het ontwerp en de uitvoering van gekoppelde staal-betonconstructies is uitsluitend voorbehouden aan bevoegde civiel ingenieurs, constructief ontwerpers, aannemers en begeleiding op basis van het specifieke object, belasting, bodem, materiaal en geldende normen.

Verbonden constructies zijn geen speciale dienst in het huidige openbare aanbod van Savo Kusić. De huidige focus ligt op houten ramen, hout-aluminium ramen en op maat gemaakte deuren. Voor een raam- of deurproject kunt u offerteaanvraag.

Introductie

In sommige constructies worden platen van gewapend beton op stalen steunen gebruikt, zoals bestratingsplaten van bruggen op I-langs- en dwarsliggers of plafonds in gebouwen op I-liggers. Voorheen werden dergelijke systemen gedimensioneerd in de veronderstelling dat deze twee elementen met elkaar konden bewegen en dat momenten in de richting van de hoofdoverspanning alleen door stalen steunen werden opgevangen. De betonplaat bracht de belasting over op de stalen liggers, maar nam niet deel aan het ontvangen van de overeenkomstige statische waarden (fig. 1).

Afbeelding 1 — Gekoppelde drager, systeem

Voor deze constructiemethode worden op regelmatige afstanden dwarsverbindingen in de betonplaat voorzien, om de krimp van het gewapend beton mogelijk te maken en ongewenste scheuren, d.w.z. aanvullende spanningen, te vermijden. De ervaring heeft echter geleerd dat de werkelijke krachten in een dergelijk systeem aanzienlijk verschillen van de berekende krachten. Bij het contact tussen de gewapende betonplaat en de stalen steun ontstaat er een grote wrijving (hechtspanning), waardoor beide elementen altijd samenwerken.

Het nadeel van het onverwachte koppelingseffect is het optreden van een kerfeffect op de voegen van de betonplaat. De schuifspanningen langs het aanslagoppervlak nemen scherp toe nabij de verbinding, vergelijkbaar met schuifspanningen aan de uiteinden van zijnaden. Omdat de positie van de nullijn op de verbinding praktisch niet verandert, kunnen de normale spanningen in de stalen steun aanzienlijk hoger zijn dan die berekend voor een uniforme koppeling. Vanaf deze inkeping kan adhesiebeheersing optreden die zich verder verspreidt. Daarom vervullen de voegen in de bestratingsplaat hun rol niet en zijn ze niet effectief.

Gekoppelde beugels

Bij gekoppelde steunpunten wordt ervan uitgegaan dat de schuifkrachten op het contactvlak tussen de stalen steun en de betonplaat veilig kunnen worden overgedragen (krachten in de balken). De regel is dat de betonplaat rechtstreeks op de bovenste riem van de stalen steun rust en dat er geen relatieve bewegingen zijn. Bij deze zogenaamde With starre koppeling wordt gebruik gemaakt van speciale verbindingsmiddelen (stangen, beugels, ankers), die in beton zijn ingebed.

We bekijken het geval van een gekoppelde balk met een betonplaat zonder dwarsverbindingen. Als een bepaalde belasting (bijv. buigmoment) slechts korte tijd werkzaam is, kunnen de bijbehorende spanningen en vervormingen Δσ, resp. Δε volgens de elementaire sterktewetenschap, vergelijkbaar met gewapend beton. Spanningen in staal en beton staan ​​bij een bepaalde rek in relatie tot hun elasticiteitsmodulus: σst/σb = Est/Eb = n. Als de belasting langdurig is, treden vervormingen van het beton op als gevolg van krimp en vloeiing. Als we met ε0 = σ/E0 de vervorming door kortstondige belasting markeren op het moment t = 0, dan neemt de vervorming onder permanente belasting door wrijving toe tot het moment t tot de waarde εt = ε0 (t + φt). Onder dezelfde omstandigheden worden vloeivervormingen berekend alsof ze evenredig zijn met spanningen. Daarom wordt er gezegd dat de wet van Hooke van toepassing is op vervormingen als gevolg van stroming. De stromingscoëfficiënt φt is afhankelijk van de tijd, betonklasse, buitentemperatuur, luchtvochtigheid, elementbelastingsmoment, enz.

In plaats van te buigen volgens Bernoulli\ en Navier, verschijnen er differentiële relaties, dat wil zeggen dat de spanningsverdeling moet worden bepaald op basis van de differentiaalvergelijking voor stroming. Als gevolg van stroming nemen de spanningen in het beton af, terwijl de spanningen in het staal toenemen. Deze spanningsveranderingen zijn, naast de afmetingen van de doorsnede, afhankelijk van de elastische afmetingen en het belastingsmoment. Soortgelijke gevolgen als bij vloeien treden op bij het krimpen van beton. De hoeveelheid krimpmaatregelen εs hangt af van het beton, de productiemethode en van de klimatologische omstandigheden. Betonkrimp is niet afhankelijk van de belasting die op het element wordt uitgeoefend.

Koppelingen

De koppelmiddelen moeten alle schuifkrachten in de beton- en staaloppervlakken die in contact komen, als gevolg van de optredende belastingen, veilig overbrengen en zo uitglijden voorkomen. Bovendien moeten ze de schuine hoofdspankrachten ontvangen, als het betondeel zelf deze vanwege hun grootte niet kan ontvangen. De grootte van de krachten wordt bepaald volgens de elementaire buigtheorie. Er wordt rekening gehouden met de volgende koppelmiddelen:

- Koppelingsankers: Dit zijn ronde of platte ijzeren platen, gelast aan de bovenste riem van de stalen steun, die op dezelfde manier werken als gebogen wapening van balken van gewapend beton. Ze zijn gemaakt als haken of stijgbeugels, diagonaal of verticaal. Deze ankers werken slechts in één richting en zijn niet effectief als de dwarskracht van teken verandert.

- Beugels: Ze worden bevestigd aan het bovenoppervlak van de stalen steun en kunnen schuifkrachten in beide richtingen ontvangen. Er moet onderscheid worden gemaakt tussen zachte en stijve hersenen in de richting van de schuifkracht. Zachte hersencellen ondergaan aanzienlijke vervormingen en verdelen de schuifkrachten ongelijkmatig over hun oppervlak. Stijve hersenen zorgen voor een betere verdeling van krachten bij kleinere vervormingen.

Afbeelding 2 — Brug over de Ruhr bij Herdecke

- Spiraalversterking: rust op een stalen steun en is gelast op de contactpunten. Spiralen zijn niet geschikt voor aanzienlijke koppelkrachten. Hetzelfde geldt voor rond gegolfd staal. Als voorbeeld van middelen voor het koppelen op bruggen, in Fig. 2 toont de liggers van de brug over het Ruhrgebied bij Herdecka (liggers 60x40 met verticale beugels ϕ12, die aan de liggers zelf zijn gelast, om verdere inkepingen door het lassen te voorkomen); op afb. 3 middelen voor het verbinden van de dwarsliggers van één brug, afhankelijk van de grootte van de dwarskracht, werden zijdelings gelaste beugels voor de liggers, evenals direct gelaste beugels voor de bovenband met speciale liggers toegepast. Bij lange beugels kunnen de beugels ook aan weerszijden worden gelast, afb. 4a. Op afb. 4b is de getoonde oplossing met schuine beugels.

Figuur 3 — Dwarssteun van één brug

Afbeelding 4 — Hersenen met stijgbeugels

In de bouw worden ook stijve beugels met beugels of alleen beugels gebruikt, maar ook oplossingen met zachte beugels kom je tegen, zoals b.v. geklonken hoeken. Om economische redenen wordt vaker gebruik gemaakt van koppelankers, die stompgelast worden aan een stalen steun (fig. 5a), of met één gebogen uiteinde op de steun rusten (fig. 5b). Op afb. 5c toont de overeenkomstige oplossing met verplaatste haken. Op afb. 6 toont een normale oplossing voor plafondsteunen in de bouwconstructie, namelijk a) een gekoppelde steun gemaakt van I-balken, b) gemaakt van T-balken, die ontstaat door het doorsnijden van de I-balken. Aan de uiteinden van de steunen moeten altijd bijzonder sterke eindbeugels worden voorzien (fig. 7). Schuine ankers worden gebruikt om spanningen door krimp en temperatuur in de plaat te introduceren.

Afbeelding 5 — Koppelankers

Afbeelding 6 — Ondersteuning van mezzaninestructuur

Het dimensioneren van koppelmiddelen gebeurt volgens elementaire principes. Individuele middelen moeten een schuifkracht ontvangen die overeenkomt met hun afstand. Bij het dimensioneren van de lasverbinding van de hersenstam dient rekening gehouden te worden met het kantelmoment.

Afbeelding 7 — a) Beëindig de hersenen met verankering; b) verankering

Elastische koppeling

Eerdere presentaties hadden betrekking op de starre koppeling, waarbij de relatieve verplaatsing tussen de stalen steun en de plaat gelijk is aan nul, en de koppelmiddelen continu werken. De vervorming van de koppelmiddelen, de lokale vervorming van het beton en de stalen steun worden verwaarloosd.

Afbeelding 8 — Beugel met elastische koppeling

Onder de veronderstelling van starre koppeling zijn de krachten die door individuele koppelingsmiddelen worden overgedragen evenredig met de dwarskracht en de afstand van de hersenen. Als er op bepaalde plaatsen aanzienlijke relatieve bewegingen tussen de stalen steun en de betonplaat optreden, veroorzaakt dit een merkbare hergroepering van krachten. Beton kan gedeeltelijk ophouden met fungeren als drukplaat van een gekoppelde ligger, waardoor de maximale waarden van schuifkrachten aanzienlijk worden verminderd. Op afb. 8 is een voorbeeld van een constructie met een elastische koppeling, vergelijkbaar met de brug over de Rijn, Koln-Rodenkirchen. Op afb. 9 toont het effect van elastische koppeling op een doorlopende ondersteuning, voor een geconcentreerde kracht en een volledig gelijkmatig verdeelde belasting. De verplaatsing ψ, die een maat is voor de stijfheid van de koppeling voor het opvangen van afschuiving, is gedefinieerd in Fig. 8. De invloed van elastische koppeling is daarom erg groot, als de eigenschappen van de koppeling doelbewust worden gekozen om afschuiving op te vangen.

Figuur 9 — Voorbeeld voor een brug met elastische koppeling

Berekening van gekoppelde structuren

In principe is het economisch het beste om de dikte van de betonplaat zo klein mogelijk te houden, terwijl de minimale diktes bepaald door de regelgeving in acht moeten worden genomen.

Statisch bepaalde constructies

Voor statisch bepaalde constructies (bijv. eenvoudige balken) zijn statische invloeden in de gemeenschappelijke doorsnede voor een bepaalde belasting constant, resp. onafhankelijk van de tijd. Alleen de buigmomenten en normaalkrachten in bepaalde delen van de sectie zijn variabel vanwege het effect van stroming en krimp.

Het effect van krimp kan worden weergegeven als een overeenkomstig temperatuurverschil tussen de stalen steun en de betonplaat. Als gevolg van betonkrimp ontstaan ​​er interne spanningen in het gekoppelde gedeelte, namelijk trekspanningen door krimp in het beton, waarvan de krimp wordt verhinderd door de invloed van de stalen steun (evenals de wapening zelf), terwijl overeenkomstige drukspanningen optreden in het staalprofiel (fig. 10). De krimp neemt met de tijd toe tot een uiteindelijke waarde volgens een enkele exponentiële functie. Omdat krimpspanningen ook toenemen bij krimpvervormingen, resulteert dit in de zogenaamde shrinkage flow.

Figuur 10 — a) Inkrimping van de vrije plaat zonder koppeling; b) spanningen als gevolg van krimp in gekoppelde ondersteuningen

Afhankelijk van het statische systeem dat het eigen gewicht van de betonplaat aanneemt, is er een verschil: koppeling voor alleen de bewegende last (het eigen gewicht wordt alleen overgenomen door de stalen steun, en het gekoppelde systeem ontvangt alleen de belastingen die op de voltooide constructie inwerken), koppeling voor het eigen gewicht en de bewegende last (het gehele eigen gewicht en de bewegende last werken op het gekoppelde systeem).

Het eerste geval doet zich voor wanneer de stalen liggers dienen als bekistingssteunen, zonder te worden ondersteund, en tijdens het betonneren kunnen ze in het veld buigen (fig. 11a). In dit geval neemt de stalen steun zelf het gewicht van het beton en de bekisting. Hechting vindt alleen plaats als het beton hard genoeg is (fig. 11b), dus de steun mag niet onmiddellijk na het betonneren worden belast, om schade of overmatig vloeien van het beton te voorkomen.

In het tweede geval, wanneer het eigen gewicht van de betonplaat ook door het gekoppelde systeem wordt ontvangen (fig. 11c), wordt aangenomen dat de stalen steun tijdens het betonneren op voldoende plaatsen wordt ondersteund, zodat deze geen significante buigmomenten ondervindt. De spanningsverdeling na het verwijderen van de steiger is weergegeven in Fig. 11d.

Figuur 11 — Koppeling voor bewegende en dode belasting, met spanningsverdelingen voor en na het verwijderen van de steiger

Voorladen

In het geval van eenvoudige balken treden er alleen kleinere trekspanningen op in het beton als gevolg van krimp en temperatuurverschil. In overhangende balken, doorlopende liggers en andere constructies komen aanzienlijke trekspanningen voor, die scheuren in het beton kunnen veroorzaken. Als er scheuren verschijnen in het gebied van negatieve momenten, gaat het koppelingseffect verloren. Daarom is het nuttig om vooraf kleine drukspanningen in de betonplaat op te wekken om de vorming van scheuren als gevolg van betonkrimp veilig te voorkomen. Trekspanningen in de betonplaat van gekoppelde balken kunnen worden verminderd:

1. Door overeenkomstige negatieve voorspanning van de stalen ligger (voorspanning van de bovenrand). Tegelijkertijd moet de volgorde van het betonneren zorgvuldig worden bestudeerd.

2. Door de middensteunen van doorlopende steunen omhoog en omlaag te brengen. waarbij met de juiste procedure drukspanningen kunnen ontstaan ​​in de betonplaat van de gekoppelde steun.

3. Door voorspanning. Het eenvoudigste geval is wanneer een vrije betonplaat wordt voorgespannen en pas daarna wordt verbonden met een stalen steun. Het voordeel van deze procedure is een relatief kleine voorspankracht, aangezien de samengedrukte band van de stalen steun niet wordt voorgespannen. Deze ligger krijgt alleen buigmomenten door het vloeien en krimpen van de betonplaat en blijft dus recht door de voorspankracht. Op afb. 12a toont de spanningsverdeling voor dit geval van voorspanning (t=0), en in Fig. 12b eindtoestand aan het einde van de stroom (t=tE) en in Fig. 12c buigspanningen als gevolg van kortstondige momentbelasting (t=a). Op afb. 12d toont de spanningsverdeling voor t=0 in het geval van voorspanning van de verlijmde betonplaat.

Figuur 12 — Voorspanning van een vrijstaande betonplaat met daaropvolgende koppeling

Statisch onbepaalde constructies

Doorlopende liggers en soortgelijke constructies krijgen negatieve buigmomenten, wat vaak hoge trekspanningen in de gewapende betonplaat veroorzaakt. Scheuren zijn vooral bij bruggen ongewenst, gezien de levensduur van de gekoppelde liggers en de invloed van kerven op de scheuren. Statisch onbepaalde systemen worden berekend voor kortstondige belastingen (bewegende belastingen) volgens de gebruikelijke statische methoden voor een ongewijzigd systeem. De overeenkomstige statische grootheden en vervormingen zijn dezelfde als in een ideaal elastisch systeem. Onder invloed van constante belasting, vooral hoge voorspanning, treedt altijd een grote stroming op. Bij het bepalen van de voorspankracht moet rekening worden gehouden met de wrijving van de gebogen voorspanelementen. Tijdens de bouw moet de overstek van gekoppelde bruggen zorgvuldig worden geselecteerd. Kant-en-klare gekoppelde steunen zijn zeer stijf, waardoor het bijna onmogelijk is om achteraf de hoogtepositie te corrigeren. Het uiteindelijke niveau wordt, gezien de stroming, pas na enkele jaren bereikt. Die nivellering is tot op zekere hoogte onzeker, omdat de effecten van krimp en stroming variabel zijn, afhankelijk van klimatologische omstandigheden die niet kunnen worden voorspeld.

Conclusie

De toepassing van koppeling beperkt zich niet tot plaatstalen balken, maar kan ook steunen omvatten voor het verstijven van Langer-balken, hangbruggen, enz., evenals tralieliggers met een rijbaan omhoog of omlaag. Vakwerkbruggen - In de wegplaten nabij de onderliggende rijbaan treden hoge trekspanningen op, aangezien deze platen in meer of mindere mate de verlenging van de spanband van de hoofdligger moeten volgen. Om scheuren te voorkomen is een adequate voorspanning in de lengterichting vereist. Op afb. 13 is een grensgeval waarin het stalen rooster niet langer een onderband heeft en zijn rol volledig wordt overgenomen door een gewapende betonplaat die in beide richtingen is voorgespannen. Op afb. 13b u kunt de dwarsdoorsnedekanalen 60x180 mm in de steun zelf zien.

Afbeelding 13 — Gahle-brug: a) sectie; b) kruising van de onderste band, links bij het centraal station, rechts bij Vešaljka