Ważna uwaga techniczna i dotycząca bezpieczeństwa: Jest to archiwalny tekst edukacyjny, a nie projekt konstrukcyjny, obliczenia statyczne, obowiązująca norma, szczegóły połączeń lub instrukcja budowy, spawania, betonowania, podpierania, sprężania lub renowacji. Wszystkie oryginalne receptury, oznaczenia, wymiary, materiały, procedury i roszczenia są przenoszone bez weryfikacji zgodnie z obowiązującymi przepisami. Projektowanie i wykonywanie łączonych konstrukcji stalowo-betonowych należy wyłącznie do uprawnionych inżynierów budownictwa, projektantów konstrukcji, wykonawców oraz nadzoru w oparciu o konkretny obiekt, obciążenie, grunt, materiał i obowiązujące normy.
Konstrukcje łączone nie są usługą specjalną w aktualnej ofercie publicznej Savo Kusić. Obecnie koncentrujemy się na oknach drewnianych, oknach drewniano-aluminiowych i drzwiach na zamówienie. W przypadku projektu okna lub drzwi możesz wysłać zapytanie ofertowe.
Wprowadzenie
W niektórych konstrukcjach stosuje się płyty żelbetowe na podporach stalowych, np. płyty chodnikowe mostów na dźwigarach dwuteowych i poprzecznych lub stropy w budynkach na dźwigarach dwuteowych. Wcześniej wymiarowanie takich układów zakładano, że te dwa elementy mogą przemieszczać się względem siebie, a momenty w kierunku przęsła głównego przejmowane są jedynie przez podpory stalowe. Płyta betonowa przenosiła obciążenie na dźwigary stalowe, ale nie brała udziału w otrzymywaniu odpowiednich wartości statycznych (rys. 1).
Rysunek 1 — Nośnik sprzęgany, system
W tej metodzie konstrukcji w płycie betonowej przewiduje się złącza poprzeczne w regularnych odstępach, aby umożliwić skurcz zbrojonego betonu i uniknąć niepożądanych pęknięć, czyli dodatkowych naprężeń. Doświadczenie pokazało jednak, że rzeczywiste siły w takim układzie znacznie różnią się od obliczonych. Na styku płyty żelbetowej z podporą stalową powstaje duże tarcie (naprężenie przyczepności), dzięki czemu oba elementy zawsze współpracują.
Wadą nieoczekiwanego efektu sprzęgania jest pojawienie się efektu karbu na połączeniach płyty betonowej. Naprężenia ścinające wzdłuż powierzchni oparcia gwałtownie rosną w pobliżu złącza, podobnie jak naprężenia ścinające na końcach szwów bocznych. Ponieważ położenie linii zerowej na złączu praktycznie się nie zmienia, naprężenia normalne w podporze stalowej mogą być znacznie wyższe niż obliczone dla równomiernego połączenia. Zaczynając od tego nacięcia, może nastąpić opanowanie przyczepności, które rozprzestrzenia się dalej. Dlatego złącza w płycie chodnikowej nie spełniają swojej roli i nie są efektywne.
Wsporniki łączone
W przypadku podpór sprzężonych zakłada się, że siły ścinające na powierzchni styku podpory stalowej z płytą betonową mogą zostać bezpiecznie przeniesione (siły w belkach). Zasadą jest, aby płyta betonowa opierała się bezpośrednio na górnym pasie stalowej podpory i nie występowały względne przemieszczenia. Przy tym tzw. sztywnym połączeniu stosowane są specjalne środki łączenia (wrzeciona, strzemiona, kotwy), które są zatapiane w betonie.
Będziemy obserwować przypadek belki sprzęganej z płytą betonową bez połączeń poprzecznych. Jeśli określone obciążenie (np. moment zginający) działa tylko przez krótki czas, odpowiednie naprężenia i odkształcenia Δσ, wzgl. Δε według elementarnej nauki o wytrzymałości, podobny do żelbetu. Naprężenia w stali i betonie przy pewnym wydłużeniu zależą od ich modułu sprężystości: σst/σb = Est/Eb = n. W przypadku długotrwałego obciążenia dochodzi do odkształceń betonu na skutek skurczu i płynięcia. Jeśli za pomocą ε0 = σ/E0 zaznaczymy odkształcenie od obciążenia krótkotrwałego w chwili t = 0, to odkształcenie wzrasta pod obciążeniem stałym od tarcia aż do momentu t do wartości εt = ε0 (t + φt). W tych samych warunkach odkształcenia plastyczności oblicza się tak, jakby były proporcjonalne do naprężeń. Dlatego mówi się, że prawo Hooke’a ma zastosowanie do odkształceń spowodowanych przepływem. Współczynnik płynięcia φt zależy od czasu, klasy betonu, temperatury zewnętrznej, wilgotności powietrza, momentu obciążenia elementu itp.
Zamiast zginania według Bernoulliego\ i Naviera\ pojawiają się zależności różniczkowe, tzn. rozkład naprężeń należy wyznaczyć z równania różniczkowego przepływu. W wyniku płynięcia naprężenia w betonie maleją, natomiast w stali rosną. Te zmiany naprężeń zależą, oprócz wymiarów przekroju, od wymiarów sprężystych i momentu obciążenia. Podobne skutki jak płynięcie powstają w przypadku skurczu betonu. Wielkość miar skurczu εs zależy od betonu, sposobu jego produkcji, a także warunków klimatycznych. Skurcz betonu nie zależy od obciążenia przyłożonego do elementu.
Sprzęgła
Środki sprzęgające powinny bezpiecznie przenosić wszystkie siły ścinające w stykających się powierzchniach betonowych i stalowych, wynikające z występujących obciążeń, a tym samym zapobiegać poślizgowi. Dodatkowo powinny przyjąć ukośne główne siły rozciągające, jeżeli ze względu na swoje rozmiary sam kształtownik betonowy nie jest w stanie ich przyjąć. Wielkość sił określa się zgodnie z elementarną teorią zginania. Za środki sprzęgające uważa się:
- Kotwy łączące: Są to okrągłe lub płaskie płyty żelazne, przyspawane do górnego pasa stalowej podpory, które działają podobnie do wygiętego zbrojenia belek żelbetowych. Wykonywane są w postaci haczyków lub strzemion, ukośnie lub pionowo. Kotwy te działają tylko w jednym kierunku i nie są skuteczne, jeśli siła ścinająca zmienia znak.
- Wsporniki: Są przymocowane do górnej powierzchni stalowej podpory, mogą przenosić siły ścinające w obu kierunkach. Należy dokonać rozróżnienia między mózgami miękkimi i sztywnymi w kierunku siły ścinającej. Miękkie komórki mózgowe ulegają znacznym odkształceniom i nierównomiernie rozkładają siły ścinające na swojej powierzchni. Sztywne mózgi dają lepszy rozkład sił przy mniejszych odkształceniach.
Zdjęcie 2 — Most na rzece Ruhr w pobliżu Herdecke
- Zbrojenie spiralne: Opiera się na stalowym wsporniku i jest przyspawane w punktach styku. Spirale nie nadają się do dużych sił sprzęgających. To samo dotyczy okrągłej stali falistej. Jako przykład środków do sprzęgania na mostach, na ryc. 2 pokazano dźwigary mostu nad Zagłębiem Ruhry w pobliżu Herdeckiej (dźwigary 60x40 ze strzemionami pionowymi ϕ12, które są przyspawane do samych dźwigarów, aby uniknąć dalszych nacięć spowodowanych spawaniem); na ryc. Zastosowano środki 3 do łączenia dźwigarów poprzecznych jednego mostu, w zależności od wielkości siły poprzecznej, strzemiona spawane bocznie dla dźwigarów, a także strzemiona spawane bezpośrednio dla pasa górnego ze specjalnymi dźwigarami. W przypadku długich strzemion można je przyspawać także po przeciwnych stronach, rys. 4a. Na ryc. 4b to pokazane rozwiązanie ze strzemionami skośnymi.
Rysunek 3 — Podpora poprzeczna jednego mostu
Obraz 4 — Mózgi ze strzemionami
W budownictwie stosuje się również strzemiona sztywne ze strzemionami lub same strzemiona, ale spotyka się także rozwiązania ze strzemionami miękkimi, takie jak np. strzemiona. nitowane rogi. Ze względów ekonomicznych częściej stosuje się kotwy łączące, które są przyspawane doczołowo do stalowej podpory (rys. 5a) lub opierają się na podporze jednym zagiętym końcem (rys. 5b). Na ryc. 5c przedstawia odpowiednie rozwiązanie z przesuniętymi hakami. Na ryc. 6 przedstawia normalne rozwiązanie podpór stropowych w budownictwie, a mianowicie a) podporę zespoloną wykonaną z belek dwuteowych, b) wykonaną z belek teowych, która jest tworzona poprzez docięcie belek dwuteowych. Na końcach podpór należy zawsze zastosować szczególnie mocne stężenia końcowe (rys. 7). Kotwy skośne służą do wprowadzania naprężeń wynikających ze skurczu i temperatury do płyty.
Zdjęcie 5 — Kotwy łączące
Obraz 6 — Podpora konstrukcji antresoli
Wymiarowanie środków do sprzęgania odbywa się według elementarnych zasad. Poszczególne środki powinny otrzymać siłę ścinającą odpowiednią do ich rozstawu. Przy wymiarowaniu połączenia spawanego pnia mózgu należy uwzględnić moment wywracający.
Obraz 7 — a) Mózg końcowy z zakotwiczeniem; b) kotwienie
Sprzęgło elastyczne
Poprzednie prezentacje dotyczyły sztywnego połączenia, gdzie względne przemieszczenie pomiędzy stalową podporą a płytą jest równe zeru, a środki sprzęgające działają w sposób ciągły. Pomija się odkształcenie środków sprzęgających, lokalne odkształcenie betonu i stalowej podpory.
Zdjęcie 8 — Wspornik ze sprzęgłem elastycznym
Przy założeniu sprzężenia sztywnego siły przenoszone przez poszczególne środki sprzęgania są proporcjonalne do siły poprzecznej i odległości mózgu. Jeżeli w pewnych obszarach występują znaczne przemieszczenia względne pomiędzy podporą stalową a płytą betonową, powoduje to zauważalne przegrupowanie sił. Beton może częściowo przestać pełnić rolę płyty dociskowej belki sprzęganej, przez co znacznie zmniejszają się maksymalne wartości sił ścinających. Na ryc. 8 to przykład konstrukcji ze sprzężeniem elastycznym, podobnej do mostu na Renie, Koln-Rodenkirchen. Na ryc. 9 pokazuje wpływ połączenia sprężystego na ciągłe podparcie, dla siły skupionej i całkowicie równomiernie rozłożonego obciążenia. Przemieszczenie ψ, będące miarą sztywności sprzęgła na ścinanie, zdefiniowano na rys. 2. 8. Wpływ sprzęgła elastycznego jest zatem bardzo duży, jeśli właściwości sprzęgła zostaną celowo dobrane tak, aby wytrzymać ścinanie.
Rysunek 9 — Przykład mostu ze sprzęgłem elastycznym
Obliczanie konstrukcji sprzężonych
Zasadniczo opłaca się, aby grubość płyty betonowej była jak najmniejsza, przy czym należy przestrzegać minimalnych grubości określonych przepisami.
Konstrukcje zdeterminowane statycznie
W przypadku konstrukcji wyznaczanych statycznie (np. prostych belek) wpływy statyczne w przekroju wspólnym dla określonego obciążenia są stałe, wzgl. niezależny od czasu. Tylko momenty zginające i siły normalne w niektórych częściach przekroju są zmienne ze względu na wpływ przepływu i skurczu.
Efekt skurczu można przedstawić jako odpowiednią różnicę temperatur pomiędzy stalowym wspornikiem a płytą betonową. W wyniku skurczu betonu w przekroju łączonym pojawiają się naprężenia wewnętrzne, czyli naprężenia rozciągające od skurczu w betonie, których skurczowi zapobiega działanie podpory stalowej (i samego zbrojenia), natomiast w przekroju stalowym powstają odpowiednie naprężenia ściskające (rys. 10). Skurcz wzrasta z czasem do wartości końcowej zgodnie z pojedynczą funkcją wykładniczą. Ponieważ naprężenia skurczowe również rosną wraz z odkształceniami skurczowymi, skutkuje to tak zwanym przepływem skurczowym.
Rysunek 10 — a) Skurcz wolnej płyty bez połączenia; b) naprężenia od skurczu w podporach łączonych
W zależności od układu statycznego, który zakłada ciężar własny płyty betonowej, istnieje różnica: sprzęganie tylko dla obciążenia ruchomego (ciężar własny przejmuje tylko stalowa podpora, a łączony system przyjmuje tylko obciążenia działające na gotową konstrukcję), sprzęganie pod ciężarem własnym i obciążeniem ruchomym (cały ciężar własny i obciążenie ruchome działają na połączony system).
Pierwszy przypadek ma miejsce, gdy dźwigary stalowe służą jako podpory szalunków, nie są podparte, a podczas betonowania mogą uginać się w terenie (rys. 11a). W tym przypadku sama podpora stalowa przejmuje ciężar betonu i szalunku. Wiązanie następuje tylko wtedy, gdy beton jest wystarczająco twardy (rys. 11b), dlatego też podpory nie należy obciążać bezpośrednio po betonowaniu, aby uniknąć uszkodzenia lub nadmiernego płynięcia betonu.
W drugim przypadku, gdy ciężar własny płyty betonowej przejmuje również układ sprzęgany (rys. 11c), zakłada się, że podpora stalowa jest podparta podczas betonowania w wystarczających miejscach, aby nie otrzymywała znaczących momentów zginających. Rozkład napięcia po zdjęciu rusztowania pokazano na rys. 2. 11d.
Rysunek 11 — Sprzęgło do obciążenia ruchomego i własnego, z rozkładem napięcia przed i po zdjęciu rusztowania
Wstępne ładowanie
W przypadku prostych belek mniejsze naprężenia rozciągające występują w betonie jedynie na skutek skurczu i różnicy temperatur. W belkach nawisowych, dźwigarach ciągłych i innych konstrukcjach występują znaczne naprężenia rozciągające, które mogą powodować pęknięcia w betonie. Jeśli w obszarze momentów ujemnych pojawią się pęknięcia, efekt sprzęgania zostanie utracony. Dlatego warto wcześniej wywołać w płycie betonowej niewielkie naprężenia ściskające, aby bezpiecznie uniknąć powstawania pęknięć na skutek skurczu betonu. Naprężenia rozciągające w płycie betonowej połączonych belek można zmniejszyć:
1. Poprzez odpowiednie ujemne napięcie wstępne dźwigara stalowego (wstępne naprężenie górnej krawędzi). Należy dokładnie przestudiować kolejność betonowania.
2. Poprzez podnoszenie i opuszczanie podpór środkowych podpór ciągłych. dzięki czemu, stosując odpowiednią procedurę, w płycie betonowej łączonej podpory mogą powstać naprężenia ściskające.
3. Przez wstępne naprężenie. Najprostszy przypadek ma miejsce, gdy wolna płyta betonowa jest sprężana, a dopiero później łączona z podporą stalową. Zaletą tej procedury jest stosunkowo mała siła sprężająca, ponieważ ściśnięty pas stalowej podpory nie jest naprężony. Dźwigar ten przejmuje momenty zginające wyłącznie w wyniku płynięcia i skurczu płyty betonowej, dzięki czemu pozostaje prosty dzięki sile sprężającej. Na ryc. 12a pokazuje rozkład naprężeń dla tego przypadku sprężania (t=0), a na rys. 12b stan końcowy na końcu przepływu (t=tE) i na rys. 12c naprężenia zginające od krótkotrwałego obciążenia momentem (t=a). Na ryc. 12d pokazuje rozkład naprężeń dla t=0 w przypadku sprężania klejonej płyty betonowej.
Rysunek 12 — Sprężanie wolnostojącej płyty betonowej z późniejszym łączeniem
Konstrukcje statycznie niewyznaczalne
Dźwigary ciągłe i podobne konstrukcje podlegają ujemnym momentom zginającym, co często powoduje wysokie naprężenia rozciągające w płycie żelbetowej. Pęknięcia są niepożądane, zwłaszcza w mostach, ze względu na trwałość użytkową łączonych dźwigarów i wpływ nacięć na pęknięcia. Układy statycznie niewyznaczalne obliczane są dla obciążeń krótkotrwałych (obciążenia ruchome) zgodnie ze zwykłymi metodami statyki dla układu niezmiennego. Odpowiednie wielkości statyczne i odkształcenia są takie same jak w układzie idealnie sprężystym. Pod wpływem stałego obciążenia, zwłaszcza dużego napięcia wstępnego, zawsze następuje duży przepływ. Przy określaniu siły sprężającej należy uwzględnić tarcie wygiętych elementów sprężających. Podczas budowy należy starannie dobrać nawis łączonych mostów. Gotowe podpory łączone są bardzo sztywne, przez co późniejsze korekty położenia wysokości są prawie niemożliwe. Ostateczny poziom osiąga się dopiero po kilku latach, biorąc pod uwagę przepływ. To wyrównanie jest do pewnego stopnia niepewne, ponieważ skutki skurczu i płynięcia są zmienne, w zależności od warunków klimatycznych, których nie można przewidzieć.
Wniosek
Zastosowanie sprzęgu nie ogranicza się do belek blaszanych, ale może również obejmować podpory do usztywniania belek Langera, mostów wiszących itp., a także dźwigary kratowe z jezdnią w górę lub w dół. Mosty kratowe - w płytach drogowych w pobliżu jezdni poniżej występują duże naprężenia rozciągające, gdyż płyty te muszą w mniejszym lub większym stopniu dopasowywać się do wydłużenia pasa naprężonego dźwigara głównego. Aby uniknąć pęknięć, wymagane jest odpowiednie naprężenie wzdłużne. Na ryc. 13 to przypadek graniczny, w którym krata stalowa nie posiada już dolnego pasa, a jego rolę całkowicie przejmuje płyta żelbetowa sprężona w obu kierunkach. Na ryc. 13b widać kanały przekroju 60x180 mm w samej podporze.
Obraz 13 — Most Gahle: a) przekrój; b) skrzyżowanie pasa dolnego, w lewo przy stacji głównej, w prawo przy Vešaljce