Notă tehnică și de siguranță importantă: Acesta este un text educațional de arhivă, nu un proiect structural, calcul static, standard aplicabil, detaliu de îmbinare sau instrucțiuni pentru construcție, sudare, betonare, sprijinire, precomprimare sau reabilitare. Toate formulele, marcajele, dimensiunile, materialele, procedurile și revendicările originale sunt transferate fără verificare conform reglementărilor actuale. Proiectarea și execuția structurilor cuplate oțel-beton aparține exclusiv inginerilor civili autorizați, proiectanților structurali, antreprenorilor și supravegherii în funcție de obiectul specific, sarcina, solul, materialul și standardele aplicabile.
Construcțiile conectate nu reprezintă un serviciu special în oferta publică actuală a Savo Kusić. Accentul curent este ferestre din lemn, ferestre din lemn-aluminiu și uși personalizate. Pentru un proiect de fereastră sau ușă, puteți trimite cerere de ofertă.
Introducere
În unele construcții se folosesc plăci de beton armat pe suporturi de oțel, cum ar fi plăcile de pavaj de poduri pe grinzi I-longitudinale și transversale sau plafoane în clădiri pe grinzi I. Anterior, astfel de sisteme erau dimensionate în ipoteza că aceste două elemente se puteau mișca unul cu celălalt și că momentele în direcția travei principale erau primite doar de suporturi din oțel. Placa de beton a transferat sarcina pe grinzile de oțel, dar nu a luat parte la primirea valorilor statice corespunzătoare (fig.1).
Figura 1 — Suport cuplat, sistem
Pentru această metodă de construcție se prevăd îmbinări transversale în placa de beton la intervale regulate, pentru a permite contracția betonului armat și pentru a evita fisurile nedorite, adică solicitări suplimentare. Cu toate acestea, experiența a arătat că forțele reale într-un astfel de sistem sunt semnificativ diferite de cele calculate. La contactul dintre placa de beton armat și suportul de oțel are loc o frecare mare (stres de aderență), astfel încât ambele elemente cooperează întotdeauna.
Dezavantajul efectului de cuplare neprevăzut este apariția unui efect de crestătură asupra îmbinărilor plăcii de beton. Tensiunile de forfecare de-a lungul suprafeței bontului cresc brusc în apropierea îmbinării, similar tensiunilor de forfecare de la capetele cusăturilor laterale. Deoarece poziția liniei zero la îmbinare practic nu se modifică, tensiunile normale din suportul de oțel pot fi semnificativ mai mari decât cele calculate pentru cuplarea uniformă. Pornind de la această crestătură, poate apărea stăpânirea aderenței care se extinde mai mult. Prin urmare, rosturile din placa de pavaj nu își îndeplinesc rolul și nu sunt eficiente.
Purtători cuplati
În cazul suporturilor cuplate, se presupune că forțele de forfecare pe suprafața de contact dintre suportul de oțel și placa de beton pot fi transmise în siguranță (forțe în grinzi). Regula este ca placa de beton să se sprijine direct pe centura superioară a suportului de oțel și să nu existe mișcări relative. La acest așa-numit Cu cuplaj rigid se folosesc mijloace speciale de conectare (fusuri, etrieri, ancore), care sunt înglobate în beton.
Vom lua în considerare cazul unei grinzi cuplate cu o placă de beton fără îmbinări transversale. Dacă o anumită sarcină (de ex. momentul încovoietor) acţionează doar pentru o perioadă scurtă de timp, solicitările şi deformaţiile corespunzătoare Δσ, resp. Δε conform științei elementare de rezistență, similar cu betonul armat. Tensiunile din otel si beton, la o anumita alungire, stau in raport cu modulul lor de elasticitate: σst/σb = Est/Eb = n. Dacă sarcina este pe termen lung, apar deformații ale betonului datorită contracției și curgerii. Dacă cu ε0= σ/E0 marcați deformația datorată sarcinii de scurtă durată în momentul t =0, deformația crește sub sarcină permanentă datorită frecării până în momentul t până la valoarea εt = ε0(t + φt). În aceleași condiții, deformațiile de curgere sunt calculate ca și cum ar fi proporționale cu tensiunile. De aceea se spune că legea lui Hooke se aplică deformațiilor datorate curgerii. Coeficientul de curgere φt depinde de timp, clasa betonului, temperatura exterioară, umiditatea aerului, momentul de încărcare a elementului etc.
În loc de îndoire conform Bernoulli\ și Navier, apar relații diferențiale, adică distribuția tensiunilor ar trebui determinată din ecuația diferențială pentru curgere. Ca urmare a curgerii, tensiunile din beton scad, in timp ce tensiunile din otel cresc. Aceste modificări ale tensiunii depind, pe lângă dimensiunile secțiunii transversale, de dimensiunile elastice și momentul de încărcare. Consecințele similare cu cele ale curgerii apar din contracția betonului. Cantitatea de măsuri de contracție εs depinde de beton, de metoda de producere a acestuia, precum și de condițiile climatice. Contracția betonului nu depinde de sarcina aplicată elementului.
Cuplare înseamnă
Mijloacele de cuplare trebuie să transfere în siguranță toate forțele de forfecare în suprafețele din beton și oțel în contact, din cauza sarcinilor care apar, și astfel să prevină alunecarea. În plus, acestea ar trebui să primească forțele de tensionare principale oblice, dacă din cauza dimensiunii lor, secțiunea de beton în sine nu le poate primi. Mărimea forțelor este determinată conform teoriei elementare de încovoiere. Următoarele sunt considerate mijloace de cuplare:
- Ancore de cuplare: Acestea sunt plăci de fier rotunde sau plate, sudate pe centura superioară a suportului de oțel, care acționează similar cu armăturile îndoite ale grinzilor din beton armat. Se realizează sub formă de cârlige sau etrieri, în diagonală sau verticală. Aceste ancore acționează într-o singură direcție și nu sunt eficiente dacă forța tăietoare își schimbă semnul.
- Console: Sunt atașate de suprafața superioară a suportului de oțel, pot primi forțe tăietoare în ambele direcții. Ar trebui făcută o distincție între creierul moale și cel rigid în direcția forței de forfecare. Celulele moi ale creierului suferă deformări semnificative și distribuie neuniform forțele de forfecare pe suprafața lor. Creierele rigide oferă o distribuție mai bună a forțelor cu deformații mai mici.
Imagine 2 — Pod peste râul Ruhr lângă Herdecke
- Armatura spiralata: Se sprijina pe un suport de otel si este sudata in punctele de contact. Spiralele nu sunt potrivite pentru forțe semnificative de cuplare. Același lucru este valabil și pentru oțelul ondulat rotund. Ca exemplu de mijloace de cuplare pe poduri, în fig. 2 sunt prezentate grinzile podului peste Ruhr de lângă Herdecka (grinzi 60x40 cu etrieri verticali ϕ12, care se evită sudură ele însele, de la grinzi la sudare în continuare); în fig. 3 mijloace de conectare a grinzilor transversale ale unui pod, în funcție de mărimea forței transversale, s-au aplicat etrieri sudați lateral pentru grinzi, precum și etrieri sudați direct pentru centura superioară cu grinzi speciale. În cazul etrierilor lungi, etrierii pot fi sudați și pe părțile opuse, fig. 4a. În fig. 4b este soluția prezentată cu etrieri înclinați.
Figura 3 — Suport transversal al unui pod
Imagine 4 — Creiere cu etrieri
În construcția clădirilor se folosesc și etrieri rigidi cu etrieri sau doar etrieri, dar se întâlnesc și soluții cu etrieri moi, ca de ex. colțuri nituite. Din motive economice, se folosesc mai des ancorele de cuplare care sunt sudate cap la cap pe un suport de oțel (fig. 5a), sau se sprijină pe suport cu un capăt îndoit (fig. 5b). În fig. 5c arată soluția corespunzătoare cu cârlige deplasate. În fig. 6 prezintă o soluție normală pentru suporturile de tavan în construcția clădirilor, și anume a) un suport cuplat din grinzi în I, b) din grinzi în T, care este creat prin tăierea grinzilor în I. La capetele suporturilor, trebuie să fie întotdeauna prevăzute bretele extreme deosebit de puternice (fig. 7). Ancorele înclinate sunt utilizate pentru a introduce tensiuni de contracție și temperatură în placă.
Imagine5— Ancore de cuplare
Imagine6— Suport al structurii mezanin
Dimensionarea mijloacelor de cuplare se realizează după principii elementare. Mijloacele individuale ar trebui să primească o forță de forfecare corespunzătoare distanței lor. La dimensionarea conexiunii sudate a creierului trebuie luat în considerare momentul de răsturnare.
Imagine7— a) Terminați creierul cu ancorare; b) ancorare
Cuplaj elastic
Prezentările anterioare s-au referit la cuplaj rigid, unde deplasarea relativă între suportul de oțel și placă este egală cu zero, iar mijloacele de cuplare acționează continuu. Au fost neglijate deformarea mijloacelor de cuplare, deformarea locala a betonului si a suportului de otel.
Imagine8— Suport cu cuplaj elastic
În ipoteza cuplajului rigid, forțele transmise prin mijloace individuale de cuplare sunt proporționale cu forța transversală și distanța dintre creier. Dacă în anumite zone apar mișcări relative semnificative între suportul de oțel și placa de beton, aceasta determină o regrupare vizibilă a forțelor. Betonul poate înceta parțial să acționeze ca o placă de presiune a unei grinzi cuplate, prin care valorile maxime ale forțelor tăietoare sunt reduse semnificativ. În fig.8este dat un exemplu de construcție cu cuplare elastică, asemănătoare cu cea a podului peste Rin, Koln-Rodenkirchen. În fig.9este prezentat efectul cuplarii elastice asupra unui suport continuu, pentru o forta concentrata si o sarcina complet distribuita uniform. Deplasarea ψ, care este o măsură a rigidității cuplajului pentru primirea la forfecare, este definită în fig.8. Influența cuplajului elastic este deci foarte mare, dacă proprietățile cuplajului sunt alese intenționat pentru a primi forfecarea.
Imagine9— Exemplu de punte cu cuplaj elastic
Calculul construcțiilor cuplate
În principiu, este economic ca grosimea plăcii de beton să fie cât mai mică, în timp ce grosimile minime determinate de reglementări să fie respectate.
Structuri determinate static
In cazul constructiilor determinate static (ex. grinzi simple), influentele statice in sectiunea comuna pentru o anumita sarcina sunt constante, sau independente de timp. Doar momentele încovoietoare și forțele normale din anumite părți ale secțiunii sunt variabile datorită efectelor curgerii și contracției.
Efectul contracției poate fi reprezentat ca o diferență de temperatură corespunzătoare între grinda de oțel și placa de beton. Ca urmare a contracției betonului, în secțiunea cuplată apar tensiuni interne și anume tensiuni de întindere din contracția din beton, a căror contracție este împiedicată de influența suportului de oțel (precum și armătura în sine), în timp ce în secțiunea de oțel apar tensiuni de compresiune corespunzătoare (Fig.10). Contracția crește cu timpul până la o valoare finală în funcție de o singură funcție exponențială. Deoarece tensiunile de contracție cresc și ele odată cu deformațiile de contracție, acest lucru are ca rezultat așa-numitul curgere de contracție.
Imagine10— a) Contracția plăcii libere fără cuplare; b) tensiuni datorate contracției în suporturile cuplate
În funcție de sistemul static care își asumă greutatea proprie a plăcii de beton, diferă: cuplare numai pentru sarcina în mișcare (doar suportul de oțel își preia greutatea proprie, iar sistemul cuplat primește doar sarcinile care acționează asupra structurii finite), cuplarea pentru greutatea proprie și sarcina în mișcare (întreaga greutate proprie și sarcina în mișcare acționează asupra sistemului cuplat).
Primul caz apare atunci când grinzile de oțel servesc drept grinzi de cofraj, fără a fi susținute, iar în timpul betonării se pot îndoi în câmp (fig.11o). În acest caz, suportul de oțel însuși preia greutatea betonului și a cofrajului. Lipirea are loc numai atunci când betonul este suficient de dur (Fig.11b), iar suportul nu trebuie încărcat imediat după betonare, pentru a se evita deteriorarea sau curgerea excesivă a betonului.
În al doilea caz, când greutatea proprie a plăcii de beton este primită și de sistemul cuplat (fig. 11c), se presupune că suportul de oțel este susținut în timpul betonării în locuri suficiente, astfel încât să nu primească momente de încovoiere semnificative. Distribuția tensiunii după scoaterea schelei este prezentată în fig. 11d.
Figura 11 — Cuplaj pentru sarcină mobilă și moartă, cu distribuții de tensiune înainte și după scoaterea schelei
Preîncărcare
În cazul grinzilor simple, tensiunile de tracțiune mai mici apar în beton numai din cauza contracției și a diferenței de temperatură. Tensiuni de tracțiune substanțiale apar în grinzile surplombate, grinzile continue și alte structuri, iar acestea pot provoca fisuri în beton. Dacă apar fisuri în zona momentelor negative, efectul de cuplare se pierde. Prin urmare, este util să induceți în prealabil solicitări mici de compresiune în placa de beton pentru a evita în siguranță formarea de fisuri din cauza contracției betonului. Tensiunile de tracțiune în placa de beton a grinzilor cuplate pot fi reduse:
1. Prin preîncărcarea negativă corespunzătoare a grinzii de oțel (pretensionarea marginii superioare). Secvența betonării trebuie studiată cu atenție.
2. Prin ridicarea și coborârea suporturilor medii ale suporturilor continue. prin care, cu procedura adecvată, se pot produce tensiuni de compresiune în placa de beton a suportului cuplat.
3. Prin pretensionare. Cel mai simplu caz este atunci când o placă de beton liberă este precomprimată și numai ulterior conectată la un suport de oțel. Avantajul acestei proceduri este o forță de precomprimare relativ mică, deoarece centura comprimată a suportului de oțel nu este precomprimată. Această grindă primește momente de încovoiere doar datorită curgerii și contracției plăcii de beton, deci rămâne dreaptă datorită forței de pretensionare. În fig.12iar distribuția tensiunilor pentru acest caz de pretensionare este prezentată (t=0), iar în fig.12b starea finală la capătul curgerii (t=tE) și în fig.12c tensiuni de încovoiere datorate încărcării de moment pe termen scurt (t=a). În fig.12d arată distribuția tensiunii pentru t=0 în cazul precomprimarii plăcii de beton lipit.
Imagine12— Precomprimarea unei plăci de beton de sine stătătoare cu cuplare ulterioară
Construcții static nedeterminate
Grinzile continue și structurile similare primesc momente de încovoiere negative, ceea ce provoacă adesea solicitări mari de întindere în placa de beton armat. Fisurile sunt nedorite, în special la poduri, având în vedere durata de viață a grinzilor cuplate și efectul crestăturilor asupra fisurilor. Sistemele static nedeterminate sunt calculate pentru sarcini pe termen scurt (sarcini mobile) conform metodelor obișnuite de statică pentru un sistem neschimbat. Mărimile și deformațiile statice corespunzătoare sunt aceleași ca într-un sistem ideal elastic. Sub efectul încărcării constante, în special pretensionarea ridicată, are loc întotdeauna un debit mare. La determinarea forței de pretensionare, trebuie luată în considerare frecarea elementelor de pretensionare îndoite. În timpul construcției, surplomba podurilor cuplate trebuie selectată cu atenție. Suporturile cuplate gata făcute sunt foarte rigide, astfel încât este aproape imposibil să se facă corecții ulterioare ale poziției înălțimii. Nivelul final este atins abia după câțiva ani, având în vedere fluxul. Această nivelare este incertă într-o oarecare măsură, deoarece efectele contracției și ale curgerii sunt variabile, în funcție de condițiile climatice care nu pot fi prezise.
Concluzie
Aplicarea cuplajului nu se limitează la grinzile din tablă, ci poate include și suporturi pentru rigidizarea grinzilor Langer, poduri suspendate, etc. precum și grinzi cu zăbrele cu o cale carosabilă în sus sau în jos. Poduri cu zăbrele - tensiuni mari de întindere apar în plăcile de drum în apropierea carosabilului de dedesubt, deoarece aceste plăci trebuie să urmărească într-o măsură mai mare sau mai mică alungirea centurii tensionate a grinzii principale. Este necesară o precomprimare longitudinală adecvată pentru a evita fisurile. În fig.13există un caz limită în care grila de oțel nu mai are deloc centură inferioară, iar rolul acesteia este preluat complet de o placă de beton armat precomprimată în ambele sensuri. În fig.13b canalele tronsonului sunt vizibile60x180mm în suportul propriu-zis.
Imagine13— Podul Gahle: a) tronson; b) joncțiunea centurii inferioare, stânga la gara principală, dreapta la Vešaljka