Dôležité technické a bezpečnostné upozornenie: Toto je archívny vzdelávací text, nie konštrukčný návrh, statický výpočet, platná norma, detail spoja alebo návod na stavbu, zváranie, betonáž, podopretie, predpínanie alebo sanáciu. Všetky pôvodné receptúry, označenia, rozmery, materiály, postupy a nároky sa prenášajú bez overenia podľa dnešných predpisov. Návrh a realizácia spriahnutých oceľovo-betónových konštrukcií patrí výlučne autorizovaným stavebným inžinierom, statikom, dodávateľom a dozoru podľa konkrétneho objektu, zaťaženia, zeminy, materiálu a platných noriem.
Napojené stavby nie sú špeciálnou službou v aktuálnej verejnej ponuke Savo Kusić. Súčasné zameranie je drevené okná, drevo-hliníkové okná a vlastné dvere. V prípade projektu okien alebo dverí môžete poslať žiadosť o cenovú ponuku.
Úvod
V niektorých konštrukciách sa používajú železobetónové dosky na oceľových podperách, ako sú chodníkové dosky mostov na I-pozdĺžnych a priečnych nosníkoch alebo stropy v budovách na I-nosníkoch. Predtým sa takéto systémy dimenzovali za predpokladu, že tieto dva prvky sa môžu navzájom pohybovať a že momenty v smere hlavného rozpätia zachytávajú iba oceľové podpery. Betónová doska prenášala zaťaženie na oceľové nosníky, ale nepodieľala sa na prijímaní zodpovedajúcich statických hodnôt (obr.1).
Obrázok 1 — Spojený nosič, systém
Pri tomto spôsobe konštrukcie sa počíta s priečnymi spojmi v betónovej doske v pravidelných intervaloch, aby sa umožnilo zmršťovanie železobetónu a zabránilo sa nežiaducim trhlinám, t. j. dodatočným napätiam. Skúsenosti však ukázali, že skutočné sily v takomto systéme sú výrazne odlišné od vypočítaných. Pri styku železobetónovej dosky s oceľovou podperou vzniká veľké trenie (adhézne napätie), takže oba prvky vždy spolupracujú.
Nevýhodou neočakávaného spojovacieho efektu je vznik vrubového efektu na spojoch betónovej dosky. Šmykové napätia pozdĺž oporného povrchu sa prudko zvyšujú v blízkosti spoja, podobne ako šmykové napätia na koncoch bočných švíkov. Keďže poloha nulovej čiary v spoji sa prakticky nemení, normálové napätia v oceľovej podpere môžu byť výrazne vyššie ako tie, ktoré sú vypočítané pre rovnomerné spojenie. Počnúc týmto zárezom môže dôjsť k zvládnutiu adhézie, ktorá sa ďalej šíri. Škáry v chodníkovej doske preto neplnia svoju úlohu a nie sú účinné.
Spojené zátvorky
V prípade spriahnutých podpier sa predpokladá, že šmykové sily na styčnej ploche medzi oceľovou podperou a betónovou doskou môžu byť bezpečne prenášané (sily v nosníkoch). Platí pravidlo, že betónová doska spočíva priamo na hornom páse oceľovej podpery a nedochádza k žiadnym relatívnym pohybom. Pri tejto takzvanej S tuhej spojke sa používajú špeciálne spojovacie prostriedky (vretená, strmene, kotvy), ktoré sú zapustené do betónu.
Budeme uvažovať o prípade spriahnutého nosníka s betónovou doskou bez priečnych škár. Ak určité zaťaženie (napr. ohybový moment) pôsobí len krátkodobo, vznikajú zodpovedajúce napätia a deformácie Δσ, resp. Δε podľa elementárnej vedy o pevnosti, podobne ako železobetón. Napätia v oceli a betóne sú pri určitom predĺžení vo vzťahu k ich modulu pružnosti: σst/σb = Est/Eb = n. Ak je zaťaženie dlhodobé, dochádza k deformáciám betónu v dôsledku zmrašťovania a zatekania. Ak s ε0= σ/E0 označte deformáciu vplyvom krátkodobého zaťaženia v momente t =0, deformácia sa pri trvalom zaťažení v dôsledku trenia zväčšuje až do momentu t na hodnotu εt = ε0(t + φt). Za rovnakých podmienok sa vypočítajú deformácie klzu, ako keby boli úmerné napätiam. Preto sa hovorí, že pre deformácie spôsobené prúdením platí Hookeov zákon. Súčiniteľ zatekania φt závisí od času, triedy betónu, vonkajšej teploty, vlhkosti vzduchu, momentu zaťaženia prvku atď.
Namiesto ohybu podľa Bernoulli\ a Navier\ sa objavujú diferenciálne vzťahy, t.j. rozdelenie napätia by sa malo určiť z diferenciálnej rovnice pre prúdenie. V dôsledku prúdenia sa napätia v betóne znižujú, zatiaľ čo napätia v oceli sa zvyšujú. Tieto zmeny napätia závisia okrem rozmerov prierezu aj od pružných rozmerov a zaťažovacieho momentu. Podobné následky ako pri stekaní vznikajú pri zmrašťovaní betónu. Miera zmrašťovania εs závisí od betónu, spôsobu jeho výroby, ako aj od klimatických podmienok. Zmrašťovanie betónu nezávisí od zaťaženia aplikovaného na prvok.
Spojovacie prostriedky
Spojovacie prostriedky by mali bezpečne prenášať všetky šmykové sily na betónové a oceľové povrchy, ktoré sú v kontakte, v dôsledku vznikajúcich zaťažení, a tak zabrániť skĺznutiu. Okrem toho by mali prijať šikmé hlavné napínacie sily, ak ich vzhľadom na ich veľkosť nemôže prijať samotná betónová časť. Veľkosť síl sa určuje podľa elementárnej teórie ohybu. Nasledujúce sa považujú za prostriedky spojenia:
- Spojovacie kotvy: Sú to okrúhle alebo ploché železné platne, privarené k hornému pásu oceľovej podpery, ktoré pôsobia podobne ako ohýbaná výstuž železobetónových nosníkov. Vyrábajú sa ako háky alebo strmene, diagonálne alebo vertikálne. Tieto kotvy pôsobia iba v jednom smere a nie sú účinné, ak sa zmení znamienko šmykovej sily.
- Konzoly: Sú pripevnené k hornému povrchu oceľovej podpery, môžu prijímať šmykové sily v oboch smeroch. V smere strižnej sily treba rozlišovať mäkké a tuhé mozgy. Mäkké mozgové bunky trpia výraznými deformáciami a nerovnomerne rozdeľujú strihové sily po svojom povrchu. Tuhé mozgy poskytujú lepšie rozloženie síl s menšími deformáciami.
Obrázok 2 — Most cez rieku Porúrie pri Herdecke
- Špirálová výstuž: Dosadá na oceľovú podperu a je privarená v miestach dotyku. Špirály nie sú vhodné pre veľké spojovacie sily. To isté platí pre vlnitú kruhovú oceľ. Ako príklad prostriedkov na spojenie na mostoch je na obr. 2 sú znázornené nosníky mosta cez Porúrie pri Herdeckej (nosníky 60x40 so zvislými strmeňmi ϕ12), ktoré sú ďalej privarené od seba k g. na obr. 3 prostriedky na spájanie priečnych nosníkov jedného mosta, v závislosti od veľkosti priečnej sily, boli aplikované bočne zvárané strmene pre nosníky, ako aj priamo zvárané strmene pre horný pás so špeciálnymi nosníkmi. V prípade dlhých strmeňov je možné strmene privariť aj na protiľahlých stranách, obr. 4a. Na obr. 4b je zobrazené riešenie so šikmými strmeňmi.
Obrázok 3 — Priečne podopretie jedného mosta
Obrázok 4 — Mozgy so strmeňmi
V stavebníctve sa používajú aj tuhé strmene so strmeňmi alebo len strmene, ale stretávame sa aj s riešeniami s mäkkými strmeňmi, ako napr. nitované rohy. Z ekonomických dôvodov sa častejšie používajú spojovacie kotvy, ktoré sú k oceľovej podpere privarené natupo (obr. 5a), alebo dosadajú na podperu jedným zahnutým koncom (obr. 5b). Na obr. 5c ukazuje zodpovedajúce riešenie s posunutými háčikmi. Na obr. 6 ukazuje bežné riešenie pre stropné podpery v pozemných stavbách, a to a) spriahnutú podperu z I-nosníkov, b) z T-nosníkov, ktorá vznikne prerezaním I-nosníkov. Na koncoch podpier by mali byť vždy umiestnené obzvlášť silné koncové výstuhy (obr. 7). Šikmé kotvy sa používajú na zavedenie napätia zo zmršťovania a teploty do dosky.
Obrázok5— Spojovacie kotvy
Obrázok6— Podpora konštrukcie mezanínu
Dimenzovanie spojovacích prostriedkov sa vykonáva podľa základných princípov. Jednotlivé prostriedky by mali pôsobiť šmykovou silou zodpovedajúcou ich vzdialenosti. Pri dimenzovaní zvarového spoja mozgu treba brať do úvahy moment prevrátenia.
Obrázok7— a) Koniec mozgu s ukotvením; b) kotvenie
Elastická spojka
Predchádzajúce prezentácie odkazovali na “pevnú väzbu”, kde sa relatívny posun medzi oceľovou podperou a doskou rovná nule a spojovacie prostriedky pôsobia nepretržite. Bola zanedbaná deformácia spojovacieho prostriedku, lokálna deformácia betónu a oceľovej podpery.
Obrázok8— Držiak s elastickou spojkou
Za predpokladu tuhej väzby sú sily prenášané jednotlivými prostriedkami väzby úmerné priečnej sile a vzdialenosti mozgu. Ak sa v určitých oblastiach vyskytnú výrazné relatívne pohyby medzi oceľovou podperou a betónovou doskou, dochádza k výraznému preskupeniu síl. Betón môže čiastočne prestať pôsobiť ako prítlačná doska spriahnutého nosníka, čím sa výrazne znížia maximálne hodnoty šmykových síl. Na obr.8je uvedený príklad konštrukcie s elastickou spojkou, podobne ako most cez Rýn, Koln-Rodenkirchen. Na obr.9je znázornený účinok elastického spojenia na súvislú podporu pre sústredenú silu a úplne rovnomerne rozložené zaťaženie. Posun ψ, ktorý je mierou tuhosti spojky na prijímanie šmyku, je definovaný na obr.8. Vplyv pružnej spojky je preto veľmi veľký, ak sa vlastnosti spojky zvolia účelovo na strih.
Obrázok9— Príklad pre mostík s elastickou spojkou
Výpočet spriahnutých konštrukcií
V zásade je ekonomické, aby hrúbka betónovej dosky bola čo najmenšia, pričom by sa mali dodržiavať minimálne hrúbky určené predpismi.
Staticky určené štruktúry
Pri staticky určených konštrukciách (napr. jednoduché nosníky) sú statické vplyvy v spoločnom reze pre určité zaťaženie konštantné, prípadne nezávislé od času. Len ohybové momenty a normálové sily v určitých častiach prierezu sú premenlivé v dôsledku účinkov prúdenia a zmršťovania.
Vplyv zmršťovania možno vyjadriť ako zodpovedajúci teplotný rozdiel medzi oceľovým nosníkom a betónovou doskou. V dôsledku zmrašťovania betónu vznikajú v spájanom priereze vnútorné napätia, a to ťahové napätia zo zmrašťovania v betóne, ktorého zmrašťovaniu sa bráni vplyvom oceľovej podpery (ako aj samotnej výstuže), pričom v oceľovom priereze vznikajú zodpovedajúce tlakové napätia (obr.10). Zmršťovanie sa časom zvyšuje na konečnú hodnotu podľa jedinej exponenciálnej funkcie. Keďže s deformáciami zmršťovaním sa zvyšujú aj napätia zmrašťovania, dochádza k takzvanému toku zmršťovania.
Obrázok10— a) Zmrštenie voľnej platne bez spojky; b) napätia v dôsledku zmršťovania v spojených podperách
V závislosti od statického systému, ktorý predpokladá vlastnú hmotnosť betónovej dosky, sa líši: spojenie len pre pohybujúce sa zaťaženie (iba oceľová podpera nesie vlastnú hmotnosť a spojený systém prijíma iba zaťaženia, ktoré pôsobia na hotovú konštrukciu), spojenie pre vlastnú hmotnosť a pohyblivé zaťaženie (celá vlastná hmotnosť a pohybujúce sa zaťaženie pôsobí na spojený systém).
Prvý prípad nastáva, keď oceľové nosníky slúžia ako nosníky debnenia bez podopretia a pri betonáži sa môžu na poli ohnúť (obr.11a). V tomto prípade samotná oceľová podpera preberá hmotnosť betónu a debnenia. K lepeniu dochádza len vtedy, keď je betón dostatočne tvrdý (obr.11b) a podpera sa nesmie zaťažovať bezprostredne po betonáži, aby sa predišlo poškodeniu alebo nadmernému zatekaniu betónu.
V druhom prípade, keď vlastnú hmotnosť betónovej dosky preberá aj spojený systém (obr. 11c), predpokladá sa, že oceľová podpera je pri betonáži podopretá na dostatočných miestach, takže nedochádza k výrazným ohybovým momentom. Rozloženie napätia po odstránení lešenia je znázornené na obr. 11d.
Obrázok 11 — Spojka pre pohyblivé a vlastné zaťaženie, s rozvodmi napätia pred a po odstránení lešenia
Predbežné zaťaženie
V prípade jednoduchých nosníkov sa menšie ťahové napätia vyskytujú v betóne len v dôsledku zmrašťovania a teplotného rozdielu. V previsnutých nosníkoch, spojitých nosníkoch a iných konštrukciách vznikajú značné ťahové napätia, ktoré môžu spôsobiť trhliny v betóne. Ak sa v oblasti negatívnych momentov objavia trhliny, stratí sa väzbový efekt. Preto je užitočné vopred vyvolať v betónovej doske malé tlakové napätia, aby sa bezpečne zabránilo vzniku trhlín v dôsledku zmršťovania betónu. Ťahové napätia v betónovej doske spojených nosníkov možno znížiť:
1. Zodpovedajúcim negatívnym predpätím oceľového nosníka (predpätie hornej hrany). Postupnosť betonáže by sa mala dôkladne preštudovať.
2. Zdvíhaním a spúšťaním stredných podpier súvislých podpier. pričom pri správnom postupe môžu vzniknúť tlakové napätia v betónovej doske spriahnutej podpery.
3. Predpätím. Najjednoduchší prípad je, keď sa predopne voľná betónová doska a až následne sa pripojí k oceľovej podpere. Výhodou tohto postupu je relatívne malá predpínacia sila, keďže stlačený pás oceľovej podpery nie je predpätý. Tento nosník dostáva ohybové momenty iba v dôsledku tečenia a zmršťovania betónovej dosky, takže zostáva rovný v dôsledku predpínacej sily. Na obr.12a je zobrazené rozloženie napätia pre tento prípad predpätia (t=0) a na obr.12b konečný stav na konci prietoku (t=tE) a na obr.12c ohybové napätia v dôsledku krátkodobého momentového zaťaženia (t=a). Na obr.12d ukazuje rozloženie napätia pre t=0 v prípade predpínania lepenej betónovej dosky.
Obrázok12— Predpätie voľne stojacej betónovej dosky s následnou spojkou
Staticky neurčité konštrukcie
Spojité nosníky a podobné konštrukcie sú vystavené negatívnym ohybovým momentom, čo často spôsobuje vysoké ťahové napätia v železobetónovej doske. Trhliny sú nežiaduce, najmä v mostoch, vzhľadom na životnosť spriahnutých nosníkov a vplyv zárezov na trhliny. Staticky neurčité systémy sa počítajú pre krátkodobé zaťaženia (pohyblivé zaťaženia) podľa obvyklých metód statiky pre nezmenený systém. Zodpovedajúce statické veličiny a deformácie sú rovnaké ako v ideálne elastickom systéme. Pôsobením stáleho zaťaženia, najmä vysokého predpätia, vždy dochádza k veľkému prietoku. Pri stanovení predpínacej sily treba brať do úvahy trenie ohnutých predpínacích prvkov. Počas výstavby je potrebné starostlivo vybrať presah spriahnutých mostov. Hotové spriahnuté podpery sú veľmi tuhé, takže následné korekcie výškovej polohy je takmer nemožné. Konečná úroveň sa dosiahne až po niekoľkých rokoch, vzhľadom na prietok. Táto nivelácia je do určitej miery neistá, pretože účinky zmršťovania a toku sú premenlivé v závislosti od klimatických podmienok, ktoré sa nedajú predpovedať.
Záver
Použitie spriahnutia nie je obmedzené na plechové nosníky, ale môže zahŕňať aj podpery na vystuženie Langerových nosníkov, visutých mostov atď., ako aj priehradové nosníky s jazdnou dráhou hore alebo dole. Mriežkové mosty - vysoké ťahové napätia sa vyskytujú v doskách vozovky v blízkosti vozovky pod vozovkou, pretože tieto dosky musia vo väčšej alebo menšej miere sledovať predĺženie napínaného pásu hlavného nosníka. Aby sa zabránilo vzniku trhlín, je potrebné primerané pozdĺžne predpätie. Na obr. 13 je hraničný prípad, kedy oceľový rošt už nemá spodný pás a jeho úlohu úplne preberá železobetónová doska predpätá v oboch smeroch. Na obr. 13b v samotnej podpere môžete vidieť kanály prierezu 60x180 mm.
Obrázok 13 — Most Gahle: a) rez; b) križovatka dolného pásu, vľavo na hlavnej stanici, vpravo pri Vešaljke