Pomembno tehnično in varnostno obvestilo: To je arhivsko izobraževalno besedilo, ne konstrukcijski načrt, statični izračun, veljavni standard, detajl spoja ali navodilo za gradnjo, varjenje, betoniranje, podporje, prednapenjanje ali sanacijo. Vse originalne formule, oznake, dimenzije, materiali, postopki in zahtevki se prenašajo brez overitve v skladu z veljavnimi predpisi. Projektiranje in izvedba vezanih jekleno-betonskih konstrukcij je v pristojnosti izključno pooblaščenih gradbenih inženirjev, projektantov, izvajalcev in nadzora na podlagi konkretnega objekta, obremenitev, tal, materiala in veljavnih standardov.
Vezna gradnja ni posebna storitev v trenutni javni ponudbi Savo Kusić. Trenutni fokus so lesena okna, leseno-aluminijasta okna in vrata po meri. Za projekt oken ali vrat lahko pošljete povpraševanje za ponudbo.
uvod
V nekaterih konstrukcijah se uporabljajo armiranobetonske plošče na jeklenih nosilcih, kot so tlakovne plošče mostov na I-vzdolžnih in prečnih nosilcih ali stropi v stavbah na I-nosilcih. Prej so bili taki sistemi dimenzionirani ob predpostavki, da se ta dva elementa lahko premikata drug z drugim in da momente v smeri glavnega razpona sprejemajo samo jekleni nosilci. Betonska plošča je prenesla obremenitev na jeklene nosilce, ni pa sodelovala pri sprejemanju pripadajočih statičnih vrednosti (sl. 1).
Slika 1 — Sestavljeni nosilec, sistem
Pri tem načinu gradnje so v betonski plošči predvidene prečne rege v enakomernih razmakih, da se omogoči krčenje armiranega betona in prepreči nezaželene razpoke, t.j. dodatne napetosti. Izkušnje pa so pokazale, da se dejanske sile v takem sistemu bistveno razlikujejo od izračunanih. Na stiku armiranobetonske plošče in jeklenega nosilca nastane veliko trenje (adhezijska napetost), tako da oba elementa vedno sodelujeta.
Pomanjkljivost nepričakovanega učinka spajanja je pojav učinka zareze na spojih betonske plošče. Strižne napetosti vzdolž naležne površine se močno povečajo v bližini spoja, podobno kot strižne napetosti na koncih stranskih šivov. Ker se položaj ničelne črte na spoju praktično ne spremeni, so normalne napetosti v jeklenem nosilcu lahko bistveno višje od izračunanih za enakomerno spajanje. Od te zareze lahko pride do obvladovanja adhezije, ki se širi naprej. Zato spoji v voziščni plošči ne opravljajo svoje vloge in niso učinkoviti.
Sestavljeni oklepaji
V primeru sklopljenih nosilcev se predpostavlja, da se lahko strižne sile na kontaktni površini med jeklenim nosilcem in betonsko ploščo varno prenašajo (sile v nosilcih). Pravilo je, da betonska plošča leži neposredno na zgornjem pasu jeklene podpore in da ni relativnih premikov. Pri tej tako imenovani S togo spojko se uporabljajo posebna sredstva povezovanja (vretena, stremena, sidra), ki so vdelana v beton.
Ogledali si bomo primer sklopljene grede z betonsko ploščo brez prečnih stikov. Če določena obremenitev (npr. upogibni moment) deluje le kratek čas, pripadajoče napetosti in deformacije Δσ oz. Δε po elementarni trdnostni znanosti podobno kot pri armiranem betonu. Napetosti v jeklu in betonu pri določenem raztezku stojijo glede na njun modul elastičnosti: σst/σb = Est/Eb = n. Če je obremenitev dolgotrajna, pride do deformacij betona zaradi krčenja in tečenja. Če z ε0 = σ/E0 označimo deformacijo zaradi kratkotrajne obremenitve v trenutku t = 0, potem se deformacija poveča pri trajni obremenitvi zaradi trenja do trenutka t na vrednost εt = ε0 (t + φt). Pri enakih pogojih se deformacije tečenja izračunajo, kot da bi bile sorazmerne z napetostmi. Zato pravijo, da Hookov zakon velja za deformacije zaradi toka. Koeficient pretoka φt je odvisen od časa, razreda betona, zunanje temperature, vlažnosti zraka, momenta obremenitve elementa itd.
Namesto upogiba po Bernoulliju\ in Navierju\ se pojavijo diferencialna razmerja, tj. porazdelitev napetosti je treba določiti iz diferencialne enačbe za tok. Zaradi tečenja se napetosti v betonu zmanjšajo, napetosti v jeklu pa povečajo. Te spremembe napetosti so poleg dimenzij prečnega prereza odvisne tudi od elastičnih dimenzij in momenta obremenitve. Podobne posledice kot pri tečenju nastanejo pri krčenju betona. Višina mere krčenja εs je odvisna od betona, načina njegove proizvodnje, pa tudi od klimatskih pogojev. Krčenje betona ni odvisno od obremenitve elementa.
Spojke
Spojna sredstva morajo varno prenašati vse strižne sile na betonskih in jeklenih površinah v stiku zaradi obremenitev, ki se pojavljajo, in tako preprečiti zdrs. Poleg tega morajo prejeti poševne glavne natezne sile, če jih zaradi njihove velikosti sam betonski profil ne more prevzeti. Velikost sil je določena v skladu z osnovno teorijo upogiba. Naslednje velja za sredstva spajanja:
- Spojna sidra: To so okrogle ali ravne železne plošče, privarjene na zgornji pas jeklene podpore, ki delujejo podobno kot upognjena armatura armiranobetonskih nosilcev. Izdelane so kot kljuke ali stremena, diagonalno ali navpično. Ta sidra delujejo le v eno smer in niso učinkovita, če strižna sila spremeni predznak.
- Nosilci: Pritrjeni so na zgornjo površino jeklenega nosilca, lahko sprejmejo strižne sile v obeh smereh. V smeri strižne sile je treba razlikovati med mehkimi in togimi možgani. Mehke možganske celice so močno deformirane in neenakomerno porazdelijo strižne sile po svoji površini. Rigidni možgani dajejo boljšo porazdelitev sil z manjšimi deformacijami.
Slika 2 — Most čez reko Ruhr pri Herdeckeju
- Spiralna ojačitev: Nalega se na jekleno podlago in je na stičnih točkah privarjena. Spirale niso primerne za znatne sklopne sile. Enako velja za valovito okroglo jeklo. Kot primer sredstev za spenjanje na mostovih je na sl. 2 so prikazani nosilci mostu čez Porurje pri Herdecki (nosilci 60x40 z navpičnimi stremeni ϕ12, ki so privarjeni na same nosilce, da se preprečijo nadaljnje zareze zaradi varjenja); na sl. 3 sredstva za povezavo prečnih nosilcev enega mostu so bila glede na velikost prečne sile uporabljena stransko varjena stremena za nosilce, kot tudi neposredno varjena stremena za zgornji pas s posebnimi nosilci. Pri dolgih stremenih lahko stremena varimo tudi na nasprotnih straneh, sl. 4a. Na sl. 4b je prikazana rešitev s poševnimi stremeni.
Slika 3 — Prečni nosilec enega mostu
Slika 4 — Možgani s stremeni
V gradbeništvu se uporabljajo tudi toge stremene s stremeni ali samo stremeni, srečamo pa tudi rešitve z mehkimi stremeni, kot je npr. zakovičeni vogali. Iz ekonomskih razlogov se pogosteje uporabljajo spojna sidra, ki so čelno privarjena na jekleno oporo (slika 5a) ali pa z enim upognjenim koncem naslonjena na oporo (slika 5b). Na sl. 5c prikazuje ustrezno rešitev s premaknjenimi kavlji. Na sl. 6 prikazuje običajno rešitev za stropne nosilce v gradbeništvu, in sicer a) sklopljeno oporo iz I-nosilcev, b) iz T-nosilcev, ki nastanejo z rezanjem I-nosilcev. Na koncih nosilcev morajo biti vedno nameščene posebej močne končne spone (slika 7). Nagnjena sidra se uporabljajo za vnašanje napetosti zaradi krčenja in temperature v ploščo.
Slika 5 — Spojna sidra
Slika 6 — Podpora medetažne strukture
Dimenzioniranje spojnih sredstev se izvede v skladu z osnovnimi načeli. Posamezna sredstva morajo prejeti strižno silo, ki ustreza njihovi razdalji. Pri dimenzioniranju varjenega spoja možganskega debla je treba upoštevati prevratni moment.
Slika 7 — a) Končni možgani s sidranjem; b) sidranje
Elastična spojka
Prejšnje predstavitve so se nanašale na togo sklopko, kjer je relativni premik med jekleno oporo in ploščo enak nič, spojna sredstva pa delujejo neprekinjeno. Zanemarjena je deformacija sredstev za spajanje, lokalna deformacija betona in jeklene podpore.
Slika 8 — Nosilec z elastično spojko
Pod predpostavko togega spajanja so sile, ki se prenašajo s posameznimi sklopi, sorazmerne s prečno silo in razdaljo možganov. Če na določenih območjih pride do večjih relativnih premikov med jekleno oporo in betonsko ploščo, to povzroči opazno prerazporejanje sil. Beton lahko delno preneha delovati kot tlačna plošča sklopljenega nosilca, pri čemer se največje vrednosti strižnih sil znatno zmanjšajo. Na sl. 8 je primer strukture z elastično sklopko, podobno mostu čez Ren, Koln-Rodenkirchen. Na sl. 9 prikazuje učinek elastične sklopke na neprekinjeno oporo, za koncentrirano silo in popolnoma enakomerno porazdeljeno obremenitev. Premik ψ, ki je merilo togosti sklopke za sprejem striga, je opredeljen na sl. 8. Vpliv elastične sklopke je torej zelo velik, če so lastnosti sklopke namenoma izbrane za sprejem striga.
Slika 9 — Primer za most z elastično sklopko
Izračun sklopljenih struktur
Načeloma je ekonomično, da je debelina betonske plošče čim manjša, pri čemer je treba upoštevati minimalne debeline, ki jih določajo predpisi.
Statično določene konstrukcije
Za statično določene konstrukcije (npr. enostavni nosilci) so statični vplivi v skupnem prerezu za določeno obremenitev konstantni oz. neodvisno od časa. Samo upogibni momenti in normalne sile v določenih delih preseka so spremenljivi zaradi učinka tečenja in krčenja.
Učinek krčenja je mogoče predstaviti kot ustrezno temperaturno razliko med jekleno oporo in betonsko ploščo. Zaradi krčenja betona se v spojenem prerezu pojavijo notranje napetosti, in sicer natezne napetosti zaradi krčenja v betonu, katerega krčenje preprečuje vpliv jeklene podpore (kot tudi same armature), medtem ko se v jeklenem prerezu pojavijo ustrezne tlačne napetosti (slika 10). Krčenje se s časom povečuje do končne vrednosti v skladu z eno samo eksponentno funkcijo. Ker se z deformacijami pri krčenju povečujejo tudi napetosti pri krčenju, to povzroči tako imenovani tok krčenja.
Slika 10 — a) Krčenje proste plošče brez sklopitve; b) napetosti zaradi krčenja v sklopljenih nosilcih
Glede na statični sistem, ki prevzame lastno težo betonske plošče, obstaja razlika: sklopka samo za gibljivo obremenitev (lastno težo prevzame le jeklena opora, sklopljeni sistem pa sprejme samo obremenitve, ki delujejo na končno konstrukcijo), sklopka za lastno težo in gibljivo obremenitev (celotna lastna teža in gibljiva obremenitev delujeta na spojeno sistem).
Prvi primer se pojavi, ko jekleni nosilci služijo kot nosilci opažev, ne da bi bili podprti, med betoniranjem pa se lahko na terenu ukrivijo (slika 11a). V tem primeru jeklena podpora sama prevzame težo betona in opaža. Do lepljenja pride šele, ko je beton dovolj trd (slika 11b), zato podpore ne smete obremeniti takoj po betoniranju, da preprečite poškodbe ali prekomerno tečenje betona.
V drugem primeru, ko lastno težo betonske plošče sprejme tudi sklopljeni sistem (slika 11c), se predpostavlja, da je jeklena podpora med betoniranjem podprta na dovolj mestih, tako da ne prejme pomembnih upogibnih momentov. Porazdelitev napetosti po odstranitvi gradbenega odra je prikazana na sl. 11d.
Slika 11 — Sklopka za premično in lastno obremenitev, z razdelitvijo napetosti pred in po odstranitvi gradbenega odra
Prednalaganje
Pri enostavnih nosilcih pride do manjših nateznih napetosti v betonu le zaradi krčenja in temperaturne razlike. V previsnih nosilcih, neprekinjenih nosilcih in drugih konstrukcijah se pojavijo znatne natezne napetosti, ki lahko povzročijo razpoke v betonu. Če se na območju negativnih trenutkov pojavijo razpoke, se učinek spajanja izgubi. Zato je koristno vnaprej povzročiti majhne tlačne napetosti v betonski plošči, da se varno izognemo nastanku razpok zaradi krčenja betona. Natezne napetosti v betonski plošči sklopljenih nosilcev je mogoče zmanjšati:
1. Z ustrezno negativno prednapetostjo jeklenega nosilca (prednapenjanje zgornjega roba). Zaporedje betoniranja je treba natančno preučiti.
2. Z dvigovanjem in spuščanjem srednjih nosilcev zveznih nosilcev. pri čemer lahko z ustreznim postopkom povzročimo tlačne napetosti v betonski plošči spojene podpore.
3. S prednapenjanjem. Najenostavnejši primer je, ko prosto betonsko ploščo prednapnemo in šele nato povežemo z jekleno oporo. Prednost tega postopka je razmeroma majhna sila prednapenjanja, saj stisnjen pas jeklenega nosilca ni prednapet. Ta nosilec je deležen upogibnih momentov samo zaradi tečenja in krčenja betonske plošče, zato ostane raven zaradi sile prednapenjanja. Na sl. 12a prikazuje porazdelitev napetosti za ta primer prednapenjanja (t=0), na sl. 12b končno stanje na koncu toka (t=tE) in na sl. 12c upogibne napetosti zaradi kratkotrajne momentne obremenitve (t=a). Na sl. 12d prikazuje porazdelitev napetosti za t=0 v primeru prednapenjanja lepljene betonske plošče.
Slika 12 — Prednapenjanje prostostoječe betonske plošče z naknadnim spajanjem
Statično nedoločene konstrukcije
Neprekinjeni nosilci in podobne konstrukcije so deležni negativnih upogibnih momentov, kar pogosto povzroči visoke natezne napetosti v armiranobetonski plošči. Razpoke so nezaželene, zlasti pri mostovih, glede na življenjsko dobo sklopljenih nosilcev in učinek zarez na razpoke. Statično nedoločeni sistemi se izračunajo za kratkotrajne obremenitve (gibljive obremenitve) po običajnih metodah statike za nespremenjen sistem. Ustrezne statične količine in deformacije so enake kot v idealno elastičnem sistemu. Pod vplivom stalne obremenitve, zlasti visoke prednapetosti, se vedno pojavi velik pretok. Pri določanju sile prednapenjanja je treba upoštevati trenje upognjenih elementov prednapenjanja. Med gradnjo je treba skrbno izbrati previs spojenih mostov. Gotovi spojni nosilci so zelo togi, zato je naknadne korekcije višinske lege skoraj nemogoče. Končna raven je glede na pretok dosežena šele po nekaj letih. Ta izravnava je do neke mere negotova, saj so učinki krčenja in pretoka spremenljivi, odvisni od podnebnih razmer, ki jih ni mogoče predvideti.
Zaključek
Uporaba spenjanja ni omejena na pločevinaste nosilce, ampak lahko vključuje tudi podpore za ojačitev Langerjevih nosilcev, visečih mostov itd., kot tudi rešetkastih nosilcev z voziščem navzgor ali navzdol. Rešetkasti mostovi - v cestnih ploščah ob spodnjem cestišču se pojavljajo visoke natezne napetosti, saj morajo te plošče v večji ali manjši meri slediti raztezku napetega pasu glavnega nosilca. Za preprečitev razpok je potrebna ustrezna vzdolžna prednapetost. Na sl. 13 je mejni primer, ko jeklena mreža nima več spodnjega pasu, njegovo vlogo pa v celoti prevzame dvosmerno prednapeta armiranobetonska plošča. Na sl. 13b lahko vidite presek kanalov 60x180 mm v samem nosilcu.
Slika 13 — Most Gahle: a) odsek; b) križišče spodnjega pasu, levo pri glavni postaji, desno pri Vešaljki