Viktigt tekniskt och säkerhetsmeddelande: Detta är en arkiverad utbildningstext, inte en strukturell design, statisk beräkning, tillämplig standard, fogdetalj eller instruktion för konstruktion, svetsning, betong, stöttning, förspänning eller rehabilitering. Alla ursprungliga formler, märkningar, dimensioner, material, procedurer och påståenden överförs utan verifiering enligt dagens föreskrifter. Konstruktion och utförande av kopplade stål-betongkonstruktioner tillhör uteslutande auktoriserade civilingenjörer, konstruktörer, entreprenörer och övervakning utifrån det specifika objektet, lasten, jordmånen, materialet och tillämpliga standarder.
Anslutna konstruktioner är inte en speciell tjänst i det aktuella offentliga erbjudandet av Savo Kusić. Det aktuella fokuset är träfönster, trä-aluminiumfönster och anpassade dörrar. För ett fönster- eller dörrprojekt kan du skicka offertförfrågan.
Introduktion
I vissa konstruktioner används armerade betongplattor på stålstöd, såsom trottoarplattor av broar på I-längs- och tvärbalkar eller tak i byggnader på I-balkar. Tidigare dimensionerades sådana system under antagandet att dessa två element kunde röra sig med varandra och att moment i huvudspännets riktning endast togs emot av stålstöd. Betongplattan överförde lasten till stålbalkarna, men deltog inte i att ta emot motsvarande statiska värden (fig. 1).
Bild 1 — Kopplade hållare, system
För denna konstruktionsmetod förutses tvärgående fogar i betongplattan med jämna mellanrum, för att möjliggöra krympning av den armerade betongen och undvika oönskade sprickor, d.v.s. kompletterande spänningar. Erfarenheten har emellertid visat att de faktiska krafterna i ett sådant system skiljer sig väsentligt från de beräknade. Vid kontakten mellan den armerade betongplattan och stålstödet uppstår en stor friktion (vidhäftningsspänning), så att båda elementen alltid samverkar.
Nackdelen med den oförutsedda kopplingseffekten är uppkomsten av en skåreffekt på fogarna på betongplattan. Skjuvspänningar längs anliggningsytan ökar kraftigt nära fogen, liknande skjuvspänningar i ändarna av sidsömmar. Eftersom nolllinjens läge vid fogen praktiskt taget inte förändras, kan normalspänningarna i stålstödet vara betydligt högre än de som beräknats för likformig koppling. Med utgångspunkt från detta skåra kan adhesionsmastering ske som sprider sig ytterligare. Därför fyller inte fogarna i trottoarplattan sin roll och är inte effektiva.
Kopplade fästen
I fallet med kopplade balkar förutsätts att skjuvkrafterna på kontaktytan mellan stålbalken och betongplattan säkert kan överföras (krafter i balkarna). Regeln är att betongplattan vilar direkt på stålstödets övre bälte och att det inte finns några relativa rörelser. Vid denna så kallade Med styv koppling används speciella kopplingsmedel (stänger, byglar, ankare), som är ingjutna i betong.
Vi kommer att överväga fallet med en kopplad balk med en betongplatta utan tvärgående fogar. Om en viss last (t.ex. böjmoment) endast verkar under en kort tid, kommer motsvarande spänningar och deformationer Δσ, resp. Δε enligt elementär hållfasthetsvetenskap, liknande armerad betong. Spänningar i stål och betong, vid en viss förlängning, står i relation till deras elasticitetsmodul: σst/σb = Est/Eb = n. Om belastningen är långvarig uppstår deformationer av betongen på grund av krympning och flöde. Om med ε0= σ/E0 markera deformationen på grund av kortvarig belastning för tillfället t =0, deformationen ökar under permanent belastning på grund av friktion tills ögonblicket t till värdet εt = ε0(t + φt). Under samma förhållanden beräknas flytdeformationer som om de vore proportionella mot spänningar. Det är därför det sägs att _Hooke_s lag gäller för deformationer på grund av flöde. Flödeskoefficienten φt beror på tid, betongklass, yttre temperatur, luftfuktighet, belastningsmoment för elementet, etc.
Istället för att böja enligt Bernoulli\ och Navier\ uppstår differentialrelationer, d.v.s. spänningsfördelningen bör bestämmas från differentialekvationen för flöde. Som ett resultat av flöde minskar spänningarna i betongen medan spänningarna i stålet ökar. Dessa spänningsförändringar beror, förutom tvärsnittsmåtten, på de elastiska dimensionerna och belastningsmomentet. Liknande konsekvenser som vid flöde uppstår vid krympning av betong. Mängden krympningsåtgärder εs beror på betongen, metoden för dess tillverkning, såväl som på klimatförhållandena. Betongkrympning beror inte på belastningen som appliceras på elementet.
Kopplingar
Kopplingsanordningen bör på ett säkert sätt överföra alla skjuvkrafter i betong- och stålytorna som är i kontakt, på grund av de belastningar som uppstår, och på så sätt förhindra glidning. Dessutom bör de få de sneda huvudspänningskrafterna, om betongdelen inte kan ta emot dem på grund av sin storlek. Storleken på krafterna bestäms enligt den elementära böjteorin. Följande kopplingsmedel beaktas:
- Kopplingsankare: De är av runda eller plattjärn, svetsade på det övre bandet av stålstödet, som fungerar på samma sätt som böjd armering av armerade betongbalkar. De är gjorda som krokar eller stigbyglar, diagonalt eller vertikalt. Dessa ankare verkar bara i en riktning och är inte effektiva om skjuvkraften ändrar tecken.
- Fästen: De är fästa på den övre ytan av stålstödet, de kan ta emot skjuvkrafter i båda riktningarna. Man bör skilja mellan mjuka och stela hjärnor i klippkraftens riktning. Mjuka hjärnceller lider av betydande deformationer och fördelar skjuvkrafterna ojämnt över sin yta. Stela hjärnor ger en bättre fördelning av krafter vid mindre deformationer.
Bild 2 — Bro över Ruhrfloden nära Herdecke
- Spiralarmatur: Den vilar på ett stålstöd och är svetsad vid kontaktpunkterna. Spiraler är inte lämpliga för betydande kopplingskrafter. Detsamma gäller för korrugerat rundstål. Som ett exempel på organ för koppling på broar, i fig. 2 visas balkarna på bron över floden Ruhr nära Herdecka (balkar 60x40 med vertikala byglar ϕ122, som inte svetsar in sig själva till svetsar till ordningsföljden); i fig. 3 medel för att koppla samman tvärbalkarna på en brygga, beroende på storleken på tvärkraften, applicerades lateralsvetsade byglar för balkarna, samt direktsvetsade byglar för det övre bandet med specialbalkar. Vid långa byglar kan byglarna även svetsas på motsatta sidor, fig. 4a. I fig. 4b är den visade lösningen med lutande byglar.
Figur 3 — Tvärbalk av en bro
Bild 4 — Hjärnor med stigbyglar
I konstruktion används även stela byglar med byglar eller bara byglar, men man möter även lösningar med mjuka byglar som t.ex. nitade hörn. Av ekonomiska skäl används oftare kopplingsankare, som är stumsvetsade på ett stålstöd (fig. 5a), eller vilar på stödet med en böjd ände (fig. 5b). I fig. 5c visar motsvarande lösning med förskjutna krokar. I fig. 6 visar en normal lösning för takstöd i byggnadskonstruktion, nämligen a) ett kopplat stöd av I-balkar, b) av T-balkar som skapas genom att kapa I-balkarna. I ändarna av stöden ska alltid särskilt starka ändstag finnas (fig. 7). Lutande ankare används för att införa spänningar från krympning och temperatur i plattan.
Bild 5 — Kopplingsankare
Bild 6 — Stöd för mezzaninstruktur
Dimensionering av kopplingsorgan görs enligt elementära principer. Enskilda medel bör få en skjuvkraft som motsvarar deras avstånd. Vid dimensionering av hjärnstammens svetsade anslutning bör det vältande momentet beaktas.
Bild 7 — a) Ändhjärna med förankring; b) förankring
Elastisk koppling
Tidigare presentationer var relaterade till stel koppling, där den relativa förskjutningen mellan stålstödet och plåten är lika med noll, och kopplingsorganen verkar kontinuerligt. Deformationen av kopplingsorganen, den lokala deformationen av betongen och stålstödet ignoreras.
Bild 8 — Fäste med elastisk koppling
Under antagandet om stel koppling är krafterna som överförs av individuella kopplingsmedel proportionella mot den tvärgående kraften och hjärnans avstånd. Om betydande relativa rörelser mellan stålstödet och betongplattan inträffar i vissa områden, orsakar detta en märkbar omgruppering av krafter. Betong kan delvis sluta fungera som en tryckplatta för en kopplad balk, varvid de maximala värdena för skjuvkrafter reduceras avsevärt. I fig.8ett exempel på en konstruktion med en elastisk koppling ges, liknande bron över Rhen, Koln-Rodenkirchen. I fig.9effekten av elastisk koppling på ett kontinuerligt stöd visas, för en koncentrerad kraft och en helt jämnt fördelad belastning. Förskjutningen ψ, som är ett mått på styvheten hos kopplingen för mottagning av skjuvning, definieras i fig.8. Inverkan av elastisk koppling är därför mycket stor, om kopplingens egenskaper väljs målmedvetet för att ta emot skjuvning.
Bild9— Exempel på en bro med elastisk koppling
Beräkning av kopplade konstruktioner
I princip är det ekonomiskt att tjockleken på betongplattan ska vara så liten som möjligt, samtidigt som de minimitjocklekar som bestäms av föreskrifterna ska följas.
Statiskt bestämda strukturer
För statiskt bestämda konstruktioner (t.ex. enkla balkar) är den statiska påverkan i den gemensamma sektionen för en viss last konstant, eller oberoende av tid. Endast böjmomenten och normalkrafterna i vissa delar av sektionen är variabla på grund av effekterna av flöde och krympning.
Effekten av krympning kan representeras som en motsvarande temperaturskillnad mellan stålstödet och betongplattan. Till följd av betongkrympning uppstår inre spänningar i den kopplade sektionen, nämligen dragspänningar från krympning i betongen, vars krympning förhindras genom påverkan av stålstödet (liksom själva armeringen), medan motsvarande tryckspänningar uppstår i stålsektionen (fig. 10). Krympningen ökar med tiden till ett slutvärde enligt en enda exponentialfunktion. Eftersom krympspänningar också ökar med krympdeformationer uppstår det så kallade _krympflödet.
Figur 10 — a) Krympning av fri platta utan koppling; b) spänningar på grund av krympning i kopplade stöd
Beroende på det statiska systemet som antar betongplattans egenvikt, skiljer det sig: koppling endast för den rörliga lasten (endast stålstödet antar sin egen vikt, och det kopplade systemet tar endast emot de laster som verkar på den färdiga konstruktionen), koppling för egenvikten och rörliga lasten och hela den rörliga lasten (den rörliga lasten verkar på) system).
Det första fallet inträffar när stålbalkarna fungerar som formstöd, utan att stödjas, och under gjutning kan de böjas i fält (fig. 11a). I det här fallet tar själva stålstödet vikten av betongen och formen. Limning sker endast när betongen är tillräckligt hård (fig. 11b), så stödet får inte belastas omedelbart efter gjutning, för att undvika skador eller överdrivet flyt av betongen.
I det andra fallet, när betongplattans egenvikt också tas emot av det kopplade systemet (fig. 11c), antas att stålstödet stöds under gjutning på tillräckligt ställen, så att det inte får betydande böjmoment. Spänningsfördelningen efter demontering av ställningen visas i fig. 11d.
Figur 11 — Koppling för flytt- och dödlast, med spänningsfördelningar före och efter demontering av ställningen
Förladda
Vid enkla balkar uppstår mindre dragspänningar i betongen endast på grund av krympning och temperaturskillnad. Betydande dragspänningar uppstår i överhängande balkar, genomgående balkar och andra konstruktioner och dessa kan orsaka sprickor i betongen. Om sprickor uppstår i området med negativa ögonblick går kopplingseffekten förlorad. Därför är det användbart att inducera små tryckspänningar i betongplattan i förväg för att säkert undvika sprickbildning på grund av betongkrympning. Dragspänningar i betongplattan hos kopplade balkar kan reduceras:
1. Genom motsvarande negativ förspänning av stålbalken (förspänning av överkant). Samtidigt bör betongsekvensen noggrant studeras.
2. Genom att höja och sänka mittstöden på kontinuerliga stöd. varigenom, med lämplig procedur, tryckspänningar kan orsakas i betongplattan på det kopplade stödet.
3. Genom förspänning. Det enklaste fallet är när en fri betongplatta förspänns och först därefter kopplas till ett stålstöd. Fördelen med denna procedur är en relativt liten förspänningskraft, eftersom stålstödets komprimerade bälte inte är förspänt. Denna balk får endast böjmoment på grund av betongplattans flöde och krympning, så den förblir rak på grund av förspänningskraften. I fig.12och spänningsfördelningen för detta fall av förspänning visas (t=0), och i fig.12b sluttillstånd vid slutet av flödet (t=tE) och i fig.12c böjspänningar på grund av kortvarig momentbelastning (t=a). I fig.12d visar spänningsfördelningen för t=0 vid förspänning av den bundna betongplattan.
Bild12— Förspänning av en fristående betongplatta med efterföljande koppling
Statiskt obestämda konstruktioner
Kontinuerliga balkar och liknande konstruktioner får negativa böjmoment, vilket ofta orsakar höga dragspänningar i den armerade betongplattan. Sprickor är oönskade särskilt i broar, med tanke på livslängden för de kopplade balkarna och effekten av skåror på sprickorna. Statiskt obestämda system beräknas för korttidslaster (rörliga laster) enligt de vanliga metoderna för statik för ett oförändrat system. Motsvarande statiska storheter och deformationer är desamma som i ett idealiskt elastiskt system. Under inverkan av konstant belastning, speciellt hög förspänning, uppstår alltid stort flöde. Vid bestämning av förspänningskraften bör friktionen hos de böjda förspänningselementen beaktas. Under byggandet bör överhänget av kopplade broar väljas noggrant. Färdiga kopplade stöd är mycket styva, så det är nästan omöjligt att göra efterföljande korrigeringar av höjdpositionen. Den slutliga nivån uppnås först efter flera år, med tanke på flödet. Den utjämningen är till viss del osäker, eftersom effekterna av krympning och kondensering varierar beroende på klimatförhållanden som inte kan förutsägas.
Slutsats
Tillämpningen av koppling är inte begränsad till plåtbalkar utan kan även innefatta stöd för förstyvning av Langer-balkar, hängbroar etc. samt gallerbalkar med körbana upp eller ner. Gallerbroar - höga dragspänningar uppstår i vägplattorna nära vägbanan nedanför, eftersom dessa plattor i större eller mindre utsträckning måste följa förlängningen av huvudbalkens spända rem. Adekvat längsgående förspänning krävs för att undvika sprickor. I fig.13det finns ett gränsfall där stålgallret inte längre har en nedre rem alls, och dess roll övertas helt av en armerad betongplatta förspänd i båda riktningarna. I fig.13b sektionens kanaler är synliga60x180mm i själva stödet.
Bild13— Gahle-bron: a) sektion; b) nod på det nedre bältet, vänster vid huvudstationen, höger vid Vešaljka