11_KUCHARCZUK.pdf

Witold

KUCHARCZUK *

Sławomir

LABOCHA **

KONSTRUKCJE ZESPOLONE STALOWO-BETONOWE

OGÓLNE ZASADY PROJEKTOWANIA

1. Wprowadzenie

1.1. Właściwości konstrukcji

Konstrukcje zespolone stalowo-betonowe powstają w wyniku połączenia stalowych

elementów konstrukcyjnych z betonem w taki sposób aby obie części składowe mogły być

traktowane jako jeden element. W większości przypadków zespolenie oznacza połączenie

mechaniczne, które nie zaleŜy od przyczepności lub adhezji na powierzchni styku betonu i

stali. Zespolenie mechaniczne zapewnia się za pomocą róŜnego rodzaju łączników.

Warunkiem współdziałania stali i betonu w zespolonym elemencie zginanym jest

zabezpieczenie go przed rozwarstwieniem. JeŜeli belka składa się z dwóch warstw

niepołączonych ze sobą, to przed wpływem obciąŜenia warstwy te będą zachowywały się

niezaleŜnie od siebie, a belka ulegnie odkształceniu jak na rysunku 1. JeŜeli belka ma

zachować się jak pełna o wysokości

, wówczas naleŜy uniemoŜliwić jej częściom I i II

przesuwanie się po sobie.

Prof. WST, dr hab. inŜ., WST Katowice

** Dr inŜ., WST Katowice

613

Rys.1. Odkształcenia belki złoŜonej z dwóch warstw niepołączonych ze sobą [1]

Rys.2. Wpływ zespolenia na rozkład napręŜeń:

a) przekrój belki, b) napręŜenia normalne, c) napręŜenia styczne [1]

Na rysunku 2 przedstawiono wykresy napręŜeń normalnych i stycznych dla dwóch

wariantów przekroju złoŜonego z części o jednakowych wymiarach, wykonanych z

materiału spręŜystego o współczynniku spręŜystości E :

- wariant I – obie części są połączone nieprzesuwnie,

- wariant II – obie części mają swobodę przesuwu.

MoŜna łatwo wykazać, Ŝe w wariancie I napręŜenia normalne są dwukrotnie mniejsze

niŜ w wariancie II, a ugięcie belki jest czterokrotnie mniejsze. Nie uległy zmianie jedynie

maksymalne napręŜenia styczne.

W konstrukcji zespolonej sumują się zalety i redukują wady obu części składowych, tj.

kształtowników stalowych i betonu.

Zalety konstrukcji stalowych, które moŜna zachować, a nawet powiększyć w konstrukcji

zespolonej, to mały cięŜar, łatwość wykonania i montaŜu oraz łatwość dokonywania napraw

i zmian związanych z eksploatacją obiektu. Wadami są: wraŜliwość na utratę stateczności,

mała odporność na działanie korozji i ognia oraz wysoki koszt.

Zaletami konstrukcji z betonu są niŜsze koszty materiałowe, swoboda kształtowania,

duŜa sztywność i wytrzymałość na ściskanie oraz odporność na działania korozji i ognia.

Wykonanie konstrukcji z betonu w porównaniu z konstrukcjami stalowymi trwa jednak

znacznie dłuŜej.

Zespolenie elementów stalowych z betonem umoŜliwia zmniejszenie zuŜycia stali i

kosztów konstrukcji w porównaniu z konstrukcją stalową. Zmniejszenie zuŜycia stali jest

skutkiem wykorzystania wytrzymałości betonu na ściskanie oraz zwiększenia sztywności

elementów. Obetonowanie słupów stalowych lub wypełnienie betonem przekrojów

rurowych wpływa na zmniejszenie ich smukłości i powoduje przejęcie części obciąŜeń

614

przez beton. Ponadto obetonowanie słupów stalowych stanowi w wielu przypadkach

najłatwiejszy i najtańszy sposób zabezpieczenia ich przed korozją i ogniem. Zwiększenie

odporności ogniowej powstaje wskutek zwiększenia pojemności cieplnej elementów,

zmniejszenia udziału stali w przenoszeniu obciąŜeń oraz izolacyjnego działania betonu.

Wypełnianie betonem słupów o przekrojach rurowych oprócz podobnych korzyści co

obetonowanie umoŜliwia dodatkowo zmniejszenie pracochłonności wykonania poprzez

eliminacje deskowań. W porównaniu z konstrukcjami z betonu uzyskuje się zmniejszenie

ogólnego cięŜaru konstrukcji oraz zmniejszenie pracochłonności i skrócenie czasu budowy.

1.2. Podstawy projektowania konstrukcji

Konstrukcje zespolone budynków projektuje się w stanach granicznych metodą

współczynników częściowych zgodnie z regułami podanymi w PN-EN 1994-1-1 [N1].

Niekorzystnymi zjawiskami w konstrukcjach zespolonych jest skurcz i pełzanie betonu.

Skurcz powstaje podczas twardnienia betonu i powoduje powstanie napręŜeń wstępnych –

rozciągających w betonie i ściskających w zbrojeniu. Pełzanie polega na powolnym

wzroście odkształceń betonu pod wpływem długotrwałego obciąŜenia. W wyniku skurczu i

pełzania następuje zmniejszenie nośności i sztywności elementów, co naleŜy uwzględnić w

obliczeniach. Ścisłe sformułowania matematyczne tych zjawisk jest trudne i pracochłonne.

Dla celów praktycznych stosuje się metody uproszczone podane w normie.

1.3. Materiały konstrukcyjne

Beton

Właściwości betonów zwykłych przyjmuje się według PN-EN 1992-1-1/p.3.1 [N2], a

betonów lekkich według rozdziału 11.3 tejŜe normy. Do konstrukcji zespolonych stosuje się

beton o wytrzymałości nie niŜszej niŜ C20/25 i LC20/22 oraz nie wyŜszej niŜ C60/75 i

LC60/66.

Zbrojenie

Właściwości materiałowe przyjmuje się według PN-EN 1992-1-1/p.3.2 [N2].

Obliczeniowe wartości modułów spręŜystości E moŜna przyjmować równe wartościom

podanym dla stali konstrukcyjnej w PN-EN 1993-1-1/p.3.2.6 [N3].

Stal konstrukcyjna

Właściwości materiałowe przyjmuje się według PN-EN 1993-1-1/p3.1 i p.3.2 [N3]. Do

wykonania konstrukcji zespolonych budynków stosuje się stal o nominalnej granicy

plastyczności nie większej niŜ 460 N/mm2.

Łączniki

Najczęściej są stosowane łączniki sworzniowe z łbami według PN-EN ISO 13918 [N4].

Poszycie ze stalowych blach profilowanych pod płyty zespolone

Blachy powinny być wykonane ze stali wg PN-EN 10025 [N5], stalowej blachy do

kształtowania na zimno wg PN-EN 10149-2 [N6] lub PN-EN 10149-3 [N7] lub stalowej

blachy ocynkowanej wg PN-EN 10326 [N8].

Nominalna grubość blachy powinna być nie mniejsza niŜ 0,7 mm.

1.4. Zakres stosowania konstrukcji zespolonych

W krajach o rozwiniętej technice, konstrukcje zespolone stalowo-betonowe są szeroko

stosowane w budownictwie wielokondygnacyjnym (ogólnym i przemysłowym) oraz w

615

budownictwie mostowym i budowlach inŜynierskich. Zastosowanie ich w Polsce jest

niewielkie – ograniczone prawie wyłącznie do budownictwa mostowego.

Przyczynami, które przez szereg lat hamowały rozwój konstrukcji zespolonych były

ograniczenia materiałowe i technologiczne oraz niedostatek wiedzy na temat tych

konstrukcji w środowisku projektantów. Brak było odpowiednio profilowanych blach do

płyt zespolonych i nowoczesnych łączników do zespolenia stali i betonu. Konstrukcje

zespolone nie były przez szereg lat uwzględniane w programach studiów, brak było

przedmiotowej literatury technicznej i zrozumiałych procedur projektowania w normach.

MoŜna oczekiwać, Ŝe konstrukcje zespolone stalowo-betonowe znajdą wkrótce naleŜne

miejsce

polskim

budownictwie.

Czynniki

hamujące

juz

nie

występują,

unowocześnienie budownictwa postępuje bardzo szybko.

2. Projektowanie elementów konstrukcji wg PN-EN 1994-1-1

2.1. Płyty zespolone z profilowaną blachą stalową

Płyty zespolone projektuje się w budynkach, w których przewaŜają obciąŜenia statyczne.

Współdziałanie blachy profilowanej z betonem zapewnia się za pomocą następujących

sposobów (rys. 3):

- zespolenie mechaniczne za pomocą karb lub wytłoczeń blachy (rys .3a),

- zespolenie cierne przez ukształtowanie blachy wywołującej siły docisku (rys. 3b),

- zakotwienie końców blachy za pomocą przyspawanych łączników, stosowane łącznie z

a) lub b),

- zakotwienie końcowe utworzone przez deformacje fałd blachy stosowane łącznie z b).

Rys. 3. Typowe sposoby zespolenia blachy profilowanej z betonem (opis w tekście) [N1]

Przęsło płyty jest w pełni zespolone, gdy wzrost nośności ścinanego połączenia

podłuŜnego nie powoduje wzrostu obliczeniowej nośności elementu na zginanie. W innym

przypadku zespolenie jest częściowe.

Grubość i zbrojenie płyt.

Całkowita grubość płyty zespolonej h powinna być nie mniejsza niŜ 80 mm. Grubość

warstwy betonu

h ponad górną płaszczyzną Ŝeber powinna być nie mniejsza niŜ 40 mm.

616

JeŜeli płyta pracuje w zespoleniu z belką lub wykorzystywana jest jako tarcza wówczas

całkowita grubość powinna być nie mniejsza niŜ 90 mm, natomiast wartość h nie mniejsza

niŜ 50 mm. Pole przekroju zbrojenia umieszczonego w obrębie grubości betonu

powinien być nie mniejszy niŜ 80 mm 2 /m w obu kierunkach.

Odstępy prętów zbrojeniowych, uziarnienie kruszywa i długość oparcie płyt naleŜy

przyjmować wg PN-EN 1994-1-1 [N1]. Arkusze blachy układa się na podporach stałych i

na podporach montaŜowych, których rozstaw zaleŜy od grubości i liczby przęseł blachy oraz

od grubości płyty.

Obliczanie płyt.

Obliczenia powinny zawierać:

- w stadium realizacji:

sprawdzenie nośności i ugięć blachy profilowanej wg PN-EN 1993-1-3 [N9],

- w stadium uŜytkowania:

sprawdzenie stanów granicznych nośności i uŜytkowalności płyty zespolonej.

Sprawdzenie stanów granicznych nośności płyty zespolonej polega na wykazaniu, Ŝe

siły wewnętrzne d E w przekrojach krytycznych I ÷ III (rys. 4), wywołane działaniem

obciąŜeń obliczeniowych, są nie większe niŜ nośności obliczeniowe:

odpowiednio:

- nośności na zginanie w przekroju I,

V ,

- nośności na ścinanie poprzeczne w przekroju II,

V 1

- nośności na ścinanie podłuŜne (rozwarstwienie) na długości ścinania

przekroju III.

Rys.4. Przekroje krytyczne w płycie zespolonej

Sprawdzenie wymagań stanów granicznych nośności

Przyjmuje się plastyczny rozkład napręŜeń w przekroju zginanym. PołoŜenie osi

obojętnej w stanie granicznym nośności pod działaniem momentów przęsłowych wyznacza

się z warunku równowagi wypadkowych sił ściskających w betonie i rozciągających w

stalowej blasze profilowanej. MoŜliwe są dwa przypadki. Jeśli nośność na ściskanie

efektywnego przekroju płyty betonowej ponad blachą jest większa od nośności na

rozciąganie blachy, oś obojętna znajduje się płycie betonowej, w przeciwnym przypadku

przecina blachę profilowaną.

617

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: