Stropy prefabrykowane i zespolone.doc

Stropy prefabrykowane i zespolone

1.Wprowadzenie

Obserwuje się w ostatnim czasie, że stropy prefabrykowane i stropy zespolone mają coraz większy udział w wykonywanych obiektach. Przyczyna leży w możliwości przyspieszenia realizacji, w niższych często kosztach i wysokiej jakości prefabrykatów. Wśród różnych typów stropów zajmiemy się głównie stropami podpartymi na ścianach lub belkach, mniejszą wagę przykładając do stropów w ustrojach płytowo słupowych. Takie ograniczenie było konieczne, gdyż szersze zajęcie się ustrojami płytowo słupowymi wykraczało poza granice możliwej objętości tego, już i tak bardzo długiego, wykładu a ustroje płytowo słupowe są ostatnio omówione w dość rozpowszechnionej pracy [1] nie mówiąc już o monografii [2].

W zakresie stropów prefabrykowanych i zespolonych praktycznie brak jest całkiem nowych rozwiązań konstrukcyjnych. W zasadzie powielane są rozwiązania z co najmniej kilkuletnią, a czasem kilkudziesięcioletnią, tradycją, ewentualnie w szczegółach udoskonalane. Dopiero wymagania nowej normy żelbetowej PN-B-03264:1999 wymuszą pewne zmiany konstrukcyjne, głównie z tytułu zwiększonych otuleń zbrojenia.

Z tego względu zdecydowano się pokazać w niniejszym referacie, nie tyle nowości w zakresie stropów prefabrykowanych i zespolonych, ile stan obecny zarówno w kraju jak i za granicą. Rozwiązania u nas niestosowane przedstawiono z myślą ich przeniesienia do naszej praktyki budowlanej. Przedstawiono także niektóre, mniej powszechnie znane, aspekty obliczeń.

Przyjęty podział na stropy prefabrykowane i zespolone ma dzisiaj charakter raczej porządkowy. Jako prefabrykowane uznano w tym tekście te elementy, w których wpływ betonu uzupełniającego nanoszonego na budowie nie ma, dla nośności stropu, znaczenia decydującego. Nie omawia się w tym wykładzie elementów belkowych, jako wchodzących w zakres innego wykładu.

Krajową produkcję przedstawiono na podstawie materiałów otrzymanych od producentów. Autor prosił o te materiały wszystkich producentów, których adresy udało się znaleźć, niestety tylko część takie materiały nadesłała.

2. Ogólne zasady projektowania stropów.

Zanim jednak przejdziemy do szczegółowych omówień, konieczne jest kilka słów o ogólnych zasadach projektowania stropów, których zaniedbanie doprowadzić może nie tylko do wadliwości w stadium eksploatacyjnym, zagrożeń awaryjnych, lub zgoła do katastrofy.

Truizmem jest stwierdzenia o konieczności zgodności pomiędzy rozwiązaniem konstrukcyjnym ustroju, metodą obliczania (schematem statycznym) oraz sposobem zazbrojenia.

Istnieje dość powszechna zgoda, że siły powinny być sprowadzane na podłoże możliwie krótką drogą. I tak w przypadku ustroju złożonego z podpór jednokierunkowych (rys.2-1a.) stropy mogą być rozpięte jednokierunkowo. Jeżeli jednak podpory tworzą układ krzyżowy, to także stropy powinny przekazywać obciążenia na oba kierunki (rys.2-1b.).

Zdarza się jednak często, że mimo krzyżowego układu podpór, rozpina się na nich stropy obliczeniowo i konstrukcyjnie traktowane jako jednokierunkowo pracujące (rys.2-2a.). W tym przypadku mogą mieć miejsce dwie sytuacje.

1. Konsekwentnie jest realizowany schemat statyczny elementów jednokierunkowo pracujących, co pociąga za sobą konieczność niezależnych odkształceń stropów i innych elementów nośnych równolegle biegnących (rys.2-2b.). W efekcie na styku tych różnych elementów powinna być zachowana dylatacja i spodziewać się należy wystąpienia klawiszowania (o wartość a). Połączenie to najczęściej nie będzie połączeniem gazoszczelnym, chyba że zastosuje się specjalne zabiegi.

 a)    b)

Rys.2-1. Kierunki pracy stropów wymuszone układem podpór (opis w tekście)

Rys.2–2. Jednokierunkowa z założenia praca stropów w przypadku krzyżowego usytuowania podpór. a) -sytuacja, b),c),d) - rozwiązania konstrukcyjne w przekroju A-A.(opis w tekście), 1- kierunek pracy stropu.

2. Jakkolwiek stropy obliczane i zbrojone są jednokierunkowo, to rozwiązanie konstrukcyjne zapewnia współpracę pomiędzy elementami stropu wzajemnie i pomiędzy tymi elementami, a równolegle biegnącymi wieńcami (rys.2-2c,d.). W tym przypadku następuje wyraźna rozbieżność pomiędzy zasadami obliczania i zbrojenia elementów, a rzeczywistym charakterem pracy stropu. Strop pracuje bowiem dwukierunkowo, obciążenia przekazywane są na wszystkie podpory, styki są zwykle gazoszczelne. Sytuacja taka prowadzi zwykle do:

·   przewymiarowania zbrojenia podłużnego z uwagi na stan graniczny nośności;

·   konieczności zbrojenia na ścinanie, gdy w rzeczywistości - z uwagi na dwukierunkową pracę płyty - sam beton przenosi obciążenia siłami poprzecznymi;

·   konieczności dozbrojenia przekroi ze względu na warunek spełnienia dopuszczalnych ugięć i rozwarcia rys, gdy w rzeczywistości mogą w tym względzie istnieć znaczne zapasy;

·   nieprawidłowego rozłożenia obciążeń na elementy podpierające, co prowadzi jednocześnie do przeszacowania i niedoszacowania obciążeń ścian, a w konsekwencji do nieodpowiednich  w stosunku  do potrzeb szerokości ław fundamentowych;

·     niedoboru, i to znacznego, zbrojenia w kierunku poprzecznym (rys.2-2d).

Wynika stąd wniosek fundamentalny, że

Powyższe stwierdzenie w sposób oczywisty faworyzuje stropy monolityczne i zespolone pracujące dwukierunkowo. Nie wyklucza jednak stosowania np. prefabrykowanych płyt podłużnie drążonych, czy też płyt typu TT względnie P, wymaga jedynie uwzględnienia rzeczywistej sztywności tych elementów w obu kierunkach, jak i uwzględnienia sztywności giętnej podłużnych połączeń tych elementów.

Przykład istotnego wpływu na pracę stropu prefabrykowanego współpracy poprzecznej płyt prefabrykowanych zilustrowano na rys.2-3. Rozważono tam współpracę 4 płyt prefabrykowanych o wymiarach 6,0*2,4m rozpiętych na rzucie 9,4*6m. Mimo, że stosunek boków rzutu jest zbliżony do 1,5, otrzymano z tytułu tej współpracy redukcję ugięć (rys.2-3b.) i momentów (rys.2.3c.) o prawie 30%.

Aby udokumentować jak istotne są to wpływy i jak zależą one dla prostokątnego rzutu podpór od zmiennego stosunku długości podpór ly/lx podano w tablicy 2-1:

·         stosunek maksymalnych ugięć zestawu płyt az do ugięcia pojedynczej płyty ao

·         stosunek maksymalnych momentów zginających występujący w zestawie płyt myz do maksymalnego momentu występującego w pojedynczej płycie myo.

Obliczenia prowadzono zakładając, że rzut przekryty jest zawsze czterema płytami prefabrykowanymi o charakterystyce jak na rys.2-3.

Tablica 2-1

Porównanie maksymalnych ugięć i momentów zginających

w zestawie 4 płyt z pojedynczą płytą, w zależności od stosunku ly/lx

Te same wartości, dla lepszego zobrazowania, przedstawiono na rysunku 2-4.

Rys.2-3. Ugięcia i momenty zginające w przekroju przyśrodkowym zestawu płyt połączonych wzajemnie przegubami w porównaniu z płytami wzajemnie niepołączonymi (h=0,18m, E=30000Mpa, n=0,17, q=10kN/m2). a) rzut zestawu, b) ugięcia, c) momenty zginające. Dla zestawu: ugięcie az, momenty mz, dla niezależnych płyt: ugięcie ao, momenty mo,

Rys.2-4. Porównanie maksymalnych ugięć i momentów zginających w zestawie 4 płyt z pojedynczą płytą, w zależności od stosunku ly/lx. Dla zestawu: ugięcie az, momenty myz, dla niezależnych płyt: ugięcie ao, momenty myo

Widzimy, że redukcja momentów i ugięć z uwagi na uwzględnienie wzajemnych powiązań płyt w zestawie, w stosunku do płyty traktowanej jako niewspółpracująca z sąsiednimi, wynosi od ok. 20 % w przypadku bardzo wydłużonego rzutu podpór (ly/lx=2,0) do prawie 60% w przypadku rzutu kwadratowego.

Istotne korzyści przynosi także współpraca zestawów płyt podpartych jedynie czołowo. Ma to miejsce wtedy, gdy jedna z płyt zostanie silniej dociążona niż pozostałe. Przykładowo podamy za [3] na rys.2-5. rozdział obciążenia siłą skupioną pomiędzy sąsiednie płyty.

Należy pamiętać, że rozdział tych obciążeń jest silnie uwarunkowany od stosunku długości do szerokości płyty. Szczegółowe wskazówki w tym względzie znaleźć można m.in. w [4][5], a stosunkowo najszersze ujęcie w [6]. Bardziej asekuracyjne wartości podano w [7].

Rys.2-5. Rozdział obciążenia siłą skupioną pomiędzy sąsiednie płyty. Obliczenia wykonane dla płyt o szerokości 1,2m i rozpiętości 8m.

3. Stropy prefabrykowane

Zakres stosowania poszczególnych typów prefabrykatów stropowych podano w tablicy 3-1 [5].

Tablica 3-1

Zakres zastosowań prefabrykatów stropowych

3.1. Płyty żelbetowe wielkowymiarowe drążone

Najdłuższą tradycję z pośród prefabrykatów wielkowymiarowych, pomijając płyty pełne, mają płyty kanałowe. W kraju najczęściej wytwarza się płyty kanałowe grubości 0,24m i szerokości osiowej sporadycznie 0,6m, najczęściej 0,9 i 1,2m (rys.3.1-1.), rzadziej 1,5m, wyjątkowo 1,8m przy długości modularnej: zwykle do 6,00m, często 7,2m, sporadycznie 7,8m. Rzadziej stosuje się płyty o grubości 0,265m, w tym dla szkół [8].

Rys.3.1-1. Przykładowy przekrój płyty otworowej o szerokości nominalnej 1,2m.

a) przekrój poprzeczny,  b) warianty kształtu obrzeża

Z uwagi na to, że płyty były projektowane w różnych okresach czasu i przez różnych projektantów wystąpiło zróżnicowanie:

·         średnic otworów: 0,164; 0,191; 0,194 mm,

·         obciążeń charakterystycznych ponad ciężar własny płyt: 3,6; 3,8; 7,5; 4,0; 4,5; 5,0; 6,0; 6,2; 7,5; 8,0; 9,0; 9,5; 10,0; 10,2; 11,0 kN/m2;

·         klas betonu:

W zależności od typu, płyty te przewidziane są do oparcia na podporach o szerokości minimalnej 015; 0,20 i 024m. Zróżnicowane też jest kształtowanie ścięcia czoła prefabrykatu (rys.3.1-2).

Ostatnio wprowadzono płyty otworowe wykonane  z betonu lekkiego zwartego klasy LB-20 i LB30 na kruszywie popioło – porytowym

              Rys.3.1-2. Stosowane warianty ukształtowania czoła płyt otworowych

Wszystkie te płyty stropowe nie spełniają wymagań nowej normy żelbetowej (PN-B-03264:1999), w szczególności dotyczących otulenia zbrojenia. Warto przypomnieć, że obecnie minimalne otulenie zbrojenia (zarówno nośnego jak i rozdzielczego ) wynosi dla płyt prefabrykowanych, z uwagi na zabezpieczenie przed korozją:

·         15mm - dla wnętrz budynków mieszkalnych zarówno suchych (klasa 1) jak i wilgotnych ale bez działania mrozu (klasa2a)

·     ...