3_LABOCHA.pdf

Sławomir

LABOCHA *

OBLICZANIE WĘZŁÓW KONSTRUKCJI ZESPOLONYCH

1. Wstęp

W dotychczasowej praktyce projektowej w Polsce w analizie ramowych konstrukcji

stalowych współpraca Ŝelbetowych płyt stropowych ze stalowymi belkami nośnymi nie była

w pełni uwzględniana. Współdziałanie płyt stropowych z elementami szkieletu stalowego

moŜe być realizowane na trzech poziomach współpracy:

1. Ŝelbetowy płyty stropowe spoczywają na belkach stalowych, przekazując na nie

obciąŜenie, przy pominięciu nieznacznych sił tarcia i adhezji elementy te nie współpracują

ze sobą,

2. Ŝelbetowy płyty stropowe spoczywają na belkach stalowych, które zaopatrywane są w

mechaniczne elementy oporowe zabezpieczające ewentualne poprzeczne przemieszczenia

belek, wskutek czego współpraca z płytą Ŝelbetową pozwala obliczać belki z pominięciem

niestateczności globalnej - zwichrzenia,

3. Ŝelbetowy płyty stropowe spoczywają na belkach stalowych, które zaopatrywane są w

mechaniczne elementy oporowe - łączniki zespalające, których odpowiednia forma

konstrukcyjna oraz nośność są wystarczające do zapewnienia wspólnej pracy płyty

Ŝelbetowej i belki jako zespolonego elementu stalowo-betonowego.

Uwzględnienie zespolenia przynosi wymierne korzyści ekonomiczne. Konstrukcje

zespolone stalowo-betonowe, łącząc w sobie najkorzystniejsze cechy elementów

składowych tj. wysokiej wytrzymałości na rozciąganie stali oraz wysokiej wytrzymałości na

ściskanie betonu pozwalają na ukształtowanie efektywnych konstrukcyjnych elementów

Dr inŜ. , WST Katowice

177

nośnych. Niebagatelną zaletą jest równieŜ uzyskanie finalnie niŜszej wysokości

konstrukcyjnej stropu. Dodatkowo alkaiczny odczyn betonu oraz jego duŜa pojemność

cieplna zapewniają stali ochronę antykorozyjną i podnoszą odporność poŜarową elementów.

Korzyści płynące z zastosowania konstrukcji zespolonych stalowo-betonowych okupione są

stosunkowo niskimi kosztami wykonania łączników zespalających oraz dodatkowej pracy

projektanta. Uwzględnienie zespolenia stalowych belek z Ŝelbetową płytą pozwala

zwiększyć ich nośność i sztywność odpowiednio około 2-3 krotnie i 2-4 krotnie. W tablicy

1, za [22] przedstawiono przykładowe porównanie nośności i sztywności belek stalowych

typu IPE ze stali S235 oraz ich odpowiedników zespolonych z płytą betonową grubości

150mm z betonu C20/25.

Tablic a 1. Porówn a nie nośnośc i i sztywności b elek stalow y ch i zespolon y ch [22]

Belka

IPE

Nośność

belki

stalowej

kNm

Sztywność

belki

stalowej

kNm 2

Nośność

belki

zespolonej

kNm

Sztywność

belki

zespolonej

kNm 2

Wzrost

nośności

zespoleniu

Wzrost

sztywności

zespoleniu

240

69,7

7970

209,9

35500

3,01

4,45

270

92,3

11800

257,7

46700

2,81

4,18

300

119,7

17100

314,7

67600

2,63

3,95

360

194,4

33300

456,8

111000

2,35

3,33

400

249,4

47400

556,1

130000

2,21

2,87

450

322,5

69200

687,0

176000

2,13

2,54

Poza przedstawionymi w skrócie podstawowymi zaletami wytrzymałościowymi,

antykorozyjnymi oraz przeciwpoŜarowymi konstrukcji zespolonych stalowo-betonowych

naleŜy podkreślić równieŜ istotne względy technologiczne związane ze skróceniem czasu

montaŜu obiektu w takich rozwiązaniach. Dotyczy to nie tylko stropów na blachach

fałdowych ale równieŜ prefabrykowanych słupów zespolonych. Przewaga zalet

konstrukcyjnych i finalnych, istotnie niŜszych kosztów budowy obiektów rozwiązanych w

konstrukcji zespolonej stalowo-betonowej, decyduje o powszechnym stosowaniu tego typu

rozwiązań za granicą, przede wszystkim w krajach wysoko rozwiniętych technologicznie.

Najbardziej rozpowszechnione są one w USA, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Australii i

Szwecji. Coraz szersza dostępność asortymentu materiałowego (np. blach fałdowych do

stropów zespolonych) w Polsce wpływa na wzrost zainteresowania konstrukcjami

zespolonymi stalowo-betonowymi równieŜ u nas. Szersze omówienie zagadnień

projektowania konstrukcji zespolonych w budownictwie powszechnym moŜna znaleźć z

pracy [13].

2. Kształtowanie węzłów

Największe korzyści z zespolenia płyty betonowej z belką stalową uzyskuje się w strefie

przęsłowej, gdzie napręŜenia ściskające przenosi beton a napręŜenia rozciągające przenosi

kształtownik stalowy. Mniej korzystny rozkład napręŜeń występuje w strefie podporowej

czy węzłów ram. Płyta betonowa znajduje się wówczas w strefie rozciąganej, ulega

zarysowaniu a belka stalowa podlega ściskaniu i pojawia się groźba utraty stateczności.

Nośność przekroju sprowadza się faktycznie do nośności belki stalowej i zbrojenia płyty

178

betonowej. W praktyce stosowano z reguły połączenia nominalnie przegubowe na śruby,

natomiast w płycie betonowej w węźle lub na podporze stosowano zbrojenie

przeciwdziałające zarysowaniu o wielkości nie mniejszej niŜ wynikało to z zapisów

normowych na

A . W obliczeniach statyczno-wytrzymałościowych ewentualny

nieznaczny moment zginający wynikający z uplastycznienia prętów zbrojenia płyty był

pomijany przy wymiarowaniu samej belki, natomiast uwzględniany w warunkach nośności

słupa. Takie uproszczone podejście, po stronie bezpiecznej, do węzłów zespolonych nie w

pełni opisuje charakter ich zachowania się w konstrukcji. Aby w pełni wykorzystać zalety

podatnych węzłów zespolonych stalowo-betonowych naleŜy wykonać precyzyjniejsze

obliczenia ich nośności i sztywności, i charakterystyki te uwzględnić w analizie całego

ustroju konstrukcyjnego.

Węzły zespolone stalowo-betonowe składają się z elementu stalowego, najczęściej

kształtownika walcowanego oraz współpracującego z nim zbrojenia płyty betonowej

umieszczonego w rejonie węzła (rys.1).

min

Rys. 1. Schemat węzła zespolonego [22]

F - nośność strefy ściskanej,

F - nośność rzędu śrub,

F - nośność zbrojenia płyty

Projektowanie i konstruowanie węzłów zespolonych zasadniczo odbywa się w dwóch

etapach. Etap I uwzględnia sytuację przejściową podczas montaŜu konstrukcji. Węzeł

kształtuje się jako stalowy o nośności wymaganej do przeniesienia obciąŜeń cięŜarem

własnym, obciąŜeń montaŜowych oraz oddziaływań wiatru dla fazy montaŜu. Etap II

uwzględnia sytuację trwałą podczas eksploatacji obiektu. Węzeł zespolony zostaje

ukształtowany po dozbrojeniu strefy węzłowej i zabetonowaniu płyty o wymaganej

nośności na pełne obciąŜenia stałe i zmienne.

Najprostszym i najczęściej stosowanym elementem konstrukcyjnym w rozwiązaniu

zespolonym jest belka swobodnie podparta, w której płyta betonowa jest ściskana na całej

długości przęsła. Rozwiązanie węzła w takim przypadku wymaga przyjęcia odpowiedniego

węzła stalowego o małej sztywności i zastosowania przekładek dylatacyjnych w płycie

betonowej, eliminujących efekt jej ciągłości (rys.2). Obecnie zamiast stosowania przekładek

przy obliczaniu belek swobodnie podpartych zaleca się kształtowanie płyty jako ciągłej,

tylko ze zbrojeniem minimalnym przeciwdziałającym jej nadmiernemu zarysowaniu.

179

Rys. 2. Przegubowy węzeł zespolony [22]

1- wkładka dylatacyjna

Projektowanie i konstruowanie węzłów zespolonych w ustrojach ciągłych lub ryglach

ram jest mniej rozpowszechnione ze względu na pewne trudności w modelowaniu takich

ustrojów. Z jednej strony występuje problem uwzględnienia podatności samych połączeń

węzłowych, z drugiej strony istotną kwestią jest zmienna sztywność belek zespolonych na

długości przęsła w konstrukcjach ramowych. Zmienna sztywność belek zespolonych wynika

z zarysowania płyty znajdującej się w obszarach działania napręŜeń rozciągających, silnie

uzaleŜniona od wytęŜenia przekroju, głównie związanego z przebiegiem wykresów

momentów zginających.

Wraz z rosnącą liczbą badań, rozwojem metod analitycznych i numerycznych

modelowania węzłów podatnych oraz zmiennych sztywności elementów następuje

upowszechnianie w uwzględnianiu w schemacie statycznym i konstruowaniu zespolonych

węzłów stalowo-betonowych.

Specyfika konstrukcji węzłów zespolonych wynika z konieczności rozpatrywania ich w

dwóch fazach tj. montaŜu i uŜytkowym. Racjonalne ich kształtowanie wymaga prostych,

łatwych w montaŜu połączeń stalowych, najlepiej pozwalających na wyeliminowanie

podparć montaŜowych. W fazie docelowej, uŜytkowej zasadniczy wpływ ma potem

zbrojenie umieszczane w górnej części płyty. Idea ta umoŜliwia optymalizację rozwiązania

węzła, gdyŜ operowanie ilością zbrojenia pozwala ukształtować węzeł zespolony o prawie

dowolnej wymaganej nośności i sztywności. Warto jednak podkreślić nieliniową

charakterystykę węzłów zespolonych tj. znaczną róŜnicę ich nośności i sztywności pod

działaniem momentów zginających przeciwnego znaku. Szczególnie istotne jest to w

przypadku układów przechyłowych.

Typowe rozwiązania konstrukcyjne węzłów zespolonych przedstawiono na rysunku 3.

Krótka charakterystyka poszczególnych rozwiązań pokazanych na rysunku 3:

- rys. 3a; w fazie realizacji belki układane są na stołeczkach montaŜowych bez uŜycia

śrub, węzeł zachowuje się całkowicie jak węzeł przegubowy, w fazie uŜytkowej nośność i

sztywność warunkowana jest parą sił wynikającą z sił rozciągających przenoszonych przez

zbrojenie płyty oraz sił ściskających przekazywanych przez blachy dociskowe; zaletą węzła

jest jego prostota, natomiast wadami niebezpieczeństwo powstania znacznych rys w licu

słupa, konieczność precyzyjnego dopasowania blach dociskowych oraz konieczność

stabilizacji lub podparcia montaŜowego podczas fazy realizacji,

180

- rys. 3b; w fazie realizacji belki mocowane są do słupów za pomocą połączenia

doczołowego na śruby, blacha czołowa pomimo niepełnej wysokości warunkującej

nieznaczną sztywność węzła pozwala jednak na uwzględnienie tego wpływu przy ocenie

ugięć belki w czasie montaŜu; w fazie uŜytkowej nośność i sztywność warunkowana jest

parą sił wynikającą z sił rozciągających przenoszonych przez zbrojenie płyty oraz sił

ściskających przekazywanych przez blachę czołową;

Rys. 3. Typowe rozwiązania podatnych węzłów zespolonych [20]

- rys. 3c; w fazie realizacji belki mocowane są do słupów za pomocą połączenia

zakładkowego na śruby, z zalecanym zastosowaniem blach dociskowych przy dolnej stopce;

w fazie uŜytkowej nośność i sztywność warunkowana jest parą sił wynikającą z sił

rozciągających przenoszonych przez zbrojenie płyty z nieznacznym dodatkowym wpływem

sił przekazywanych przez śruby oraz sił ściskających przekazywanych przez blachę

dociskową,

- rys. 3d; w fazie realizacji belki mocowane są do słupów za pomocą połączenia

zakładkowego na śruby warunkujące jego sztywność w tej fazie oraz połączenia na śruby

dolnej stopki za pośrednictwem kątownika; w fazie uŜytkowej nośność i sztywność

warunkowana jest parą sił wynikającą z sił rozciągających przenoszonych przez zbrojenie

płyty z pomijalnym wpływem sił przekazywanych przez śruby w środniku oraz sił

ściskających przekazywanych przez śruby dolnej stopki; nośność tego typu węzła

ograniczona jest wielkością siły ściskającej przekazywanej przez zakładkowe połączenie na

śruby dolnego kątownika,

- rys. 3e; w fazie realizacji belki mocowane są do słupów za pomocą połączenia

doczołowego na śruby, blacha czołowa zapewnia wystarczającą sztywność węzła

pozwalającą na przeniesienie obciąŜeń w czasie realizacji bez podparcia montaŜowego; w

fazie uŜytkowej nośność i sztywność warunkowana jest parą sił wynikającą z sił

rozciągających przenoszonych przez zbrojenie płyty i śruby strefy rozciąganej oraz sił

ściskających przekazywanych przez blachę czołową;

- rys. 3f; belki mocowane są do słupów za pomocą spoin, uzyskując wystarczającą

sztywność węzła pozwalającą na przeniesienie obciąŜeń w czasie realizacji bez podparcia

montaŜowego, w fazie uŜytkowej nośność i sztywność warunkowana jest parą sił

wynikającą z sił rozciągających przenoszonych przez zbrojenie płyty oraz sił ściskających

przekazywanych przez dolną stopkę belki; wadą tego typu węzłów jest konieczność

181

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: