40 Kszta‚towanie rozwi…za„ dwuga‚™ziowych s‚up³w stalowo

  • View
    218

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of 40 Kszta‚towanie rozwi…za„ dwuga‚™ziowych s‚up³w stalowo

  • PRzegld budowlany 1/2015

    KonstRuKcje elementy mateRiaya

    Rt

    yK

    u

    y P

    Ro

    bl

    em

    ow

    e

    40

    Rys. 1. Przekroje badanych

    supw

    Ksztatowanie rozwiza dwugaziowych supw stalowo-betonowychdr hab. in. elbieta szmigiera, mgr in. magdalena szadkowska, mgr in. bartosz grzeszykowski, wydzia inynierii ldowej, Politechnika warszawska

    1. Wprowadzenie

    Projektowanie zespolonych supw stalowo-betonowych jest procesem zoonym i wymaga uwzgldnienia wielu czynnikw, wpywajcych na zachowanie tych elemen-tw. Ksztatowanie nowych rozwiza powinno by po-przedzone analiz, umoliwiajc ocen ich przydatno-ci, nie tylko ze wzgldu na nono, czy sztywno, ale take inne cechy, niezbdne w okrelonych warun-kach zastosowania tych supw. Do takich cech mona zaliczy cigliwo, rozumian jako zdolno do aku-mulacji energii, dziki czemu elementy konstrukcyjne zachowuj nono w sytuacji wystpienia obcienia wyjtkowego. Jednym z korzystnych rozwiza kon-strukcyjnych s dwugaziowe supy stalowe, zoone z dwuteownikw szerokostopowych, w ktrych prze-strze pomidzy pasami i rodnikami wypeniona jest betonem. Takie elementy mog mie szerokie zastoso-wanie w budownictwie, na przykad w metodzie stropo-wej lub do wzmacniania istniejcych supw stalowych, ktre czsto wykonywane s wanie z tego typu kszta-townikw (HEB, HEA czy HEM).

    Dwugaziowe supy stalowo-betonowe s najczciej projektowane (w analogii do stalowych) z zastosowa-niem przewizek. Z przeprowadzonych bada [6] wynika, e ich rozstaw nie ma znaczcego wpywu na nono krpych elementw, obcianych osiowo, zwaszcza w przypadku wypenienia ich betonem wyszej klasy wytrzymaoci. Autorzy przeprowadzili zatem badania dwugaziowych supw stalowych, w ktrych nie zasto-sowano przewizek. W referacie przedstawiono wyniki analizy wybranych typw badanych elementw. Przed-miotem zainteresowania bya ich nono i cigliwo, z uwzgldnieniem wpywu imperfekcji, wyraonych war-toci mimorodu niezamierzonego.

    2. Opis bada dowiadczalnych

    Badania dwugaziowych supw stalowo-betonowych rozpoczto w 2005 r. cznie zbadano 47 elementw w skali technicznej. We wszystkich rozwizaniach ba-danych supw zastosowano ksztatowniki stalowe HEA 160, wysokoci 2500 mm. Supy podzielono na se-rie, rnice si pod wzgldem rozwiza materiaowych

    a)

    c) d)

    b)

  • PRzegld budowlany 1/2015

    KonstRuKcje elementy mateRiaya

    Rt

    yK

    u

    y P

    Ro

    bl

    em

    ow

    e

    41

    lub konstrukcyjnych elementw. Parametrami zmiennymi byy: wytrzymao betonu wypeniajcego przestrze midzy ksztatownikami, rozstaw przewizek (rys. 1a) oraz dodatkowe zbrojenie podune i poprzeczne trzonu betonowego (rys. 1b). Wykonano take badania dwch supw stalowych. W ramach kolejnego etapu bada

    analizie poddano supy zoone z dwch dwuteownikw HEA 160, poczonych jedynie przez przyspawane blachy przy grnej i dolnej krawdzi elementw. W rodku prze-kroju znajdowa si zbrojony rdze betonowy (rys. 1c). Zbadano take supy zoone z dwch dwuteownikw, poczonych przez zespawanie pasw. Przestrze mi-dzy profilami stalowymi wypenieniono betonem (rys. 1d). Charakterystyki badanych elementw, analizowanych w tym artykule przedstawiono w tabeli 1.Badania opisywanych supw przeprowadzono w La-boratorium Instytutu Inynierii Budowlanej Politechniki Warszawskiej. Elementy poddano osiowemu ciskaniu w prasie hydraulicznej DB 600 pierwszej klasy dokad-noci (rys. 2). Na elementach umieszczono tensome-try elektrooporowe, w trzech przekrojach pomiarowych: przy grnej krawdzi, w rodku wysokoci oraz w dolnej czci elementu. Tensometry o bazie 20 mm rozmiesz-czono na pkach i na rodniku obu ksztatownikw

    oraz na przewizkach, a tensometry o bazie 75 mm na dostpnych powierzchniach betonu. Do pomiaru poziomych wychyle w rodku ich wysokoci oraz pio-nowych skrce, zastosowano czujniki indukcyjne.W przypadku opisywanych supw, dziaajce obci-enie byo przyoone osiowo do caego przekroju po-przecznego.Podczas prowadzonych bada rejestrowano wartoci si niszczcych, odksztacenia podune i poprzeczne stali i betonu oraz pionowe skrcenia supw i ich po-ziome wychylenia. Obserwowano take zachowanie ele-mentw podczas wzrastajcego obcienia oraz posta zniszczenia badanych elementw.

    3. Analiza numeryczna

    W celu rozszerzenia analizy przeprowadzono oblicze-nia numeryczne w programie ABAQUS [1, 2, 3], ktrych celem byo wyznaczenie cieek rwnowagi badanych wczeniej supw w zakresie przed i pokrytycznym. Prze-prowadzono studia parametryczne, w ktrych powtarza-no obliczenia przy zmienionych wartociach wybranych parametrw i badano ich wpyw na kocowy wynik.Wszystkie czci stalowe supa zamodelowano czte-rowzowymi elementami powokowymi o wzach umiejscowionych na powierzchniach rodkowych re-prezentowanych blach. Rdze betonowy zamodelowa-no elementami bryowymi, omiowzowymi. Wielko elementw, decydujca o rozstawie wzw zostaa tak dobrana, aby wzy zewntrzne w rdzeniu betono-wym znajdoway si w tym samym miejscu, co wzy elementw powokowych reprezentujcych czci sta-lowe. Wsplne wzy elementw skoczonych betonu i stali scalono ze sob.Warunki brzegowe nadano w taki sposb, aby jak naj-lepiej odwzorowa rzeczywist prac analizowanych elementw. Obcienie w postaci wymuszonego prze-mieszczenia, przyoono na idealnie sztywn blach czo-ow poprzez punkt referencyjny. Pooenie tego punktu moe by dobrane dowolnie, symulujc mimorodowe obcienie supa. Wspczynnik wyboczeniowy dla tak

    Tabela 1. Charakterystyki badanych elementwTyp

    supafcm

    [MPa]fy

    [MPa] Rozstaw przewizek [mm] UwagiTyp przekroju wedug

    rys. 1

    A1

    301

    780ksztatowniki stalowe

    A2 240

    B1A133,3

    780beton zwyky a)

    C1A2 240

    B2A179,5 268

    780beton BWW a)

    C2A2 240

    B4A1 54,4 290 780 rdze elbetowy b)

    SNBP45,2 283

    brak przewizek rdze elbetowy c)

    SNSP brak przewizek profile zespawane d)

    Rys. 2. Stanowisko badawcze supw serii: a) SNBP i b) SNSP

    a) b)

  • PRzegld budowlany 1/2015

    KonstRuKcje elementy mateRiaya

    Rt

    yK

    u

    y P

    Ro

    bl

    em

    ow

    e

    42

    zdefiniowanej geometrii wynosi w przyblieniu 0,7.W modelu MES, stal zamodelowano jako materia spr-ysto-plastyczny ze wzmocnieniem izotropowym. Po-wierzchni graniczn w przestrzeni napre zdefiniowano warunkiem Hubera-Misesa-Henckyego. Do modelowa-nia betonu uyto model materiau Concrete Damaged Plasticity, w ktrym powierzchnia graniczna w przestrze-ni napre zdefiniowana jest hipotez Lublinera, bd-c dwupowierzchniow modyfikacj warunku Drucke-ra-Pragera. Model ten uwzgldnia rwnie degradacj spryst betonu w strefie ciskanej oraz rozciganej. Dane wsadowe do programu oparto na wartociach uzyskanych z przeprowadzonych na prbkach bada materiaowych.

    4. Ocena zachowania wybranych typw dwugaziowych supw stalowo-betonowych

    Wyniki bada dowiadczalnych oraz modelowania nu-merycznego wykorzystano do oceny zachowania dwu-gaziowych supw stalowo-betonowych. Przeprowa-dzono analiz wielkoci mimorodw niezamierzonych, ktre obliczono na podstawie proponowanych w lite-raturze wzorw oraz korzystajc z pomierzonych pod-czas bada odksztace wybranych typw elementw. Porwnano nono i cigliwo wybranych supw dwugaziowych.

    4.1. Niezamierzony mimord obcieniaWarto mimorodu niezamierzonego moe by uzna-na za miar wielkoci rnego rodzaju imperfekcji (geo-metrycznych i materiaowych oraz obcienia), na kt-re naraone s supy zarwno stalowe, jak i zespolone. Czynniki wpywajce na mimord niezamierzony, wy-mienione w [5], to: niedokadnoci w wymiarach ele-mentu, odchylenia od zaoonego ksztatu lub od zao-onego usytuowania na stanowisku badawczym, skurcz betonu oraz nierwnomiernoci rozkadu mieszanki be-tonowej i jej wytrzymaoci. Do tych czynnikw mo-na doda naprenia resztkowe i spawalnicze w stali konstrukcyjnej. Warto rwnie zaznaczy, e na pierw-sze dwa wymienione w [5] czynniki najwikszy wpyw ma dugo elementu, std w celu uzyskania miarodaj-nych wynikw dowiadczalnych wane jest, aby badane elementy wykonane byy w skali naturalnej lub o odpo-wiedniej smukoci. Na podstawie analizy zachowania obetonowanych ksztatownikw stalowych, E. Maek w [5] zastosowa w obliczeniach, proponowany przez Eurokod 2 [11] wzr na warto niezamierzonego mi-morodu siy podunej, ktry po prostych przekszta-ceniach mona przedstawi w postaci:

    5,00, 500 Le = (4.1)gdzie:L dugo cakowita supa w metrach, wspczynnik wyboczeniowy supa przyjmowany wedug klasycznego wzoru Eulera,

    e warto niezamierzonego mimorodu siy podu-nej w metrach.W przypadku analizowanych supw dwugaziowych (kadego typu) o wysokoci 2,5 m i wspczynniku rwnym 0,7, wielko tego mimorodu jest staa i wyno-si okoo 5,5 mm. Obliczona warto zaley zatem tylko od dugoci i schematu statycznego elementu.Z dokonanych podczas bada odczytw tensometrw, umieszczonych na stali wynikao, e zarejestrowane wartoci odksztace podunych, na przeciwlegych powierzchniach supw, nie byy jednakowe. Na pod-stawie wielkoci tych odksztace w trzech przekrojach badanych elementw (grny, rodkowy i dolny) obliczo-no mimord niezamierzony obcienia, ktry wystpo-wa wraz ze wzrostem siy ciskajcej, przy zaoeniu sprystej fazy pracy elementw oraz penego zespo-lenia stali i betonu, wedug wzoru:

    ( ) ( )Ph

    JEJEe xyy yyxby,s y,bsz

    += , ,nim, ,xam

    (4.2)

    gdzie:ez mimord niezamierzony obcienia w kierunku zginania wzgldem osi o mniejszym momencie bez-wadnoci,Eb Jy, b, Es Jy, s sztywno na zginanie, kolejno be-tonowej oraz stalowej czci przekroju wzgldem osi o mniejszym momencie bezwadnoci,h wysoko ksztatownika HEA160, rwna 152 mm,(x, max, y-y x, min, y-y) rnica odczytw odksztace ten-sometrw podunych umieszczonych na stali po prze-ciwnych stronach przekroju.Oznaczenia osi, wedug ktrych zapisano wzr (4.2), pokazano na rysunku 3. Wyprowadzenie tego wzoru w artykule pominito.

    Na rysunku 4 przedstawiono mimorody niezamierzo-ne obcienia ez o