Cursul 7 BAR Stalpi Compoziti

  • View
    98

  • Download
    6

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Master IS

Text of Cursul 7 BAR Stalpi Compoziti

  • 1

    Cursul 7 : Stlpi compozii Sumar:

    Stlpii compozii pot lua forma unor seciuni deschise parial sau total nglobate n beton sau a unor seciuni tubulare umplute cu beton.

    nglobarea total a seciunii de oel asigur de obicei suficient protecie la foc pentru a satisface cele mai stringente cerine practice.

    Eurocode 4 prevede dou metode pentru calculul capacitii stlpilor compozii, metoda general i metoda simplificat. n acest curs este prezentat metoda simplificat.

    Pentru a putea folosi metoda simplificat seciunea stlpului trebuie s fie constant i dublu simetric pe toat nlimea elementului.

    Este permis s se construiasc o versiune linearizat a diagramei de interaciune M-N pentru o seciune compozit.

    Capacitatea portant a unui stlp solicitat la compresiune i ncovoiere uniaxial poate fi determinat folosind diagrama de interaciune afectat cu un factor de reducere, cu condiia ca momentul de calcul s includ efectul imperfeciunilor i al amplificrii produse de efectul de ordinul 2.

    Capacitatea portant a unui stlp solicitat la compresiune i ncovoiere biaxial se calculeaz utiliznd capacitatea sa portant fa de ambele axe, plus o verificare a interaciunii ntre momente la fora axial de calcul.

    Cunotine preliminare: Distribuia tensiunilor n seciuni transversale compuse din materiale diferite sub

    aciunea combinat a forei axiale i momentelor ncovoietoare acionnd dup axele principale.

    Obiective:

    S fac cunoscute tipurile de stlpi care pot fi utilizai la cldiri. S evalueze principalele caracteristici ale seciunlor tubulare umplute cu beton i ale

    seciunilor deschise nglobate n beton cnd sunt folosite ca stlpi. S fac nelese principiile metodei simplificate pentru proiectarea stlpilor compozii

    din Eurocode 4.

    Cunoaterea procedurii de constrire a diagramei linearizate de interaciune M-N a unei seciuni compozite.

    Cunoaterea procedurii din Eurocode 4 pentru proictarea unui stlp compozit solicitat la compresiune i ncovoiere.

  • 2

    Referine: [1] EC4: EN 1994-1-1: Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures Part 1.1: General rules and rules for buildings.

    [2] SSEDTA: Structural Steelwork Eurocodes - Development of a Trans-National Approach, 2001

    [3] R.P. Johnson: Composite Structures of Steel and Concrete, 3rd Edition, Blackwell, Londra, 2004, 230 p.

    [4] Faber, O. (1956) More rational design of cased stanchions. The Structural Engineer, 34, March, 88109.

    [5] Jones, R. & Rizk, A.A. An investigation on the behaviour of encased steel columns under load. The Structural Engineer, 41, Jan., 2133.

    [6] Basu, A.K. & Sommerville, W. (1969) Derivation of formulae for the design of rectangular composite columns. Proc. Instn Civ. Engrs, Supp. vol., 233280.

    [7] Roik, K., Bergmann, R., Bode, H., Wagenknecht, G., 1975. Tragfhigkeit von ausbetonierten Hohlprofilsttzen aus Baustahl. Techn.-wissenschaftl. Mitteilungen, Institut fr konstruktiven Ingenieurbau, Ruhr-Universitt Bochum, Heft 75-4.

    [8] Roik, K., Bergmann, R., Bode, H., Wagenknecht, G., 1976. Tragfhigkeit von einbetonierten Stahlsttzen. Techn.-wissenschaftl. Mitteilungen, Institut fr konstruktiven Ingenieurbau, Ruhr-Universitt Bochum, Heft 76-4.

    [9] Aribert, J.-M., 2007, Calcul des poteaux mixtes, n Techniques de lingnieur, Ed. Le Moniteur, Paris. Coninut: 1. Istoric 2 Metoda simplificat de proiectare pentru stlpi din EN 1994-1-1

    2.1 Domeniu de aplicare 2.2 Rezistena la foc i unele reguli de alctuire 2.3 Capacitatea seciunii la compresiune cu ncovoiere uniaxial

    3. Verificarea la compresiune cu ncovoiere uniaxial (EC4, 6.7.3.6) 4. Verificarea la compresiune cu ncovoiere biaxial (EC4, 6.7.3.7) 5. Rezumat cu concluzii

  • 3

    1. Istoric [3] Stlpii metalici din cldirile etajate au nevoie de protecie la foc. Aceasta este frecvent asigurat prin nglobat n beton. Pn n anii 1950, era o practic obinuit s se utilizeze un amestec de rezisten redus i s se neglijeze contribuia betonului la rezistena i stabilitatea stlpului. ncercrile lui Faber [44] i alii au artat c se pot face economii folosind un beton de calitate mai bun i proiectnd stlpul ca un element compozit. Acestea au dus la metoda de proiectare numit a barei nglobate (cased strut), aplicabil pentru seciuni I sau H nglobate n beton. n aceast metod prezena betonului este luat n considerare n 2 moduri: se consider c el preia o mic for axial i c reduce zvelteea efectiv a elementului metalic, ceea ce-i mrete acestuia rezistena la sarcin axial. Nu se ine seama de loc de rezistena barelor de armtur din beton. ncercrile fcute pe bare nglobate la ncrcri excentrice au arta c metoda barei nglobate d o rezerv de siguran excesiv i neuniform. De exemplu, Jones & Rizk [5] factori de ncrcare ntre 4.7 i 6.7, i studiile lui Faber [4] sprijin aceast concluzie. Metoda a fost mbuntit n BS 5950, dar este n general foarte acoperitoare. Principalul ei avantaj este c este mai simpl dect metodele mai raionale i mai economice disponibile acum. Una din primele metode care a inut seama n mod adecvat de interaciunea dintre oel i beton ntr-un stlp compus dintr-un profil metalic H nglobat n beton a fost cea datorat lui Basu & Sommerville [6].Ea a fost extins pentru a include i ncovoierea biaxial i este ntr-o bun concordan cu rezultatele ncercrilor experimentale i simulrilor numerice [47, 48]. Metoda lui Basu i Sommerville este bazat pe folosirea unor aproximaii matematice la curbele obinute prin analize numerice. Pentru Eurocode 4:Part 1.1, a fost preferat metoda dezvoltat de Roik, Bergmann i alii la Universitatea din Bochum [7,8]. Are un domeniu mai larg, este bazat pe un model conceptual mai clar i este puin mai simpl. Eurocodul d dou metode de proiectare pentru stlpi:

    o metod general care include elementele cu seciune nesimetric i neuniform pe lungimea stlpului;

    o metod simplificat cu seciune dublu simetric i uniform pe lungimea elementului.

    2 Metoda simplificat de proiectare pentru stlpi din EN 1994-1-1 2.1 Domeniu de aplicare Pentru aplicarea metodei simplificate trebuie, pe lng faptul c seciunea trebuie s fie dublu simetric i uniform pe nlimea etajului, ndeplinite urmtoarele condiii:

    Zvelteea relativ (Ed

    Rkpl

    NN , ) trebuie s ndeplineasc condiia 2 ;

    Raportul ntre contribuia oelului i rezistena total a seciunii trebuie s fie cuprins ntre 0,2 0,9;

  • 4

    Pentru o seciune complet nglobat, grosimea maxim a acoperirii de beton de considerat n calcul nu trebuie s depeasc valorile cy = 0,4b et cz = 0,3h chiar dac valorile reale sunt mai mari;

    Coeficientul de armare longitudinal nu trebuie s depeasc 6%; Raportul ntre nlimea h a seciunii i limea sa b s se situeze intre 0,2 i 5.

    2.2 Voalarea local a pereilor de oel Riscul de voalare local al pereilor de oel ai unui stlp compozit trebuie s fie controlat perfect inainte ade aface verificarea stabilitii de form a stlpului. n cazul unui stlp toatal nglobat acest risc nu exist dac grosimea acoperirii cu beton este suficient:

    cy sau cz min{40 mm, b/6} Pentru celelalte tipuri de stlpi compozii (stlpi parial nglobai n beton i profile tubulare umplute cu beton), zveltetea pereilor seciunilorde oel nu trebuie s depeasc valorile de mai jos:

    Pentru tuburi circulare (Figura 1e sau f) : d/t 90 2 Pentru tuburi rectangulare (Figura 1d ) : b/t 52 Pentru profile I parial nglobate (Figura 1b sau c) : b/tf 44

    Unde yf

    235 i fy este valoarea nominal a limitei de elasticitate a oelului.

    Figura 1 Seciuni dublu simetrice tipice pentru stlpi compozii i notaii

  • 5

    2.3 Rezistena la foc i unele reguli de alctuire nainte de a face calcule bazate pe o seciune aleas pentru un stlp compozit este prudent s se verifice dac seciunea respect anumite limite privind dimensiunile ei. Rezistena la foc a unui stlp dintr-un profil I nglobat n beton este determinat de grosimea stratului de beton de acoperire al profilului metalic i al armturilor. De exemplu, pentru un element rezistent 90 de minute i o seciune transversal cu dimensiunile hc i bc de cel puin 250 mm, limitele acoperirii cerute de EN 1994-1-2 sunt 40 mm pentru profilul metalic i 20 mm pentru armtur. Trebuie respectate de asemene prevederile din EN 1992-1-1 privind acoperirea minim cu beton i distanele minime i maxime dintre bare. Acestea asigur rezistena la coroziune, transmiterea sigur a forelor de aderen, evitarea expulzrii betonului i a flambajului barelor de armtur. Coeficientul de armare trebuie s fie ntre urmtoarele limite pentru a putea face un calcul de rezisten ca beton armat :

    0,003 As/Ac 0,06 Limita superioar este pus ca s asigure c barele nu se aglomereaz excesiv la suprapuneri. Grosimea acoperirii de beton a seciunii de oel care poate fi folosit n calcul are ca limite superioare cy = 0,4b, cz = 0,3h. Aceastea sunt legate de proporiile stlpilor pentru care a fost validat metoda de calcul. Coeficientul de contribuie al oelului i zvelteea sunt limitate pentru acelai motiv. Coeficientul de contribuie al oelului este defint de:

    Rdplyda NfA ,/ unde fyd este rezistena de calcul a oelului structural, cu condiia:

    0,2 0,9

    Dac < 0.2, stlpul trebuie tratat ca beton armat; iar dac > 0.9, ca oel structural. Termenul Aa fyd este contribuia seciunii de oel la rezistena plastic Npl,Rd, dat de:

    cdcsdsydaRdpl fAfAfAN 85,0, 2.4 Rezistena plastic la compresiune axial Rezistena plastic la compresiune axial a unei seciuni de stlp compozit, Npl,Rd, se obine prin simpla adunare a rezistenelor plastice ale componetelor sale, adic:

    cdcsdsydaRdpl fAfAfAN 85,0, (1) unde Aa , Ac i As sunt ariile seciunilor profilului metalic, a betonului i a armturii, iar fyd, fcd et fsd sunt rezistenele de calcul ale materialelor. Expresia de mai s