SOLUȚII EFICIENTE ÎN DOMENIUL PODURILOR. CONECTORI COMPUȘI

EFFICIENT BRIDGE SOLUTIONS. COMPOSITE DOWELS

EDWARD PETZEK1, LUIZA TOMA2, ELENA METEȘ 3, RADU BĂNCILĂ4

Rezumat: Podurile sunt construcții vitale în infrastructura pentru transporturi; cele în soluție

compusă devenind din ce în ce mai întâlnite în ultimele decenii. Din cauza situației economice

internaționale precare este necesară dezvoltarea de noi soluții caracterizate de costuri mici,

simplitate în execuție, durabilitate, robustețe, aspecte estetice. Cu ajutorul aplicației conectorilor

compuși au apărut metode noi de construcție în domeniul podurilor compuse, spre exemplu VFT®

,

VFT-WIB®

. Articolul prezintă o trecere în revistă a aspectelor teoretice ale conectorilor compuși și

exemple realizate în România bazate pe aceste principii.

Cuvinte cheie: conectori compuși, elemente prefabricate, secțiuni transversale inovative, VFT®, VFT-WIB®, capacitate portantă, rezistența la oboseală, exemple de poduri cu conectori compuși.

Abstract: The bridges are vital structures for the transport infrastructure; in the last decades

composite bridges became a well-liked solution. Because of the background of the current

international economic situation it is necessary to be developed new construction methods

characterized by low costs, simplicity of the construction details, long lasting, robustness, aesthetic

aspects. With the help of the composite dowels application new construction methods for composite

bridges like VFT®

, VFT-WIB®

ware established. The present paper presents a overview of the theoretical aspects of the composite dowels and summarizes already executed bridge structures from

Romania, in which the composite dowel principle is implemented.

Keywords: composite dowels, precast elements, innovative cross sections, VFT®, VFT-WIB®, bearing capacity, fatigue behavior, bridge examples with composite dowels.

1. Introducere

În urma creșterii semnificative din ultimele decenii a numărului de poduri în soluție compusă oțel-beton, atât pe plan mondial, dar mai ales pe teritoriul Uniunii Europene, tendința actuală urmărește dezvoltarea unor concepte și tehnologii care să simplifice și să eficientizeze cât mai mult soluțiile existente pe piață, astfel dezvoltându-se în ultimii ani diverse programe de cercetare în care au fost angrenate atât mediul privat de afacere cât și cel de stat.

1 Conferențiar dr. ing. Universitatea Politehnică Timișoara (Assoc. Prof. dr. ing., “Politehnica” University of Timisoara), Facultatea de Construcţii (Faculty of Civil Engineering), Dr. Ing., (Eng.), SSF-RO Ltd, Romania, e-mail: epetzek@ssf.ro 2 Asistent de cercetare drd. ing. Universitatea Politehnică Timișoara (Research Assistant. drd.Ing., “Politehnica” University of Timisoara), Facultatea de Construcţii (Faculty of Civil Engineering), Ing., (Eng.), SSF-RO Ltd, Romania, e-mail: ltoma@ssf.ro 3 Asistent de cercetare drd. ing. Universitatea Politehnică Timișoara (Research Assistant. drd.Ing., “Politehnica” University of Timisoara), Facultatea de Construcţii (Faculty of Civil Engineering), Ing., (Eng.), SSF-RO Ltd, Romania, e-mail: emetes@ssf.ro 4 Profesor dr. ing. Universitatea Politehnică Timișoara (Prof. dr. ing., “Politehnica” University of Timisoara), Facultatea de Construcţii (Faculty of Civil Engineering), e-mail: radu.bancila@ct.upt.ro

Secțiunea transversală compusă clasică aliniază două grinzi principale - I aflate în conlucrare la partea superioară cu o placă din beton armat, prin intermediul conectorilor clasici și a elementelor de legătură transversale. Soluția a devenit din ce în ce mai des întâlnită, dovedindu-se economică, durabilă, fiabilă în special pentru deschideri mici şi mijlocii.[1]

Un pas în continuarea creșterii competitivității podurilor compuse a fost dezvoltarea conceptului modular - folosirea de grinzi prefabricate în alcătuire compusă oţel - beton. Acest lucru a determinat transferul unor importante faze tehnologice de pe șantier, în spații închise - în poligoane de prefabricate. Astfel, uzinarea şi executarea elementelor în incinte, în condiţii net superioare celor de pe şantier, garantează standarde de calitate ridicate, lucru ce a determinat o creștere a gradului de prefabricare a unei structuri. Utilizarea de astfel de prefabricate pentru poduri în soluție compusă a apărut încă din anul 1998 în Germania, Austria și Polonia, trendul propagându-se apoi în toată Europa.

Înlocuirea secțiunilor transversale compuse clasice cu cele care utilizează grinzi prefabricate, a determinat eliminarea unui volum semnificativ de cofraje și eșafodaje necesare pentru susținerea plăcii monolite în momentul execuției, lucrări care se regăseau în costurile finale ale podului, respectiv în intervale semnificative de timp din cadrul graficelor de execuție.

Fig. 1 Grinda VFT®

O grindă prefabricată de tip VFT® (Fig.1) are la partea superioară o coajă din beton armat, numită predală, cu rol de cofraj pierdut. De asemenea, această predală poate prelua și o parte din eforturile de compresiune care apar la partea superioară a secțiunii în timpul fazelor intermediare ale construcției și ajută la facilitarea calibrării prefabricatului în momentul transportului, manipulării sau așezării în poziția finală. Aceste modificări au condus la continuarea îmbunătățirii raportul cost-beneficiu pentru podurile în soluție compusă cu deschideri mijlocii.

2. Conectorii compuși

Materialul cu costurile cele mai ridicate, folosit în realizarea unei secțiuni compuse este oțelul. De aceea următoarea etapă în dezvoltarea eficacității podurilor compuse a vizat reducerea consumului de oțel. Acest lucru s-a realizat prin optimizarea secțiunii transversale, pe baza diagramelor de eforturi. Astfel, s-a renunțat la talpa superioară din oțel în zonele de compresiune, efort preluat în întregime de către predala din beton armat, iar forța de lunecare dintre beton și oțel fiind preluată de către conectorii compuși, care îi înlocuiesc pe cei clasici. Noțiunile teoretice dezvoltate și acumulate despre conectorii compuși au fost aplicate cu succes pentru prima dată la podul rutier din Pöcking (Fig. 2a) [2].

Fig. 2 a) Podul de la Pöcking (2004) – grindă în soluție VFT-WIB® - Vedere de jos, Secțiune transversală [2]

b) Părțile componente ale grinzii în soluția VFT-WIB®

Grinda VFT® sau VFT-WIB® (Fig. 2a,b) este un element prefabricat în soluție compusă, care prezintă la partea inferioară o secţiune metalică în formă de „T”, ce poate fi obținută din profile laminate sau platbande sudate. Particularitatea acestor grinzi este realizarea conlucrării dintre oțel și beton cu ajutorul conectorilor compuși oţel - beton.

Partea metalică se obţine prin tăierea în două, în direcția longitudinală a unui profil laminat I, după o anumită geometrie, obţinându-se la final două profile T identice (Fig. 3). O deosebită importanță o are

predală din beton armat

placă monolită

grindă metalică sudată

a) b)

acurateţea cu care este realizată linia decupajului care definește conturul conectorul compus; existenţa unui defect în geometrie poate să compromită rezistenţa finală la oboseală a acestuia [3, 4].

Fig. 3 Geometria de tăiere

În funcţie de geometria decupajului putem avea mai multe tipuri de conectori compuşi (Fig. 3), fiecare având capacitatea de a prelua eforturile longitudinale de lunecare dintre metal şi betonul armat, transmitere ce se poate realiza uni- sau bidirecţional în funcţie de tipul încărcărilor aplicate.

Fig. 4 Tipuri de conectorilor compuşi în funcţie de geometria de tăiere: a) fin (SA), b) puzzle (PZ), c) clothoidal

(CL), d) modified clothoidal (MCL)

Forma SA nu transmite în mod eficient efortul de lunecare decât într-un singur sens, de aceea este necesar oglindirea liniei de taiere la mijlocul profilului metalic. Acesta îşi găseşte utilitate în domeniul construcţiile civile, în general la grinzile supuse preponderend la încărcări statice sau în cazurile în care nu este relevantă rezistenţa la oboseală.

Pentru conectorii compuşi tip PZ şi CL s-au realizat studii în paralel: primul fiind subiectul analizelor şi experimentelor realizate de către Arcelor Mittal şi SSF-Ingenieur, iar al doilea conector - CL; a venit ca propunere din parte celor de la Setra. Ambele prezintă o geometrie simetrică de tăiere ceea ce este avantajoasă pentru transmiterea bidirecţională a eforturilor, secţiune ideală pentru acțiunile ciclice. În cazul unor astfel de încărcări repetitive, la dezvoltarea geometriei ambelor tipuri de conectori s-a avut în vedere şi obținerea unui comportament favorabil la apariția fenomenului de oboseală. Diferenţa dintre cei doi conectori este raza de racordare de la partea inferioară a conectorului, cel de tip CL prezintă o rază de aproximativ trei ori mai mare decât cel de tip PZ, ceea ce conduce la o creştere a rezistenţei la oboseală, respectiv determinând o rezistenţă relevantă vis-à-vis de riscul apariţiei fisurilor datorate oboselii [4]. Aceste două tipuri - PZ şi CL, sunt folosite preponderent în domeniul podurilor.

În funcţie de poziționarea în secţiunea transversală, conectorii compuși pot fi așezați în dreptul axei neutre (Fig. 5 a) – în acest caz formând o secţiune compusă, sau pot fi dispuși departe de axa neutră (amplasați la partea inferioară și/sau superioară a elementului), atunci îndeplinind rolul de armătură externă, fiind supuși aproape exclusiv la întindere (Fig. 5 b).

Fig. 5 Secţiuni transversale tipice VFT-WIB® [5]

Conectorii compuşi sunt alcătuiți din (Fig. 6): (1) conectorul din oţel (sau dintele din oţel), (2) conectorul din beton, (3) armătura componentă a conectorului, (4) baza conectorului, (5) nucleul conectorului, (6) piciorul conectorului, (7) capul conectorului, (8) armătura superioară, (9) etrieri.

Fig. 6 Elementele unui conector compus [6]

linie de separație

a)

b)

a) b) c) d)

SA PZ CL MCL

P1

P2 P1+P2

P1

P2

P1

P1+P2

3. Capacitatea portantă a conectorilor compuşi

Prin intermediul programului European RFCS “PrecoBeam” [3, 6] a fost studiată dependenţa dintre capacitatea portantă a conectorilor şi forma geometrică a acestora, cu ajutorul determinărilor experimentale, cât şi analizelor numerice. Astfel s-a constatat că în starea limită ultimă, conectorii compuşi prezintă o capacitate portantă ridicată, iar în starea limită de serviciu prezintă o rigiditate sporită, având un comportament ductil în domeniul de post fisurare. Cedarea conectorilor compuși se poate realiza fie prin strivirea betonului, fie prin apariția de fisuri în oţel (Fig. 7). În cazul conectorilor realizaţi din platbande subţiri din oţel de clasă inferioară, încorporate în beton de înaltă rezistenţă, cu siguranță apariţia cedării va fi favorabilă la oţel. Capacitatea portantă a betonului depinde de procentul de armare, dar şi de poziţia armăturii faţă de grinda metalică.

În figura numărul 8 este prezentată o comparaţie a curbei forţă - deplasare în relaţie cu forma geometrică a conectorului, bazată pe teste de tip push-out realizate în laborator. Aşa cum se poate observa, capacitatea portantă statică cea mai mare o are conectorul fin (SA), urmat de cel de tip PZ (aproximativ 95 % din capacitatea portantă a celui de tip SA), iar capacitatea portantă a conectorul CL este cu aproximativ 10 procente mai scăzută decât a celui de tip puzzle (PZ).

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Slip [ mm]

SA-A-1

PZ-A-2

CL-A-3

Do

welfo

rce [

kN

]

Fig. 7 Conectori compuși: curba specifică de Fig. 8 Curba specifică forţă - deplasare pe baza

încărcare – lunecare [7] testelor de tip push-out [3] Starea de efort critică pentru conectorul din oţel în starea limită de serviciu este (Ec. 1):

y

yfG

wy

ylfLs I

Mk

tl

SVk +=σ

(1)

Concentratorii de eforturi: kfL – concentratorul de eforturi locale, respectiv kfG - concentratorul de eforturi globale, sunt dependenţi de geometria conectorului.

Fig. 9 Diagrama de eforturi pentru diferite secțiuni compuse: a) secțiune compusă clasică; b) soluția VFT®; c)

soluția VFT-WIB®; d) Secțiune cu armătură externă (de asemenea în soluție VFT-WIB®)

Comportarea structurală a conectorului din beton este prezentată în figura 10 şi prezintă trei domenii principale stabilite în funcţie de diagrama de încărcare – lunecare. Primul domeniu este caracterizat de un comportament liniar-elastic, până la apariția primei fisuri în beton. O dată cu avansarea fisurii se atinge capacitatea portantă a conectorului (al doilea domeniu).

În cadrul ultimului domeniu - în domeniul de post fisurare, are loc fie cedarea oțelului, caracterizată de un comportament ductil, fie cedarea betonului, unde se observă o scădere a raportului încărcare – lunecare.

cedare oțel

cedare beton

a) b) c) d)

Încărcări de referință pentru diagrama tipizată încărcare – lunecare corespunzătoare unei cedări ductile a betonului:

A. Frecarea pe suprafețele de contact B. Compresiunea la suprafețele de contact

oțel-beton C. Forfecare la interfeţele din beton D. Efectul de conectare dat de armătura

transversală E. Efectul de blocaj datorat prezenţei

armăturii duble din cadrul conectorului din beton armat Fig. 10 Diagrama de încărcare – lunecare pentru conectorii

compuși corespunzătoare testelor de push-out [3]

4. Noțiuni de calculul ale conectorilor compuşi

În cadrul metodologiei de calcul a conectorilor compuşi dezvoltată în cadrul proiectelor RFCS PrecoBeam, PRECO+, EcoBridge [3, 6, 8] (Fig. 11), sunt luate în considerare ambele situaţii de proiectare: cazul solicitărilor statice, respectiv cele dinamice.

4.1. Conceptul de proiectare a conectorilor compuşi în SLU

Fig. 11 Conectorul compus şi strivirea–înălţimea conului de dislocuire [3]

( )kpokplkshv

RD PPPP ,,, ;;minγ

1=

dala din beton (2)

( )kplksh

vRD PPP ,, ;minγ

1=

dala din beton cu etrieri (3)

4.1.1 Dimensionarea componentei din beton a conectorilor compuşi

Forţa de tăiere (Ec. 4) din conectorul din beton, se poate determina cu ajutorul relației de mai jos (forţă / conector) :

( )DckxDksh �fe�P +1= 2,

(4)

Unde întâlnim parametrul specific fenomenului de tăiere (Ec. 5):

Dcm

bsD AE

AE=ρ

(5)

fy valoare nominală pentru limita de curgere a oțelului [N/mm

2] fck valoarea rezistenţei caracteristice la compresiune pe cilindru pentru beton [N/mm

2] Ecm modulul de elasticitate secant al betonului [N/mm

2] Es modulul de elasticitate al barelor de armătură [N/mm

2] tw grosimea platbandelor din oţel [mm] Ab aria de armătură transversală a conectorului (Fig. 11)

Armătura conectorului

Conectorul din beton Conectorul din oțel

AD aria de beton a conectorului (Fig. 11) Asf aria de armătură transversală a predalei din beton (Fig. 11) AD,i suprafaţa activă a betonului: cxiD heA =,

hc înălţimea predalei din beton [mm] ηD factorul de reducere a suprafeţei din beton a conectorului:

,180

-3=η ,x

CLDe

ex [mm], (CL) – pentru forma clotoidă

,

400-2=η ,x

PZDe

ex [mm], (PZ) - pentru forma tip puzzle

De asemenea, la dimensionarea betonului trebuie avut în vedere și de fenomenul de strivire a acestuia – formarea așa numitului con de dislocuire din beton (Fig.11). Evaluarea forței de strivire (Ec. 6):

( ) yxDckpokpo fhP χχρ+190= 1,5,1,

(6)

ρD,I parametrii fenomenului de strivire (Ec. 7):

iDcm

sfsiD AE

AE

,, =ρ

(7)

hpo înălţimea conului de dislocuire [mm]:

( )xuxpo ecech 13,0+;07,0+min= 0 χx, χy factori de reducere:

,5,4

Dispunerea etrierilor în lungul grinzii compuse VFT® sau VFT-WIB®, reprezentați în figura alăturată – marca de armătură numărul 2 sau 3 (Fig. 13), ajută la creșterea semnificativă a capacității portante a structurii. De asemenea participă la prevenirea aparițiilor fisurilor în zona acoperirii de beton.

Aria acestora se determină conform ecuației de mai jos (Ec. 11) :

sdconfs f

PA

3,0=, (11)

Fig. 13 Armătură conector compus. Etrierii din armătură

4.2. Conceptul de proiectare a conectorilor compuşi în SLS

Efortul principal relevant pentru situația de dimensionare a conectorului compus în starea limită de serviciu este reprezentat de relația următoare:

)+(+= ,, Dy

Gfwy

yLfs zI

M

A

Nk

tI

svk� (12)

kf,L concentrator de efort local al conectorului în SLS, kf,L,CL = 7,3 kf,G concentrator de efort global pentru încovoiere și forță axială, kf,G,CL = 1,5 V, M, N forța de tăiere, momentul încovoietor, forța axială caracteristice secțiunii compuse A aria secțiunii (fără dintele din oțel) Sy momentul static față de baza conectorului Iy momentul de inerție a întregii secțiuni zD distanța dintre centrele de greutate a secțiunii compuse și a profilului metalic.

4.3. Conceptul de proiectare a conectorilor compuşi din punct de vedere a oboselii

Verificarea la oboseală se realizează conform EN 1993-1-9. Ecartul de tensiune fiind (Ec. 14):

)+(+∆

=σ∆ ,, Dy

Gfwy

yLf zI

M

A

Nk

tI

svk (14)

unde: kf,L,CL = 7,3 / 8,6; kf,G,CL = 1,5 / 1,9.

5. Poduri în soluție VFT® din România [8, 9]

În cadrul proiectului “design-and-build” a autostrăzii Orăștie-Sibiu, au fost finalizate cu succes două structuri la care s-a aplicat o nouă soluție de tip VFT® (P01 și P11). Pasajele sunt cadre cu o singură deschidere, L = 40,0 m, în secțiunea transversală fiind aliniate patru grinzi prefabricate VFT®. În final s-au obținut două structuri zvelte, robuste și economice, cu un consum minim de oțel de 130 kg/m2.

Fig. 14 Dezvoltarea soluției de la VFT® la noua secțiune transversală VFT®

Armătura conectorului - Ab

Etrier din armătură As,conf

Fig. 15 Diferite stadii ale construcției podului P01

6. Bibliografie

[1] V. Schmitt., G. Seidl, Verbundfertigteil-Bauweise im Brückenbau, Ernst & Sohn Verlag, Stahlbau, Berlin, 2001, 70. [2] V. Schmitt, G. Seidl, M. Hever, C. Zapfe Verbundbrücke Pöcking – Innovative VFT-Träger mit Betondübeln, [Hrsg.] Ernst & Sohn Verlag,, Bd. 73, Stahlbau, Berlin, 2004, pp 387-393. [3] G.Seidl, et alt. Prefabricated enduring composite beams based on innovative shear transmission, Final Report RFSR-CT-2006-00030, s.l.: European Commission, 2011. [4] J. Berthellemy, O. Hechler, W. Lorenc, G. Seidl, Viefhuses E. Premiers résultats du projet de recherche européen Precobeam de connexion par découpe d'une tôle, CTCIM, Construction métallique, Vol 46, No 3, 2009, pp. 3-26. [5] J. Berthellemy, W. Lorenc, M. Mensinger, S. Rauscher, G. Seidl, Zum Tragverhalten von Verbunddübeln - Teil 1: Tragverhalten unter statischer Belastung, Heft 3, Stahlbau 80, 2011, pp. 172-184. [6] G.Seidl, et alt., Brücken mit Verbunddübelleisten – Leitfaden, Dokument D767, RFCS preject PRECO+, FOSTA, 2012. [7] G. Seidl, Behaviour and load bearing capacity of composite dowels in steel-concrete composite girders, Dissertation, Wrocław University of Technology, Institut of Building Engineering, 2009. [8] EcoBridge, Demonstration of economical bridge solutions based on innovative composite dowels and integrated abutments, RFSP-CT-2010-00024, 2010 - 2013. [9] G.Seidl, E. Petzek, R. Băncilă, Composite Dowels in Bridges - Efficient solution, International Conference ISCS13, Advanced Materials Research, Vol. 814, ISBN-13: 978-3-03785-848-6, 2013.

22.08.2012

30.05.2013