Konstrukcje zespolone są to konstrukcje łączące ze sobą dwa materiały. Najczęściej występującym zespoleniem jest połączenie stali i betonu. Należy jednak pamiętać, że występują też inne rodzaje zespoleń takie jak beton-beton, a nawet drewno-beton. W ramach dzisiejszego artykułu omówimy najbardziej popularne konstrukcje zespolone czyli stal-beton.

Ogólna charakterystyka

Konstrukcje zespolone to rozwiązanie materiałowe mające na celu wykorzystanie najlepszych cech minimum dwóch materiałów. W przypadku zespolenia typu stal-beton, następuje wykorzystanie stali jako materiału znakomicie pracującego na rozciąganie, betonu natomiast jako materiału idealnie pracującego na ściskanie. Jak widać materiały te znakomicie się uzupełniają. Dodatkowym atutem połączenia typu stal-beton jest współczynnik rozszerzalności termicznej kształtujący się prawie identycznie dla obu materiałów.

Konstrukcje zespolone – zasada działania

Głównym celem konstrukcji zespolonych jest współpraca dwóch różnych materiałów. Aby współpraca ta miała miejsce konieczne jest połączenie obu materiałów w sposób nieprzesuwny. W przypadku braku takiego połączenia materiały te pracują oddzielnie w sposób niezapewniający wzrostu nośności.

Znaczenia zespolenia przedstawiono na rysunku poniżej. Przedstawia on rozkład naprężeń w przekroju zespolonym poddanym zginaniu.

Konstrukcje zespolone

Jak widać w przypadku pełnego zespolenia naprężenia są dwukrotnie mniejsze niż w przypadku braku takiego połączenia, co ma znaczący wpływ przy wymiarowania elementów. Ugięcia natomiast spadają aż czterokrotnie w momencie pełnego zespolenia. Stąd jak widać korzyści z zastosowania elementów zespolonych są znaczące. Jaki więc wpływ ma stopień zespolenia na wymiarowanie?

Stopień zespolenia

W większości przypadków zespolenie oznacza połączenie mechaniczne za pomocą różnego rodzaju łączników. Ilość łączników determinuje czy zespolenie można uważać za pełne bądź częściowe. Stopień zespolenia ma natomiast znaczący wpływ na rozkład sił w przekroju. Dla celów tego artykułu rozpatrzmy belkę swobodnie podpartą w trzech wariatach podpierającą betonowy strop:

  1. Brak zespolenia
  2. Zespolenie częściowe
  3. Zespolenie całkowite.

Brak zespolenia

W przypadku braku zespolenia obciążenie schodzi bezpośrednio z płyty na belkę, z belki natomiast na podpory. Jak widać na rysunku poniżej płyta nie współpracuje z belką. To w belce pod wpływem działających obciążeń powstają zarówno naprężenia ściskające jak i rozciągające. W takim przypadku przekrój stalowy konieczny do wbudowania może okazać się znaczący.

Brak zespolenia

Mpl,a,Rd – plastyczna nośność na zginanie kształtownika stalowego

Zespolenie częściowe

Zespolenie częściowe umożliwia włączenie do współpracy płyty betonowej znajdującej się ponad belką. W związku z tym w belce stalowej znacznie wydłuża się zakres działania naprężeń rozciągających, z którymi stal radzi sobie bardzo dobrze, zmniejsza się natomiast zakres naprężeń ściskających. Ściskanie w tym przypadku po części zostaje przeniesione przez znajdującą się na belce płytę betonową, która częściowo została włączona do współpracy. Taki zabieg pozwala na zmniejszenie koniecznego do zastosowania przekroju stalowego belki.

Zespolenie częściowe

Nc – zredukowana siła ściskająca w betonowej półce
Na – siła rozciągająca w przekroju zespolonym
Ma – moment zginający w przekroju stalowym
MRd – nośność na zginanie przekroju zespolonego

Zespolenie całkowite

Najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem rozpatrując przekrój belki stalowej jest zespolenie całkowite. Umożliwia ono wyeliminowanie naprężeń ściskających w belce co przekłada się na pełne wykorzystanie przekroju stalowego. Naprężenia ściskające natomiast pojawiają się tylko i wyłącznie w przekroju betonowym znajdującym się ponad belką. Jak widać więc zespolenie całkowite pozwala na uzyskanie wymaganej nośności przy znacznie mniejszym przekroju belki względem pozostałych przypadków co w wielu sytuacjach może okazać istotne.

Zespolenie pełne

Nc,f – siła ściskająca przy pełnym zespoleniu
Na – siła rozciągająca w przekroju zespolonym
Mpl.Rd – plastyczna nośność na zginanie przekroju zespolonego

Ugięcia

Na koniec chcielibyśmy jeszcze zwrócić szczególna uwagę na ugięcia belek zespolonych w trakcie realizacji. W fazie tej udział obciążeń w porównaniu do stopnia zespolenia, a nawet jego braku może być na tyle duży, że spowoduje powstanie znaczących ugięć. W związku z tym niejednokrotnie stosuje się dodatkowe podpory montażowe lub odwrotne strzałki ugięcia. Mają one za celu zmniejszenie ugięć w fazie realizacji.

Wnioski

  1. Stropy z belkami stalowymi bez zespolenia z płytą betonową są rozwiązaniem nieekonomicznym.
  2. Najkorzystniejsze z rozpatrywanych rozwiązań to pełne zespolenie belek stalowych ze stropami betonowymi.
  3. Zespolenie częściowe nie pozwala w pełni wykorzystać zarówno właściwości stali jak i betonu.
  4. W stadium realizacji należy stosować podpory montażowe lub odwrotną strzałkę ugięcia belki stalowej.
  5. Należy stosować łączniki takie, których koszt zakupu jak i montażu jest odpowiednio ekonomicznych dla rozpatrywanego przypadku.
  6. Projektując skomplikowane konstrukcje, odmienne od omawianych w artykule konieczna jest ich indywidualna analiza.

Nowoczesne łączniki

Zapewne każdy z was słyszał o takich elementach łącznikowych jak sworznie, kątowniki, dospawane przekroje teowe. Dziś jednak chcielibyśmy przedstawić jeden z ciekawszych łączników stosowanych w konstrukcjach mostowych gdzie występują znaczne obciążenia również dynamiczne. Mowa tutaj o elementach CL-shape.

Konstrukcje zespolone - łącznik CL-shape

Składają się one ze specjalnie wyprofilowanych główek. Ich główne zadanie to przeniesienie sił ścinających z części stalowej na betonową ale nie tylko. Górna część główki kotwi stalową część w betonie, a także zapobiega podnoszeniu. Główka dzięki swojemu kształtowi umożliwia również przeniesienie sił podłużnych z betonu na stalowy łącznik. W wyniku wysokich obciążeń skoncentrowanych w rdzeniu kołka występuje stan wieloosiowego naprężenia ściskającego.

Łącznik ten ze względu na swoje właściwości jest wykorzystywany przy elementach z dużym punktowym obciążeniem (parkingi, wieżowce). Ich najważniejszą jednak zaletą jest wysoka wytrzymałość zmęczeniowa. To właśnie dzięki niej elementy te najczęściej znajdują swoje zastosowanie w mostach drogowych lub kolejowych.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię