ZESZYTY N A U K O W E P O LITEC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: BU D O W N ICTW O z. 104
2005 N r kol. 1695
Paweł KANIA*
Politechnika C zęstochow ska
BELKI STALOWO-BETONOWE ZESPOLONE ZA POMOCĄ WSTRZELIWANYCH GWOŹDZI
Streszczenie. O pracow anie dotyczy now ego rozw iązania konstrukcyjnego łącznika dla belek zespolonych stalow o-betonow ych. Przedstaw ione rozw iązanie polega na wykorzystaniu do zespolenia blachy profilow anej FLO R STR O P T-59Z zastosow anej jako tracone deskowanie. E lem entem zespalającym m a być fałda blachy o specyficznym kształcie.
Sama blacha zam ocow ana je st do belki stalow ej za pom ocą łączników (np. gwoździ wstrzeliwanych).
Proponowane rozw iązanie konstrukcyjne w ym aga przeprow adzenia cyklu badań, pozwalających na określenie w ytrzym ałości łącznika. W opracow aniu przedstaw iono szczegółowo plan badań.
STEEL-CON CRETE COMPOSITE BEAM S CONNECTED WITH SHOT FIRED STUDS
Sum m ary. This paper review s the new solution o f connectors for use in steel-concrete composite beams. Presented solution consists in using profiled steel sheet FLO R STR O P T- 59Z which is a perm anent shuttering for connecting steel and concrete. The connecting element is a re-entrant fold o f sheet. Profiled sheet is fastened to steel beam w ith connectors (for example shot fired studs).
This solution needs to perform tests for defining o f strength o f shear connectors. This paper describes the detailed plan o f tests.
1. Wstęp
Konstrukcje zespolone stalow o-betonow e są pow szechnie stosow ane w budow nictwie światowym ju ż od w ielu lat. W Polsce zastosow anie ich je s t jed n ak bardzo ograniczone.
Przyczynami, które pow odują niskie zainteresow anie konstrukcjam i zespolonym i przez rodzimych projektantów , są ograniczenia m ateriałow e i technologiczne oraz brak literatury
* Opiekun naukow y: D r hab. inż. W itold K ucharczuk, prof. Politechniki C zęstochow skiej
140 P. Kania
fachowej dotyczącej tego zagadnienia. Taki stan rzeczy zw iązany je st bezpośrednio z niskimi nakładam i na badania w krajow ych ośrodkach naukowych.
W budow nictw ie stosuje się w iele rodzajów konstrukcji zespolonych. Jednym z nich są stropy zespolone. P ozw alają one na w ykorzystanie zalet obu m ateriałów i jednocześnie redukcję ich wad. Połączenie stali z betonem pow oduje zm niejszenie zużycia stali przez w ykorzystanie betonu w strefie ściskanej oraz usztyw nienie konstrukcji. Czynnikiem zw iększającym pracochłonność je s t konieczność zespolenia obu m ateriałów.
Istnieje w iele rodzajów stropów zespolonych. Jednym z bardziej popularnych są stropy na blachach fałdow ych. Istotą tego rozw iązania je st ułożenie blachy fałdow ej na belkach stalow ych i w ykonanie na niej płyty żelbetow ej, blacha pełni funkcję traconego deskowania oraz ew entualnie przęsłow ego zbrojenia płyty. Płytę dodatkow o zespala się z belkami stalow ym i za pom ocą łączników . Łączniki m o g ą m ieć różne form y: odcinków profili, kotew, pętli lub najbardziej popularnych łączników sw orzniowych.
P oszukiw ania coraz doskonalszych rozw iązań konstrukcyjnych doprowadziły do pow stania różnorodnych now ych rodzajów blach fałdowych. B lachy te, ze względu na swój kształt przekroju, pozw alają na w ykonanie zespolonych płyt stalow o-betonow ych bez dodatkow ego zbrojenia przęsłow ego w postaci prętów (funkcję tę pełni sam a blacha profilow ana). Rozw iązania takie w pływ ają na szersze zastosow anie konstrukcji zespolonych.
2. Opis przyjętego rozwiązania
O becnie na polskim rynku pojaw iła się specjalistyczna blacha fałdow a do wykonywania stropów zespolonych. Blacha o nazw ie handlowej FLO R STRO P T-59Z produkow ana jest przez „Ispat Polska Stal” SA O ddział w Świętochłow icach [2], Fałda blachy ma charakterystyczny kształt jaskółczego ogona (ry s.l). K ształt fałdy m a w iele zalet: pozwala na w ykorzystanie blachy ja k o przęsłow ego zbrojenia płyty zespolonej stalowo-betonowej, um ożliw ia łatw e podw ieszanie elem entów w ykończenia lub instalacji poprzez zastosowanie
w ieszaków m ocow anych w fałdzie. *
Belki stalowo-betonowe zespolone za pomocą.. 141
Rys. 1. Blacha trapezowa FLORSTROP T-59Z Fig. 1. Profiled sheet FLORSTROP T-59Z
Taka form a przekroju poprzecznego blachy być m oże pozw oli rów nież na przenoszenie sił rozwarstwiających pom iędzy b elk ą stalow ą i p ły tą betonową, bez konieczności stosow ania dodatkowych łączników . Przypuszczenie to w ynika z analizy cząstkow ych badań tego zagadnienia przeprow adzonych w A nglii [7].
Proponowane rozw iązanie konstrukcyjne to belka zespolona stalow o - betonow a, gdzie jako element zespalający użyta zostanie blacha FLO R STR O P T-59Z (która jednocześnie pełni rolę traconego deskow ania i zbrojenia przęsłow ego dla płyty żelbetow ej) (rys. 2).
Blacha musi zostać trw ale połączona z b elk ą stalową. Zastosow ać m ożna do tego celu na przykład w strzeliw ane gw oździe do blach profilowanych: Hilti EN P 2 [4].
Rys. 2. Schemat belki zespolonej: 1 - belka stalowa, 2 - blacha profilowana FLORSTROP T-59Z, 3 - łączniki (np. gwoździe wstrzeliwane Hilti ENP 2), 4 - zbrojenie płyty żelbetowej, 5 - płyta żelbetowa
Fig. 2. Details o f the composite beam: 1 - steel beam, 2 - profiled sheet FLORSTROP T-59Z, 3 - connectors (for example shot fired stud Hilti ENP 2), 4 - reinforcement mesh, 5 - concrete slab
Strop zespolony w ykonany z użyciem tego rozw iązania je s t konstrukcją prostą, łatw ą i szybką w m ontażu a co za tym idzie charakteryzuje się on n isk ą pracochłonnością. Jego
142 P . Kania
zaprojektow anie w ym aga określenia nośności belki zespolonej, a to wymaga przeprow adzenia badań elem entu zespalającego [5,6].
N ośność elem entu zespalającego zależeć będzie od nośności łączników oraz od w ytrzym ałości blachy profilowanej. W przypadku zastosow ania gwoździ Hilti ENP2 nośność łączników określić m ożna ja k o w ielokrotność nośności jednego gwoździa.
Przew iduje się jednak, iż czynnikiem decydującym będzie w ytrzym ałość blachy profilowanej.
Pod w pływ em działania obciążenia rozw arstw iającego (rys. 3) m oże ona ulegać deformacji pow odującej utratę nośności całego połączenia zespalającego. Dlatego dla dobrego zespolenia belki stalow ej z p ły tą betonow ą w skazane je s t stosowanie blach grubszych: 1,00 mm,
1,25 mm.
Rys. 3. Rozkład sił wewnętrznych w belce zespolonej Fig. 3. Arrangement o f intemal forces in composite beam
Planow ane badania pozw olą na w eryfikację przypuszczeń dotyczących pracy połączenia oraz uzyskanie inform acji niezbędnych do określenia param etrów w ytrzym ałościow ych całej belki.
3. Planowane badania
Celem badań będzie określenie nośności granicznej połączenia płyty betonowej z belką stalową. B adania podstaw ow e przeprow adzone zostaną na m odelach zgodnie z [5,6].
M odel do badania nośności łączników na ścinanie składa się z belki stalowej oraz dwóch płyt żelbetow ych w ykonanych na blachach FLO R STRO P T-59Z. Płyty w ykonane są z betonu klasy B25 i zbrojone siatkami z prętów stalow ych. Blachy łączone są do belki stalowej gw oździam i w strzeliw anym i Hilti EN P 2 (rys. 4).
Belki stalow o-betonow e zespolone za pom ocą... 143
Nośność połączenia zależna je s t od liczby łączników (gw oździ) oraz od grubości blachy.
W celu uzyskania m iarodajnych w yników próby przeprow adzić należy na m odelach wykonanych z użyciem blach FLO R STR O P T-59Z o grubości 1,00 mm i 1,25 mm oraz przy zastosowaniu różnej ilość gw oździ m ocujących w jednej fałdzie blachy. Program badań przedstawiono w tabeli 1.
Modele zo staną zaopatrzone w czujniki zegarow e do pom iaru pionow ych przem ieszczeń (poślizgu) pom iędzy płytam i a belką. Procedura obciążania m odeli będzie zgodna z wytycznymi zaw artym i w [5,6].
[ 110 | 152 [ HO [
Rys. 4. Model do badań połączenia ścinanego: 1 - dwuteownik HEA160 ze stali S235, 2 - blacha fałdowa FLORSTROP T-59Z, 3 - gwoździe wstrzeliwane Hilti ENP 2, 4 - beton klasy B25, 5 - siatka zbrojeniowa z prętów <()10 mm x 9 cm.
Fig. 4. Model for push-out test: 1 - beam HEA160 made o f Steel S235, 2 - profiled sheet FLORSTROP T-59Z, 3 - shot fired stud Hilti ENP 2, 4 - concrete B25,
5 - reinforcement mesh <j> 1 Omm x 9cm
Badania różnego typu łączników do konstrukcji zespolonych, przeprow adzane w w ielu ośrodkach badaw czych, p o k a z u ją iż w artości w yznaczone w próbie ścinania o d biegają od wartości uzyskanych z badań m odeli rzeczyw istych belek zespolonych [7]. W ynika to z w ielu przyczyn: po pierw sze - inny je s t stan naprężeń w m odelu połączenia ścinanego i w elementach rzeczyw istej belki zespolonej, co w ynika z innego przyłożenia obciążeń; po drugie - model połączenia ścinanego obarczony je s t im perfekcjam i technologicznym i i materiałowymi, co pow oduje m im ośrodow e obciążenie.
1 44 P. Kania
T abela 1 Program badań modeli ścinanych
N r m odelu
G rubość blachy FLO R STR O P T-59Z
L iczba gwoździ zastosow anych na je d n ą
fałdę blachy
Liczba prób wytrzymałościowych
1 1,00 4 1 (próba pilotażowa)
2 1,00 4 3
3 1,00 2 3
4 1,25 2 3
B adania różnego typu łączników do konstrukcji zespolonych, przeprow adzane w wielu ośrodkach badaw czych, pokazują, iż wartości w yznaczone w próbie ścinania odbiegają od w artości uzyskanych z badań m odeli rzeczyw istych belek zespolonych [7], W ynika to z wielu przyczyn: po pierw sze - inny je s t stan naprężeń w m odelu połączenia ścinanego i w elem entach rzeczyw istej belki zespolonej, co w ynika z innego przyłożenia obciążeń; po drugie - m odel połączenia ścinanego obarczony je s t im perfekcjam i technologicznymi i m ateriałow ym i, co pow oduje m im ośrodow e obciążenie.
A by uzyskać pełne inform acje na tem at nośności proponow anego rozwiązania konstrukcyjnego, niezbędne je s t w ykonanie badań fragm entu stropu w skali naturalnej.
B adania te p ozw olą na określenie rzeczywistej wartości nośności belki zespolonej oraz pom iar je j rzeczyw istego ugięcia i wartości poślizgu w płaszczyźnie zespolenia.
Rys. 5. Model belki zespolonej: 1 - płyta żelbetowa z betonu klasy B25 zbrojona siatką z prętów (j>8 mm x 12 cm, 2 - blacha fałdowa FLORSTROP T-59Z x 1,00 mm, 3 - dwuteownik IPE 200, 4 - belka podporowa U200, 5 - podpora.
Fig. 5. Model o f the composite beam: 1 - concrete slab B25 with reinforcement mesh
<j>8 mm x 12 cm, 2 - profiled sheet FLORSTROP T-59Z x 1,00mm, 3 - steel beam IPE 200, 4 - support beam U200, 5 - support
Belki stalowo-betonowe zespolone za pom ocą.. 145
Ze względu na w ysoki koszt badań w ielkow ym iarow ych w ykonany zostanie tylko jeden model belki zespolonej (rys. 5). M odel będzie m iał rozpiętość 7,5 m i szerokość 1,8 m.
Składał będzie się z belki stalow ej IPE200 ze stali S235 oraz płyty żelbetow ej z betonu klasy B25 o całkowitej grubości 11 cm, zazbrojonej siatkam i. P łyta w ykonana zostanie na blasze fałdowej FLO R STRO P T-59Z o grubości 1,00 m m , połączonej z belką stalow ą gw oździam i wstrzeliwanymi H ilti EN P 2. Istnieje podejrzenie, iż proponow any sposób zespolenia belki stalowo - betonowej należy traktow ać ja k o nieciągliw y, dlatego rozm ieszczenie gw oździ na długości belki będzie niejednolite. W strefach przypodporow ych, na odcinku 1/5 rozpiętości belki, osadzone zo stan ą po 4 gw oździe na je d n ą fałdę blachy, w strefie środkowej po 2 gwoździe na fałdę blachy.
Model w yposażony zostanie w czujniki zegarow e do pom iaru przem ieszczeń pionow ych (ugięć) i poziom ych na pow ierzchni styku belki stalowej i płyty betonowej (poślizgu).
Rys. 6. Model belki zespolonej - rozmieszczenie obciążenia i czujników pomiarowych:
1 - obciążenie, 2 - czujniki zegarowe do pomiaru przemieszczeń pionowych (ugięć), 3 - czujniki zegarowe do pomiaru przemieszczeń poziomych na styku belki i płyty Fig. 6. Model of the composite beam - location o f loads and sensors: 1 - loads,
2 - sensors for vertical dislocation (deflections), 3 - sensors for horizontal dislocation between steel beam and concrete slab
Obciążenie przyłożone będzie za p om ocą połączonych siłow ników. W celu uzyskania wartości obciążenia zbliżonej do obciążenia rów nom iernie rozłożonego zastosow ane zo staną 4 siłowniki rozm ieszczone w rów nych odstępach na rozpiętości belki (rys. 6). Siłowniki ustawione zostaną nad o sią belki stalowej.
146 P. Kania
4. Uwagi końcowe
O pisane rozw iązanie połączenia płyty betonow ej z b elk ą stalow ą w stalow o - betonowej belce zespolonej m oże okazać się bardzo przydatne dla coraz pow szechniej stosowanych stropów zespolonych. P rzydatność ta w ynika z niskiej pracochłonności i łatw ości wykonania zespolenia. C echy te m o g ą znacząco zm niejszyć czas realizacji i koszty inwestycji oraz przyczynić się do szerszego zastosow ania konstrukcji zespolonych.
A by opisane rozw iązanie m ogło być stosow ane w codziennej praktyce projektowej, a tym sam ym , aby znalazło zastosow anie w now o projektowanych obiektach budowlanych, niezbędne je s t stw orzenie w ytycznych projektowych.
LITER A TU R A
1. K ucharczuk W.: B elki zespolone stalow o-betonow e w konstrukcjach budowlanych.
W ydaw nictw o Politechniki Częstochow skiej, C zęstochow a 2001.
2. A probata T echniczna ITB n r A T-15-6071/2003: Blachy profilowane FLORSTROP T-59Z do w ykonyw ania płyt zespolonych stalow o-betonow ych. W arszawa, wrzesień 2003.
3. B yrdy A.: Instrukcja: „Stosow anie blach FLO R STRO P T59Z w zespoleniu z betonem na stropy zespolone” . K raków , listopad 2003.
4. Hilti: Podręcznik techniki m ocowań. W ydanie Ü.
5. P N -B -03300 K onstrukcje zespolone stalow o-betonow e. O bliczenia statyczne i projekto
w anie
6. ENV 1994-1-1: 1992 Eurocode 4: D esign o f com posite steel and concrète structures - Part 1-1; G eneral rules and rules for buildings.
7. M oy S., Jolly C., E l-Shihy A.: U nw elded shear connectors for com posite beam s;
C om posite steel structures. A dvances, Design and C onstruction. Page 65. Spon E & F N (UK) decem ber, 1990.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. A leksander Kozłowski
