Öszvérszerkezetek új tervezési irányai, Slim-floor födémek, Profillemezes öszvérfödémek, Tartóbetétes öszvérszerkezetek

Átírás

1 Öszvérszerkezetek 5. előadás Öszvérszerkezetek új tervezési irányai, Slim-floor födémek, Profillemezes öszvérfödémek, Tartóbetétes öszvérszerkezetek készítette:

2 Tartalom Öszvérszerkezetek új tervezési irányai Slim-foor födémek Profillemezes öszvér födémek Tartóbetétes öszvérszerkezetek 2

3 Öszvérszerkezetek szabványos méretezése EC4 szerint EC4 tervezési módszerei és filozófiája általánosan alkalmazhatók Igénybevétel számítás: - elsőrendű vagy másodrendű számítás, - beton berepedés hatását figyelembe venni, - beton kúszását figyelembe venni, - rugalmas globális vagy képlékeny számítás, - nyírási deformációkat figyelembe venni, - építéstechnológia hatását figyelembe venni. Ellenállás számítás: - rugalmas, képlékeny vagy nemlineáris alapon, - húzott beton hatása elhanyagolható, - nyomott vasalás hatása elhanyagolható. Alkalmazási szabályok csak hagyományos szerkezetekre vannak Alkalmazható méretezési módszerek fejlesztése, kiterjesztése új szerkezettípusokra, hatékonyabb, gazdaságosabb megoldások.

4 Szervezetek CEN/TC 250

5 Szervezetek ECCS TC 11 Öszvérszerkezetek Chairman: R. Zandonini Secretary: A. Ciutina WG1 Nyírt kapcsolatok WG2 Födémrendszerek WG3 Öszvér keretek - új kutatási eredmények publikálása, - EC tervezési segédletek készítése, - szabványosítási folyamat előkészítése, Célok: - követendő tervezési gyakorlat megfogalmazása, terjesztése. CEN/TC 250 SC4 EN 1994 Chairman: G. Couchman Secretary: J. Duncan WG1 EN Magasépítés WG2 EN Tűz tervezés WG3 EN Hídépítés - új Eurocode szabvány fejlesztése

6 Irodalom ECCS publikációk méretezési segédletek Shear connections in composite flexural members Design handbook for braced composite buildings Evaluating of existing tests Fatigue design of steel and composite structures

7 Témakörök Újszerű öszvérgerendák kis szerkezeti magaságú födémek Öszvérszerkezetek szabványosítási folyamata - szerkezeti kialakítás, - nyírt kapcsolat kialakítása, - méretezési módszer, CEN/T250 SC4 és ECCS TC 11 Nyírt kapcsolatok új kapcsolóelemtípusok - szerkezeti kialakítás, - kapcsolóelemek osztályozása, - kísérleti vizsgálatok, - kapcsolat modellezése

8 Hagyományos öszvérgerendák Szerkezeti kialakítás

9 Kis szerkezeti magasságú öszvérgerendák Újszerű, integrált öszvérgerendák Szerkezeti kialakítás Slim-floor Shallow-floor - acél gerenda a födémlemezbe integrálva, - minimális szerkezeti magasság ~300 mm, - fesztáv: 8-14 m, - gépészet födémbe integrálható, - gyorsan építhető, - acél szelvény kis falastagságú, - tűzállósága kedvező.

10 Kis szerkezeti magasságú födémszerkezet típusok Acél gerenda + előregyártott vasbeton födémpanel acél panel és helyszíni beton

11 Acélgerendás födémek Szerkezeti magasság 1. Acél gerendás födémek kialakítás Teljes födémvastagság [mm] 1. hagyományos öszvérgerenda mm 2. sejttartó (gépészet integrációval) mm 3. acélgerenda + előregyártott födémpalló mm 4. integrált öszvérgerendás födém mm

12 Integrált öszvérgerendák Szerkezeti kialakítás aszimmetrikus I-szelvény széles övű szelvények alsó övre hegesztett lemez szélső gerenda

13 Integrált öszvérgerendák Szelvények nyitott szelvény

14 Integrált öszvérgerendák Szerkezeti kialakítás zártszelvény

15 Integrált öszvérgerendák Nyírt kapcsolatok keresztirányú vasalás fejes csapok

16 Vékony födémszerkezet méretezési sajátosságok Merevségi paraméter öszvérszelvény hajlítási merevsége nyírt kapcsolatok szükségesek, ha hagyományos öszvérgerenda acélszelvény normál merevsége betonlemez normál merevsége acélszelvény hajlítási merevsége betonlemez hajlítási merevsége integrált öszvérgerenda

17 Vékony födémszerkezet méretezési sajátosságok Képlékeny nyomatéki ellenállás mező (felső szál nyomott) hagyományos öszvérgerenda képlékeny semleges tengely a betonban ellenállás számítás: húzott beton elhanyagolva igénybevétel számítás: teljes vb. lemez vastagság integrált öszvérgerenda kezdeti repedésmentes állapot berepedt állapot képlékeny semleges tengely iteráció! repedésmentes állapot képlékeny semleges tengely húzott beton elhanyagolása

18 Vékony födémszerkezet méretezési sajátosságok Együttdolgozó szélesség L hagyományos öszvérgerenda 0,85L, b eff,1 esetén 1 e 1 2 L 0,25 L L e 1 2, eff,2 3 Le 0,7L2, b eff,1 esetén 4 Le 2L3, b eff,2 esetén b ei L e /8 b b b eff o ei b esetén b integrált öszvérgerenda cd i, Le /8 b b b eff f 1 cd, i b f 1 0 megfelelő keresztirányú vasalás

19 Vékony födémszerkezet méretezési sajátosságok Nyír kapcsolat helye hagyományos öszvérgerenda integrált öszvérgerenda Hosszirányú nyíróerő átadására alkalmas felület(ek) 1. acélgerenda felső öve betonlemez alsó síkja 1. acélgerenda alsó öve betonlemez alsó síkja (j) 2. acélgerenda gerince betonlemez (jj) a mechanikai kapcsolóelem dolgozik 3. acélgerenda felső öve betonlemez (jjj) hosszirányú nyíróerőre nincs hatással a kapcsolat helye (elvileg) beton és acél közötti tapadás, mint nyír kapcsolat működik tapadás kimerültével (HHÁ) a mechanikai kapcsolóelem dolgozik (THÁ)

20 Vékony födémszerkezet méretezési sajátosságok Nyír kapcsolat szerepe tapadás, súrlódás, mechanikai kapcsolóelemek tömör födémlemez THÁ-ban kihasználható az öszvér szelvény teljes (képlékeny) nyomatéki ellenállása integrált öszvérgerenda acél-beton felület közötti megcsúszás gátlása üreges födémlemez nyírt kapcsolat: keresztirányú vasalás + mechanikai kapcsolóelemek az alsó övön Hatékony a nyírt kapcsolat HHÁ-ban használható ki az öszvér szelvény teljes (képlékeny) nyomatéki ellenállása Nem hatékony a nyírt kapcsolat a gerenda és a födémpanel között

21 Részleges nyírt kapcsolat Duktilis kapcsolóelemek kapcsolat fokszáma: teljes nyírt kapcsolat: nincs nyírt kapcsolat: 1 0 teljes nyírt kapcsolat:0 1 M M Rd Rd M M pl, Rd a, Rd M M M a, Rd Rd pl, Rd M pl, Rd M a,rd kapcsolóelemek száma az öszvér szelvény maximális M pl,rd nyomatéki ellenálláshoz öszvér szelvény képlékeny nyomatéki ellenállása acél szelvény képlékeny nyomatéki ellenállása

22 Részleges nyírt kapcsolat hagyományos öszvérgerenda Lineáris interpoláció jó közelítés különbség 10% min 0,55 Le 10m integrált öszvérgerenda min 0,5 fesztávtó függ min Lineáris interpoláció nem jó közelítés nincs

23 Vékony födémszerkezet méretezési sajátosságok Képlékeny nyomatéki ellenállás-részleges nyírt kapcsolat acél képlékeny semleges tengely helye (gerincben): beton nyomott zóna magassága: teljes nyírt kapcsolat két semleges tengely M pl,rd képlékeny nyomatéki ellenállás Nyomóerő a betonban keresztirányú vasalás

24 Nyír kapcsolatok erő-megcsúszás diagram Nyírt kapcsolat feladata: HHÁ-ban: hajlítási merevség biztosítás THÁ-ban: hajlítási ellenállás biztosítás Kapcsolat karakterisztikáját definiálja F s s hosszirányú nyíróerő a beton és acél elemek között F v s s megcsúszás a beton és acél elemek között k F / kezdeti merevség - rugóállandó s s s v s Elméleti számítások c Valóságban deformációk korlátozása teherbírás megfelelőség c hosszirányú fajlagos nyíróerő kapcsolóelemek távolsága s s 0 0 merev kapcsolat nem merev kapcsolat végső keresztmetszetben kialakuló relatív megcsúszás a támasznál

25 Fejes csapos kapcsolat erő-megcsúszás diagram F R Kapcsolat merevsége kapcsolat merevsége (serviceability shear stiffness) fejes csap szárának átmérője beton rugalmassági modulusa acél rugalmassági modulusa

26 Nyír kapcsolatok csoportosítása Duktilitás alapján A kapcsolat nyírási ellenállása kialakul és megmarad megcsúszás értékig. Nem duktilis kapcsolat: nincs megfelelő megcsúszási képessége a kapcsolatnak Duktilis kapcsolat: a hosszirányú nyíróerő képlékeny átrendeződhet a kapcsolat hossza mentén uk F R megcsúszási képesség választásától függ, hogy egy kapcsolat duktilis vagy nem uk EC4-ben F R uk 6mm valós viselkedés ideális viselkedés δu uk feltétel duktilis kapcsolat független: - fesztáv, - kapcsoló elem merevségétől,. kialakítás: - hagyományos öszvér gerenda, - fejes csapos kapcsolat. δ v ideá

27 Fejes csapos kapcsolat erő-megcsúszás diagram Push-out teszt szabványos próbatest erő-megcsúszás diagram kísérleti meghatározása

28 Push-out teszt módosítás P Ec4 szabványos kísérlet Rd 0,29k d f E 2 t ck cm V fejes csap ellenállása a beton szempontjából, trapézlemezes öszvér födém esetén Gerenda kísérlet P Rd ,29 k d f E 2 t ck cm V 0,62 1,48 IPE

29 Szerkezeti kialakítás: Profillemezes födémek

30 Profillemezes födémek -trapézlemez Vasbeton lemezzel együttdolgozó trapézlemez Bennmaradó zsaluzat nem együttdolgozó

31 Szerkezeti kialakítás: Profillemezes födémek

32 Szerkezeti kialakítás: Profillemezes födémek

33 Szerkesztési szabályok: Általánosan: h = min. 80mm Profillemezes födémek h c = min. 40mm Ha öszvérgerenda része, illetve tárcsahatás esetén: h = min. 90mm h c = min. 50mm Lemezvastagság: t = 0,5 1,0 mm Adalékanyag: normál vagy könnyűbetonos adalékanyag. Minimális vasalás: 80 mm 2 /m hc h

34 Igénybevételek meghatározása: Építési állapot acél lemez Profillemezes födémek Építési teher tócsahatás (beton felhalmozódás) kéttámaszú 1,5 kn/m2 0,75 kn/m2 0,75 kn/m2 Igénybevételek: 3 m 0,75 kn/m2 - Rugalmas analízis képlékeny átrendeződés nélkül. MSZ EN 1994, 1-1 rész többtámaszú 1,5 kn/m2 - Egységes merevség: a profillemez hatékony keresztmetszete a teher függvényében változik, de az igénybevétel számításánál ez elhanyagolható. 3 m 0,75 kn/m2

35 Igénybevételek meghatározása: Végleges állapot öszvér lemez Profillemezes födémek MSZ EN 1994, 1-1 rész - Méretezés öszvérfödémként, ha együttdolgozásra figyelembe vehető. - Ha az együttdolgozásra nem működik, akkor az acélprofil lemezt és a vasbeton lemezt külön kell méretezni és a két önálló lemez teherbírását összegezni kell. Igénybevételek: Beton berepedés hatás: - Rugalmas analízis képlékeny igénybevétel átrendezés megengedett. - Merev-képlékeny analízis. támasznyomaték csökken, mezőnyomaték nő.

36 Teherbírás ellenőrzés: Építési állapot acél lemez Profillemezes födémek - Méretezés EN 1993: Eurocode és 1.3 rész szerint. - Gyakorlatban: méretezési táblázatok alapján. - Számítás: fejlesztésnél.

37 Teherbírás ellenőrzés: Végleges állapot öszvér lemez Profillemezes födémek Méretékadó keresztmetszetek Hajlítás, pozitív nyomaték: A semleges tengely a lemezbe metsz: M N x pl,rd cf pl p yp,d dp xpl Np x pl Ncf dp Ncf 2 A f b Ncf 0,85 f cd z Ncf f yp,d 0,85f cd z hc súlyponti tg. III Vv,Rd I Mpl,Rd II Vl,Rd A semleges tengely a bordába metsz: ep dp e xpc Np 0,85f cd f yp,d Ncf f yp,d képl. semleges tg. = + M N M l,rd cf pr N cf z M pr Ncf hc b 0,85 f z h 0,5 h cd c ep ep e Ape f N cf 1,25 Mpa 1 M pa Ape f yp,d Np Ncf z Mpr yp,d = MRd

38 Teherbírás ellenőrzés: Végleges állapot öszvér lemez Profillemezes födémek Hajlítás, pozitív nyomaték: többletnyomaték felvétele x Nas Np Hajlítás, negatív nyomaték: es ds Ap As h hc hp Nc=Np+Nas xpl 0,85f cd f sd Np Ns MRd

39 Teherbírás ellenőrzés: Végleges állapot öszvér lemez Profillemezes födémek Hosszirányú nyírás: m-k módszer Lehorgonyzás nélkül - folyamatos súrlódás - empirikus képlettel V l,rd b d vs p m A b Ls p k m és k együttdolgozás mértékére jellemző konstans (kísérletből) L s ekvivalens nyírási hossz d p súlyponti tengely távolsága Ekvivalens nyírási hossz meghatározása: terület kiengyenlítéssel koncentrált teher: Ls megoszló teher: _ + L/4 1. terület = 2. terület

40 Teherbírás ellenőrzés: Végleges állapot öszvér lemez Függőleges nyírás: V k v,rd Profillemezes födémek b d k 1, ,6 v d p Ap b d Rd 0 p p f 0,25 ctk c Rd v [m] > 1,0 0,02 b 0 - betonborda szélessége a beton nyírási szilárdsága 0 0 Kiegészítő átszúródás vizsgálat szükséges mint vasbetonlemeznél

41 Szerkezeti kialakítás: - teljesen bebetonozott szelvényekre nincs előírás, - hengerelt vagy ezzel azonos kialakítású hegesztett szelvények, - nem íves acéltartók, - egyenes vagy ferde (max. 30 ) kialakítás mm < acélszelvény magassága (h) <1100 mm - acéltartók max távolsága: min(h/3+600mm; 750mm), - alsó keresztirányú vasalás átmegy a gerinceken, Tartóbetétes öszvérszerkezetek MSZ-EN bennmaradó zsaluzat

42 Keresztmetszet osztályozása: hengerelt szelvény c Tartóbetétes öszvérhidak t hegesztett szelvény Osztály Típus Maximális korlát (c/t) 1. Hengerelt c/t 9 2. vagy c/t hegesztett c/t 20 c t + c Feszültségeloszlás (nyomás pozitív) 235 (fy N/mm 2 -ben) f y t

43 Globális analízis: - rugalmas analízis, Tartóbetétes öszvérhidak - beton berepedés miatti igénybevétel átrendeződé elhanyagolható, - nyomaték étrendezés lehetséges (max. 15%), - kúszást figyelembe kell venni, - zsugorodás elhanyagolható, - HHÁ-ban effektív hajlítási merevséggel kell számolni E I 0,5 E I E I a eff a 1 a 2 I 1 I 2 ideális keresztmetszet inerciája repedésmentes esetben, mezőben ideális keresztmetszet inerciája berepedt esetben, mezőben

44 Ellenállás számítás: - képlékeny nyomatéki ellenállás t f - Nyírási ellenállás: - Építési állapot: Tartóbetétes öszvérhidak 1. és 2. km. osztály 0,85f cd V pl, a, Rd egyszerűsítés: csak az acél veszi fel a nyírást, MSZ EN 1993 acél gerendák közötti vb. lemez: MSZ EN 1992 acél tartók ellenőrzése a beton megszilárdulása előtt, MSZ EN 1993 zpl f sd f yd f yd N c,f N a N s a z M a s z M pl, Rd

45 Tartóbetétes öszvérhidak Érd Duna utca (2009) Fesztáv: 13,8 m, szerkezeti magasság 0,73-0,85m Kéttámaszú tartóbetétes lemezhíd Két vágányú vasúti híd

46 Tartóbetétes öszvérhidak Savoureuse Viadukt (Franciaország, 2011) Fesztáv: 45,55 m, szerkezeti magasság 4 m (L/11,4) Acél gerinclemezes főtartó - öszvér kereszttartók - tartóbetétes pályaszerkezet együttdolgoztatva kereszt- és főtartóval

47 Kísérletek BME Szerkezetvizsgáló Labor 47

48 Kísérletek végrehajtása BME Szerkezetvizsgáló Labor BME Hidak és Szerkezetek Tanszék HiPerFrame projekt Push-out teszt 25 próbatest, Erő [kn] relatív eltolódás [mm] Gerenda kísérletek L=6m 8 próbatest, 2016.

49 Push-out teszt Y-perfobond Kísérletek végrehajtása BME Szerkezetvizsgáló Labor Fejes csapos Perfobond a) SA: headed studs a) SA: headed studs b) SB: perfobond a) SA: headed studs b) SB: perfobond a) SA: headed studs b) SB: perfobond a) SA: headed studs b) SB: perfobond c) SC: perfobond open holes a) SA: headed studs b) SB: perfobond c) SC: perfobond open holes d) SD: Y-perfobond Fecskefarkas perfobond c) SC: perfobond open holes d) SD: Y-perfobond c) SC: perfobond open holes d) SD: Y-perfobond c) c) SC: SC: perfobond open holes d) d) SD: SD: Y-perfobond Trapéz perfobond e) SE: Dove tail perfobond e) SE: Dove tail perfobond f) SF: Dove tail perfobond open holes e) SE: Dove tail perfobond f) SF: Dove tail perfobond open holes e) SE: Dove tail perfobond f) SF: Dove tail perfobond open holes e) SE: Dove tail perfobond f) SF: Dove tail perfobond open holes g) SG: Trapezoidal perfobond g) SG: Trapezoidal perfobond h) SH: Trapezoidal perfobond open holes g) SG: Trapezoidal perfobond h) SH: Trapezoidal perfobond open holes g) g) SG: SG: Trapezoidal perfobond h) h) SH: SH: Trapezoidal Trapezoidal perfobond perfobond open open holes holes

50 Perfobond Y-perfobond Fecskefarkas perfobond Kísérleti eredmények Kísérletek végrehajtása BME Szerkezetvizsgáló Labor Erő [kn] relatív eltolódás [mm] Fejes csap Eredmények: - ellenállás, - eltolódási képesség, - tönkremeneteli mód.

51 BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Push-out teszt Kísérletek végrehajtása BME Szerkezetvizsgáló Labor Bridgebeam projekt Gerenda kísérletek L=8m 52 próbatest, próbatest, 2018.

52 Beágyazott trapéz gerinc Próbatestek Trapéz kapcsolóelem és felső öv

53 Trapéz hajlítási geometria Beágyazási mélység: 100mm, 150mm Vizsgált paraméterek Keresztirányú vasalás

54 Vizsgált paraméterek: - beágyazási mélység (t E ), - keresztirányú vasalás (ϕ s ) azonos trapéz hajlítási geometria Kísérleti program 5 próbatest Specimen h t E ϕ s f cm f ym P17-T P22-T P22-I P17-T P22-T

55 P22-T Kísérleti eredmények tönkremeneteli módok Keresztirányú vas nélkül: - beágyazott trapéz gerinc - trapéz kapcsolóelem és felső öv P22-I Keresztirányú hajlítás

56 P22-T Kísérleti eredmények tönkremeneteli módok Keresztirányú hajlítás: Beton morzsolódása: - nincs keresztirányú vasalás - keresztirányú vasalással P22-T-14

57 P22-T keresztirányú hajlítás Beton morzsolódás Kísérleti eredmények tönkremeneteli módok Keresztirányú hajlítás: Beton morzsolódása: - nincs keresztirányú vasalás - keresztirányú vasalással P22-T-14

58 Spec. Kísérleti eredmények Erő-megcsúszás diagram P test [kn] (Eq.1) P Rk,L,NR [kn] (Eg.2) P Rk,L,RK [kn] Test/ Eq P17-T P22-T P22-I P17-T P22-T Azonos kezdeti merevség Acél öv nélkül nagyobb duktilitás Ellenállás Beágyazási mélység ( mm): 25% növekmény 37% növekmény Keresztirányú vasalás: Acél öv: 60% növekmény 78% növekmény (nincs keresztirányú vas) (van keresztirányú vas) (100mm beágyazás) (150mm beágyazás) 43% növekmény jelentős ellenállás degradáció (150mm beágyazás)

59 - 32 teszt gerenda (fesztáv 8m) - 4 prototípus gerenda (fesztáv 24 m) Kísérlet teljes gerendákon

60 Hibrid gerendák Kísérlet teljes gerendákon Öszvér gerendák

61 Felhasznált irodalom MSZ EN : Eurocode 4: Öszvérszerkezetek tervezése: Általános és az épületekre vonatkozó szabályok. MSZ EN : Eurocode 4: Öszvérszerkezetek tervezése: Általános és hidakra vonatkozó szabályok. MSZ EN : Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése: Általános és az épületekre vonatkozó szabályok. MSZ EN : Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése: Lemezekből összeállított szerkezetek. MSZ EN : Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése: Csomópontok tervezése. MSZ EN : Eurocode 2: Betonszerkezetek tervezése: Általános és az épületekre vonatkozó szabályok. MSZ EN : Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése: Hidakra vonatkozó szabályok. Dr. Szatmári István: Öszvértartók, egyetemi jegyzet, Dr. Dunai László: Öszvérszerkezetű Hidak, előadás óravázlat Matti V. Leskela (2017) ECCS TC11 WG1 Shear connections in composite flexural members of steel and concrete (ECCS) ISBN