Tartószerkezet rekonstrukciós szakmérnök képzés Feszített és előregyártott vasbeton szerkezetek 1. előadás Előregyártott vasbeton szerkezetek kapcsolatai Dr. Sipos András Árpád 2012. november 17.
Vázlat Előregyártott szerkezeti rendszerek Kapcsolatok tervezésének alapjai Nyomóerőt közvetítő kapcsolatok Húzóerőt közvetítő kapcsolatok Nyíróerőt közvetítő kapcsolatok Nyomatékot közvetítő kapcsolatok
Előregyártott szerkezeti rendszerek Az előregyártott vb. szerkezetek lelke a helyes csomópont kialakítás. A jellemzően mechanikai kapcsolóelemeken áll, vagy bukik a szerkezet erőjátéka. A katalógusból tervezés lehetősége nem helyettesítheti a csomóponti erőjáték megértését. A kapcsolat nem csak a szűk értelemben vett kapcsolóelemet (pl.: tüske, csavar, stb.) foglalja magában, hanem az előregyárottt elem kapcsolóelemhez csatlakozó környezetét ( befolyásolt zóna ) is.
Előregyártott szerkezeti rendszerek A tervezés során tekintettel kell lenni a következő szempontokra: - a pillérek / falak / merevítőmagok térbeli elhelyezkedése jelentősen befolyásolja a kapcsolati erőket - tűzvédelmi követelmények - rejtett, vagy látható kapcsolat - egyszerű, költséghatékony előállítás - építésközbeni állapotok és az ott elvárt merevség - egyszerűség, világos erőjáték - megfelelő képlékenység - tartósság Az előregyártás nyújtotta előnyök elvesznek rosszul tervezett és/vagy rosszul kivitelezett kapcsolatok esetén.
Előregyártott szerkezeti rendszerek Előregyártott szerkezeti rendszerek és jellemző kapcsolataik: oszlop gerenda rendszerek födémrendszerek ( +tetőelemek) falas rendszerek oszlop gerenda gerenda gerenda oszlop oszlop oszlop alapozás födémelem födémelem födémelem hosszirányú gerenda födémelem közbenső, vagy szélső alátámasztás födémelem felbeton fal fal (függőleges) fal fal (vízszintes) fal alapozás
Szerkezeti megoldások a hőmérséklet ingadozás, a zsugorodás és a kuszás okozta mozgásokra tekintettel kell lenni. (A leggyakoribb hibaforrás: gátolt mozgások miatt bekövetkező repedések.) dilatációk javasolt távolsága: maximális dilatációs hossz [m] egyenértékű éves hőingás [C] A diagram alul csuklós, oszlop-gerenda rendszerre vonatkozik, fűtött épület esetén. Fűtetlen szerkezetre a dilatációs hosszt 33%-kal csökkenteni kell. Befogott oszlopok esetén a csökkentés 15%. Ha a merevítő rendszer nem az épület tömegközéppontja környékén van, a csökkentés 25%. Az egyenértékű éves hőingás tartalmazza a zsugorodás hatását olyan módon, hogy a zsugorodás okozta nyúlással egyenértékű hőingást a valós hőingáshoz hozzá kell adni.
előregyártott kapcsolatok részei: hézag az előregyártott elemek között kitöltő beton / habarcs vasalás az előregyártott elemek befolyásolt zónája Kapcsolatok tervezésének alapjai
Kapcsolatok tervezésének alapjai előregyártott kapcsolatok jellemző erő-elmozdulás diagramja: (deformációs) kapacitás: a maximális elmozdulás (u u ) (semmit nem mond a diagram alakjáról!) duktilitás: a képlékeny szakasz hosszát méri: u max u y maximális elmozdulás képlékeny elmozdulás kezdete
Kapcsolatok tervezésének alapjai A fenti definíció csak ideálisan rugalmas képlékeny anyagmodell esetén igaz. Egy általánosabb definíció: u W S int max u Ez a görbe minden pontjában értelmezett mennyiség, a görbe alakjától függetlenül, értéke 0 és 1 között lehet (ideálisan képlékeny esetben 1, lineárisan rugalmas anyagtörvény esetén 0.5). A kapcsolat duktilitása rendkívüli helyzetekben segíti az igénybevételek átrendeződését. u
Kapcsolatok tervezésének alapjai Hagyományos megközelítés: rácsostartó modell alkalmazása. Ennek alapja, hogy az előregyártott elemekben meg kell határozni azokat a zónákat, ahol a Bernoulli-Navier hipotézis nem teljesül (ún. D zóna). Ezekben a zónákban megfelelő képlékeny deformációk esetén egy (tetszőleges)m helyettesítő rácsostartó modellel kapott ellenállás alulról becsüli a szerkezet teherbírását. (A szerkezet valós erőjátéka eltérhet a feltételezettől, de a megfelelés teljesülni fog!) Olyan rácsostartót választunk modellnek, ami szemléletesen mutatja be az erők útját a szerkezetben, és egyensúlyozza a külső terhet.
Kapcsolatok tervezésének alapjai Oszlopfej modellezése és a modell alapján kialakított vasalás. Rövidkonzol modellezése és a modell alapján kialakított vasalás.
Kapcsolatok tervezésének alapjai A terhelés folyamán a kapcsolat (illetve annak egyes alkotórészeinek) merevsége két ponton jelentősen változik: 1. A beton berepedéskor (feszültségátrendeződés a repedés miatt) 2. Az acél és a beton képlékenyedésekor (képlékeny feszültségátrendeződés) Ez utóbbi csak akkor tud kialakulni, ha a kapcsolatnak van elegendő képlékenyedési kapacitása (a beton képlékeny alakváltozása korlátozott!). Ez még jelenleg is kutatott terület, alapvetően kerülni érdemes az olyan rácsostartó modellt, ami csak jelentős képlékenyedés árán tud kialakulni. Azaz érdemes a lineáris analízissel kapott feszültségeloszláshoz közeli, azt közelítő modellt használni.
Csúszó jellegű kapcsolatok Kapcsolatok tervezésének alapjai Gyakran van szükség arra, hogy bizonyos mozgások a szerkezetben le tudjanak játszódni. (Pl.: használati teher miatt, kúszás, zsugorodás, hőmérsékletingadozás, támaszsüllyedés felvételére). Ha a mozgás lehetősége nem biztosított, akkor (jelentős) károsodások is keletkezhetnek. A magasépítésben tapasztalati alapokon álló, félmerev kapcsolatok terjedtek el (pl. neoprén). Az adott kapcsolat erő-elmozdulás diagramjának ismeretében a kapcsolat viselkedése precízebben modellezhető lenne. Külön figyelmet igényelnek a helyszíni kibetonozások: itt gyakran az a cél, hogy ne tudjon egy, nagy repedés kialakulni, azonban kisebb repedések megjelenése megengedhető. Ha nincs információink a kapcsolat mozgási képességéről, akkor a kapcsolatot úgy érdemes tervezni, hogy a gátolt mozgásból adódó kényszererők miatt legyen elegendő duktilitás a ridegtörés megelőzésére. (Ugyanakkor ne feledjük, hogy ez jelentős alakváltozásokat is jelenthet rendkívüli esetben.)
Mintaprobléma Kapcsolatok tervezésének alapjai Az előregyártott elemek nagy részét kéttámaszú tartóként vasalják be. A végleges szerkezetben kialakított végkapcsolat azonban részlegesen gátolt elfordulással szemben. Ez különösen akkor veszélyes, ha a hajlítási repedések olyan helyen alakulnak ki, ahol a repedés miatt jelentősen csökken a nyírási ellenállás. Veszélyes Kevésbé veszélyes
Mintaprobléma Kapcsolatok tervezésének alapjai Másik, nehezen számszerűsíthető probléma a helyszíni kibetonozás hatása. Megfigyelték, hogy a tapadás a helyszíni beton és az előregyártott elem között gyakran erősebb, mint a helyszíni beton húzószilárdsága. A tervezés során a tapadást nem veszik figyelembe és a helyszíni kibetonozást berepedtnek tekintik. A valóságban gyakran teljesen repedésmentesek és jelentős húzóerőt adnak át az előregyártott elemre, ami akár meg is repesztheti azt. Hasonló problémakör, hogy egyes elemek akkor is együttdolgozóvá vállnak, ha a tervező arra nem gondol. Például körüreges pallókra terített felbeton (és annak vasalása) megnöveli a negatív nyomatékkal szembeni ellenállást. Általánosságban elmondható, hogy ugyan a súrlódási erőket a modelljeinkben rendszerint figyelmen kívül hagyjuk, azonban épp az előregyártott szerkezeteknél figyelték meg, hogy jelentősen befolyásolhatják a szerkezet erőjátékát.
Kapcsolatok tervezésének alapjai A fentiek szerint ideális csuklót nehéz létrehozni, de hasonlóan nehézkes merev kapcsolat készítése az előregyártott elemek között. A kapcsolat jellegének besorolása (merev, félmerev, csuklós) hasonló a más szerkezeti anyagoknál megszokotthoz (pl.: acél).
Kapcsolatok tervezésének alapjai A kapcsolatok duktilitásának tervezésekor tekintettel kell lenni arra, hogy jelentős elmozdulások esetén a kapcsolat nem minden alkotóeleme vesz részt az erőjátékban, gyakran csak 1-1 elem tekinthető duktilisnak. Például a következő, nagyon egyszerű példában csak a betonacél és lehorgonyzása biztosítja a duktilitást: A duktilitás tervezése azt jelenti, hogy a duktilis elemben a maximális w alakváltozás ki tudjon alakulni az előregyártott elemek törése előtt.
Kapcsolatok tervezésének alapjai A kapcsolat vasalását az elképzelt rácsostartó alapján kell felvenni. Különös tekintettel kell lennie arra, hogy a húzott betonacélok lehorgonyzása biztosított legyen. A zsugorodási, kúszási, vagy egyéb okból várható alakváltozások számára a mozgási lehetőséget biztosítani kell. Ha ez nem lehetséges, akkor a gátolt deformációkból származó erőket is vegyük figyelembe a mértezésben.
Kapcsolatok tervezésének alapjai A tervezés során a gyártás és az építés közbeni állapotokat is figyelembe kell venni. Az alábbi példák közül a bal oldali ebből a szempontból jobb (ez a Magyarországon elterjedt megoldás). A jobb oldali ugyan a gerenda nyomatékai szempontjából előnyösebb, de az oszlopok szempontjából hátrányosabb: 1. A negatív nyomaték miatt a gerenda felső öve húzott, amit a habarccsal kialakított kapcsolat a felső oszlop talpára is közvetít: tehernövekmény esetén ez csökkenti az oszlop teherbírását (kvázi az előfeszítés ellentettje) 2. A gerenda alatti kapcsolat nehezen hozzáférhető, a habarcs elhelyezése nehézkes, vélhetően csak gyengébb minőségben lehet kivitelezni.
Szabadalom: SB Produksjon AS, Andalsnes, Norvégia Rácsostartó modell Kapcsolatok tervezésének alapjai Jelenleg több, szabadalmaztatott csomóponti megoldás közül (is) lehet választani. A mellékelt, becsúsztatott acéllappal működő megoldás előnye, hogy az acéllemez segítségével kisebb méretpontatlanságok jól kiküszöbölhetőek. Jelölések: N függőleges támaszreakció H vízszintes támaszerő T 1 az acél homloklap húzóereje T 2 kengyelben ébredő húzóerő T 3 húzóerő az alsó övben C 1 nyomott rácsrúd C 2 nyomóerő a felső övben
Nem erőtani tervezési szempontok 1. A lehető legegyszerűbb legyen! Kapcsolatok tervezésének alapjai 2. Egy szerkezetben minél kevesebb fajta csomópont legyen! 3. A kiegészítő acél elemek lehetőleg elterjed méretűek legyenek! 4. Az elemet el is kell szállítani a helyszínre 5. és fel is kell emelni 6. és össze is kell szerelni.?