Dylatacje płyt stropowych w budynkach żelbetowych

Ze względu na wpływy niemechanicznie, ale przede wszystkim skurcz betonu w trakcie dojrzewania, budynki żelbetowe powinny być dzielone na oddylatowane segmenty, przy maksymalnej długości segmentów zależnej od odkształcalności budynku oraz technologii wykonania robót betonowych.

Maksymalne odległości pomiędzy przerwami dylatacyjnymi budynków żelbetowych podano w tab. NA-1 (PN-EN 1992-1-1+AC+Ap1, 2008). Należy je traktować jako orientacyjne, a nie jako bezwględnie obowiązujące, a decydująca jest analiza statyczno-wytrzymałościowea przestrzennego, odkształcalnego modelu budynku.

W przypadku ogrzewanych budynków wielokondygnacyjnych podstawowa długość segmentu między dylatacjami  Dmax wynosi :

  • Dmax= 30 m w budynkach monolitycznych, betonowanych w jednym ciągu, a Dmax=50 m w budynkach monolitycznych betonowanych odcinkami nie większymi niż 15 m z pozostawieniem przerw do późniejszego betonowania,
  • Dmax=50 m  w budynkach prefabrykowanych.

Przerwa dylatacyjna zasadniczo powinna być skonstruowana tak, aby przechodziła przez całą szerokość i wysokość obiektu, od fundamentów  po dach.  W części podziemnej szczelina dylatacyjna wymaga zabezpieczenia przed zasypaniem w sposób umożliwiający nieskrępowane przemieszczenia segmentów. W części nadziemnej przerwy dylatacyjne powinny mieć osłony lub zamknięcia w postaci profili dylatacyjnych.
W praktyce dylatacje budynków dzielące go fizycznie na całej wysokości w jednej płaszczyźnie, wykonane przez zdublowanie słupów lub ścian – zastępuje się równoważnym statycznie podziałem z użyciem ślizgowych podpór poziomych oraz przegubów wewnętrznych, tak by zapewnić swobodę odkształceń budynku na spodziewane wpływy niemechanicznie
.

Długość segmentu D, a odkształcalność budynku

Na rys.1 zilustrowano sposób wstępnej oceny długości segmentu budynku. Poszarpaną linią oznaczono potencjalne zarysowania, sygnalizujące potrzebę wykonania dylatacji. Przypadki zilustrowane na rys. 1nie wyczerpują możliwości kształtowania usztywnień budynku. Można jednak wskazać na ogólne zasady z których wynika, ze długość segmentu D , to odległość pomiędzy usztywnieniami wewnątrz budynku lub połowa długości (lub szerokości budynku) w przypadku braku usztywnień. Wstępnie oszacowane D porównujemy z wartościami granicznymi Dmax. Jeśli $D<D_{max}$, to dylatacje nie są wymagane. W przeciwnym przypadku konieczność stosowania dylatacji można rozstrzygnąć wyłącznie w drodze analizy numerycznej lub eksperymentalne odkształcalnego modelu całości budynku.

Odległości-dylatacji-2Rys.1. Zależność dłuości segmentu dylatacyjnego D od rozmieszczenia usztywnień: a) budynek ze środkowym trzonem , b) budynek z trzonami w skrajnych cześciach, c) budynek bez trzonu, e) budynek z narożnymi sztywnymi scianami.
(Bachmann, Steinle, 2011)

Konstrukcja przerwy dylatacyjnej: pełna, a rzeczywista

Pełny podział pionowy wymagany jest w sytuacjach drastycznie zmiennych warunków gruntowo-wodnych i spodziewanych istotnie różnych osiadania różnych części budynku, albo też znacznie różniących się obciążeń poziomych albo innych wpływów powodujących efekty, który będzie trudno lub kosztownie przejąć przez zwiększenie wytrzymałości i stateczności budynku poprzez rozwiązania  mechaniczne lub technologiczne (np. kolejność betonowania).

Budynki prefabrykowane, a monolityczne

Konstrukcje budynków prefabrykowanych mają wbudowane wiele przegubów wewnętrznych, co powoduje, że z warunku dylatacyjnego są to konstrukcje lepsze od monolitycznych. Na rys. 2 pokazano typowe schematy prefabrykowanych budynków żelbetowych.

Bachman Dylatcje_2

Rys.2. Schematy do zabiegów zmniejszenia odkształcalności słupów i ścian od poziomego rozporu stropów
(Bachmann, Steinle, 2011)

Kształtowanie przerw dylatacyjnych w budynku prefabrykowanym

Na rys. 3 dla zasadniczych przypadków umieszczenia trzonów usztywniających (kolumny a) do c) w wierszu 2) pokazano lokalizację dylatacji, w wierszu 3) odpowiadające schematy statyczne płyty stropowej.

Bachman dylatacje_01Rys.3 Zasady lokalizacji dylatacji: 1) lokalizacja trzonów budynku, 2) lokalizacja dylatcji płyty stropowej, 3) modele/schrmaty statyczne płyty z dylatacją; a), b) budynek z trzonami, c) dodatkowa ściana nośna

Na rys. 4 przedastaiono detale realizacji dylatacji płyt: a), e), g) w środku rozpiętości płyty bez wspornika , b), f) przy/nad podporą z zastosowaniem wspornika.

Bachman Dylatcje_4

Rys.4. Dylatacje-przeguby w budynku prefabrykowanym: a), e) pomiędzy płytami żebrowymi, b) pomiędzy belką i płytą kanałową, c) element płytowy i odwrócona belka L, f) płyta na wsporniku ściany, g) połączenie płyt na „ząbek, h) dylatacja systemowa pomiędzy płatami prefabrykowanymi (Bachmann, Steinle, 2011)

W budynkach monolitycznych w przypadku potrzeby wykonania dylatacji konstrukcyjnych stosujemy rozwiązanie c), czyli przeguby przesuwne. Rozwiązania takich przegubów będą inne w przyapdku oparcia rygli na słupach i przy oparciu płyt bezżebrowych na ścianach lub słupach.

Dylatowanie płyt i belek przez podcięcie (w „ząbek”)

Modele pracy „ząbka” i dobór zbrojenia

Spośród przedstawionych na rys.4 zestawiono najczęściej stosowanych rozwiązań  dylatacji-przegubów pomiędzy elementami żelbetowymi prefabrykowanymi, rozwiązanie rys 4g) stosowane jest chętnie w technologii monolitycznej.  Modele pracy „ząbka” należy rozpatrywać podobnie jak podcięcie końca belki, w sposób pokazany na rys.5.

Modele ząbków_1Rys. 5. Modele kratownicowe pracy „ząbka” (rys. 2d)  (Bachmann, Steinle, 2011)

W projektowaniu może być stosowany model 5a) lub równoważnie 5b). Z modelu 5a) wynika potrzeba stosowania zbrojenia poziomego na silę $T_H$ oraz $T$ oraz zbrojenia pionowego (strzemion ) na siłę $T_V$. Natomiast z modelu 5b zbrojenie pionowe oraz poziome $T_H$ jest zastąpione zbrojeniem ukośnym $T_D$. Nie ma potrzeby stosowania i jednego i drugiego zbrojenia. Odpowiadające detale zbrojeniowe pokazano dla przykładowego zbrojenia na rys. 6a,b.

Zbrojenie ząbkówRys. 6. Przykład zbrojenie  „ząbka”: a) do modelu 3a, b) do modelu 3b (Bachmann, Steinle, 2011)

Minimalna wysokość efektywna ząbka $d_k$ (rys .5) może być oszacowana ze wzoru:

$\min {d_k} = \dfrac {4 \cdot A_d}{b \cdot f_{cd}}$,  (1)

gdzie $A_d$ jest obliczeniową wartością reakcji pionowej , b- szerokością belki lub jednostką długości płyty, a $ f_{cd}$ – obliczeniową wytrzymałością betonu na ściskanie. Siły składowe  wynoszą:

$ T_V=A$,  $T_D=\dfrac {A}{sin \alpha}$.  (2)

W modelu 5a siła pozioma wynosi

$T_H= \dfrac {A \cdot L_1}{z_k}+H$,  (3)

gdzie: $L_1$ – odległość od osi podporu do osi grupy prętów zbrojenia pionowego, $z_k=0,78 \cdot d_h$, a siłę $H$ można przyjąć o wartości $H=0,20 \cdot A$.

Specjalne rozwiązania „ząbka”

W przypadku bardzo małych wysokości belek lub grubości płyt, lub też niewielkich długości oparcia należy stosować specjalne rozwiązania. Na rys. 7 pokazano przykład rozwiązania dla małej długości oparcia, a na rys,. 8 zastosowanie zbrojenia sztywnego w postaci dwuteownika stalowego.

krótki ząbekRys. 7. Przykład zbrojenie  krótkiego „ząbka”(Bachmann, Steinle, 2011)

niski ząbekRys. 8. Przykład zbrojenie  niskiego „ząbka”(Bachmann, Steinle, 2011)

Dylatowanie płyt i belek  przez oparcie końca na krótkim wsporniku

W przypadku, gdy ze względów architektoniczno-funkcjonalnych możliwe jest wykonanie belki lub płyty pełnej wysokości (bez podcięcia) i oparcie na głowicy słupa lub ściany, bądź na krótkim wsporniku, to stosuje się rozwiązanie dylatacji pokazane na rys.9.

elastomer_1Rys. 9. Zbrojenie płyty/belki na nad łożyskiem ślizgowym na wsporniku/ głowicy słupa(Bachmann, Steinle, 2011)

Model krótkiego wspornika i dobór zbrojenia

Krótki wspornik jest typowym elementem konstrukcyjnym, dla którego nie należy stosować analogii belkowej (dla zginania), ponieważ wspornik jest ścinany jak tarcza, dla której doskonałą analogią jest analogia kratownicowa.

Na rys. 10 pokazano model obliczeniowy krótkiego wspornika w analogii kratownicowej.Obserwowane doświadczalnie i systematycznie potwierdzane w obliczeniach MES układy sił pokazano ba rys. 10a. Pionowa reakcja belki lub płyty $F$ przekazywana poprzez łożysko ślizgowe, rozkłada się na składową poziomą $T_1$ i składową ukośną $C_w$ ułożoną pod kątem $\Theta_1$ do poziomu.

Wspornik-1Rys. 10. Modele kratownicowe pracy „krótkiego wspornika” : a) układ sił i wielobok kratownicowy, b), c) dwa sposoby zbrojenia wspornika, d) model obliczeniowy i jego detal e) (Bachmann, Steinle, 2011)

Na rys. 10b,c przedstawiono dwa warianty ułożenia zbrojenia krótkiego wspornika w zależności od kąta $\Theta_1$, czyli stosunku $ \dfrac {a_c}{d} $nominalnego wysięgu wspornika $a_c$ do jego wysokości $d$. Dla umiarkowanie krótkiego wspornika $ \dfrac {a_c}{d} > 0,3 $ stosujemy strzemiona poziome (rys.10b), ponieważ pozioma składowa  $C_w$ (siła rozwarstwiająca) jest stosunkowo duża. Natomiast dla bardzo krótkiego wspornika $ \dfrac {a_c}{d} \le 0,3 $ dajemy tylko strzemiona poziome. W obu przypadkach nie widzimy konieczności stosowania prętów odgiętych. Ich zastosowanie jest ekonomicznie nieuzasadnione, ponieważ spowodują zdublowanie zbrojenia na ścinanie, a ich wykonanie jest technologicznie trudniejsze.

W celu wyznaczenia pola przekroju poszczególnych składowych zbrojenia wyznaczymy zmienną pomocniczą $a$:

$a=a_c+\dfrac{a_1}{2}+ \dfrac{H}{F_{ed}} \cdot d_1$,
gdzie: $a_1=\dfrac{F_{ed}}{b_w \cdot \sigma_c}$
 (4)

Wartość $\sigma_c$ i zasięg $x_c$ nacisku  naroża bryły wspornika  na konstrukcję słupa/ściany można oszacować ze wzoru (5) (Reineck, 2005):

dla betonu o wytrzymałości $f_{ck} \le 50MPa$: $\sigma_c=0,95 \cdot f_{cd}$,
dla betonu o wytrzymałości $f_{ck} > 50 MPa$: $\sigma_c= (1,05- \dfrac{ f_{ck}}{500})\cdot f_{cd}$
 (5a)
$x_c =d- \sqrt{d^2-2\cdot a \cdot a_1}$,  (5b)

Efektywna wysokość wspornika oraz kąt $\Theta_1$ wynoszą:

$ z=d-\dfrac{x_c}{2}$
$ ctg \, \Theta_1 = \dfrac{x_c}{a_1}=\dfrac{a}{z}$
 (6)

Siła pozioma $T_1$ oraz potrzbne zbrojenie $A_{s1}$ wynoszą

$T_1=f \cdot ctg\, \Theta_1 + H$
$ A_{s1}= \dfrac{T_1}{f_y}$
 (7)

 W węzle (N1) należy sprawdzić zakotwienie zbrojenia na $T_1$ oraz docisk pod łożyskiem.

Jeśli zastosowano poziome zbrojenie, to nie jest potrzebne sprawdzenie na siłę ukośną $C_w$. Należy jednak sprawdzić szerokość docisku $x$ w węzle (N2):

dla betonu o wytrzymałości $f_{ck} \le 50MPa$: $x= \dfrac {x_c}{0,80} \le  0,4\cdot d$,
dla betonu o wytrzymałości $f_{ck} > 50 MPa$: $x= \dfrac {x_c}{1-dfrac{f_{ck}}{500}} \le  0,4\cdot d$
 (8)

Projektowanie ukośnego krzyżulca (N1)-(N2) sprowadza się do sprawdzenia wysokości $d$ wspornika. Minimalna wysokość jest określona zależnością (Steinle, 1975):

$min d \ge \dfrac {3,58 \cdot F_{Ed}}{f_{cd}\cdot b_w}$,  (9)

Dobór pola przekroju zbrojenia $A_{s1}$ można dokonac z wykresu rys. 11 w funkcji obliczeniowej siły pionowej $F_Ed$:

Rys.11 Wykres doboru zbrojenia krótkiego wspornika. Porównanie różnych teorii: (Stenzel, Fingerloos, 2007), (Hegger, Roeser, Lotze, 2004), (Reineck, 2005), (Steinle, 1975)

Dylatacje z pozostawieniem przerw

Dylatowanie technologiczne polega na betonowaniu o ograniczonej długości (zwykle do 16 m) z pozostawieniem przerw do pózniejszego betonowania. W pozostawionej przerwie technologicznej powinno być ułożone zbrojenie lub połączone spawaniem i zabetonowane.

Przerwy robocze w konstrukcjach można stosować:

  • dla belek i podciągów w miejscach najmniejszych sił poprzecznych,
  • dla słupów w płaszczyznach stropów, belek lub podciągów,
  • dla płyt w linii prostopadłej do belek lub żeber, na których opiera się płyta, przy betonowaniu płyt w kierunku równoległym do podciągu dopuszcza się przerwę roboczą w środkowej części przęsła płyty, równolegle do żeber, na których wspiera się płyta.

Powierzchnia przerwy roboczej przed wznowieniem układania mieszanki betonowej powinna być starannie przygotowana do połączenia betonu stwardniałego z nowym. Czynność ta wymaga usunięcia z powierzchni stwardniałego betonu luźnych okruchów oraz warstwy szkliwa cementowego i przepłukania wodą. Po ułożeniu betonu , nalezy przeprowadzić precycyjne wibrowanie.

Uciąglanie zbrojenia w przerwie technologicznej

Przykłady uciąglenia zbrojenia w przerwach technologicznych pokazano na rys. 12

pol plyt-1Rys.12. Dylatacja technologiczna płyty stropowej: a) na końcu płyty, b) na długości płyty

Zastosowanie szalunku siatkowego

Na rys. 13 pokazano zastosowanie siatkowego szalunku traconego umożliwiającego zapewnienie ciągłości zbrojenia pomiędzy etapami betonowania, a także szorstkiej powierzchni styku gwarantującą pewne połączenie z drugą fazą betonowania.

stremaflexRys. 13 Szalunek siatkowy tracony w przerwie technologicznej (na przykładzie szalunku Stremaform®)

Łożyska ślizgowe w dylatacjach – elastomerowe

Łożyska ślizgowe uwidocznione na rys. 4,5,9 wykonuje się najczęściej jako łożyska elastomerowe, które  są przedmiotem normy (PN-EN 1337-3, 2010). łożyska elastomerowe mogą być stosowane w temperaturach -25 oC do 50 oC, czyli praktycznie w każdym zastosowaniu wewnątrz budynku, a w przypadku braku wymagań pożarowych z zastosowaniem odpowiednich zabezpieczeń. W przypadkach standardowych stosuje się następujące wymagania wymiarowe dla podkładek elastomerowych (oznaczenia wg rys.9):

grubość podkładki  $ 5 mm \le \dfrac {a}{30} \le t \le \dfrac {a}{10} \le 12 mm$

rozmiar w planie                     $ 70 mm \le a \le 200 mm $,

gdzie $a$ – długość łożyska. Grubość jest redukowana do 4 mm, gdzie najmniejsza tolerancja jest gwarantować $\le 1,5 mm$

W przypadku dużego docisku na łożysko $\sigma \ge 0,2 f_{ck}$ minimalna długość wspornika powinna spełniać warunki pokazane na rys.12.

wspornik-10Rys.12 Minimalna długość wspornika dla dużych obciążeń $\sigma \ge 0,2 f_{ck}$ (Bachmann, Steinle, 2011)

Połączenia i zakotwienia prętów węzłach

Połączenia oraz zakotwienia prętów zbrojeniowych w węzłach zaleca się wykonywać w technologii zgrzewania lub spawania. Pozwala to na oszczędności materiałowe, ale przede wszystkim na nie rozbudowywanie węzłów, lub nie stosowanie betonu samozagęszczalnego.

Literatura

Bachmann, H., & Steinle, A. (2011). Precast concrete structures. Berlin: Ernst & Sohn : John Wiley & Sons, Inc.
Hegger, J., Roeser, W., & Lotze, D. (2004). Kurze Verankerung langen mit Rechteckankern Bewerhung + Bauausfuhrung. In Beton - Kalendar 2004 (Vol. 1).
PN-EN 1337-3. Łożyska konstrukcyjne - Część 3: Łożyska elastomerowe (2010).
PN-EN 1992-1-1+AC+Ap1. Projektowanie konstrukcji z betonu -Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków (2008). UE: PKN.
Reineck, K. H. (2005). Modellirung der D-Bereiche bei Vertigteilen. In Beton Kalendar2005 (Vol. 2, p. 241ff).
Steinle, A. (1975). Zur Frage der MIndestabmessungen von Konsolen. Beton Und Stahlbeton, (6), 150–153.
Stenzel, G., & Fingerloos, F. (2007). Konstruktion und Bemessung von Details nach DIN 1045-1. In Beton - Kalendar 2007 (Vol. 2).

Related Hasła

Comments : 0
O autorze

* dr inż. Leszek Chodor. Architekt i Inżynier Konstruktor; Rzeczoznawca budowlany. Autor wielu projektów budowli, w tym nagrodzonych w konkursach krajowych i zagranicznych, a między innymi: projektu wykonawczego konstrukcji budynku głównego Centrum „Manufaktura” w Łodzi, projektu budowlanego konstrukcji budynku PSE w Konstancinie Bielawa, projektów konstrukcji „Cersanit” ( Starachowice, Wałbrzych, Nowograd Wołyński-Ukraina). Autor kilkudziesięciu prac naukowych z zakresu teorii konstrukcji budowlanych, architektury oraz platformy BIM w projektowaniu.

Wyślij

Translate »