RO-Curs 1-b [Compatibility Mode]

CONSTRUCII MIXTE OEL - BETON

Conf.dr.ing Adrian CIUTINA

Universitatea Politehnica TimioaraFacultatea de ConstruciiDepartamentul de Construcii Metalice i Mecanica Construciilor

- CURS 1b -

Introducere

Adrian Ciutina, Construcii mixte oel-beton

INTRODUCERE

Structurile Compuse Oel-Beton au avut o dezvoltare semnificativ nc de la conceperea acestora, cu mai bine de 100 de ani n urm. Atunci s-a realizat faptul c betonul care mprejmuiete profilele metalice i care servete pentru protecia la foc poate avea i anumite beneficii structurale, sau faptul c dala din beton a podurilor metalice poate fi folosit n avantajul structurilor dac se realizeaz o conlucrare a acesteia cu grinda metalic. Aplicarea n practic a sistemelor compuse a nceput dup sfritul celui de-al doilea rzboi mondial, iar sistemul a avut o rspndire rapid n ultimii 25 de ani.

n prezent, folosirea pe scar larg a structurilor compuse, spre exemplu n cazul structurilor nalte, este larg rspndit, n special n rile n care structurile metalice au o larg utilizare.


INTRODUCERE

Abordrile timpurii ale proiectrii structurilor compuse, n general nsemnau un pic mai mult dect aplicarea principiilor de baz ale mecanicii noului sistem. n scurt timp s-a realizat faptul c tipologia structurilor compuse conine caracteristici i subtiliti particulare, pentru care o utilizare eficace are nevoie de o nelegere adecvat i de luarea n considerare a acestor fenomene. n momentul actual, structurile compuse sunt privite ca un sistem structural distinct, cu documente normative i ghiduri de proiectare proprii.

Cel mai cuprinztor i actualizat dintre acestea este setul normativelor EUROCODE. Normativul EUROCODE 4trateaz n mod exclusiv structurile compuse oel-beton.


CAPITOLUL I PRINCIPII DE BAZ

Termenul de construcii compuse oel-beton trebuie neles n contextul construciilor i a structurilor civile ca implicnd folosirea laolalt a oelului i a betonului ntr-o singur component, astfel nct elementele structurale rezultate s funcioneze unitar. Scopul este acela de a obine un nivel sporit al performanei structurale fa de situaia n care cele dou materiale ar fi funcionat separat. n acest mod, pentru o proiectare judicioas trebuie cunoscute diferenele intrinseci ale proprietilor materialelor componente i asigurat faptul c sistemul structural ales consider aceste diferene. n mod evident trebuie asigurat conexiunea dintre cele dou materiale. nc de la introducerea acestui sistem, folosirea aciunii compuse a fost recunoscut ca fiind un mod eficient de a spori performana structural. De aceea, o mare proporie din structurile gndite iniial ca metalice sunt n final proiectate ca structuri compuse oel-beton.


1.1 Scurt istoric

Anul 1894 reprezint anul n care au fost folosite pentru prima dat grinzile nglobate n beton, pentru un pod din Iowa i o cldire din Pittsburgh. Primele teste de laborator efectuate pe stlpi nglobai n beton s-au efectuat la Universitatea din Columbia, n anul 1908, iar primele teste efectuate pe grinzi compuse au fost efectuate la Dominion Bridge Works n Canada, n anul 1922. n 1930 codul de proiectare al New York City recunotea anumite beneficii ale nglobrii profilelor metalice n beton, permind eforturi sporite n fibrele extreme ale seciunii metalice nglobate. Conectorii de tip gujon cu cap sudai au fost testai pentru prima dat la Universitatea din Illinois, n anul 1954, conducnd la o formul de proiectare n anul 1956, precum i la folosirea acesteia n acelai an la realizarea unor proiecte pentru anumite poduri i structuri. n anul 1926, tehnica conectrii grinzii din oel cu dala din beton a fost patentat de inginerul Kahn n SUA, i n scurt timp dup aceea apar primele cri scrise doar pentru utilizarea structurilor compuse.


1.1 Scurt istoric

Patentul inginerului Kahn din 1926


1.1 Scurt istoric

n Japonia, primele utilizri ale elementelor compuse au fost efectuate de ctre inginerul Wakabayashi, n anul 1910, care a folosit nglobarea stlpilor n beton pentru a mbunti rezistena la foc i seismic. Denumite ca structuri cu armtur rigid (steel-reinforced concrete - SRC) aceaste metode de construcie au fost utilizate cu succes pentru structurile cu mai mult de 6 nivele. Integritatea noului tip structural a fost demonstrat prin buna performan nregistrat n marele cutremur Kanto din 1923.


1.1 Scurt istoric

Primul set de reglementri care acoper proiectarea grinzilor compuse a fost furnizat de Institutul American de Construcii Metalice (AISC) Specificaii pentru cldiri, n anul 1961.

Dezvoltri paralele ale normativelor au avut loc i n Europa, n special ca parte a programului de reconstrucie a Germaniei dup cel de-al doilea rzboi mondial. n raportul fcut n anul 1957 de ctre inginerul Godfrey, se face referire la cercetrile din Germania, Elveia i alte zone, raport care a oferit baza pentru Regulile provizorii pentru proiectarea grinzilor n construciile compuse, publicate n iulie 1958. Patru ani mai trziu, topica a fost normalizat formal n normativul DIN 1078.


1.1 Scurt istoric

La mijlocul anilor 60, comunitatea inginerilor de structuri din Marea Britanie a avut opinii apreciative asupra meritelor structurilor compuse. Spre exemplu, structurile compuse au fost alese pentru proiectarea unui numr de structuri guvernamentale, n general sub forma grinzilor compuse, dar cu noi caracteristici, cum ar fi utilizarea panourilor prefabricate din beton cu agregate uoare.

Cercetrile britanice au fost cuprinse n primul normativ pentru structuri compuse, denumit CP 117 i publicat n trei pri care se refereau la:

grinzile compuse simplu rezemate grinzile de poduri respectiv stlpii compui oel-beton.


1.2 Concepte de baz

Esena elementelor compuse se poate nelege foarte uor prin considerarea unei aplicaii simple, i anume aceea a grinzii compuse.

aciune independent (a) aciune compus (b)

Pentru nelegerea acestui exemplu, se consider grinda care este format din dou elemente identice prezentate n figura de mai jos.


1.2 Concepte de baz

n cazul figurii a), elementele vor avea un comportament separat, i se vor deplasa relativ unul fa de cellalt la interfaa acestora, n timp ce n cazul figurii b), cele dou elemente sunt constrnse s acioneze mpreun. n consecin, n cazul a) se va produce o deplasare relativ de alunecare, indicat de micarea capetelor grinzii, n timp ce n cazul b) ntreaga seciune va rmne plan. Se poate foarte uor demonstra faptul c, folosind teoria elasticitii, grinda din cazul b) este de dou ori mai rezistent i de patru ori mai rigid dect cea din cazul a).

hb

2h

b

h Cazul a Aciunea independent: Momentul de inerie: Modulul de rezisten:

Case b Aciunea compus: Momentul de inerie: Modulul de rezisten:

32 6

12IbhI = =

2 22

6 3Ibh bhW = =

( )3 32 412 6II

b h bhI = =( )2 22 2

6 3IIb h bhW = =


1.2 Concepte de baz

Prin analogie, se poate considera ansamblul oel-beton de mai jos:

alunecri relative, distribuia deformaiilor i a blocurilor corespunztoare de eforturi la starea limit ultim considerat va fi ca n figurile prezentate mai jos:

Cele dou componente sunt acum de dimensiuni diferite i posed diferite caracteristici de material. Considernd (ca exemplu) faptul c axa neutr a seciunii compuse nu este localizat la interfaa oel/beton i c exist o conexiune total ntre aceste dou materiale, astfel nct nu exist

a) Seciunea transversal

b) Axa neutr se afl n placa din beton armat

c) Axa neutra se afl n profilul metalic


1.2 Concepte de baz

Consideraiile asupra echilibrului seciunii transversale permit calculul momentului capabil. Cu toate c n mod evident, n cele mai multe cazuri axa neutr nu se regsete la interfaa oelului i a betonului, momentul capabil al seciunii poate fi calculat. O proiectare judicioas ns va ncerca localizarea axei neutre la interfa, dup cum acest caz reprezint cazul ideal de folosire judicioas a celor dou materiale (betonul acionnd la compresiune iar oelul la ntindere). Pentru cazurile generale de proiectare, calculele de echilibru ale seciunii se bazeaz pe cazul ideal, cu modificri minore.

Obs: Metodele plastice de determinare a rezistenei, aa cum sunt prezentate n figurile de mai sus sunt folosite n prezent n mod curent la proiectarea elementelor compuse.Cu toate c exist numeroase abordri n domeniul elastic, s-a demonstrat c, prin aplicarea anumitor reguli (spre exemplu relative la instabilitatea anumitor elemente metalice la compresiune sau abilitatea conexiunii de a preveni alunecarea relativ dintre cele dou materiale), o abordare n domeniul plastic este mai simpl i conduce la rezistene mai mari ale elementului compus.


1.3 Utilizarea curent

Aciunea compus dintre oel i beton este cel mai adesea ntlnit ntre grinzile metalice i plcile din beton armat sub forma planeelor de cldiri sau a tablierelor de poduri i n cazul stlpilor, n special n cazul structurilor nalte unde trebuie preluate fore mari de compresiune.

n mod aproape sigur, cele mai frecvente cazuri de folosire a structurilor compuse este pentru grinzi, n care o poriune a plcii din beton acioneaz mpreun cu seciunea din oel pentru a conferi elementului structural o rezisten i o rigiditate sporit fa de grinda metalic.

GRINZI



Independent de seciunea grinzii, dala din beton poate fi plin sau turnat pe o tabl cutat, ca n figura de mai jos. Cutele pot fi paralele sau perpendiculare pe grinda metalic i dispuse pe deschiderea scurt dintre grinzile principale respectiv secundare. n cazuri rare, cutele pot fi orientate oblic pe grinda metalic.

GRINZI

Steel beam

Profiled steelsheeting

Profiled steelsheeting

Steel beam



Stlpii cu seciune compus oel-beton sunt folosii de obicei atunci cnd seciunile din oel nu sunt capabile s dezvolte o rezisten suficient pentru a susine ncrcrile de proiectare sau, n cazul aplicaiilor mai specializate, la combinarea inteligent a celor dou materiale pentru imaginarea unor soluii economice de proiectare. O caracteristic important a folosirii stlpilor cu seciune compus este ca betonul s preia o parte a ncrcrii. Aceasta reprezint o problem care cere o atenie sporit, n special asupra fenomenului de introducere a ncrcrii. Aceasta implic faptul c eforturile sunt distribuite liniar pe seciune i nu exist alunecri relative ntre cele dou materiale.

STLPI



n structuri, grinzile compuse sunt formate din elemente metalice longitudinale care conlucreaz cu o parte a planeului din beton.n cazul n care planeul din beton conlucreaz cu tabla profilat (care poate fi folosit ca i cofraj n timpul turnrii betonului), se poate vorbi de planee compuse. n anumite cazuri, tabla profilat din oel poate aciona ca armtur inferioar (total sau parial).

PLANEE COMPUSE


n cazul structurilor compuse o importan particular este dat tipul de planeu ilustrat mai jos, n care betonul este turnat direct pe tabla profilat de susinere a planeului. Aceasta se mai numete i tabl cutat.

Tabla profilat ofer un cofraj permanent pentru operaia de turnare i ntrire a betonului, dup care poate aciona ca armtur inferioar pentru placa din beton.




n multe cazuri mbinrile dintre grinzi i stlpi sunt realizate considernd abilitile unui singur material pentru transferul eforturilor, cum este oelul sau betonul. n cazul n care ambele materiale sunt utilizate pentru transmiterea ncrcrilor, mbinrile devin compuse. Avantajul mbinrilor compuse rezid n rezistena adiional oferit de componentele dalei din beton armat.

MBINRI


1.4 Importana conexiunii la forfecare

n cazul elementelor compuse oel-beton, conexiunea este esenial pentru transmiterea eforturilor dintre cele dou materiale. Atunci cnd contactul dintre oel i beton este realizat pe o suprafa mic, aa cum este cazul grinzilor cu seciune compus oel-beton, conexiunea este realizat prin sisteme mecanice de ancorare.

Pentru proiectarea elementelor compuse exist o varietate larg de conectori mecanici care variaz ca forme, dimensiuni i metode de ancorare, ns toate sistemele prezint cteva similariti:

sistemele se refer la elemente metalice nglobate n beton; conectorii au componente capabile s transmit forfecarea longitudinal; conectorii au elemente capabile s reziste forelor perpendiculare pe

suprafaa de contact pentru prevenirea desprinderii betonului de oel; conectorii transmit fore concentrate elementelor metalice.


n prezent, majoritatea conectorilor folosii pentru realizarea conexiunii sunt de tip gujon cu cap, sudai prin arc electric direct (vezi figura de mai jos). Folosirea acestora impune condiii speciale care sunt relativ scumpe, ns ei conduc la rezistene excelente.

Conectorii de forfecare (elementele de conectare)

Conectorii de tip gujon au n general diametre ntre 13 i 25 mm. Cu toate c devin mai scumpi odat cu creterea diametrului, conectorii de 19 mm sunt de departe cei mai folosii n construcii. Datorit faptului c rezistena dezvoltat de un conector depinde (printre altele) de grosimea t a tlpii pe care acetia sunt sudai, o limit a raportului de d/t de 2,5 este specificat n Eurocode 4.

Nu mai puin de 1,5d

1.4 Importana conexiunii la forfecare

alte tipologii uzuale de conectori de forfecare:

Adrian Ciutina, Composite Steel-Concrete Structures

Head

Stud

Weld collarheight

c) channel e) rigid connectorb) bolt

nuts

bolt

channel profile

welds

reinforcementclaw

d) claw f) angle profile

welded flyingreinforcement

Concrete

Steel element(top flange)

a) headed stud

Conectorii de forfecare (elementele de conectare) 1.4 Importana conexiunii la forfecare

alte tipologii noi de conectori de forfecare:



conectori de tip comb-shaped

conectori de tip prefobond

Pentru stlpii cu seciune compus, efortul longitudinal de forfecare este realizat n mod natural datorit ariei relativ mari de contact dintre elementele din oel i beton. n cazul n care conexiunea realizat natural este insuficient pentru introducerea ncrcrilor, n general n zona de mbinare (zona critic), trebuie instalate elemente adiionale de preluare a forfecrii.

Conectori de forfecare pentru profile deschise


Conectori de forfecare pentru elemente

nchise (evi)



1.5 Proprietile materialelor

La proiectarea elementelor compuse trebuie adoptate proprietile oelului i ale betonului ca i condiiile n care proiectarea s-ar face n structur simpl din beton/oel. Din acest punct de vedere, normativele referitoare la construciile compuse, cum e cazul Eurocode 4, fac referire la materialele folosite n normativele caracteristice materialelor individuale (EC2 i EC3).

Caracteristicile betonului sunt specificate prin intermediul rezistenei acestuia la compresiune msurate pe specimene cilindrice, fck. Sunt permise clase ale betonului ntre 20/25 i 50/60.Celelalte caracteristici ale betonului sunt oferite tabelar (vezi EC2). Pentru betonul uor, caracteristicile sunt n general modificate prin intermediul anumitor parametri (vezi EC2 pentru detalii).

BETONUL



BETON Rezistene i

caracteristici de deformare (sursa

EN 1992-1)



Valorile nominale ale rezistenei al curgere fy pentru profilele laminate sunt date n tabelul de mai jos pentru oelurile de clas S235, S275 i S355, n concordan cu EN 10025, respectiv pentru oelurile S235, S275, S420 i S460, n concordan cu normativul EN 10113. Aceste valori nominale pot fi adoptate ca valori caracteristice (nefactorizate) pentru calculele de proiectare.

OELUL STRUCTURAL



OELUL STRUCTURAL

Pentru alte caracteristici ale oelului, vezi Eurocode 3-1

Clasa oelului Valori nominale

grosimi nominale



n concordan cu specificaiile normativului EN 10080, Eurocode 4 consider mai multe tipuri de armtur difereniind:

- n conformitate cu caracteristicile de ductilitate: trei clase de ductilitate A, B i C sunt definite n funcie de raportul dintre rezistena caracteristic ultim i limita de curgere (ft/fy)k i deformaia la rezistena maxim ;

- n conformitate cu caracteristicile de suprafa: bare cu suprafa plan respectiv bare amprentate (inclusiv pentru plasele de armare sudate).

OELUL DE ARMARE

Rezistena la curgere fsk pentru oelul de armtur:

Coeficienii materialului (Es, Gs, T, s, s) adoptai n calculul barelor de armare sunt similare cu cele ale oelului structural.

Clasa oelului din bare S420 S500 S600fsk [N/mm2] 420 500 600

uk



CONECTORII DE FORFECARE Pentru conectori n general, EN 1994-1 face referin la materialele definite conform EN 1993-1-8. Pentru conectorii de tip gujon cu cap referina normativ este EN 13918 (2008). n conformitate cu materialul i forma utilizat pentru conectori, se poate deduce o rezistena caracteristic (Prk) i o rezisten de calcul (Prd):

rezistena caracteristic (Prk) reprezint valoarea rezistenei calculat cu o probabilitate de depire de 5% n teste caracteristice, cum sunt testele de tip push-over descrise n Anexa B a EN 1994-1;

rezistena de calcul (Prd) reprezint rezistena utilizat n calcule i rezult ca raportul dintre rezistena caracteristic i factorul parial de siguran pentru conectori ( ).v



Rezistenele conectorilor (neomologate) sunt obinute din teste de tip push-out, prin care se determin curba for-deplasare, folosind un procedeu experimental standard (descris n anexa B a EC4).


Specimene standard conform EC 4Curbe tipice ncrcare-alunecare



Oelul folosit pentru realizarea conectorilor au o rezisten ultim la ntindere de cel puin 450N/mm2 i o alungire de cel puin de 15%. Rezistenele conectorilor de tip gujon cu cap, n funcie de dimensiuni i ali factori, pn la valori de aproximativ de 150 kN sunt realizabile prin proceduri simple de sudare. Conectorii de tip gujon cu cap au rezistene identice n toate direciile i au interferen relativ sczut cu diferitele poziionri ale armturii.


Pentru gujoanele cu cap cu h/d > 4, EC4 recomand ca rezistena conectorilor PRd s fie calculat ca valoarea minim dintre: t

hd

>1.5d



Valorile nominale ale rezistenelor la curgere fyb ale tablei profilate sunt date n urmtorul tabel:

TABLA PROFILAT PENTRU DALELE COMPUSE

Coeficienii materialului (Es, Gs, T, s, s) adoptai n calculul tablelor profilate sunt similari cu cei ai oelului structural.

Steel grades S 220GD S 250GD S 280GD S 320GD S 350GDfyp [N/mm2] 220 250 280 320 350fup [N/mm2] 300 330 360 390 420

Tabla profilat reprezint un produs format la rece iar proprietile acestor materiale sunt oferite de EN 1993-1-3, considernd table profilate manufacturate din oeluri conforme cu EN 10025, profilate la rece n conformitate cu EN 10149-2 sau EN 10149-3 sau galvanizate n concordan cu EN 10147. Zincarea se face pe ambele fee ale tablei, considernd straturi de 275 g/m2 , valori considerate corespunztoare pentru planee.


1.5 Factorii pariali de siguran

Rezistena este calculat folosind diferite materiale i componenteXd , i ia n considerare incertitudinile la SLU prin factori pariali de siguran M , factori care sunt introdui n mod explicit n formulele de calcul.

n analize, pentru materiale sunt folosii urmtorii factori pariali de siguran M :

rezistena oelului structural: factorul parial de siguran considerat pentru rezistena seciunilor

transversale, echivalent lui n EN 1993-1: factorul parial de siguran considerat pentru calculul elementelor compuse la

stabilitate: rezistena betonului: rezistena armturii: rezistena tablei profilate: rezistena conectorilor:

0M 1.0 =a

1 1.10 =M1.50 =c

1.15 =s1.10 =ap

1.25 =v


1.6 Proiectarea la Strile Limit

n concordan cu proiectarea uzual a normativelor Eurocode, structurile compuse trebuie verificate la ULS mpotriva:- Pierderii echilibrului structurii sau a oricrei componente, considerate ca fiind un corp rigid.- Cedarea prin deformaii excesive, cedri sau pierderea stabilitii structurii sau a oricrei componente a acesteia, incluznd conexiunea la forfecare, reazemele sau fundaiile.

Prima dintre condiii impune comparaia direct dintre efectele de calcul ale aciunilor stabilizante respectiv destabilizante i reprezint o cerin general pentru toate tipurile de structuri.

A doua condiie impune determinarea valorilor de calcul ale eforturilor interne, combinarea acestora etc, pentru compararea acestora cu rezistenele de proiectare corespunztoare.

Starea Limit Ultim (SLU)


Adoptarea proiectrii pe baza strilor limit a scos n eviden nevoia de a acorda o atenie sporit pentru asigurarea condiiilor de serviciu a structurilor. Eurocode 4 ia n considerare 5 condiii:

- Deformaii i sgei care afecteaz aspectul exterior sau utilizarea efectiv a structurii, sau pot cauza deteriorri ale finisajelor sau ale elementelor nestructurale.

- Vibraii care pot caza disconfort locatarilor sau care limiteaz eficacitatea funcionrii structurii.

- Fisuri ale betonului, care pot afecta aparena, durabilitatea structurii sau etaneitatea la ap a pardoselilor.

- Deteriorri ale betonului datorate compresiunii excesive, care pot conduce la pierderea durabilitii acestuia.

- Alunecarea la interfaa dintre oel i beton, atunci cnd aceasta devine att de mare nct s conduc la invalidarea calculelor de proiectare sau a altor condiii de serviciu, n care efectele alunecrii sunt neglijate.

1.6 Proiectarea la Strile Limit

Starea Limit de Serviciu (SLS)


1.6 Proiectarea la Starea Limit de Serviciu

Experiena dobndit la nivel internaional a demonstrat faptul c riscul unei cedri structurale n cazul structurilor compuse este mai mare n timpul fazei de construcie, datorit combinaiei urmtorilor factori:

absena componentelor nestructurale care sunt prezente n faza final i care rigidizeaz elementele structurale

inabilitatea majoritii proiectanilor de a prevedea paii de montaj a structurii

tendina de a diminua atenia acordat verificrilor structurale.

Documents

RO-Curs 1-b [Compatibility Mode]