DWUGAŁĘZIOWE SŁUPY STALOWO

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 155
Budownictwo
2012
Elżbieta Szmigiera
Wydział Inżynierii Lądowej
DWUGAŁĘZIOWE SŁUPY
STALOWO-BETONOWE
Rękopis dostarczono 2.10.2012 r.
Rozprawa stanowi podsumowanie wyników wieloletnich badań słupów stalowo-betonowych.
Pierwszy etap doświadczeń, rozpoczęty przez autorkę pod koniec lat dziewięćdziesiątych ubiegłego
wieku, dotyczył słupów zespolonych całkowicie obetonowanych. W kolejnym etapie przedmiotem zainteresowań były dwugałęziowe słupy stalowe, o przekroju złożonym z dwuteowników HEA 160, wypełnione betonem. W niniejszej pracy, na tle światowej literatury, omówiono rozwiązania konstrukcyjne i problemy, związane z projektowaniem zespolonych słupów stalowo-betonowych. Przeprowadzono
ocenę przydatności stosowanych rozwiązań w odniesieniu do wyników własnych badań.
Obszerną część pracy stanowi opis analizy doświadczalnej, przeprowadzonej na czterdziestu jeden słupach w skali naturalnej. Sformułowane na podstawie otrzymanych wyników wnioski zweryfikowano zgodnie z aktualnym stanem wiedzy o konstrukcjach zespolonych. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że współpraca stali i betonu w proponowanych rozwiązaniach słupów
wykazuje pewne cechy wzajemnego „przystosowania”. Ten istotny wniosek dotyczy w szczególności przypadku, gdy działające na słup obciążenie przyłożone jest jedynie do stalowej lub betonowej
części przekroju. Badania wykazały, że siła działająca przez kształtowniki powoduje, że odkształcalność całego słupa odpowiada charakterystyce materiału sprężysto-plastycznego, czyli stali. Natomiast obciążenie, wprowadzone jedynie przez betonowy rdzeń, zmienia charakter pracy badanego
elementu. Otrzymane w tym przypadku wykresy siła–odkształcenie przypominają zależności przyjmowane w słupach betonowych. Pojęcie „przystosowanie” jest tu użyte w sposób poglądowy i nie
ma związku z teorią przystosowania, sformułowaną przez Bleicha [9] i Melana [91].
W pracy przeprowadzono analizę ciągliwości badanych słupów stalowo-betonowych, stwierdzając znaczny przyrost energii zniszczenia, w stosunku do elementów stalowych. Wykazano, że na ciągliwość słupów dwugałęziowych znaczący wpływ ma sposób ich obciążania oraz rozstaw przewiązek.
Wprowadzono pojęcie „stopnia ciągliwości” słupów, określające przyrost energii zniszczenia po przekroczeniu wartości obciążenia użytkowego. Obszerną część rozprawy stanowi modelowanie stopnia
skrępowania betonu w dwugałęziowych słupach. Wykazano, że w pewnych obszarach przekroju beton
znajduje się w złożonym stanie naprężenia, co ma wpływ na globalną nośność tych słupów. Zaproponowano wzór do szacowania maksymalnej siły obciążającej, uwzględniający występujące w słupach
dwugałęziowych zróżnicowanie skrępowania betonu na długości elementu. Informacje na temat stanu
naprężeń w przekrojach badanych słupów uzyskano także w ramach analizy udziału stali konstrukcyjnej i betonu w przenoszeniu działającego obciążenia. Ocenę tego udziału przeprowadzono, obliczając
4
Ważniejsze oznaczenia
dystrybucję naprężeń między oboma materiałami, na podstawie zarejestrowanych odkształceń. W odniesieniu do betonu zastosowano dwie metody szacowania poziomu naprężeń. Pierwsza z nich, wykorzystująca zależność zaproponowaną przez Rüscha [117] zakładała, że beton znajduje się w jednoosiowym stanie naprężenia. W drugiej, wartość naprężeń w betonie wynikała z różnicy działającego
obciążenia i siły przenoszonej przez stal konstrukcyjną. Porównanie uzyskanych wyników umożliwiło ustalenie stopnia skrępowania betonu w badanych typach słupów.
W pracy przedstawiono także analizę doświadczalną, dotyczącą wpływu zastosowania betonu z włóknami stalowymi na nośność i odkształcalność słupów stalowo-betonowych. W badanych
typach elementów stwierdzono znaczny przyrost sił niszczących w stosunku do wyników uzyskanych w słupach, wykonanych z betonu zwykłego o takiej samej wytrzymałości na ściskanie. Istotnym spostrzeżeniem jest zaobserwowana zmiana charakteru odkształceń, których przebieg zbliżony
jest w tym przypadku do zależności przyjmowanej w materiałach sprężysto-plastycznych. Sformułowano wniosek, że wypełnienie słupów zespolonych fibrobetonem ma bardzo korzystny wpływ na
ich nośność i odkształcalność, nawet przy niezbyt wysokiej klasie wytrzymałości na ściskanie tego
betonu, ale przy zachowaniu odpowiedniej zawartości włókien w mieszance betonowej. Stwierdzono także, że zastosowanie fibrobetonu wpływa korzystnie na ciągliwość słupów, a także dystrybucję naprężeń w stali i betonie. Pod wpływem wzrastającego obciążenia zaobserwowano taki sam
przyrost naprężeń w obu materiałach. Jest to szczególnie wyraźne w zakresie obciążenia użytkowego. Podobną zależność zaobserwowano jedynie w słupach wypełnionych betonem bez włókien, ale
o znacznej wytrzymałości na ściskanie, równej fcm = 79,5 MPa.
Na podstawie przeprowadzonej analizy, opartej na aktualnym stanie wiedzy stwierdzono, że
przedstawione w pracy nowe rozwiązanie słupów, złożonych z dwóch dwuteowników, połączonych
przewiązkami i wypełnionych betonem, może mieć szerokie zastosowanie w budownictwie. Wykazane zalety tych słupów, związane z ich dużą nośnością, sztywnością i ciągliwością, pozwalają na
wykorzystanie proponowanych rozwiązań w konstrukcjach silnie obciążonych, posadowionych na
gruntach o dużym osiadaniu, czy na terenach zagrożonych sejsmicznie. Można je także zastosować
jako słupy docelowe w opisanej w dalszej części pracy, metodzie stropowej.
W podsumowaniu podano kierunki dalszych prac, związanych z badaniem słupów stalowo-betonowych.
Ważniejsze oznaczenia
Aa
Ac
As
E
Esp
Ezn
Ec
Es
Fsr1
L
N, P
Nc
Ncc
Ns
pole przekroju stali konstrukcyjnej
pole przekroju betonu
pole przekroju prętów podłużnych
energia
energia zmagazynowana podczas procesu obciążania
energia zniszczenia
moduł sprężystości betonu
moduł sprężystości stali
wypadkowe siły obwodowe, występujące w badanych kształtownikach
praca
siła ściskająca, obciążenie
udział betonu w przenoszeniu działającej siły
nośność słupa ściskanego osiowo z uwzględnieniem skrępowania
udział stali konstrukcyjnej w przenoszeniu działającej siły