Badania wpływu skurczu betonu na ugięcia i odkształcenia belek

Badania wpływu skurczu betonu na ugięcia i odkształcenia belek

KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIA ŁY
Badania wpływu skurczu betonu
na ugięcia i odkształcenia belek
zespolonych stalowo-betonowych
A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E
Dr inż. Wiesław Zamorowski, mgr inż. Grzegorz Gremza, Politechnika Śląska
W pracy przedstawiono rezultaty badań wpływu skurczu betonu
na odkształcenia i ugięcia belek
zespolonych stalowo-betonowych.
Pomierzone wartości ugięć porównano z wartościami obliczonymi według normy do obliczania
i projektowania konstrukcji zespolonych opartej na Eurokodzie 4.
W drugiej części badań pomierzono ugięcia natychmiastowe spowodowane obciążeniem zewnętrznym równomiernie rozłożonym
na długości belek.
1. Wstęp
W ostatnim czasie coraz częstsze
staje się zastosowanie w budownictwie elementów zespolonych stalowo-betonowych. Dość powszechnie występującym przykładem
takich rozwiązań są belki zespolone stalowo-betonowe [1,2].
W belkach tych zespolenie pomiędzy płytą żelbetową a belką stalową zapewnia się poprzez zastosowanie łączników mechanicznych,
najczęściej sworzniowych [6].
W porównaniu z samym elementem stalowym, rozpatrywanym
oddzielnie (bez zespolenia), belki
stalowo-betonowe charakteryzują
się znacznie większą nośnością
i sztywnością, co stanowi ich podstawową zaletę.
Zazwyczaj w belkach tego typu
występuje zawsze wpływ ograniczenia odkształceń skurczowych płyty betonowej, co należy
uwzględnić między innymi przy
ocenie wartości ugięć elementu
zespolonego.
W artykule opisano badania dotyczące wpływu skurczu betonu
płyty na odkształcenia i ugięcia
belek zespolonych stalowo-betonowych w okresie do 348 dni
od chwili zabetonowania płyt,
a także, po tym okresie, badania
ugięć natychmiastowych od obciążeń zewnętrznych równomiernie
rozłożonych na belce. Badania stanowią kontynuację doświadczeń
opisanych w pracy [5]. Do analizy wyników badań wykorzystano
także rezultaty pomiarów z okresu do 92 dni przedstawione już
w pracy [5]. Uzyskane wyniki
badań porównano z rezultatami
obliczeń ugięć takich samych belek
zespolonych na podstawie wzorów
normowych [3] oraz ugięć niezależnej belki stalowej od obciążenia
zewnętrznego.
2. Opis badań
W celu przeprowadzenia badań
zaprojektowano i wykonano trzy
belki zespolone, każda o rozpiętości 2,8 m w osiach podpór.
Elementem podstawowym we
wszystkich trzech modelach były
belki walcowane z kształtownika
I140PE. Wykonano trzy płyty betonowe o szerokości 42 cm i zróżnicowanych grubościach na każdym
z trzech elementów (odpowiednio
5, 7, i 9 cm). Płyty były zbrojone poprzecznie prętami ø 8 mm
co 9 cm, nie stosowano natomiast
zbrojenia podłużnego, aby uniknąć
jego wpływu na wielkość skurczu
płyty betonowej. Przekroje badanych elementów przedstawiono
na rysunku 1.
Rys. 1. Przekroje poprzeczne badanych belek
18
PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/2006
KO N S T R U KC JE–ELEMENTY–MATERIAŁY
zespolonych z belką stalową, oraz
■ pomiary porównawcze zmian
długości swobodnych odcinków
płyt i próbek w aparacie Amslera.
Przemieszczenia mierzono przy
użyciu czujników zegarowych
o elementarnej działce 0,001 mm.
Dodatkowo, w celu kontroli poprawności pomiaru ugięć w środku rozpiętości belki, zastosowano czujniki o elementarnej działce
0,01 mm. Sposób rozmieszczenia
Rys. 2. Rozmieszczenie łączników sworzniowych
Rys. 3. Rozmieszczenie czujników zegarowych na belkach
A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E
Do zespolenia wykorzystano łączniki sworzniowe o średnicach:
12 mm w płycie o grubości 5 cm
oraz 16 mm w płytach o grubościach 7 i 9 cm. Łączniki przyspawano do górnego pasa kształtownika stalowego (rys. 2).
Oprócz elementów belkowych wykonano trzy krótkie (0,5 m) odcinki płyt o analogicznej szerokości
i grubościach, jak w badanych elementach belkowych, przewidziane
do badań skurczu swobodnego
betonu. Przygotowano także trzy
standardowe próbki do badań
skurczu aparatem Amslera, 6
kostek 15×15×15 cm do określenia wytrzymałości na ściskanie oraz
15 kostek 15×15×15 cm wytrzymałości na rozciąganie metodą
rozłupywania. Wszystkie elementy
betonowe zostały wykonane z tego
samego zarobu. Tabela 1 podaje liczby próbek drobnowymiarowych do badań towarzyszących.
Skład mieszanki betonowej podano w tabeli 1.
W pierwszej części zaplanowano
badania dotyczące wpływu skurczu betonu na ugięcia i odkształcenia belek zespolonych obciążonych jedynie ciężarem własnym,
Rys. 4. Rozmieszczenie czujników zegarowych na swobodnych odcinkach płyt
a w szczególności pomiary:
■ ugięć belek w środku rozpiętości i w pobliżu podpór,
■ zmian długości włókien belek
stalowych na wysokości górnej
i dolnej półki,
■ zmian długości płyt betonowych
Tabela 1. Skład 1 m3 mieszanki betonowej
Składniki mieszanki
W stanie suchym
W stanie
naturalnym
cement portlandzki 32.5,
Strzelce Opolskie
356 kg
356 kg
żwir
1200 kg
1230 kg
piasek
660 kg
703 kg
woda
178 litrów
101 litrów
PRZEG L Ą D B U D O W L A N Y 2/2006
Uwagi
projektowano
beton zwykły B25
zgodny z normą
PN-88/B-06250
czujników na belkach zilustrowano
na rysunku 3, zaś na swobodnych
odcinkach płyt na rysunku 4. Szerszy
opis stanowisk i elementów doświadczalnych zamieszczono w [5].
Wszystkie elementy betonowe rozformowano po upływie 24 godzin
od chwili zabetonowania, usuwając jednocześnie podporę montażową ze spodu belek. Elementy
zespolone, swobodne odcinki
płyt i próbki do badań skurczu
aparatem Amslera były badane
w pomieszczeniu o temperaturze
otoczenia 17±2°C i wilgotności
względnej powietrza 65±5% do 78
dnia. W następnym okresie (wiosenno-letnim) wilgotność względna powietrza stopniowo zwięk-
19
A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E
KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIA ŁY
3. Wyniki badań
3.1. Wielkość odkształceń skurczowych
Na rysunku 5 przedstawiono krzywe ilustrujące przebieg odkształceń skurczowych swobodnych
odcinków płyt, standardowych
próbek badanych aparatem Amslera – a także dla porównania
– płyt zespolonych z belką stalową.
0,90
0,80
płyty swobodne
0,70
skrócenia (promile)
szała się do około 95% w 181
dniu badania, po czym stopniowo
zmniejszała się (w okresie jesienno-zimowym) do około 60% w 12
miesiącu badań.
Próbki o wymiarach 10x10x50 cm
do pomiaru skurczu aparatem
Amslera ułożone były poziomo
na dwóch poprzecznych, wąskich
podkładkach
umożliwiających
wysychanie betonu ze wszystkich
stron. Odcinki płyt umieszczono na podłużnych podkładkach
o szerokości równej szerokości
półki belki stalowej, co umożliwiało
wysychanie betonu w podobnych
warunkach jak w przypadku belek
zespolonych (rys. 4). Wytrzymałość
na ściskanie badano po 30 dniach,
natomiast wytrzymałość na rozciąganie po 14, 30 i 90 dniach po 5
próbek w każdym terminie. Moduł
sprężystości badano po 90 dniach
od chwili zabetonowania próbek.
W drugiej części badań, jak już
wspomniano, pomierzono ugięcia
doraźne spowodowane przyłożonym obciążeniem zewnętrznym,
równomiernie rozłożonym na długości belek (3.56 kN/mb). W dalszej części badań przewiduje się
zwiększenie obciążenia zewnętrznego.
próbki do
aparatu Amslera
0,60
0,50
0,40
0,30
płyty połączone z belką
0,20
0,10
0,00
0
25
50
75
płyta swobodna I
płyta swobodna II
płyta swobodna III
belka I
belka II
belka III
próbki do aparatu Amslera
100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375
wiek betonu (dni)
Rys. 5. Porównanie średnich odkształceń skurczowych swobodnych odcinków
płyt, płyt zespolonych z belką stalową i próbek badanych aparatem Amslera
Początkowo największe wartości
odkształceń skurczowych swobodnych wykazywała najwcześniej
wysychająca płyta o najmniejszej
grubości. W późniejszym okresie
czasu różnice odkształceń skurczowych poszczególnych płyt
swobodnych ulegały zmniejszeniu.
Próbki badane aparatem Amslera
wykazały skurcz o wartościach
tylko nieco mniejszych od wartości
odkształceń swobodnych odcinków płyt.
Płyta betonowa przytrzymywana
przez belkę stalową poprzez łączniki nie ma pełnej swobody odkształceń skurczowych. Odkształcenia
skurczowe płyt połączonych
z belką stalową w 12 miesiącu
badań stanowiły około 60÷70%
wartości odkształceń płyt swobodnych. Zespolenie płyty betonowej
z belką stalową, a więc przytrzymywanie odkształceń skurczowych
prowadzi do powstawania w płycie
naprężeń rozciągających. Wpływać
to może na pojawienie się zarysowań skurczowych. Szersze rozwa-
żania na ten temat zamieszczono
w pracach [5, 7].
Rysunek 6 przedstawia zmiany
długości włókien belek stalowych
na wysokości dolnej i górnej półki
oraz zmiany długości płyt betonowych zespolonych z belką, mierzone w połowie grubości tych
płyt (por. rys. 3). Zmiany wywołane skurczem betonu – w postaci
odkształceń względnych ε wyrażono w ‰ w zależności od wieku
betonu. Im dłuższy czas wysychania płyt betonowych tym większe
są odkształcenia zarówno betonu
jak i stali. Dolne włókna belek stalowych wykazują niewielkie wydłużenia, górne natomiast prawie 3 razy
większe skrócenia. Jeszcze większe odkształcenia betonu i związane z tym załamania wykresów
w płaszczyznach zespolenia mogą
wskazywać dość wyraźnie na brak
płaskości przekrojów. Tłumaczyć
to można pracą i odkształceniami
sworzni stalowych, a także faktem, że skrócenia betonu mierzono
w odległościach 150 mm od płasz-
Rys. 6. Odkształcenia włókien dolnych i górnych belek stalowych oraz płyt betonowych spowodowane skurczem betonu
20
PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/2006
KO N S T R U KC JE–ELEMENTY–MATERIAŁY
�
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
belka I
belka II
belka III
0,30
0,20
0,10
0,00
0
25
50
Rys. 7. Wartości stosunku η odkształceń skurczowych płyt zespolonych
z belką do odkształceń płyt swobodnych
4,0
3,5
ugięcia (mm)
3,0
2,5
2,0
belka I
belka II
belka III
1,5
1,0
0,5
0,0
0
25
50
75
100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375
wiek betonu (dni)
Rys. 8. Wykresy ugięć belek spowodowanych skurczem betonu (por. rys. 1)
czyzny symetrii belki (por. rys. 3),
a w tych obszarach płyty skurcz
betonu może być nieco większy.
Rysunek 7 przedstawia wartości
stosunku η odkształceń skurczowych płyt zespolonych z belką
do odkształceń płyt swobodnych.
Najniższą wartość po ustabilizowaniu wykazywała belka I o najmniejszej grubości płyty.
3.2. Ugięcia i obroty
Przebieg ugięć wywołanych skurczem betonu w środku rozpiętości
belek, w funkcji czasu, przedstawiono na rysunku 8. Największe
wartości ugięć po upływie 10 tygodni wykazała belka I o najmniejszej
grubości płyty. Belka ta, w pierwszych tygodniach wykazywała
większe przyrosty ugięć niż belki II
i III, co wynikało z przyspieszonego
procesu skurczu, na skutek łatwiejszego wysychania betonu związanej z nią cienkiej płyty. W późniejszym czasie procentowe różnice
przyrostów ugięć poszczególnych
belek zmniejszały się.
Po jedenastu miesiącach wartości
ugięć wszystkich trzech belek były
bardzo zbliżone do siebie.
W celach porównawczych obliczono ugięcia belek zespolonych, spowodowane tylko skurczem betonu,
na podstawie wzoru podanego
w normie [3]:
� cs �
M cs L2
8E a I a
�
I �
��1 � a ��
I ac �
�
w którym:
PRZEG L Ą D B U D O W L A N Y 2/2006
M cs � E a I a � cs / a
A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E
75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375
wiek betonu (dni)
gdzie:
Ia – moment bezwładności przekroju belki stalowej,
Iac – sprowadzony moment bezwładności przekroju zespolonego
w przęśle belki,
a – odległość między środkami
ciężkości przekrojów belki stalowej
i płyty betonowej,
εcs – swobodne odkształcenie skurczowe betonu,
L – rozpiętość belki.
Obliczenia te wykonano wykorzystując średnie wartości odkształceń skurczowych pomierzonych
na swobodnych odcinkach płyt
oraz na próbkach badanych
w aparacie Amslera. Przyjęto efektywny moduł sprężystości betonu
Ec,eff = 10,5 GPa, jak dla obciążeń
długotrwałych [3], równy 1/3 siecznego, doraźnego modułu sprężystości betonu Ecm=31,5 GPa,
otrzymanego z badań (średnia
wytrzymałość betonu na ściskanie
po 30 dniach wynosiła 42,0 MPa).
Porównanie wartości ugięć obliczonych na podstawie wzoru normowego (1) z ugięciami pomierzonymi
na belkach w środku rozpiętości
przedstawiono w tabeli 3.
Obliczone wartości ugięć były
o około 20÷30% większe od wartości pomierzonych. Trzeba zaznaczyć, że w elementach zespolonych
stosowanych w obiektach budowlanych zawsze występuje również wpływ zbrojenia podłużnego
na ograniczenie wartości odkształceń skurczowych betonu, co dodatkowo zmniejsza wartość ugięć.
Pomierzone ugięcia doraźne (natychmiastowe) od obciążeń zewnętrznych o wartości 3,56 kN/m
podano w tabeli 4:
Otrzymane z badań wartości ugięć
natychmiastowych belek zespolonych, wywołanych obciążeniem
zewnętrznym, różnią się od –5
do +8% od wartości oszacowanych na podstawie wzoru normowego. Jednocześnie pomierzone
wartości ugięć belek zespolonych
są kilka razy mniejsze (2,8÷5,3)
od obliczonej wartości ugięć niezależnej belki stalowej przy takich
samych obciążeniach doraźnych.
21
KONSTRUKCJE–ELEMENTY–MATERIA ŁY
żeń zewnętrznych były 2,8÷5,3
razy mniejsze od obliczonych ugięć
dla niezależnej belki stalowej.
Tabela 3. Wartości ugięć po 348 dniach obliczone i pomierzone
Ugięcia obliczone na podstawie
odkształceń skurczowych:
Belka
Próbek
10x10x50 cm
Ugięcia
pomierzone
Swobodnych odcinków
płyt
A R T Y K U ŁY P R O B L E M O W E
mm
I
4,39
4,63
3,62
II
4,73
5,02
3,75
III
4,84
5,06
3,67
4. Podsumowanie wyników
badań
1. Odkształcenia skurczowe płyt
betonowych połączonych z belkami stalowymi wynosiły po jedenastu miesiącach od chwili zabetono-
1/3 wartości ugięć dopuszczalnych, ustalanych najczęściej na
poziomie 1/250 rozpiętości belki.
3. Pomierzone ugięcia natychmiastowe od obciążeń zewnętrznych
o wartości 3,56 kN/m wynosiły
od 0,49 do 0,93 mm i zależa-
Tabela 4. Wartości ugięć natychmiastowych od obciążeń zewnętrznych
Belka
Pomierzone
ugięcia belek
zespolonych
Obliczone ugięcia
belek zespolonych
Obliczone ugięcia
niezależnej belki
stalowej
Stosunek ugięć:
obliczone /
pomierzone belek
zespolonych
mm
I
0,928
0,877
II
0,697
0,679
III
0,490
0,531
wania około 0,5÷0,6 ‰. Stanowiło
to 60÷70 % wartości odkształceń
skurczowych płyt swobodnych.
2. Ugięcia belek spowodowane
skurczem betonu po 11 miesiącach znajdowały się w przedziale
3,62÷3,75 mm. Stanowi to około
Stosunek ugięć: obliczone dla
niezależnej belki stalowej /
pomierzone belek zespolonych
%
2,577
0,95
2,78
0,97
3,70
1,08
5,26
ły od grubości płyty betonowej.
Porównawcze wartości obliczone
na podstawie wzoru normowego
są zbliżone do wartości otrzymanych z badań (tab. 4).
4. Pomierzone ugięcia natychmiastowe belek zespolonych od obcią-
Świadectwo energetyczne
Od 4 stycznia tego roku budynki, podobnie jak lodówki
czy pralki, powinny mieć świadectwa energetyczne, by
ich użytkownicy wiedzieli, z jakimi wydatkami na energię muszą się liczyć. Taki obowiązek nakłada dyrektywa
unijna 2002/91/WE, dotycząca oszczędzania energii.
Równocześnie z unijną dyrektywą, w życie miała wejść
„Ustawa o systemie oceny energetycznej budynków”.
Poprzedni rząd nie podołał w terminie, by skierować ją
do Sejmu, obecny ma to zrobić niebawem, ale może też
nie zdążyć. W każdym razie, zgodnie z projektem ustawy, obowiązek uzyskania świadectwa energetycznego
dotyczyć ma już w tym roku wszystkich nowo budowanych budynków. Natomiast dla domów już istniejących,
22
BIBLIOGRAFIA
1. PN-82/B-03300: Konstrukcje zespolone
stalowo-betonowe. Obliczenia statyczne
i projektowanie. Belki zespolone krępe.
2. PN-86/B-03301: Konstrukcje zespolone
stalowo-betonowe. Obliczenia statyczne
i projektowanie. Belki zespolone smukłe.
3. PN-B-03300:2004: Konstrukcje zespolone
stalowo-betonowe. Obliczenia statyczne
i projektowanie.
4. PN-B-03264:2002: Konstrukcje betonowe,
żelbetowe i sprężone. Obliczenia statyczne
i projektowanie.
5. Gremza G., Petters W., Zamorowski W.,
Badania wpływu skurczu betonu na ugięcia
belek zespolonych stalowo-betonowych.
Księga Jubileuszowa z okazji 70-lecia
Profesora Włodzimierza Starosolskiego,
Gliwice, 2003.
6. Gremza G., Zamorowski W., Rozwiązania
łączników w belkach zespolonych stalowobetonowych. Przegląd Budowlany 7-8/2004,
s. 26-30.
7. Zamorowski W., Badania odporności
betonu na zarysowania skurczowe. Inżynieria
i Budownictwo 7-8/95, s. 417-420.
czas uzyskania świadectwa upływa 1 stycznia 2009
roku. Po tym terminie, świadectwo energetyczne będzie
niezbędne w trzech wypadkach:
• gdy właściciele będą chcieli sprzedać nieruchomość,
• wynająć ją,
• przeprowadzić modernizację domu lub mieszkania,
której koszt przekroczy 25% wartości obiektu.
Świadectwa mają wydawać specjaliści z uprawnieniami. W ciągu roku ma być ich przeszło tysiąc, a ich
dane adresowe mają być dostępne na stronie internetowej resortu transportu i budownictwa. Dla właścicieli
mieszkań będzie to wydatek rzędu kilkuset złotych, właściciele mieszkań zapłacą ponoć ok. 1,5 tys. złotych.
Świadectwa zachowywać będą ważność przez 10 lat.
Po tym okresie będzie można je przedłużyć.
PRZEGLĄD BUDOWLANY 2/2006