Sport City Tower, Doha (Qatar)-planee mixteELEMENTE MIXTE OEL-BETON

*TIPURI DE ELEMENTE MIXTE OEL-BETON

*

Avantajele seciunilor compuse oel-beton:modul favorabil de solicitare a celor dou materiale;reducerea consumului de oel comparativ cu grinzile metalice i reducerea greutii proprii n raport cu grinzile din beton;reducere sensibil a sgeii;reducerea nlimii etajului cldirii sau o cretere a spaiului disponibil pentru trecerea conductelor sau grinzilor.

*

*

OELURILE cele mai utilizate sunt de marc S275 i S355

Caracteristici mecanice pentru oeluri, SR EN 10025-2*

Marca de oelGrosimea nominal a elementului [mm]

[N/mm2][N/mm2][N/mm2][N/mm2]S235235360215360S275275430255410S355355510335470

TABLELE CUTATE (profilate) se execut prin laminare la rece, dintr-o band de tabl subire laminat la cald care, n prealabil, a fost acoperit cu un strat de zinc pentru a rezista la aciunea factorilor corosivi. Protecia anticorosiv se realizeaz folosind numai tehnica de acoperire prin galvanizare. Aceast protecie este suficient n cazul planeelor interioare din medii neagresive; pentru alte situaii se aplic modificri funcie de condiiile de exploatare. De regul, tabla se protejeaz prin zincare pe ambele fee, consumul de zinc fiind de 275 g/m2, asigurndu-se o grosime a stratului de zinc de aproximativ 0.02 mm pe fiecare fa. EUROCODE 4 recomand grosimi de tabl cuprinse ntre 0.75 mm i 2 mm (uzual ntre 1.0 mm i 1.25 mm), deoarece grosimi mai mici de 0.75 mm necesit analize speciale referitoare la stabilitate i coroziune. Lungimea tablelor cutate este de 1020 m, iar limile obinuite sunt ntre 6501000 mm.Limita de elasticitate caracteristic a oelului utilizat pentru confecionarea tablelor profilate are o valoare cuprins ntre 280 N/mm2 i 350 N/mm2.Clasele de calitate JR, JO, J2 i K2 difer ntre ele prin sudabilitate i valori prescrise pentru energia de rupere la ncovoiere prin oc.

*

Rezistenele BETONULUI sunt n funcie de clasa acestuia (ex: C30/37- primul numr reprezint rezistena la compresiune pe cilindru n MPa, iar al doilea numr reprezint rezistena pe cub corespunztoare).

*

Clasa betonului NE 012-99

RezistenabetonuluiC12/15C16/20C20/25C25/30C30/37C35/45C40/50C45/55C50/60Clasa: C 140-86Bc15Bc20Bc25Bc30Bc35Bc40Bc50Bc60Bc60MarcaB200B250B300B400B450B500B600B700- [MPa]121620253035404550 [MPa]1.61.92.22.62.93.23.53.84.1 [MPa]1.11.31.51.82.02.22.52.72.9 [MPa]2.02.52.93.33.84.24.64.95.3 [N/mm2]--0.260.300.340.380.420.450.48

n domeniul elastic, modificarea caracteristicilor betonului n timp cauzate n principal de fluajul materialului, pot fi considerate prin intermediul modulului de elasticitate . Pentru luarea n considerare a fluajului betonului, n cazul cldirilor (exceptnd analiza global a structurilor zvelte), este suficient ca aria de beton, , s fie nlocuit cu o arie echivalent de oel, , unde reprezint coeficientul de echivalen nominal egal cu:

unde: este modulul de elasticitate longitudinal al oelului, este modulul echivalent al betonului.n cazuri obinuite se accept n mod simplificat o valoare medie

*

ARMTURILE din beton pot fi sub form de bare independente sau plase plane sudate.Ele pot s rezulte dintr-un calcul de rezisten sau se pot dispune constructiv pentru preluarea tensiunilor din contracia betonului, pentru asigurarea unei distribuii convenabile a fisurilor normale, sau din condiii de rezisten la incendiu. Tipul de armtur este indicat prin valoarea limitei de elasticitate caracteristic: 400 [N/mm2] 600 [N/mm2 ],Clasificarea armturilor fiind fcut dup: rezisten, clasa de ductilitate (nalt - H: i normal - N: ) cu 1,05 1,35 , diametru, caracteristicile suprafeei i sudabilitate. Exemplu armturi de tip S500H sau S500N.

*

MIJLOACELE DE ASAMBLARE se aleg n funcie de tipul conexiunii.Rezistena caracteristic, , (capacitatea portant caracteristic) a unui conector este egal cu fora maxim aplicat n direcia considerat care poate fi suportat de conector pn la rupere.Rezistena de calcul, , se obine din relaia:

unde:- este rezistena caracteristic la forfecare a unui conector;- este coeficientul parial de siguran la starea limit ultim.La alegerea materialului pentru realizarea conectorilor se va ine seama de comportamentul cerut pentru acetia i de metoda de fixare pe elementul de oel. Pentru conectorii ductili, respectarea condiiilor urmtoare este obligatorie:- ;- alungirea la rupere, msurat pe o lungime ntre repere, de (A0 reprezentnd aria iniial a seciunii transversale) nu trebuie s fie mai mic de 12%: cu .

*

*Coeficient de armareCapacitate de rotire:Clasa 1Clasa 2Clasa 3Clasa 4CLASIFICAREA SECIUNILOR

Clasa seciuniiRezistena secional la ncovoiere1 sau 2plastic3elastic4elastic considernd voalarea pereilor comprimai

Clasa 1Clasa 2Inima:Inima:Talpa:Talpa:Seciune sudatSeciune laminat*CLASIFICAREA SECIUNILOR

*ncrcrile care solicit grinzile mixte sunt practic aceleai cu ale grinzilor metalice fr conlucrare. Diferena intervine datorit modului de execuie a acestora. Astfel, se disting dou stadii de comportament: stadiul de execuie (fr participarea betonului), stadiul definitiv (cu conlucrare oel-beton).Stadiul de execuie cuprinde toate fazele dinaintea ntririi betonului din plac. Rezistena este asigurat doar de grinda metalic, iar sistemul static este identic cu cel al grinzii metalice fr legtur cu betonul.Stadiul definitiv este caracterizat prin asigurarea capacitii portante de ctre grinda mixt oel-beton, betonul atingnd prin ntrire o rezisten la compresiune suficient.

*

SECIUNI LAMINATE SAU COMPUSE-SUDATE PENTRU GRINZI Grinzi metalice i plac de beton armat, fr vut/cu vut

Grinzi metalice nglobate parial n beton i plac de beton armat

Grinzi metalice i dal mixt oel-beton

Grinzi metalice nglobate parial n beton i dal mixt oel-beton*

*

Grinzile mixte oel-beton sunt elemente portante ncovoiate alctuite dintr-o grind metalic (profil dublu T, laminat sau sudat) care conlucreaz cu o plac (dal) din beton (monolit sau prefabricat, armat sau precomprimat.Participarea optim a fiecrui material va ine cont de comportamentul lor fizic. Astfel, betonul are o bun rezisten la compresiune pe cnd participarea sa la ntindere trebuie, n general, neglijat. Oelul se comport la fel de bine la compresiune ca i la ntindere, dar zvelteea elementelor, adesea ridicat, le fac sensibile la fenomenul de instabilitate n zonele comprimate. Toat dala, sau o parte important din aceasta (n funcie de poziia axei neutre), este comprimat. Talpa superioar a grinzii metalice este mpiedicat de ctre dala de beton s-i piard stabilitatea sau s se rsuceasc. Mai mult, oelul este solicitat aproape exclusiv la ntindere (n funcie de poziia axei neutre).

*

a. fr legturi la nivelul interfeei oel-beton; b. cu legturi (conectori) la interfaa oel-betonPe baza acestor observaii, se poate constata c elementul ncovoiat cu seciunea compus dintr-un profil metalic i o dal de beton, fr nici o legtur ntre ele nu este o soluie bun deoarece fiecare element este ncovoiat independent. Partea ntins a dalei de beton fisureaz i astfel nu particip la limitarea deformaiei longitudinale. Rezistena grinzii de oel va fi probabil determinat de un fenomen de instabilitate (deversare, voalarea inimii sau a tlpii comprimate). Cu o legtur perfect ntre cele dou materiale, repartizarea deformaiilor specifice arat c utilizarea materialelor este sensibil diferit i mai ales mbuntit. *

Condiii de baz privind calculul la stri limit a grinzilor mixte oel-beton :grinzile metalice au o ax de simetrie n planul inimii, plan n care se produce ncovoierea grinzii;momentul capabil de calcul se determin printr-un calcul plastic numai dac seciunea mixt eficace este ncadrat n clasa 1 sau 2;grinda metalic este solicitat la ntindere sau compresiune la o tensiune egal cu ;seciunile din beton din zona comprimat rezist la o tensiune egal cu constant pe toat nlimea, situat ntre axa neutr i fibra cea mai solicitat;seciunile de armtur longitudinal bine ancorate din zona ntins, pot fi solicitate la o tensiune egal cu . Seciunile armturilor din zona comprimat pot fi neglijate. Este de asemenea neglijat tabla cutat situat n zona comprimat. Tabla cutat situat n zona ntins, atunci cnd nervurile sunt paralele cu grinda din oel i mbinrile dintre table asigur transmiterea eforturilor, poate fi solicitat la o tensiune egal cu .*

Pentru ncadrarea grinzilor mixte n cele patru clase, pe lng limitarea supleii pereilor, se iau n considerare urmtoarele:talpa comprimat din oel, dac este fixat corect de dala de beton cu conectori, poate fi considerat ca fiind de clasa 1;dac dala se afl n zona comprimat i grinda metalic este de clasa 1, grinda compus poate fi considerat de clasa 1 dac axa neutr trece prin placa de beton armat sau prin talpa comprimat a grinzii metalice; n caz contrar grinda mixt se consider n clasa 2.

*

Forma grinzii compuse oel-betonPoziia axei neutreClasa seciuniiaxa neutr trece prin dalclasa 1axa neutr trece prin inimclasa 2(n general)

O B S E R V A I I

Pentru calculul grinzilor mixte din structurile cldirilor nu se consider variaia de temperatur.Aciunea contraciei i a curgerii lente poate fi de asemenea neglijat la verificarea n starea limit ultim de rezisten. Acest efect trebuie luat n consideraie la grinzile relativ zvelte, cum sunt cele care se ncadreaz n clasa 4.Seciunea transversal de calcul a unei grinzi mixte oel-beton este format din grinda de oel i placa din beton. ntre placa de beton i grinda metalic se poate dispune o nervur de ngroare a plcii pentru a asigura lungimea de ancorare a conectorilor. Nervura de ngroare a plcii nu se ia n considerare la evaluarea seciunii, dar mrete capacitatea portant prin majorarea nlimii totale a grinzii mixte. Cnd axa neutr trece prin placa de beton armat, betonul din zona ntins nu se consider n calcul.La grinzile la care dala este mixt (beton - tabl cutat), betonul din nervurile tablei nu se consider n calcul.

*

Sistemul static al stadiului definitiv poate fi diferit de cel corespunztor stadiului de execuie: ndeprtarea eventualelor sprijiniri face ca deschiderea liber a grinzii s fie deschiderea definitiv, iar placa de beton prevzut cu armtur modific rigiditatea i rezistena mbinrilor grinzii metalice. n acest ultim caz se poate sublinia c: dac mbinrile grinzii metalice sunt considerate ca fiind articulaii n stadiul de execuie, participarea armturii din placa de beton creeaz o ncastrare parial conducnd la o mbinare semi-rigid i parial rezistent n stadiul definitiv; dac mbinrile grinzii metalice sunt considerate ca fiind rigide n stadiul de execuie, prezena plcii de beton armat majoreaz aceast rigiditate, ca i rezistena ultim pe reazem. Grinda mixt format pe baza unei grinzi metalice isostatice nu mai este o grind simpl, ci devine o grind parial bi-ncastrat; grinda mixt format pe baza unei grinzi metalice bi-ncastrate devine o grind continu.*

*

VERIFICRI N SECIUNI CRITICE

I-I rezistena la ncovoiere i forfecareII-II rezistena la ncovoiere i forfecare i interaciunea M-VIII-III forfecarea conectorilor-forfecare longitudinalIV-IV introducerea local a forelor de forfecare longitudinal n placa de betonV-V forfecarea longitudinal n talpa din betonVI-VI flambaj prin ncovoiere- rsucire*

Calculul elastic al unei grinzi continue, cu moment de inerie constant, nu ine seama de eventuala fisurare a betonului pe reazemul intermediar, ceea ce nu permite o redistribuire a momentului ncovoietor de la reazem spre deschiderile grinzii. Este totui posibil de a considera o asemenea redistribuire care este favorabil n cazul unei bune utilizri ale proprietilor materialelor i a metodelor simplificate. Se va ine seama n plus de efectele fisurrii betonului, de comportamentul elasto-plastic al materialelor ca i de voalarea grinzii pe reazemul intermediar.

*

- Rigiditatea grinzilor nefisurate - Rigiditatea grinzilor fisurateAnaliz pe grind nefisuratAnaliz pe grind fisuratDeterminarea eforturilor din combinaiile caracteristice pentru o grind nefisuratDeterminarea n zonele fisurate a tensiunii de ntindere n fibra extrem de beton Reducerea rigiditii la ncovoiere n zona fisurat O nou analiz structural pentru noua distribuie a rigiditii la ncovoiere Redistribuirea momentului ncovoietor datorit fisurrii

*

La grinzile continue de nlime constant distribuia momentelor ncovoietoare i a forelor tietoare aferente se face pornind de la reazemul intermediar spre mijlocul traveelor, reducnd momentele negative maxime cu valori care s nu depeasc procentele din tabel, dar observnd totodat c momentul ncovoietor pe reazem nu trebuie redus la valori sub valoarea Mpl,Rd .

Procentajul limit de reducere a momentului ncovoietor negativ*

Clasele seciunii transversale ale seciunii mixte n zonele de moment negativ (reazem)1234Analiza elastic pe grinda nefisurat40302010Analiza elastic pe grinda fisurat2515100

Deschiderile echivalente, pentru limea activ a tlpii de betonMijlocul deschiderii i reazem intern:Reazem de capt:deschidere echivalent*

este coeficientul parial de siguran pentru beton este coeficientul parial de siguran pentru armtura din beton este coeficientul parial de siguran pentru oel este coeficientul parial de siguran pentru conectori

*

VERIFICAREA LA STRI LIMIT ULTIME domeniul plasticDeterminarea eforturilor printr-o analiz global plastic se poate face utiliznd fie metoda rigid-plastic, fie o metod de calcul elasto-plastic.

Analiza rigid-plastic impune respectarea urmtoarelor cerine:

seciunea transversal a grinzii metalice trebuie s fie simetric fa de axa vertical;alctuirea grinzii metalice s nu permit pierderea stabilitii locale a tlpii comprimate;seciunile active ale grinzii mixte n dreptul articulaiilor plastice sunt de clasa 1, iar toate celelalte seciuni transversale trebuie s fie de clasa 1 sau clasa 2, excluznd inimile active;deschiderile vecine trebuie s respecte condiiile urmtoare: i ;n toate deschiderile, unde mai mult de jumtate din ncrcarea total de calcul este concentrat pe o lungime mai mic dect o cincime din deschidere i n zona articulaiei plastice, avnd dala comprimat, nlimea comprimat a seciunii s nu depeasc 15% din nlimea total a elementului;nu este necesar o asigurare transversal a grinzii dac articulaia plastic este ultima care se poate produce n deschiderea considerat.

*

IPOTEZE PENTRU DETERMINAREA MOMENTULUI REZISTENT PLASTICexistena unei interaciuni complete ntre grinda metalic, i placa de beton (armtur i beton) astfel nct, n cele dou elemente s fie admis rezistena limit maxim;ntreaga seciune a grinzii metalice este plastificat. Tensiunile de ntindere i compresiune n oel vor fi egale cu limita de elasticitate de calcul , ;tensiunile n seciunea participant a betonului comprimat au valoarea limit de , constant pe ntreaga nlime situat ntre axa neutr plastic i fibra cea mai comprimat a betonului. Coeficientul de siguran este ;n armtura longitudinal flexibil din dala de beton armat, solicitat la ntindere sau compresiune, tensiunile vor fi egale cu limita de elasticitate de calcul , unde . Armtura flexibil din dala comprimat se poate neglija n calcul.*

n funcie de numrul de conectori dispui, legtura (conlucrarea) dintre grinda metalic i placa de beton armat poate fi: total (complet). Se consider o legtur complet dac fora de lunecare capabil a conectorilor este mai mare dect fora de lunecare maxim (la rupere) care apare la interfaa de contact oel-beton. parial. Considernd pentru conectorii ductili o distribuie uniform a lunecrii, rezult un numr de conectori necesari, . Dac numrul de conectori dispui este mare, , conexiunea este complet. Dac pe lungimea critic, numrul de conectori este mai mic, , conexiunea este parial cu un grad de conlucrare .

*

Grind mixt fr conexiune (efortul Nc necesar realizrii momentului plastic Mpl,Rd este nul)Grind mixt cu conexiune parial (efortul Nc introdus n beton prin suma eforturilor din conectori este insuficient pentru atingerea valorii momentului plastic; diagrama de plastificare a seciunii cu dou axe neutre) Grind mixt cu conexiune complet (introducerea n beton a efortului Nc necesar realizrii momentului plastic Mpl, Rd)*

*

Deformaia inimii

STABILITATEA GENERALks*

*