Połączenia sprężonych elementów stropowych HC

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Andrzej Cholewicki ITB dr inż. Irena Bobulska-Cholewicka, EUST Radom Połączenia sprężonych elementów stropowych HC z konstrukcją budynku - cz. I Płyty stropowe typu HC są dziś powszechnie stosowane zarówno w nowoczesnych krajach europejskich, jak i w krajach wkraczających na drogę rozwoju gospodarczego. Rocznie w skali światowej produkuje się miliony metrów kwadratowych tych płyt. Część pierwsza artykułu opisuje wymagania normowe w zakresie bezpieczeństwa budynków oraz wymagania EC1 i EC2 dotyczące realizacji systemów wiążących konstrukcji. Tezą autorów artykułu jest przekonanie sceptyków co do wysokich walorów płyt HC naświetlonych tu w aspekcie następujących zagadnień szczegółowych: realizacji wymagań co do ogólnej spójności konstrukcyjnej w sytuacji wyjątkowej (w terminologii angielskiej wymagania zawarte są w postulacie robustness of structure), realizacji wymagań sztywności przestrzennej ustroju (w terminologii angielskiej określanych mianem in plane action), tworzenia zespolonych układów stropowych (w terminologii angielskiej composite action). W przypadku płyt HC kontrowersja, a w Polsce nawet niechęć w stosowaniu tych płyt, polega na kwestionowaniu ich wysokich walorów techniczno-ekonomicznych, powodowanych m.in. brakiem tak zwanego klasycznego zbrojenia na ścinanie, jak też braku połączeń wystających z krawędzi elementów. Problem efektywnego zabezpieczenia obiektów budowlanych przed skutkami uszkodzeń lokalnych oraz tzw. katastrofy postępującej jest przedmiotem wielu rozważań środowisk naukowych, projektantów, wykonawców konstrukcji obiektów budowlanych, a szczególnie budynków i budowli prefabrykowanych. Występujące obecnie coraz większe zróżnicowanie zagrożeń uszkodzeń konstrukcji budynków, szczególnie w wyniku oddziaływań wyjątkowych, aktów terrorystycznych, pożarów, zmusza projektantów konstrukcji do szukania efektywnych sposobów zabezpieczeń obiektów budowlanych. Wymagania normowe w zakresie bezpieczeństwa budynków W myśl wymagań podstawowych podanych w Eurokodach [1] i [2] dotyczących zapewnienia niezawodności konstrukcji konstrukcję należy tak zaprojektować, aby w zamierzonym okresie użytkowania, z uwzględnieniem wpływu środowiska, z należytym poziomem niezawodności, pozostała przydatna do przewidzianego użytkowania i przejmowała wszystkie oddziaływania i wpływy, których pojawienia się można oczekiwać podczas wykonywania i użytkowania. Ponadto powinna pozostać bez uszkodzeń, w zakresie nieproporcjonalnym do ich początkowej przyczyny w przypadku pożaru oraz w wyniku innych oddziaływań wyjątkowych. EC2 [1] wskazuje strategie i reguły dotyczące zapewnienia bezpieczeństwa budynków i innych budowli inżynierskich poddanych możliwym i niemożliwym do określenia oddziaływaniom wyjątkowym oraz ograniczeniu zasięgu zniszczenia miejscowego. EC1 określa poziomy akceptowalności takiego uszkodzenia, pod warunkiem że fakt ten nie będzie stanowił zagrożenia stateczności i utraty nośności całej konstrukcji oraz zostaną zachowane warunki umożliwiające podjęcie niezbędnych działań ratowniczych. Dokument uzależnia strategię postępowania od klas konsekwencji zniszczenia, wskazując przypadki, w których należy stosować zasady projektowania stężeń pionowych i poziomych konstrukcji ramowych oraz ścianowych, a także reguły dotyczące przyjmowania nominalnego odcinka ściany nośnej (usuniętej) i wartości obciążenia tzw. elementu kluczowego. Dokument EC1 rozróżnia 3 klasy konsekwencji, w których przyporządkowano różne rodzaje budynków o różnym przeznaczeniu [2]: 32

2 PROJEKTOWANIE NOWOCZESNE HALE 4/18 Rys. 1. Zalecane ograniczenie dopuszczalnego uszkodzenia: (A) miejscowe uszkodzenie nieprzekraczające jednej z dwóch wartości: 15% powierzchni podłogi lub 100 m 2 powierzchni podłogi na każdej z dwóch sąsiednich kondygnacji, (B) umownie usunięty słup Rys. 2. Schemat rozplanowania powiązań zewnętrznych i wewnętrznych płyt stropowych z konstrukcją budynku Rys. 3. Wymagane przez EC2 systemy wiążące konstrukcję budynku nane z zachowaniem strategii obiektów objętych klasą konsekwencji 1, wymagają skutecznych stężeń poziomych lub skutecznego zakotwienia stropów podwieszonych do ścian zgodnie z wymogami konstrukcji ramowych i konstrukcyjnej ściany nośnej. Wymagane stężenia poziome to stężenia wzdłuż klasa CC1: niskie konsekwencje zniszczenia (domy prywatne o wysokości maks. 4 kondygnacji, budynki rolne, budynki, w których rzadko przebywają ludzie itd.); klasa CC2: średnie konsekwencje zniszczenia; w klasie 2 wyróżniono grupę obiektów niższego ryzyka dzielącą się na: klasę 2a domy prywatne do pięciu kondygnacji, hotele, inne budynki mieszkalne o wysokości do czterech kondygnacji, budynki przemysłowe do trzech kondygnacji, jednokondygnacyjne budynki oświatowe, dwukondygnacyjne budynki z dostępem publicznym o powierzchni podłogi na każdej kondygnacji do 2000 m 2 ; klasę 2b hotele, mieszkania, apartamenty i inne budynki mieszkalne o wysokości ponad 4 kondygnacji, budynki oświatowe o wysokości 1 < h < 15 kondygnacji, biura o wysokości 4 < h < 15 kondygnacji, budynki z dostępem publicznym o powierzchni podłogi na każdej kondygnacji > 2000 m 2, ale nie większej niż 5000 m 2 ; klasa CC3: wysokie konsekwencje zniszczenia; wszystkie budynki zdefiniowane jako klasy konsekwencji 2, które przekraczają ograniczenia powierzchni i liczby kondygnacji. W Eurokodzie 1 [2] podano zasady i metody projektowania budynków w celu ograniczenia obszaru zniszczenia miejscowego od nieokreślonych przyczyn, które gwarantują, że budynek określonej klasy konsekwencji, przy zachowaniu ww. zasad i metod projektowania, jest wystarczająco odporny, aby utrzymać ograniczony obszar uszkodzenia lub zniszczenia bez zawalenia. Minimalny okres, który budynek musi przetrwać w wyniku wypadku, jest wymagany z uwagi na czynności ratownicze. Budynki objęte uwarunkowaniami z 1 klasy konsekwencji, jeżeli zostały zaprojektowane i wykonane zgodnie z zasadami podanymi w EN1990 z uwagi na ich stateczność przy normalnym użytkowaniu, nie wymagają żadnych dodatkowych rozważań, jeżeli chodzi o oddziaływania wyjątkowe. Budynki objęte klasą konsekwencji 2a, jeżeli zostały zaprojektowane i wykoobwodu każdej kondygnacji budynku i na poziomie stropu oraz wewnątrz, w dwóch prostopadłych kierunkach, tak by bezpiecznie stężyć elementy słupowe i ścienne z konstrukcją budynku. Stężenia poziome winny być ciągłe i rozplanowane jak najbliżej krawędzi stropów i rzędu słupów i ścian. Minimum 33

3 fot. A. Cholewicki Rys. 4a. Kształt i przekrój poprzeczny płyt kanałowych HC grubości 400 mm Rys. 4b. Niewielkie dyblowania bocznych podłużnych ścian płyty HC grubości 320 mm 30% tych stężeń winno być umieszczone w linii siatki słupów i ścian. Każde poziome wewnętrzne stężenie ciągłe winno przenosić jedną z dwóch wartości obliczeniowego obciążenia dla wyjątkowego stanu granicznego i T p w przypadku połączeń obwodowych: dla stężeń wewnętrznych = 0,8 ) sl lub 75 kn, dla stężeń obwodowych T p = 0,4 ) sl lub 75 kn, s rozstaw stężeń, L rozpiętość stężeń, współczynnik w wyrażeniu na efekty kombinacji oddziaływań, wyjątkowej sytuacji obliczeniowej wg EN1990. Dla budynków klasy 2a odpowiednią odporność zapewnia komorowa forma zaprojektowanej konstrukcji, tak by wszystkie części składowe konstrukcji wzajemnie współdziałały, uwzględniając odpowiednie sposoby zakotwienia stropów w ścianach. Dla budynków klasy 2b w stropach zapewnia się ciągłe wewnętrzne stężenia poziome, rozmieszczone w całym stropie w obu prostopadłych kierunkach oraz stężenia brzegowe wzdłuż obwodu płyty stropowej w pasie o szerokości 1,2 m. Obliczeniowe obciążenie rozciągające w stężeniach wyznacza się wg: dla stężeń wewnętrznych większą z wartości: [kn/m] lub {F t + q k )/ 7,5} z/5} dla stężeń obwodowych: T p, F t mniejsza z wartości 60 [kn/m] lub n s [kn/m], n s liczba kondygnacji, z mniejszą z wartości: z = 5H (H wysokość kondygnacji w świetle) lub największa odległość w metrach w kierunku stężeń, między osiami słupów lub innych pionowych elementów nośnych, o ile tę odległość obejmuje: pojedyncza płyta, układ belek i płyt. Stężenia pionowe Każdy słup i ścianę stęża się w sposób ciągły od fundamentów do poziomu dachu. Wg [2] w przypadku budynków ramowych (stalowych lub żelbetowych) słupy i ściany przenoszące oddziaływania pionowe są zdolne do przeniesienia obliczeniowej siły rozciągającej równej największej obliczeniowej pionowej stałej i zmiennej reakcji od obciążenia przyłożonego do słupa z każdej pojedynczej kondygnacji. Zakłada się, że obliczeniowe obciążenie wyjątkowe nie działa równocześnie z oddziaływaniami stałymi i zmiennymi działającymi na konstrukcję. EC 1 określa grubość, minimalną wytrzymałość ściany oraz pionową siłę stężenia, jaką winny przenieść ściany konstrukcyjne, tak by stężenie pionowe było skuteczne [2]. Stężenia pionowe są zgrupowane maks. co 5 m, skoncentrowane wzdłuż ściany i występują nie dalej niż 2,5 m od nieusztywnionego końca ściany. Rys. 5. Płyty HC produkcji polskiej. Ścianki zewnętrzne płyt gładkie bez żadnych dyblowań Elementy kluczowe Zgodnie z EC1 [2], projektując potencjalne zniszczenie konstrukcji, wynikające z nieokreślonej przyczyny, powinno być ono złagodzone przez zaprojektowanie między innymi elementu 34

4 PROJEKTOWANIE NOWOCZESNE HALE 4/18 Rys. 6. Przekrój płyty dużej rozpiętości, powyżej 22 m i grubości płyt 600 mm (produkowanej we Włoszech) Rys. 7. Płyty kanałowe HC dużych rozpiętości z zamkami dyblowymi. Płyty składowane u producenta prefabrykatów w Hiszpanii [12] fot. A. Cholewicki Rys. 8. Szkic powiązania podłużnego płyt z belką podporową. Zbrojenie zszywające wypuszczone z odkrytych kanałów płyt do wieńców wykonywanych na belkach podporowych Rys. 9. Powiązanie płyt HC z belką podporową, ze słupem oraz zbrojeniem wypuszczanym z otwartych kanałów płyt kluczowego. Dla konstrukcji budowlanych element kluczowy jest zdolny przenieść obliczeniowe oddziaływania wyjątkowe A d przyłożone w kierunkach poziomym lub pionowym do elementu i do każdej części składowej. Takie obciążenie może być skupione lub rozłożone. Wartość zalecana tego obciążenia wynosi 34 kn/m 2. Wymagania EC1 i EC2 dotyczące realizacji systemów wiążących konstrukcji Zgodnie z PN-EN :2008 [1] Konstrukcje, które nie zostały obliczone i zaprojektowane ze względu na oddziaływania wyjątkowe, powinny mieć odpowiedni system wiążący, który tworząc wtórny ustrój nośny po lokalnym uszkodzeniu zapobiega katastrofie postępującej. Należy przewidzieć następujące powiązania: a) wieńce obwodowe, b) wieńce wewnętrzne, c) wieńce poziome łączące słupy lub ściany, d) jeśli trzeba, powiązania pionowe, szczególnie ścian w budynkach z płyt prefabrykowanych. Jeżeli budynek jest podzielony dylatacjami na niezależne konstrukcyjnie części, to każda z tych części winna mieć niezależny system wiążący. Zbrojenie, które zastosowano w słupach, ścianach i stropach, można uważać za część lub całość zbrojenia wieńców i powiązań. Wieńce obwodowe Na poziomie każdego stropu i dachu, przy brzegu płyty stopowej, w paśmie o szerokości 1,2 m, należy zastosować wieniec obwodowy zapewniający ciągłość konstrukcji budynku. Wieniec ten może zawierać zbrojenie zastosowane jako część zbrojenia powiązań wewnętrznych. Wieniec obwodowy winien być zdolny do przeniesienia siły rozciągającej : = l i Q 2 = 70 kn siła w wieńcu, I i rozpiętość przęsła skrajnego,, Q 2 wartości zalecane przez normę [1], = 10 kn/m, Q 2 Powiązania wewnętrzne Zgodnie z EC2 [1] powiązania wewnętrzne należy umieszczać na poziomie każdego stropu i dachu w dwóch prostopadłych kierunkach. Powinny one zapewniać ciągłość wzdłuż ich długości oraz na każdym końcu, winny być zakotwione w wieńcach obwodowych, o ile nie są przedłużeniem wieńców poziomych łączących słupy lub ściany. Powiązania wewnętrzne mogą być rozłożone równomiernie albo skoncentrowane w belkach, ścianach lub w innych odpowiednich miejscach. Powiązania skoncentrowane w ścianach winny mieścić się w obszarze nie szerszym niż 35

5 Rys. 10. Schemat powiązania wewnętrznego płyt na podporze. Pręty górne realizują częściowe uciąglenie płyty na podporze Rys. 11. Powiązanie wewnętrzne płyt z belką. Zbrojenie wypuszczone z otwartych kanałów po zabetonowaniu zapewnia powiązanie wewnętrzne płyt 0,5 m od góry i od dołu płyty stropowej. Powiązania wewnętrzne powinny być zdolne do przeniesienia obliczeniowej siły rozciągającej F tie, int. Zalecana wartość: F tie, int w kn/m, F tie, int = 20kN/m. W stropach bez belek rozdzielczych, w których nie można umieścić powiązań prostopadłych do rozpiętości stropu, można stosować powiązania poprzeczne skoncentrowane wzdłuż linii belek. Minimalną siłę wzdłuż linii belki wewnętrznej F tie należy obliczać wg: F tie = 0,5(l 1 +l 2 ) q 3, lecz nie mniej niż q 4, zalecana wartość q 4 Zalecana przez EC2 wartość q 3 = 20 kn/m. Występujące obecnie coraz większe zróżnicowanie zagrożeń uszkodzeń konstrukcji budynków zmusza projektantów konstrukcji do szukania efektywnych sposobów zabezpieczeń obiektów budowlanych. Powiązania poziome ze słupami lub ścianami Na poziomie każdego stropu i dachu słupy zlokalizowane przy krawędziach tarcz stropowych należy powiązać wieńcami z konstrukcją. Słupy narożne należy wiązać w dwóch kierunkach. Wieńce winny przenosić siły rozciągające na metr bieżący elewacji F tie, fac. Zalecana wartość siły w wieńcach łączących słupy: F tie, fac = 20 kn/m i nie większa niż F tie, = 150 kn. col Zbrojenie wieńców obwodowych można uznać za powiązania poziome. W budynkach, które mają 5 lub więcej kondygnacji, należy stosować również stężenia pionowe tak w słupach, jak i ścianach (patrz stężenia pionowe). Wieńce obwodowe usytuowane na poziomie każdego stropu i dachu, przy krawędzi tarczy stopowej, winny być zbrojone ciągłym zbrojeniem obwodowym, kotwionym na obwodzie. Siła rozciągająca, jaką winny przenosić wieńce wg EC2 [1], nie musi być większa od W publikacjach [7 ] i [8] jest powiedziane, że siła rozciągająca w wieńcu winna być nie mniejsza niż 70 kn. Podobne rozbieżności zauważono w deklarowaniu wartości siły w wieńcach łączących słupy przy krawędziach stropu i ściany. EC2 zaleca wartość siły wiążącej omawiane słupy z wieńcami F tie, fac = 20 kn na 1 m elewacji i nie większe od siły w słupie F tie, col = 150 kn. W publikacji ITB [7] wartość ww. siły w słupie przyjęto F tie, col = 100 kn. Dokument EC2 wartość siły rozciągającej w stężeniach wewnętrznych zaleca przyjąć większą z dwóch: [kn/m] lub {[F t ) /7,5] z/5}. Jeżeli traktować zapis F t ) jako mnożenie siły F t [kn/m] przez wartość wyrażenia w nawiasie, to jednostki wyrażenia nie zgadzają się z jednostkami siły [kn/m]. Tego typu rozbieżności wprowadzają niespójność przepisów. Oczywiście zalecenia EC2 są priorytetowe, ale winny być uporządkowane. Z kolei publikacje ITB oraz fib mają również znaczenie, bo są to jednostki zajmujące się tworzeniem przepisów, zaleceń projektowych i wykonawczych. Dlatego zapisy dotyczące wartości sił, i F tie, col należy sformułować w sposób jednoznaczny, by nie stwarzać zamieszania tak wśród projektantów, jak i nadzoru budowlanego. Zagadnienie będzie kontynuowane w kolejnym numerze czasopisma. Piśmiennictwo 1. PN-EN Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu, Część 1-1 : Reguły ogólne i reguły dla budynków. Wrzesień 2008 r. 2. PN-EN Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1-7: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania wyjątkowe. Październik PN-EN 1168 Prefabrykaty z betonu: Płyty kanałowe Cholewicki A.: Konstrukcje zespolone z prefabrykatów. Seria: Prace Naukowe Instytutu Techniki Budowlanej. ITB, Warszawa Cholewicki A.: Projektowanie połączeń płyt kanałowych. Inżynieria i Budownictwo, nr 2/ Cholewicki A., Szulc J.: Projektowanie stropów typu hc w prefabrykowanych konstrukcjach szkieletowych. Nowoczesne Hale, nr 2/ Cholewicki A., Szulc J., Nagórski T.: Projektowanie żelbetowych budynków szkieletowych w celu ograniczenia ryzyka katastrofy postępującej. Seria: Instrukcje, Wytyczne, Poradniki. ITB, Warszawa Arnold van Acker: Planning and design handbook on precast building structures. Fib CEB-FIP, Biulletin 74, Task Group 6.12 Lausanne, Switzerland,