Historyczne konstrukcje żelbetowe stosowane materiały oraz algorytmy obliczeniowe

Transkrypt

1 Buownictwo i Architektura 14(2) (2015) Historycne konstrukcje żeletowe stosowane materiały ora algorytmy oliceniowe Bartos Sostak, Maciej Trochonowic Katera Konserwacji Zaytków, Wyiał Buownictwa i Architektury, Politechnika Luelska, e mail:.sostak@pollu.pl, m.trochonowic@pollu.pl Strescenie: Pocas projektowania w oiektach aytkowych spotykamy się elementami wykonanymi w technologii monolitu. Wielu projektantów o rau klasyfikuje takie elementy jako wtórne lu jako elementy o omyślnie niewielkiej wartości konstrukcyjnej, które mogą co najwyżej poostać pomnikiem historii w aaptowanym, remontowanym lu moerniowanym oiekcie lu ostać astąpione elementami nowoprojektowanymi. W celu achowania w takich oiektach maksymalnej ilości sustancji historycnej ora sprawenia możliwości wykorystania tych elementów jako elementów konstrukcyjnych, okonano pregląu literatury, która yła prewonikiem pocas ich projektowania ora wykonywania. Na tej postawie określono akres parametrów wytrymałościowych materiałów niegyś stosowanych ora preanaliowano algorytmy oliceniowe o wymiarowania elementów żeletowych. Na postawie porównania awniej stosowanych algorytmów oliceniowych ora parametrów fiyko-mechanicnych awnych materiałów algorytmami i materiałami stosowanymi współceśnie, jesteśmy w stanie osacować nośność takich elementów, a co a tym iie, wykorystać je wtórnie jako pełnoprawne elementy konstrukcyjne. Słowa klucowe: aytkowe historycne elementy żeletowe, algorytmy oliceniowe konstrukcji żeletowych. 1. Wprowaenie Oecnie w uownictwie cora cęściej spotykamy się próami aaptacji, moerniacji cy remontu oiektów aytkowych, które ostały wyuowane pocątkiem XX wieku. Pocas takich prac oktryna konserwatorska akłaa maksymalne posanowanie la sustancji historycnej, co niejenokrotnie utrunia pracę projektanta konstrukcji. Znacnie prostsym rowiąaniem jest aprojektowanie konstrukcji nowej, amiast wykorystania istniejącej. W prypaku elementów rewnianych lu murowych, jesteśmy w stanie osacować ich potencjalną nośność lu chociaż w prosty sposó, cęsto nawet pry minimalnej w nie ingerencji, wmocnić te elementy, tak ay ostosować je o oecnych wytycnych projektowych. Prolem acyna się w prypaku napotkania elementów żeletowych. Wielu projektantów ogórnie traktuje takie elementy w uynkach okresu pre 1939 roku, jako wtórne, lu ałożenia jako elementy o niskiej nośności. Po głęsej analiie piśmiennictwa ora akresu wiey tamtego okresu można wysnuć nieco inne wnioski. Powstaje atem pytanie co takimi elementami roić? Cy powinny one ostać achowane jeynie w celu utrwalenia sustancji aytkowej w oiekcie (jako aytek techniki) cy też można je jesce wykorystywać, jako elementy konstrukcyjne? Ay można yło jenonacnie opowieieć na to pytanie należy głęić wieę na temat pocątków konstrukcji żeletowych na terenie współcesnej i awnej Polski, preanalio-

2 106 Bartos Sostak, Maciej Trochonowic wać poycje literatury technicnej tamtego okresu, a następnie opracować i porównać algorytmy oliceniowe stosowane awniej i współceśnie Pocątki konstrukcji żeletowych na świecie i w Polsce Pierwse opracowania ora patenty otycące konstrukcji żeletowych pojawiły się we Francji już na pocątku rugiej połowy XIX wieku. Epokowe nacenie w rowoju żeletnictwa miały uowle, które po roku 1890 wykonywał i na światowej wystawie w Paryżu sersemu ogółowi prestawił Henneique. Główną cechą jego sposou konstruowania ył monolitycny charakter całej uowli. Hanneique po ra pierwsy użył elek żeletowych. Na poporami elek ciągłych preprowaał pręty uyskane pre ukośne ogięcie wkłaek olnych. Poonie stosował wkłaki ukośne w poliżu popór elek wolnopopartych, co gaa się oowiąującymi iś asaami projektowania ora wykonywania konstrukcji monolitycnych żeletowych. W elkach żeletowych stosowano również stremiona, które wykonywane yły pocątkowo prętów płaskich. W Polsce system Henneique`a na więksą skalę wprowaiła firma J. Sosnowski i A. Zachariewic, która w preciągu iesięciu lat pre I wojną światową, opróc nacnej ilości uowli ląowych i wonych wykonała pona 200 mostów żeletowych. W 1903 roku ałożyli Pierwse Krajowe Presięiorstwo Roót Żelaoetonowych. Presięiorstwo aprojektowało i uowało wiele hal farycnych i około 280 mostów i wiauktów rogowych ora kolejowych. Pierwsa książka poświęcona konstrukcjom żeletowym w Polsce ukaała się w roku 1915 [1]. Napisana ostała pre oktora Maksymiliana Thullie. Doktor Thullie erał i spisał nacną cęść wiey o technologii monolitu tamtego okresu. W roku 1925 oktor inżynier Aam Kuryłło wyał wutomowe opracowanie [2] akresu wiey o konstrukcjach żeletowych. Opisał wra poaniem prykłaów algorytmy o olicania konstrukcji żeletowych. Analiując literaturę ora iorąc po uwagę cas powstania pierwsych oiektów żeletowych należy pokreślić aro syki, jak na ówcesne casy, prepływ nowatorskich wtey technologii Zachou na tereny Polski. Pierwse rowiąania Henneique`a pojawiają się prawie równoceśnie we Francji jak i w Polsce. 2. Materiały uowlane wchoące w skła monolitu awnych oiektów żeletowych 2.1. Cement ora eton Już o końca XIX wieku technicna literatura polska ość osernie opisuje główny uulec etonu jakim jest cement. Informacje o cemencie prawopoonie po ra pierwsy w prekaie pisemnym pojawiają się w książce autorstwa Właysława Hirsela [3]. Autor opisuje postawowe, nane w tym okresie roaje cementu ora aprawy cementowe. Monografie tego okresu ecyowanie cęściej kojarą cement aprawami stosowanymi w mularstwie a niżeli mniej powsechnymi w tamtym okresie konstrukcjami etonowymi ąź żeletowymi. Nieależnie jenak o sposou wnosenia używano tego samego roaju spoiwa. W książce Konstantego Hallera [4] najujemy poiał na wa postawowe niegyś roaje cementu cement rymski (romański, wany również sykowiążącym) ora cement portlanki. Dość osernie opisana jest również technologia wykonywania ou roajów cementu wra wykaem surowców, których się je wykonuje. Opisane są również postawowe właściwości fiycne apraw wykonanych na poscególnych cementach ora właściwości chemicne samych cementów. Konstanty Haller w ość

3 Historycne konstrukcje żeletowe stosowane materiały scegółowy sposó opisuje technologię uyskania poscególnych roajów spoiwa, co świacy o wysokim stopniu aawansowania wiey technicnej o tym materiale. Baro oserną analię ostępnej literatury ocojęycnej otycącej skłau etonu, postawowych właściwości fiycnych ora chemicnych preprowaił już w 1915 roku oktor Maksymilian Thullie [1]. W książce Teorya żeletu najują się wyniki preprowaonych o tamtej pory aań na miesankach etonowych. Beton charakteryowano popre stosunek użytego spoiwa, krusywa ora woy. Na prykła eton 1:1:3, onaca 1 miarę woy, 1 miarę cementu ora 3 miary piasku i żwiru la miesanki etonowej. Zauważono ależność pryrostu wytrymałości etonu wra jego wiekiem. Wielu inżynierów i naukowców preprowaało aania różnego roaju miesanek etonowych w ależności o casu ojrewania ora skłau miesanki. Na postawie oświaceń Amerykanina Kimall a uyskano najwięksą wytrymałość miesanki etonowej na poiomie 29,5 MPa. Świacy to o tym, że już wtey wykonywano miesanki etonowe o właściwościach, które i iś mogliyśmy klasyfikować jako etony konstrukcyjne Wkłaki rojeniowe Kolejnym niewykle istotnym elementem pocas analiowania konstrukcji żeletowych jest element żelany lu stalowy. Dawniej, tak samo jak iś akłaano, że elementy stalowe prenosą naprężenia w strefie rociąganej etonu. W poręcniku [1] oktor Thullie naywa to, co oecnie naywamy prętami rojeniowymi, wkłakami żeletowymi lu urojeniem. Jako wkłaek używano prętów okrągłych ora prętów kstałtowych. Stal ielono na spawalnicą lu lewaną (wytrymalsą). Z uwagi na ostępność materiałów najariej ropowsechnione yło użycie prętów żelanych. Używano również stali rojeniowej o parametrach fiycnych liżonych o współceśnie lu jesce nieawno używanych wkłaek rojeniowych. Na postawie analiy awnych monografii uało się określić wa główne roaje stali stosowane niegyś w technologii monolitu [6][7]: Stal ISTEG yła stalą wysokowartościową o specjalnym kstałcie, pokaanym na Rys 1. Kstałt ten uyskiwano w hucie pre skręcenie na imno wóch prętów na specjalnych masynach. Na uowę ostarcano gotowy wyró. Granica plastycności takich prętów wynosiła o kg/cm 2 ( MPa). Kstałt tej stali naywano guowatym. Rys. 1. Wiok stali rojeniowej ISTEG Stal GRIFFEL stal o kstałcie pokaanym na Rys. 2. Specjalny gatunek wyorowej stali, prenaconej o rojenia espołów żeletowych. Wytrymałość na rociąganie wynosiła o kg/cm 2 ( MPa), granica plastycności natomiast nie wynosiła mniej niż 3600 kg/cm 2 (353 MPa) Rys. 2. Prekrój pre pręt rojeniowy e stali GRIFFEL

4 108 Bartos Sostak, Maciej Trochonowic Powyżse wyroy stalowe proukowano powsechnie już w latach 30 XX wieku. Analiując parametry wytrymałościowe można auważyć, iż nie oiegają one nacąco o parametrów stali, których używało się w uownictwie monolitycnym jesce w latach 80 i 90 (nawet współceśnie można napotkać jesce konstrukcje rojone stalą niskich klas A-0 AII). Na tej postawie można osukiwać się sensowności wykorystania historycnych elementów żeletowych, jako elementów konstrukcyjnych. 3. Analia i porównanie algorytmów oliceniowych W celu porównania wykonano olicenia weług wóch algorytmów. Pierwsy pocątku lat 20 XX wieku (wany alej algorytmem pierwotnym) ora rugi, którym posługujemy się współceśnie. Zestawiono wyniki analiy nośności elki prostokątnej o miennej wysokości ora płyty o miennej gruości. Porównanie wyników ou algorytmów może yć postawą o analiy aytkowych konstrukcji żeletowych ora ewentualnego wykorystania takich konstrukcji pocas prac projektowych w oiektach historycnych, w których niewykle istotne jest posanowanie sustancji aytkowej. Jako algorytmu współcesnego, użyto algorytmu awartego w normie PN-EN 1992 [5]. Z uwagi na powsechność algorytmu oliceniowego Eurokou [5], prestawiono jeynie algorytm oliceniowy wykorystywany na pocątku XX wieku, a opisany okłanie w pracy Aama Kuryłło [2] Analia algorytmu pocątku XX wieku Założenia o oliceń konstrukcji żeletowych yły aro liżone o tych isiejsych. Główne try ałożenia rmiały następująco [1]: Prekroje płaskie pre ugięciem poostają po ugięciu również płaskie (pryjęcie Bernoulli ego), a położenie osi oojętnej nie ulega mianie. Natężenia są proporcjonalne o okstałceń (prawo Hooke a). Natężenia normalne w prekroju są proporcjonalne o ostępu osi oojętnej (pryjęcie Navier a). Poniżej prestawiono algorytm oliceniowy, na postawie którego okonywano oliceń konstrukcji żeletowych na pocątku XX wieku. Nie rogranicano wtey oliceń na stany granicne. Wymiarowano jeynie elementy w taki sposó, y nie prekrocyć granicnych naprężeń użytych materiałów. Jenym ałożeń uprascających algorytmy oliceniowe, yło ałożenie wysnute na postawie porównania współcynników sprężystości materiałów. Zakłaano, że wartość ciśnienia żelaa jest równa 15-to krotnej wartości ciśnienia warstwy etonu w wysokości osi ciężkości [2]. Algorytm pierwotny o olicenia ustroju płytowego lu elkowego, e rojeniem jeynie w strefie rociąganej miał następującą formę: Na pocątku oliceń należy pryjąć parametry wytrymałościowe materiałów: o granicna wytrymałość wkłaek na rociąganie w kg/cm 2 ; o granicna wytrymałość etonu na ściskanie w kg/cm 2. Należy pryjąć postawowe ane geometrycne: o serokość wymiarowanego elementu; o h wysokość wymiarowanego elementu; o h 1 wysokość użytecna prekroju; o wielkość otuliny etonowej; o x wysokość strefy ściskanej prekroju etonowego. M (kg cm) maksymalny moment ginający w prekroju.

5 Historycne konstrukcje żeletowe stosowane materiały Rys. 3. Prekrój elementu żeletowego, rojenie w strefie rociąganej Uproscony algorytm oliceniowy, po uprenim prekstałceniu worów miał formę: h x , a stą x h 1 x 15 Na postawie powyżsej ależności określano wysokość strefy ściskanej, ależną o opuscalnych naprężeń materiałowych ora wysokości użytecnej prekroju elementu. Dla uproscenia apisu oliceń pryjęto: (1) 15 s 15 (2) x sh 1 (3) Nieęne pole prekroju wkłaek żelanych wynacano następującego woru: A c M (4) 2 gie: A wymagane pole rojenia w cm 2 c 1 2 s (1 ) s 3 (5) 1 c2 s c1 (1 ) 3 Wartości c 1 ora c 2 są wynacane e worów lu oierane talic ałąconych w wutomowym opracowaniu Aama Kuryłło [2]. Na postawie tych współcynników wynaca się opowienią ilość rojenia w prekroju ora określa się wysokość prekroju w taki sposó y spełnić wymagania prekroju iealnego. Prekrojem iealnym naywano prekrój, w którym wykorystanie nośności etonu ora wkłaek rojeniowych yło liżone o 100% Porównanie wyników na postawie anali preprowaonych algorytmem pocątku XX wieku ora algorytmem współcesnym Na postawie powyżsych worów preprowaono analię wymaganej ilości rojenia la spełnienia stanu granicnego nośności elki żeletowej o miennej wysokości ora wycinka płyty stropowej pracującej w jenym kierunku o miennej gruości. Z uwagi (6)

6 110 Bartos Sostak, Maciej Trochonowic na nie uwglęnianie współcynników ociążenia w algorytmach pierwotnych, pominięto również współcynnik ociążenia w algorytmie współcesnym. Analiy preprowaono la konkretnych wartości ociążeń w celu sprawenia minimalnej wymaganej ilości stali rojeniowej la każego akłaanych prekrojów. Do olicenia tego elementu pryjęto następujące ałożenia: Dane materiałowe: o o = 254,93 kg/cm 2 25 MPa, = 4996,61 kg/cm MPa. Zakłaamy również postawowe ane geometrycne: o - serokość elementu: = 0,30 m la elki żeletowej, = 1,00 m la płyty żeletowej, o h mienna wysokość elementu, o h 1 mienna wysokość użytecna h 1 = h-, o = 25 mm otulina rojenia. M (knm) maksymalny moment ginający w elemencie, mienny uwagi na ciężar własny elementu. Belka wolnopoparta, ropiętości L = 4,0 m, ociążona ociążeniem równomiernie rołożonym ciągłym wartości 60 kn/m ora ciężarem własnym. Płyta w schemacie płyty wolnopopartej, pracującej w jenym kierunku, ropiętości L = 5,0 m, ociążenie równomiernie rołożone ciągłe wartości 15 kn/m 2 ora ciężar własny. Schemat statycny ora prekroje elementów: Rys. 4. Schemat statycny ora schemat ociążenia la płyty ora elki żeletowej Rys. 5. Prekroje analiowanych elementów żeletowych Talica 1. Zestawienie wyników la algorytmów oliceniowych porównanie la elki żeletowej. h (cm) h 1 (cm) s c 1 c 2 M (knm) A 1 (cm 2 ) A 2 (cm 2 ) A 1:A ,5 0,4327 0,2741 0, ,504 5,37 5,77 93,1% 55 52,5 0,4327 0,2510 0, ,712 5,85 6,36 91,9% 50 47,5 0,4327 0,2278 0, ,92 6,42 7,01 91,6% 45 42,5 0,4327 0,2045 0, ,128 7,13 8,09 88,2% 40 37,5 0,4327 0,1810 0, ,336 8,04 9,5 84,6% 35 32,5 0,4327 0,1573 0, ,544 9,21 11,77 78,3% 30 27,5 0,4327 0,1335 0, ,752 10,82 14,66 73,8%

7 Historycne konstrukcje żeletowe stosowane materiały Talica 2. Zestawienie wyników la algorytmów oliceniowych porównanie la płyty żeletowej. h (cm) h 1 (cm) s c 1 c 2 M (knm) A 1 (cm 2 ) A 2 (cm 2 ) A 1:A ,5 0,4327 0,3065 0, ,967 6,85 7,30 93,8% 28 25,5 0,4327 0,2875 0, ,147 7,22 7,74 93,2% 26 23,5 0,4327 0,2681 0, ,327 7,65 8,26 92,6% 24 21,5 0,4327 0,2483 0, ,507 8,15 8,89 91,7% 22 19,5 0,4327 0,2281 0, ,687 8,77 9,69 90,5% 20 17,5 0,4327 0,2073 0, ,867 9,52 10,73 88,7% 18 15,5 0,4327 0,1861 0, ,047 10,47 12,12 86,4% A 1 minimalne wymagane pole prekroju rojenia w strefie rociąganej weług algorytmu pierwotnego [2] w cm 2. A 2 minimalne wymagane pole prekroju rojenia w strefie rociąganej weług Eurokou [5] w cm 2. Rys. 6. Porównanie minimalnej wymaganej ilości rojenia la elki Rys. 7. Porównanie minimalnej wymaganej ilości rojenia la płyty Wymagane minimalne pola prekroju rojenia olicone weług algorytmu pierwotnego ora weług najnowsych aleceń normowych [5] różnią się. Różnicę są na poiomie o około 7%, o nawet lisko 30%. Najwiękse różnice onotowano la elementów niżsych, e nacnie więksą strefą rociąganą w prekroju. Więkse ilości minimalnego wymaganego rojenia są wynikiem analiy gonej algorytmem awartym w Eurokoie [5]. Zrojenie wynacone algorytmem opisanym pre Aama Kuryłło [2], gonie isiejsymi wymaganiami normowymi yłoy nie wystarcające. 4. Posumowanie i wnioski pregląu literatury ora analiy algorytmów Analiując monografie ora apisy otycące monolitu pocątku XX wieku, okauje się, iż parametry wytrymałościowe materiałów takich jak wkłaki stalowe ora eton mogą yć liżone o tych, które stosowano całkiem nieawno (o lat 90 ) lu nawet stosowanych o iś. Analia ora porównanie algorytmów: pierwotnego ora współcesnego, wykaują nacące różnice w wynikach. Różnice w minimalnej wymaganej ilości rojenia la analiowanych prypaków są na poiomie o lisko 7% o nawet 30%. Po preprowaonej analiie stwierono, że pry tych samych ałożeniach oliceniowych i warunkach regowych historycne konstrukcje żeletowe nie spełniałyy wymagań postawowego stanu granicnego nośności gonie isiejsymi wymogami ora normami. Jenak nie yskwalifikuje ich to funkcji użytkowej. Preprowaanie takich

8 112 Bartos Sostak, Maciej Trochonowic anali powinno yć postawowym i jenym pierwsych kroków pocas roważań na sposoem wykorystywania tego typu elementów w oiektach aytkowych. Opróc analiy oliceniowej ora roponania materiałowego, w tego typu elementach konstrukcyjnych, należy preprowaić również aania, których efektem ęie określenie stopnia achowania elementu. Bęie on głównie ecyował o alsych losach elementu monolitycnego, który uwagi na swoją wartość próujemy achować. Pokutujące wśró projektantów konstrukcji preświacenie o miernej jakości historycnych elementów żeletowych lu wręc negowanie ich aytkowego charakteru prowaić może o uscuplania niemiernie istotnej sustancji aytkowej jaką są aytkowe konstrukcje żeletowe. Literatura 1 Thullie M. Teorya żeletu, Nakłaem komisyi ilioteki politechnicnej i wiąkową rukarnią we Lwowie, Lwów Kuryłło A. Żeletownictwo Teorja i ustrój eskłaów żeletowych, Nakłaem komisji wyawnicej kół naukowych i towarystwa ratniej pomocy stuentów Politechniki Lwowskiej, Lwów Hirsel W. Prewonik la mulary, Warsawa Haller K. Poranik uownicego, Nakła autora PN-EN :2008/A1: Euroko 2. Projektowanie konstrukcji etonu Cęść 1-1: Reguły ogólne i reguły la uynków. 6 Kalenar e iorem worów i tael uownictw żeletowego, stalowego, rewnianego i iemnego, Huta Bankowa, Preglą technicny, J. Falkiewic, M. Thugutt, Warsawa Knauff M. Olicanie konstrukcji żeletowych weług Eurokou 2, Wyawnictwo Naukowe PWN, Warsawa Starosolski W. Konstrukcje żeletowe weług Eurokou 2 i norm wiąanych T. 1-4, Wyawnictwo Naukowe PWN, Warsawa Historical reinforce concrete structures use materials an calculating algorithms Bartos Sostak, Maciej Trochonowic Department of Conservation of Built Heritage, Faculty of Civil Engineering an Architecture, Lulin University of Technology, e mail:.sostak@pollu.pl, m.trochonowic@pollu.pl Astract: During esigning in historical oject we can have a prolem with historical reinforce concrete elements. Many esigners, classifies this elements as low strength. They are convicte that this type of elements in historical uiling can e only a monument an cannot e use in this construction as an structural element. It is very important in this type of uilings to keep as many historical material as it is possile. Authors researche the literature which has een a guie in the esign an execution of these elements. By comprising use algorithms an physico-mechanical properties of ol materials with algorithms an materials, which are using toay, we are ale to estimate the strength of such elements. Keywors: historical reinforce concrete structures, historical materials, historical calculating algorithms for concrete structures