Badania wpływu skurczu betonu na ugięcia i odkształcenia belek zespolonych stalowo-betonowych 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
KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY Rys. 2. Rozmieszczenie łączników sworzniowych 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 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, Tabela 1. Skład 1 m 3 mieszanki betonowej Składniki mieszanki cement portlandzki 32.5, Strzelce Opolskie W stanie suchym 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 W stanie naturalnym 356 kg 356 kg żwir 1200 kg 1230 kg piasek 660 kg 703 kg woda 178 litrów 101 litrów Rys. 3. Rozmieszczenie czujników zegarowych na belkach Rys. 4. Rozmieszczenie czujników zegarowych na swobodnych odcinkach płyt 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
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. 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. (promile) skrócenia 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 płyty swobodne płyty połączone z belką próbki do aparatu Amslera płyta swobodna I płyta swobodna II płyta swobodna III I II próbki do aparatu Amslera 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 rozważania 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
KONSTRUKCJE ELEMENTY MATERIAŁY 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 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 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 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]: 2 M L I a 1 8Ea I a I ac w którym: I II Rys. 7. Wartości stosunku η odkształceń skurczowych płyt zespolonych z belką do odkształceń płyt swobodnych u gi ę cia (mm ) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 I II Rys. 8. Wykresy ugięć belek spowodowanych skurczem betonu (por. rys. 1) M Ea I a / a gdzie: I a moment bezwładności przekroju belki stalowej, I ac sprowadzony moment bezwładności przekroju zespolonego w przęśle belki, a odległość między środkami ciężkości przekrojów belki stalowej i płyty betonowej, ε 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 E c,eff = 10,5 GPa, jak dla obciążeń długotrwałych [3], równy 1/3 siecznego, doraźnego modułu sprężystości betonu E cm =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
Tabela 3. Wartości ugięć po 348 dniach obliczone i pomierzone Belka 4. Podsumowanie wyników badań Ugięcia obliczone na podstawie odkształceń skurczowych: Próbek 10x10x50 cm 1. Odkształcenia skurczowe płyt betonowych połączonych z belkami stalowymi wynosiły po jedenastu miesiącach od chwili zabetonowania 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 Swobodnych odcinków płyt Ugięcia pomierzone I 4,39 4,63 3,62 II 4,73 5,02 3,75 III 4,84 5,06 3,67 Tabela 4. Wartości ugięć natychmiastowych od obciążeń zewnętrznych Belka Pomierzone ugięcia belek zespolonych Obliczone ugięcia belek zespolonych I 0,928 0,877 mm Obliczone ugięcia niezależnej belki stalowej Stosunek ugięć: obliczone / pomierzone belek zespolonych mm % 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 zależały 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 obciążeń zewnętrznych były 2,8 5,3 razy mniejsze od obliczonych ugięć dla niezależnej belki stalowej. BIBLIOGRAFIA 1. PN-82/B-03300: Konstrukcje zespolone i projektowanie. Belki zespolone krępe. 2. PN-86/B-03301: Konstrukcje zespolone i projektowanie. Belki zespolone smukłe. 3. PN-B-03300:2004: Konstrukcje zespolone 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. Stosunek ugięć: obliczone dla niezależnej belki stalowej / pomierzone belek zespolonych 0,95 2,78 II 0,697 0,679 2,577 0,97 3,70 III 0,490 0,531 1,08 5,26 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. 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, 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. 22