Szybki postęp techniczny, jak

dr inż. Kamil Słowiński, dr hab. inż. Walter Wuwer, prof. nadzw. WST Wyższa Szkoła Techniczna w Katowicach Technologia wzmacniania stalowych prętów ściskanych o przekrojach zamkniętych i otwartych Technology for strengthening steel bars of closed and open cross-sections under compression Szybki postęp techniczny, jak również realizacja postulatów zrównoważonego rozwoju w dziedzinie budownictwa [1] nakładają na projektantów i konstruktorów obowiązek racjonalnego kształtowania konstrukcji obiektów nowych oraz istniejących, np. w przypadku konieczności wykonania wzmocnienia tych ostatnich. Obok wymaganych: odpowiedniej trwałości i jakości zrealizowanych obiektów, kluczowym aspektem zrównoważonego budownictwa jest ochrona zasobów naturalnych, m.in. poprzez optymalizację rozwiązań materiałowych i konstrukcyjnych. STRESZCZENIE W artykule przedstawiono możliwości kształtowania prętów złożonych bliskogałęziowych z podatnymi, zakładkowymi połączeniami ścianek gałęzi przy wykonywaniu wzmocnień elementów prętowych. Opisano badania doświadczalne pięciu jednakowych elementów trójgałęziowych, poddanych ściskaniu osiowemu. Każdy z elementów składał się z pręta wzmacnianego o przekroju rurowym prostokątnym oraz połączonych z nim dwóch krótszych gałęzi wzmacniających o przekroju ceowym, za pomocą łączników jednostronnych typu BOM-R16-4. Celem badań było ustalenie wartości nośności obliczeniowej na wyboczenie testowanych prętów. Przekonano się o wyraźnym wpływie podatności zastosowanych połączeń gałęzi na nośność wyboczeniową elementów złożonych. Wykazano przy tym zadowalającą skuteczność zaproponowanego sposobu zwiększania nośności ściskanych elementów prętowych. SŁOWA KLUCZOWE konstrukcje stalowe, elementy bliskogałęziowe, wzmacnianie, ściskanie osiowe, połączenia podatne Przejawem dążeń do spełnienia tych postulatów jest realizowany dotychczas na Politechnice Śląskiej w Gliwicach program badawczy [2-5], którego celem jest opracowanie systemu konstrukcyjnego lekkich i ekonomicznych hal stalowych. Istotnym elementem tego systemu, opartego o szeroki asortyment stalowych kształtowników profilowanych na zimno oraz gorącowalcowanych, o przekrojach otwartych i zamkniętych, są pręty złożone bliskogałęziowe, z zakładkowymi połączeniami ścianek gałęzi (rys. 1). W artykule przedstawiono możliwości zastosowania tych prętów do wykonywania wzmocnień elemen- SUMMARY The paper presents the possibility of shaping closely spaced built-up bars with flexible, lap joints of the branches in the performance of strengthening bar elements. The experimental study of the five identical three-branched elements subjected to axial compression are described. Each of the elements was composed of the strengthened bar of tubular rectangular cross-section and two shorter strengthening branches of channel cross-section, connected to the strengthened bar using blind bolts BOM-R16-4. The aim of the study was to determine the design buckling resistance of the tested bars. The clear influence of the flexibility of the applied connections of the branches on the buckling resistance of the built-up elements has been determined. However, the satisfactory efficiency of the applied method for increasing the carrying capacity of bar elements has been shown. KEYWORDS steel structures, closely spaced members, strengthening, axial compression, flexible joints tów prętowych w lekkich konstrukcjach stalowych. Pręty złożone bliskogałęziowe idea i konstrukcja Zastosowanie elementów złożonych bliskogałęziowych jest w sposób szczególny uzasadnione w aspekcie racjonalnego kształtowania lekkich, prętowych ustrojów nośnych, gdzie potrzeba poprawienia warunków stateczności wybranego elementu konstrukcji nie powinna wymuszać istotnych, tj. wymagających znaczących wydatków energii, zmian konstrukcyjnych. Łączenie wzmacnianych: ściskanego i zginanego pasa górnego B lub ściskanego osiowo krzyżulca C (por. rys. 1), na długości między węzłami, z krótszymi gałęziami wzmacniającymi, odpowiednio, ΔB` i ΔB`` lub ΔC, daje możliwość efektywnego i swobodnego kształtowania elementów złożonych, o wymaganych charakterystykach geometrycznych. Nie zachodzi bowiem wtedy potrzeba doprowadzania gałęzi wzmacniających do węzłów podporowych pręta wzmacnianego (por. rys. 1) i co za tym idzie wprowadzania zmian konstrukcyjnych w tych węzłach, szczególnie kłopotliwych przy wykonywaniu wzmocnień elementów prętowych w konstrukcjach istniejących. Kluczowym elementem proponowanego systemu konstrukcyjnego jest łatwy i szybki montaż konstrukcji na placu budowy, wykonywany przy użyciu łączników jednostronnych typu BOM (prod. HUCK) [6], [7]. Zastosowanie łączników BOM do wykonywania połączeń ścianek gałęzi prętów bliskogałęziowych 50

TECHNIKI I TECHNOLOGIE NOWOCZESNE HALE 5/14 daje możliwość efektywnego projektowania elementów złożonych z kształtowników o przekrojach otwartych, jak również zamkniętych (por. rys. 1), wykorzystywanych obecnie na szeroką skalę, m.in. w spawanych konstrukcjach wiązarów kratowych [8]. Transfer sił tnących w zakładkowych połączeniach gałęzi powoduje włączenie się gałęzi wspomagających do współpracy z prętem głównym wzmacnianym w przenoszeniu siły ściskającej [4]. Realizacja wzmocnienia wiąże się zatem zarówno ze zwiększeniem promienia bezwładności przekroju pręta wzmacnianego, jak i jego sztywności osiowej. Łączniki BOM składają się z trzpienia oraz tulejki (rys. 2a), a ich instalacja w otworach odbywa się przy użyciu systemowego osadzaka (por. rys. 2b) [6] i, co ważne, nie wymaga wysokich kwalifikacji pracownika wykonującego scalanie ścianek. Proces osadzania łączników BOM w otworach charakteryzują: duża szybkość, powtarzalność, jak również niezawodność wykonanych połączeń co potwierdzają opinie użytkowników, m.in. wiodącego producenta taboru szynowego w Polsce. Inspekcja średnic: łączników oraz wykonanych otworów, jak również poprawności zrealizowanych połączeń prowadzona jest przy użyciu prostych w obsłudze narzędzi (rys. 3a). W uzasadnionych przypadkach możliwe jest usunięcie wadliwego łącznika ze złącza przy użyciu przeznaczonej do tego systemowej końcówki (rys. 3b). Za wyborem łączników BOM do scalania ścianek gałęzi prętów złożonych spośród wielu innych systemów umożliwiających wykonywanie połączeń montażowych elementów konstrukcji nośnych, przy dostępie jednostronnym [9-18] przemawiały zwieńczone powodzeniem, liczne realizacje, głównie w przemyśle motoryzacyjnym (rys. 4a), ale także choć jeszcze sporadyczne w budownictwie (rys. 4b). Tym jednak, co odróżnia proponowany sposób kształtowania elementów złożonych od dotychczasowych realizacji, jest nietypowy, tj. nieoczywisty, sposób wykorzystania połączeń z łącznikami BOM. W typowych realizacjach, tj. zgodnych z zaleceniami producenta łączników BOM, liczbę łączników w połączeniach dobiera się w taki sposób, aby uzyskać połączenia cierne w stanie granicznym nośności złącza. Badania doświadczalne 1-ciętych połączeń ścianek o grubościach 4 mm i 5 mm [2], [3], wykonanych przy użyciu łączników BOM-R16, wykazały jednak, że nośność nominalna na poślizg tych złączy stanowi zaledwie 6% wykazanej w katalogu [6], nominalnej nośności zastosowanych łączników na ścinanie. Warto przy tym zauważyć, że producent podaje jedynie wartości nośności łączników na ścinanie i rozciąganie. Wyniki badań dowiodły również, że w pewnych okolicznościach możliwe jest wykorzystanie znaczących rezerw nośności, sztywności i ciągliwości testowanych złączy, występujących przy ich wytężeniu przy docisku [19], [20]. Przykładowo rezultaty badań 1-ciętych połączeń kształtowników: zamkniętego prostokątnego z dwoma przykładkami ceowymi, o grubościach ścianek 4 mm, wykonanych przy użyciu łączników BOM-R16-4 (rys. 5, 6), wykazały, że nominalna nośność z uwagi na docisk jest około ośmiokrotnie większa od nominalnej nośności tych złączy przy poślizgu [4]. Uwzględnienie w projektowaniu elementów złożonych bliskogałęziowych dociskowej fazy pracy złączy wiąże się zatem ze znaczącymi korzyściami ekonomicznymi. Korzyści te wynikają głównie z możliwości ograniczenia w stosunku do dotychczasowych realizacji liczby łączników potrzebnych do scalenia ścianek współpracujących gałęzi. Zmniejszeniu ulega zatem również zakres prac związanych z obróbką gałęzi w warsztacie lub bezpośrednio na obiekcie, co przekłada się na łatwiejszy i szybszy montaż konstrukcji na placu robót, szczególnie istotny w przypadku prowadzenia prac wzmacniających na obiektach istniejących, podczas ich użytkowania. Zakładkowe połączenia gałęzi z uwagi na dociskowy charakter wytężenia charakteryzuje jednak zauważalny stopień podatności translacyjnej [2], [3]. Jak wykazały doświadczalne badania ściskanych osiowo prętów trójgałęziowych krępych [21], podatność ta nie zapewnia pełnego, tj. wynikającego ze sztywności osiowej przekrojów, udziału gałęzi wzmacniających w przenoszeniu obciążenia, a rozdział sił wewnętrznych na współpracujące ze sobą gałęzie jest w sposób istotny uzależniony od charakterystyk sztywnościowych zastosowanych połączeń zakładkowych. Badania doświadczalne prętów bliskogałęziowych W dalszej części artykułu przedstawiono przebieg i wyniki badań doświadczalnych pięciu jednakowych elementów bliskogałęziowych w skali naturalnej [4]. Celem badań było ustalenie obliczeniowej nośności na wyboczenie ściskanych osiowo prętów złożonych trójgałęziowych. Należało przy tym ocenić wpływ podatności zakładkowych połączeń ścianek gałęzi, wykonanych przy użyciu łączników jednostronnych BOM, na stopień współpracy pręta głównego i dwóch gałęzi wzmacniających w przenoszeniu obciążenia. Gałąź pręta głównego, o długości 3000 mm, do której przykładane było obciążenie w węzłach podporowych, wykonano z kształtownika zamkniętego, walcowanego na gorąco, o nominalnych wymiarach 100 60 4 mm, ze stali S355J2H (rys. 7). Dwie krótsze, niedochodzące do węzłów podporowych gałęzie wzmacniające każda o długości 2960 mm zaprojektowano z kształtownika profilowanego na zimno, o przekroju otwartym U30/60/30 4, ze stali S355 (por. rys. 7). Współpraca każdej z dwu wspomagających gałęzi ceowych z prętem głównym- -rurowym odbywała się za pośrednictwem ośmiu połączeń, wykonanych przy użyciu łączników BOM-R16-4, rozmieszczonych co 408 mm na długości elementu złożonego (por. rys. 7). Ważnym kryterium doboru liczby i rozstawu połączeń gałęzi wpisującym się w ideę racjonalnego kształtowania konstrukcji było ograniczenie do minimum potrzebnych do scalenia gałęzi nakładów pracy, czasu i kosztów. Instalację łączników w otworach wykonywano, poczynając od środka długości elementu złożonego, na przemian w kierunku obu jego końców (rys. 8). Taki sposób montażu pozwalał na uniknięcie kumulowania się niedokładności wykonawczych w połączeniach znajdujących się na jednym z końców pręta złożonego. Po scaleniu gałęzi sprawdzono stan przylegania do siebie połączonych ścianek za pomocą szczelinomierza. Przeprowadzona kontrola wykazała ścisłe przyleganie do siebie ścianek gałęzi. Nieliczne 51

a) a) Rys. 1. Kształtowanie prętów złożonych bliskogałęziowych w kratownicy Rys. 2. Połączenia z łącznikami BOM: a) łącznik BOM-R16-4; b) etapy scalania ścianek [6] Rys. 3. Narzędzia do inspekcji złączy i ich komponentów (opis w tekście) a) b) Rys. 4. Zastosowania łączników BOM: a) w przemyśle motoryzacyjnym do łączenia elementów nadwozia; b) w budownictwie w styku montażowym pasa dolnego dźwigara kratowego szczeliny o szerokości nieprzekraczającej 0,1 mm miały charakter lokalny [4]. W ślad za wytycznymi [22] końce gałęzi rurowej poddano stosownej obróbce warsztatowej, aby zapewnić równomierny docisk przekroju rury do blach zamykających (rys. 9). Blachy te w celu stabilizacji ich położenia względem rury połączono przy zastosowaniu spawania z krótszymi ściankami prostokątnego przekroju gałęzi rurowej (por. rys. 9). b) Pręty złożone badano w maszynie wytrzymałościowej o napędzie hydraulicznym (rys. 10a). Osiowe przekazywanie siły ściskającej z maszyny wytrzymałościowej na element próbny zapewniono poprzez wykonane z wysoką precyzją głowice podporowe, zapewniające przegubowe podparcie (por. rys. 10b). Zasadniczym pomiarem w trakcie badań była rejestracja zależności między przyrostem siły osiowej i ugięciem po- b) ziomym elementu próbnego. Pomiaru ugięć zachodzących w płaszczyznach dwóch głównych osi bezwładności y i z (por. rys. 7) przekroju pręta złożonego dokonywano w trzech miejscach na długości elementu próbnego przy użyciu czujników indukcyjnych (rys. 10c). Pomiary kontrolne wykonywano przy zastosowaniu teodolitu. Elementy próbne poddawane były ściskaniu osiowemu do momentu, w którym nie były w stanie przenieść dodatkowego obciążenia. Stan graniczny nośności wszystkich elementów próbnych o długości teoretycznej 3139 mm osiągnięty został na skutek wyboczenia giętnego względem osi z (rys. 11), tj. w płaszczyźnie xy (por. rys. 7). Na rys. 12 przedstawiono uzyskane dla 5 elementów próbnych Bz-1 5 ścieżki równowagi statycznej, w postaci zależności między siłą osiową N i strzałką ugięcia poziomego u y, tj. zachodzącego w płaszczyźnie xy (por. rys. 7). Wyznaczona na drodze oceny statystycznej wyników doświadczalnych, wg [23] i [24] obliczeniowa nośność na wyboczenie R d (por. rys. 12) badanych prętów bliskogałęziowych stanowiła ok. 185% nośności wyboczeniowej N b,rd,rp samej tylko gałęzi rurowej, obliczonej wg [25]. Jednocześnie, z uwagi na podatne 1-cięte połączenia ścianek gałęzi, otrzymana nośność obliczeniowa elementów próbnych była na poziomie ok. 70% nośności N b,rd,rp+2u, tj. pręta o takim samym przekroju złożonym, ustalonej wg [25] przy zapewnieniu pełnej współpracy trzech gałęzi (co wymagałoby zastosowania znacząco większej liczby połączeń ścianek na długości gałęzi). Podsumowanie Wyniki badań doświadczalnych pozwoliły na ustalenie wartości obliczeniowej nośności na wyboczenie testowanych prętów trójgałęziowych. Wykazano zadowalającą skuteczność zastosowanego sposobu zwiększania nośności ściskanych osiowo elementów prętowych o przekrojach zamkniętych, na drodze łączenia ich z krótszymi gałęziami wzmacniającymi o przekrojach otwartych, przy użyciu łączników jednostronnych typu BOM. Przekonano się przy tym o wyraźnym wpływie podatności zakładkowych połączeń ścia- 52

TECHNIKI I TECHNOLOGIE NOWOCZESNE HALE 5/14 nek gałęzi na nośność wyboczeniową badanych elementów złożonych. Wskazano również na efektywność opisanego sposobu kształtowania wzmocnienia, która jest rezultatem umiejętnego wykorzystania charakterystyk sztywnościowych połączeń współpracujących gałęzi, aby z jednej strony uzyskać oczekiwany efekt wzmocnienia, a z drugiej zminimalizować koszty inwestycji, m.in. poprzez ograniczenie nakładów pracy, czasu i kosztów związanych z procesem scalania ze sobą gałęzi. Warto podkreślić możliwość projektowania elementów o przekrojach zamkniętych, złożonych z kształtowników o przekrojach otwartych, m.in. giętych na zimno, obecnie chętnie wykorzystywanych jako elementy nośne w systemach konstrukcyjnych, głównie lekkich hal stalowych. Planowane są dalsze badania doświadczalne i teoretyczne prętów bliskogałęziowych, m.in. poddanych obciążeniom o charakterze naprzemiennym i długotrwałym, a także równocześnie ściskanych i obciążonych momentami zginającymi w węzłach podporowych. Wykorzystanie wyników badań do wzmacniania elementów prętowych w konstrukcjach istniejących będzie wymagało uzupełnienia opracowanego modelu obliczeniowego [4], opisującego zachowanie się badanych prętów bliskogałęziowych tak, aby uwzględniał on aktualny stopień wytężenia oraz imperfekcje, występujące w elemencie przed przystąpieniem do jego wzmocnienia. Efektem badań będzie opracowanie i dostarczenie projektantom i konstruktorom zweryfikowanej doświadczalnie procedury postępowania przy sprawdzaniu nośności elementów złożonych bliskogałęziowych, z podatnymi połączeniami gałęzi. Rys. 5. Scalanie gałęzi elementów próbnych do badań właściwości strukturalnych połączeń zakładkowych [4] Rys. 6. Forma zniszczenia połączeń zakładkowych z łącznikami BOM-R16-4 [4] Rys. 7. Badany pręt trójgałęziowy przed instalacją łączników BOM Piśmiennictwo 1. European Convention for Constructional Steelwork: Concepts and methods for Steel Intensive Building Projects. ECCS, 2012. 2. Wuwer W.: Podatne połączenia na sworznie jednostronne w prętowych konstrukcjach cienkościennych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej: Budownictwo, z 105, Gliwice, 2006. 3. Swierczyna S.: Nośność i sztywność jednociętych połączeń sworzniowych w konstrukcjach z kształtowników giętnych. Rozprawa doktorska. Gliwice, 2011. 4. Słowiński K.: Badanie nośności ściskanych osiowo elementów bliskogałęziowych z podatnymi połączeniami. Rozprawa doktorska. Gliwice, 2013. 5. Wuwer W., Swierczyna S., Słowiński K.: Nowoczesna technologia sworzniowych połączeń prętów z kształtowników giętych. Materiały Budowlane, nr 7, 2012, s. 32-34. 6. Boltimex: Huckbolt technologia trwałych nieluzujących połączeń dowolnych konstrukcji. Katalog produktów, Katowice. 7. Instytut Techniki Budowlanej: Sworznie typu HUCK do wykonywania połączeń elementów konstrukcji metalowych. Aprobata Techniczna nr AT-15-3487/99. 8. Bródka J., Broniewicz M.: Konstrukcje stalowe z rur. Arkady, 2010. 9. Barnett T., Tizani W., Nethercot D.A.: Blind bolted moment resisting connections to structural hollow sections. Fourth International Workshop on Connections in Steel Structures IV, Virginia, USA, 2000, p. 340-348. 10. Di Lorenzo G., Landolfo R.: Shear experimental response of new connecting systems for cold-formed structures. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 60, 2004, p. 561-579. Rys. 8. Scalanie gałęzi elementów próbnych 11. Elamin A., Tizani W., Abd Rahman N.: The face bending behaviour of concrete filled structural hollow sections. Proceedings of the International conference on Computing in Civil and Building Engineering, Nottingham, UK, 2010, p. 511. 12. Elghazouli A.Y., Málaga-Chuquitaype C., Castro J.M., Orton A.H.: Experimental monotonic and cyclic behaviour of blind-bolted angle connections. Engineering Structures, Vol. 31, 2009, p. 2540-2553. 53

Rys. 9. Blachy zamykające trzon pręta głównego a) b) c) Rys. 10. Stanowisko badawcze: a) element zabudowany w maszynie wytrzymałościowej; b) głowica podporowa dolna; c) układ czujników indukcyjnych do pomiaru ugięć poziomych pręta złożonego Rys. 11. Typowe formy zniszczenia elementów próbnych poprzez wyboczenie giętne 13. Gosowski B., Gajewski K., Gosowski M.: Badania połączeń elementów stalowych na stalowe nity jednostronne. Inżynieria i Budownictwo, nr 11, 2004, s. 615-619. 14. Lee J., Goldsworthy H.M., Gad E.F.: Blind bolted T-stub connections to unfilled hollow section columns in low rise structures. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 66, 2010, p. 981-992. Rys. 12. Doświadczalne zależności N-u y dla pięciu elementów próbnych 15. Misiek T., Käpplein S.: Strength and stiffness of shear-loaded fastenings for metal members and sheeting using fastening screws and rivets. Steel Construction, Vol. 7, 2014, p. 14-23. 16. Mucha J., Witkowski W.: The experimental analysis of the double joint type change effect on the joint destruction process in uniaxial shearing test. Thin-Walled Structures, Vol. 66, 2013, p. 39-49. 17. Sadri S.M., Tanaka T., Tabuchi M., Furumi K., Morita T., Usami K., Matsubara Y.: A New joint/connection technology for SHS steel structures. Advances in Steel Structures, Vol. 1, 1996, p. 397-403. 18. Wuwer W.: Flexible nodes in calculations of thin-walled structures. Proceedings of the 3 rd International Conference on Steel Structures Eurosteel, Coimbra, Portugal, 2002, p. 1189-1198. 19. Wuwer W., Zamorowski J., Swierczyna S.,: Lap joint stiffness according to Eurocode EC3 and experimental investigations results. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 03/2012, Vol. 12, p. 95-104. 20. Słowiński K.: Nośność połączeń zakładkowych z łącznikami mechanicznymi BOM. Inżynieria i Budownictwo, nr 1, 2012, s. 380-383. 21. Słowiński K., Wuwer W.: Investigations of closely spaced built-up bars with flexible joints. Proceedings of the 6 th International conference on Thin-Walled Structures Recent research advances and trends. Timisoara, Romania 2011, p. 229-236. 22. ECCS: Testing Procedures. ECCS publication, Brussels. 23. PN-EN 1990 Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji. 24. PN-EN 1993-1-3 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-3: Reguły ogólne. Reguły uzupełniające dla konstrukcji z kształtowników i blach profilowanych na zimno. 25. PN-EN 1993-1-1 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. 54