Post on 15-Jan-2016
description
transcript
Structuri Compuse
Oțel-Beton
Student:Mănarcă Ionuț Alex
An:4
C.F.D.P
Borderou
o Bază de calcul
o Structuri compuse realizare în România
o Structuri compuse realizate în Spania
o Exemplu de calcul Acobri
Structuri compuse otel beton
Prezentare generală
Structurile compuse oțel-beton reprezintă soluții eficiente în construcțiile civile și
industriale- platforme maritime, hidrocentrale, atomocentrale, și cu precădere in domeniul
construcțiilor de poduri de cale ferată și șosea.
Utilizarea combinațiilor de oțel-beton într-un sistem structural unitar a evoluat de-a
lungul timpului datorită modelelor de calcul a elementelor din beton armat și verificarea în
practică a comportării în timp al acestora. Progresul structurilor compuse este în strânsă legătură
cu evoluția caracteristicilor materialelor de construcții, reprezentată de rezistența mecanică, a
metodelor de calcul și dezvoltarea tehnologiei de fabricație si execuție.
Podurile noi sunt proiectate și executate conform normelor de proiectare europene numite
Eurocode-uri dublate de Stas-urile naționale, destinate să suporte traficul actual și de perspectivă
în condiții de siguranță, confort și economicitate. Transportul auto și cel feroviar impun
realizarea unor condiții optime pentru infrastructura și suprastructura căilor de comunicație
pentru a asigura viteza de circulație și exploatarea eficientă a vehiculelor.
În ceea ce privește structurile existente, acestea sunt expertizate și consolidate în cazul în
care prezintă degradări fizice sau morale, din punct de vedere static și dinamic, urmând să poată
prelua traficul actual.
Principalele etape de realizare ale structurilor de poduri sunt reprezentate de etapa de
concepție a structurii de rezistență și etapa de execuție .
Tendința actuală este de îmbunătățire a formelor constructive clasice, ajungându-se la la
solutii noi în ceea ce priveste forma constructiei, modul de proiectare și tehnologia de execuție.
Stări limită
Stările limită dincolo de care structura nu mai satisface cerinţele de
performanţă proiectate sunt clasificate în următoarele:
o stări limită ultime asociate cu colapsul sau cu alte forme decedare structurală;
o stări limită de serviciu (ale exploatării normale) carecorespund stărilor dincolo de care nu
mai sunt îndepliniteanumite criterii de exploatare.
În general , sub diverse combinaţii ale acţiunilor, în stadiul limităultim, o grindă mixtă oţel-beton
trebuie să fie verificată la:
o asigurarea rezistenţei secţiunii transversale critice;
o asigurarea stabilităţii generale şi locale:
- rezistenţa la flambaj lateral prin torsiune;
- rezistenţa la flambaj la forţă tăietoare şi la forţe transversale aplicate inimii;
o asigurarea conlucrării între grinda metalică şi placa de beton armat prin intermediul
conectorilorȘ
- rezistenţa la lunecare longitudinală.
Secţiunile transversale critice sunt:
o secţiunile de moment încovoietor maxim pozitiv;
o secţiunile de reazem;
o secţiunile supuse la forţe sau reacţiuni concentrate;
o puncte în care are loc o modificare bruscă a secţiunii (alta
decât cea datorată fisurării betonului).
Secțiunile compuse oțel-beton sunt încadrate în 4 clase de secțiuni pentru a analiza conportarea
transversală și procentul de secțiune activă.
În ceea ce privește dala de beton, aceasta are următoarele roluri:
- face parte din talpa superioară a grinzilor metalice;
- face parte din tălpile superioare ale antretoazelor, când între acestea şi dală este realizată
conlucrarea;
- fixează talpa comprimată a grinzii metalice;
- acţionează ca o diafragmă pentru a transmite încărcările orizontale la reazeme;
- contribuie la repartiţia transversală a încărcărilor între grinzile principale .
Lățimea activă de dală
Lăţimea de conlucrare a dalei este distanța pe care volumul de eforturi unitare de
compresiune, considerate distribuite uniform şi egale cu efortul maxim în dală în dreptul grinzii
metalice, este egal cu volumul eforturilor unitare de compresiune, variabile, acţionând pe lăţimea
reală a dalei.
Conform EN
În câmp și pe reazemele intermediare
Pe reazemele finale
beff b0 b ei b0
beff b0 i bei b0b0
unde: b0 este distanţa între axele conectorilor marginali;
dar nu mai mare decât bi , în care
bi este distanţade la conectorul marginal până
la un punct situat la jumătatea distanţei dintre două inimi adiacente, măsurată pe
linia mediană a tălpii de beton, cu excepţia că lângă o latură liberă, distanţa bi este până la latura
liberă;
Le se alege conform figurii:
Determinarea coeficientului de echivalenţă
bei
Le8
Le
i 0.55 0.025Le
bi
1Le
Pentru determinarea caracteristicilor secţionale ale secţiunilor compuse, se foloseşte metoda
secţiunii transformate, în care secţiunea transversală neomogenă oţel - beton se echivalează cu o secţiune
omogenă prin transformarea secţiunii betonului din dală într-o secţiune echivalentă de oţel.
Această transformare se realizează prin intermediul coeficientului de echivalenţă, care reprezintă
raportul între modulul de elasticitate al oţelului şi al betonului, funcţie de natura încărcărilor ce acţionează
asupra structurii compuse considerate.
Relația coeficientului de echivalare conform EN:
Încărcări de scurtă durată:
este modulul de elasticitate al oţelului din grinda metalică;
este modulul de elasticitate al betonului din dală.
Încărcări permanente si temporare de lungă durată:
L este egal cu 1,1 pentru încărcări permanente
t t0 este coeficientul curgerii lente
Calculul momentului capabil
Momentul capabil elastic
Analiza elastică a grinzilor mixte se bazează pe următoarele ipoteze:
o legătura dintre grinda metalică și dala de beton este continuă și nu există lunecare la
interfața de contact oțel-beton
o secținile plane rămân plane și după deformare
o oțelul și betonul se consideră materiale elastice.
ni nEa
Ecm n
EaEcm
nL n0 1 L t t0 n0
Pe baza acestor ipoteze , secțiunea mixtă se consideră formată dintr-un material omogen
echivalent în oțel.
Aria echivalentă în oțel, A1 se calculează cu relația:
Aa -aria grinzii metalice
As-aria armîturii flexibile
hc-grosimea dalei
n- coeficientul de echivalare
Calculul și verificarea tensiunilor normale
Secțiunea mixtă în zona de moment pozitiv
Axa neutră în grinda metalică
Aria echivalentă în oțel a întregii secțiuni se calculează:
A1 Aa
Ac
n Aa
beff hc
n
beff
Poziția centrului de greutate al secțiunii echivalente în raport cu fibra superioară a plăcii,y:
Z
Aa za hac hc beffhc
n
hc2
Aa
Ac
n
beff
Momentul de inerție al secțiunii echivalente în raport cu axa care trece prin centrul de
greutate este:
A1 Aa Asbeff hc
n
beff
Ii Ia Aa za hac hc z 2
beff hc
nz
hc2
2
beff
Ia si Ic sunt momentele de inerție ale grinzii metalice, respectiv ale dalei de beton în
raport cu axele proprii de greutate.
Axa neutră în grinda metalică
Tensiunile pe înălțimea secțiunii sunt:
În oțel:
aiM
l1h z( )
fy
a
M
asM
l1z hac hc
fy
a
MM
În beton:
csM
n l1z
0.85fck
c
M
Axa neutră în dala de beton
Dacă valorile lui Z calculate cu relația anterioară rezultă mai mici decât hc, poziția axei
neutre se determină cu relația:
z Aan
beff 1
2 beff
Aa nza hc hc 1
hcbeff
Aria echivalentă în oțel a întregii secțiuni se calculează:
A1 Aa
Ac
n Aa
beff hc
n
beff
Momentul de inerție al secțiunii echivalente va fi:
Ii Ia Aa za hac hc z 2beff z
3
3n zz
Axa neutră în placa de beton
Secțiunea mixtă în zona de moment negativ
Aria echivalentă în oțel a secțiunii active se va evalua cu relația:
Poziția axei neutre se determină cu relația:
ZAa za hac hc Ass ds Asi di
A2
Aa
Momentul de inerție al secșiunii echivalente va fi:
I2 Ia Aa za hac hc z 2 Ass z ds( )2 Asi z di( )
2 IaIa
Secțiunea mixtă în zona de moment negativ
A2 Aa As Aa Asi AssAa
Tensiunile pe înălțimea secțiunii sunt:
În oțel:
aiM
l2h z( )
fy
a
MM
asM
l2z hac hc
fy
a
MM
În armătura de la partea superioară:
ssM
I2z ds( )
fsk
s
MM
Momentul capabil elastic
Momentele capabile elastice se determină punând condiția ca eforturile unitare normale
pe înălțimea secțiunii grinzii mixte să fie egale cu cele limită admise, respectiv 0.85fck/γc în
beton , fy/γa în oțel și fsk/γs în armătură.
Momentul capabil elastic pozitiv
Mel.Rd min Mel.Rd
aiMel.Rd
cc
Mel.Rd
Mel.Rdcc
0.85fck
cn
l1
zcsMel.Rd
ccMel.Rd
cc
Mel.Rdai fy
a
l1
zaiMel.Rd
aiMel.Rd
ai
Momentul capabil elastic negativ
Mel.Rd min Mel.Rdai
Mel.Rdss
Mel.Rd
Mel.Rd
ai fy
a
l2
zaiMel.Rd
aiMel.Rd
ai
Mel.Rd
aifsk
s
l2
zssMel.Rd
aiMel.Rd
ai
Conectarea la lunecare
Forța de lunecare capabilă de calcul:
Forța de lunecare capabilă de calcul a unui dorn cu cap sudat automat, conform cu EN 14555, se
determină cu relația:
PRd
0.8 fu d
2
4
v
fuPRd
0.29 d2 fck Ecm
v
în care: 0.2
hsc
d1
hsc
pentru 3
hsc
d 4
1 pentru
hsc
d4
v -coeficientul parțial de siguranță=1.25
d- diametrul tijei dornului(16-25)mm
fu-rezistența de întindere ultimă a dornului
fck-rezistența caracteristică cilindrică a betonului
hsc I2I2-înălțimea totală a dornului
Numărul necesar de dornuri
nLab
PRd
PRdPRdLab
Tmed S
Iechivlab
Tmed
unde:
- S-momentul static al dalei echivalente în oțel față de centrul de greutate al întregii
secțiuni echivalente
-forța tăietoare mdie pe lungimea a-b
lab-lungimea pe care se calculează numărul de conectori.
Tmed
Poduri cu structură compusă oțel beton în România
Tipuri de structuri mixte cu conlucrare pentru poduri
Din punct de vedere al schemei statice a construcției se pot distinge urmãtoarele categorii
de structuri mixte cu conlucrare, utilizate pentru alcãtuirea lucrãrilor de poduri:
o tabliere independente (simplu rezemate);
o tabliere continue, pe douã sau mai multe deschideri;
o cadre cu stâlpi verticali sau înclinați;
o tabliere cu arce și grinzi de rigidizare;
o structuri hobanate.
Pentru fiecare categorie în parte existã o mare diversitate de tipuri de structuri, depinzând
de mãrimea, alcãtuirea și configurația obstacolului ce trebuie traversat, dar mai ales de imagina-
ția proiectantului care concepe lucrarea.
Poduri cu tabliere independente
Structurile compozite cu tabliere independente sunt alcãtuite din grinzi metalice simplu rezemate, în conlucrare cu platelajul din beton armat care susține calea pe pod. Un exemplu de astfel de lucrare este podul peste râul Câmpinița, la Lunca Cornului în județul Prahova.
Podul are suprastructura alcãtuitã dintr-un tablier independent având structura de rezistențã cu alcãtuire mixtã cu conlucrare, compusã din grinzi metalice în conlucrare cu platelajul din beton armat prin intermediul conectorilor flexibili.
Tablierul independent al suprastructurii are o lungime de 40 m .În secțiune transversalã sunt 6 grinzi principale, așezate la o distanțã de 1,50 m interax. Calea pe pod este prevãzutã cu o parte carosabilã, cu lãțimea de 7,80 m (pentru douã benzi de circulație) și cu douã trotuare pietonale, cu lãțimea de câte 1 m fiecare.
Poduri cu tabliere continue
Varianta de ocolire a municipiului Pitești, realizatã la profil de autostradã, a necesitat
execuția a 12 lucrãri de artã, dintre care trei poduri peste râul Argeș și un pod peste râul Doamnei
având suprastructurile alcãtuite cu structuri mixte cu conlucrare.
Tablierele podurilor peste râul Argeș sunt continue pe câte trei deschideri de 50 m + 70 m
+ 50 m .Diferența dintre cele trei poduri peste Argeș constã în oblicitatea cu care fiecare
traverseazã râul.
Podul peste râul Doamnei are suprastructura alcãtuitã din douã tabliere continue,pe câte
trei deschideri egale de câte 60 m fiecare (2 tabliere x 3 x 60 m).
Podul este continuat cu un pasaj superior cu lungimea de aproape 2 km, având
suprastructura alcãtuitã din tabliere cu grinzi prefabricate precomprimate. În secþiune
transversalã, toate cele patru poduri menþionate (peste râurile Argeș și Doamnei) sunt alcãtuite
cu câte douã grinzi principale semicasetate pentru fiecare cale a podului, în conlucrare cu
platelajele din beton armat.
Poduri cu structuri cadre
Structurile mixte cu conlucrare sunt mai puțin folosite la alcãtuirea cadrelor, din cauza
necesitãții existenței unui teren bun de fundare, dar și a anumitor dificultãți de execuție.Totuși, în
cazuri justificate, pentru a obține o înãlțime de construcție cât mai redusã și o comportare mai
bunã la seism, este justificatã și utilizarea unor astfel de structuri.
Din aceastã categorie de lucrãri poate fi exemplificat pasajul rutier denivelat peste DN1
la Câmpina. Acest pasaj a apãrut din necesitatea de a elimina blocajele rutiere și riscul major de
accidente la intersecția dintre DN1 și calea de acces în municipiul Câmpina. De o mar importanțã
pentru aceastã lucrare a fost conceperea traseului, menitã sã rezolve în mod optim fluența
traficului în zona intersecției (fig. 6).
Soluția adoptatã pentru realizarea acestui pasaj constã în 5 cadre succesive cu câte 3
deschideri a câte 30 m lungime fiecare, totalizând lungimi ale pasajului de 360 m pe calea 1 și
respectiv 361 m pe calea 2 (fig. 7).
Cadrele reazemã independent unul pe celãlalt, în dreptul pilelor, pe banchete de rezemare
tip Cerber.(fig. 8).
În secțiune transversalã, structura de rezistențã a suprastructuriiare o alcãtuire mixtã, cu
conlucrare între tablierele metalice și platelajul din beton armat. Legãtura dintre cele douã
elemente componente se face prin intermediul conectorilor rigizi. Deosebit de importantã și
interesantã în același timp, la tablierele metalice ale acestei structuri este curbarea inimilor
grinzilor, conform traseului foarte complicat al cãii rutiere (fig. 9).
Tabliere cu arce și grinzi de rigidizare
Tablierele cu arce și grinzi de rigidizare sunt structuri deosebit de avantajoase din punct
de vedere economic, deoarece pot acoperi deschideri mari și foarte mari, cu un consum redus de
material metalic și cu o înãlțime foarte micã în raport cu deschiderea. La aceste tabliere,
platelajul cãii poate fi realizat din beton armat sau beton precomprimat, în conlucrare cu
elementele metalice (grinzile tirant rigide, antretoazele și eventual longeronii structurii, dacã
existã). Tablierele cu arce și grinzi de rigidizare pot fi de tip Langer (cu tiranți verticali) sau
Nielsen (cu tiranþi înclinați).
Un exemplu de lucrare a cãrui suprastructurã este alcãtuitã dintr-un tablier mixt cu
conlucrare tip Langer îl constituie podul peste Canalul Dunãre - Marea Neagrã de la Medgidia,
realizat în cadrul lucrãrilor canalului - primul pod de acest gen din România. Podul are o
deschidere peste canal care este acoperitã cu un tablier independent cu structurã mixtã cu
conlucrare tip Langer cu lungimea de 131 m (fig. 10).
Poduri cu structura compusa oțel-beton in Europa
Spania
Spania are o suprafață de 505.000 km2 și o rețea de drumuri naționale de 164.000km și
490.000 km de drumuri administrate de consiliile oraselor. Compania Natională de Căi Ferate
administrează 15.700 km de cale ferată și un număr de 6.401 poduri.
Tipuri de structuri de poduri(în 1996):
o 5,509 poduri pe grinzi cu sectiune I
o 506 poduri casetate
o 5 poduri pe cabluri
o 17 poduri pe grinzi cu zăbrele
o 159 poduri cu structură compusă
Poduri casetate
Podul ,,Puente de Juan Bravo, Madrid, 1970” proiectat de ing. Martinez Calzón
și Fernández Ordoñez, reprezentativ pentru structura compusă oțel-beton pentru
acele vremuri cu L/h=40
,,Puente de Juan Bravo, Madrid, 1970”
,,Puente del Diablo, Barcelona, 1972”-100m deschidere.
Viaductul Tina Menor
Lungimea totală a viaductului este de 378.5m, cu 4 deschideri (64,25-
125-125-64.25), cu primele două deschideri realizate cu o curbură de 600m
și următoarele doua sunt realizate in curbe de sens contrar.
Este structurat pe o grinda continuă, cu secțiune casetată compusă
oțel-beton cu o grosime constantă de 6.5m si o lățime de 10m. Placa de
beton are o grosime de 0.32m și a fost realizată din prefabricate de 0.06m
urmate de o suprabetonare de 0.26m.
Pentru a atinge lățimea de 30m necesară autostrăzii, secțiunea
casetată a fost compusă cu o structulă din zăbrele din oțel, crescând
rezistența la torsiune cu 25%.
Grosimea părții inferioare a grinzii casetate este de 20-30mm, ajungându-se
astfel la posibilitatea realizării continuității grinzii, peste punctele de
rezemare.
Bibliografie:
1. Moga.p: ,,Proiectarea Elementelor din Oțel”;
2. Combri Design Manual Part II : ,, State-of-the-Art and Conceptual Design of
Steel and Composite Bridges”;
3. Revista Constructiilor - Nr. 111, Ianuarie - Februarie 2015