Spřažené ocelobetonové desky pod různými typy zatížení

• Foto

Toto spojení je realizováno přes spřahovací prvky. Smykové spojení mezi tenkostěnnými trapézovými plechy a betonem lze realizovat takto [1]:

a) Mechanickým spojením za použití předem vylisovaných prvků do samotného plechu
b) Třecí spojení na plechu se skosenými žebry.
c) Spojení pomocí spřahovacích trnů v kombinaci s a) nebo b).

Pro realizaci vodorovných plošných konstrukcí (stropů nebo podlah, plochých střech) lze navrhnout systémy z betonu litého na profilovaný kovový podklad, který s betonem spolupůsobí. Zpravidla se jedná o tenkostěnné profilované ocelové plechy opatřené různými typy prvků zabezpečujícími spřažení – spolupůsobení mezi ocelí a betonovou deskou. Při návrhu tohoto typu konstrukcí je jedním z hlavních předpokladů zabezpečení efektivního smykového spojení mezi ocelí a betonem, které je realizováno právě přes prvky zabezpečující spřažení [2]. Tyto prvky jsou nejčastěji provedeny jako vruby, které jsou vylisovány na šikmých stranách lichoběžníkových profilů (v případě trapézových plechů) nebo na bocích vln (v případě vlnitých plechů). Povrchová úprava profilovaných ocelových plechů je buď provedena galvanizací, nebo jsou plechy opatřeny nátěrem, který je proveden na galvanizovaný povrch plechu. Systémy pro vodorovné konstrukce tohoto typu jsou v současnosti nejvíce používané v zemích západní Evropy, zejména ve Francii a Německu. Tento typ spřažení konstrukce vyniká především jednoduchostí a rychlostí vlastní výstavby. Spřažení mezi plechem a betonem zajišťuje dostatečnou nosnost i bez dalšího vyztužování betonu. Systém dále doplňuje pouze o konstrukční výztuž.

CHARAKTERISTIKA ZVOLENÝCH TENKOSTĚNNÝCH PLECHŮ
Materiály
Charakteristika plechu
Jedná se o měkký ocelový plech za studena laminovaný, kontinuálně galvanizovaný, s povrchem Z275 podle normy P 34.310, nebo galvanizovaný přednatřený B 15/E podle normy P 34-401.

Další železné součásti
Do konstrukce je umístěny při horním povrchu svařovaná síť nebo kulatá ocel s vysokou adherencí. Tato výztuž je v konstrukci z důvodu zachycení smršťovacích trhlin.

Beton
Beton z písku a běžných přísad třídy C20/25.

Geometrie tenkostěnných plechů [3]
Postranní plochy nesou každá vruby pro zajištění součinnosti s betonem. Nominální výška těchto vrubů je 3,0 mm.

Plechy se vyrábějí ve čtyřech různých tloušťkách: 0,75 – 0,88 – 1,00 – 1,25 mm.

Kontrola rozměrů

• hloubka vrubů: nominální hodnota 3 mm s tolerancí +0,45 mm a –0,22 mm.
• výška profilu: musí být dodržena nominální hodnota s tolerancí +2 mm a –1 mm.
• šířka plechu: musí být dodržena nominální hodnota s tolerancí +12 mm a –0,0 mm.

Popis montáže

• jednotlivé prvky se pokládají a fixují na nosníky pomocí vhodných pistolí a náplní, nebo samořeznými šrouby či šrouby s matkami.
• plechy podepřeny pouze na koncích, nikoli na prostředních opěrách.
• na celou plochu desky se umístí svařovaná síť pro zajištění smršťovacích trhlin.
• beton se lije tradičními postupy
• beton je nutno vibrovat umírněně z důvodu toho, že kovové prvky přenášejí vibrace lépe než tradiční bednění.

SOUČASNÉ METODY NÁVRHU
Podélný smyk u desek bez koncového kotvení [4]
Návrhová únosnost při působení podélného smyku se má určit tzv. metodou m+k nebo metodou částečného spojení. Metoda částečného spojení se má použít pouze na spřažené desky s tažným podélným smykovým chováním.

Podélné smykové chování se může považovat za tažné, jestliže zatížení při porušení desky převyšuje o více než 10 % zatížení způsobující změřený koncový posun 0,1 mm. Je-li maximálního zatížení dosaženo při průhybu větším než L/50, má se jako zatížení při porušení uvažovat zatížení odpovídající průhybu právě L/50.

Použije-li se m+k metoda, má se prokázat, že největší vertikální smyk V_ed pro desku šířky b není větší než návrhová smyková únosnost V_1,Rd vypočítaná z následujícího vztahu:


kde:
b, d_p jsou v mm;
A_p je jmenovitá plocha průřezu plechu mm²;
m, k jsou návrhové hodnoty empirických faktorů v N/mm² získané ze zkoušek desky, které jsou uspořádány podle základních požadavků této m+k metody;
L_s je smykové rozpětí v mm;
γ_Vs je dílčí součinitel bezpečnosti pro mezní stav únosnosti.

Je-li chování duktilní, měl by se zástupce experimentální smykové síly Vt považovat za 0,5 násobek hodnoty zatížení při porušení Wt. Je-li chování křehké, tato hodnota se snižuje s použitím faktoru 0,8.

Ze všech testovacích hodnot V_t charakteristické pevnosti ve smyku by se měl vypočítat 5% kvantil pomocí vhodného statistického modelu koncipovaného jako charakteristika lineární regresní čáry, jak je ukázáno na obr. 5.

Dokumentace od výrobce
Dokumentaci pro tento typ konstrukcí udává jejich výrobce limitní zatížení pro jednotlivá statická schémata, rozpětí, tloušťku konstrukce a počet montážních podpěr. Tyto uváděné hodnoty (pro plechy COFRASTA a COFRAPLUS) vycházejí z vědecko-technické zprávy připravené institucí „Center Scientifique et Technique du Batiment“, která se nachází ve Francii. Tato sbírka technických expertíz definuje vztahy pro vyčíslení mezních průhybů a mezních zatížení. Účinnost smykového spojení mezi ocelovým trapézovým plechem a betonovou deskou je v technickém posudku [3] definována takto:


kde τ_s je působící smykové napětí a τ_R je smyková únosnost.


 

Obr. 8 – Experimentální součinitele m a k

kde:
V_s je působící smyková síla po vytvrdnutí betonu,
l je rozpětí prvku,
b je šířka prvku,
z_el je rameno vnitřních sil, (d_p - τ / 3)
d_p je průměrná tloušťka betonové desky,
τ je tloušťka tlačené části betonové desky,
m, k jsou součinitele vycházející z experimentů [3],
h je celková tloušťka prvku,
ρ je poměr ocelového průřezu plechu a průřezu betonu (b · d_p).

Studie byly připraveny podle Francouzských norem a předpisů. Ve střední a východní Evropě neexistuje žádná metodika výpočtu pro tyto typy konstrukcí.

EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ SMYKOVÉHO SPOJENÍ
První ze série experimentů byla provedena na jaře loňského roku a měla za úkol ověřit skutečné chování těchto typů kompozitních deskových konstrukcí. Na zkušebních tělesech byly měřeny průhyby a dále byly osazeny tenzometry pro sledování prokluzu mezi ocelovým plechem a betonem [5].

V první sérii bylo testováno šest zkušebních těles s rozměry: šířka 1,08 m a rozpětí 2,0 m. Celková tloušťka „h“ všech zkušebních těles byla 110 mm (50 mm betonu nad nejvyšším horní vlnou tenkostěnného plechu). Desky zkušebních těles byly vybetonovány bez montážního podepření a všechny zkušební tělesa byly vyztuženy svařovanou ocelovou sítí Ø 8 s oky 100/100 mm. Tato armatura zajišťovala povrch betonu proti smršťovacím trhlinám a nebyla uvažovaná jako nosná výztuž. Byl použit beton C20/25 a ocelové trapézové plechy COFRAPLUS 60 s tloušťkou plechu 1,0 mm viz obr. 6.

Po betonáži byla tělesa přesunuta do zkušebny, kde na ně byla umístěna měřící zařízení (obr. 10, obr. 11).

Rovnoměrné plošné zatížení
V experimentu byly zkušební vzorky zatěžovány rovnoměrným plošným zatížením. Toho bylo docíleno, pomocí unikátního zatěžovacího systému na principu vakuování, obr. 14. Prokluz mezi betonovou deskou a ocelovým plechem je znázorněn na obr. 16 [6].

Obr. 15 a obr. 16 ukazuje těleso po kolapsu. Ke kolapsu konstrukce došlo po vyčerpání vzájemného smykového spojení mezi ocelovým plechem a betonem. Vzájemné posunutí mezi betonem a ocelí je vidět na obr. 14.

Zatěžování čtyřbodovým ohybem
Zkoušky se mají provádět na prostě podepřených deskách. Uspořádání zkoušky je vidět na obr. 17. Zkušební vzorek se má zatíži dvěma přímkovými zatíženími, souměrně umístěnými ve čtvrtínách rozpětí.

Vzdálenost mezi osou podpory a okrajem desky nemá být větší než 100 mm. Šířka podpor a roznášecích desek pod zatížením nemá být větší než 100 mm.

Jsou-li zkoušky použity k určení součinitelů m a k, mají se vyšetřit dvě skupiny vzorků s určitými rozměry po třech kusech nebo tři skupiny po dvou kusech. Pro vzorky odpovídající oblasti A se má zvolit smykové rozpětí L_s co největší, zatímco pro oblast B má být smykové rozpětí co nejmenší, přičemž v obouch případech má dojít k porušení podélným smykem. V druhém případě nemá být smykové rozpětí menší než trojnásobek h₁.

ZÁVĚRY
Popsaný kompozitní nosný systém – Podélně profilované tenkostěnné plechy se spřahujícími prvky (bez nosné výztuže) – je moderní stropní konstrukční systém, jehož použití není ve střední a východní Evropě příliš rozšířené. Hlavní výhodou tohoto systému je zejména jeho jednoduchost a rychlost výstavby. Jedním z důvodů, proč tento typ konstrukce není tak často používána je neexistující metodika návrhu pro návrh.

Zkoušky pomocí spojitého rovnoměrného zatížení ukazují, že únosnost desek je o 35 % vyšší v porovnání se staticky zkoušeným tělesem pomocí čtyřbodového ohybu.

Použití cyklického zatěžování výrazně ovlivňuje profil křivky zatížení a průhybu ve srovnání se statickým zatížením. Průhyb roste více rovnoměrně.

ZDROJE INFORMACÍ:
[1] Ducháček, J., Bajer, M., Barnat, J.: Thin-Walled Steel Plates with Moulded Connection Members in Composite Steel-Concrete Structures, Selected papers from 10th International Conference Modern Buildings Materials, Structures and Techniques, Vilnius Gediminas Technical University, 19–21. May 2010, Lithuania, pp. 880–885, ISBN 978-9955-28-594-6
[2] Ducháček J., Bajer M., Barnat J., 2009; Tenkostěnné profilované plechy s prvky zabezpečujícími spřažení, contribution to the 11th WTA conference 2009, „Sanace a rekonstrukce staveb 2009“ December 2009, Prague, ISBN 978-80-02-02190-2, pp. 253–256
[3] CSTB Technical report Cofraplus 60, 3/03-390, PAB, ARCELOR Group, 32 rue Gambetta BP 62, F-59264 Onnaing, 2004, pp. 27–34
[4] EN 1994-1-1; 2004, Eurocode 4 – Design of composite steel and concrete structures – Part 1.1: General rules and rules for buildings
[5] Z. Kala, J. Kala, Variance-Based Sensitivity Analysis of Stability Problems of Steel Structures using Shell Finite Elements and Nonlinear Computation Methods, In Proc. of the 2nd WSEAS Int. Conf. on Engineering Mechanics, Structures and Engineering Geology (EMESEG ’09), Rodos Island (Greece), 2009, pp. 89–94 [6] MELCHER, J. Full-Scale Testing of Steel and Timber Structures: Examples and Experience, In Structural Assessment – The Role of Large and Full Scale Testing, Edited by K.S. Virdi et. al., London: E&FN SPON, 1997, pp. 301 – 308, ISBN 0 419 22490 4

Composite Steel-Concrete Slabs Under Different Load Types
Steel structures have a much greater load bearing capacity than structures made of concrete; however there is a problem with stability and rigidity. In contrast, concrete structures have high rigidity but low tensile resistance. Therefore, one can say that with the combination of these two materials we can make use of the aforementioned advantages of both materials  to full extent. In composite steel-concrete cross section the pressure stress is absorbed by the concrete cross section and tension is absorbed by the steel part. For these structures and their correct and proper functioning, it is necessary to provide for shear connection between these two materials.

Autoři

• Ing. Karásek Radek
• Ing. Holomek Josef