Sef Lucrari Dr. Ing. Cristian Rusanu Cursul 1 - Introducere in structuri compozite beton-otel
Sef Lucrari Dr. Ing. Cristian Rusanu
Cursul 1 - Introducere in structuri
compozite beton-otel
Tipuri de structuri clasice Constructii de beton armat:
Avantaje Rezistenta buna la foc
Rezistenta buna la agresivitatea mediului
Cost scazut al materialelor
Dezavantaje Raport greutate/rezistenta mic
Timp de executie ridicat
Constructii din otel: Avantaje
Raport greutate/rezistenta bun
Elemente mai zvelte
Dezavantaje Costul materialului este mai ridicat
Rezistenta scazuta la foc
Necesita protectie anticoroziva
Structuri compozite
Structurile compozite combina avantajele celor doua
materiale:
Rezistenta buna la compresiune a betonului cu rezistenta mare
la intindere a otelului
Elementele metalice sunt in general zvelte si sensibile la flambaj
iar betonul poate sa le impiedice sa flambeze
Betonul protejeaza otelul impotriva coroziunii si sporeste
rezistenta la foc a elementelor metalice
Otelul aduce ductilitate structurii
Evolutia folosirii elementelor compozite
- Grinzi compozite -
La planseele cu deschideri mari, folosirea grinzilor metalice este
mult mai ieftina decat a celor de beton, dar pana in anii 1950
grinzile metalice erau calculate sa preia singure greutatea placii si a
incarcarilor . Placa si grinda lucrau independent.
Aparitia conectorilor de forfecare in anii 1950 a facut posibila
conectarea grinzii cu placa => grinda compozita
Grinda ne-compozita Grinda compozita
Evolutia folosirii elementelor compozite
- Placi compozite - Folosirea grinzilor metalice duce la rapiditate in executie.
Eliminarea pentru placa de planseu se poate realiza prin folosind un “cofraj pierdut” din tabla care are doua roluri:
Rol de cofraj in executie
Rol de armatura inferioara pentru placa
Evolutia folosirii elementelor compozite
- Stalpi compoziti -
Inglobarea stalpilor in beton s-a facut la inceput pentru sporirea rezistentei la foc, dar profilele se calculau ca elemente de metal simple
Inglobarea profilelor metalice implica si o reducere a zveltetii efective si cresterea rigiditatii la sarcini laterale
Codurile moderne includ aportul betonului in evaluarea rezistentei si stabilitatii stalpilor compoziti
Folosirea cofrajului se poate elimina in cazul sectunilor tubulare.
Aspecte privind utilizarea structurilor
compozite
Proiectarea structurala nu inseamna numai optimizarea
rezistentei, rigiditatii si ductilitatii, ci si considerarea
urmatoarelor aspecte
aspecte arhitecturale
aspecte economice
aspecte functionale
aspecte tehnologice
Aspecte arhitecturale Folosirea structurilor compozite ofera posibilitatea
combinarii mai multor tipuri de elemente compozite si, implicit, o gama larga de solutii arhitecturale.
Din punct de vedere arhitectural cele mai importante avantaje ale folosirii elementelor compozite sunt:
Reducerea inaltimii grinzilor
Deschideri mari
Placi cu grosime redusa
Stalpi zvelti
Aspecte economice Reducerea dimensiunilor elementelor structurale si viteza de executie
mai mare in raport cu structurile de beton armat pot duce la reduceri de cost insemnate.
Reducerea dimensiunilor elementelor de planseu are urmatoarele avantaje: Reducera inaltimii de planseu=> reducerea inaltimii de etaj=> reducerea
inaltimii totale a structurii=> reducerea suprafetelor inchiderilor Deschideri mai mari cu acceasi inaltime, comparate cu alte sisteme
constructive=> spatii utile mai mari si flexibilitate in exploatare
Manopera mai simpla si timpul de executie redus aduc urmatoarele avantaje economice: Economie de cost Costuri reduse de finantare Darea in folosinta mai devreme
Aspecte functionale
Folosirea elementelor compozite nu mai implica realizarea
unei protectii la foc costisitoare ca in cazul structurilor
metalice.
Structurile compozite sunt adaptabile si se pot modifica usor
pe durata de viata a constructiei, mai alest in cazul
structurilor in cadre.
Datorita spatiului dintre placa si talpa inferioara a grinzii,
instalatiile se pot modifica, iar in cazul folosirii unor ferme
metalice flexibilitatea este aproape totala
Aspecte tehnologice Folosirea elementelor compozite la plansee are urmatoarele
avantaje: Tabla cutata asigura o platforma de lucru pentru celelalte activitati Rolul de cofraj al tablei cutate care reazema pe grinzi si eliminarea, in
unele cazuri, a popilor de sprijinire. Tabla cofranta are si rol de armatura inferioara iar pentru preluarea
momentelor negative si a eventualelor eforturi din contractie si variatii de temeperatura este necesara armatura doar la partea superioara
Viteza si simplitatea in executie. Tabla cutata este usoara si se poate transporta, depozita si monta usor pe santier.
Elemente structurale cu calitate controlata.
Comparatii cu alte sisteme
constructive
Structurile compozite au o rezistenta si o rigiditate mai mare decat
structurile metalice de aceleasi dimensiuni
Grinda compozita Grinzi metalice
Sectiune IPE 400 IPE 550 HEB 360
Inaltime element 560 710 520
Nivel de rezistenta 100% 100% 100%
Greutate 100% 159% 214%
Inaltime element (%) 100% 127% 93%
Rigiditate 100% 72% 46%
Comparatii cu alte sisteme
constructive
Elementele compozite sunt in general mai mici decat cele
din beton armat
Procedee de constructie Executia unei structuri compozite in mod economic poate fi
impartita in urmatoarele operatii: Mai intai se ridica o structura conventionala de otel in cadre, contravantuita
sau nu. Daca se folosesc sectiuni casetate pentru stalpi, carcasele de armatura se pot monta deja din fabrica.
De asemenea pot fi pregatite din fabrica toate consolele scurte, placile de prindere si conectorii verticali (bolturi fara cap sau cuie impuscate) pentru transferul incarcarii intre otel si beton, pentru a mari astfel viteza de executie pe santier. Dupa montarea stalpilor grinzile de otel sunt montate articulta pe acestia.
intre grinzi sunt dispuse table cutate sau predale prefabricate de beton, servind si de cofraj si ca platforma de lucru. in final, prin betonarea placilor si a stalpilor intr-o singura etapa se rigidizeaza ansamblul iar imbinarile devin din articulatii imbinari semicontinue.
Procedee de constructie
Elemente de constructii
Placi
Placi de beton armat
in functie de complexitatea formei placii, de timpul disponibil si
de capacitatea atelierului de prefabricare, placile de beton pot fi
produse:
Pe santier folosind cofraje
Folosind predale
Folosind elemente prefabricate de placa.
Elemente de constructii
Placi Placi compozite
Se folosesc atat tabla profilata obisnuita, cat si tabla speciala pentru a realiza efectul compozit.
Intr-o placa compozita sunt mai multe posibilitati de a asigura conlucrarea intre otel si beton: Adeziunea chimica este fragila si nesigura, drept care nu trebuie
considerata in calcul Aderenta prin frecare nu este capabila sa transmita forte taietaoare
mari Aderenta mecanica prin protuberantele de pe tabla Ancorarea la capete cu bolturi, corniere sau prin deformarea
tablei la capete aduce o incarcare foarte concentrata la capete si deci o crestere brusca de la otelul simplu la capacitatea compozita
Elemente de constructii
Placi
Placi compozite
Aderenta prin frecare la placi compozite
Aderenta mecanica la placi compozite
Elemente de constructii
Placi
Placi compozite
Ancoraje de capat pentru placi compozite
Elemente de constructii
Grinzi
Intr-o grinda compozita in zona de moment pozitiv placa de beton
este activata in compresiune prin conectorii de forfecare.
In aplicatiile practice cele mai folosite sunt bolturile cu cap
(conectori Nelson). Avantajul este combinarea unei rigiditati
relativ mari cu o capacitate de deformare relativ mare.
Elemente de constructii Grinzi – Conectori de forfecare cu cap
Elemente de constructii Grinzi – Conectori de forfecare Hilti X-HVB
Elemente de constructii
Grinzi
Grinzi compozite tradiţionale Grinzi compozite inovante
Elemente de constructii
Stalpi
Stalpii compoziti sunt de obicei folositi acolo unde prezenta
fortelor axiale mari este combinata cu dorinta de a avea sectiuni
mici.
Deoarece stalpii compoziti pot fi prefabricati sau cel putin
pregatiti in atelier, timpul de executie poate fi redus drastic
comparativ cu stalpii de beton armat turnati in situ.
Un avantaj decisiv asupra stalpilor metalici este rezistenta inalta la
foc a stalpilor compoziti fara a lua masuri speciale.
Elemente de constructii
Stalpi
Pentru sectiunea de otel sunt potrivite profile laminate I precum si
sectiune tubulare (rectangulare sau circulare).
Sectiunile I pot fi inglobate total sau partial, cand sunt umplute cu
beton numai zonele dintre inima si talpi.
Sectiunile tubulare au avantajul ca nu mai este necesar cofrajul,
sunt preferate de arhitecti si se comporta foarte bine la foc.
Elemente de constructii
Noduri Nodurile structurilor metalice si compozite au fost tratate ca fiind parte integranta a
stalpului.
Abordarea moderna consta in considerarea nodului ca element separat, idealizarile de tip
articulatie si nod rigid nefiind adecvate pentru descrierea reala a comportarii
Nodurile trebuie evaluate tinand cont de urmatoarele aspecte:
Rigiditate:
articulatie - un nod cu rigiditate la rotire nula
nod rigid – un nod care are rigiditate considerata infinita la moment încovoietor (asigura
continuitatea perfecta a rotaţiilor)
Nod semirigid - Între aceste doua extreme vorbim de noduri semirigide.
Capacitate la încovoiere :
Articulatie – capacitate la moment egala cu zero
Nod cu rezistenta completa – capacitatea la moment a nodului este mai mare decat cea a elementelor pe
care le imbina
Nod cu rezistenta partiala.
Capacitate de rotire (ductilitate)
Definitii si terminologie Caracteristica forfecare-lunecare a unui singur conector
Relaţia idealizata dintre forţa taietoare şi deplasarea unui conector duce la trei
caracteristici dominante:
Rigiditate iniţiala
Rezistenţa
Capacitate de deformare
Lunecarea este definita ca deplasarea relativa la interfaţa între cele doua
materiale conectate în direcţia axei
Caracteristica forfecare-lunecare a unui singur
conector
Comportarea globala a grinzii compozite este influenţata decisiv
de cele 3 caracteristici susmenţionate:
Gradul de conectare, pe lânga numarul de conectori, este
influenţata direct de rezistenţa unui conector
Interacţiunea la forfecare depinde de rigiditatea iniţiala a
conectorilor utilizaţi şi de numarul lor.
Capacitatea de deformare a întregii grinzi este limitata de cea a
conectorului individual.
Gradul de conectare (rezistenta)
Gradul de conectare da raportul între capacitatea portanta a conexiunii de
forfecare şi aceea a secţiunii compozite însăşi, care este dominata de partea cea
mai slaba (fie beton fie oţel).
Presupunând comportare perfect plastica, gradul de conectare h se poate defini ca raportul intre capacitatea conectorilor la forfecare si valoarea minima a rezistentei
celor doua componente din elementul compozit ( rezistenta otelului sau a
betonului)
𝜂 =𝑁𝑖,𝑅𝑑𝑁𝑅𝑑,𝑏𝑒𝑡𝑜𝑛
𝜂 =𝑁𝑖,𝑅𝑑𝑁𝑅𝑑,𝑜𝑡𝑒𝑙
𝑁𝑖,𝑅𝑑 = 𝑇𝑖,𝑅𝑑𝑛𝑟.𝑐𝑜𝑛𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑖
Gradul de conectare (rezistenta)
Nici o conectare (h=0) înseamna ca ambele parţi lucreaza complet separat.
În cazul conexiunii integrale (h>100%) este suficienta capacitate portanta
asigurata de dornuri pentru a atinge cedare secţiunii însăşi (curgerea tuturor
straturilor).
Între aceste doua limite extreme vorbim despre conexiune parţiala (0<h<100%)
care de obicei duce la un optim de consum de materiale şi de cost.Pentru
conexiune parţiala, capacitatea portanta a grinzii este limitata de cedarea
conexiunii.
Interactiune la lunecare (rigiditate)
Daca interactiunea la lunecare este completa (rigida) sau incompleta (semi-rigida,
slaba) depinde de conectori si de numarul lor raportat la rigiditatea partilor
compozite (grinda metalica, placa de beton)
Interactiunea ideal rigida inseamna ca nu exista deplasare relativa (lunecare) între
partile compozite la interfaţa lor. Deoarece conectorii acţioneaza ca resoarte
paralele, o crestere a gradului de conectare merge mana-n mana cu o crestere a
interactiunii la lunecare (reducere a lunecarii). Deci o conexiune infinit rigida nu
poate fi posibila decât pentru conectori infnit rigizi sau un numar infinit de
conectori.
Termenul „interactiune completa” trebuie inteles ca situatia in care deplasarile sunt
suficient de mici încat efectul lor poate fi neglijat.
Interactiune la lunecare (rigiditate)
Pentru interacţiunea incompleta, ca termen legat de starea limita de serviciu,
deplasarile relative la interfata grinda – placa trebuie luate în considerare ca un
salt în distribuţia de deformatii. Ipoteza Bernoulli a secţiunilor plane este valida
numai pentru cele doua parti, otel ai beton, separat, dar nu si pentru sectiunea
compozita in totalitate.
Interactiune la lunecare (rigiditate)
Pentru interacţiunea incompleta lunecarea este acompaniata de o cerşterii a sageţii.
În EC4 acest efect este luat în considerare de o maniera aproximativa prin interpolare liniara
depinzând de gradul de conectare:
da este sageata grinzii simple de oţel
dc este sageata grinzii compozite presupunând o conexiune infinit rigida
h este gradul de conectare
n depinde tipul de acţiune de forfecare (0,3 sau 0,5)
𝛿
𝛿𝑐= 1 + 𝜈(1 − 𝜂)(
𝛿𝑎
𝛿𝑐− 1)
Exemple de structuri cu structura compozita
MILLENNIUM TOWER - Viena
55 de teaje
Arie de planseu -1000 m2
Inaltime totala – 202m
Timp de executie -8 luni (2.5 etaje/saptamana)
MILLENNIUM TOWER - Viena
MILLENNIUM TOWER - Viena
MILLENNIUM TOWER - Viena
MILLENNIUM TOWER - Viena
MILLENNIUM TOWER - Viena