Złożone konstrukcje betonowe

1. Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone. Różnice, zastosowanie i obliczanie

Rozróżniamy 3 rodzaje konstrukcji z betonu

- Konstrukcje betonowe- nie ma zbrojenia lub zbrojeń jest niewielka ilość

- Konstrukcje żelbetowe

- Konstrukcje sprężone

Elementy betonowe ze względu na niską wytrzymałość i na ściskanie stosuje się w konstrukcjach na których występują naprężenie ściskające np. słup, filary mostowe, nawierzchnie betonowe

W konstrukcjach żelbetowych wszystkie pręty stalowe połączone są z betonem w sposób zapewniający współpracę tych materiałów. Sam beton nie nadaje się do wykonywania z niego elementów rozciąganych i zginanych Jeśli w elementach zginanych strefę rozciąganą wzmocnimy prętami stalowymi to będą one z powodzeniem przepościć naprężenia rozciągające gdy beton z powodzenie m będzie przejmował naprężenia ściskające

Wady konstrukcji żelbetowych

• ciężar własny

• pracochłonność wykonywania

• zła izolacyjność termiczna

• zła izolacja akustyczna

• możliwość pojawienia się rys zwiększających korozję

• trudność naprawy przebudowy bądź wzmocnienia

• Zbrojenie w konstrukcji żelbetowej nie zabezpiecza całkowicie przed

• możliwością pojawienia się rys (np. zbiorniki w oczyszczalniach ścieków)

W celu ich wyeliminowania w żelbetowych konstrukcjach powstała koncepcja wstępnego sprężenia betonu. Polega na poddaniu elementów rozciąganej strefy naprężeniom ściskającym (wstępnym) przed położeniem do elementów obciążeń zmiennych użytkowych Wartość naprężeń wstępnych jest tak dobrana aby powstałe przy obciążeniu belki naprężenia rozciągające były od nich mniejsze w ten sposób przy obciążeniu belki w żądanym punkcie nie powstają naprężenia rozciągające a więc nie powstają rysy

Rodzaje elementów sprężonych

1. strunobetonowe

2. kablobetonowe

Ze względu na technikę wykonania konstrukcji żelbety dzielimy na:

1. monolityczne - konstrukcje żelbetowe wykonane na miejscu wykonania składa się z uszykowanie deskowania, przygotowanie i montaż zbrojenia, przygotowanie betonu, pielęgnacja, zdjęcie deskowania po uzyskaniu odpowiedniej wytrzymałości otrzymana konstrukcja charakteryzuje się dużą sztywnością dzięki czemu wszystko to jednolita całość (ciągłość konstrukcji) np zbiorniki na ciecze

Wady: pracochłonne, nie zawsze możliwe

2. prefabrykaty- produkowane w fabryce

3. zespolone- powstają w wyniku zapewnienia współpracy jednego lub kilku wcześniej wykonanych elementów z betonem uzupełniającym.

Współpraca różnych pod względem cech mechanicznych materiałów jest możliwa że:

• podczas twardnienia betonu powstaje naturalna przyczepność między betonem a stalą dzięki czemu po przyłożeniu obciążenia sąsiednie włókna betonu i stali uzyskują jednakowe odkształcenia Stal jako materiał o większej wytrzymałości przejmuje na jednostkę powierzchni większą siłę niż beton

σ = ε·c (wzór) prawo Hooka 10ε stali > εbetonu

• stal i beton charakteryzują się zbliżonym co do wielkości współczynnikiem rozszerzalności termicznej W skutek tego przy zmianach temperatury w granicach kilkudziesięciu °C nie powstają naprężenia termiczne wywołujące szkodliwe odkształcenia

• beton w znacznym stopniu chroni stal przed korozją

2. Trajektorie naprężeń głównych

3. Strumienie sił w konstrukcjach z betonu

4. Stan sprężysty i plastyczny w konstrukcjach z betonu

Analiza elementów sprężonych i obciążonych osiowo pozwala na zapoznanie się z zachowaniem konstrukcji sprężonej w porównaniu do równoważnej konstrukcji żelbetowej. Elementy sprężone i obciążone osiowo nie są typowym przykładem elementów sprężonych, choć występują jako słupy i pale oraz ściągi czy wieszaki w większych konstrukcjach.

Analiza odnosi się do następujących zagadnień:

1. Dopuszczalnych naprężeń w betonie w sytuacji początkowej (bezpośrednio po sprężeniu)

2. Naprężeń w stanie granicznym użytkowalności w sytuacji trwałej

3. Stanu granicznego nośności w sytuacji trwałej

4. Odkształcenia pod obciążeniem całkowitym

5. Płyty, tarcze i tarczownice

Płyta - dwa wymiary dużo większe od trzeciego, obciążenie przyłożone prostopadle do powierzchni

tarcza- dwa wymiary dużo większe od trzeciego, obciążenie przyłożone równolegle do powierzchni

tarczownica - dwa wymiary dużo większe od trzeciego, obciążenie przyłożone prostopadle i równolegle do powierzchni

6. Krzywizna Gaussa, rodzaje, przykłady i znaczenie

Trzy powierzchnie o różnej krzywiźnie Gaussa:

od lewej do prawej: hiperboloida(ujemna krzywizna Gaussa), walec(zerowa krzywizna Gaussa) oraz sfera(dodatnia krzywizna Gaussa).

W zależności od rodzaju powierzchni przekrycia cienkościenne można podzielić na 2 grupy: o pojedynczej i podwójnej krzywiźnie. Jeśli iloczyn głównych krzywizn powłoki

(krzywizna Gaussa), to: powłoki 1 grupy mają:

- pojedyncza krzywizna

- powłoki o podwójnej krzywiźnie

Powłoki o pojedynczej krzywiźnie: charakteryzują się tym, że są prostokreślnymi, tzn. że w każdym ich punkcie można poprowadzić prostą leżącą całkowicie na ich powierzchni. W tej grupie można wyodrębnić przekrycia obrotowe, nieobrotowe i translacyjne.

Powłoki obrotowe - powłoka kulista (kopuła), powłoki stożkowe występujące w przekryciach oraz w dnach zbiorników na ciecz i w silosach; powłoki o kształcie innych krzywizn: cykloidalne, eliptyczne, paraboliczne, występujące zazwyczaj jako przekrycia. Powłoki obrotowe powstają przez obrót krzywych wokół osi pionowej.

Powłoki nieobrotowe - mają kształt stożków o podstawach nie kulistych, np. eliptycznych, cykloidalnych itp. Są rzadko stosowane.

Powłoki translacyjne - (zwane walcowymi) powstają przez przesunięcie pionowego, zakrzywionego przekroju wzdłuż osi poziomej. Mogą być powłokami walcowymi kulistymi, parabolicznymi, cykloidalnymi itp. Występują powłoki jedno- lub wielo- falowe , zwane ciągłymi o równoległych do siebie osiach podłużnych. Stosowane są powłoki złożone utworzone przez przenikanie się powłok pojedynczych pod różnymi kątami. Gdy kąt między osiami podłużnymi krzyżujących się powłok wynosi 90° powstaje sklepienie klasztorne lub krzyżowe. Gdy przenika się większa liczba powłok powstają kopuły walcowe wielościenne.

Przykłady powłok jednokrzywiznowych przedstawiono na schematach.

Powłoki obrotowe

Powłoki nieobrotowe

Powłoki translacyjne

Powłoki o podwójnej krzywiźnie: dzielą się na 3 grupy:

• synklastyczne, w których dwie krzywizny główne mają jednakowe znaki

• antyklastyczne, w których obie krzywizny główne mają przeciwne znaki

• o kształcie złożonym, mające cechy powyższych grup.

Powłoki synklastyczne mogą być obrotowe, nieobrotowe i translacyjne

Przekrycia powstałe przez ograniczenie dwukrzywiznowych powłok synklastycznych powłokami prostopadłymi noszą nazwę ściętych.

Powłoki synklastyczne:

• powłoka obrotowa ścięta:

• powłoka obrotowa:

• powłoka translacyjna ścięta

Powłoki antyklasyczne to najczęściej powłoki obrotowe translacyjne o translacjirównoległej i prostokreślne o translacji nierównoleglej.

Powłoki obrotowe tego typu to na przykład wieże o pionowej osi obrotu i różnym kształcie południków, np. hiperboli.

Powłoki translacyjne powstają przez przesuwanie krzywej tworzącej po innej krzywej o różnym znaku krzywizny, np. paraboli po hiperboli.

Powłoki prostokreślne o translacji nierównoległej tworzy się przez przesuwanie prostej równoległej do stałej płaszczyzny, przy czym proste leżące w różnych płaszczyznach nie pozostają do siebie równoległe, np. konoida.

Powłoki antyklastyczne:

• obrotowa paraboloida hiperboliczna:

• translacyjna:

• prostokreślna (konoida):

7. Kryteria bezpieczeństwa konstrukcji, ich znaczenie i zmiany rozwojowe

• Dawniej stosowano (do roku 1951) metodę naprężeń liniowych (NL) gdzie odpowiedni poziom bezpieczeństwa konstrukcji osiągamy za pomocą przyjęcia naprężeń dopuszczalnych dla betonu i stali odpowiednio mniejszych od ich wytrzymałości.

• Oraz (do roku 1977) stosowano metodę obciążeń krytycznych (OK.) gdzie odpowiedni poziom bezpieczeństwa konstrukcji osiągamy poprzez przyjęcie globalnych współczynników zwiększających siły wewnętrzne

• W EC wykorzystuje się metodę stanów granicznych (SG) gdzie odpowiedni poziom bezpieczeństwa konstrukcji osiągamy za pomocą częściowych współczynników bezpieczeństwa.

Istnieją trzy metody wymiarowania konstrukcji żelbetowych:

- także metoda naprężeń dopuszczalnych lub metodą klasyczną, (NL)

- metoda obciążeń krytycznych,

- stanów granicznych (SG),

Wymienione metody różnią się między sobą sposobem zapewnienia bezpieczeństwa konstrukcji. Bezpieczeństwo wymiarowanych konstrukcji jest zapewnione przede wszystkim:

- w metodzie NL — przez przyjęcie naprężeń dopuszczalnych betonu i stali odpowiednio mniejszych od ich wytrzymałości; siły wewnętrzne oblicza się od obciążeń normowych;

- w metodzie OP — przez przyjęcie globalnych współczynników zwiększających siły wewnętrzne obliczone od obciążeń normowych; w obliczeniach przyjmuje się wytrzymałości materiałów;

- metodzie SG — przez przyjęcie częściowych współczynników bezpieczeństwa odpowiednio zwiększających (w niektórych wypadkach zmniejszających) obciążenia normowe i zmniejszających wytrzymałości materiałów.

Metoda naprężeń dopuszczalnych:

W tej metodzie konstrukcję uważa się za bezpieczną, jeśli wytężenie σ powstające w jej elementach w wyniku działania obciążeń nie przekracza wytrzymałości dopuszczalnej σ_dop. Prowadzi to do warunku bezpieczeństwa:

, gdzie R - wytrzymałość materiału, a Nd - współczynnik arbitralny dla danego materiału, uwzględniający czynniki przypadkowe, losowe(n1 - zmienność parametrów wytrzymałościowych materiału, n2 - przekroczenie wartości obciążeń charakterystycznych, n3 - rozrzut geometrii przekroju poprzecznego, n4 - nieścisłości w przyjmowaniu schematów statycznych itp.)

W tym podejściu zapas bezpieczeństwa uzyskuje się przez odpowiednie zmniejszenie charakterystycznej wytrzymałości materiału R do naprężeń dopuszczalnych, w wyniku podzielenie jej wytrzymałości przez przyjęty dla danego materiału arbitralny współczynnik bezpieczeństwa. Metoda ta osiągnęła swój szczytowy rozkwit w związku z rozwojem konstrukcji metalowych, zwłaszcza stalowych. Materiał ten najlepiej odpowiada do pewnych granic modelowi ciała liniowo-sprężystego, a wiec modelowi, którym posługuje się klasyczna teoria sprężystości.

W ten sposób(współczynnik nd) zostały uwzględnione czynniki przypadkowe, wpływające na bezpieczeństwo konstrukcji. Należy zaznaczyć że ten współczynnik bezpieczeństwa nie uwzględnia indywidualnych cech budowli i specyfiki systemu konstrukcyjnego oraz działających na nią obciążeń. Ponadto maksymalne wytężenie elementu konstrukcji stalowych zbudowanych z materiałów sprężysto-plastycznych nie musi prowadzić do wyczerpania nośności systemu. Niedoskonałość, więc tej metody polega przede wszystkim na tym, że operuje ona bezpieczeństwem ustalonym arbitralnie i nie uwzględnia modelu niezawodnościowego systemu konstrukcyjnego. Wymienione czynniki sprawiają, iż wymiarowanie konstrukcji stalowych metodą naprężeń dopuszczalnych prowadzi do znacznego zróżnicowania rzeczywistych zapasów bezpieczeństwa ustrojów nośnych. Zróżnicowania to spowodowane jest miedzy innymi faktem, iż poszczególne rodzaje obciążeń, podobnie jak różne rodzaje materiałów mają zróżnicowane rozrzuty swych parametrów bezpieczeństwa.

Metoda odkształceń plastycznych (OP)

Metoda tą poleca na analizie elementu żelbetowego przed zniszczeniem, tzn.że w elementach zginanych przyjmuje się stan naprężenia w przekroju obliczeniowym według fazy III.

Podstawowe założenia metody OP są następujące:

- wykres naprężeń w strefie ściskanej betonu jest krzywoliniowy,

- beton w strefie rozciąganej nie pracuje,

- w chwili zniszczenia elementu naprężenia w betonie osiągają wartość równą jego wytrzymałości na ściskanie, a naprężenia w stali osiągają granicę plastyczności.

Bezpieczeństwo konstrukcji projektowanych metodą OP jest zapewnione dzięki postępowaniu w toku obliczeń:

- najpierw oblicza się siły wewnętrzne powstające w projektowanym elemencie pod wpływem działających obciążeń,

- następnie zwiększa się obliczone siły przez pomnożenie ich przez odpowiedni globalny współczynnik bezpieczeństwa s i w wyniku tego otrzymuje się wielkości zwane siłami niszczącymi,

- na tak obliczone siły wymiaruje się elementy uzyskując w ten sposób odpowiednie zabezpieczenie konstrukcji przed wystąpieniem stanu krytycznego.

Metoda OP, której przedmiotem była przede wszystkim nośność konstrukcji umożliwiła projektowanie z określonymi stałymi współczynnikami bezpieczeństwa, jednakże pominięcie analizy stadium użytkowania powodowało, że niekiedy konstrukcja zaprojektowana prawidłowo ze względu na nośność nie mogła być użytkowana z uwagi na zbyt duże ugięcia lub zbyt szeroko rozwarte rysy, grożące korozją zbrojenia.

Metoda stanów granicznych

Metoda SG zawiera analizę prący konstrukcji, zarówno w stadium użytkowania (podobnie jak metoda NL), jak i w stadium zniszczenia (podobnie jak metoda OP), umożliwia więc projektowanie konstrukcji, które zarówno pod względem nośności, jak i cech użytkowych będą spełniały przyjęte w projekcie wymagania. Wymiarowanie konstrukcji metodą SG polega na sprawdzeniu czy przy danych wymiarach przekroju elementu i przyjętym zbrojeniu nie wystąpi stan zwany granicznym, po którego osiągnięciu konstrukcja przestaje odpowiadać wymaganiom użytkowym założonym w projekcie (stan graniczny użytkowania) lub ulega zniszczeniu, czyli zostaje wyczerpana jej nośność (stan graniczny nośności).

Założenia metody SG:

- naprężenia w zbrojeniu są równe obliczeniowej granicy plastyczności stali

- beton strefy rozciąganej nie pracuje,

- wykres naprężeń w strefie ściskanej przekroju ma kształt prostokąta o rzędnej równej obliczeniowej wytrzymałości betonu na ściskanie.

Podsumowanie metody SG

- metoda ta umożliwia znacznie bardziej precyzyjne projektowanie konstrukcji z optymalnym współczynnikiem bezpieczeństwa w porównaniu z poprzednimi metodami NL i OP dzięki przyjęciu częściowych współczynników bezpieczeństwa;

- przez analizę dwóch stanów granicznych zapewnia właściwą pracę konstrukcji zarówno pod względem nośności, jak i cech użytkowych przyjętych w projekcie;

- konieczność sprawdzania dwóch stanów granicznych — nośności i użytkowania, jak również uwzględnienie w normie wielu czynników mających wpływ na wystąpienie tych stanów w konstrukcji, czyni metodę SG bardziej pracochłonną od poprzednich.

Trochę dokładniej:

Sprawdzenie bezpieczeństwa metodą współczynników częściowych(raczej to to samo), polega na wykazaniu, że w przypadku kiedy do obliczeń przyjęto wartości obliczeniowe oddziaływań, właściwości materiałów i danych geometrycznych, żaden z istotnych stanów granicznych nośności nie zostanie przekroczony. Wartości obliczeniowe są iloczynami lub ilorazami wartości reprezentatywnych i odpowiednich częściowych współczynników bezpieczeństwa γ. Ogólnie rzecz biorąc, częściowe współczynnik bezpieczeństwa γ, mają na celu uwzględnienie niekorzystnych odchyłek od wartości reprezentatywnych, niedokładności modeli oddziaływań i modeli identyfikujących wytężenie konstrukcji oraz niedokładności współczynników konwersji. Zaleca się, aby wartość współczynników czesiowych zależała od stopnia niepewności oszacowania oddziaływań, a także od rodzaju stanu granicznego.

8. Rodzaje konstrukcji przestrzennych

Przekrycia namiotowe, kopuła stożkowa, przekrycie tarczownicowe, łupina walcowa krótka, łupina walcowa długa, powłoka wisząca, łupina sektorialna, kopuła, paraboloida hiperboliczna, przekrycie konoidalne.

9. Co to jest .,ścinanie' w konstrukcjach z betonu

Ścinanie jest kombinacją ukośnego kierunku naprężeń głównych ściskających i rozciągających

10. Rola przepon w konstrukcjach przestrzennych

Usztywnienie ustroju, przeniesienie reakcji od konstrukcji przestrzennej na podpory, niekiedy poprawa estetyki konstrukcji

Przy projektowaniu powłok cylindrycznych stanowiących przekrycie obiektów należy dążyć do uzyskania jak największej ich sztywności.

Wyobraźmy sobie powłokę w postaci sklepienia opartą na końcach nieprzesuwnie za pośrednictwem przepon. Pod wpływem obciążeń powłoka na podporach nie dozna odkształceń poziomych. W środku zaś podłużnej rozpiętości, pomiędzy przeponami wystąpią odkształcenia.

Jeśli utrudnimy odkształcenia powłoki w środku podłużnej rozpiętości, to zwiększy się jej sztywność i tym samym nośność. Dlatego zwiększenie nośności powłoki uzyskuje się przez wprowadzenie przepon.

Przepona nie musi być tarczą pełną - może być ukształtowana w postaci łuku ze ściągiem, może być kratownicą bądź ramołukiem.

Dalszym dodatkowym umocnieniem i usztywnieniem powłoki są tzw. belki wezgłowiowe, stanowiące całość z powłoką, których zadaniem jest również usztywnienie powłoki w kierunku poprzecznym.

11. Łupiny walcowe krótkie i długie, podział i różnice, obliczanie

Długie:

Powłoki cylindryczne długie i średnie pracują jako belki o rozpiętości /,, o bardzo korzystnym momencie bezwładności w przekroju poprzecznym i dzięki ich przestrzen­nej pracy nie wymagają ściągów poprzecznych, juk to ma miejsce w przypadku

Długość l przyjmuje się od 15 do 36 m, a szerokość fali od 6 do 12 m. Powyżej 12 m w powłokach monolitycznych należy stosować żebra poprzeczne w rozstawie od 2 do 3 m, zaleca się umieszczać je ponad powloką ze względu na stosowanie deskowań przestrzennych.

Przy powłokach długich podłużny brzeg powłoki na długości przelotu nie posiada zazwyczaj podpór pośrednich i opiera się punktowo za pośrednictwem belki wezgłowiowej na słupach. Niekiedy powłoka cylindryczna oparta jest liniowo na ścianach.

Przy liniowym podparciu brzegu powłoki zmniejszają się naprężenia normalne w poprzecznym przekroju powłoki, gwałtownie zaś wzrastają poprzeczne momenty w powłoce i powłoka pracuje wówczas jako sklepienie.

Elementy wezgłowiowe usztywniają brzegi powłoki - w nich umieszcza się obliczone zbrojenie rozciągane.

W przypadku liniowego podparcia podłużnego powłoki, celem zmniejszenia poprze­cznych momentów zginających, najbardziej racjonalne jest wykonanie elementu wez­głowi owego w formie płyty.

Długa zachowuje się jak belka, a krótka jak tarcza.

Krótkie:

Powłoki krótkie składają się z cienkiego sklepienia połączonego ze sztywnymi przepo­nami łukowymi lub tarczowymi, niekiedy ramołukowymi, rozstawionymi od 6 do 12 m. Pomimo nieznacznej grubości samej powłoki ustrój ten jest bardzo sztywny.

Różnica między długimi i krótkimi powłokami polega na tym, że w krótkich powłokach zachodzi zależność L1/L2<1, tzn. rozstaw przepon jest mniejszy lub równy rozpiętości przepony. Wysokość sklepienia łukowego należy przyjmować nie mniejszą niż L/7. Elementy wezgłowiowe krótkich powłok najczęściej mają przekrój prostokątny o wysokości od L/15 do L/10

Otwory świetlikowe wykonuje się analogicznie jak w powłokach długich, w środ­kowej części powłoki łukowej, a długość ich może być równa rozstawowi przepon.

W takich rozwiązaniach zużycie stali jest 3,5-krotnie mniejsze niż w przekryciach z konstrukcji stalowych, a koszt wykonawstwa jest o 30% niższy.

Przy zastosowaniu cementów szybkotwardniejących bądź przy zastosowaniu superplastyfikatorów usunięcia form można dokonywać już po dwóch dniach.

12. Konstrukcje obrotowo - symetryczne i ich zastosowanie i obliczanie

Powłoki obrotowe

13. Technologie wykonywania konstrukcji z betonu i ich wpływ na rodzaj konstrukcji

Ze względu na sposób współpracy wkładek stalowych z betonem rozróżnia się:

• żelbet - szkielet z prętów stalowych układa się w deskowaniu (szalunku) na miejscu wbudowania elementu (na budowie) lub formie (w wytwórni prefabrykatów) i zalewa mieszanką betonową. Po uzyskaniu przez beton wymaganej wytrzymałości otrzymuje się element, w którym stal przenosi naprężenia rozciągające a beton ściskające. Współpraca tych materiałów opiera się na przyczepności betonu do stali i zbliżonej wartości współczynników rozszerzalności termicznej.

• siatkobeton - zbrojenie ma postać siatek - tkanych lub zgrzewanych, o kwadratowych oczkach o wymiarach 6-12mm. Charakteryzuje się zwiększoną odpornością na obciążenie dynamiczne, dużą jednorodnością, zwiększonym wydłużeniem względnym i wytrzymałością na rozciąganie, dobrą szczelnością i odpornością na powstawanie rys. BGPŁ - dawny magazyn zakładów Towarzystwa Akcyjnego Wyrobów Wełnianych Fryderyka Wilhelma Schweikerta to jeden z pierwszych budynków żelbetowych w Europie

• beton sprężony - zbrojenie wykonuje się z stali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (stale wysokogatunkowe). Do elementu betonowego wprowadza się wstępne naprężania ściskające przez rozciągnięcie zbrojenia przed zabetonowaniem. Wprowadzone naprężenia są przeciwne do naprężeń powstających od naprężeń użytkowych. Zatem część obciążeń równoważy naprężenia wstępne. Ze względu na sposób wprowadzenia naprężeń sprężających rozróżnia się:

• strunobeton - struny (pojedyncze druty lub ich wiązki złożone z kilku strun) napręża się w formie i stabilizuje na naciągu. Po zalaniu formowanego elementu i uzyskaniu przez beton przynajmniej 70% wymaganej wytrzymałości naciąg jest zwalniany. Stal wprowadza do betonu naprężenia ściskające - w ten sposób uzyskujemy beton sprężony.

• kablobeton - w deskowaniu (formie) układa się kanały wzdłuż tras przebiegu kabli sprężających. Deskowanie wypełnia się mieszanką betonową. Po uzyskaniu przez beton min. 70% wartości wymaganej wytrzymałości wprowadza się kable do kanałów i naciąga się je. Kable są mocowane na końcach a kanały wypełniane zawiesiną - zaczynem cementowo - wodnym. Po związaniu zaczynu otrzymuje się element monolityczny, w którym beton i stal współpracują ze sobą. Elementy kablobetonowe można sprężać w miejscu ich wbudowania.

• drutobeton - beton zbrojony krótkimi kawałkami cienkich drutów stalowych rozmieszczonych równomiernie w masie.

Oprócz dużej wytrzymałości, żelbet jest także materiałem który cechuje się dużymi możliwościami pod względem kształtowania elementów, odpornym na korozję oraz ogniotrwałym. Dzięki swoim zaletom konstrukcje żelbetowe świetnie nadają się np. jako materiały do budowy mostów oraz wiaduktów. Konstrukcje żelbetowe stosuje się bardzo często przy budowach dróg oraz mostów, czyli tam gdzie liczy się duża wytrzymałość materiałów. Przy budowie często wykorzystuje się prefabrykaty żelbetowe, czyli zrobione w wytwórni gotowe elementy, które dowozi się na miejsce budowy i łączy z pozostałymi elementami konstrukcji. Jeśli chodzi o prefabrykaty żelbetowe, to wytwarza się przykładowo belki mostowe, elementy infrastruktury drogowej jak bariery, mury oraz przepusty. Dla zastosowań w budownictwie mieszkaniowym produkuje się płyty stropowe, czy np. biegi schodowe oraz ławy i stopy fundamentowe. Oprócz wymienionych zastosowań konstrukcje żelbetowe stosuje się w budownictwie również do wielu innych celów.

14. Projekt konstrukcyjny - rodzaje, wymagania

Zasady ogólne powstawania projektu.

Ogólne zasady projektowania konstrukcji budowlanych odbywają się według utartych zasad sztuki budowlanej. Każdy obiekt wznoszony jest na podstawie odpowiedniego projektu, w którego skład wchodzą rysunki konstrukcyjne, schematy oraz wymagania konstrukcyjno-montażowe. W chwili obecnej dynamiczny rozwój rynku powoduje znaczne przyspieszenie poszczególnych etapów wykonywania projektu, przy jednoczesnym wzroście poziomu zachowania bezpieczeństwa. Coraz wyższe obiekty o niebanalnym kształcie stawiają przed konstruktorami wyzwania, którym należy sprostać.

Etapy projektowania konstrukcji.

Zasadniczy schemat powstawania konstrukcji możemy przedstawić w następujących punktach:

• Kształtowanie konstrukcji - głównie ta rola przypada architektowi, który w zasadzie powinien pracować z konstruktorem oraz geotechnikiem. Na tym etapie określamy kształt, wstępny schemat statyczny, materiały z jakich wykonany będzie obiekt, wymiary, sposoby zabezpieczenia konstrukcji i jej pokrycia przed czynnikami zewnętrznymi oraz ogniem, korozją itp. Jak zostało już wspomniane, ważne jest aby posiadać szczegółowe badania podłoża gruntowego oraz korzystać z wiedzy i doświadczonego geotechnika. Etap projektowania i wykonania fundamentów jest jednym z najbardziej czasochłonnych i finansochłonnych etapów w całej inwestycji. Główne koszta związane z wybudowaniem obiektu inwestor zmuszony jest "zakopać w ziemi".

• Zestawienie obciążeń działających na dany obiekt. W momencie, gdy zbierzemy wszystkie obciążenia jakie mogą oddziaływać na konstrukcję jesteśmy w stanie obciążyć nasz schemat. Po wykonaniu tej czynności możemy wyznaczyć siły wewnętrzne w poszczególnych elementach konstrukcji oraz jej połączeniach. ( na tym etapie ważne jest aby zwrócić szczególną uwagę na przyjęty schemat statyczny oraz rozważyć ewentualność jego zmiany. Konstruktorzy mają w zwyczaju przygotować kilka schematów projektowanej konstrukcji i sprawdzić je pod kątem ekonomii wykonania). Mając zebrane i zestawione siły wewnętrzne możemy przejść do kolejnego etapu.

• Wymiarowanie konstrukcji. Do tego punktu przygotowywania obiektu budowlanego możemy przejść w momencie, gdy dysponujemy zestawieniem sił wewnętrznych. Na tym etapie sprawdzamy, czy siły działające na dany element mają większą nośność lub mniejszą niż projektowany element. Poszczególne składowe konstrukcji sprawdzamy w dwóch stanach SGN (stan graniczny nośności) oraz SGU (stan graniczny użytkowalności). Jeżeli przemieszczenia elementu są mniejsze niż dopuszczalne oraz nośności elementu są większe niż wynikające z wyznaczonego obciążenia, to możemy uznać dany element za poprawnie przyjęty.

• Ostatni etap wieńczący proces wykonywania projektu polega na wykonaniu dokumentacji technicznej oraz odpowiednich rysunków konstrukcyjnych, wykonawczych. W załącznikach powinny znaleźć się wszystkie niezbędne dokumenty, a także spis norm, programów komputerowych, materiałów, rysunków i szkiców jakie wykorzystywane były w trakcie przygotowywania całego projektu.

Podsumowanie prac nad projektem.

Jak już wspomnieliśmy na początku, ważną rolę odgrywa zabezpieczenie konstrukcji przed pożarem czy też korozją. W przypadku wykonywania tych czynności najczęściej wykonuje się dodatkowy projekt specjalistyczny, przygotowywany przez firmę, która podejmie się wykonania prac na obiekcie. Powstawanie projektu budowlanego wymaga od wszystkich uczestników tego procesu szczególne skupienia oraz zaangażowania. Bardzo istotne jest przygotowanie prawidłowych obliczeń statycznych (zebrania obciążeń) oraz prawidłowego wymiarowania elementów w ujęciu całej konstrukcji. Korzystając z gotowych rozwiązań w postaci programów komputerowych przystosowanych do analizy konstrukcji oraz jej wymiarowania, należy kontrolować wyniki obliczeń i nigdy nie zawierzać temu co pokazuje program.

II opcja?

Projektowanie konstrukcyjne w budownictwie, czyli projektowanie konstrukcji obiektów

budowlanych.

Każdą budowlę wznosi się na podstawie projektu technicznego, w którego skład wchodzi

między innymi budowlany projekt konstrukcyjny.

Opracowanie projektu można podzielić na etapy:

1. Kształtowanie konstrukcji.

2. Ustalenie schematów statycznych.

3. Określenie obciążeń.

4. Obliczenie sił przekrojowych.

5. Obliczenie naprężeń i przemieszczeń.

6. Wymiarowanie konstrukcji.

7. Sporządzenie rysunków konstrukcyjnych.

W niniejszym poradniku zawarto wiadomości dotyczące wymiarowania konstrukcji oraz

sporządzania rysunków konstrukcyjnych.

Wymiarowanie konstrukcji polega na sprawdzeniu, czy przy ustalonych siłach

przekrojowych, naprężeniach i przemieszczeniach są spełnione warunki bezpieczeństwa

konstrukcji.

Dokładność obliczeń statycznych - wymagana dokładność obliczeń do trzech liczb

znaczących: np. 0.02847 = 0.0285

Forma obliczeń statycznych - wymagana jest staranność obliczeń, czytelny

i usystematyzowany zapis.

Metody wymiarowania konstrukcji

Konstrukcje budowlane powszechnie wymiaruje się metodą stanów granicznych.

Jako graniczny określa się stan, po osiągnięciu którego konstrukcja lub jej element:

− zagraża bezpieczeństwu (stan graniczny nośności),

− przestaje spełniać określone wymagania użytkowe (stan graniczny użytkowania).

Sprawdzenie stanu granicznego nośności polega na:

− obliczeniu najniekorzystniejszych wartości sił przekrojowych,

− wstępnym przyjęciu przekrojów elementów konstrukcji,

− porównaniu sił przekrojowych z nośnością elementu, wyznaczona z uwzględnieniem

obliczeniowej wytrzymałości materiału.

Sprawdzenie stanu granicznego użytkowania (użytkowalności) polega na:

− wyznaczeniu przemieszczeń przy uwzględnieniu charakterystycznych wartości obciążeń,

− porównaniu maksymalnego przemieszczenia z przemieszczeniem granicznym

(dopuszczalnym).

Wykonywanie obliczeń statycznych oraz wymiarowanie jest najważniejszą częścią projektu

konstrukcyjnego. Szczegółowe wymagania dotyczące obliczeń są określone dla każdego rodzaju konstrukcji (murowe, drewniane, stalowe, żelbetowe) i podane w odpowiednich normach. Należy zwrócić uwagę na dokładność i staranność wykonywania obliczeń, a przede

wszystkim na ich zgodność z aktualnymi normami. Normy do projektowania konstrukcji są często aktualizowane, w związku z tym należy sprawdzać ich aktualność na bieżąco.

Ważnym problemem jest bardzo duża liczba wprowadzanych oznaczeń wielkości (symboli)

wykorzystywanych w obliczeniach. Ich szczegółowy opis jest zawarty we wstępie każdej normy i należy, przed przystąpieniem do obliczeń, bezwzględnie zapoznać się z nimi.

Obliczenia konstrukcyjne można wykonywać w sposób tradycyjny, jak też dzięki użyciu

specjalistycznych programów komputerowych do projektowania konstrukcyjnego. Jest wiele

takich programów na rynku, przeznaczonych dla profesjonalistów-projektantów konstrukcji,

które pozwalają wykonać pełne obliczenia danej konstrukcji: obliczenia statyczne, wymiarowanie, dobór przekrojów, zestawienie elementów oraz rysunki konstrukcyjne.

W poradniku zamieszczono podstawowe wiadomości związane z projektowaniem

elementów konstrukcyjnych. Z uwagi na bardzo duży stopień skomplikowania zasad obliczeń,

15. Przedmiar i specyfikacja - znaczenie, przyczyny, wymagania

Przedmiar

Przedmiar robót - opracowanie wraz z wyliczeniem i zestawieniem rodzaju i ilości robót w kolejności technologicznej ich wykonania, z podaniem zakresu planowanych robót oraz wskazaniem podstaw do ustalania szczegółowego opisu lub szczegółowy opis robót, sporządzone przed wykonaniem robót na podstawie dokumentacji projektowej i specyfikacji technicznej wykonania i odbioru robót,

Obmiar robót - zestawienie ilości robót jak w przedmiarze, lecz opracowane po wykonaniu robót i zapisane do książki obmiaru,

Specyfikacje

Specyfikacje techniczne oznaczają całość wszystkich wymagań technicznych, w szczególności zawartych w dokumentacji zamówienia, określających wymagane cechy roboty budowlanej, materiału, produktu lub dostawy, pozwalające obiektywnie scharakteryzować roboty budowlane, materiał, produkt lub dostawę, opisane w taki sposób, aby spełniły cel, wyznaczony przez zamawiającego. Specyfikacje techniczne obejmują poziom jakości, wykonania, bezpieczeństwa lub rozmiarów, uwzględniając wymagania stawiane materiałowi, produktowi lub dostawie w zakresie jakości, terminologii, symboli, testowania i jego metod, opakowania, nazewnictwa i oznakowania. Zawierają one także reguły związane z koncepcją i obliczaniem kosztów robót budowlanych, warunków badania, kontroli i przyjmowania robót budowlanych, jak też technik i metod budowy oraz wszystkie inne warunki o charakterze technicznym, o jakich zamawiający może postanowić, drogą przepisów ogólnych lub szczegółowych, co się tyczy robót budowlanych zakończonych i odnośnie materiałów i elementów tworzących te roboty;

16. Zalety i wady konstrukcji z betonu dziedziny zastosowań

Zalety betonu

- Wysoka wytrzymałość na ściskanie

- Łatwość uzyskiwania

- Niski koszt elementów składowych

- Ognioodporność

- Możliwość wykonywania elementów w różnych kształtach

- Niewielki koszt zawiązany z eksploatacją elementów

Beton zalicza się do materiałów kruchych tzn jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 1/10 wytrzymałości co na ściskanie.

Rozróżniamy 3 rodzaje konstrukcji z betonu

- Konstrukcje betonowe- nie ma zbrojenia lub zbrojeń jest niewielka ilość

- Konstrukcje żelbetowe

- Konstrukcje sprężone

Elementy betonowe ze względu na niską wytrzymałość i na ściskanie stosuje się w konstrukcjach na których występują naprężenie ściskające np. słup, filary mostowe, nawierzchnie betonowe.

W konstrukcjach żelbetowych wszystkie pręty stalowe połączone są z betonem w sposób zapewniający współpracę tych materiałów. Sam beton nie nadaje się do wykonywania z niego elementów rozciąganych i zginanych, Jeśli w elementach zginanych strefę rozciąganą wzmocnimy prętami stalowymi to będą one z powodzeniem przepościć naprężenia rozciągające, gdy beton z powodzenie m będzie przejmował naprężenia ściskające

Wady konstrukcji żelbetowych

• ciężar własny

• pracochłonność wykonywania

• zła izolacyjność termiczna

• zła izolacja akustyczna

• możliwość pojawienia się rys zwiększających korozję

• trudność naprawy przebudowy bądź wzmocnienia

• Zbrojenie w konstrukcji żelbetowej nie zabezpiecza całkowicie przed

• możliwością pojawienia się rys (np. zbiorniki w oczyszczalniach ścieków)

W celu ich wyeliminowania w żelbetowych konstrukcjach powstała koncepcja wstępnego sprężenia betonu. Polega na poddaniu elementów rozciąganej strefy naprężeniom ściskającym (wstępnym) przed położeniem do elementów obciążeń zmiennych użytkowych Wartość naprężeń wstępnych jest tak dobrana aby powstałe przy obciążeniu belki naprężenia rozciągające były od nich mniejsze w ten sposób przy obciążeniu belki w żądanym punkcie nie powstają naprężenia rozciągające a więc nie powstają rysy

Rodzaje elementów sprężonych

3. strunobetonowe

4. kablobetonowe

Ze względu na technikę wykonania konstrukcji żelbety dzielimy na:

4. monolityczne - konstrukcje żelbetowe wykonane na miejscu wykonania składa się z uszykowanie deskowania, przygotowanie i montaż zbrojenia, przygotowanie betonu, pielęgnacja, zdjęcie deskowania po uzyskaniu odpowiedniej wytrzymałości otrzymana konstrukcja charakteryzuje się dużą sztywnością dzięki czemu wszystko to jednolita całość (ciągłość konstrukcji) np zbiorniki na ciecze

Wady: pracochłonne, nie zawsze możliwe

5. prefabrykaty- produkowane w fabryce

6. zespolone- powstają w wyniku zapewnienia współpracy jednego lub kilku wcześniej wykonanych elementów z betonem uzupełniającym.

Współpraca różnych pod względem cech mechanicznych materiałów jest możliwa że:

• podczas twardnienia betonu powstaje naturalna przyczepność między betonem a stalą dzięki czemu po przyłożeniu obciążenia sąsiednie włókna betonu i stali uzyskują jednakowe odkształcenia Stal jako materiał o większej wytrzymałości przejmuje na jednostkę powierzchni większą siłę niż beton

σ = ε·c (wzór) prawo Hooka 10ε stali > εbetonu

• stal i beton charakteryzują się zbliżonym co do wielkości współczynnikiem rozszerzalności termicznej W skutek tego przy zmianach temperatury w granicach kilkudziesięciu °C nie powstają naprężenia termiczne wywołujące szkodliwe odkształcenia

• beton w znacznym stopniu chroni stal przed korozją

Sprężenie betonu w stosunku do konstrukcji żelbetowej (bez sprężenia) daje wiele wymiernych korzyści. W pełni sprężony element w warunkach normalnego użytkowania jest zazwyczaj poddany trwałemu ściskaniu. To likwiduje typowe wady żelbetu.

Poniższe zestawienie opisuje zalety betonu sprężonego w odniesieniu do równoważnego elementu żelbetowego.

Dla poszczególnych efektów wyszczególniono uzyskiwane korzyści.

1. Przekroje pozostają niezarysowane pod obciążeniem użytkowym

• Ograniczenie korozji stali

• zwiększenie trwałości

• Wykorzystanie pełnego przekroju

• wysoki moment bezwładności (większa sztywność)

• mniejsze ugięcia (zwiększona użyteczność)

• Zwiększenie nośności na ścinanie

• Możliwość zastosowania w zbiornikach ciśnieniowych

• Zwiększona odporność na obciążenia dynamiczne lub zmęczeniowe

2. Niższa względna wysokość przekroju (odniesiona do rozpiętości/długości elementu)

Typowe względne wysokości dla płyt podano poniżej

Płyty niesprężone 1:28

Płyty sprężone 1:45

• Przy tej samej rozpiętości, niższe wysokości przekrojów

• redukcja ciężaru własnego

• większa estetyka przy zwiększonej smukłości

• zmniejszenie zużycia materiałów - bardziej ekonomiczne elementy

3. Przydatność do prefabrykacji

• przyspieszenie procesu budowy

• lepsza kontrola jakości

• mniejsze koszty utrzymania i konserwacji

• powtarzalność rozwiązań

• wielokrotne wykorzystanie form - zmniejszenie robót deskowaniowych na budowie

• możliwość typizacji elementów

Choć konstrukcje sprężone wykazują wiele zalet, jednak pewne aspekty wymagają krytycznego rozpatrzenia:

• Technologia sprężania wymaga zaawansowanych technologii realizacji. Nie jest tak powszechna jak żelbet.

• Wykorzystanie materiałów o wysokiej wytrzymałości jest kosztowne

• Konieczne są dodatkowe koszty wynikające z zastosowania dodatkowego wyposażenia

• Wymagany jest szczególny nadzór i zwiększone są wymagania jakościowe na każdym etapie realizacji

17. Klasy betonu i ich zastosowanie

Klasy wytrzymałości betonu w EC2 bazują na charakterystycznej wytrzymałości betonu na ściskanie f_ck określonej po 28 dniach dojrzewania. Największą wytrzymałość ujętą w normie jest C90/105. Klasę wytrzymałości oznacza się literą C i dwiema liczbami, z których pierwszą oznacza wytrzymałość charakterystyczną betonu na ściskanie f_ck - mierzoną na walcach o wymiarach 150/300mm, a druga wytrzymałość charakterystyczną betonu na ściskanie f_ck,cube - mierzona na kostkach sześciennych o boku 150mm

Ogólnie, beton w konstrukcjach sprężonych powinien charakteryzować się wysoką jakością. Na to pojęcie w szczególności składają się:

• Wysoka wytrzymałość na ściskanie (wynikająca głównie z niskiego współczynnika wodno-cementowego)

• Trwałość wynikająca ze szczelności uzyskiwanej dzięki obniżeniu zawartości cementu, właściwemu zagęszczeniu i pielęgnacji.

• Zminimalizowany skurcz i pełzanie (dzięki ograniczeniu ilości cementu i stosowaniu cementów specjalnych)

Wytrzymałość

Wytrzymałość betonu jest podstawowa cechą zapewniającą nośność elementu. W konstrukcjach sprężonych, konieczność stosowania betonów o wyższych wytrzymałościach wynika z następujących powodów:

• przeniesienia wysokich naprężeń w strefach zakotwień

• wymaganej nośności poszczególnych części elementu na ściskanie, rozciąganie i ścinanie oraz zapewnienie właściwej przyczepności cięgien

• zwiększeniu sztywności elementu ograniczającej ugięcia

• ograniczeniu rys skurczowych.

Wytrzymałość na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie jest określana za pomocą klas wytrzymałości odnoszących się do wytrzymałości charakterystycznej, uzyskiwanej przez nie mniej niż 95% ilości (próbek) betonu w wieku 28 dni. Wśród klas betonu opisanych w Eurokodzie, w konstrukcjach sprężonych mają zastosowanie klasy zawarte w Tab. 1.2-1

W zależności od sposobu określania rozróżnia się wytrzymałość charakterystyczną walcową fck, lub wytrzymałość charakterystyczną kostkową fck,cube. Wytrzymałość kostkowa odnosi się do wyników badań kontrolnych określanych na próbkach sześciennych 150 mm, zaś walcowa na próbkach walcowych o wysokości 300 mm i średnicy 150 mm.

Wytrzymałość charakterystyczna fck określa realną wytrzymałość betonu na ściskanie w konstrukcji.

Wymagania dla betonu określa PN-EN 206-1.

Wytrzymałość na rozciąganie

Eurokod rekomenduje doświadczalne określanie wytrzymałości betonu na rozciąganie w tych sytuacjach, gdy jest to szczególnie istotne. W przeciętnych sytuacjach, wystarczająca jest zależność wiążąca średnią wytrzymałość na rozciąganie fctm ze średnią wytrzymałością na ściskanie fcm.

Moduł sprężystości

Jest to parametr decydujący o sztywności elementu sprężonego. Moduł sprężystości betonu jest bezpośrednio wykorzystywany w obliczeniach konstrukcji sprężonych.

Trwałość betonu

Trwałość betonu de facto zapewnia trwałość elementu sprężonego. Jest to cecha w praktyce równie istotna jak ogólnie pojęte cechy wytrzymałościowe rozważanej konstrukcji. Trwałość ta jest definiowana jako odporność na warunki klimatyczne, agresję chemiczną, abrazję i inne procesy niszczące. Ewoluowanie norm odnoszących się do konstrukcji sprężonych co raz większy naciska kładło właśnie na zapewnienie odpowiedniej trwałości konstrukcji.

Zapewnienie trwałości betonu w ujęciu praktycznym i normowym odbywa się poprzez określenie konkretnych wymagań w odniesieniu do składu i wybranych cech betonu, w warunkach odpowiednio zdefiniowanych oddziaływań środowiskowych.

Zagrożenia środowiskowe istotne z punktu widzenia trwałości to:

• Agresja chemiczna ( w szczególności kwasy, chlorki - w tym: środki odladzające)

• Alkaliczna reaktywność kruszywa

• Działalność wody morskiej

• Destrukcja mrozowa

• Korozja zbrojenia

Trwałość betonu jest ściśle związana z jego nasiąkliwością - a ogólnie - ze szczelnością struktury. Czyli beton powinien być szczelny i zachowywać właściwe do warunków otulenie zbrojenia. Podstawowe znaczenie ma tu użycie właściwych materiałów i dobra jakość wykonania betonu oraz jego wbudowania w konstrukcję.

18. Klasy i rodzaje stali i ich zastosowanie

Zadaniem stali zbrojeniowej jest wzmocnienie betonu. Głównym zadaniem stali jest przenoszenie naprężeń rozciągających. Umieszcze się również w nadmiernie obciążonych ściskanych strefach elementów, w strefach naprężeń ścinających, a także tam gdzie spodziewa się znaczących naprężeń od skurczu i temperatury. Stal zbrojeniową charakteryzuje:

• wytrzymałość na rozciąganie fck

• charakterystyczna granica plastyczności fyk

• obliczeniowa granica plastyczności fyd

Ponadto zbrojenie w konstrukcjach żelbetowych powinna cechować dobra spajalność, czyli możliwość łączenie poszczególnych wyrobów ze stali metodą spawania lub zgrzewania.

Klasyfikacja:

• A-0 są gładkie, wymagają zakończeń hakowych w celu polepszenia warunków przyczepności w strefie zakotwienia

• A-I są gładkie, wymagają zakończeń hakowych w celu polepszenia warunków przyczepności w strefie zakotwienia

• A-II żebrowane spiralnie, zwykle bez zakończeń hakowych

• A-III żebrowane w jodełkę, zwykle bez zakończeń hakowych

• A-IIIN żebrowane w jodełkę, zwykle bez zakończeń hakowych

19. Znaczenie mechaniki budowli i wytrzymałość materiałów w projektowaniu konstrukcji z betonu

20. Kryteria oceny konstrukcji /E+E+EI przykłady zastosowań

Ekonomia - ma być tanie

Elegancja - dobrze sie wpisywało w otaczający krajobraz, nie było rażących kolorów, architektura domu powinna nawiązywać do charaktery stojących obok budynków, poprawiać lub uzupełniać kompozycje architektury i terenów zieleni znajdujących sie w dzielnicy w której ma powstać.

Efektywność - rozmieszczenie pomieszczeń współgrało z przeznaczeniem budynku, efektywność energetyczna ma na celu zmniejszanie ilości energii potrzebnej do dostarczenia produktów i usług np. Izolacja termiczna budynku pozwala na użycie mniejszej ilości energii na jego ogrzanie i chłodzenie tak aby osiągnąć i utrzymać komfortową temperaturę. Instalowanie świetlików w budynkach zmniejsza ilość energii potrzebnej do oświetlenia budynku. Efektywność użyteczna - budynki parterowe bez schodów.

12/30

---