PL233106B1 - Zbrojenie żelbetowego elementu zginanego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zbrojenie żelbetowego elementu zginanego.

Wynalazek ma zastosowanie w budownictwie i w konstrukcjach żelbetowych przy zbrojeniu elementów zginanych, zwłaszcza belek.

Znanym powszechnie sposobem zbrojenia belek jest rozmieszczenie w strefie rozciąganej prętów zbrojeniowych o odpowiedniej powierzchni przekroju i pracujących na rozciąganie. Na nośność belki na zginanie wpływa odpowiednia nośność zarówno zbrojenia podłużnego w strefie rozciąganej jak i nośność betonu strefy ściskanej. Korzystnym tzn. sygnalizowanym mechanizmem zniszczenia belki na zginanie jest rozpoczęcie tego procesu od uplastycznienia zbrojenia strefy rozciąganej. W efekcie, znaczny przyrost wydłużeń zbrojenia strefy rozciąganej doprowadza do narastania skróceń betonu po stronie ściskanej, a w konsekwencji do jej uplastycznienia i ostatecznie wyczerpania możliwości odkształceniowych. Beton strefy ściskanej niszczy się przez miażdżenie i wykruszanie. W opisanym przypadku wartość siły wypadkowej przenoszonej przez beton ściskany przy zniszczeniu nie może przekroczyć wartości wynikającej z granicznej, limitowanej wysokości strefy ściskanej. Wobec tego również, dla konkretnej klasy betonu i geometrii przekroju, zwiększenie nośności na zginanie ponad określoną, limitowaną wartość staje się niemożliwe.

Innym znanym rozwiązaniem podnoszenia nośności przekroju na zginanie ponad wartość limitowaną jest wzmocnienie betonowej strefy ściskanej prętami podłużnym i, czyli zastosowanie tzw. podwójnego zbrojenia. Wykorzystanie współpracy prętów ściskanych z betonem ściskanym zostaje zabezpieczone poprzez zastosowanie strzemion pracujących na ścinanie. W aktualnej normie PN-EN 1992-1-1:2008/NA: 2010 Eurokod 2 Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków zalecono w takim przypadku rozstaw strzemion co piętnaście średnic prętów ściskanego zbrojenia.

Kolejnym znanym rozwiązaniem jest podnoszenie nośności przekroju na zginanie poprzez zamianę podstawowej klasy betonu elementu, wyłącznie w strefie ściskanej, na beton odpowiednio wysokiej wytrzymałości (BWW).

Z opisu patentowego PL 218096 znany jest prefabrykowany element żelbetowy wykonany z betonu zwykłej wytrzymałości i mający umieszczoną we wgłębieniu wkładkę wzmacniającą wykonaną z betonu wysokiej wytrzymałości, w którym zatopiono strzemiona pracujące na ścinanie o klasycznie stosowanym rozstawie. Strzemiona te są trwale połączone między sobą co najmniej dwoma prętami montażowymi. Pionowe końce prętów strzemion wyprowadzone są poza powierzchnię wkładki z betonu wysokiej wytrzymałości i połączone są w sposób trwały ze szkieletem zbrojenia za pośrednictwem co najmniej dwóch prętów montażowych. Strzemiona zabezpieczają beton wysokiej wytrzymałości przed ścięciem i odspojeniem od betonu belki, który ma niższą wytrzymałość niż beton wkładki. Używane w tym przypadku pręty montażowe utrzymują jedynie kształt i rozstaw strzemion, pełniąc rolę minimalnego zbrojenia konstrukcyjnego i nie stanowią klasycznego zbrojenia na ściskanie. W tym przypadku wzmocnienie belki żelbetowej wynika wyłącznie z zastosowania w strefie ściskanej betonu wysokiej wytrzymałości, a nie z zastosowania dodatkowego zbrojenia na ściskanie.

Podstawowymi mankamentami powyższych rozwiązań, zmierzających do podwyższenia nośności przekroju na zginanie, jest jednoosiowy stan naprężenia betonu strefy ściskanej, co może redukować jego wytrzymałość oraz często niewystarczające zabezpieczenie zbrojenia strefy ściskanej przed wyboczeniem w obszarze plastycznego zakresu wytężenia tego zbrojenia. Zastosowanie wkładki z betonu wysokiej wytrzymałości rodzi konieczność betonowania belki w dwóch cyklach, co może wywołać rozwarstwienie pomiędzy wkładką, a pozostałym betonem zwykłej jakości wykonywanym w innym cyklu betonowania. Ponadto zbrojenie w strefie ściskanej betonu wysokiej wytrzymałości według opisu PL 218096 jest tylko zbrojeniem montażowym i z uwagi na mały przekrój poprzeczny właściwy dla zbrojenia montażowego w bardzo niewielkim stopniu przenosi naprężenia ściskające. Dodatkowo, strzemiona tej wkładki wystawione są poza jej obrys, co uniemożliwia skrępowanie poprzecznych odkształceń betonu wysokiej wytrzymałości. Dodatkowym problemem jest to, że do zniszczenia belki, przy wysokim stopniu zbrojenia rozciąganego, dochodzi przy bardzo małych kątach obrotu przekroju, co jest niekorzystne z punktu widzenia nośności konstrukcji statycznie niewyznaczalnych, gdyż ogranicza redystrybucję momentów zginających. Natomiast wyboczenie prętów ściskanych powoduje m .in. wykruszanie się strefy ściskanej betonu, co dalej redukuje nośność i sztywność elementu. Wyczerpanie nośności belki nie poprzedzają wówczas duże, dobrze widoczne i sygnalizowane ugięcia. Uniemożliwia to

PL 233 106 B1 odpowiednie zabezpieczenie przeciążonej konstrukcji i może być przyczyną niesygnalizowanego zniszczenia sprężysto-kruchego.

Zbrojenie żelbetowego elementu zginanego, zwłaszcza belki, zawierające podłużne pręty ściskane oraz podłużne pręty rozciągane oraz klasyczne czterokątne strzemiona rozmieszczone nie gęściej niż co piętnaście średnic zbrojenia podłużnego i utrzymujące pręty podłużne w zadanym położeniu oraz przenoszące ścinanie, charakteryzuje się tym, że w strefie ściskanej belki, w pobliżu osi obojętnej przekroju, ma podłużny pręt kotwiący i trójkątne strzemiona opasujące podłużne pręty ściskane oraz pręt kotwiący, które to strzemiona są rozmieszczone co pięć do siedmiu średnic podłużnych prętów ściskanych. Gęsto rozmieszczone trójkątne strzemiona obejmując pręty podłużne strefy ściskanej oraz podłużny pręt kotwiący uniemożliwiają wyboczenie prętów zbrojenia ściskanego oraz krępują tę część betonu strefy ściskanej, która znajduje się wewnątrz obrysu trójkątnych strzemion.

Takie usytuowanie dodatkowych, gęsto rozmieszczonych trójkątnych strzemion obejmujących pręty ściskane i pręt kotwiący pozwala na uzyskanie zginanego elementu żelbetowego o dużej nośności z betonu o zwykłej wytrzymałości.

W innej wersji rozwiązania, zbrojenie żelbetowego elementu zginanego, zwłaszcza belki, zawierające podłużne pręty ściskane oraz podłużne pręty rozciągane i klasyczne czworokątne strzemiona rozmieszczone nie gęściej niż co piętnaście średnic zbrojenia podłużnego i utrzymujące pręty podłużne w zadanym położeniu oraz przenoszące ścinanie, charakteryzuje się tym, że w strefie ściskanej belki, w pobliżu osi obojętnej przekroju, ma podłużny pręt kotwiący i uformowaną z jednego pręta łamaną spiralę o zarysie trójkąta i małym skoku od pięciu do siedmiu średnic zbrojenia ściskanego, która to spirala opasuje podłużne pręty ściskane oraz pręt kotwiący. Spirala o zarysie trójkąta i małym skoku, obejmując pręty podłużne strefy ściskanej oraz podłużny pręt kotwiący uniemożliwia wyboczenie prętów zbrojenia ściskanego oraz krępuje tę część betonu strefy ściskanej, która znajduje się wewnątrz trójkątnego obrysu przekroju spirali.

W rozwiązaniu według wynalazku, dodatkowe, gęsto rozmieszczone trójkątne strzemiona lub uformowana z jednego pręta łamana spirala o zarysie trójkąta i małym skoku nie przenoszą obciążeń ścinających, jak klasyczne stosowane czworokątne strzemiona, ale siły rozciągające. Siły te wynikają z poprzecznych odkształceń ściskanego betonu zwykłej jakości oraz bocznych przemieszczeń prętów ściskanych związanych z ich dążnością, na skutek zjawisk niestateczności, do wyboczenia w zakresie plastycznym.

Mały rozstaw trójkątnych strzemion lub mały skok łamanej spirali o zarysie trójkąta obejmującej pręty ściskane i pręt kotwiący wywołuje skrępowanie części betonu ściskanego i znacząco redukuje długości wyboczeniowe prętów zbrojenia ściskanego co istotnie zwiększa nośność i bezpieczeństwo elementu. Pręt kotwiący, usytuowany w pobliżu osi obojętnej przekroju, zapobiega przed wyrwaniem trójkątnych strzemion lub łamanej spirali o zarysie trójkąta ze strefy ściskanej betonu na skutek wyboczenia prętów ściskanych. Konstrukcja zbrojenia za pomocą trójkątnych strzemion lub łamanej spirali o zarysie trójkąta, według wynalazku powoduje, że w strefie ściskanej belki pracuje ono na rozciąganie, a nie na ścinanie jak w klasycznie zbrojonej belce. Beton w belce jest jednakowy w całym jej przekroju, a element jest wykonany w jednym cyklu betonowania, co jest niezwykle korzystne z technologicznego, konstrukcyjnego i wytrzymałościowego punktu widzenia.

Zasadniczym efektem stosowania wynalazku jest podniesienie nośności przekroju na skutek zabezpieczenia ściskanych prętów zbrojenia przed wyboczeniem w zakresie plastycznym oraz uzyskania warunków trójosiowego ściskania betonu poprzez ograniczenie jego odkształceń poprzecznych na skutek skrępowania za pomocą gęsto rozmieszczonych trójkątnych strzemion lub łamanej spirali o zarysie trójkąta i małym skoku współpracujących ze zbrojeniem ściskanym i prętem kotwiącym.

Efekt ograniczenia odkształceń poprzecznych zarówno prętów ściskanych jak i betonu korzystnie wpływa na podwyższenie wytrzymałości i odkształcalności granicznej całej strefy ściskanej przekroju elementu. Potrzebna energia zewnętrzna do zniszczenia skrępowanej betonowej strefy ściskanej oraz wyboczenia skrępowanych prętów zbrojenia ściskanego wzrasta zwiększając nośność belki na zginanie. Jeśli, na skutek przeciążenia konstrukcji, nastąpi proces niszczenia belki, to będzie on dobrze zasygnalizowany, ciągliwy i opóźniony w czasie co pozwoli na odpowiednie zabezpieczenie. Przy stosowaniu tego rozwiązania zbrojenia strefy ściskanej uzyskuje się jednocześnie wzrost kątów obrotu ponad wartości osiągane przy dotychczasowych rozwiązaniach. Wpływa to na korzystną zmianę mechanizmu ewentualnego zniszczenia belki z modelu nieliniowo sprężysto-kruchego, w którym zniszczenie następuje nagle i bez wcześniejszych oznak osiągania stanu granicznego nośności, na model nieliniowo sprężysto-plastyczny, w którym zniszczenie występuje powoli i jest znacznie wcześniej sygnalizowane

PL 233 106 B1 wyraźnymi przemieszczeniami belki. Taki model niszczenia znacząco zwiększa bezpieczeństwo elementu konstrukcyjnego, gdyż wcześniej sygnalizowane przemieszczenia umożliwiają zabezpieczenie belki przed jej zniszczeniem.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny zbrojenia żelbetowego elementu zginanego z trójkątnymi strzemionami, fig. 2 - przekrój poprzeczny belki żelbetowej z prętem kotwiącym i trójkątnymi strzemionami, fig. 3 - zbrojenie żelbetowego elementu zginanego w postaci łamanej spirali o małym skoku, fig. 4 - przekrój poprzeczny belki żelbetowej z prętem kotwiącym i spiralą o zarysie trójkąta, fig. 5 - rozwinięcie ścian zbrojenia łamaną spiralą, fig. 6 - widok aksonometryczny łamanej spirali o zarysie trójkąta.

P r z y k ł a d I

W przykładzie realizacji wynalazku przedstawionym na fig. 1 i fig. 2 w strefie ściskanej belki 1, pręty wzdłużne 4 i pręt kotwiący 5 są opasane trójkątnymi strzemionami 3 w rozstawie nie przekraczającym pięciu do siedmiu średnic prętów ściskanych 4. Strzemiona 3 opasują zbrojenie 4 i pręt kotwiący 5 redukując długości wyboczeniowe prętów ściskanych 4 co uniemożliwia ich wyboczenie oraz krępują, w kierunku poprzecznym, część 2 ściskanej strefy betonu. Pręty podłużne 7 stanowią klasyczne zbrojenie strefy rozciąganej belki 1, a czworokątne strzemiona 6, w rozstawie nie mniejszym niż piętnaście średnic prętów podłużnych, są klasycznym zbrojeniem na ścinanie.

P r z y k ł a d II

W przykładzie realizacji wynalazku przedstawionym na fig. 3, fig. 4, fig. 5 i fig. 6 w strefie ściskanej belki 1, pręty wzdłużne 4 i pręt kotwiący 5 są opasane przestrzenną spiralą łamaną 8 o zarysie trójkąta o wierzchołkach ABC oraz skoku nie przekraczającym pięciu do siedmiu średnic prętów ściskanych 4. Łamana spirala 8 opasuje zbrojenie 4 i pręt kotwiący 5, redukując długości wyboczeniowe prętów ściskanych 4 co uniemożliwia ich wyboczenie oraz krępuje, w kierunku poprzecznym, część 2 ściskanej strefy betonu. Na ścianach krępowanej bryły betonowej o krawędziach a, b, c spirala 8 pozostawia ślad będący na rozwinięciu ścian (fig. 5) liniami prostymi wzajemnie równoległymi z przesunięciami o wartości skoku spirali. Pręty podłużne 7 stanowią klasyczne zbrojenie strefy rozciąganej belki 1, a czworokątne strzemiona 6, w rozstawie nie mniejszym niż piętnaście średnic prętów podłużnych, są klasycznym zbrojeniem na ścinanie.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zbrojenie żelbetowego elementu zginanego, zwłaszcza belki, zawierające podłużne pręty ściskane oraz podłużne pręty rozciągane, opasane klasycznymi strzemionami rozmieszczonymi nie gęściej niż piętnaście średnic prętów zbrojenia podłużnego oraz utrzymującymi pręty podłużne w zadanym, w przekroju poprzecznym, położeniu i przenoszącymi przekrojowe siły poprzeczne żelbetowego elementu zginanego, znamienne tym, że w strefie ściskanej belki (1), w pobliżu osi obojętnej przekroju, ma podłużny pręt kotwiący (5) i trójkątne strzemiona (3) opasujące podłużne pręty ściskane (4) oraz pręt kotwiący (5), które to strzemiona (3) są rozmieszczone co pięć do siedmiu średnic podłużnych prętów ściskanych (4).
2. 2. Zbrojenie żelbetowego elementu zginanego, zwłaszcza belki, zawierające podłużne pręty ściskane oraz podłużne pręty rozciągane, opasane klasycznymi strzemionami rozmieszczonymi nie gęściej niż piętnaście średnic prętów zbrojenia podłużnego oraz utrzymującymi pręty podłużne w zadanym, w przekroju poprzecznym, położeniu i przenoszącymi przekrojowe siły poprzeczne żelbetowego elementu zginanego, znamienne tym, że w strefie ściskanej belki (1), w pobliżu osi obojętnej przekroju, ma podłużny pręt kotwiący (5) i uformowaną z jednego pręta łamaną spiralę o zarysie trójkąta (8), opasującą podłużne pręty ściskane (4) oraz pręt kotwiący (5), która to spirala (8) ma skok wynoszący od pięciu do siedmiu średnic podłużnych prętów ściskanych (4).