PL242237B1 - Belkowy, żelbetowy element zespolony - Google Patents

Abstract

Belkowy, żelbetowy element zespolony charakteryzuje się tym, że dodatkowym elementem zespalającym jest co najmniej jedna sprężyna (4) z pręta stalowego, która umocowana jest drutem wiązałkowym do strzemion (5). Ramiona sprężyny (4) przechodzą przez styk (2) obydwu warstw: jednej z betonu ultrawyskowartościowego (1) i drugiej z betonu zwykłego (7).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest belkowy, żelbetowy element zespolony wykonywany jako prefabrykowany lub bezpośrednio na placu budowy w konstrukcjach monolitycznych, który ma zastosowanie w budownictwie mieszkaniowym, przemysłowym i mostowym.

Znany z opisu patentowego PL 218096 prefabrykowany element żelbetowy wykonany jest z betonu o zwykłej wytrzymałości, w którym zatopiony jest szkielet zbrojeniowy. Posiada wkładkę wzmacniającą o wielkości rzutu poziomego odpowiadającego polu wytężonej strefy ściskanej prefabrykowanego elementu żelbetowego, która umieszczona jest we wgłębieniu. Wkładka wzmacniająca wykonana jest z betonu wysokiej wytrzymałości, a w niej zatopione są strzemiona, które trwale połączone są między sobą, co najmniej dwoma prętami montażowymi. Pionowe końce prętów strzemion wyprowadzone są poza powierzchnię wkładki wzmacniającej i połączone są w sposób trwały ze szkieletem zbrojenia za pośrednictwem, co najmniej dwóch prętów podłużnych.

Znany jest z publikacji Tanarslan H.M., Alver N., Jahangiri R.. Yalęinkaya ę., Yazici H., “ Flexural strengthening of RC beams using UHPFRC laminates: Bonding techniques and rebar addition”, Construction and Building Materials, 155 (2017), str. 45-55, sposób wykonania belkowego elementu żelbetowego, który posiada dwie warstwy betonu - jedną z betonu zwykłego o wytrzymałości średniej na ściskanie 20,4 MPa ze standardowym zbrojeniem stalowym na zginanie w postaci prętów stalowych i na ścinanie za pomocą strzemion, a drugą z kompozytu cementowego o wytrzymałości na ściskanie około 200 MPa z proszkami reaktywnymi i rozproszonym zbrojeniem stalowym, zwanego betonem ultrawysokowartościowym. Warstwa z betonu ultrawysokowartościowego jest zbrojona dodatkowo podłużnymi prętami stalowymi lub pozostaje bez tego zbrojenia i jest mocowana do warstwy z betonu zwykłego na dwa sposoby: albo poprzez sklejenie żywicą epoksydową, albo za pomocą wklejanych do warstwy z betonu zwykłego kotew stalowych i przenikających przez całą warstwę z betonu ultrawysokowartościowego.

Na gwintowanych końcówkach kotew, wystających na zewnątrz warstwy z betonu ultrawysokowartościowego, dokręcano nakrętki z podkładkami, które dociskały ją do warstwy z betonu zwykłego. Warstwy z betonu ultrawysokowartościowego były umieszczane w strefie rozciąganej belek w celu sprawdzenia ich wpływu na zwiększenie nośności tak utworzonych elementów konstrukcyjnych w stosunku do podobnego elementu, lecz bez warstwy z betonu ultrawysokowartościowego.

Znany jest także z publikacji El-Hacha R., Chen D., „Behaviour of hybrid FRF-UHPC beams subjected to static flexural loading’’, Composites: Part B, 43 (2012), str. 582-593 sposób wykonania belkowego elementu zawierającego warstwę z betonu ultrawysokowartościowego o wytrzymałości na ściskanie, po 28 dniach, wynoszącej około 180 MPa, która połączona jest z żebrem o przekroju skrzynkowym, wykonanym z kolei z kompozytu o matrycy polimerowej zbrojonej włóknami szklanymi. Żebro to dodatkowo wzmocnione jest poprzez naklejenie na nie, po przeciwnej stronie w stosunku do warstwy z betonu ultrawysokowartościowego, taśm z kompozytu o matrycy polimerowej zbrojonych włóknami węglowymi lub stalowymi. Połączenie warstwy z betonu ultrawysokowartościowego i żebra kompozytowego realizowane jest za pomocą stalowych trzpieni zatopionych w żebrze i w warstwie z betonu. Warstwa z betonu ultrawysokowartościowego umieszczona jest w strefie ściskanej elementu belkowego.

Znane, zespolone belkowe elementy, żelbetowe wytwarzane są z różnego rodzaju betonów, w tym również z betonów ultrawysokowartościowych. Zbrojenie na zginanie stanowią stalowe pręty podłużne umieszczone zasadniczo w strefie rozciąganej, a zbrojenie na ścinanie stanowią zasadniczo stalowe strzemiona. Przy zespoleniu za pomocą tylko stalowych strzemion warstwy betonu zwykłego z warstwą betonu ultrawysokowartościowego występuje konieczność nadmiernego zagęszczenia rozstawu strzemion dla zapewnienia właściwego zszycia obydwu warstw w celu wyeliminowania niekontrolowanego zniszczenia belki, które może wystąpić w wyniku przedwczesnej delaminacji i lokalnego wyboczenia się cienkiej warstwy z betonu ultrawysokowartościowego. Przy zespoleniu za pomocą stalowych kotew lub trzpieni, warstwy betonu zwykłego z warstwą betonu ultrawysokowartościowego występuje konieczność uciążliwego wklejania ich w warstwę betonu zwykłego po jego stwardnieniu, a przed ułożeniem warstwy z betonu ultrawysokowartościowego. Natomiast w przypadku wyboru technologii betonowania elementu, w której kosz zbrojeniowy przygotowywany jest w całości przed ułożeniem obydwu warstw betonu w deskowaniu, stabilizacja kotew lub trzpieni w koszu zbrojeniowym wymusza ich zgrzewanie do dodatkowego zbrojenia montażowego z prętów podłużnych lub połączenie z tymczasowymi elementami montażowymi, które usuwane są po ułożeniu i stwardnieniu pierwszej z układanych warstw betonów. Przy zespoleniu za pomocą kleju, w tym żywicy epoksydowej, warstwy betonu zwykłego z warstwą betonu ultrawysokowartościowego występuje konieczność uciążliwego przygotowania powierzchni sklejanych i ich dopasowania do siebie.

Istota belkowego, żelbetowego elementu zespolonego według wynalazku polega na tym, że dodatkowym elementem zespalającym jest co najmniej jedna sprężyna z pręta stalowego, która umocowana jest drutem wiązałkowym do strzemion, a ramiona sprężyny przechodzą przez styk obydwu warstw: jednej z betonu ultrawysokowartościowego i drugiej z betonu zwykłego. Długość skoku sprężyny, odległość ramion sprężyny od siebie i od gałęzi pionowych strzemion w rzucie na przekrój poprzeczny belki w miejscu styku warstw nie są większe od grubości warstwy z betonu ultrawysokowartościowego, zawierającej 876 kg/m³ cementu portlandzkiego CEM142.5 R, 902 kg/m³ piasku kwarcowego, 105 kg/m³ mączki kwarcowej, 175 kg/m³ pyłów krzemionkowych, 236 kg/m³ włókien stalowych i 15,7 kg/m³ superplastyfikatora na bazie karboksylanów, stosunek wagowy wody do spoiwa w mieszance wynosi 0,2, a której grubość jest równa, co najmniej dwukrotnej odległości środka ciężkości przekroju zbrojenia podłużnego (3) w strefie ściskanej od powierzchni zewnętrznej strefy ściskanej, zaś strzemiona stalowe (5) są, co najmniej dwucięte.

W belkowym, żelbetowym elemencie zespolonym według wynalazku element zespalający w kształcie sprężyny wykonanej z pręta stalowego, mocowany do strzemion drutem wiązałkowym, znacznie przedłuża stabilne przenoszenie naprężeń przez warstwę z betonu ultrawysokowartościowego w pełnym zakresie obciążenia aż do wyczerpania zakładanej nośności w przypadku, kiedy grubość tej warstwy zredukowana jest do niezbędnego minimum ze względu na zakładaną nośność, wymogi bezpieczeństwa, względy montażowe, a także wymagania co do minimalnego otulenia zbrojenia stalowego wg PN-EN 1992 „Projektowanie konstrukcji z betonu”. Konstrukcja sprężyny zespalającej pozwala na stabilizację cienkiej warstwy z betonu ultrawysokowartościowego, w szczególności na uniknięcie jej przedwczesnej delaminacji i lokalnego wyboczenia, a przy tym eliminuje potrzebę zagęszczania strzemion poniżej rozstawu, który wynika z zapewnienia nośności na ścinanie całego belkowego, żelbetowego elementu zespolonego według wynalazku, a także ułatwia jego wytwarzanie. Zastosowanie betonu ultrawysokowartościowego o wytrzymałości średniej na ściskanie około 200 MPa, ze zbrojeniem rozproszonym w postaci włókien stalowych pozwala zredukować grubość tej warstwy do niezbędnego minimum, ponieważ zapewnia skuteczne powiązanie warstwy z betonu ultrawysokowartościowego ze zbrojeniem zespalającym w postaci sprężyny. Grubość warstwy z betonu ultrawysokowartościowego, równa co najmniej dwukrotnej odległości środka ciężkości przekroju zbrojenia podłużnego w strefie ściskanej od powierzchni zewnętrznej tej strefy, zapewnia właściwe zakotwienie sprężyny i strzemion w tej warstwie.

Przedmiot wynalazku, w przykładzie wykonania, uwidoczniony jest na rysunku, którego fig. 1 przedstawia widok podłużny belkowego, żelbetowego elementu zespolonego, a fig. 2 przedstawia przekrój A-A poprzeczny belkowego, żelbetowego elementu zespolonego.

W belkowym, żelbetowym elemencie zespolonym według wynalazku są dwie warstwy materiałów o różnej wytrzymałości na ściskanie: jedna z betonu ultrawysokowartościowego 1, a druga z betonu zwykłego 7. Warstwa z betonu ultrawysokowartościowego 1 o wytrzymałości średniej na ściskanie około 200 MPa usytuowana jest w strefie ściskanej, a warstwa z betonu zwykłego 7 klasy C50/60 usytuowana jest w strefie rozciąganej elementu według wynalazku. W warstwie z betonu ultrawys okowartościowego 1 umieszczone jest zbrojenie podłużne ściskane 3 z co najmniej dwóch prętów stalowych do montażu strzemion stalowych 5. W warstwie z betonu zwykłego 7 umieszczone jest podłużne, rozciągane zbrojenie konstrukcyjne 6 z co najmniej dwóch, stalowych prętów ze względu na zginanie. Strzemiona stalowe 5 są co najmniej dwucięte i umieszczone ze względów konstrukcyjnych jako zbrojenie poprzeczne na ścinanie oraz przechodzą przez styk 2 warstw: jednej z betonu ultrawysokowartościowego 1 i drugiej z betonu zwykłego 7. Strzemiona stalowe 5 są prostopadłe do osi podłużnej belkowego, żelbetowego elementu zespolonego według wynalazku, obejmują wszystkie pręty zbrojenia podłużnego: ściskanego 3 i rozciąganego 6, łącząc obie warstwy swoimi gałęziami pionowymi. Dodatkowym elementem zespalającym jest co najmniej jedna sprężyna 4 z pręta stalowego, która umocowana jest drutem wiązałkowym do strzemion 5. Ramiona sprężyny 4 przechodzą przez styk 2 obydwu warstw: jednej z betonu ultrawysokowartościowego 1 i drugiej z betonu zwykłego 7. Długość skoku sprężyny 4, odległość ramion sprężyny 4 od siebie i od gałęzi pionowych strzemion 5 w rzucie na przekrój poprzeczny belki w miejscu styku 2 warstw nie są większe od grubości warstwy z betonu ultrawysokowartościowego. Sprężyna 4 usytuowana jest wzdłuż osi belkowego, żelbetowego elementu według wynalazku i jest w połowie zabetonowana w warstwie z betonu ultrawysokowartościowego 1 i w połowie w warstwie z betonu zwykłego 7. Pręty zbrojeniowe podłużne: ściskane 3 i rozciągane 6, strzemiona 5 i sprężyny 4 wykonane są ze stali B 500 SP spełniającej wymogi ciągliwości dla stali zbrojeniowej klasy C. Warstwa z betonu ultrawysokowartościowego zawiera: 876 kg/m³ cementu portlandzkiego CEM I 42.5 R, 902 kg/m³ piasku kwarcowego, 105 kg/m³ mączki kwarcowej, 175 kg/m³ pyłów krzemionkowych, 236 kg/m³ włókien stalowych i 15,7 kg/m³ superplastyfikatora na bazie karboksylanów, a stosunek wagowy wody do spoiwa w mieszance wynosi 0,2. Grubość warstwy z betonu ultrawysokowartościowego 1 jest równa co najmniej dwukrotnej odległości środka ciężkości przekroju zbrojenia podłużnego 3 w strefie ściskanej od powierzchni zewnętrznej strefy ściskanej.

W celu wytworzenia belkowego, żelbetowego elementu zespolonego według wynalazku przygotowany kosz zbrojeniowy jest umieszczany w deskowaniu o szerokości 20 cm, wysokości 40 cm i stabilizowany. Kosz składa się z podłużnych prętów, zbrojeniowych: dwóch ściskanych 3 o średnicy 12 mm i czterech rozciąganych 6 o średnicy 20 mm, strzemion 5 o średnicy 8 mm i jednej sprężyny 4 wytworzonej z pręta o średnicy 8 mm. Podłużne pręty zbrojeniowe ściskane 3 ułożone są w jednym rzędzie, a ich środek ciężkości przekroju usytuowany jest w odległości 3,5 cm od powierzchni zewnętrznej. Podłużne pręty zbrojeniowe rozciągane 6 ułożone są również w jednym rzędzie, a ich środek ciężkości przekroju usytuowany jest w odległości 3,5 cm od powierzchni zewnętrznej. Po ustabilizowaniu kosza zbrojeniowego układana jest warstwa pierwsza z betonu zwykłego 7 o szerokości 20 cm i wysokości 33 cm, a po jej związaniu układana jest warstwa druga z betonu ultrawysokowartościowego 1 o szerokości 20 cm i wysokości 7 cm. Po związaniu warstwy drugiej z betonu ultrawysokowartościowego 1 wytworzono belkowy, żelbetowy element zespolony o nośności 257 kNm na zginanie w stanie granicznym. W odmianie przykładu wykonania przedmiotu wynalazku najpierw układana jest warstwa z betonu ultrawysokowartościowego 1.

Claims (1)

1. Belkowy, żelbetowy element zespolony, w którym warstwa betonu zwykłego zespolona jest z warstwą betonu ultrawysokowartościowego za pomocą elementów zespalających, zawierających strzemiona, przy czym w obu warstwach są pręty podłużne, znamienny tym, że dodatkowym elementem zespalającym jest co najmniej jedna sprężyna (4) z pręta stalowego, która umocowana jest drutem wiązałkowym do strzemion (5), a ramiona sprężyny (4) przechodzą przez styk (2) obydwu warstw: jednej z betonu ultrawysokowartościowego (1) i drugiej z betonu zwykłego (7), przy czym długość skoku sprężyny (4), odległość ramion sprężyny (4) od siebie i od gałęzi pionowych strzemion (5) w rzucie na przekrój poprzeczny belki w miejscu styku (2) warstw nie są większe od grubości warstwy z betonu ultrawysokowartościowego (1), zawierającej 876 kg/m³ cementu portlandzkiego CEM I 42.5 R, 902 kg/m³ piasku kwarcowego, 105 kg/m³ mączki kwarcowej, 175 kg/m³ pyłów krzemionkowych, 236 kg/m³ włókien stalowych i 15,7 kg/m³ superplastyfikatora na bazie karboksylanów, stosunek wagowy wody do spoiwa w mieszance wynosi 0,2, a której grubość jest równa, co najmniej dwukrotnej odległości środka ciężkości przekroju zbrojenia podłużnego (3) w strefie ściskanej od powierzchni zewnętrznej strefy ściskanej, zaś strzemiona stalowe (5) są, co najmniej dwucięte.