PL244958B1 - Belka hybrydowa do zastosowania w budownictwie - Google Patents

Abstract

Belka hybrydowa wykonana z betonu sprężonego i betonu komórkowego, w której część wykonana z betonu sprężonego, w przekroju poprzecznym przez belkę, stanowi ukształtowanie przestrzenne zawierające takie elementy jak: półka górna i środnik, charakteryzuje się tym, że środnik (1) przechodzi w półkę górną (3) w górnej części belki oraz w półkę dolną (2), wykonaną z betonu sprężonego, w dolnej części belki. Ponadto w na najszerszej części szerokość półki górnej (3) i półki dolnej (2), w przekroju poprzecznym belki, jest większa od szerokości środnika (1). Ukształtowanie betonu sprężonego w betonie komórkowym jest takie, że wewnętrzny kąt przejścia α pomiędzy półką górną (3) a środnikiem (1) oraz pomiędzy półką dolną (2) a środnikiem (1) stanowi kąt ostry α<90° uzyskując ten sposób skośne przejście środnika w półkę górną (3) i dolną (2). Co najmniej w środniku (1) wykonane jest zbrojenie w postaci strzemion (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku są belki hybrydowe, w kilku wariantach wykonania, wykonane z połączenia betonu komórkowego z betonem sprężonym w technologii strunobetonowej, do zastosowań w budownictwie ogólnym, zwłaszcza do wykonywania nadproży oraz belek stropowych.

Opisano w literaturze nieliczne prototypowe belki hybrydowe złożone z betonu komórkowego oraz betonu sprężonego. Badania trzech jednoprzęsłowych belek hybrydowych tego typu przeprowadzili M. Flansbjer i B.G, Hellers (Flansbjer M., Hellers B.G.: BCE - elementy konstrukcyjne złożone z bloczków ABK, Materiały Budowlane Nr 4, 2014 str. 50-51). Zastosowano w nich beton komórkowy o gęstości 600 kg/m³ i wytrzymałości 3,6 MPa oraz beton sprężony o klasie C40/50, o maksymalnym wymiarze ziaren kruszywa 4 mm oraz cięgno sprężające o wytrzymałości 1860 MPa. Belki miały długość 9,15 m. Uzyskane wyniki były niejednoznaczne i niezbyt obiecujące. Jedna z belek zniszczyła się pod ciężarem własnym, w innej belce wystąpiły kłopoty z zakotwieniem cięgien, co wymusiło zmianę rozpiętości belek i schematu statycznego. Mechanizmy zniszczenia były odmienne w każdej z badanych belek. Belka nr 1 zniszczyła się w wyniku nadmiernych ugięć, belka nr 2 z uwagi na zginanie, natomiast belka nr 3 zniszczyła się w strefie przypodporowej na ścinanie.

Technologia strunobetonowa polega na sprężeniu konstrukcji przed jej zabetonowaniem. Sprężenie przekazuje się na element poprzez przyczepność na styku stali sprężającej z betonem. Z uwagi na ten fakt pełna siła sprężająca przekazuje się na beton w pewnej odległości od początku elementu. Odcinek ten zwany jest długością transmisji. W tej technologii utrudnione jest prowadzenie cięgien sprężających wewnątrz elementu - w związku z tym najczęściej występuje prosta trasa, co prowadzi do wniosku, że najłatwiej tę technologię stosować w elementach swobodnie podpartych.

Pierwsze próby sprężania konstrukcji datowane są na 1888 rok przez P. H. Jacksona w Stanach Zjednoczonych oraz C.W. Dohringa w Niemczech. Z uwagi na problemy związane ze zbyt dużymi stratami siły sprężającej w czasie próby te były nieefektywne. Dopiero od 1930 roku dzięki francuskiemu inżynierowi Eugenowi Freyssinetowi uzyskano zadowalające wyniki sprężania konstrukcji.

W publikacji M. Flansbjer i wsp. BCE Elementy konstrukcyjne złożone z bloczków ABK - Materiały Budowlane rok 2014 nr 8, str. 50-51, bardzo ogólnie opisano budowę belki. Opisano, że wraz z wprowadzeniem bloczków BCE (Block Composed Elements - elementy konstrukcyjne złożone z bloczków) możliwe stało się zupełnie nowe podejście. Bloczki z ABK produkuje się zgodnie z dotychczasową technologią, a następnie zestawia się je, spręża i łączy za pomocą HPC (High Performing Concrete - betonu wysokiej wytrzymałości) w celu utworzenia konstrukcji zespolonej. W tym przypadku stal potrzebna jest tylko do przeniesienia rozciągania. Wspomniano jedynie, że istotne jest połączenie między ABK i HPC. Nie opisano również wzmocnienia belki.

W publikacji PL420527 opisano sposób wytwarzania prefabrykowanej belki żelbetowo-sprężonej i belkę wykonaną sposobem, polegający na formowaniu betonowego elementu konstrukcyjnego o sprężonym pasie dolnym i żelbetowym środniku, w którym formowanie przeprowadza się w dwóch etapach. Dodatkowo belka zawiera elementy zespalające. Belka jest dwuteowa wykonana ze strunobetonu. Sprężany pierwszy element belki formuje się w postaci pasa dolnego, wykonanego jako strunobetonowy albo kablobetonowy, zaś drugi element belki formuje się w postaci żelbetowego środnika. Półka dolna ma kształt czteroboka. Wytrzymałość belki może być jednakże ograniczona.

Belki najczęściej poddane są działaniu momentów zginających oraz sił tnących. Ze stanu techniki wiadomym jest, że z uwagi na zginanie idealnym przekrojem poprzecznym wykonanym z betonu oraz stali (żelbetowym lub sprężonym) jest przekrój teowy, co schematycznie przedstawiono na figurze ilustrującej stan techniki - 1 - stan techniki - przekrój teowy poddany zginaniu. Siłę ściskającą w całości przenosi beton - półka górna 3, natomiast siłę rozciągającą zbrojenie umieszczone w strefie rozciąg anej 5. Im większa odległość pomiędzy wypadkową siłą w betonie Fc a wypadkową siłą w zbrojeniu rozciąganym Fi (z - ramię sił wewnętrznych) tym wyższa nośność elementu (zatem do belki można przyłożyć większe obciążenie). Idealny przekrój z uwagi na czyste zginanie to przekrój o zerowej szerokości środnika 1 - czyli środnik ma szerokość b_w = 0 cm. Należy jednakże zapewnić odpowiednią nośność belki z uwagi na siły tnące.

W związku z tym celem wynalazku jest opracowanie takiego ukształtowania betonu sprężonego w stosunku do betonu komórkowego, która umożliwi transfer obciążenia z górnej powierzchni elementu w kierunku podpory. Ukształtowanie betonu sprężonego w belce opisywane jest z perspektywy przekroju poprzecznego.

Na podstawie badań doświadczalnych okazało się, że dobre efekty daje wykonanie półki dolnej w kształcie 6-kąta lub 8-kąta i zastosowanie zbrojenia poprzecznego w postaci strzemion w środniku i zbrojenia rozciąganego w części dolnej lub wykonanie w innym wariancie środnika w postaci zbrojeniowej siatki zgrzewanej. Celem wynalazku było opracowanie takiego ukształtowania betonu sprężonego w stosunku do betonu komórkowego, która umożliwi transfer obciążenia z górnej powierzchni elementu w kierunku podpory. Dodatkowo opracowano również, że należy zastosować zbrojenie poprzeczne w postaci strzemion w środniku/środnika w postaci zbrojeniowej siatki zgrzewanej.

W wynalazku zdecydowano o połączeniu dwóch materiałów: betonu komórkowego oraz betonu sprężonego - tworząc belki hybrydowe. Dodatkowo przyjęto również, że należy zastosować minimalną liczbę zbrojenia poprzecznego w postaci strzemion w środniku. Ustalono w trakcie prac nad wynalazkiem, że istotnym jest, aby ukształtowanie betonu sprężonego w betonie komórkowym było takie, by wewnętrzny kąt przejścia a pomiędzy półką górną i dolną a środnikiem belek hybrydowych był kątem ostrym <90° uzyskując w ten sposób skośne przejście środnika w półkę górną i dolną. Ustalono, aby w górnej części belki ukształtowanie betonu sprężonego miało formę prostokąta o szerokości b i wysokości hf. Ustalono cechy, aby półka górna belki hybrydowej z racji przenoszenia naprężeń ściskających była rozbudowana.

Przedmiotem wynalazku jest zatem belka hybrydowa do zastosowania w budownictwie, w której część wykonana jest z betonu sprężonego wykonanego w betonie komórkowym, przy czym część wykonana z betonu sprężonego stanowi ukształtowanie przestrzenne zawierające takie elementy jak: półka górna, półka dolna, a ponadto belka zawiera środnik pomiędzy, która charakteryzuje się tym, że w pierwszym wariancie wykonania część prostopadłościennej belki hybrydowej zbudowanej z betonu sprężonego uformowana jest w betonie komórkowym w ten sposób, że półka górna przechodzi w prostokątny w przekroju poprzecznym środnik. Środnik przechodzi w ośmiokątną w przekroju poprzecznym w półkę dolną, licząc skośne przejścia środnika w półkę dolną, otoczoną z każdej strony betonem komórkowym, a ponadto co najmniej w środniku wykonane jest zbrojenie w postaci strzemion. W drugim wariancie wynalazku, półka górna przechodzi w prostokątny w przekroju poprzecznym środnik przechodzący w sześciokątną w przekroju poprzecznym półkę dolną, licząc skośne przejścia środnika w półkę dolną, otoczoną z góry i z boku betonem komórkowym. Krawędź dolna belki, w miejscu półki dolnej wykonana jest z betonu sprężonego, a w środniku wykonane jest zbrojenie w postaci strzemion. W trzecim wariancie wynalazku, zawiera sześciokątną w przekroju poprzecznym półkę górną, licząc skośne przejścia pomiędzy środnikiem a półką górną otoczoną z boków i z dołu betonem komórkowym. Krawędź górna belki w miejscu półki górnej wykonana jest z betonu sprężonego i belka zawiera sześciokątną w przekroju poprzecznym półkę dolną, licząc skośne przejścia pomiędzy środnikiem, otoczoną z góry i z boków betonem komórkowym. Krawędź dolna belki w miejscu półki dolnej wykonana jest z betonu sprężonego, przy czym środnik wykonany jako zbrojeniowa siatka zgrzewana wykonana z drutów. W każdym wariancie pole przekroju betonu sprężonego wynosi od 68,7 do 81% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki, zaś pole przekroju betonu komórkowego wynosi od 31,3% do 19% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki. W najszerszej części szerokość półki górnej i półki dolnej, w przekroju poprzecznym belki, jest większa od szerokości środnika, przy czym ukształtowanie betonu sprężonego w betonie komórkowym jest takie, że wewnętrzny kąt przejścia pomiędzy półką górną a środnikiem oraz pomiędzy półką dolną a środnikiem stanowi kąt ostry wynoszący 30-50 uzyskując w ten sposób skośne przejście środnika w półkę górną i dolną.

Korzystnie, minimalna szerokość środnika w przekroju poprzecznym belki wynosi b_w = 4 cm.

Korzystnie, element wykonany z betonu sprężonego zajmuje całą wysokość belki - począwszy od krawędzi górnej do krawędzi dolnej belki.

Korzystnie, półka górna i/lub półka dolna przechodzi przez całą szerokość belki.

Korzystnie, półka dolna otoczona jest betonem komórkowym.

Korzystnie, relacja pomiędzy polem przekroju betonu sprężonego a polem przekroju betonu komórkowego wynosi od około 80% do około 15% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki.

Zaletami betonu komórkowego są jego dobre właściwości izolacyjności cieplnej, akustycznej oraz odporność ogniowa. Cechy te kwalifikują beton komórkowy jako element zewnętrzny, osłonowy dla betonu sprężonego. Ponadto beton komórkowy ma znacznie mniejszy ciężar objętościowy niż konstrukcyjny beton sprężony - jego zastosowanie pozwala zatem na znaczne ograniczenia ciężaru własnego elementów. Minimalna wytrzymałość betonu komórkowego na ściskanie powinna wynosić 1,5 MPa. Opracowano zatem najbardziej efektywne ukształtowanie elementów z tego betonu. Przejście pomiędzy półką górną i dolną a środnikiem belek dobrano tak, aby przyrost naprężeń stycznych nie następował w sposób nagły, lecz możliwie równomierny i łagodny. Przejście stanowi również zaletę dla betonu komórkowego - nie pozwala na zbyt duże lokalne osłabienie bloczka. Okazało się, że korzyści daje kąt nachylenia przejścia a stanowiący dany kąt ostry (<90°). Z uwagi na ułatwienie wykonywania elementów w zakładzie prefabrykacji wybrano technologię strunobetonu. Związane z nią jest zjawisko sprężystego skrócenia betonu. Następuje zatem zagrożenie ścięciem pomiędzy betonem komórkowym a sprężonym w kierunku podłużnym. W celu uniknięcia odspojenia pionowego pomiędzy jednym materiałem belki hybrydowej a drugim zastosowano ukształtowanie w postaci półki dolnej w dolnej części belek hybrydowych. Kształt półki dolnej zapobiega odspojeniu pionowemu pomiędzy jednym materiałem belki hybrydowej a drugim. Innymi korzyściami z opracowanego wynalazku są: osiągnięcie większej rozpiętości niż belka żelbetowa o identycznych gabarytach; ograniczenie ciężaru własnego belki; zastosowanie betonu komórkowego zabezpiecza element na wypadek pożaru oraz zapewnia lepszą trwałość konstrukcji z uwagi na warunki środowiskowe. Atutem rozwiązania jest fakt, że belki hybrydowe są elementami prefabrykowanymi, które cechuje łatwość montażu oraz pozwalają na eliminację konieczności wylewania betonu na budowie, dzięki czemu można zaoszczędzić czas oraz zminimalizować koszty budowy.

Wynalazek przedstawiono bliżej w przykładach wykonania oraz na rysunkach, na których poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1. Belka hybrydowa w widoku aksonometrycznym,

Fig. 2. Schemat statyczny oraz oznaczenie przekroju poprzecznego belek hybrydowych,

Fig. 3. Belka hybrydowa w pierwszym wariancie wykonania w przekroju poprzecznym belki przekrój A-A,

Fig. 4. Belka hybrydowa w drugim wariancie wykonania w przekroju poprzecznym belki - przekrój A-A,

Fig. 5. Belka hybrydowa w trzecim wariancie wykonania w przekroju poprzecznym belki - przekrój A-A.

Trzy różne warianty wykonania wynalazku przedstawiono w trzech wariantach wykonania, pokazanych na Fig. 3, Fig. 4 i Fig. 5, opisanych w dalszych przykładach wykonania. Pole przekroju betonu sprężonego wynosi odpowiednio od 69 do 81% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki w zależności od proponowanego w przykładach rozwiązania (1,2 lub 3). Natomiast pole przekroju betonu komórkowego stanowi od 29% do 19% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki, w zależności od przyjętego rozwiązania.

Na ostatniej figurze oznaczonej jako stan techniki przedstawiono znane rozwiązanie dla wyjaśnienia celu wynalazku.

Opisywane warianty wykonania odnoszą się do przekroju poprzecznego belki pokazanego na Fig. 2.

Spis oznaczeń z rysunku:

- środnik

- półka dolna

- półka górna

- strzemię

- zbrojenie rozciągane

- miejsce przejścia pomiędzy półką górną i dolną a środnikiem - przejście

BK - beton komórkowy

BS - beton sprężony

P - podpora

Przykład 1

Belka hybrydowa zbudowana jest z betonu sprężonego BS uformowanego w betonie komórkowym BK. Belka jest prostopadłościenna. Na Fig. 3 przedstawiono geometrię belki hybrydowej w przykładzie 1 rozwiązania. Ukształtowanie betonu sprężonego BS w przekroju poprzecznym ma formę dwuteownika i zawiera takie elementy jak półka górna 3 o formie prostokąta, która przechodzi skośnie w środnik 1 o kształcie prostokąta, który w dolnej części przechodzi i w półkę dolną 2 otoczoną z każdej strony betonem komórkowym BK. Środnik 1 przechodzi w półkę górną 3 i półkę dolną 2 poprzez skos tworząc kształt wielokąta, dzięki czemu element stanowi jedną formę. Półka dolna 2 ma kształt sześciokąta nie licząc skosu pomiędzy środnikiem 1 a półką dolną 2 lub ośmiokąta licząc skos przejścia 6 środnika 1 w półkę dolną 2. Szerokość półki dolnej 2 jest większa niż szerokość środnika 1. Istotnym jest takie uformowanie przejścia 6 wewnętrznego pomiędzy środnikiem 1 a półkami - półka górną 3 i półką dolną 2, aby uzyskać kąt nachylenia przejścia 6 a będący kątem ostrym i wynoszącym w tym przykładzie a = 30°.

Część z betonu sprężonego należy wykonać z betonu o minimalnej klasie C30/37. Maksymalny wymiar ziaren kruszywa nie powinien przekraczać 8 mm. Korzystne jest zastosowanie betonu z cementem szybkotwardniejącym. Celem lepszego powiązania betonu komórkowego oraz betonu sprężonego należy w specjalny sposób przygotować powierzchnię kontaktu obu materiałów. Dokładność wykonania belek ma istotny wpływ na nośność elementu.

Do wykonania części z betonu konstrukcyjnego zastosowano beton klasy C30/37 na kruszywie bazaltowym z cementem CEM 42,5R (klasa R szybko twardniejący). Maksymalny wymiar ziaren kruszywa wynosi 8 mm. Jako zbrojenie aktywne - zbrojenie rozciągane 5 zastosowano jeden splot sprężający siedmiodrutowy Y 1860 S7 odmiany I, klasy 2 relaksacji stali sprężającej o średnicy splotu 12,5 mm, polu przekroju 93 mm² oraz charakterystycznej wytrzymałości stali sprężającej na rozciąganie 1860 MPa, znajdujący się w odległości 3 cm od dolnej krawędzi części z betonu konstrukcyjnego. Jako zbrojenie pasywne (pręty podłużne oraz strzemiona 4 w rozstawie co 15 cm) zastosowano pręty o średnicy 6 mm ze stali klasy A-III N, gatunku B500SP. Wysokość półki górnej 3: hf = 3 cm; szerokość środnika 1: b_w = 5 cm; wysokość środnika 1: h_w = 16 cm; wysokość półki dolnej 2: hf = 4 cm; wysokość użyteczna: d = 20 cm. Kąt nachylenia przejścia 6 pomiędzy półką górną 3 i dolną 2 a środnikiem 1: a = 30°. Całkowita długość belki: L = 3,0 m. Jako element osłonowy zastosowano bloczek z betonu komórkowego BK o wymiarach 24 χ 24 χ 60 cm (szerokość b χ wysokość (h - hf) χ długość l), gęstości 600 kg/m³ oraz średniej wytrzymałości na ściskanie 3,0 MPa. Całkowita wysokość belki hybrydowej wynosi h = 27 cm.

Pole przekroju betonu sprężonego BS i pole betonu komórkowego BK w przekroju wynoszą odpowiednio 68,7% i 31,3% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki.

Sposób wykonania belki:

Element wykonano w technologii strunobetonowej według stanu techniki. W bloczku z betonu komórkowego BK wyciąć kształt przekroju, następnie umieścić bloczki na torze naciągowym w rzędzie, aby uzyskać żądaną długość, umieścić cięgno lub cięgna sprężające, za pomocą maszyny sprężającej naciągnąć je do projektowanej siły, zabetonować belkę wraz z zagęszczeniem mieszanki betonowej, po uzyskaniu odpowiedniej wytrzymałości betonu przeciąć cięgna i zdjąć element z toru naciągowego.

Charakterystyka otrzymanej belki:

Belka hybrydowa w przykładzie 1 charakteryzuje się wysoką nośnością; w stanie eksploatacji brak zarysowania elementu; sygnalizowany mechanizm zniszczenia - z uwagi na zginanie; znaczne ugięcie elementu przed zniszczeniem - możliwe do zaobserwowania ze znacznej odległości.

Przykład 2

Belka hybrydowa zbudowana jest z betonu sprężonego BS uformowanego w betonie komórkowym BK. Belka jest prostopadłościenna. Belka zbudowana jest podobnie jak opisano w przykładzie 1. Na Fig. 4 przedstawiono geometrię belki hybrydowej w przykładzie 2 wynalazku. Ukształtowanie betonu sprężonego BS w przekroju poprzecznym belki ma formę dwuteownika i zawiera takie elementy jak półka górna 3 o formie prostokąta, która przechodzi w środnik 1 o kształcie prostokąta, który w dolnej części przechodzi w półkę dolną 2 otoczoną z każdej strony poza krawędzią dolną betonem komórkowym BK. Półka dolna 2 ma w przekroju poprzecznym kształt sześciokąta licząc skośne przejścia 6 pomiędzy środnikiem 1 a półką dolną 2 lub prostokąta nie licząc skośnego przejścia 6 pomiędzy środnikiem 1 a półką dolną 2. Istotnym jest takie uformowanie przejścia 6 wewnętrznego pomiędzy środnikiem 1 a półką górną 3 aby uzyskać kąt nachylenia przejścia 6 a będący kątem ostrym i wynoszącym w tym przykładzie a = 30° i pomiędzy środnikiem 1 a półką dolną 2 z kątem a = 45°.

Do wykonania części z betonu konstrukcyjnego zastosowano beton klasy C30/37 na kruszywie kwarcytowym z cementem CEM 42,5R (klasa R - szybko twardniejący). Maksymalny wymiar ziaren kruszywa wynosi 8 mm. Jako zbrojenie aktywne - zbrojenie rozciągane 5 zastosowano jeden drut sprężający 07 (założono klasę 2 relaksacji stali sprężającej) o średnicy drutu 7 mm, polu przekroju 38,2 mm oraz charakterystycznej wytrzymałości stali sprężającej na rozciąganie 1766 MPa, znajdujący się w odległości 3 cm od dolnej krawędzi belki. Jako zbrojenie pasywne (pręty podłużne oraz strzemiona 4 w rozstawie co 18 cm - z zagęszczeniem do 9 cm w obszarze 0,5 m od krawędzi zewnętrznej podpory P) zastosowano pręty o średnicy 6 mm ze stali klasy A-III N, gatunku B500SP. Wysokość półki górnej 3: hf = 3 cm; szerokość środnika 1: b_w = 4 cm; wysokość środnika 1: h_w = 19 cm; wysokość półki dolnej 2: hf = 24 cm; wysokość użyteczna: d = 20 cm. Kąt nachylenia przejścia 6 pomiędzy półką górną 3 a środnikiem 1: a = 30°, natomiast półką dolną 2 a środnikiem 1: a = 45°. Całkowita długość belki: L = 3,0 m. Jako element osłonowy zastosowano bloczek z betonu komórkowego BK o wymiarach 24 χ 24 χ 60 cm (szerokość b χ wysokość (h - hf) χ długość l), gęstości 600 kg/m³ oraz średniej wytrzymałości na ściskanie 3,0 MPa. Całkowita wysokość belki hybrydowej wynosi h = 27 cm.

Pole przekroju betonu sprężonego BS i pole betonu komórkowego BK w przekroju wynosi odpowiednio 70,8% i 29,2% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki.

Sposób wykonania belki:

Element wykonano w technologii strunobetonowej według stanu techniki. W dwóch oddzielnych fragmentach bloczków z betonu komórkowego BK (lewy oraz prawy) wyciąć kształt przekroju, następnie umieścić bloczki na torze naciągowym w rzędzie, aby uzyskać żądaną długość, umieścić cięgno lub cięgna sprężające, za pomocą maszyny sprężającej naciągnąć je do projektowanej siły, zabetonować belkę wraz z zagęszczeniem mieszanki betonowej, po uzyskaniu odpowiedniej wytrzymałości betonu przeciąć cięgna i zdjąć element z toru naciągowego.

Charakterystyka otrzymanej belki:

Belka hybrydowa w przykładzie 2 charakteryzuje się wysoką nośnością; w stanie eksploatacji brak zarysowania elementu; sygnalizowany mechanizm zniszczenia - z uwagi na zginanie; znaczne ugięcie elementu przed zniszczeniem - możliwe do zaobserwowania ze znacznej odległości.

Przykład 3

Belka hybrydowa zbudowana jest z betonu sprężonego BS uformowanego w betonie komórkowym BK. Belka jest prostopadłościenna. Na Fig. 5 przedstawiono geometrię belki hybrydowej w przykładzie 3 rozwiązania. Belka zbudowana jest podobnie jak opisano w przykładzie 1 i 2. Ukształtowanie betonu sprężonego BS w przekroju poprzecznym belki zawiera takie elementy jak półkę górną 3 o formie sześciokąta w przekroju poprzecznym, licząc skośne przejścia 6 pomiędzy środnikiem 1 a półką górną 3. W dolnej części belka ma półkę dolną 2 o kształcie sześciokąta licząc skośne przejścia 6 pomiędzy środnikiem 1 a półką dolną 2.

Istotnym jest takie uformowanie przejścia 6 wewnętrznego, aby uzyskać kąt nachylenia przejścia 6 a będący kątem ostrym i wynoszącym w tym przykładzie a = 30°.

Środnik 1 wykonany jest jako zbrojeniowa siatka zgrzewana o oczkach: 5 x 9 cm wykonana z drutów o średnicy 3 mm ze stali klasy A-III N, gatunku B500A.

Na Fig. 5 przedstawiono geometrię belki hybrydowej w przykładzie 3 rozwiązania. Do wykonania części z betonu konstrukcyjnego zastosowano beton klasy C30/37 na kruszywie kwarcytowym z cementem CEM 42,5R (klasa R - szybko twardniejący). Maksymalny wymiar ziaren kruszywa wynosi 8 mm. Jako zbrojenie aktywne - zbrojenie rozciągane 5 - zastosowano jeden drut sprężający 07 (założono klasę 2 relaksacji stali sprężającej) o średnicy drutu 7 mm, polu przekroju 38,2 mm² oraz charakterystycznej wytrzymałości stali sprężającej na rozciąganie 1766 MPa, znajdujący się w odległości 2,5 cm od dolnej krawędzi belki. Jako zbrojenie pasywne (pręt podłużny w strefie ściskanej) zastosowano pręty o średnicy 6 mm ze stali klasy A-III N, gatunku B500SP. Wysokość półki górnej 3: hf = 5 cm; wysokość środnika 1: h_w - 14 cm; wysokość półki dolnej 2: hf = 5 cm; szerokość półki górnej 3 oraz półki dolnej 2: bi = 5 cm; wysokość użyteczna: d - 21,5 cm. Kąt nachylenia przejścia 6 pomiędzy półką górną 3 i dolną 2 a środnikiem 1: a = 30°. Całkowita długość belki: L = 3,0 m. Jako element osłonowy zastosowano bloczek z betonu komórkowego BK o wymiarach 10 x24 x60 cm (szerokość b xwysokość h xdługość i), gęstości 600 kg/m³ oraz średniej wytrzymałości na ściskanie 3,0 MPa. Całkowita wysokość belki hybrydowej wynosi h = 24 cm.

Pola przekroju betonu sprężonego BS i betonu komórkowego BK w przekroju wynoszą odpowiednio 81% i 19% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki.

Sposób wykonania belki:

Element wykonano w technologii strunobetonowej według stanu techniki. Postępowanie: przeciąć bloczek z betonu komórkowego BK na pół, wyciąć kształt przekroju, umieścić po wewnętrznej stronie element nośny z uwagi na ścinanie, skleić ze sobą dwie części bloczka, następnie umieścić bloczki na torze naciągowym w rzędzie, aby uzyskać żądaną długość, zabetonować element wraz z zagęszczeniem mieszanki betonowej, po uzyskaniu odpowiedniej wytrzymałości betonu odwrócić belkę na torze naciągowym o 180 stopni, umieścić cięgno lub cięgna sprężające, za pomocą maszyny sprężającej naciągnąć je do projektowanej siły, zabetonować belkę wraz z zagęszczeniem mieszanki betonowej, po uzyskaniu odpowiedniej wytrzymałości betonu przeciąć cięgna i zdjąć element z toru naciągowego.

Charakterystyka otrzymanej belki:

Belka hybrydowa w przykładzie 3 charakteryzuje się wysoką nośnością; w stanie eksploatacji brak zarysowania elementu; sygnalizowany mechanizm zniszczenia - z uwagi na zginanie; znaczne ugięcie elementu przed zniszczeniem - możliwe do zaobserwowania ze znacznej odległości.

Claims (6)

1. Belka hybrydowa do zastosowania w budownictwie, w której część wykonana jest z betonu sprężonego wykonanego w betonie komórkowym, przy czym część wykonana z betonu sprężonego stanowi ukształtowanie przestrzenne zawierające takie elementy jak: półka górna, półka dolna, a ponadto belka zawiera środnik pomiędzy, znamienna tym, że część prostopadłościennej belki hybrydowej zbudowanej z betonu sprężonego (BS) uformowana jest w betonie komórkowym (BK) w ten sposób, że:

- półka górna (3) ma skośne przejście (6) i przechodzi w prostokątny w przekroju poprzecznym środnik (1) przechodzący w ośmiokątną w przekroju poprzecznym w półkę dolną (2), licząc skośne przejścia (6) środnika (1) w półkę dolną (2), otoczoną z każdej strony betonem komórkowym (BK), a ponadto co najmniej w środniku (1) wykonane jest zbrojenie w postaci strzemion (4), albo

- półka górna (3) ma skośne przejście (6) i przechodzi w prostokątny w przekroju poprzecznym środnik (1) przechodzący w sześciokątną w przekroju poprzecznym półkę dolną (2), licząc skośne przejścia (6) środnika (1) w półkę dolną (2), otoczoną z góry i z boku betonem komórkowym (BK) zaś krawędź dolna belki, w miejscu półki dolnej (2) wykonana jest z betonu sprężonego (BS), a ponadto co najmniej w środniku (1) wykonane jest zbrojenie w postaci strzemion (4) albo

- sześciokątna w przekroju poprzecznym półka górna (3), licząc skośne przejścia (6) pomiędzy środnikiem (1) a półką górną (3) otoczona jest z boków i z dołu betonem komórkowym (BK), zaś krawędź górna belki w miejscu półki górnej (3) wykonana jest z betonu sprężonego (BS), a ponadto sześciokątna w przekroju poprzecznym półka dolna (2), licząc skośne przejścia (6) pomiędzy środnikiem (1), otoczona jest z góry i z boków betonem komórkowym (BK), zaś krawędź dolna belki w miejscu półki dolnej (2) wykonana jest z betonu sprężonego (BS), przy czym środnik (1) wykonany jest jako zbrojeniowa siatka zgrzewana wykonana z drutów;

a ponadto pole przekroju betonu sprężonego (BS) wynosi od 68,7 do 81% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki zaś pole przekroju betonu komórkowego (BK) wynosi od 31,3% do 19% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki, a ponadto w najszerszej części szerokość półki górnej (3) i półki dolnej (2), w przekroju poprzecznym belki, jest większa od szerokości środnika (1), przy czym ukształtowanie betonu sprężonego (BS) w betonie komórkowym (BK) jest takie, że wewnętrzny kąt a przejścia (6) pomiędzy półką górną (3) a środnikiem (1) oraz pomiędzy półką dolną (2) a środnikiem (1) stanowi kąt ostry a wynoszący 30-50° uzyskując w ten sposób skośne przejście (6) środnika (1) w półkę górną (3) i dolną (2).

2. Belka według zastrz. 1, znamienna tym, że minimalna szerokość środnika (1) w przekroju poprzecznym belki wynosi bw = 4 cm.

3. Belka według zastrz. 1-2, znamienna tym, że element wykonany z betonu sprężonego (BS) zajmuje całą wysokość belki - począwszy od krawędzi górnej do krawędzi dolnej belki.

4. Belka według zastrz. 1-3, znamienna tym, że półka górna (3) i/lub półka dolna (2) przechodzi przez całą szerokość belki.

5. Belka według zastrz. 1-4, znamienna tym, że półka dolna (3) otoczona jest betonem komórkowym (BK).

6. Belka według zastrz. 1-5, znamienna tym, że relacja pomiędzy polem przekroju betonu sprężonego (BS) a polem przekroju betonu komórkowego (BK) wynosi od około 80% do około 15% całkowitego pola przekroju poprzecznego belki.