Ciągły rozwój konstrukcji budowlanych powoduje doskonalenie istniejących oraz powstawanie nowych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych, w tym również dotyczących belek zespolonych. W pracy dokonano przeglądu najnowszych badań w tym zakresie. Na ich podstawie wskazano, że największy potencjał rozwoju mają rozwiązania, których parametry wytrzymałościowe i użytkowe są porównywalne z tradycyjnymi konstrukcjami, bazujące na materiałach ekologicznych lub cechujących się niższą energochłonnością i emisyjnością niż stal czy beton, do produkcji których można wykorzystać odpady i surowce pochodzące z recyklingu.
EN
The continuous development of building structures results in the improvement of existing and the emergence of new material and structural solutions, including composite beams. The paper reviews the latest research in this field. On their basis, it was indicated that the greatest potential for development has solutions whose strength and performance parameters are comparable to traditional structures, based on ecological materials or characterized by lower energy consumption and emissivity than steel or concrete, for the production of which waste and recycled raw materials can be used.
2
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Dźwigary nośne ze stalowych belek obetonowanych, zwane również elementami betonowymi ze zbrojeniem sztywnym, stanowią funkcjonujące od przełomu XIX i XX wieku rozwiązanie techniczne. Zaprezentowano przykład i uporządkowano tok wymiarowania przęseł mostowych z belek obetonowanych na podstawie obowiązujących norm PN-EN wraz z komentarzem ich zaleceń oraz podaniem szczegółowych zależności, które można wykorzystać w praktyce projektowej.
EN
Bearing girders made of steel encased beams, also known as concrete elements with rigid reinforcement, are a technical solution that has been operating since the turn of the 19th and 20th centuries. An example was presented and the dimensioning process of bridge spans made of concreted beams was arranged on the basis of the applicable PN-EN standards, along with a commentary on their recommendations and providing detailed relationships that can be used in design practice.
Przedstawiono prace naukowe, badawcze i wdrożeniowe prowadzone na Wydziale Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej. Podsumowano ich zakres oraz wskazano przewidywane, dalsze kierunki rozwoju stalowo-betonowych konstrukcji zespolonych, w tym konstrukcji hybrydowych z nową generacją łączników typu SRCD.
EN
The following paper discusses scientific, research and implementation works carried out at the Faculty of Civil Engineering, Wrocław University of Science and Technology. The scope of the research is summarised and further directions of development of steel-concrete composite structures are indicated, including hybrid structures with a new generation of SRCD connectors.
A method of calculating the deflections of steel plate-concrete composite beams is proposed. In the hybrid work of such beams the properties of reinforced concrete and composite structures are combined. This convention should be followed in considering their ultimate capacity and serviceability limit state. The proposed solution has been verified in experimental studies performed by the authors. Good compatibility of theoretical calculations and experimental results has been obtained. It allows the theoretical solution to be used in the analysis of other cases with parameters different than those of the discussed beams. In the experiments done by the author six beams of total length of 5.20 m and theoretical length of 5,00 m were used. The cross section was rectangular, 0.24 m in width and 0.49 m in height. The steel plate 4.74 m long was 6.10 and 16 mm thick. The diameter of the flexible connectors was 13 mm. Their spacing varied between 80 and 200 mm. Owing to the flexibility of the connectors the interface slip between the steel and concrete parts was included in the theoretical solutions. The results of an in-depth analysis indicate that the deflections of steel plate-concrete composite beams are affected by the compressive strength of concrete and the yield point of steel as well as connectors’ diameter and spacing. This impact varies, that of the yield point of the steel from which the plate is made being the highest.
PL
Zaproponowano metodę obliczania ugięć belek kompozytowych z płyt stalowych i betonu. W pracy hybrydowej takich belek łączy się właściwości konstrukcji żelbetowej i zespolonej. Tej konwencji należy przestrzegać przy rozważaniu ich ostatecznej nośności i stanu granicznego użytkowalności. Zaproponowane rozwiązanie zostało zweryfikowane w badaniach eksperymentalnych autorów. Uzyskano dobrą zgodność obliczeń teoretycznych i wyników eksperymentalnych. Pozwala to na zastosowanie rozwiązania teoretycznego w analizie innych przypadków o parametrach innych niż omawiane belki. W eksperymentach wykonanych przez autora wykorzystano sześć belek o łącznej długości 5,20 mi teoretycznej 5,00 m. Przekrój był prostokątny, miał 0,24 m szerokości i 0,49 m wysokości. Blacha stalowa o długości 4,74 m miała 6,10 i 16 mm grubości. Średnica elastycznych łączników wynosiła 13 mm. Ich rozstaw wahał się od 80 do 200 mm. Ze względu na elastyczność łączników w rozwiązaniach teoretycznych uwzględniono poślizg między elementami stalowymi i betonowymi. Wyniki dogłębnej analizy wskazują, że na ugięcia belek zespolonych stalowo-płytowych ma wpływ wytrzymałość betonu na ściskanie oraz granica plastyczności stali, a także średnica i rozstaw łączników. Wpływ ten jest różny, przy czym granica plastyczności stali, z której wykonana jest blacha, jest najwyższa.
This study investigates the flexural strength of simply-supported steel–concrete composite beams under two-point loading. A total of four specimens were tested to failure for varying parameters including type of connectors (stud and channel) and number of connectors (two and four). ANSYS software was used to establish the finite element models that can simulate the flexural behaviour of the composite beam. The test results show that a beam with channel connectors performs better than a beam with stud connectors. The composite beam with two connectors between the beam and slab causes additional deflection due to slippage in the connectors, when compared to the beam with four connectors. The results from the analytical model are in good agreement with the experimental results.
Badania konstrukcji zespolonych typu blacha stalowa-beton, nie mają długiej tradycji. Są one z jednej strony modyfikacją klasycznych konstrukcji zespolonych typu stal-beton, a z drugiej kontynuatorem konstrukcji Möllera, stosowanych już pod koniec XIX wieku. Pewne podobieństwo występuje, między analizowanymi konstrukcjami a elementami żelbetowymi wzmacnianymi zespolonymi z nimi blachami stalowymi lub taśmami kompozytowymi. Rozwiązania te stosuje się przy wzmacnianiu belek żelbetowych. Krótki okres stosowania belek zespolonych typu blacha stalowa-beton sprawia, że wiele problemów - nawet natury podstawowej - jest jeszcze do rozwiązania. Dotyczy to także nośności przy obciążeniach doraźnych, a także ugięć i zarysowania oraz wpływu skurczu i pełzania betonu. W obliczeniach praktycznych nie uwzględnia się parametru czasu (obciążenia długotrwałe), a także odkształceń skurczowych betonu i jego pełzania. Celem pracy jest podanie rozwiązania teoretycznego, dotyczącego nośności na zginanie elementów zespolonych typu blacha stalowa-beton oraz przeprowadzenie analizy wpływu wybranych parametrów na tę nośność. Zakres pracy obejmuje podanie stosownych wzorów z uwzględnieniem specyfiki analizowanych belek. W analizie podanych rozwiązań wzięto pod uwagę geometrię przekroju poprzecznego belek oraz cechy mechaniczne materiałów składowych.
EN
The aim of the paper was to assess the bending strength of steel plate - concrete composite members, based on an experimental study performed by the authors together with theoretical and numerical analyses. The values of the mechanical parameters of the materials the beams were made from were adopted on the basis of the tests results. The proposed solutions have been verified by experiment. For this purpose the results of tests performed by the authors and other researchers have been used. The former ones are original, and the way of their presentation makes them applicable by other researchers. Following the results it can be stated that with respect to bending strengths from the experimental study the results obtained from the theoretical analysis are underestimated 6,6 % on average. The results based on the numerical analysis, on the other hand, are overestimated by - 7,5 % on average. The results of the theoretical and numerical analyses indicate that the interface slip between the steel plate and concrete part affect the bending strength of steel plate-concrete composite beams only slightly (about 2% on average).
Według PN-EN 1994-1-1 ciągliwe łączniki na ścinanie można rozmieszczać równomiernie na długości krytycznej belki pod warunkiem, że zastosowano także ciągliwe połączenie na ścinanie (zastosowany stopień zespolenia jest wystarczająco wysoki). Wtedy w obszarach przęsła, w których podłużna siła ścinająca jest większa niż nośność na ścinanie następuje redystrybucja sił ścinających na sąsiednie łączniki. Stosując nieciągliwe łączniki na ścinanie, ich rozmieszczenie należy dostosować do rozkładu ścinania.
EN
According to the PN-EN 1994-1-1 ductile shear connectors may be distributed uniformly over the critical length of the beam provided that the suficient degree of shear connection is applied. In such case in areas where the longitudinal shear is greater than the shear capacity, the shearing forces are redistributed to the neighboring connectors. When non-ductile shear connectors are used, their spacing should be provided in accordance with the longitudinal shear distribution along the beam.
Przedstawiono rozwiązania analityczne wpływu pierwotnych i wtórnych efektów skurczu na stan naprężenia i odkształcenia w stalowo-betonowych belkach zespolonych. W belkach swobodnie podpartych skurcz betonu powoduje dodatkowe ugięcia oraz naprężenia, a w wieloprzęsłowych belkach statycznie niewyznaczalnych wtórne efekty skurczu betonu - dodatkowo powstanie wzbudzonych sił wewnętrznych.
EN
The article presents analytical solutions of the infuence of the primary and secondary effects of concrete shrinkage on stress and strain state in steel-concrete composite beams. In sigle-span simply supported beams shrinkage of concrete causes additional deflections and self-equilibrated stresses. In multi-span statically indeterminate beams the secondary effects of shrinkage also give rise to induced cross sectional forces.
Według Eurokodu 4-1 nośność graniczną stalowo-betonowych belek zespolonych można obliczać, przypisując materiałom właściwości sztywno-plastyczne lub właściwości nieliniowe. W pierwszym przypadku wytrzymałość betonu na ściskanie redukuje się o 15%, otrzymując bezpieczne i proste oszacowanie nośności granicznej przekroju na zginanie. W metodzie nieliniowej korzysta się ze związków konstytutywnych dla betonu i stali zawartych w pozostałych częściach Eurokodu oraz z zasady płaskich przekrojów. W artykule przedstawiono równania umożliwiające obliczenie sztywno-plastycznej nośności na zginanie belek zespolonych przy pełnym i częściowym zespoleniu. Zamieszczono przykład obliczeniowy.
EN
According to the Eurocode 4-1 the ultimate bearing capacity of composite steel-concrete beams can be computed using either rigid-plastic or nonlinear constitutive relations for both materials. In the first case the compressive strength of concrete in compression is reduced by 15%, therefore a safe and simple estimation of the ultimate bearing capacity of the composite crosssection can be done. In the latter the more precise constitutive relations for steel and concrete according to other parts of the Eurocodes are used. In the article equations allowing for calculations of the rigid-plastic bending moment resistance of the composite beams with a full and partial shear connection are presented. All the principles are illustrated by a calculation example.
This paper describes a fiber-based model proposed for computing the nonlinear longitudinal shear distribution in composite steel-concrete beams. The presented method incorporates the accurate stress-strain relationship with strain softening for concrete and bi-linear constitutive relation for structural steel, both in agreement with Eurocodes, however any one-dimensional constitutive relation can be used. The numerical solution for a simply supported beams loaded with the uniform load, concentrated force and both was presented. The results indicate that the highest value of the shear flow for a beam under an uniform load is at the ends and in the one third of the span length and for the point load, the maximum shear is in the proximity of the concentrated force.
PL
Równomierny rozstaw łączników na ścinanie w stalowo-betonowych belkach zespolonych według Eurokodu 4 można zastosować tylko dla ciągliwych łączników ścinanych, w których charakterystyczna zdolność do poślizgu wynosi co najmniej 6 mm. Według normy EC4 tylko łączniki sworzniowe z łbami o całkowitej długości po przyspawaniu nie mniejszej niż 4-krotna średnica i z trzpieniem o nominalnej średnicy nie mniejszej niż 16 mm i nie większej niż 25 mm można uznać, że spełniają powyższy warunek. W związku z tym stosowanie innych typów łączników rozmieszczonych równomiernie na długości krytycznej belki jest możliwe tylko na podstawie badań eksperymentalnych. Dodatkowo, w belkach poddanych dużym obciążeniom, w których podłużna siła ścinająca osiąga duże wartości, należy stosować łączniki ścinane charakteryzujące się znaczną nośnością. W tego typu łącznikach trudne może być spełnienie warunku ciągliwości, przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej nośności na ścinanie. Według Eurokodu 4 łączniki ścinane można rozmieścić na długości krytycznej belki zgodnie z rozkładem ścinania obliczonym za pomocą teorii sprężystości. Jednakże nośność sprężysta przekroju zespolonego (klasy 1 i 2) jest znacznie mniejsza od jego nośności granicznej, co powoduje zwiększenie zużycia materiałów. Aby tego uniknąć i wykorzystać plastyczne rezerwy nośności przekroju zespolonego, rozkład podłużnej siły ścinającej należy obliczyć za pomocą teorii nieliniowej. W artykule przedstawiono procedurę wyznaczania nieliniowego rozkładu ścinania podłużnego w belkach zespolonych za pomocą „Fiber Element Method”. Podano rozwiązania numeryczne dla belki swobodnie podpartej obciążonej równomiernie, siłą skupioną w środku rozpiętości oraz obydwoma obciążeniami jednocześnie.
Przy obliczaniu zarysowania w rozciąganej płycie żelbetowej konieczna jest znajomość naprężeń w rozciąganym zbrojeniu. Należy wprowadzić rozróżnienie obszarów w bezpośrednim otoczeniu węzła i w pewnym oddaleniu od niego. W przypadku pierwszym nie obowiązuje zasada płaskich przekrojów i naprężania w węźle należy obliczać korzystając np. z równowagi węzła i metody składnikowej opisanej w normie. Natomiast w pewnej odległości od węzła zasada płaskich przekrojów obowiązuje i naprężania w zbrojeniu można obliczać korzystając z teorii klasycznej.
EN
When calculating the tight crack in the stretched reinforced concrete board, it is necessary to know the strains in stretched reinforcement. It is important to differentiate the areas in the direct vicinity of the node and at a certain distance from it. In the first case, the principle of flat cross sections does not apply and the strains in the node need to be calculated using e.g. the node balance and the component method described in the norm. However, at a certain distance from the node, the principle of flat cross sections does apply and the strains in the reinforcement may be calculated using the classic theory.
Na przykładzie ścieżki równowagi statycznej omówiono najważniejsze etapy procesu wzmacniania konstrukcji znajdującej się pod obciążeniem. Zagadnienie przedstawiono na przykładzie belki zespolonej stalowo-betonowej, wzmacnianej przez dospawanie stalowego płaskownika do półki dolnej dwuteownika walcowanego.
EN
On the basis of static equilibrium path the most important stages of strengthening structures under load were discussed. The problem was presented on the example of steel-concrete composite beam, which was strengthened by welding a steel plate to the bottom flange of the IPE profile.
Methods of modeling offsets is presented. Calculations are based on example of composite concrete-steel beam. Design principia, diagrams of inner forces, examples of other application offsets are reported in the paper.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule porównano ugięcie rzeczywiste przęseł mostów kolejowych o ustroju nośnym z belek obetonowanych z ugięciem teoretycznym wynikającym z modeli numerycznych. Analizom poddano pięć jednoprzęsłowych obiektów mostowych w ciągu linii kolejowej E30/C-E30. Przeanalizowano trzy modele obliczeniowe ustrojów nośnych, w których we współpracy z dźwigarami stalowymi uwzględniono: strefę ściskaną i całkowitą strefę rozciąganą przekroju betonowego (wariant A – skrajny), tylko strefę ściskaną przekroju betonowego (wariant C – skrajny), strefę ściskaną i część strefy rozciąganej przekroju betonowego (wariant B – pośredni). W przypadku każdego wariantu podano metody obliczeń charakterystyk wytrzymałościowych oraz wysokości stref współpracujących. Udowodniono, że najbardziej adekwatnie do rzeczywistości zachowują się modele przygotowane zgodnie z wariantem A, tzn. te modele, w których zakłada się, że z dźwigarami stalowymi współpracuje całkowite pole przekroju betonu.
EN
The paper presents the results of analyses of displacements of fillers – beam deck bridges. Real displacements from load tests are compared with displacements from numerical models. Five railway bridges are analysed. Three types of theoretical models are analysed. In the first model, whole area of concrete cross section cooperates with steel beams (option A – extreme). In the second one, only compressed part of concrete cross section cooperates with steel beams (option C – extreme). In the last type of model, compressed part of concrete cross section and only the part of tensioned concrete cross section cooperate with steel beams (option B – indirect). The methods of calculations of strength properties and zones of concrete cross section, which cooperates with steel beams, are given. The paper shows that theoretical models A (whole area of concrete cross section cooperates with steel beams) give results the most compatible with real displacements.
Rozpatrzono zagadnienie minimum zbrojenia w rozciąganej płycie żelbetowej będącej częścią podatnego węzła stropu zespolonego stalowo-betonowego. Wymagania normowe odniesiono do wyników przeprowadzonych badań. Na ich podstawie można wysnuć wniosek, że minimum zbrojenia ze względu na nośność może być istotne tylko w niewielu przypadkach, natomiast przepisy normowe ze wzgłędu na zarysowanie wydają się dość konserwatywne.
EN
The requirements concerning minimum reinforcement areas in RC slabs in semi-rigid joints of steel-concrete composite structures are analyzed. The code requirements were referred to the results of the tests. It can be concluded that a minimum reinforcement ratio due to the load-bearing capacity can be relevant only in the special cases (thick slabs connected with small beams), whereas the minimum reinforcement regarding cracking seems to be quite conservative.
17
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule omówiono sposób określania obliczeniowej plastycznej nośności przekroju belki zespolonej przy częściowym zespoleniu. Przedstawiono sposób dokładnego obliczenia nośności przekroju dla danego stopnia zespolenia. Jednocześnie pokazano, możliwe do zastosowania w obliczeniach inżynierskich, podejścia uproszczone, dające dobre oszacowanie nośności. Przedstawiono także sposób wyznaczenia przemieszczeń belki częściowo zespolonej. Zastosowanie przedstawionych w artykule zależności pokazano na przykładach.
EN
In the article there is the methods od computing plastic bending resistance of beam with partial shear connection are presented. The accurate method of computing plastic bending resistance fot given degree of shear connection is described. The article contains the simplification method, that is possible to use in engineering calculations, that gives good estimation of bending resistance. There is also presented themethod of deflection computing for beams with partial shear connection. Application of presented formulas was shown on examples.
Opisano własne badania doświadczalne dźwigarów mostowych w postaci belek ciągłych dwuprzęsłowych. Przedstawiono wyniki tych badań i ich analizę w kontekście znanych hipotez.
EN
The paper describes the experimental studies on continuous beams that were made by the authors. Moreover, this research presents the results and their analysis in the context of well-known hypotheses.
Przeanalizowano różne sposoby rozmieszczania taśm CFRP na płycie betonowej. W analizie wykorzystano pozytywnie zweryfikowany badaniami empirycznymi model numeryczny. Stwierdzono, że o skuteczności wzmocnienia może decydować nie tylko przekrój dodanych taśm, ale również geometria wzmacnianej belki i parametry wytrzymałościowe jej materiałów.
EN
In the article different arrangements of CFRP strips on a concrete slab has been analyzed. In the analysis the numerical model successfully verified by experiments was used. It was found that effectiveness of the strengthening depends not only on the area of cross-section of CFRP strips applied, but also on the composite beam geometry and its mechanical properties.
W artykule omówiono doświadczalne określanie nośności granicznej zespolonych belek stalowo-betonowych dla dwóch wybranych sposobów zespolenia (za pomocą łączników niespawanych). Zaprezentowano postacie zniszczenia dla obu rozważanych przypadków oraz omówiono czynniki wpływające na nośność belek.
EN
The article discusses experimental determination of the bearing capacity of steel-concrete composite beams for the two fixation methods (with non-welded shear connectors). Failure models are presented for both the considered cases and the factors affecting the strength of beams are discussed.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.