Nośność ciągłych łączników otwartych w zespolonych konstrukcjach stalowo-betonowych

• Autorzy: Lorenc W.

Warianty tytułu

EN

The design concept for the steel part of composite dowel shear connection in steel-concrete composite structures

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono opis zachowania się pod obciążeniem stalowych łączników otwartych, stanowiących stalową część konstrukcji połączenia ścinanego w belkach zespolonych. Zaproponowano koncepcję opisującą układ naprężeń w zębach stalowych od obciążeń zewnętrznych, będącą podstawą do określania nośności części stalowej połączenia ścinanego. Stalowe łączniki otwarte to rodzaj łączników ciągłych powstających przez przecięcie blachy stalowej, w domyśle środnika belki, w taki sposób, że krzywa przecięcia formuje jednocześnie element zespolenia - zabetonowanie tak uformowanych łączników powoduje utworzenie skutecznego połączenia ścinanego. Nie są wymagane żadne dodatkowe zabiegi konieczne do zrealizowania zespolenia w części stalowej dźwigara, a istotne jest odpowiednie ukształtowanie betonu w strefie zespolenia i dobranie odpowiedniego kształtu wycięcia środnika stalowego. Podstawowa kwestia to określenie stanu naprężeń w zębach stalowych, co jest szczególnie istotne w analizie zmęczeniowej. Naprężenia u podstawy zęba są superpozycją naprężeń pochodzących od ścinania podłużnego połączenia ścinanego oddziałującego bezpośrednio na zęby stalowe oraz naprężeń będących efektem zginania dźwigara, a także siły osiowej w dźwigarze. W monografii na wstępie opisano przedmiot badań w postaci innowacyjnego połączenie ścinanego. Następnie podsumowano stan wiedzy i pokazano, w jaki sposób zespolenie listwo we ewoluowało od rozwiązania opracowanego przez Leonharda na początku lat 80. ubiegłego wieku, do postaci w formie tzw. composite dowels. Przedstawiono prowadzone przez innych badania, analizy teoretyczne i wnioski oraz problemy, które nie zostały rozwiązane, w tym problem określania nośności części stalowej połączenia ścinanego. W dalszej zostały zaprezentowane wyniki prac własnych prowadzonych między innymi w ramach międzynarodowego projektu o nazwie Prefabricated Endur-ing Composite Beams based on Innovative Shear Transmission (PreCo-Beam), w którym autor kierował zespołem badawczym. Będąc odpowiedzialnym za rozstrzygnięcie zagadnień dotyczących nośności stalowej części połączenia ścinanego, doszedł do wniosku, że w zasadzie stal będzie decydować o nośności zespolenia, a nie beton, jak pierwotnie zakładano w połączeniu typu concrete dowels. W czasie badań autor udowodnił, że przy sprężystej pracy konstrukcji pęknięcia zmęczeniowe zmęczeniowe, które pojawiają się u podstawy zębów stalowych, propagując w stronę pasa dolnego, mogą prowadzić do całkowitego wyczerpania nośności belki przez gwałtowne pęknięcie pasa dolnego. W związku z tym okazało się, że potrzebna jest teoria umożliwiająca ocenę stanu naprężeń w zębach stalowych przy założeniu sprężystej pracy konstrukcji w warunkach, gdy wytężenie połączenia ścinanego jest znacząco mniejsze od jego obliczeniowej wytrzymałości na ścinanie podłużne pod obciążeniem statycznym. Tutaj autor wprowadził termin: koncepcja nośności sprężystej (KNS). Zaproponował metodę poszukiwania właściwego kształtu przecięcia z założeniem, że nośność sprężysta zębów stalowych na jednostkę długości zależy jedynie od ich kształtu, a nie od wielkości. Eliminując czynnik wielkości i rozdzielając następnie ogólne pojęcie kształtu na kształt i proporcje, sprowadził problem do zagadnienia kształtu. Analiza właściwych proporcji jest zadaniem elementarnym. Określenie sposobu obciążenia zębów stalowych w połączeniu ścinanym sprowadziło rzecz do określenia dwóch współczynników kształtu stanowiących podstawę KNS. Naprężenia wyznaczono metodą elementów skończonych (MES) i potwierdzono badaniami z wykorzystaniem dużej liczby tensometrów. Na tej podstawie określono funkcję opisującą zmienność naprężeń wzdłuż krawędzi u podstawy zęba stalowego. Analizując jej pochodną i wykonując odpowiednie przekształcenia matematyczne, wprowadzono pojęcie bezwymiarowej nośności zębów stalowych w postaci interakcji bezwymiarowej nośności na ścinanie zębów i bezwymiarowej nośności na rozciąganie środnika z uwzględnieniem kon-centracji naprężeń. Takie podejście pozwala określać wartości naprężeń geometrycznych głównych lub zredukowanych i w zależności od przyjętego kryterium oraz odpowiadających wartości współczynników może być stosowane do oceny nośności ze względu na zmęczenie lub uplastycznienie materiału. Podano podstawowy wzór służący obecnie do sprawdzenia nośności ze względu na zmęczenie oraz przedstawiono w skrócie zaprojektowane i zrealizowane obiekty mostowe, w których zastosowano połączenie ścinane typu composite dowels i które zostały zaprojektowane na podstawie koncepcji zaprezentowanej w monografii. Szczegółowo opisano warsztat pracy i przyjęte metody analizy, a także wybrane wyniki, co pozwala na weryfikację i ocenę omawianych tez oraz wniosków. Podstawą warsztatu pracy, pozwalającą na szeroką analizę i sformułowanie wniosków, były badania eksperymentalne i obliczenia metodą elementów skończonych, co było podyktowane głównie skomplikowanym stanem naprężeń w zębach, trudnym do precyzyjnego określenia w sposób analityczny. Przeprowadzono szeroko zakrojone badania różnych elementów zespolonych pod obciążeniem statycznym i cyklicznym oraz wykonano skomplikowane analizy numeryczne za pomocą MES. W monografii przedstawiono jedynie wybrane badania i ich wyniki, natomiast komplet wyników wraz interpretacją można znaleźć w zacytowanych sprawozdaniach i raportach. Prezentowany typ połączenia ścinanego został wprowadzony do mostownictwa jako podstawa systemu VFT-WIBŽ. Dalszy jego rozwój to między innymi efekt wspólnych prac uczestników projektu PreCo-Beam. Zasadniczą formę stosowanego obecnie kształtu zaproponował J. Barthellemy, procedury do wymiarowania połączenia ścinanego ze względu na zniszczenie betonu podał G. Seidl, a procedury wymiarowania stali i technologia wytwarzania części stalowej w aktualnie przyjmowanej postaci zostały opracowane przez autora.

EN

Behavior and load bearing capacity of steel dowels in steel-concrete composite girders with shear connection by composite dowels was described. A conception that describes the system of stresses in the steel teeth from the extemalloads was proposed. Based on that conception, fomlUlas critical to the design were introduced. In this way, the basis of describing the resistance of the steel parts of a shear connection was established. The composite dowel shear connection is combined out of a steel dowel and a concrete dowel. Steel dowels are made by cutting a steel sheet in such a way that the curve of the cut fOlms the element of a shear connection. The pouring of concrete over such formed connectors causes the creation of an effective shear connection. The basic issue is the determination of the state of stresses in steel dowels and it is especially important in fatigue analysis. The author presented the results of his research, which were attained, amongt others, with the research team being directed with consideration of the intemational project with acronym of Pre Co-Beam. Being responsible for solving the problems associated with the resistance of steel parts of shear connection, the author noticed that the steel would detem1ine the main problem in the dimensioning of connection, not the concrete as was originally plalmed for a concrete dowel type connection. The author proved that fatigue cracks, which appear at the base of steel dowel and propagate in the direction of the lower flange, may cause the total failure of a beam by sudden cracking of the lower flange. Hence, a theory is necessary that will allow the state of stresses in steel dowels to be assessed in conditions where the exertion of a shear connection is significantly smaller than its ultimate resistance for longitudinal shear under static load. Here, the author introduced the term: elastic load conception (KNS). Noticing that the elastic load of steel dowels per unit length is based solely on its shape, and not on its size, and eliminating from consideration the size factor and then dividing the general conception of shape into the shape and proportions brought about the problem of shape solution since the analysis of appropriate proportions is an elementaIy issue. The introduction of appropriate model ofloads acting on steel dowels under serviceability conditions, proven later on by research, caused the problem to be described with two shape coefficients that make up the basis of KNS. The stresses were determined by the finite element method and confirmed by research with the help of a large amount of strain gauges. A function that describes the stress variability was introduced along the edge of the base of steel dowel and its derivative was analyzed. While carrying out the appropriate mathematical transfonnation, the concept of dimensionless resistance of steel dowels was determined. Such an approach allows detelmination of geometric stress values and depending on the adopted criterion and the values of coefficients it can be used both for fatigue check and for yielding. On such basis, one can introduce the designing formulas, which is a purely teclmical task. Composite dowels in their current form were introduced into bridge engineering as a basis of VFT - WIBŽ system. Its further development is considered, among others, as a joint contribution of the PreCo-Beam project participants. The elementary fonn of the currently used shape was proposed by J. Barhellemy. The procedures used for the dimensioning on concrete were provided by G. Seidl. The procedures for the dimensioning of steel and the manufacturing technology of shape being currently used were developed by the author.

Słowa kluczowe

PL

konstrukcje zespolone; mosty zespolone; połączenia ścinanej; łączniki ciągłe; ząb stalowy; innowacyjne zespolenie; VFT-WIB; naprężenia geometryczne; metoda elementów skończonych (MES)

EN

composite structures; composite bridges; harvested connection; continuous switching; steel tooth; innovative fusion; VFT-WIB; geometric stress; finite element method (FEM)

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Instytutu Budownictwa Politechniki Wrocławskiej. Monografie
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 93, nr 40
• Strony: 133--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 58 poz.

Twórcy

autor

Lorenc W.

• Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej, Wyb. Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

Bibliografia

• [1] ABACUS Theory Manual, 2004.
• [2] Adrian P., Lorenc W., Kubica E., Theoretical analysis of partially composite beams with chosen examples of connector density, Stud. Geotech. Mech., 2006, Vol. 28, No. 1, s. 75-85.
• [3] Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z-26.4-39: Kombi-Verdübelung, Deutsches Institut für Bautechnik, Berlin 2000. V
• [4] Barthellemy J., Hechler O., Lorenc W., Seidl G., Viefhues E., Premiers résultats du projet de recherche européen Precobeam de connexion par découpe d'une tôle, Construction Métallique, CTICM, 2009, Vol. 46, No. 3, s. 3-26.
• [5] Berthellemy J., Seidl G., La connexion et les poutres PRECO: une solution économique pour les petites portées, objet d'un programme de recherche européen, Bulletin Ouvrages d'Art du CTOA du Sétra, mars 2007.
• [6] Budka E., Lorenc W., Rabiega J., Causes of cracks and the realized repair of main girder of steel railway viaduct, Steel bridges: advanced solutions & technologies, 7th International Conference on Steel Bridges, Conference proceedings, Paulo J. S. Sruz, Luis Simoes da Silva, Falko Schroter (red.), Guimaraes, Portugal, 4-6 June 2008. Brussels: ECCS-European Convention for Constructional Steelwork 2008.
• [7] Bode H., Künzcl R., Scherversuche zum Tragerhalten eines neuartigen Verbundmittels - Untersuchungen für die Anwendung als Schwertauflager, Untersuchungsbericht 4/88, Universität Kaiserslautem 1988.
• [8] Bode H., Künzel R., Schwerversuche zum Verbundverhalten eines neuartigen Stahlverbundträgers mit Zahndübels als Verbundmittel, Dritte Teilserie, bemessungswerte für große Zahndübel, Universität Kaiserslautern, Okt. 1989.
• [9] Bode H., Schanzenbach J., Scherversuche zum Tragverhalten eines neuartigen Stahlverbundträgers mit schwalbenschwanzförmigen Stegausnehmungen als Verbundmittel, Untersuchungsbericht 2/88, Universität Kaiserslautern 1988.
• [10] CEB-FIB, Model Code 1990, Comité Euro-International du Beton, London 1993.
• [11] Dudziński W., Badania metalograficzne fragmentu konstrukcji stalowej wykonanej metodą spawania uszkodzonej po badaniach wytrzymałościowych, Raport Instytutu Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2008.
• [12] Fink J., Ondris L., New Shear Connectors for Composite Girders - Experiences with ABAQUS Push-Out Test Simulation, in: C. Ionescu, F. Paulet-Crainiceanu, R. Scienteie, A. Nicuta (red.), Proceedings of the International Symposium Computational Civil Engineering, 2007, łasi, Romania, s. 379-395.
• [13] Fink J., Petraschek Th., Innovativer Kronendübel für Stahl-Beton Verbundkonstruktionen, Stahlbau, 76, H. 11,2007.
• [14] Fink J., Petraschek Th., Neubau der Straßenbrücke Vigaun, Versuchsbericht Teil I und II der TU Wien im Auftrag der Österreichischen Bundesbahnen + Schmitt Stumpf Frühauf und Partner, TU Wien 10/2006.
• [15] Fink J., Petraschek Th., Novel shear connectors experimental investigations and numerical compari-sons, [in:] R. Eligehausen, G. Genesio, W. Fuchs, P. Grosser (red.), Proceedings of the 2nd International Symposium on Connections between Steel and Concrete 2007, Stuttgart, s. 1327-1336.
• [16] Fink J., Pctraschck'Th., Push-out tests VFT-VIB statish. Neubau Straßenbrücke bei Vigaun ÖBB Strecke Salzburg - Wörgl km 23,135, Tcchnishc Universität Wien, 2006.
• [17] Fink J., Petraschek Th., Ondris L., Push-Out Test Parametric Simulation Study of a New Sheet-Type Shear Connector, in: Projekte an den zentralen Applikationsservern, Berichte 2006, Zentraler Informatikdienst (ZID) der Technischen Universität Wien, Wien 2007, s. 131-153, http://www.zid.tuwien.ac.at/projektc
• [18] Furtak K., Mosty zespolone, PWN, Warszawa 1999.
• [19] Grelu H., Association dans les ponts de la précontrainte et de la charpente métallique, Bulletin de liaison "ponts métallique", No. 6, 1975.
• [20] Hcchler O., Lorenc W., Scidl G., Vicfhucs E., Continuous shear connectors in bridge construction, Composite Construction VI Conference, USA, Colorado 2008.
• [21] Hegger J., Rauscher S., Shear Connectors in Steel Fibre Reinforced Ultra High Performance Concrete, Proceedings ICSCS 07, Manchester, UK.
• [22] Hyeong-Yeol Kim, Youn-Ju Jeong, Experimental investigation on behaviour of steel - concrete composite bridge decks with perfobond ribs, Journal of Constructional Steel Research, 62, 2006, s. 463^471.
• [23] Kołakowski T., Kosecki W., Lorenc W., Polskie doświadczenia z realizacji obiektów w technologii VFT. Przyśpieszenie budowy dróg ekspresowych w programie rządowym, „Infrastruktura i Środowisko", IBDiM, Warszawa 2007.
• [24] Kołakowski T., Lorenc W., Seidl G., Nowoczesne konstrukcje zespolone w mostach kolejowych, Nowoczesne technologie i systemy zarządzania w kolejnictwie, Zeszyty Naukowo-Techniczne SITK RP, Oddział w Krakowie, nr 91, z. 149, Kraków 2009.
• [25] Kozłowski A., Konstrukcje stalowe. Przykłady obliczeń według PN-EN 1993-1. Cz. 1. Wybrane elementy i połączenia, Oficyna Wydawnicza PRz, Rzeszów 2009.
• [26] Kubica E., Rykaluk K., Lorenc W., Kożuch M., Kształtowanie rozciętych dwuteowników walcowanych pod kątem stosowania w belkach zespolonych, Zespolone konstrukcje mostowe, Kraków 2009.
• [27] Kucharczuk W., Labocha S., Konstrukcje zespolone stalowo-betonowe budynków, Arkady, Warszawa 2007.
• [28] Leonhard F. et al., Neues, vorteilhaftes Verbundmittel für Stahlverbund-Tragwerke mit hoher Dauerfestigkeit; New advantageous shear connection for composite structures with high fatigue strength, Beton-und Stahlbetonbau, H. 12, 1987.
• [29] Lorenc W., Boundary approach in shape study of composite dowel shear connector, Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. IX, No. 4, 2009, s. 55-66.
• [30] Lorenc W., Wymiarowanie konstrukcji zespolonych, w: Konstrukcje stalowe w budownictwie. Projektowanie. Wykonanie. Montaż, Jan Gierczak (red.), Dashofer, Warszawa 2008.
• [31] Lorenc W., Ignatowicz R., Kubica E., Zmiany geometrii belek stalowych w skutek przypawania łączników sworzniowych z główką, Zesz. Nauk. PRzesz., 2008, nr 256, Bud. Inż. Śr., z. 50, s. 193— 199, Bezmiechowa 2008.
• [32] Lorenc W., Ignatowicz R., Kubica E., Seidl G., Numerical model of shear connection by concrete dowels, Recent Developments in Structural Engineering Mechanics and Computation, Millpress, Rotterdam, Netherlands, 2007.
• [33] Lorenc W., Kołakowski T., Kosecki W., Seidl G., VFT-WIB - prefabrykowane dźwigary zespolone z innowacyjnym połączeniem stali i betonu, „Nowocz. Bud. Inż.", 2008, nr 6, s. 70-73.
• [34] Lorenc W., Kubica E., Behaviour of composite beams prestressed with external tendons: experimental study, Journal of Constructional Steel Research, 2006, Vol. 62, s. 1353-1366.
• [35] Lorenc W., Kubica E., Load capacity of composite beams prestressed with external cables in aspect of adoption of initial prestressing force value. Progress in Steel Aluminium Structures, Proceedings of the 11th International Conference on Metal Structures, Rzeszów, 21-23 June 2006, Ed. by M.A. Giżejowski et al., Taylor & Francis Group, London 2006.
• [36] Lorenc W., Kubica E., Nonlinear modelling of composite beams prestressed with external tendons, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2004, Vol. IV, s. 83-93.
• [37] Lorenc W., Kubica E., Adrian P., Analiza zachowania się belek zespolonych sprężonych kablami zewnętrznymi, Problemy Naukowo-Badawcze Budownictwa, XLIX Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB, Warszawa-Krynica, 14-19 września 2003 r.
• [38] Łagoda M., Stan graniczny podatności łączników w konstrukcjach zespolonych, praca doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1981.
• [39] Marcczck J., Chromiak P., Studnicka J., Numerical model of perforated shear connector. Progress in steel, composite and aluminium structures, Proceedings of the 11th International Conference on Metal Structures, Rzeszów, 21-23 June 2006, Ed. by M. A. Giżejowski i in., Taylor & Francis Group, London 2006.
• [40] Ondris L., kontakty prywatne 2006-2007.
• [41] PN-EN 10025-4/2004 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych, cz. 4, Warunki techniczne dostawy stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych spawalnych po walcowaniu termomechanicznym.
• [42] PN-EN 1993-1-9 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych, cz. 1-9, Zmęczenie.
• [43] PN-EN 1994-1-1 Eurokod 4: Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych, cz. 1-1, Reguły ogólne i reguły dla budynków.
• [44] PreCo-Beam: Prefabricated enduring composite beams based on innovative shear transmission, Final Report (2009). Research Fund for Coal and Steel, Contract No. RFSR-CT-2006-00030. 01/07/2006-30/06/2009.
• [45] Rykaluk K., Pęknięcia w konstrukcjach stalowych, DWE, Wrocław 2000.
• [46] Schmitt V.., Seidl G., Doss W., Gebeshuber A., Friedrich N., Weizenegger M., VFT-Bauweise -Entwicklung von Verbundfertigteilen im Brückenbau, Beton- und Stahlbetonbau, 69, H. 4, 2001.
• [47] Schmitt V., Seidl G., Hever M., Zapfe C, Verbundbrücke Pöcking - Innovative VFT-Träger mit Betondübeln, Stahlbau 06/2004.
• [48] Seidl G, Behaviour and load bearing capacity of composite dowels in steel-concrete composite girders, Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej, Raport serii PRE nr 4/2009, rozprawa doktorska.
• [49] Seidl G., Lorenc W., Kołakowski T., Innovative composite bridges. Zespolone konstrukcje mostowe, Kraków 2009.
• [50] Seidl G., Schmitt V., Lorenc W., Shear Transmission of Fibre Reinforced Concrete Dowels, The 7th German-Japanese Bridge Symposium, 30 July-1 August, 2007, Osaka, Japan.
• [51] Standfuß F., Naumann J., Brücken in Deutschland II für Straßen und Wege, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Deutscher Bundesverlag, Berlin 2007.
• [52] Thomann M., Connexions par Adhérence pour les Ponts Mixtes Acier-Béton, Ecole Polytechnique Fédéral de Lousanne, Thesis Nr. 3381, 2005.
• [53] Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten von Verbundmitteln unter ruhender und nichtruhender Belastung bei Verwendung hochfester Werkstoffe, AiF 13867N, FOSTA P621, Abschlussbericht 2007, RWTH Aachen.
• [54] Valente I., Cruz P.J.S., Experimental analysis of Perfobond shear connection between steel and lightweight concrete, Journal of Constructional Steel Research, 60, 2004, s. 465-479.
• [55] Veríssimo G.S., Paes J.L.R., Valente I., Cruz P.J.S., Fakury R.H., Design and experimental analysis of a new shear connector for steel and concrete composite structures, 3rd International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 16-19 July 2006, Porto, Portugal
• [56] Wurzer O., Zur Trägfähigkeit von Betondübeln, Dissertation, Universität der Bundeswehr, München 1998.
• [57] Zapfe C, Trag- und Verformungsverhalten von Verbundträgern mit Betondübeln zur Übertragung der Längsschubkräfte, Dissertation, Universität der Bundeswehr, München 2001
• [58] Zulassungsbescheid Z-26.1-23: Perfobond-Leiste, Institut für Bautechnik, Berlin 1991.