Stropy płytowe sprężone cięgnami bez przyczepności Teoria, Projektowanie, Badania

aut. Rafał Szydłowski

Ilość stron: 264

Format: B5

Rodzaj okładki: miękka ze skrzydełkami

Wydawca: Politechnika Krakowska

Rok wydania: 2019

Od początków sprężania betonu kablobetonowe stropy płytowe stosowane są w wielu krajach jako cienkie, płaskie przegrody w budynkach. Ich rozwój i popularyzacja ściśle wiążą się z obecnością cięgien bez przyczepności, które zostały opracowane i wprowadzone do szerokiego użycia w budownictwie do sprężania konstrukcji w USA w latach 50. ubiegłego stulecia. Wysokie koszty pracy, przy jednocześnie niskich kosztach motażu cięgien bez przyczepności, wynikających z eliminiacji uciążliwej i kosztownej iniekcji, przyczyniły się do rozpowszechnienia ich stosowania. Początkowo stosowano cięgna złożone z siedmiodrutowych splotów o średnicy 12,7 mm otoczonych antykorozyjnym smarem, wewnątrz osłonki z ekstrudowanego tworzywa sztucznego o ściance grubości 1,27 mm. Sploty te produkowano ze stali o wytrzymałości 1860 MPa, co dla cięgna o długości 30,5 m, wydłużanego przy sprężaniu o 203 mm, pozwalało na uzyskanie efetywnej siły w cięgnie wielkości około 120 kN [65].Poza Stanami Zjednoczonymi rozwój cięgien bez przyczepności miał utrudnioną drogę. W krajach europejskich ich początki datuje się na lata 70. W Polsce pierwsze sprężenie z użyciem tego typu cięgna zrealizowano w 1995 roku. W Instytucie Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Politechniki Krakowskiej opracowano i zrealizowano wzmocnienie zbiornika na ścieki w cukrowni w Tucz-nie [69]. Od tego czasu przeprowadzono na Politechnice Krakowskiej znaczące badania doświadczalne, dotyczące zastosowania cięgien bez przyczepności do sprężania konstrukcji i elementów kablobetonowych, [40, 107, 121, 125]. Badania te były realizowane zarówno w laboratorium Instytutu Materiałów i Konstrukcji Budowlanych, jak i na obiektach w skali naturalnej.Poza wyżej wspomnianymi ekonomicznymi korzyściami, konstrukcje sprężone cięgnami bez przyczepności wyróżnia wiele zalet konstrukcyjnych. Niewątpliwie jako jedną z najważniejszych należy wymienić możliwość redukowania grubości płyt stropowych, które realizowane w technologii betonu sprężonego mogą być znacznie cieńsze w porównaniu ze stropami stalowymi czy żelbetowy-mi. Należy zaznaczyć, że w przypadku konstrukcji sprężonych, pocienienie płyty nie naraża jej na większe ugięcia. Redukcja grubości poszczególnych płyt stropowych pozwala na ograniczenie całkowitej wysokości budynku. Według szacunków Post-Tensioning Institute [65] dziesięciokondygnacyjny budynek ze stropami stalowymi musi mieć 38 m wysokości, podczas gdy w przypadku płyt kablobetonowych tylko 33 m. Redukcja wysokości budynku, przy zachowaniu tej samej powierzchni użytkowej i wysokości lokali, daje oszczędności w wykonaniu (materiałach i robociźnie) pionowych elementów budynków, takich jak: słupy, ściany, elewacje, instalacje, schody, szyby windowe itp. W dłuższej perspektywie przynosi to również oszczędności energii związane z transportem pionowym. Redukcja zużytych mate-riałów oznacza mniejszą masę budynku, a tym samym obniżenie masywności fundamentów czy ścian oporowych. Pozytywnym efektem jest też zmniejszenie objętości wykopów, a zatem ich wpływu na otoczenie.Budynki z elementami kablobetonowymi mogą być wznoszone szybciej. Na świecie, podczas realizowania budynków wysokich, nawet w gęstej zabudowie miejskiej, powszechnie osiągalne są 3–5 dniowe cykle wznoszenia kondygnacji przy zastosowaniu stropów kablobetonowych. Skrócenie harmonogramu wznoszenia budynków korzystnie wpływa na otaczające plac budowy ekosystemy oraz infrastrukturę.W pracy [81] wykazano, że przy stawianiu budynków wysokich, szczególnie tych powyżej 200 m, uzasadnione jest stosowanie systemów konstrukcyjnych bazujących na kompozytach betonowych. W Stanach Zjednoczonych przy wznoszeniu wysokościowców szczególnie korzystny okazał się system sprężenia bez przyczepności, jednak mimo to, rozwiązanie owo napotyka liczne bariery rozwoju w innych miejscach na świecie.Kolebką budownictwa wysokościowego jest Chicago, które nadal przoduje w projektowaniu nowoczesnych drapaczy chmur, chociaż obecnie prym we wznoszeniu budynków wysokich wiedzie Azja. Przed 1960 rokiem, 90% budynków o wysokości ponad 100 m w Chicago zostało wybudowanych wyłącznie ze stali, a tylko 6% z betonu [65]. Po 1960 roku sytuacja się odwróciła, gdyż prawie 80% konstrukcji wzniesiono wyłącznie z betonu. W ostatnich dziesięcioleciach obserwuje się ciągły wzrost użycia sprężenia cięgnami bez przyczepności jako zbrojenia betonu. Potwierdza to fakt, że w latach 1980–2006, kablobetonowe stropy ze sprężeniem cięgnami bez przyczepności znalazły zastosowanie w mniej niż 5% wysokościowców realizowanych w Chicago (wyższych niż 100 m), natomiast w następnych latach 2007–2017 stropy tego typu wykonano w niemal połowie wznoszonych drapaczy chmur. Wzrost użycia technologii sprężania w Chicago zainicjował jego popularyzację w innych amerykańskich miastach, takich jak Honolulu, Houston, Miami czy Seattle.W latach 70., czyli znacznie później niż w Stanach Zjednoczonych, technologię sprężenia cięgnami bez przyczepności w zastosowaniu do realizacji stropów kablobetonowych w budynkach użyteczności publicznej, w tym również w garażach wielokondygnacyjnych, zaczęto rozwijać w Australii, Singapurze, Hong Kongu i wresz-cie w Europie. Kiedy w Stanach Zjednoczonych, a później również w innych krajach,odnoszono sukcesy w realizacji konstrukcji sprężonych cięgnami bez przyczepności, w Kanadzie i Wielkiej Brytanii podejmowano liczne, nieudane próby stosowania tej technologii. Skłoniło to społeczności zaangażowane w rozwój konstrukcji kablobetonowych do opracowania norm i wytycznych regulujących realizację sprężenia oraz służących do edukacji wykonawców. W tym czasie opracowano i wydano wiele wytycznych wspomagających projektowanie w doborze typu i geometrii stropu, wyznaczaniu i kształtowaniu wymaganego sprężenia oraz w sposobach weryfikacji ob-liczeniowej stropów. W Stanach Zjednoczonych wydano m.in. prace [2, 108–110], a w Europie prace [41–43, 150–155], stopniowo rozszerzające zakres zaleceń. Najobszerniejsze jak dotąd opracowanie, dotyczące zasad pracy i projektowania płyt sprężonych, opublikowali S. Khan i M. Williams w 1994 roku [63]. Utrudniony dostęp do specjalistycznego oprogramowania inżynierskiego oraz brak odpowiedniej wiedzy i doświadczeń wśród projektantów sprawiły, że kablobetonowe stropy płytowe miały w Polsce utrudnioną drogę rozwoju. Pierwszą krajową pracę, przedstawiającą wytyczne projektowania płaskich stropów sprężonych cięgna-mi bez przyczepności, opublikowali A. Ajdukiewicz i K. Golonka w 2007 roku [7]. Artykuł ten przybliżył zasady projektowania popularnych i szeroko wówczas stosowanych w świecie płaskich stropów sprężonych cięgnami bez przyczepności i, zdaniem Autorów, był próbą przełamania mentalności projektantów ograniczającej stosowanie tego rozwiązania w kraju. Pierwsze kablobetonowe stropy płytowe, sprężone płaskimi kablami BBR CONA Flat, wykonano w Polsce w 2002 roku [97], natomiast pierwsze stropy płytowo-słupowe sprężone cięgnami bez przyczepności zrealizowano w 2008 roku w budynku Platinum Towers w Warszawie [44, 126]. W kolejnych latach, opierając się na zrealizowanych projektach, opublikowano w kraju kilka prac przedstawiających ekonomiczne i techniczne aspekty stosowania kablobetonowych stropów sprężonych [29, 57, 95]. Obecnie, do sprężania betonowych płyt stropowych, zarówno na świecie jak i w naszym kraju, stosowane są głównie sploty bez przyczepności (monostrandy). Lekkość, łatwość i szybkość montażu oraz niewielka średnica cięgien, umożliwiająca realizację dużych mimośrodów sprężenia i zwisów cięgien w cienkich płytach, wygrała z wadami tego typu sprężenia i niemal całkowicie wyparła (z realizacji stropów płytowych) tradycyjny system sprężania cięgnami z przyczepnością (gdzie wymagana jest iniekcja kanałów zaczynem cementowym). Autor pracy jest czynnie działającym projektantem oraz badaczem. Zaprojektował kilka stropów sprężonych cięgnami bez przyczepności o niespotykanych jak dotąd w świecie smukłościach (L/h), wynoszących nawet powyżej 55. Wśród nich jest strop o pełnym przekroju i prawdopodobnie największej w świecie rozpiętości liczącej 17,6 m przy grubości płyty 350 mm. Praca, prócz syntezy istniejących przepisów światowych i wytycznych projektowych, przedstawia wyniki kilkuletniej działalności badawczej autora nad płytami stropowymi sprężonymi cięgnami bez przyczepności, poprawą ich efektywności i udoskonalaniem metod projektowych. Jednym z warunków rozpowszechnienia w Polsce stropów kablobetonowych jest możliwość wykorzystania w projektowaniu powszechnego i ogólnie dostępnego oprogramowania inżynierskiego. W pracy podano informacje pomocne w prostym, inżynierskim modelowaniu stropów oraz weryfikacjach stanów granicznych na pod-stawie uzyskanych wyników analizy statycznej.Dodatkowo, na przykładach realizacji stropów, autor wykazał, że możliwe jest wykonywanie stropów kablobetonowych, nawet o dużych rozpiętościach, wykorzystując niskiej jakości kruszywa skalne. Praca zawiera również pierwsze analizy obliczeniowe i opis badań laboratoryjnych przeprowadzonych w Polsce, które potwierdzają możliwość stosowania w płytach sztucznego kruszywa otrzymywane-go przez spiekanie popiołów lotnych. Informacje te mogą być pomocne w dobie kurczenia się zapasów kruszyw naturalnych oraz zachęcające do wykorzystania lokalnych kruszyw dostępnych na rynku budowlanym

Spis treści:

Wykaz ważniejszych oznaczeń ......................................................................... 7

1. Wstęp ..........................................................................................................13

2. Materiały .....................................................................................................17

2.1. Beton ....................................................................................................17

2.1.1. Kruszywo ...................................................................................17

2.1.2. Wytrzymałość ............................................................................18

2.1.3. Moduł sprężystości ....................................................................20

2.1.4. Skurcz ........................................................................................21

2.1.5. Pełzanie......................................................................................23

2.1.6. Beton lekki.................................................................................25

2.2. Cięgna sprężające ................................................................................31

2.2.1. Właściwości stali do sprężania ..................................................31

2.2.2. Cięgna bez przyczepności ......................................................... 34

2.3. Zakotwienia .........................................................................................38

3. Kształtowanie płyt ...................................................................................... 41

3.1. Układ podpór, rozpiętości przęseł........................................................ 41

3.2. Typ płyty .............................................................................................. 44

3.2.1. Płyta jedno- i dwukierunkowa ................................................... 45

3.2.2. Płyta pełna i użebrowana ........................................................... 47

3.3. Minimalna grubość płyty i stosunek rozpiętości do grubości ............. 48

3.4. Wewnętrzne wkłady odciążające jako sposób poprawy efektywności płyty kablobetonowej ..............51

3.5. Analiza efektywności różnych typów przekrojów ...............................53

4. Płyty płaskie ................................................................................................59

4.1. Praca statyczna płyt płaskich ...............................................................59

4.2. Kryteria analizy płyt płaskich ..............................................................61

4.3. Zachowanie się płaskich płyt pod wpływem obciążenia cięgnami sprężającymi .................62

45. Dobór sprężenia ..........................................................................................67

5.1. Układ sprężenia w planie .....................................................................67

5.2. Profil cięgna, obciążenie zastępcze, wymagana liczba cięgien ...........70

5.2.1. Minimalne otulenie cięgien .......................................................70

5.2.2. Profil cięgna i obciążenie zastępcze ..........................................71

5.2.3. Określenie wymaganego sprężenia ...........................................77

6. Modelowanie stropów kablobetonowych ...................................................83

6.1. Modelowanie sprężenia .......................................................................83

6.2. Efekty II rzędu .....................................................................................85

6.3. Analiza statyczna płyt ..........................................................................88

6.3.1. Metoda ram zastępczych ...........................................................90

6.3.2. Analiza płyt metodą elementów skończonych ..........................91

6.3.3. Wybór metody ........................................................................... 94

7. Projektowanie z uwagi na stany graniczne nośności ..................................95

7.1. Zginanie ...............................................................................................95

7.2. Przebicie ..............................................................................................99

7.2.1. Nośność obszarów niezbrojonych na przebicie .........................100

7.2.2. Nośność obszarów zbrojonych na przebicie..............................103

7.2.3. Zasięg zbrojenia na przebicie .................................................... 104

8. Projektowanie z uwagi na stany graniczne użytkowalności .......................105

8.1. Naprężenia normalne w przekroju .......................................................105

8.1.1. Płyty zwykłe (oparte na krawędziach) ......................................106

8.1.2. Płyty płaskie ..............................................................................107

8.2. Naprężenia w kierunku poprzecznym .................................................109

8.2.1. Jedno- i dwukierunkowe płyty zwykłe ......................................109

8.2.2. Płyty płaskie ..............................................................................110

8.3. Zarysowanie .........................................................................................110

8.4. Zbrojenie zwykłe .................................................................................113

8.4.1. Zbrojenie z uwagi na równowagę sił przekrojowych ................113

8.4.2. Zbrojenie minimalne ................................................................. 114

8.5. Ugięcia .................................................................................................117

8.5.1. Płyty jednokierunkowe ..............................................................119

8.5.2. Płyty dwukierunkowe ................................................................119

8.5.3. Ugięcia długotrwałe...................................................................123

8.6. Drgania ................................................................................................. 124

8.6.1. Określenie częstości drgań własnych ........................................126

8.6.2. Tłumienie ...................................................................................129

8.6.3. Przewidywanie odpowiedzi stropu na drgania wywołane ich użytkowaniem .......................130

5 9. Wybrane szczegóły konstrukcyjne..............................................................133

9.1. Układ cięgien .......................................................................................133

9.2. Rozstawy cięgien ................................................................................. 134

9.3. Zbrojenie na siły rozrywające pod zakotwieniami ..............................135

9.4. Zbrojenie stref pomiędzy zakotwieniami ............................................139

9.5. Stabilizacja cięgien .............................................................................. 140

9.6. Otwory w płytach ................................................................................ 140

9.7. Oznaczenia na rysunkach .................................................................... 142

10. Zagraniczne realizacje a wytyczne kształtowania płyt ............................... 145

10.1. Strop kasetonowy w Bibliotece Publicznej w Bostonie .................... 145

10.2. Stropy w budynku centrum handlowego Fuenlabrada w Madrycie .. 148

10.3. Strop w budynku hotelu VidaMar Resort Madeira w Funchal ..........151

11. Badania płyt kablobetonowych ...................................................................153

11.1. Badania płyt przy zginaniu ................................................................153

11.2. Badania przebicia płyt ......................................................................... 164

11.3. Badania płyt w warunkach pożaru .....................................................172

11.4. Badania stropów w skali naturalnej ...................................................179

11.5. Analizy teoretyczne stropów ..............................................................183

11.6. Badania płyt z betonu lekkiego .......................................................... 184

12. Badania własne ...........................................................................................187

12.1. Metodyka badań .................................................................................188

12.1.1. Technologia pomiarów bazująca na drgającej strunie ...........188

12.1.2. Pomiar odkształceń betonu ....................................................188

12.1.3. Pomiar ugięć ..........................................................................190

12.1.4. Pomiar siły w cięgnach ..........................................................192

12.2. Płaska płyta w budynku Małopolskiego Centrum Budownictwa Energooszczędnego ..........192

12.3. Płyty dużych rozpiętości w budynku Centrum Kulturalno--Artystycznego w Kozienicach ........................203

12.3.1. Charakterystyka budynku ......................................................203

12.3.2. Charakterystyka stropów kablobetonowych.......................... 204

12.3.3. Ugięcia stropów .....................................................................209

12.3.4. Próbne obciążenie płyty Pł-3 .................................................213

12.4. Badania lekkiego betonu kruszywowego przeznaczonego do konstruowania kablobetonowych płyt dużej rozpiętości ..............219

13. Inne nietypowe, autorskie zastosowania płyt sprężonych cięgnami bez przyczepności w budynkach ................................................................229

13.1. Strop z wkładami odciążającymi w budynku Samorządowego Centrum Kultury w Busku-Zdroju ....................................................229

6 13.2. Płyta kablobetonowa w Pawilonie Muzycznym w Muszynie ...........233

13.2. Płyta antresoli dla chóru w kościele św. Jacka w Krakowie ..............239

14. Podsumowanie ............................................................................................ 245

Literatura ........................................................................................................... 249