Podstawowym warunkiem, jaki należy spełnić w przypadku współpracy zespolonych elementów zginanych stalowo-betonowych jest ich odpowiednie zabezpieczenie przed rozwarstwieniem się. Brak odpowiedniego zespolenia materiałów spowoduje, że pod wpływem oddziaływania obciążenia materiały te będą pracować niezależnie od siebie. Aby tego uniknąć należy zastosować zespolenie stali konstrukcyjnej z betonem za pomocą odpowiednich łączników oraz zbrojenia.
Zespolenie stali konstrukcyjnej z betonem – wykonanie zespolenia
Jak już wcześniej wspomniano zespolenie stalowo-betonowe można otrzymać za pomocą łączników oraz zbrojenia. Łączniki mogą występować w postaci sworzni, kotew, śrub czy też bloczków oporowych. Jednym z najpopularniejszych rodzajów łączników stosowanych w celu zespolenia konstrukcji stalowo-betonowych są kołki (sworznie) Nelsona.
Łączniki w połączeniu elementów-stalowo betonowych pełnią funkcję zespolenia. Natomiast zbrojenie stanowi zabezpieczenie betonu przed ścięciem w miejscu występowania łączników. Sworznie nelsona przejmują siły rozciągające oraz ścinające. Ponadto ich nośność na ścinanie jest taka sama we wszystkich kierunkach.
Montaż sworzni
Montaż kołków Nelsona polega na trwałym scaleniu z elementem konstrukcji stalowej. W zależności od średnicy kołków można wyróżnić następujące metody przypawania:
- przypawanie kondensatorowe (CD),
- przypawanie łukowe (ARC).
Montaż metodą przypawania:
Przypawanie jest metodą łączenia elementów metalowych przy wykorzystaniu działania łuku elektrycznego. Pierwsza z metod przypawanie kondensatorowe (CD) stosowana jest do przypawania kołków do średnicy 10 mm oraz grubości materiału bazowego do 3 mm. Metoda stosowana jest w przypadku cienkich blach. W celu scalenia kołków i konstrukcji stosuje się specjalny pistolet do przypawania kondensatorowego. Końcówka znajdująca się w pistolecie generuje łuk elektryczny topiący dół kołka oraz część podłoża. Po chwili od skrzepnięcia stopionego złącza tworzy się trwałe połączenie. W przypadku przypawania łukowego ARC istnieje możliwość zgrzewania sworzni o średnicy do 25 mm oraz do grubszego materiału bazowego. Kołki ustawia się i zgrzewa specjalnym pistoletem do zgrzewania kołków. Podobnie, jak w przypadku metody CD, następuje stopienie podstawy sworznia oraz podłoża pod wpływem łuku elektrycznego. W celu ochrony łuku oraz ograniczenia rozlewu spoiny stosuje się specjalne pierścienie ceramiczne.
Wyznaczenie nośności obliczeniowej sworzni
Zgodnie z normą PN-EN 1994-1-1 łącznik w postaci sworzni powinny spełniać wymagania zawarte w PN-EN ISO 13918. Eurokod 4 dzieli łączniki sworzniowe na dwie grupy: podatne (ciągliwe) oraz sztywne (nieciągliwe). Połączenia podatne dzięki zdolności do odkształceń plastycznych zapewniają niesprężystą redystrybucję ścinania. Jako łączniki ciągliwe uważa się łączniki sworzniowe z łbem o długości (po przypawaniu do belki) nie mniejszej niż 4d, gdzie d jest średnicą trzpienia sworznia w przedziale od 16 mm do 22 mm. Na nośność pojedynczego sworznia wpływa wiele czynników takich jak: zginanie, ścinanie, a także relacja pomiędzy sztywnością sworznia a betonem. Obliczeniową nośność pojedynczego sworznia zamocowanego metodą przypawania automatycznego należy wyznaczyć według następującego wzoru:
\[P_{Rd} = min ( 0,8 \cdot f_u \cdot \frac{π \cdot d^2}{4} \cdot \frac{1}{γ_v} \quad , \quad 0,29 \cdot α \cdot d^2 \sqrt {f_{ck} \cdot E_{cm}} \cdot \frac{1}{γ_v})
\]
gdzie:
- fu – wytrzymałość na rozciąganie stali sworznia łącznika, nie większa niż 500 MPa,
- d – średnica sworznia łącznika z 16 mm ≤ d ≤ 25 mm,
- γv – częściowy współczynnik bezpieczeństwa łącznika γv = 1,25,
- fck – charakterystyczna wytrzymałość walcowa na ściskanie betonu (o gęstości nie
- mniejszej niż 1750 kg/m3),
- Ecm – sieczny moduł sprężystości betonu,
- hsc – wysokość sworznia łącznika po przypawaniu nie mniejsza niż 3d.
α = 0,2 \cdot (\frac{h_{sc}}{d} + 1), \quad gdy \quad 3 ≤ \frac{h_{sc}}{d} ≤ 4
\]
- α = 1,0, gdy:
\frac{h_{sc}}{d} >4
\]
Literatura:
[1] Biegus A., „Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych według Eurokodu 4”, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2012,
[2] PN-EN 1994-1-1 Eurokod 4 – Projektowanie zespolonych konstrukcji stalowo-betonowych — Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków,
[3] PN-EN ISO 13918 Spawanie – Kołki i pierścienie ceramiczne do zgrzewania łukowego kołków.
