Utjecaj dugotrajnog opterećenja na spregnute sustave drvo ... · PDF fileraćevinar 32015...

Click here to load reader

  • date post

    01-Feb-2018
  • Category

    Documents

  • view

    231
  • download

    2

Embed Size (px)

Transcript of Utjecaj dugotrajnog opterećenja na spregnute sustave drvo ... · PDF fileraćevinar 32015...

  • Graevinar 3/2015

    235GRAEVINAR 67 (2015) 3, 235-246

    DOI: 10.14256/JCE.1170.2014

    Autori:

    Utjecaj dugotrajnog optereenja na spregnute sustave drvo-beton

    Primljen / Received: 13.11.2014.

    Ispravljen / Corrected: 23.1.2015.

    Prihvaen / Accepted: 27.2.2015.

    Dostupno online / Available online: 10.4.2015.

    Mislav Stepinac, dipl.ing.gra.Sveuilite u ZagrebuGraevinski [email protected]

    Prof.dr.sc. Vlatka Raji, dipl.ing.gra. Sveuilite u ZagrebuGraevinski [email protected]

    Jure Barbali, mag. ing. aedif.Sveuilite u ZagrebuGraevinski [email protected]

    Pregledni radMislav Stepinac, Vlatka Raji, Jure Barbali

    Utjecaj dugotrajnog optereenja na spregnute sustave drvo-beton

    Spregnuti sustavi drvo-beton predstavljaju vrlo dobro tehniko rjeenje ne samo u sanacijama nego i u izgradnji novih objekata. Zasad se dimenzioniranje tih sustava provodi -postupkom definiranim u Eurokodu 5. Dugorono ponaanje ovakvih sustava vrlo je kompleksan problem i ovisi o puzanju, bubrenju, skupljanju i temperaturnim promjenama unutar betona, puzanju i udjelu vlage u drvu, te o puzanju samog spoja. Dimenzioniranje takvih sustava prema sadanjim propisima u odreenim je uvjetima nedoreeno te postoji velik prostor za poboljanja postojeih normi i propisa.

    Kljune rijei:spregnuti sustavi, drvo - beton, dugotrajno optereenje, proraun spregnutih sustava, puzanje, Eurokod 5

    Subject reviewMislav Stepinac, Vlatka Raji, Jure Barbali

    Influence of long term load on timber-concrete composite systems

    Timber-concrete composite systems represent a very good technical solution both in reconstruction activities and in construction of new buildings. The design of such systems is currently conducted using the procedure defined in Eurocode 5. The long-term behaviour of such composites is a highly complex problem depending on the creep, swelling, shrinkage and thermal changes within concrete, creep and moisture content in wood, and creep of the connection itself. The design of composite systems according to current regulations is incomplete in some conditions, and there is ample room for improving the existing European standards and regulations.

    Key words:composite systems, timber - concrete, long-term load, design of composite systems, creep, Eurocode 5

    bersichtsarbeitMislav Stepinac, Vlatka Raji, Jure Barbali

    Einfluss langfristiger Lastbeanspruchung auf Holz-Beton-Verbundsysteme

    Holz-Beton-Verbundsysteme stellen sowohl bei Sanierungsarbeiten, als auch fr Neubauten eine wirksame technische Lsung dar. Derzeit wird die Bemessung dieser Systeme nach dem -Verfahren laut Eurocode 5 durchgefhrt. Das langzeitige Verhalten von Verbundsystemen ist sehr komplex und hngt vom Kriech-, Schwell-, Schwind- und Temperaturverhalten des Betons, vom Feuchtegehalt und Kriechen des Holzes, sowie vom Kriechen der Verbindung selbst ab. Die Bemessung von Verbundsystemen ist den jetzigen Vorschriften folgend nicht vollstndig und weist auf weitreichende Mglichkeiten zur Verbesserung hin.

    Schlsselwrter:Verbundsysteme, Holz-Beton, langfristige Lasten, Berechnung von Verbundsystemen, Kriechen, Eurocode 5

  • Graevinar 3/2015

    236 GRAEVINAR 67 (2015) 3, 235-246

    Mislav Stepinac, Vlatka Raji, Jure Barbali

    1. Uvod

    Istraivanja u podruju optimalizacije gradnje i upotrebe nosivih sustava zasnovanih na osnovnim materijalima koji se koriste u graditeljstvu (beton, elik, drvo) dovela su do razvoja "hibridnih" ili "kompozitnih sustava", ali i do inovacija u podruju "kompozitnih materijala". Najpoznatiji su kompozitni sustavi zasnovani na sprezanju betona i elika (podruje Eurokoda 4 [1]). Podruje spregnutih sustava na osnovi drva obuhvaa sustave drvo - materijali na osnovi drva, drvo/materijal na osnovi drva - elik kao i drvo/materijal na osnovi drva - beton, a u novije vrijeme i drvo/materijal na osnovi drva - staklo (paneli i predgotovljeni elementi I-presjeka). Spregnuti sustavi predstavljaju vrlo dobro tehniko rjeenje kako u sanacijama tako i u izgradnji novih objekata. Sustavi u kojima drvo prenosi vlana, beton tlana, a samo spojno sredstvo posmina naprezanja sve su vie kompetitivni sustavima u kojima se koristi ili samo drvo ili samo beton. Osnovna prednost ovih sustava jest manja vlastita teina u odnosu na deblje AB ploe, odnosno vea nosivost u odnosu na tradicionalnu drvenu gradnju. Takoer, poveana je i krutost to rezultira boljim seizmikim karakteristikama samog objekta. Poveana masa u odnosu na tradicionalnu drvenu konstrukciju rezultira boljim akustinim svojstvima, boljom izolacijom i smanjenim vibracijama. Takoer, sustavi imaju vrlo dobre termike karakteristike kao i visoku otpornost na poar. Dimenzioniranje ovih sustava provodi se -postupkom definiranim odredbama Eurokoda 5 (EC5) [2]. Osnovna zamjerka proraunu u EC5 [2] jest ta to nisu svi initelji uzeti u obzir i to su potrebna daljnja istraivanja na tom podruju. Openit zakljuak je da je metoda prihvatljiva za proraun i uporabu spregnutih sustava drvo - beton u prvoj klasi uporabivosti, dok se ve za drugu klasu uporabivosti dolazi do nekonzervativnih i neprihvatljivih rjeenja upravo zbog dugotrajnog optereenja i znaajnijih promjena u okolinim uvjetima.

    2. Definicija problema i osnove prorauna

    Posmini spoj izmeu betonske ploe i drvene grede kritini je dio svakog spregnutog elementa jer odreuje u kojoj je mjeri ostvareno kompozitno djelovanje izmeu dva materijala. Krutost i vrstoa sustava moraju biti kvantificirani i uzeti u obzir prilikom dimenzioniranja te posebnu pozornost treba usmjeriti na duktilnost samog spoja. Slika 1. prikazuje razliita stanja kompozitnog djelovanja.Godine 1995. Cecotti [3] je predstavio pristup koji u obzir uzima nelinearno ponaanje u posminoj zoni simulirajui ponaanje spoja uporabom dviju vrijednosti modula krutosti - na 40 % (Kser)i 60 % (Ku) maksimalnog optereenja koje element moe podnijeti (slika 2.).

    Slika 2. Modul klizanja spoja za granino stanje nosivosti i uporabivosti

    Aproksimacija krutosti i modula klizanja moe zahtijevati laboratorijsku i eksperimentalnu potvrdu. Proraun spregnutog sustava drvo - beton (slika 3.) definiran je na slian nain u EC5 [2] te se sastoji od nekoliko koraka, kako slijedi:

    KORAK 1: Potrebno je odrediti efektivnu krutost

    Slika 3. Presjek spregnutog elementa drvo - beton

    Slika 1. Kompozitna djelovanja

  • Graevinar 3/2015

    237GRAEVINAR 67 (2015) 3, 235-246

    Utjecaj dugotrajnog optereenja na spregnute sustave drvo-beton

    (EI)ef = EcIc + EtIt + cEcAcac2 + tEtAtat2 (1)

    (2)

    t = 1 (3)

    Ac = bc hc At = bt ht (4)

    (5)

    (6)

    sef = 0,75 smin + 0,25 smax (7)

    Oznake imaju ovo znaenje: E - Youngov modul, I - moment tromosti,A - povrina,K - modul klizanja, l - raspon,b - irina poprenog presjeka, h - visina poprenog presjeka,smin - minimalni razmak spajala, smax - maksimalni razmak spajala.Indeks c je oznaka za beton, a t za drvo.

    KORAK 2: Proraunaju se naprezanja u poprenim presjecima. Za savijanje vrijedi:

    (8)

    a za uzduna normalna naprezanja:

    (9)

    KORAK 3: Preko naprezanja dobiju se unutarnje sile

    Mc(x) = sm,c(x)Zc Mt(x) = sm,t(x)Zt (10)

    Vt(x) = Vd(x)a) (11)

    *Pretpostavlja se da drvena greda prenosi cjelokupno posmino optereenje

    Nc(x) = sc(x)Ac Mt(x) = st(x)At (12)

    gdje su:sm - naprezanje od savijanja,s - naprezanje od tlane sile,V - unutarnja posmina sila u drvu,Fd - raunsko optereenje, N - unutarnja sila.

    KORAK 4: Poznavajui unutarnje sile potrebno je provjeriti naprezanje spojnog sredstva, pri emu optereenje na spajalo mora biti uzeto prema izrazu (11).

    KORAK 5: Zadnji korak je proraun graninog stanja uporabivosti, odnosno deformacija ovisno o vrsti optereenja i statikom sustavu.

    Frangi i Fontana [4] opisali su elastoplastini model za ponaanje spregnutih greda drvo-beton s duktilnim spajalima. Ponaanje cjelokupnog sustava ovisi o tipu posminog spajala i njegovom ponaanju. Ako je ponaanje optereenog spajala linearno do sloma drvenog elementa, moe se pretpostaviti da je ponaanje sustava linearno elastino. Ako pak optereenje dosegne nosivost spajala, spajalo e se plastino deformirati i sustav e imati nelinearno ponaanje. Elastoplastini model podrazumijeva da je spajalo kruto plastino i proraun je zapravo analogan proraunu detalja sa tapastim spojnim sredstvima. Modul klizanja nije potrebno proraunavati, to uvelike pojednostavnjuje proraun. Za drveni element pretpostavlja se linearno elastino ponaanje zbog krtog loma kod zajednikog djelovanja savijanja i vlaka paralelno na vlakna. Isto tako, linearno elastino ponaanje pretpostavlja se i za beton jer se najee otkazivanje dogaa u drvu, a ne u betonu. Autori razlikuju tri razliita sluaja (ovisno o krutosti spoja):1. Ne postoji kompozitno djelovanje.2. Podatljiva veza - do otkazivanja dolazi zbog loma drvenog

    elementa prilikom zajednikog djelovanja savijanja i vlaka u trenutku kada spajalo dosegne maksimalnu posminu vrstou. Sustav se poinje ponaati nelinearno do pojave loma.

    3. Potpuno kruta veza. Do otkazivanja dolazi u drvu prije dostizanja maksimalne posmine vrstoe u spajalu. Ponaanje sustava je linearno.

    Kako potpuno kruta veza predstavlja gornju granicu, a veza kada nema kompozitnog djelovanja donju granicu, pojednostavljena linearna aproksimacija moe se upotrijebiti za proraun podatljive veze. Elastoplastini model daje gornju i donju vrijednost za nosivost kompozita koja je u okviru 5 % nosivosti ostvarenih linearnom aproksimacijom i autori je smatraju zadovoljavajuom za proraun podatljivih kompozitnih sustava.Proraun ovakvih sustava na dugotrajno optereenje problematiniji je i kompleksniji jer mora uzeti u obzir mehanike promjene u drvu, betonu i eliku zbog promjena vlage, temperature i optereenja tijekom vre