Sztywne węzły w prefabrykacji betonowej – nowa generacja łączników Colmshoe
Nowa rodzina łączników słupowych Colmshoe to odpowiedź na rosnące potrzeby nowoczesnego budownictwa prefabrykowanego. To rozszerzony asortyment podpór słupowych, szybszy i pewny montaż, elastyczność zastosowań i bezpieczeństwo potwierdzone Krajową Oceną Techniczną ITB.
Prefabrykacja betonowa w budownictwie przemysłowym i użyteczności publicznej
Prefabrykaty z betonu są powszechnie wykorzystywane w budownictwie przemysłowym oraz do wznoszenia wielkopowierzchniowych obiektów użyteczności publicznej lub magazynowych [1]. Zainteresowanie prefabrykacją niewątpliwie będzie rosło ze względu na wymagania w zakresie zrównoważonego rozwoju, postęp w dziedzinie inżynierii materiałów budowlanych i brak wykwalifikowanych pracowników na budowach. Efektywne wykorzystanie betonów o wysokich i ultra-wysokich wytrzymałościach jest możliwe przy zachowaniu odpowiedniego reżimu technologicznego, który gwarantuje produkcja elementów w zakładzie prefabrykacji, a połączenia elementów z takich betonów wymagają przemyślanych i bezpiecznych rozwiązań [2].
Węzły sztywne a przegubowe w konstrukcjach prefabrykowanych
W konstrukcji nośnej z prefabrykatów można wyróżnić elementy konstrukcyjne (belki, słupy) i złącza między nimi (przegubowe, podatne lub sztywne). Typowym przykładem węzła sztywnego, przenoszącego siły i momenty, jest połączenie słupa z fundamentem. Do wykonywania tego typu połączeń stosuje się wytyki zakotwione w gniazdach wykształconych przez rury karbowane, ale częściej – sprężone połączenia śrubowe, składające się z kotew fundamentowych i podpór słupowych (ang. Columnshoe), por. rys. 1.
Rys. 1 Skręcane połączenie fundament-słup
Zalety połączeń skręcanych
Do głównych zalet połączeń skręcanych należą przede wszystkim:
- krótszy czas montażu słupów na budowie (zwiększenie mocy przerobowej do 100 %),
- sprawne połączenie bezpośrednio po skręceniu łączników (brak konieczności stosowania podpór tymczasowych),
- większa niezawodność połączenia ze względu na precyzję montażu oraz dokładną weryfikację właściwości użytkowych (w szczególności nośności i odporności ogniowej) łączników systemowych.
Porównanie obu rozwiązań wraz ze wskazaniem przewag łączników śrubowych w broszurze: 👉 Łączniki słupowe PCC PFEIFER – porównanie z połączeniem na wytyki
Zalety nowej generacji podpór słupowych Colmshoe firmy PPFEIFER
Przy projektowaniu nowej serii łączników słupowych wykorzystano nowoczesne metody analizy statyczno-wytrzymałościowej. Umożliwiło to już na wstępie efektywne zaprojektowanie ich przekrojów wpływające na oszczędność materiałów stosowanych do produkcji. Uzyskane analityczne parametry nośności łącznika zostały potwierdzone w wyniku odpowiednich badań wytrzymałościowych.
Colmshoe to dwie grupy łaczników (por. rys. 2):
- podpory narożne CoRni
- podpory boczne SiDi
Więcej o nowych podporach: 👉 Nowa rodzina podpór słupowych Colmshoe
Każda z grup Colmshoe obejmuje dziewięć typów podpór o różnych rozmiarach oraz nośnościach na rozciąganie i ściskanie oznaczonych nośnościami poszczególnych elementów od 70 do 530 kN. Przykładowo, w przypadku podpór narożnych można wyróżnić rozmiar CoRni 70, a dla podpór bocznych SiDi 70 (podpory o nośności 70 kN).
Rys. 2 Nowa generacja podpór słupowych Colmshoe
Nowatorski kształt łączników SiDi eliminujący mimośrody
Nowa generacja podpór narożnych powstała w wyniku ewolucyjnych zmian wprowadzonych po dokładniejszej analizie statyczno-wytrzymałościowej tej grupy podpór słupowych.
Na szczególną uwagę zasługują natomiast podpory boczne SiDi – w których zastosowano całkowicie nowy przekrój łącznika, niestosowany jeszcze na rynku budowlanym. Zastosowane rozwiązanie jest przełomowe – udało się uzyskać łącznik praktycznie eliminujący mimośrody zakotwienia podstawy podpory słupowej względem prętów kotwiących łącznik.
Obie grupy podpór mogą być stosowane oddzielnie lub w układzie mieszanym, por. rys. 3.
Rys. 3 Przykładowe schematy rozmieszczenia podpór bocznych i narożnych w przekroju słupa prefabrykowanego
Opracowanie nowej grupy podpór bocznych było możliwe dzięki dokładnemu zrozumieniu pracy statycznej tego detalu konstrukcyjnego. Mimośród między osiami kotwy fundamentowej i prętów zbrojeniowych powoduje duże momenty zginające w podstawie i żeberku podpory oraz powstawanie pary sił, która w przypadku ściskania podpory przenoszona jest przez naprężenia dociskowe do betonu i pręt tylny, por. rys. 4. W przypadku podpór bocznych mimośród ten nie występuje, co pozwoliło na zmniejszenie grubości blach i rezygnację z pręta tylnego. Niewielki mimośród może wystąpić jedynie z powodu odchylenia osi kotwy w zakresie tolerancji montażu. Jednak wartości momentów i sił poziomych powodowanych przez ten mimośród są niewielkie, a stateczność podpory w kierunku poziomym jest zapewniona dzięki ukształtowaniu żebra w charakterystyczny kształt bumerangu.
Rys. 4 Uproszczony schemat obliczeniowy podpory Colmshoe w przypadku ściskania
Nowoczesne metody analizy MES w projektowaniu łączników
Kolejnym aspektem, który umożliwił optymalizację podpór słupowych było wdrożenie nowoczesnych metod analizy statyczno-wytrzymałościowej opartych na trójwymiarowych modelach Metody Elementów Skończonych (MES). W analizach MES uwzględniono: sprężysto-plastyczny model materiałowy stali, kontakt między blachą podstawy a podkładką kotwy i możliwość odrywania się żeberka od bryły betonu. Przykładowe modele MES dla podpory rozmiaru 100 pokazano na rys. 5. Wynikiem nieliniowej analizy MES były krzywe siła-ugięcie podstawy oraz mapy naprężeń zredukowanych i odkształceń plastycznych, które pozwoliły na dokładne oszacowanie nośności każdej z podpór. Poprawność uzyskanych wyników została zweryfikowana przez odpowiednie badania niszczące.
Rys. 5 Model MES podpory narożnej oraz podpory bocznej
Wpływ nowoczesnych technologii na zmniejszenie śladu węglowego
W przedmiotowym artykule przedstawiono możliwe rozwiązanie sztywnego połączenia słupa z fundamentem z zastosowaniem łączników śrubowych na przykładzie nowej generacji podpór słupowych Colmshoe firmy PFEIFER. Proces projektowy tego wyrobu obrazuje, jak nowoczesne metody analizy, stosowane dotąd powszechnie w przemyśle samochodowym czy lotniczym, pozwalają na optymalizację łączników do prefabrykatów z betonu. Ze względu na przemysłowy charakter ich produkcji, podejście takie jest opłacalne oraz istotnie przyczynia się do zmniejszenia śladu węglowego nowych budynków i budowli wykonanych w technologii prefabrykowanej.
Bibliografia
[1] G. Adamczewski, P. Woyciechowski: Prefabrykacja – jakość, trwałość, różnorodność. Zeszyt 1. Stowarzyszenie Producentów Betonów, Warszawa 2014.
[2] K. Janczura: Kierunki dalszego rozwoju konstrukcji z betonów prefabrykowanych – od B15 do C 110/115. Dni Betonu 2014, Wisła 13-15 października 2014.
