«

»

Solutii eficiente in domeniul podurilor. Conectorii compusi

Share

RC_iunie_interior_Page_55_Image_0004Podurile sunt constructii vitale in infrastructura transporturilor, iar cele in solutie compusa sunt din ce in ce mai des intalnite in ultimele decenii. Din cauza situatiei economice internationale precare este necesara dezvoltarea de noi solutii, caracterizate de costuri mici, simplitate in executie, durabilitate, robustete, aspecte estetice. Ori, cu ajutorul conectorilor compusi au aparut metode noi de constructie in domeniul podurilor, spre exemplu VFi, VFT-WIB®.

Articolul de fata face o trecere in revista a aspectelor teoretice ale conectorilor compusi si prezinta cateva exemple din Romania bazate pe aceste principii.

 

In ultimele decenii a crescut semnificativ numarul de poduri in solutie compusa otel-beton pe plan mondial, dar mai ales pe teritoriul Uniunii Europene. Tendinta actuala urma­reste dezvoltarea unor concepte si tehnologii care sa simplifice si sa eficientizeze cat mai mult solutiile existente.

Sectiunea transversala compusa clasic aliniaza doua grinzi principale – I aflate in conlucrare la partea superioara cu o placa din beton armat, prin intermediul conectorilor clasici si al elementelor de legatura transversale. Solutia a devenit din ce in ce mai des intalnita, dovedindu-se economica, durabila, fiabila, in special pentru deschideri mici si mijlocii. [1]

Un pas in continuarea cresterii competitivitatii podurilor compuse a fost dezvoltarea conceptului modular – folosirea de grinzi prefabricate in alcatuire compusa otel-beton. Acest lucru a determinat transferul unor importante faze tehnologice de pe santier, in spatii inchise – (poli­goane de prefabricate). Executa­rea elementelor in incinte, in conditii net superioare celor de pe santier, garanteaza standarde de calitate ridicate, lucru ce a determinat o crestere a gradului de prefabricare a unor structuri. Utili­za­rea de prefabricate pentru poduri in solutie compusa a aparut inca din anul 1998 in Germania, Austria si Polonia, trendul propagan­du-se apoi in toata Europa.

Inlocuirea sectiunilor transversale compuse clasice cu cele care folo­sesc grinzi prefabricate a determinat eliminarea unui volum semnificativ de cofraje si esafodaje necesare pentru sustinerea placii monolite in momentul executiei, lucrari care se regaseau in costurile finale ale podului, respectiv in intervale semnificative de timp la executie.

O grinda prefabricata de tip VFT® (fig. 1) are la partea superioara o coaja din beton armat, numita predala, cu rol de cofraj pierdut. Predala poate prelua o parte din eforturile de compresiune care apar la partea superioara a sectiunii in timpul fazelor intermediare ale constructiei, si poate facilita calibrarea prefabricatului in momentul transportului, manipularii sau aseza­rii in pozitia finala. Aceste modificari au condus la imbu­na­tatirea raportului cost – beneficiu pentru podurile in solutie compusa cu des­chideri mijlocii.

 

Conectorii compusi

Materialul cu costurile cele mai ridicate folosit la o sectiune compusa este otelul. De aceea, urmatoarea etapa in cresterea eficientei podurilor compuse a vizat reducerea consu­mului de otel. Acest lucru s-a realizat prin optimizarea sectiunii transversale, pe baza diagramelor de eforturi. Astfel, in zonele de compresiune s-a renuntat la talpa superioara din otel, efortul fiind preluat, in intregime, de predala din beton armat; de asemenea, forta de lunecare dintre beton si otel este preluata de conectorii com­pusi, care ii inlocuiesc pe cei clasici.

Notiunile teoretice, dezvoltate si acumulate, despre conectorii compusi au fost aplicate, pentru prima data, cu succes, la podul rutier din Pöcking (fig. 2a) [2].

Grinda VFT® sau VFT-WIB® (Fig. 2 a, b) este un element prefa­bricat in solutie compusa, care pre­zinta, la partea inferioara, o sectiune metalica in forma de „T“, ce poate fi obtinuta din profile laminate sau platbande sudate. Particularitatea unor asemenea grinzi este realizarea conlucrarii dintre otel si beton cu ajutorul conectorilor compusi otel-beton.

Partea metalica se obtine prin taierea in doua, in directia longitudinala, dupa o anumita geometrie, a unui profil laminat I. In final rezulta doua profile T identice (fig. 3).

O deosebita importanta o are acuratetea cu care este realizata linia decupajului ce defineste conturul conectorul compus, deoarece un defect in geometrie poate sa compromita rezistenta finala la oboseala a acestuia [3, 4].

In functie de geometria decupajului putem avea mai multe tipuri de conectori compusi (fig. 3), fiecare cu capacitatea de a prelua eforturile longitudinale de lunecare dintre metal si betonul armat, transmitere ce se poate realiza uni- sau bidirectional, in functie de tipul incarcarilor aplicate.

Forma SA nu transmite, in mod eficient, efortul de lunecare decat intr-un singur sens; de aceea, este necesara oglindirea liniei de taiere la mijlocul profilului metalic. Acesta isi gaseste utilitate in domeniul constructiilor civile, in general la grinzile supuse preponderent la incarcari statice sau in cazurile in care nu este relevanta rezistenta la oboseala.

Conectorii compusi tip PZ si CL s-au studiat in paralel: primul fiind subiectul analizelor si experimen­telor efectuate de Arcelor Mittal si SSF-Ingenieur, iar al doilea conector, CL, a fost propunerea celor de la Setra. Ambele au o geometrie sime­trica de taiere, avantajoasa pentru transmiterea bidirectionala a eforturilor. Este sectiunea ideala pentru actiunile ciclice.

In cazul unor astfel de incarcari repetitive, la dezvol­tarea geometriei ambelor tipuri de conectori s-a avut in vedere si obtinerea unui comportament favo­rabil la aparitia feno­me­nului de oboseala. Diferenta dintre cei doi conectori este raza de racordare de la partea inferioara a conectorului, cel de tip CL avand o raza de aproximativ trei ori mai mare decat tipul PZ, ceea ce conduce la o crestere a rezistentei la oboseala si la riscul aparitiei fisurilor cauzate de oboseala [4]. Aceste doua tipuri – PZ si CL – sunt folosite preponderent in domeniul podurilor.

In functie de pozitionarea in sec­tiunea transversala, conectorii compusi pot fi asezati in dreptul axei neutre (fig. 5a). In acest caz for­meaza o sectiune compusa. Pot fi dispusi, insa, si departe de axa neutra (la partea inferioara si/sau superioara a elementului), caz in care indeplinesc rolul de armatura externa, fiind supusi aproape exclusiv la intindere (fig. 5 b).

 

Conectorii compusi (fig. 6) sunt alcatuiti din:

(1) conectorul din otel (sau dintele din otel);

(2) conectorul din beton;

(3) armatura componenta a conec­torului;

(4) baza conectorului;

(5) nucleul conectorului;

(6) piciorul conectorului;

(7) capul conectorului;

(8) armatura superioara;

(9) etrieri.

 

Capacitatea portanta a conectorilor compuSi

Prin intermediul programului European KFCS „PrecoBeam“ [3, 6] a fost studiata, prin determinari experimentale si ana­lize numerice, dependenta dintre capacitatea portanta a conectorilor si forma lor geometrica. S-a constatat, astfel,  ca in starea limita ultima, conectorii compusi prezinta o capacitate portanta ridicata, iar in starea limita de serviciu, o rigiditate sporita, avand un comportament ductil in domeniul de post fisurare.

Cedarea conectorilor compusi poate interveni fie prin strivirea betonului, fie prin aparitia de fisuri in otel (fig. 7). In cazul conectorilor din platbande subtiri din otel de clasa inferioara, incorporate in beton de inalta rezisten­ta, aparitia cedarii va fi, cu siguranta, favorabila la otel. Capacitatea portanta a betonului depinde de procentul de armare, dar si de pozitia armaturii fata de grinda metalica.

In figura 8 este prezentata o comparatie a curbei forta – deplasare in relatie cu forma geometrica a conectorului, bazata pe teste de tip push-out realizate in laborator. Asa cum se poate observa, capacitatea portanta statica cea mai mare o are conectorul fin (SA), urmat de cel de tip PZ (aproximativ 95% din capacitatea portanta a celui de tip SA), iar capacitatea portanta a conectorul CL este cu aproximativ 10 procente mai scazuta decat a celui de tip puzzle (PZ).

Starea de efort critica pentru conectorul din otel in starea limita de serviciu este:

Concentratorii de eforturi: kfL – concentratorul de eforturi locale, respectiv kfG – concentratorul de eforturi globale, sunt dependenti de geometria conectorului (fig. 9).

Comportarea structurala a conec­torului din beton se poate observa in figura 10 si prezinta trei domenii principale stabilite in functie de diagra­ma de incarcare – lunecare. Primul domeniu este caracterizat de un comportament liniar-elastic, pana la aparitia primei fisuri in beton. Odata cu avansarea fisurii se atinge capa­citatea portanta a conectorului (al doilea domeniu). In cadrul ultimului domeniu – domeniul de post fisurare – are loc fie cedarea otelului, caracterizata de un comportament ductil, fie cedarea betonului, unde se observa o scadere a raportului incarcare – lunecare.

Incarcari de referinta pentru diagrama tipizata incarcare – lunecare corespunzatoare unei cedari ductile a betonului:

  1. Frecarea pe suprafetele de contact;
  2. Compresiunea la suprafetele de contact otel-beton;
  3. Forfecare la interfetele din beton;
  4. Efectul de conectare   dat  de   armatura transversala;
  5. Efectul de blocaj datorat prezen­tei armaturii duble din cadrul conectorului din beton armat.

 

Notiuni de calcul ale conectorilor compuSi

In cadrul metodologiei de calcul a conectorilor compusi dezvoltata in cadrul proiectelor RFCS PrecoBeam, PRECO+, EcoBridge [3, 6, 8] (fig. 11), sunt luate in considerare ambele situatii de proiectare: cazul solici­ta­rilor statice, respectiv cele dinamice.

Conceptul de proiectare

a conectorilor compusi in SLU

– dala din beton             (2)

– dala din beton cu etrieri   (3)

 

a) Dimensionarea componentei

din beton a conectorilor compusi

Forta de taiere din conectorul din beton se poate determina cu ajutorul relatiei de mai jos (forta / conector):

unde intalnim parametrul specific fenomenului de taiere:

unde:

fy – valoare nominala pentru limita de curgere a otelului [N/mm2];

fck – valoarea rezistentei caracte­ristice la compresiune pe cilindru pentru beton [N/mm2];

Ecm – modulul de elasticitate secant al betonului [N/mm2];

Es – modulul de elasticitate al bare­lor de armatura [N/mm2];

tw – grosimea platbandelor din otel [mm];

Ab – aria de armatura transversala a conectorului (fig. 11).

AD – aria de beton a conectorului (fig. 11);

Asf – aria de armatura transversala a predalei din beton (fig. 11);

AD,i – suprafata activa a betonului: AD,i = ex hc;

hc – inaltimea predalei din beton [mm];

hD – factorul de reducere a supra­fetei din beton a conectorului:

De asemenea, la dimensionarea betonului trebuie avut in vedere si fenomenul de strivire a acestuia – formarea asa numitului con de dislocuire din beton (fig. 11).

Evaluarea fortei de strivire:

rD,1 – parametrii fenomenului de strivire (Ec. 7):

hpo – inaltimea conului de dislocu­ire [mm]:

hpo = min(c0 + 0,07ex; cu + 0,13ex)

cx, cyfactori de reducere:

ex – distanta dintre doi dinti din otel consecutivi.

 

b) Dimensionarea componentei

din otel a conectorilor compusi

Valoarea caracteristica a capaci­tatii portante a conectorului din otel este [N/dowel]:

Ppl,k = 0,25 extwfy                (9)

 

c) Dimensionarea armaturii

conectorilor compusi,

respectiv a etrierilor din armatura

Armatura care intra in componenta conectorului este reprezentata in figurile 12, 13 si este notata Ab (ec. 10).

Sunt folosite minimum doua bare de armatura transversala per conector, care asigura capacitatea portanta a acestuia si sunt pozitionate in dreptul bazei conectorului compus.

unde:

fsd – limita de curgere a armaturii [N/mm2];

P – forta longitudinala caracteristica de taiere (lunecare) [N].

In unele cazuri, armatura din placa poate avea si rolul celei aflate in componenta conectorului, daca pozitionarea lor este la baza acestuia (fig. 12).

Dispunerea etrierilor in lungul grinzii compuse VFT® sau VFT-WIB®, reprezentati in figura 13 – marca de armatura numarul 2 sau 3, ajuta la cresterea semnificativa a capacitatii portante a structurii.

De asemenea, participa la preve­nirea aparitiilor fisurilor in zona aco­peririi de beton.

Aria acestora se determina conform ecuatiei de mai jos:

Conceptul de proiectare

a conectorilor compusi in SLS

Efortul principal relevant pentru situatia de dimensionare a conectorului compus in starea limita de serviciu este reprezentat de relatia urmatoare:

 

unde:

kf,L – concentrator de efort local al conectorului in SLS, kf,L,CL = 7,3;

kf,G – concentrator de efort global pentru incovoiere si forta axiala, kf,G,CL  = 1,5;

V, M, N – forta de taiere, momentul incovoietor, forta axiala caracteristice sectiunii compuse;

A – aria sectiunii (fara dintele din otel);

Sy – momentul static fata de baza conectorului;

Iy – momentul de inertie a intregii sectiuni;

ZD – distanta dintre centrele de greutate a sectiunii compuse si a profilului metalic.

 

 Conceptul de proiectare a conectorilor compusi, din punct de vedere al oboselii

Verificarea la oboseala se rea­lizeaza conform EN 1993-1-9, ecartul de tensiune fiind:

unde: kf,L,CL = 7,3/8,6;   kf,L,CL = 1,5/1,9.

 

Poduri in solutie VFT® din Romania [8,9]

In cadrul proiectului „design-and-build“ a autostrazii Orastie – Sibiu, au fost finalizate, cu succes, doua structuri la care s-a aplicat o noua solutie de tip VFT® (P01 si P11). Pasajele sunt cadre cu o singura deschidere, L = 40,0 m, in sectiunea transversala fiind aliniate patru grinzi prefabricate VFT®. In final s-au obtinut doua structuri zvelte, robuste si economice, cu un consum minim de otel de 130 kg/m2.

 

Bibliografie

[1] V. Schmitt, G. Seidl, Verbundfertigteil-Bauweise im Brücken­bau, Ernst & Sohn Verlag, Stahlbau, Berlin, 2001, 70;

[2] V. Schmitt, G. Seidl, M. Hever, C. Zapfe, Verbundbrücke Pöcking – Innovative VFT-Träger mit Betondübeln [Hrsg.] Ernst & Sohn Verlag,, Bd. 73, Stahlbau, Berlin, 2004, pp 387-393;

[3] G. Seidl, et alt. Prefabricated enduring composite beams based on innovative shear transmission, Final Report RFSR-CT-2006-00030, s.L: European Commission, 2011.

[4] J. Berthellemy, O. Hechler, W. Lorenc, G. Seidl, Viefhuses E., Premiers résultats du projet de recherche européen Precobeam de connexion par découpe d’une tôle, CTCIM, Construction métallique, Vol. 46, No 3, 2009, pp. 3-26;

[5] J. Berthellemy, W. Lorenc, M. Mensinger, S. Rauscher, G. Seidl, Zum Tragverhalten von Verbunddübeln – Teil 1: Tragverhalten unter statischer Belastung, Heft 3, Stahlbau 80, 2011, pp. 172-184;

[6] G. Seidl, et alt., Brücken mit Verbunddübelleisten – Leitfaden, Dokument D767, RFCS preject PRECO+, FOSTA, 2012;

[7] G. Seidl, Behaviour and load bearing capacity of composite dowels in steel-concrete composite girders, Dissertation, Wroclaw University of Technology, Institut of Building Engineering, 2009;

[8] EcoBridge, Demonstration of economical bridge solutions based on innovative composite dowels and integrated abutments, RFSP-CT-2010-00024, 2010 – 2013;

[9] G. Seidl, E. Petzek, R. Bancila, Composite Dowels in Bridges – Efficient solution, International Conference ISCS13, Advanced Materials Research, Vol. 814, ISBN-13: 978-3-03785-848-6, 2013.

Autori:
conf. dr. ing. Edward PETZEK,
asist. drd. ing. Luiza TOMA,
asist. drd. ing. Elena METES,
prof. dr. ing. Radu BANCILA – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii
 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 115 – iunie 2015, pag. 56

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: http://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2015/06/01/solutii-eficiente-in-domeniul-podurilor-conectorii-compusi/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.