English
Język Polski
Koncepcja globalnej analizy statycznej belek hybrydowych – analizy numeryczne
DOI:
https://doi.org/10.24425/ace.2023.147656Abstrakt
W artykule przedstawiono rozważania związane z globalną analizą statyczną belek hybrydowych, czyli takich, w których występują przekroje hybrydowe. Przekrój hybrydowy złożony jest z części stalowej oraz betonowej, połączonych ze sobą zespoleniem typu composite dowels, w którym obie części (stalowa i betonowa) biorą niepomijalny udział w przenoszeniu ścinania poprzecznego (w przeciwieństwie do standardowych przekrojów zespolonych stalowo-betonowych, które składają się z belki stalowej i umieszczonej na niej płyty betonowej, pomijanej zazwyczaj w analizie ścinania poprzecznego). W praktyce stosuje się też (w mostach) rozwiązania bardziej ogólne, w których w strefach przęsłowych belek ciągłych wykorzystuje się przekroje hybrydowe, natomiast w strefach podporowych – przekroje betonowe. Przedstawiono przykłady takich obiektów. Opisywane rozwiązania są nowe i wymagają też nowego podejścia w procesie projektowania. Kwestia nośności (na zginanie, siłę osiową oraz ścinanie) samego przekroju poprzecznego została już opisana, brak jest jednak wytycznych co do prowadzenia globalnej analizy statycznej. Inaczej bowiem, niż w przypadku stosowanych do tej pory belek stalowych zespolonych z płytą betonową, zarysowanie części betonowych ma miejsce nie tylko w samej płycie betonowej, ale też w betonowych środnikach przekrojów hybrydowych, i to zarówno w strefach momentów ujemnych, jak i dodatnich. Wpływa to na swoistą dla belek hybrydowych redystrybucję momentów zginających. Również reologia betonu ma inny wpływ na wzbudzane siły wewnętrzne niż w przypadku standardowych belek zespolonych. Zagadnienia wpływu zarysowania betonu oraz jego reologii na redystrybucję sił wewnętrznych w belkach hybrydowych są przedmiotem niniejszego artykułu. Przedstawiono sposób modelowania efektu tension-stiffening z wykorzystaniem materiałowo nieliniowej analizy. Zbadano wpływ zarysowania betonu na siły wewnętrzne w belce w zależności od ilości zbrojenia w rozciąganych częściach betonowych. Obliczenia przeprowadzono dla czterech rozpiętości przęseł, od 10 do 40 m długości, przy założeniu schematu dwuprzęsłowej belki ciągłej. Geometrię (przekroje poprzeczne) dobrano tak, aby w części stalowej uzyskiwać naprężenia charakterystyczne ok. 260 MPa, a w zbrojeniu w strefie rozciąganej około 160 lub 320 MPa (rozważono te dwa przypadki jako skrajne oszacowania wartości mogących występować w realnej konstrukcji). Pokazano skalę redystrybucji w przypadku oddziaływania obciążeń grawitacyjnych: stałych i zmiennych oraz reologicznych: pełzania i skurczu oraz ich współdziałania. Ukazano zmiany momentu podporowego i przęsłowego, a wnioski uogólniono tak, aby możliwe było uproszczone szacowanie redystrybucji momentów także w układach wieloprzęsłowych. Na koniec przedstawiono wnioski prowadzące do powstania koncepcji globalnej analizy belek hybrydowych, w której autorzy proponują zupełne odwrócenie zasad opisanych w EN 1994.Bibliografia
[1] W. Lorenc, “Composite dowels: the way to the new forms of steel-concrete composite structures”, Synergy of Culture and Civil Engineering – History and Challenges – IABSE Symposium 7-9 October 2020, Wrocław, Poland. IABSE, 2020, pp. 98-138, doi: 10.2749/wroclaw.2020.0093.
[2] W. Lorenc and B. Bartoszek, “The new railway hybrid bridge in Dąbrowa Górnicza: innovative concept using new design method and results of load tests”, Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 45, no. 2, pp. 89-111, 2023, doi: 10.2478/sgem-2023-0002.
[3] M. Kożuch and Ł. Skrętkowicz, “Proposal of concept for structural modelling of hybrid beams”, Studia Geotechnica et Mechanica, vol. 44, no. 4, pp. 317-332, 2022, doi: 10.2478/sgem-2022-0023.
[4] W. Lorenc and G. Seidl, “Composite dowels for bridges: trends and challenges for new European design rules”, presented at 9th International conference on composite construction in steel and concrete, 27-29 July 2021, online, Germany, 2021.
[5] W. Kosecki, T. Kołakowski, R. Lewandowski, K. Bartosz, K. Sumińska, M. Lipski, M. Kożuch, P. Kozioł, W. Lorenc, and K. Marcinczak, “Nowe belki hybrydowe w obiektach mostowych na drodze ekspresowej S3 Troszyn-Świnoujście”, presented at Seminarium Naukowo-Techniczne Wrocławskie Dni Mostowe, 24-25 November 2022, Wrocław, Poland, 2022.
[6] M. Kożuch, W. Lorenc, B. Bartoszek, A. Stempniewicz, H. Windorpski, M. Struczyński, R. Sęk, and W. Ochojski, “Application of rolled sections in composite bridges with span over 50 m”, presented at 9th International Conference on Composite Construction in Steel and Concrete, 27-29 July 2021, online, Germany, 2021.
[7] M. Kożuch, H. Windorpski, M. Struczyński, and W. Ochojski, “Mosty zespolone o konstrukcji Krokodyl o rozpietosci przęsła 50-60 m”, presented at Seminarium Naukowo-Techniczne Wrocławskie Dni Mostowe, 24-25 November 2022, Wrocław, Poland, 2022.
[8] T. Kaczmarek, T. Galewski, K. Topolewicz, R. Sęk, A. Radziecki, W. Ochojski, M. Kożuch, and W. Lorenc, “Polish experience with network arch bridges using coldbent HD sections”, Steel Construction, vol. 13, no. 4, pp. 271-279, 2020, doi: 10.1002/stco.202000034.
[9] G. Seidl, E. Viefhues, J. Berthellemy, I. Mangerig, R. Wagner, W. Lorenc, M. Kożuch, J.M. Franssen, D. Janssen, J. Ikäheimonen, R. Lundmark, O. Hechler, and N. Popa, RFCS research project PrEco-Beam: Prefabricated enduring composite beams based on innovative shear transmission. EUR 25321 EN. Brussels: European Commission, 2013.
[10] M. Feldmann, F. Möller, S. Möller, P. Collin, R. Hällmark, O. Kerokoski, W. Lorenc, M. Kożuch, S. Rowiński, M. Nilsson, L. Astrom, B. Norlin, G. Seidl, T. Hehne, O. Hoyer, M. Stambuk, and T. Hariu, ELEM: Composite bridges with prefabricated decks. EUR 25897 EN. Brussels: European Commission, 2013.
[11] G. Seidl, N. Popa, R. Zanon, W. Lorenc, M. Kożuch, S. Rowiński, J.-M. Franssen, T. Fohn, C. Hermosilla, A. Farhang, and G. Nüsse, RFCS dissemination knowledge project PRECO+: Prefabricated Enduring Composite Beams based on Innovative Shear Transmission. EUR 27834 EN. Brussels: European Commission, 2014.
[12] W. Lorenc, T. Kołakowski, A. Hukowicz, and G. Seidl, “Verbundbrücke bei Elbląg Weiterentwicklung der VFT-WIB-Bauweise”, Stahlbau, vol. 86, no. 2, pp. 167-174, 2017, doi: 10.1002/stab.201710463.
[13] W. Lorenc and G. Seidl, “Innovative Konstruktionen im Verbundbrückenbau mit Verbunddübelleisten”, Stahlbau, vol. 87, no. 6, pp. 547-554, 2018, doi: 10.1002/stab.201810617.
[14] B. Bartoszek, A. Stempniewicz, W. Ochojski, A. Adamczyk, G. Natonek, and W. Lorenc, “Railway bridge in Dąbrowa Górnicza using composite dowels: new system development of composite railway bridges (Most kolejowy w Dąbrowie Górniczej z zastosowaniem zespolenia composite dowels: opracowanie nowego systemu zespolonych mostów kolejowych)”, presented at WDM Symposium 2019, Wrocław, Poland, 2019.
[15] W. Lorenc, A. Stempniewicz, and B. Bartoszek, New kind of externally reinforced structure of railway bridge with low construction height using rolled sections and composite dowels. R&D Final Report (Internal report for ArcelorMittal company, 2019.
[16] R. Johnson, “Vertical shear in hybrid composite cross-sections of beams”, presented at WDM Symposium 2021, Wrocław, Poland, 2021.
[17] W. Lorenc, “Przenoszenie siły poprzecznej a definicja konstrukcji zespolonej”, Mosty, no. 6, 2011.
[18] W. Lorenc, “The model for a general composite section resulting from the introduction of composite dowels”, Steel Construction, vol. 10, no. 2, pp. 154-167, 2017, doi: 10.1002/stco.201710019.
[19] W. Lorenc, S. Balcerowiak, J. Czajkowski, and J. Dobrzański, “The coherent concept of the lever arm in a cross-section”, presented at IABSE Symposium 2020, Wrocław, Poland, doi: 10.2749/wroclaw.2020.0684.
[20] M. Kożuch, “Belki hybrydowe w mostach: definicja i koncepcja projektowania”, Mosty, no. 4, pp. 40-42, 2021.
[21] W. Lorenc and M. Kożuch, “Introduction to hybrid sections and hybrid beams in bridges”, presented at WDM Symposium 2021, Wrocław, Poland, 2021.
[22] EN 1992 Eurocode 2: Design of concrete structures (all parts).
[23] EN 1994 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures (all parts).
[24] J. Bień, “Modelling of structure geometry in Bridge Management Systems”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 11, no. 3, pp. 519-532, 2011, doi: 10.1016/S1644-9665(12)60099-5.
[25] ENV 1994-2:2001 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures, Part 2: composite bridges.
[26] C. Hendry and P. Johnson, Designers’ guide to EN 1994-2 Eurocode 4: Design of steel and composite structures. Thomas Telford, 2006.
[27] CEP-FIB Model Code 2010.
[28] J. Pędziwiatr and M. Musiał, “Calculation of second-order effects in columns – applications and examples”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 1, pp. 271-286, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.144173.
[29] SOFiSTiK, ASE (General Static Analysis of Finite Element Structures) Manual. Oberschleißheim, Germany: SOFiSTiK, 2020.
[30] W. Lorenc and J. Biliszczuk, “Konstrukcje hybrydowe – nowa idea żelbetu zbrojonego sztywnymi elementami stalowymi”, (Hybrid structures – a new idea of reinforced concrete using rigid steel elements), presented at 11 Konferencja Dni Betonu, Wisła, 2021.
Pobrania
Opublikowane
Jak cytować
Numer
Dział
