Nowoczesna budowa a otwory w belkach

Przewody i rury są zazwyczaj prowadzone pod spodnią powierzchnią belki i ze względów estetycznych zakrywane sufitem podwieszanym, tworząc w ten sposób martwą przestrzeń. Na każdej kondygnacji wysokość tej martwej przestrzeni zwiększa całkowitą wysokość budynku w zależności od liczby i głębokości przewodów. 

Dlatego otwory w środniku belki umożliwiają projektantowi zmniejszenie wysokości konstrukcji, szczególnie w przypadku budynków wysokich. Innymi słowy, prowadzi to do efektywnego i ekonomicznego projektu.

Koncentracja naprężeń

Koncentracja naprężeń jest obserwowana w pobliżu nieregularności geometrycznych, takich jak nagła zmiana przekroju lub otwory. Ogólnie nazywa się je karbami. Karby powodują lokalne zwiększenie naprężeń nominalnych. Skutkiem jest nierównomierny przepływ naprężeń wzdłuż przekroju poprzecznego. Stosunek naprężenia maksymalnego do nominalnego nazywany jest współczynnikiem koncentracji naprężeń. Współczynnik ten zależy od położenia obciążenia i geometrii karbu. Wartości te były wyznaczane doświadczalnie. Obecnie do wyznaczania współczynnika koncentracji naprężeń stosuje się MES.

Małe a duże otwory w belkach

Małe otwory

Otwory klasyfikuje się jako małe lub duże, a optymalne położenie otworu jest ustalane na podstawie jego wielkości. Otwory w środniku mogą mieć różne kształty: okrągłe, prostokątne, romboidalne, trójkątne, trapezoidalne, a nawet nieregularne. Najczęściej stosowane są jednak otwory okrągłe i prostokątne. 

Otwory można uznać za duże, gdy ich średnica przekracza 0,25 głębokości środnika. Gdy otwór jest wystarczająco mały, aby zachować zachowanie typowe dla belki (innymi słowy, gdy stosuje się zwykłą teorię belek), otwór można określić jako mały. 

Jeśli mechanizm przenoszenia obciążeń przy czystym zginaniu belki nie ulega zmianie wskutek obecności otworu, nośność na zginanie w stanie granicznym nośności nie jest zaburzona.

Naprężenie główne w betonie i naprężenie w prętach zbrojeniowych dla jednego otworu w środku rozpiętości

Zgodnie z teorią sprężystości maksymalne naprężenie ścinające osiągane jest w pobliżu środka przekroju poprzecznego. Dzięki nieliniowemu rozwiązaniu, CSFM (Compatible Stress Field Method) umożliwia obserwację redystrybucji naprężeń do strefy, w której zachowana jest wystarczająca energia do przeniesienia obciążenia. Oznacza to, że otwory w pobliżu podpory wpływają na nośność w większym stopniu niż otwory w środku rozpiętości, gdzie działa maksymalny moment gnący.

Naprężenie główne w betonie i naprężenie w prętach zbrojeniowych dla trzech otworów w przekrojach krytycznych na zginanie i ścinanie

Duże otwory

Obecność dużych otworów w belkach żelbetowych wymaga szczególnej uwagi na etapie analizy i projektowania ze względu na zmniejszenie zarówno nośności, jak i sztywności belki oraz nadmierne zarysowanie w rejonie otworu spowodowane wysoką koncentracją naprężeń. W praktyce otwory są lokalizowane w pobliżu podpor, gdzie dominuje ścinanie. 

Badania wykazały, że belka z niewystarczającym zbrojeniem i nieprawidłowym detalowaniem w rejonie otworu ulega przedwczesnemu zniszczeniu w sposób kruchy. Mechanizm zniszczenia obejmuje cztery przeguby plastyczne, po jednym na każdym końcu górnego i dolnego pasa. 

Obserwacje eksperymentalne końcowego trybu zniszczenia pozwoliły opracować metodę analizy do przewidywania nośności granicznej belki z dużym prostokątnym otworem. Opiera się ona na analizie obciążenia granicznego, w której jednocześnie spełnione są podstawowe wymagania równowagi, plastyczności i mechanizmu zniszczenia.

Przeguby plastyczne i rysy w pobliżu przegubów plastycznych

Podobnie jak w przypadku belki z małymi otworami, wprowadzenie dużego otworu w strefie czystego zginania belki nie wpłynie na jej nośność na moment gnący, pod warunkiem że głębokość bloku naprężeń ściskających w stanie granicznym jest mniejsza lub równa głębokości pasa ściskanego oraz że utrata stateczności pasa ściskanego jest zapobiegana przez ograniczenie długości otworu, która powinna być dokładnie analizowana.

Analiza wyboczenia, pierwsza postać wyboczenia i współczynnik krytyczny

Podsumowanie

Otwory w belkach, ścianach i płytach to chleb powszedni inżynierów konstruktorów. Współczesny świat dąży do przejrzystych, wysokich i smukłych konstrukcji, które przynoszą korzyści zarówno ekonomiczne, jak i środowiskowe. Jasne zrozumienie mechanizmu zniszczenia i jego zapobieganie jest istotą tworzenia wysokich, przejrzystych i efektownych konstrukcji. Ponadto pozwala to zaoszczędzić wysokość konstrukcyjną przeznaczoną na przewody, rury i inne instalacje. 

Metoda obliczeniowa CSFM stosowana do analizy tego typu konstrukcji została gruntownie przetestowana i zweryfikowana. Dowiedz się więcej o weryfikacjach elementów konstrukcyjnych lub zapoznaj się szczegółowo z naszym Podłożem teoretycznym do weryfikacji zgodnie z Eurokodem

CSFM to przejrzysta metoda, która zapewnia inżynierowi konstruktorowi kontrolę nad zachowaniem konstrukcji. Aby dowiedzieć się więcej o metodzie i jej zastosowaniu, zapoznaj się z naszym webinarem na temat Projektowania konstrukcji żelbetowych metodą CSFM.

Wypróbuj bezpłatnie

Zachęcamy do samodzielnej weryfikacji metody CSFM i jej zastosowania do obliczania zarysowania w konstrukcjach betonowych. Wypróbuj najnowszą wersję IDEA StatiCa Concrete przez 14 dni całkowicie bezpłatnie. I koniecznie podziel się z nami swoją opinią! Zawsze chętnie poznajemy Twoje doświadczenia. 

Mamy nadzieję, że lektura artykułu sprawiła Ci przyjemność.