Badania nośności strefy podporowej monolitycznych ustrojów płytowo-słupowych po zniszczeniu przez przebicie.
Aspekty wytrzymałościowe i ekonomiczne decydują o tym, że do zbrojenia konstrukcji stosuje się chętnie stale klasy A-IIIN. Stale te wg normy PN-B-03264:2002 są stalami o średniej ciągliwości, to znaczy, że ich charakterystyczne odkształcenie odpowiadające maksymalnej sile rozciągającej εuk nie może być mniejsze niż 2,5%, a stosunek wytrzymałości charakterystycznej stali na rozciąganie ftk do jej charakterystycznej granicy plastyczności fyk nie mniejszy niż 1,05. Taką stal norma europejska EN 1992-1-1:2004 (EC 2) zalicza do klasy A – stali o małej ciągliwości.
Obecnie krajowi producenci w ramach klasy A-IIIN oferują stal, która według EC 2 spełnia wymogi klasy C (o dużej ciągliwości) – jest to stal EPSTAL® w gatunku B500SP, dla której εuk ≥ 8%, natomiast ftk/fyk = 1,15–1,35. Gatunek ten dostępny jest praktycznie w jednakowej cenie w porównaniu do najpopularniejszych dziś gatunków stali zimnowalcowanych klasy A-IIIN o małej ciągliwości.
Zasadniczym celem opisywanych poniżej rozpoznawczych badań strefy podporowej ustrojów płytowo-słupowych było wykazanie wpływu, jaki na zachowanie się tej strefy ma ciągliwość stali dolnego zbrojenia krzyżującego się nad słupem, kiedy ze względu na osiowe przebicie zniszczone zostanie połączenie płyta–słup.
Jeżeli połączenie płyty ze słupem ulegnie zniszczeniu, przetrwanie konstrukcji jest możliwe w przypadku zastosowania krzyżujących się nad słupem prętów dolnego zbrojenia. Pozwalają one na przekształcenie się ustroju płytowo-słupowego w ustrój cięgnowy (membranowy). Oczywiście warunkiem jest, aby zbrojenie to było w stanie przejąć obciążenia spoczywające na stropie, mimo zniszczenia strefy przysłupowej.
Badanie wykonano na dwóch modelach przysłupowej strefy monolitycznego ustroju płytowo-słupowego, przymocowanych do stanowiska za pomocą śrub. Dolne zbrojenie wykonane było z gorącowalcowanej stali EPSTAL® o dużej ciągliwości lub stali zimnowalcowanej o małej ciągliwości (górne zbrojenie w obu modelach wykonano ze stali EPSTAL®). W obu przypadkach nad słupem poprowadzono krzyżujące się pręty zbrojenia dolnego, które zostały przedłużone poza obrys modelu i przymocowane do stanowiska.
Obciążenie modeli realizowano poprzez przyłożenie do podstawy słupa siły skupionej skierowanej do góry („wypychanie” słupa). Planowany program badań zakładał, że po przebiciu płyty (faza I) obciążenie zwiększane będzie do chwili osiągnięcia maksymalnej nośności zbrojenia krzyżującego się nad słupem (faza II). Po osiągnięciu tej wartości zaplanowano zluzowanie śrub kotwiących model do stanowiska i zwiększanie obciążenia aż do zniszczenia – dla określenia nośności ustroju cięgnowego.
W przypadku modelu zbrojonego dołem stalą zimnowalcowaną maksymalna siła odnotowana w II fazie (po przebiciu) wynosiła 386 kN. Przy dalszym zwiększaniu przemieszczeń słupa, pod obciążeniem 350 kN, słyszalny był głośny trzask spowodowany zerwaniem pręta, a następnie, przy obciążeniu 304 kN, kolejne dwa trzaski. Po tym zdarzeniu odkręcono śruby kotwiące model do stanowiska. Dwa pręty zbrojenia dolnego krzyżujące się nad słupem uległy zerwaniu przy sile równej 88 kN.
W modelu zbrojonym stalą EPSTAL przy dalszym obciążeniu (sterowanym przemieszczeniami słupa) po przebiciu uzyskano największą siłę wynoszącą 445 kN, a po odcięciu kilku prętów zbrojenia górnego (celem samoczynnego prostowania się słupa) przy sile 406 kN zaobserwowano zerwanie pierwszego pręta zbrojenia dolnego, a przy sile 426 kN zerwanie pręta drugiego. Po tym zdarzeniu, przy sile 423 kN odcięto pozostałe pręty zbrojenia górnego płyty i odnotowano spadek siły do wartości 267 kN. Dalsze wymuszane przemieszczenia pozwoliły osiągnąć siłę 322 kN, jednak ze względu na przechylenie słupa badanie przerwano.
Podsumowując – po zniszczeniu przez przebicie strefa przypodporowa była zdolna do przeniesienia siły:
-Fmax,s = 386 kN w przypadku zastosowania stali zimowalcowanej małej ciągliwości klasy A,
-Fmax,s = 445 kN w przypadku zastosowania stali EPSTAL® dużej ciągliwości klasy C.
Odnosząc te wyniki do stropu o siatce słupów 6×6 m obliczono, iż obciążenie powodujące utratę nośności zbrojenia dolnego nad słupem wynosiło:
-q = 5,7 kN/m2 w przypadku stali klasy A,
-q = 7,3 kN/m2 w przypadku stali klasy C.
Uzyskane maksymalne siły po zniszczeniu przez przebicie są mniejsze niż obliczone na podstawie normy MC90 (CEBFIP „Code for Concrete Structures” 1990). Wskazuje to na możliwość przeszacowania nośności strefy przypodporowej po awarii w wypadku stosowania się do wymagań tej normy, jednak badania nie pozwalają na wyciągnięcie jednoznacznych wniosków. Potwierdziły one natomiast konieczność stosowania na zbrojenie dolne nadpodporowe stali o możliwie dużej ciągliwości.
Bardziej szczegółowy opis badań znajdziecie Państwo w biuletynie wydanym przez CPJS, a także w monografii konferencyjnej „Krynica 2008” (zbiór referatów zaprezentowanych na konferencji „Krynica 2008”).
* Badania przeprowadzono na zlecenie Centrum Promocji Jakości Stali (CPJS) w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej pod kierownictwem prof. dr. hab. inż. Włodzimierza Starosolskiego.
