Strunobetonowe dźwigary dużych rozpiętości

Strunobetonowe dźwigary o rozpiętościach sięgających 36 m i więcej mają wszystkie pozytywne cechy konstrukcji betonowych, a dzięki idealizacji przekroju – osiąganej przez kształt dwuteowy połączony z zastosowaniem strun sprężających – stają się stosunkowo lekkie i konkurencyjne cenowo w stosunku do przekryć wykonywanych z dźwigarów kratownicowych stalowych. Zdecydowaną przewagą dźwigarów strunobetonowych nad rozwiązaniami stalowymi jest ich odporność na wpływy środowiska. Zarówno Polska Norma, jak i EC2 definiują standardowy okres użytkowania, na który projektuje się konstrukcje, na 50 lat. Niewielkim kosztem zwiększenia otulin (lub nawet zupełnie bez podnoszenia kosztów elementu, gdy z innych warunków technicznych grubość otulin przekracza wartość minimalną) okres ten można wydłużyć dwukrotnie. Oczywiście konstrukcje stalowe mogą osiągać podobne okresy użytkowania. Należy jednak uwzględnić konieczność konserwacji i wymiany powłok malarskich, które w zależności od systemu i warunków środowiska mogą mieć trwałość 5, 10 lub 15 lat. Tu należy się zastanowić nad kosztem konstrukcji w przewidywanym czasie eksploatacji. I nie chodzi jedynie o koszt systemów malarskich oraz robocizny, bo on może się okazać stosunkowo niewielki w stosunku do kosztów wyłączenia z pracy obiektu i przestoju znajdujących się wewnątrz niego maszyn. Ważna zaleta elementów strunobetonowych to ognioodporność. Można przyjąć, że w standardzie każdy dźwigar strunobetonowy zapewni nośność przez 30 min pożaru, a nieznacznie ingerując w przekrój, otrzymamy elementy o odporności R60. Oczywiście w ekstremalnym przypadku możliwe jest zapewnienie ognioodporności na poziomie R240, jednakże zazwyczaj wiąże się to ze zwiększeniem gabarytów elementu. Ostatnia z głównych zalet to redukcja wysokości konstrukcji. Sprężony dźwigar charakteryzuje się znacznie niższą wysokością w stosunku do stalowego dźwigara kratownicowego. Dzięki niższym elementom konstrukcyjnym możemy ograniczyć wysokość obiektów przy zachowaniu zakładanej wysokości użytkowej, co bezpośrednio się przekłada na mniejszą kubaturę, a zatem niższe koszty budowy i użytkowania; ewentualnie pozostawiając kalenicę na pierwotnym poziomie, zyskuje się dodatkową wysokość użytkową, co jest szczególnie istotne i pożądane w obiektach magazynowych.

Fot. 1

Kształt dźwigarów strunobetonowych

Optymalny przekrój dźwigara strunobetonowego to belka dwuteowa o stosunkowo smukłym środniku i półkach o niewielkiej grubości. Na końcach dźwigarów może występować poszerzenie środnika, co zbliża przekrój do prostokątnego (tak zwany blok końcowy) – fot. 1, lub dźwigar może być pozbawiony bloku końcowego – fot. 2. Przekrój podłużny dźwigara to elementy o pasach równoległych oraz elementy jedno- i dwuspadowe. Większość producentów oferujących standardowe elementy na rynek polski przyjęła spadek górnego pasa (a co za tym idzie spadek połaci dachu) jako 5%. Oczywiście możliwe jest w miarę dowolne kształtowanie spadku połaci, jednak stosowanie elementów nietypowych zwiększa koszty inwestycji. Długości dźwigarów wahają się od kilkunastu do ponad 36 m (np. na jeden z obiektów w Kostrzynie nad Odrą dostarczone i zamontowane były elementy o długości ok. 43 m), a wysokości od niespełna metra do ponad 2 m. W środniku dźwigarów często się stosuje otwory.

Materiały konstrukcyjne

Ze względu na postęp technologiczny i rozwój technologii betonów w większości zakładów prefabrykacji można wykonywać betony klas C50/60 i można przyjąć, że dźwigar strunobetonowy nie powinien być wykonywany z betonu klasy niższej. Już obecnie ekonomicznie uzasadnione wydaje się być stosowanie betonu klasy C55/67, a można prognozować, że w niedalekiej przyszłości sytuacja ta ulegnie dalszemu polepszeniu. Stosowana stal sprężająca to zazwyczaj sploty Y1860 głównie o średnicach 12,5, 15,2 i 15,7 mm. Stal zbrojeniowa (której znaczną część wagową stanowią strzemiona) charakteryzuje się granicą plastyczności 500 MPa. Oprócz zbrojenia w elementy wbudowywane są rozmaite marki, systemowe lub do indywidualnego stosowania akcesoria służące do łatwego mocowania pokrycia bądź umożliwiające bezinwazyjne mocowanie wszelkich instalacji podczas pracy obiektu. Dźwigary wyposażane są w haki transportowe oraz otwory kształtowane za pomocą rur stalowych o cienkich ściankach, służące do osadzenia dźwigarów na wytykach wystających z głowicy słupów. Przekazanie obciążeń z dźwigara na podporę następuje zazwyczaj za pomocą podkładów elastomerowych (rysunek), rzadziej za pomocą zapraw wysokiej wytrzymałości. Konstrukcję drugorzędną dachów stanowi blacha o wysokim trapezie układana bezpośrednio na dźwigar albo płatwie stalowe, strunobetonowe lub żelbetowe. W rozwiązaniach konstrukcyjnych z blachą trapezową dźwigary występują w konstrukcji co 6-8 m, rzadko w rozstawach większych. Sama blacha pracuje w schemacie jednoprzęsłowym lub dwuprzęsłowym układanym w „mijankę”, co zapewnia w miarę równomierne wytężenie każdego z dźwigarów.

Schemat statyczny i aspekty obliczeniowe

Przyjmowany schemat statyczny pracy dźwigara to jednoprzęsłowa belka swobodnie podparta, tym samym oparcie na słupie powinno odzwierciedlać klasyczny przegub. Realizuje się to przez zastosowanie dwóch wytyków z głowicy słupa (wytyki zlokalizowane w jednej linii prostopadłej do rozpiętości dźwigara) i podkładkę elastomerową.

Optymalizacja przekroju wiąże się z koniecznością rozważenia problemu niestateczności poprzecznej. Punkt 5.9 PN-EN 1992-1-1 określa imperfekcje geometryczną jako wygięcie poziome o wartości l/300. W tym samym punkcie podano warunki, przy których można pominąć efekty drugiego rzędu związane z niestatecznością poprzeczną. Jest to odpowiednio:

– w sytuacji trwałej:

– w sytuacji przejściowej:

gdzie:     l_0t – odległość między

usztywnieniami na skręcanie, h – wysokość przekroju, b – szerokość półki ściskanej.

Dążąc do zmniejszenia długości l_0t, wprowadza się system stalowych stężeń połaciowych lub stężeń połączonych z płatwiami – fot. 3.

Fot. 3

Należy zwrócić uwagę na aspekt długości oparcia dźwigara na podporze i właściwe wykształtowanie głowicy podpory. Trzeba wziąć pod uwagę minimalne wymiary podkładek elastomerowych wynikające wprost z nośności podawanych przez producentów oraz odległości tych podkładek od krawędzi elementów. W punktach 10.9.4.7 i 10.9.5 PN-EN 1992-1-1 znajdują się pomocne wzory i tabele.

Dobór przekroju elementu musi się wiązać ze sprawdzeniem wymagań stawianych przez PN-EN 1992-1-2 Projektowanie konstrukcji z betonu. Projektowanie z uwagi na warunki pożarowe. Weryfikacji poprawności przekroju można dokonać na podstawie metody uproszczonej i danych tabelarycznych. Należy sprawdzić wymiary półki i środnika podane w tabeli 5.5. W przypadku dźwigarów strunobetonowych znaczenia nabierają punkty 5.2(5) – zwiększenie otulin tabelarycznych o 15 mm dla splotów sprężających, 5.6.1(5) – określający minimalną wysokość dolnej półki, 5.6.1(6) – zwracający uwagę na konieczność zwiększenia otulin zbrojenia belek o kształcie dwuteowym, 5.6.1(7) – określający wymagania co do położenia otworu w środniku.

Aspekty wykonawcze

Powszechnie się przyjmuje, że elementy strunobetonowe nie ulegają zarysowaniu. Przekonanie to jest o  tyle błędne, że struny układane są jednokierunkowo, czasami jedynie w dolnej części elementu. Tym samym sprężenie przeciwdziała siłom wynikającym z czystego zginania elementu prętowego. Wszelkie inne oddziaływania, powodujące rozciąganie betonu, muszą być przeniesione przez stal zbrojeniową, co powoduje, że ta część elementu działa zgodnie z klasyczną teorią żelbetu – przeniesieniu siły towarzyszy rozciąganie stali, a po przekroczeniu nośności betonu następuje zarysowanie. Taka sytuacja ma miejsce szczególnie w okolicy haka transportowego dźwigarów dwu- i jednospadowych. Ze względów technologicznych w tych elementach nie stosuje się strun górnych, tym samym podczas transportu i montażu dochodzi do powstania momentów ujemnych, zwiększanych dodatkowo przez efekt sprężenia. W okolicy haka powstają rysy, których szerokość powinna zostać ograniczona do odpowiednich wartości normowych przez zastosowanie stali zbrojeniowej. Podobna sytuacja ma miejsce w okolicach naroży otworów w środniku i  na czołach elementów belkowych. Jest to zjawisko zupełnie normalne, a część z powstałych zarysowań (np. zarysowania górnej półki) ulega zamknięciu podczas trwałej pracy elementu.

Fot. 4