Mosty zespolone stalowo-betonowe. Zasady projektowania wg PN-EN 1994-2

Poradnik poświęcony zasadom projektowania popularnych w Polsce mostów zespolonych stalowo-betonowych według nowej normy PN-EN 1994-2. Opisano w nim podstawowe pojęcia i oznaczenia, metody budowy mostów zespolonych, rodzaje materiałów i ich własności, ogólne zasady projektowania tych mostów, metody określania przekroju zespolonego, wpływ oddziaływań termicznych oraz reologicznych na siły wewnętrzne i przemieszczenia, stany graniczne nośności przekroju poprzecznego, stateczność, nośność zespolenia, stany graniczne użytkowalności, wymagania konstrukcyjne, sprawdzanie nośności istniejących mostów o dźwigarach zespolonych oraz przęsła z belek stalowych obetonowanych. Podstawowymi zaletami poradnika są konkretne wytyczne dotyczące projektowania i przykłady obliczeniowe analizowanych konstrukcji (w normie podano jedynie ogólne wytyczne).

Odbiorcy: inżynierowie-projektanci mostów, inżynierowie nadzoru mostowego i pracownicy służb utrzymania mostów oraz studenci wydziałów inżynierii lądowej wyższych uczelni technicznych o specjalności budowa i utrzymanie mostów.

Spis treści:

Od autorów 11
1. Wprowadzenie. Podstawowe pojęcia i oznaczenia 13
1.1. Ogólna charakterystyka dźwigarów zespolonych typu beton-stal 13
1.2. Ważniejsze określenia i oznaczenia 20
1.2.1. Ważniejsze określenia 20
1.2.2. Podstawowe oznaczenia 23
2. Metody budowy mostów zespolonych. Oddziaływania 27
2.1. Sposoby realizacji dźwigarów zespolonych. Fazy i etapy wykonania 27
2.2. Procedura obliczania dźwigarów zespolonych 32
2.3. Stany graniczne nośności i użytkowalności 33
2.4. Układy oddziaływań w ujęciu PN-EN 35
2.4.1. Zasady ustalania kombinacji obciążeń 35
2.4.2. Kombinacja obciążeń 36
2.5. Oddziaływania 45
2.5.1. Rodzaje oddziaływań 45
2.5.2. Obciążenia stałe 46
2.5.3. Obciążenia ruchome 46
2.5.4. Obciążenia montażowe 47
2.5.5. Obciążenia wywołane skurczem betonu. Redukcja skurczu betonu 52
2.5.6. Oddziaływania termiczne 53
3. Materiały 58
3.1. Uwagi ogólne 58
3.2. Stal konstrukcyjna 59
3.2.1. Kryteria doboru stali 59
3.2.2. Stałe materiału 61
3.2.3. Wybrane rodzaje stali i ich właściwości 61
3.2.4. Dane do projektowania 62
3.3. Beton 64
3.3.1. Cechy betonu ściskanego 64
3.3.2. Dobór betonu. Wytrzymałość 66
3.3.3. Charakterystyki związane z odkształceniami betonu 68
3.3.4. Skurcz betonu 69
3.3.5. Pełzanie betonu 73
3.4. Stal zbrojeniowa 81
3.5. Stal sprężająca 83
3.6. Wartości obliczeniowe dla betonu zbrojonego i sprężonego 85
3.6.1. Beton 85
3.6.2. Stal zbrojeniowa 86
3.6.3. Stal sprężająca 87
4. Zasady ogólne projektowania 89
4.1. Obliczenia statyczne 89
4.1.1. Siły przekrojowe i przemieszczenia 89
4.1.2. Kombinacja globalnych i lokalnych efektów oddziaływań 92
4.1.3. Modele obliczeniowe 93
4.1.4. Zespolone dźwigary kratowe 94
4.2. Sprawdzanie stanów granicznych nośności (SGN) 99
4.3. Nośność przekroju poprzecznego 100
4.4. Sprawdzanie stanów granicznych użytkowalności (SGU) 100
4.5. Zasady uwzględniania oddziaływań termicznych i reologicznych 101
4.5.1. Uwagi ogólne 101
4.5.2. Wpływy termiczne 102
4.5.3. Pełzanie i skurcz betonu 103
4.5.4. Wpływ temperatury i reologii betonu w dźwigarach kratowych 105
5. Określenie przekroju 107
5.1. Przekrój zespolony 107
5.1.1. Charakterystyka ogólna przekroju zespolonego typu beton-stal 107
5.1.2. Klasy przekroju zespolonego 109
5.2. Przekrój sprowadzony 114
5.3. Szerokość współpracująca płyty betonowej (szerokość efektywna) 115
5.3.1. Szerokość współpracująca w obliczeniach statycznych i wytrzymałościowych 115
5.3.2. Szerokość efektywna płyty w przenoszeniu sił sprężających 116
5.4. Sztywność sprężysta przekroju na zginanie 117
5.4.1. Przekrój z płytą ściskaną 117
5.4.2. Przekrój z płytą rozciąganą 119
5.4.3. Rozdział sił przekrojowych Mi i Ni na płytę i belkę stalową 120
5.4.4. Rozkład sztywności przekroju na skutek zarysowania 121
5.5. Sztywność na skręcanie dźwigarów skrzynkowych 123
6. Wpływ oddziaływań termicznych na siły wewnętrzne i przemieszczenia 124
6.1. Założenia ogólne 124
6.2. Rozkłady liniowe temperatury na wysokości przekroju płyty 125
6.3. Rozkłady biliniowe temperatury według PN-EN (Model 2 normalny) 128
6.4. Rozkład liniowy temperatury na całej wysokości przekroju zespolonego (Model 1 według PN-EN) 130
6.5. Rozkład krzywoliniowy temperatury na wysokości dźwigara stalowego 132
6.6. Przykłady 132
7. Wpływ oddziaływań reologicznych na siły wewnętrzne i przemieszczenia 142
7.1. Przyczyny i efekty pełzania betonu w dźwigarach zespolonych 142
7.2. Metody obliczeń efektów pełzania 146
7.2.1. Wprowadzenie 146
7.2.2. Teoria Arutiuniana 150
7.2.3. Klasyczna teoria starzenia (Dischingera) 151
7.2.4. Teoria Liwszyca 152
7.2.5. Teoria Trosta 154
7.2.6. Metoda zastępczego współczynnika sprężystości betonu (ZWSB) 157
7.3. Efekty pełzania betonu pod wpływem obciążeń stałych 160
7.3.1. Rozwiązania klasycznej teorii starzenia 160
7.3.2. Metoda Trosta 162
7.3.3. Metoda zastępczego współczynnika sprężystości betonu (ZWSB) 163
7.4. Efekty skurczu betonu 167
7.4.1. Rozwiązania klasycznej teorii starzenia 167
7.4.2. Metoda Trosta 168
7.4.3. Metoda zastępczego współczynnika sprężystości betonu (ZWSB) 169
7.5. Efekty przemieszczenia podpór z uwzględnieniem pełzania (Metoda zastępczego współczynnika sprężystości betonu ZWSB) 171
7.5.1. Szybka zmiana punktów podparcia dźwigara zespolonego 171
7.5.2. Stopniowe osiadanie podpory dźwigara zespolonego 174
7.6. Przykłady 175
7.6.1. Dane wyjściowe 175
7.6.2. Przykład 1 177
7.6.3. Przykład 2 182
8. Stany graniczne nośności przekroju poprzecznego 187
8.1. Nośność przekroju zginanego 187
8.1.1. Zasady ogólne 187
8.1.2. Przekroje z płytą betonową ściskaną 192
8.1.3. Przekroje z płytą betonową rozciąganą 198
8.1.4. Przekroje z płytą sprężoną 200
8.2. Ścinanie 202
8.2.1. Zasady ogólne 202
8.2.2. Nośność plastyczna na ścinanie 202
8.2.3. Nośność sprężysta na ścinanie 205
8.3. Zginanie ze ścinaniem 205
8.3.1. Złożony stan naprężenia – krzywe interakcji 205
8.3.2. Naprężenia zastępcze 207
8.4. Zespolone pręty dźwigarów kratowych 208
8.4.1. Zasady ogólne 208
8.4.2. Płyta zespolona tylko w węzłach dźwigara kratowego 209
8.4.3. Płyta zespolona na całej długości pręta 210
8.5. Strefa zakotwień dźwigarów ze sprężoną płytą betonową 211
8.6. Obliczanie na zmęczenie 212
8.6.1. Zasady ogólne 212
8.6.2. Metoda naprężeń ekwiwalentnych 213
8.6.3. Wytrzymałość zmęczeniowa 229
8.6.4. Modele obciążenia zmęczeniowego w metodzie ekwiwalentnych naprężeń 232
8.6.5. Zasady ustalania oddziaływań zmęczeniowych 233
9. Stateczność 235
9.1. Zwichrzenie (utrata płaskiej postaci zginania) 235
9.1.1. Zasady ogólne 235
9.1.2. Sprawdzenie na zwichrzenie 237
9.2. Stateczność prętów ściskanych 239
9.3. Stateczność miejscowa elementów pełnościennych 240
9.3.1. Zasady ogólne sprawdzania stateczności przy działaniu naprężeń normalnych 240
9.3.2. Metoda szerokości współpracującej 242
9.3.3. Żebra usztywniające 248
9.4. Efekt tzw. oddychania środnika i ograniczenie jego skutków 250
10. Nośność zespolenia 252
10.1. Zasady ogólne 252
10.2. Zespolenie płyty z dźwigarem stalowym 254
10.2.1. Zasady ogólne 254
10.2.2. Obliczanie sił rozwarstwiających w zakresie sprężystym 258
10.2.3. Zespolenie płyty z dźwigarem stalowym w zakresie poza sprężystym 264
10.2.4. Nośność zespolenia 266
10.3. Obwiednie jednostkowych sił rozwarstwiających i rozmieszczanie łączników w zakresie sprężystym w belce ciągłej 270
10.4. Nośność łączników 272
10.4.1. Łączniki sworzniowe z główkami 272
10.4.2. Łączniki sworzniowe z główkami – poziome 274
10.4.3. Sworznie bez główek 275
10.4.4. Łączniki masywne 275
10.4.5. Łączniki masywne z pętlami 277
10.4.6. Łączniki listwowe 278
10.5. Stany graniczne naprężeń w zespoleniu 279
10.6. Sprawdzanie na zmęczenie zespolenia 279
10.6.1. Zasady ogólne 279
10.6.2. Obliczanie ekwiwalentnych naprężeń zastępczych ścinających 279
10.6.3. Nośność na zmęczenie zespolenia za pomocą sworzni 282
10.6.4. Nośność na zmęczenie zespolenia za pomocą łączników blokowych i listwowych 284
10.7. Ocena wytrzymałości na zmęczenie łączników 284
10.7.1. Łączniki w postaci sworzni 284
10.7.2. Łączniki listwowe 285
10.7.3. Łączniki blokowe 286
10.7.4. Sprawdzenie spoin mocujących łączniki do pasa 286
10.8. Nośność na ścinanie płaszczyzny zespolenia. Zbrojenie poprzeczne 287
10.8.1. Nośność przekrojów betonowych na ścinanie wokół łącznika (łączników) 287
10.8.2. Sprawdzenie na zmęczenie ze względu na ścinanie 291
10.8.3. Minimalne zbrojenie poprzeczne 291
10.8.4. Zbrojenie zabezpieczające przed powstaniem rys podłużnych 292
10.8.5. Zbrojenie zabezpieczające przed rozerwaniem płyty 292
11. Stany graniczne użytkowalności 294
11.1. Przemieszczenia dźwigarów zespolonych 294
11.1.1. Przemieszczenia pionowe 294
11.1.2. Przemieszczenia poziome 295
11.2. Podniesienie wykonawcze 296
11.3. Stan graniczny zarysowania 297
11.3.1. Uwagi ogólne 297
11.3.2. Stan graniczny powstawania rys poprzecznych 298
11.3.3. Stan graniczny szerokości rys poprzecznych 298
11.4. Stan graniczny naprężeń 302
11.5. Stany graniczne wygody użytkowników mostów 303
11.5.1. Mosty kolejowe 303
11.5.2. Mosty (kładki) dla pieszych 304
11.5.3. Mosty drogowe 305
11.6. Stany graniczne bezpieczeństwa ruchu taboru kolejowego 306
11.6.1. Przyspieszenia drgań pionowych pomostu 306
11.6.2. Skręcenie pomostu 307
11.6.3. Przemieszczenia swobodnych końców przęseł 308
11.6.4. Poziome przemieszczenia i drgania pomostu 313
12. Wymagania konstrukcyjne 315
12.1. Płyta żelbetowa 315
12.1.1. Płyty monolityczne i prefabrykowane 315
12.1.2. Płyty złożone 317
12.2. Dźwigary stalowe 317
12.3. Łączniki 318
12.3.1. Geometria łaczników 318
12.3.2. Rozmieszczanie łączników 319
12.4. Zbrojenie poprzeczne 321
12.5. Zbrojenie podłużne płyty rozciąganej 321
12.5.1. Wymagania ogólne 321
12.5.2. Płyta bez sprężenia cięgnami 322
12.5.3. Płyta sprężona cięgnami 324
13. Sprawdzanie nośności istniejących mostów o dźwigarach zespolonych 326
13.1. Zasady ogólne 326
13.2. Oddziaływania (obciążenia) 328
13.3. Cechy materiałów 330
13.3.1. Stal konstrukcyjna 330
13.3.2. Beton 333
13.3.3. Stal zbrojeniowa 335
13.4. Ocena właściwości konstrukcji i rodzaje interwencji 336
13.5. Nośność użytkowa obiektów mostowych 338
13.5.1. Określanie nośności użytkowej drogowych obiektów mostowych według [N2] 338
13.5.2. Określanie nośności użytkowej kolejowych obiektów mostowych według PN-EN 15528+A1 [N40] 339
14. Przęsła z belek stalowych obetonowanych 342
14.1. Konstrukcja 342
14.2. Elementy technologii [N11] 344
14.3. Założenia ogólne i zakres obliczeń 345
14.4. Analiza konstrukcji 347
14.4.1. Założenia 347
14.4.2. Analiza uproszczona 349
14.4.3. Dokładniejsze metody analizy 351
14.5. Stany graniczne użytkowania 353
14.5.1. Ugięcia od obciążeń ruchomych 353
14.5.2. Podniesienie wykonawcze (konstrukcyjne) 354
14.5.3. Ograniczenie szerokości rys w betonie 355
14.6. Stany graniczne nośności 357
14.6.1. Założenia ogólne 357
14.6.2. Nośność sprężysta przekrojów na zginanie 358
14.6.3. Nośność sprężysta przekrojów na ścinanie pionowe 359
14.6.4. Nośność sprężysta przekrojów na zginanie i ścinanie pionowe 360
14.6.5. Nośność belki nad podporą 361
14.6.6. Wytrzymałość zmęczeniowa spawanych połączeń belek 363
Literatura 364