Rozważmy szkielet wieżowca lub kręgosłup mostu – jak te konstrukcje zachowują stabilność i bezpieczeństwo, przenosząc ogromne obciążenia? Odpowiedź często tkwi w zaawansowanym projektowaniu konstrukcyjnym, szczególnie w projektowaniu belek stalowych i belek zespolonych. Niniejszy artykuł omawia podstawowe zasady, procesy projektowania i praktyczne zastosowania belek stalowych i zespolonych, stanowiąc kompleksowe odniesienie dla inżynierów i architektów.

W nowoczesnym budownictwie i inżynierii mostowej belki stalowe są szeroko stosowane ze względu na ich wysoką wytrzymałość, ciągliwość i łatwość wytwarzania. Jednak konwencjonalne belki stalowe nie zawsze spełniają wymagania dotyczące wydajności konstrukcyjnej. Belki zespolone zostały opracowane w celu zwiększenia nośności, zmniejszenia ugięcia i optymalizacji efektywności materiałowej poprzez skuteczne połączenie belek stalowych z płytami betonowymi w celu utworzenia zintegrowanego systemu konstrukcyjnego, który wykorzystuje zalety obu materiałów.

Projektowanie belek stalowych stanowi fundament inżynierii konstrukcyjnej. Jako elementy konstrukcyjne, które przenoszą obciążenia poprzeczne, belki stalowe przede wszystkim opierają się siłom tnącym i momentom zginającym. Celem projektu jest wybór odpowiednich kształtów i wymiarów przekroju poprzecznego, przy jednoczesnym przeprowadzaniu niezbędnych weryfikacji w celu spełnienia wymagań dotyczących wytrzymałości, stateczności i odkształceń.

Belki stalowe występują w różnych kształtach przekroju, w tym belki dwuteowe, belki kanałowe i belki skrzynkowe. Belki dwuteowe są szczególnie powszechne ze względu na ich doskonałą odporność na zginanie i opłacalność. Wybór przekroju wymaga kompleksowego uwzględnienia wielkości obciążenia, długości przęsła, warunków podparcia i wytrzymałości materiału. Zazwyczaj większe obciążenia i rozpiętości wymagają większych przekrojów.

Weryfikacja wytrzymałości stanowi sedno projektowania belek stalowych. Ponieważ belki stalowe muszą wytrzymać zarówno siły zginające, jak i ścinające, wymagane są oddzielne weryfikacje wytrzymałości na zginanie i ścinanie.

• Weryfikacja wytrzymałości na zginanie: Ocenia odporność belki na odkształcenia zginające, uwzględniając granicę plastyczności stali, rozwój plastyczny przekroju i potencjalne tryby wyboczenia. W przypadku belek zaprojektowanych plastycznie weryfikacja zapewnia, że przekrój może tworzyć przeguby plastyczne z odpowiednią zdolnością obrotu. W przypadku belek zaprojektowanych sprężyście weryfikacja potwierdza, że maksymalne naprężenia nie przekraczają dopuszczalnych limitów.
• Weryfikacja wytrzymałości na ścinanie: Ocenia odporność na odkształcenia ścinające, uwzględniając wytrzymałość na ścinanie stali i powierzchnię ścinania przekroju. W przypadku belek z cienką ścianką należy również zweryfikować stateczność wyboczenia ścianki.

Stateczność odnosi się do zdolności belki do utrzymania równowagi pod obciążeniem. Potencjalne tryby wyboczenia obejmują:

• Wyboczenie globalne: Obejmuje boczne wyboczenie skrętne całej belki, na które wpływają właściwości przekroju, długość przęsła, warunki podparcia i usztywnienie boczne. Strategie łagodzenia obejmują zmniejszenie długości przęsła, zwiększenie sztywności skrętnej lub dodanie podpór bocznych.
• Wyboczenie lokalne: Występuje, gdy poszczególne elementy (półki lub ścianka) ulegają wyboczeniu. Naprężenie krytyczne zależy od stosunku szerokości do grubości. Metody zapobiegania obejmują zmniejszenie tych stosunków, zwiększenie grubości elementu lub dodanie usztywnień.

Ugięcie odnosi się do odkształcenia pod obciążeniem. Nadmierne ugięcie może pogorszyć funkcjonalność i estetykę. Weryfikacja obejmuje ograniczenie maksymalnego ugięcia zgodnie z wymaganiami kodowymi. Strategie redukcji obejmują zwiększenie momentu bezwładności przekroju, zmniejszenie długości przęsła lub zwiększenie sztywności podpory.

Belki zespolone integrują belki stalowe z płytami betonowymi za pomocą łączników mechanicznych, łącząc wytrzymałość na rozciąganie stali z wytrzymałością na ściskanie betonu w celu uzyskania wysokiej nośności, znacznej sztywności i zmniejszonej wagi.

Projektowanie belek zespolonych opiera się na następujących podstawowych zasadach:

• Działanie zespolone: Łączniki łączą elementy stalowe i betonowe, aby działały razem pod obciążeniem.
• Rozkład naprężeń: Naprężenia wywołane obciążeniem rozkładają się odpowiednio między materiałami, aby zmaksymalizować ich odpowiednie wytrzymałości.
• Przenoszenie ścinania: Łączniki przenoszą siły ścinające między materiałami, aby utrzymać działanie zespolone.

Łączniki są krytycznymi elementami, które przenoszą ścinanie między stalą a betonem. Typowe typy obejmują trzpienie z łbem, kanały i pręty zbrojeniowe. Wymagania projektowe obejmują:

• Wytrzymałość: Odpowiednia odporność na ścinanie do przenoszenia maksymalnych sił ścinających.
• Sztywność: Wystarczająca sztywność, aby zapewnić działanie zespolone.
• Trwałość: Odporność na korozję środowiskową i zmęczenie.

Ponieważ płyty betonowe są zazwyczaj szersze niż belki stalowe, nie cały beton uczestniczy w równym stopniu w działaniu zespolonym. Szerokość efektywna odnosi się do części, która zakłada się, że działa zespolenie z belką stalową, określoną na podstawie przepisów kodowych, uwzględniających długość przęsła, rozstaw belek i grubość płyty.

Weryfikacja wytrzymałości belek zespolonych obejmuje:

• Wytrzymałość na zginanie: Uwzględnia granicę plastyczności stali, wytrzymałość na ściskanie betonu, wytrzymałość na ścinanie łączników i rozwój przekroju plastycznego. Obliczenia różnią się w zależności od położenia plastycznej osi obojętnej (wewnątrz płyty betonowej, półki stalowej lub ścianki stalowej).
• Wytrzymałość na ścinanie: Ocenia nośność na ścinanie belki stalowej i odporność na ścinanie łączników, z dodatkowymi kontrolami wyboczenia ścianki dla belek z cienką ścianką.

Podobnie jak w przypadku belek stalowych, ugięcie belek zespolonych musi być zgodne z limitami kodowymi. Ich większa sztywność zazwyczaj skutkuje mniejszymi ugięciami.

Praktyki budowlane mają istotny wpływ na ostateczną wydajność. Kluczowe czynniki obejmują:

• Obciążenia budowlane: Belki stalowe muszą przenosić obciążenia budowlane (ciężar własny, mokry beton, robotnicy i sprzęt) przed stwardnieniem betonu, wymagając odpowiedniej tymczasowej wytrzymałości i stateczności.
• Metody szalowania: Konstrukcja podparta wykorzystuje tymczasowe podpory podczas układania betonu, podczas gdy konstrukcja bez podpór opiera się wyłącznie na belce stalowej. Konstrukcja bez podpór przyspiesza harmonogramy, ale wymaga bardziej rygorystycznej weryfikacji belki.
• Montaż łączników: Właściwe pozycjonowanie, jakość spawania i ochrona przed korozją są niezbędne dla wydajności.

W oparciu o nośność na ścinanie łączników, belki zespolone są klasyfikowane jako:

• Pełne działanie zespolone: Łączniki przenoszą całe ścinanie, osiągając pełną interakcję i maksymalną nośność.
• Częściowe działanie zespolone: Łączniki przenoszą tylko częściowe ścinanie, co skutkuje zmniejszoną nośnością, ale potencjalnie mniejszą liczbą łączników i kosztami.

W belkach ciągłych lub ramach momenty ujemne powodują rozciąganie na górze i ściskanie na dole. Ponieważ wytrzymałość betonu na rozciąganie jest pomijalna, odporność zależy od belki stalowej i zbrojenia. Metody wzmacniania obejmują zwiększenie rozmiaru przekroju stalowego, dodanie zbrojenia lub użycie prętów zbrojeniowych o wysokiej wytrzymałości.

Kody projektowe stali stanowią istotne wytyczne. W Chinach głównym odniesieniem jest GB 50017 (Kod projektowania konstrukcji stalowych), który określa dobór materiałów, projekt przekroju, weryfikację wytrzymałości, kontrole stateczności i projekt połączeń. Ścisłe przestrzeganie kodu zapewnia bezpieczeństwo konstrukcyjne.

Specjalistyczne oprogramowanie, takie jak ASDIP STEEL, zwiększa wydajność i dokładność w projektowaniu belek stalowych i zespolonych, oferując:

• Kompleksowe możliwości dla różnych typów belek (proste, ciągłe, wspornikowe, ramowe)
• Przyjazny dla użytkownika interfejs
• Zaawansowane metody obliczeniowe
• Szczegółowe raportowanie (obliczenia, wyniki weryfikacji, ilości materiałów)

Belki stalowe i zespolone są niezbędne w nowoczesnym budownictwie i inżynierii mostowej. Dokładnie rozumiejąc ich zasady projektowania i zastosowania oraz wykorzystując zaawansowane narzędzia, specjaliści mogą tworzyć bezpieczniejsze, bardziej ekonomiczne i estetyczne konstrukcje. Wraz z postępem technologii projektowanie stali ewoluuje w kierunku większej inteligencji i precyzji, a względy zrównoważonego rozwoju promują ekologiczne materiały i procesy. Dzięki modelowaniu informacji o budynku (BIM), umożliwiającemu lepszą koordynację interdyscyplinarną, konstrukcje stalowe będą nadal odgrywać istotną rolę w kształtowaniu środowiska zabudowanego.