Przy standardowym projektowaniu dla obciążeń statycznych projektowanie połączeń w ramach żelbetowych z reguły nie jest krytyczne i dlatego zazwyczaj nie jest wymagane. Jednakże, działania sejsmiczne generują bardzo wysokie naprężenia w ograniczonej objętości węzła, co sprawia, że połączenia belka-słupek mają duże znaczenie dla bezpieczeństwa sejsmicznego ram żelbetowych.
Mechanizm zniszczenia
Rysunek a) poniższego obrazka przedstawia wewnętrzne siły działające na węzły połączeń belka-słupek w wyniku obciążeń sejsmicznych.
Rysunki b) i c) pokazują mechanizm odprowadzania obciążeń ścinających dla obszaru węzła. Można go podzielić na dwa komponenty. W pierwszym mechanizmie b), mechanizmie ciśniowym, siła ścinająca w złączu koncentruje się na sprężonym przekroju diagonalnym. Zbrojenie poprzeczne zapewnia opięcie betonu, umożliwiając wyższą odkształcalność pręta, ale tylko do momentu osiągnięcia granicy plastyczności stali. W drugim mechanizmie c), mechanizm kratownicowy, część siły ścinającej, wynikająca z przyczepności na długości zbrojenia w obszarze węzła, wchodzi w równowagę z mechanizmem kratownicowym, który jest zapewniony przez betonowe pręty kompresyjne oraz pionowe i poziome pręty zbrojące w obszarze węzła. Nośność ścinająca wynika z sumy komponentów siły ścinającej zgodnie z tymi dwoma mechanizmami.
Węzły wewnętrzne i zewnętrzne połączeń belka-słupek
Ponieważ zachowanie sejsmiczne połączeń belka-słupek jest w dużej mierze zależne od ich pozycji w przestrzennym (trójwymiarowym) układzie żelbetowym, konieczne jest rozróżnienie między wewnętrznymi i zewnętrznymi węzłami.
Poniższy obrazek ilustruje rodzaje węzłów sejsmicznych.
Określenie poziomej siły poprzecznej Vjdh na rdzeń betonowy węzła
Wymagana dla DCH
W obrębie połączenia belka-słupek dochodzi do przeskoku w momencie momentowym słupów. W związku z tym rdzeń betonowy połączenia narażony jest na bardzo wysokie naprężenia ścinające. Poniższy rysunek ilustruje to zachowanie.
Przy określaniu poziomej siły poprzecznej, działającej na rdzeń połączenia między głównymi belkami a słupami, należy uwzględnić najniekorzystniejsze warunki przy oddziaływaniu trzęsienia ziemi. Oznacza to na przykład, że pojemności belek połączenia z najniższymi wartościami sił ścinających w pozostałych elementach ramy są łączone. Działająca pozioma siła poprzeczna Vjdh może być zatem określona zgodnie z EC8, 5.5.2.3 (1) do (3) za pomocą następujących wzorów obliczeniowych.
- Dla węzłów wewnętrznych według (5.22)
|
As1 |
Powierzchnia zbrojenia głównego belki 1 |
|
As2 |
Pole zbrojenia podłużnego belki nr 2 |
|
VC |
Siła poprzeczna słupa powyżej węzła j w sytuacji obliczeniowej trzęsienia ziemi |
|
yRd |
Współczynnik uwzględniający nadwytrzymałość; nie powinien być mniejszy niż 1,2 |
- Dla węzłów zewnętrznych według (5.23)
|
As1 |
Powierzchnia zbrojenia podłużnego belki |
|
VC |
Siła tnąca słupa powyżej węzła j w sytuacji obliczeniowej trzęsienia ziemi |
|
yRd |
Współczynnik uwzględniający nadwytrzymałość; nie powinien być mniejszy niż 1,2 |
Podczas określania poziomej siły poprzecznej Vjdh należy sprawdzić wszystkie istotne kierunki. Oznacza to, że dla siły poprzecznej np. w kierunku y słupa, oblicza się dodatnią oraz ujemną poziomą siłę poprzeczną, przy uwzględnieniu odpowiednich komponentów zbrojenia. Równowaga sił w kierunku dodatnim i ujemnym poziomej siły poprzecznej węzła jest pokazana na poniższym rysunku (przy czym nie jest pokazana siła poprzeczna słupa).
Projektowanie
Ocena połączenia jest wymagana zgodnie z EC 8 dla klasy podatności DCH. W tym celu wymagane jest sprawdzenie przekroju do przeniesienia nacisku diagonalnego i rozciągania diagonalnego. Zasady konstrukcyjne dla tej klasy podatności (DCH) i dla klasy średniej podatności (DCM) muszą być dotrzymane.
Sprawdzenie nacisku diagonalnego
Sprawdzenie wymagane dla DCH
Należy upewnić się, że diagonalny nacisk powstały w węźle nie przekracza wytrzymałości betonu na ciśnienie przy istniejących naprężeniach ukośnych. Diagonalny nacisk wynika z mechanizmu pręta diagonalnego w węźle. Sprawdzenie może być przeprowadzone za pomocą poniżej zebranych równań. (EN 1998-1, 2013, sekcja 5.5.3.3, (5.33))
|
bj |
Szerokość efektywna słupa |
|
Vjdh |
Poziomy wysiłek poprzeczny działający na rdzeń betonowy w węzłach |
|
|
Współczynnik redukcji z powodu naprężeń rozciągających w kierunku poprzecznym |
|
|
Wartość związana siły podłużnej w sytuacji obliczeniowej dla trzęsienia ziemi |
|
hjc |
Odstęp między najbardziej zewnętrznymi warstwami zbrojenia słupa |
Szerokość biorąca udział w węźle bj
Szerokość biorąca udział w węźle bj może być obliczona z poniższym równaniem opisanym. (EN 1998-1, 2013, sekcja 5.5.3.3, (5.34a) i (5.34b))
W tym przypadku konieczne jest wyznaczenie szerokości uczestniczącej w węźle w obu kierunkach (y i z) słupa, sprawdzając ewentualnie oba belki (+y i -y oraz +z i -z) węzła.
Sprawdzenie rozciągania diagonalnego
Sprawdzenie wymagane dla DCH
Zasady konstrukcyjne
Do przestrzegania dla DCM i DCH
Poziome zbrojenie opięcia Poziome zbrojenie opięcia w węzłach głównych obciążonych sejsmicznie belek i słupów nie powinno być mniejsze niż zbrojenie strzemion w krytycznych obszarach słupów, tzn. zbrojenie strzemion musi przechodzić przez węzeł.
Zbrojenie podłużne Po każdej stronie musi być zapewniony co najmniej jeden pionowy pręt pośredni.