Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
1
PROIZVODI OD ČELIKA, SPAJANJE Čelik je mješavina u najvećoj mjeri željeza te ugljika čiji udio se kreće od 0,2 i 2 procenta. Ukoliko je udio ugljika veći od 2,1% onda se takav ‘čelik’ naziva lijevano željezo. Dodavanjem drugih neznatnih sastojaka postižu se različite osobine ovog materijala. Kontroliranjem udjela ugljika optimiziraju se konstruktivne karakteristike ovog metala. U procesu proizvodnje mogu se dodavati i drugi metali kao što su magnezij, vanadium, nikl ili hrom. Ovakve legure nešto su skuplje ali sadrže poboljšane kvalitete kao što su tvrdoća, otpornost na koroziju i druge. U finalnom proizvodnom procesu, nakon postizanja željene smjese, očvrsnut vruč čelik izvlači se u različite profilirane nosače, okrugle ili pravokutne šipke te ravne ploče. Čelik se brzo sklapa te omogućava veoma precizne spojeve. Podjednako je otporan na pritisak i savijanje a jedini nedostaci su neotpornost na visoke temperature i koroziju, što se odgovarajućim tehničkim mjerama uveliko može kontrolirati. čelični proizvodi Proizvodi od čelika koji se koriste u građevinarstvu sadrže oblike koji su prilagođeni osobinama ovog materijala a radi se o izduženim ili linearnim profiliranim elementima te plošnim ili površinskim proizvodima, limovima i pločama. Tu se ubrajaju razni toplo valjani profili kao što su I-profili, Z-profili, Lprofili, C-profili. T-profili, cjevasti profili, te željeznički profili. Proizvode se u rasponima od nekoliko centimetara pa do više desetina centimetara. Pored otvorenih profila ovi linearni nosači se proizvode u vidu zatvorenih cjevastih presjeka kružnog, pravokutnog i kvadratnog oblika. U građevinarstvu se čelik koristi i u vidu plošnih proizvoda, čeličnih ploča debljine veće od 6mm. Proizvodi manji od 6mm svrstavaju se u limove. Čelična užad su snopovi umotane čelične žice.
1
2
4
3
5
6
9 7
12
8 10
11
(b<=>h)
Čelični toplo valjani profili: 1,2. k utni profili; 3,4. T-profili; 5. C-profil; 6,7. I-profili; 8. W-profil (HEB, HEA profil); 9. cjevasti profili; 10. šipk e; 11. ploče; 12. čelična užad. spajanje Spajanje se izvodi zavarivanjem i(li) zavrtnjima, dok se zakivci danas rijetko primjenjuju. Za spajanje se koriste i čelične ploče i kutni profili kao pomoćni spojni elementi. Spajanje zavarivanjem Zavarivanje je proces uspostavljanja električnog luka između dva metalna elementa pri čemu se visokom temperaturom topi površina oba spojna mjesta i vrh elektorode. Povlačenjem elektrode duž spoja stvara se monolitan spoj koji se brzo hladi. Spajanje zavrtnjima Spajanje zavrtnjima danas je znatno usavršeno i ima čestu primjenu. Znatno je brže i jednostavnije od varenja. Ograničeno je na spojeve u kojima se javljaju smičuće sile ali je jednostavno izvodljivo u teškim uvjetima, lošem vremenu i nepristupačnim mjestima. Ne zahtijeva prisustvo električne energije na mjestu spoja. U praksi se često kombiniraju veze sa zavrtnjevima i zavarivanje. Spajanje zakivcima Spajanje zakivcima danas se rijetko primjenjuje, premda je u počecima građenja čeličnih konstrukcija predstavljao najdominantniji metod.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
2
Spajanje čeličnih elemenata: 1-zavarivanje; 2-zak ivci; 3-zavrtnji
VIŠESPRATNE SKELETNE KONSTRUKCIJE Višespratni čelični skeleti primjenjuju se kod stambenih, školskih, hotelskih, zatim raznih poslovnih, trgovinskih i uslužnih zgrada kao i višespratnih garaža. Kod izbora čeličnog skeletnog sistema presudni su troškovi i brzina zgradnje, troškovi održavanja, funkcionalnost i upravljanje instalacijama kao i arhitektonski razlozi. Primarna uloga skeleta je prihvatanje svih vertikalnih i horizontalnih opterećenja te njihovo prenošenje na tlo preko temeljne konstrukcije. Dispozicija skeletne konstrukcije Skelet sačinjavaju stubovi i grede te elementi sistema za ukrućenje. Tavanice se oslanjaju na paralelno raspoređene sporedne ili sekundarne grede. Sekundarne grede se oslonjaju na glavne ili primarne grede koje se oslanjaju direktno na stubove. Optimalno rješenje predstavlja pravokutni raster sa razmacima stubova od 6 do 12 metara. Osim pravokutnog primjenjuje se i kvadratni raster. Lx=6 - 12 m
STUB
PRIMARNE GREDE
STUB
SEKUNDARNE GREDE
1
KVADRATNI KONSTR. RASTER Lx=Ly
2,4 - 3,6m
pravac oslanjanja tavanice
Ly=6 - 12 m
Ly=6 - 12 m
2,4 - 3,6m
pravac oslanjanja tavanice
Lx=6 - 12 m
SEKUNDARNE GREDE
2
PRAVOKUTNI KONSTRUKTIVNI RASTER Lx = Ly
Čelični stubovi Stubovi su vertikalni nosivi elementi čeličnog skeleta čija je uloga prvenstveno prihvatanje vertikalnih aksijalnih sila pritiska. Postavljaju se kontinuirano kroz nekoliko spratova te se odgovarajućim spojevima nastavljaju do potrebne visine. Stubovi mogu biti izrađeni u cjelosti od čelika ili u kombinaciji sa betonom. Stubovi koji se izvode isključivo od čeličnih profila mogu biti od jednog standardnog elementa ili od dva ili više spojenih standardnih čeličnih proizvoda.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
HEB (W) profil
Varene ploče
Kružni profil (cijev)
3
Sastavljeni C profili
Profil sa AB oblogom
Cjevasti profil sa ispunom od betona
Stubovi se mogu formirati na razne načine i od različitih profila, a najčešće H - profili jednake širine i visine (HEB). Čelične grede Grede kod čeličnog skeleta su horizontalni noseći elementi koji nose tavanice i pripadajuća opterećenja te su izložene smičućim silama i savijanju. Čelične grede mogu biti različitih oblika, od zatvorenih do otvorenih presjeka, od standardnih valjanih profila pa do složenih zavarenih presjeka. Grede tipičnih višespratnih skeleta u najvećem broju slučajeva izvode se od standardnih IPN ili IPE profila, čija je visina veća od širine nožice. Grede višespratnog skeleta mogu biti glavne i sporedne, odnosno primarne i sekundarne. Glavne grede se oslanjaju direktno na stubove, dok se sporedne oslanjaju na primarne grede. Sporedne ili sekundarne su manje opterećene te su i manjih presjeka od primarnih. Osovinska rastojanja sekundarnih greda kreću se između 2,4 - 3,6m.
I profil
HEA, HEB (W) profil
dvostruki C profil
zavarene ploče
Veličine greda mogu se približno odrediti u odnosu na raspon. Tako se visina glavnih greda pretpostavlja kao 1/15 raspona L, a visina sekundarnih greda kao 1/20 pripadajućeg raspona L. Širina nožice grede, ukoliko se radi o IPN profilima, iznosi oko 1/2 do 1/3 visine d. Rešetkasti gredni nosači Rešetkasti gredni nosači ili takozvani “R” - nosači upotrebljavaju se za formiranje međuspratnih i krovnih konstrukcija. R – nosač se sastoji iz paralelnih pojaseva i mreže dijagonala, sa ili bez vertikala. Znatno su lakši od odgovarajućih punih valjanih profila. Izrađuju se u nekoliko tipova. Skeletna konstrukcija sa R - nosačima formira se primarnim gredama oslonjenim na stubove u jednom pravcu a zatim lakšim sekundarnim nosačima koji se postavljaju na manjim rastojanjima.
4
h
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
Čisti raspon L
0
h
Statički raspon L
Čisti raspon L
0
Statički raspon L
sekundarni R-nosač
primarni R-nosači stub
Izometrijska šema čeličnog skeleta od ravnih rešetkastih nosača (R-nosača)
BOČNA STABILNOST I UKRUĆENJE SKELETA Čelični skelet mora biti koncipiran tako da može podnijeti sve predviđene horizontalne sile. To su najčešće sile vjetra, temperaturne promjene ali i druge moguće deformacije kao i sile zemljotresa. Skeletna konstrukcija može biti ukrućena na tri načina a to su: postavljanje kosih spregova, primjena krutih zidova ili jezgra te primjena krutih veza. Kosi spregovi Kosim spregovima formiraju se trokutaste stabilne forme u ravni vertikalnih okvira tako da bitno ne utiču na logičnost konstruktivnog i tlocrtnog rješenja. Kruti zidovi Kruti zidovi se izrađuju na licu mjesta od armiranog betona. Između ovih zidova i čeličnih okvira ostvaruje se odgovarajuća veza te se na taj način ostvaruje potrebna otpornost na horizontalne sile.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
5
Kod visokih zgrada kruti zidovi se postavljaju u zatvorenoj formi i to unutar zgrade kao jezgro koje se proteže od temelja do vrha konstrukcije. Unutarnja jezgra sadrže stubišta, liftovska okna, sanitarne prostore, instalacijske i druge tehničke čvorove i prolaze. Krute veze Skelet se može oduprijeti horizontalnim silama primjenom krutih ili momentnih spojeva između stubova i greda. Dakle, ovakvi spojevi pored smičućih sila prihvataju i momente savijanja te tako osiguravaju cjelokupnu krutost konstrukcije.
Mogući načini ukrućenja višespratnih skeleta: 1-dijagonalni spregovi, 2-”K”-spregovi, 3-ekscentrični spregovi, 4-kruti (AB) zidovi bez otvora, 5-kruti zidovi sa otvorima, 6-momentne (krute) veze između elemenata skeleta.
VEZE ELEMENATA SKELETA Veze čeličnog skeleta su mjesta promjene profila ili njihovog pravca. Tipične veze su: - veza grede sa gredom - veza grede sa stubom - nastavljanje stuba - veza stuba sa temeljem - veze ukrutnih sistema Veze između elemenata skeleta moraju biti dovoljno čvrste i fleksibilne kako bi mogle podnijeti sva predviđena opterećenja. Veze između pojedinih elemenata ostvaruju se varenjem i(li) zavrtnjevima uz pomoć spojnih elemenata kao što su ploče i kutnici. Izbor veze ovisi o vrsti predviđenog opterećenja. Greda se krajevima spaja sa dva susjedna stuba ili radi o sekundarnim gredama, takve grede se spajaju
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
6
sa primarnim. Veze između greda i stubova mogu biti izvedene kao jednostavne smičuće veze ili kao krute veze. Krute veze pored smičućih sila primaju i momente savijanja.
Obična “smičuća” veza stuba i grede
Obična veza primarne i sekundarne grede
Kruta “momentna” veza stuba i grede
Veza stuba sa temeljnom betonskom konstrukcijom
Nastavljanje stubova: lijevo: istog presjeka, sredina: iste veličine a različite debljine nožice, desno: različitog presjeka
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
7
KONSTRUKCIJE VELIKIH RASPONA grede velikih raspona Gredni nosači koji trebaju imati iznimno velike raspone i pri tome nositi velike terete izrađuju se spajanjem čeličnih ploča i drugih standardnih profila. Oblik i presjeci grede formiraju se tako da se postigne maksimalna iskorištenost na svakom mjestu. Drugim riječima ovakve grede ojačane su na mjestima najvećih naprezanja.
Čelični ramovi Ram ili okvir tipična je čelična konstrukcija namijenjena formiranju velikih objekata. Čelični ramovi se izrađuju varenih čeličnih ploča. Formiranje prostora od okvira zahtijeva ukrućenje koje se može postići dijagonalnim štapovima ili krutim zidovima. Vierendeel-ov nosač Vierendeel-ov nosač sastoji se iz dva paralelna pojasa i vertikalnih veza. Elementi nosača izloženi su momentima savijanja te se u tom smislu ostvaruju krute veze između vertikalnih i horizontalnih elemenata. Rešetkasti nosači Rešetkasti čelični nosači primjenjuju se kod pokrivanja objekata velikih raspona, od desetak pa do više desetina metara. Kod oba tipa svi štapovi su isključivo napregnuti na zatezanje i pritisak dok se sva opterećenja prenose preko čvornih tačaka. Izrađuju se od standardnih čeličnih profila kao što su cijevi, valjani profili i hladno savijeni profili. Formiranje krovne konstrukcije od rešetkastih nosača uključuje i izradu sekundarne konstrukcije na koju se oslanja pokrov. Sekundarna konstrukcija se sastoji iz rožnjača poprečno raspoređenih u odnosu na primarne nosače. Rožnjače se mogu izvoditi od standardnih čeličnih profila ali i drugih materijala kao što su drvene gredice. Sastavni dio konstrukcije od rešetkastih greda i čeličnih stubova su ukrućenja u ravni stubova i krovnih kosina. Ukrućenja se mogu izvoditi u vidu dijagonalnih spregova od čeličnih profila pričvršćenih između krajnjih stubova, odnosno dva krajnja rešetkasta nosača.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
Tipovi čeličnih rešetkastih nosača
Statička šema čeličnog trokutastog rešetkastog nosača
8
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
9
Primjer čeličnog rešetkastog nosača od dvostrukih kutnih profila spojenih čvornim pločama i zavrtnjima
Šematska skica formiranja objekta sa rešetkastim nosačima koji su oslonjeni na stubove. Cjelokupna konstrukcija mora biti ukrućena kosim spregovima u ravni stubova i krovnih kosina.
PROSTORNE KONSTRUKCIJE ravne prostorne rešetke Ravne prostorne rešetke sastoje se od dva horizontalna sloja štapova koji su povezani sa dijagonalama a nekad i vertikalama. Svi štapovi izloženi su aksijalnim naponima pritiska ili zatezanja. Mogu se primjenjivati kod raspona i do 100m. U slučaju raspona od preko 100 metara preporučljive su troslojne prostorne rešetke.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
10
Primjer formiranja ravne dvoslojne prostorne rešetke. Zakrivljene i sferne rešetkaste konstrukcije Premda se izvode i od drugih materijala, čelični štapovi se najlakše prilagođavaju prostornim rešetkama te je tako izvodljiv čitav niz različitih geometrsijkih formi, kao što su jednostavni svodovi, geodezijske kupole, hiparbolični paraboloidi, toroidalni svodovi. Svi oblici izvode se od metalnih štapova spojenih prilagodljivim čvorovima. Formirana polja mogu imati četverokutne a češće trokutaste oblike.
SPREGNUTE TAVANICE U sklopu čeličnih skeletnih konstrukcija izrađuju se krute tavanice oslonjene na čelične horizontalne nosače, grede od punih valjanih profila ili R - nosače.
Tipovi spregnutih tavanica: 1-livena AB ploča, 2-prefabrikovane (montažne) ploče, 3-polumontažne AB ploče, 4-polumontažne tavanice od trapezastih ploča i AB, 5-trapezaste čelične krovne ploče.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
11
tavanice od betona Jednostavne livene ploče od armiranog betona izvode se u privremenoj oplati od šperploče kao kod armiranobetonskih skeleta. Pored monolitnih ploča mogu se primjenjivati i montažne ploče i to pune armiranobetonske trakaste ploče sa nosivom armaturom, zatim šuplje ili olakšane ploče, i nosive ravne ploče od plinobetona. Ovakvi tipovi ploča pružaju gotovu ravnu površinu spremnu za nošenje predviđenih opterećenja. Nakon polaganja ploča, u ovisnosti od konkretnog tipa spojevi se ispunjavaju cementnim malterom. Često se preko montiranih ploča izvodi tlačna ploča sa mrežastom armaturom debljine 4 ili 6mm.
1
2
3
4
Tipovi spregnutih livenih tavanica od armiranog betona: 1-ravne ploče oslonjene na nosače i spregnute čeličnim trnovima, 2-ploče sa vutama spregnute zavarenim ankerima, 3-ploče sa vutama kod kojih je gornja nožica nosača upuštena u ploču, 4-ploča kod koje su nosači obavijeni slojem betona.
tavanice sa trapeznim čeličnim pločama Pod pojmom metalne ploče u domenu tavanica sa čeličnim nosačima podrazumijeva se tanka čelična naborana ploča, nosiva u jednom pravcu. Njena krutost i nosivost proizilazi iz visine i učestalosti naboranih formi i debljine lima. Konkretna nosivost ugrađene naborane ploče ovisi o rastojanju oslonaca, odnosno čeličnih greda. Širina ploča iznosi 60 do 90cm dok visina rebara iznosi 25, 38, 51, 75 i 100mm a kod krovnih ploča može biti i do 170mm. Debljina čeličnog lima iznosi 0,75 do 1,5mm. Izbor tipa i vrste ploče ovisi o datom opterećenju i razmaku sekundarnih nosača. Upotrebljavaju se kod izrade krovnih ili međuspratnih tavanica. Polažu se poprečno u odnosu na čelične nosače a potom se fiksiraju “tačkastim” varenjem za čelični nosač. Ovakve vrste tavanica mogu se izvoditi sa slojem betona tako da trapezna ploča igra ulogu armature. Drugi način je da se sloj betona armira mrežom kao i kod uobičajenih ploča. Ukupna debljina ploča zajedno sa visinom profilacije i betona približno se određuje u odnosu 1/24 od raspona L.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
12
Kod izrade krovnih tavanica prvenstveno izloženih opterećenjima snijega i vjetra primjenjuju se krovne trapezaste ploče. U ovisnosti od konkretnog slučaja bez očekivanih koncentriranih opterećenja, krovne ploče služe kao samostalna noseća konstrukcija preko koje se formira zaštitno-izolacijski sloj.
ras
po n
L=
1,2 -4, 8m
Čelične trapezaste ploče oslanjaju se i pričvršćuju za sekundarne nosače
Tipovi trapezastih ploča sa karakteristikama: 1-standardne, 2-kompozitne, 3-krovne ploče, 4-ćelijaste ploče.
Č E L I Č N E KO N S T R U KC I J E
13
Spregnuta tavanica sa standardnim trapezastim čeličnim pločama preko kojih se postavlja armatura a zatim izvodi livena ploča.
a
d
spregnuta armirana ploča
čelična trapezasta ploča
čelična trapezasta ploča
čelični (sekundarni) nosač
Spregnuta tavanica sa standardnim trapezastim pločama: podužni i poprečni presjek tavanice.
Spregnuta tavanica sa krovnim trapezastim pločama preko kojih se postavljaju zaštitni slojevi ravnog krova.
