Dr inż. Krzysztof Schabowicz
BUDOWNICTWO OGÓLNE
WYKŁAD 3
Obciążenia w budownictwie, klasyfikacja, zasady
ustalania, kombinacje obciążeń. Poziome i pionowe
przegrody budowlane. Stateczność i sztywność
przestrzenna budynku. Dylatacje.
WROCŁAW 25.10.2009
Obciążenia w budownictwie
Literatura - normy
PN-82/B-02000. Obciążenia budowli. Zasady ustalania wartości.
PN-82/B-02001. Obciążenia budowli. Obciążenia stałe.
PN-82/B-02003. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne technologiczne.
Podstawowe obciążenia technologiczne i montażowe.
PN-82/B-02004. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne technologiczne.
Obciążenia pojazdami.
PN-80/B-02010. Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie śniegiem.
PN-77/B-02011. Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie wiatrem.
PN-88/B-02014. Obciążenia budowli. Obciążenie gruntem.
Wszelkie działanie fizyczne, które zmienia stan systemu
konstrukcyjnego i powoduje naprężenia, odkształcenia,
przemieszczenia lub zarysowanie,
nazywa się obciążeniem
.
Definicja
Podział obciążeń w zależności
od czasu trwania i sposobu działania
Obciążenia stałe
Obciążenia stałe to takie, których wartość, kierunek i położenie
pozostają
niezmienne
w
czasie
użytkowania
obiektu
budowlanego lub w innym rozpatrywanym okresie.
Zaliczają się
do nich
między innymi ciężary własne stałych elementów
obiektów i konstrukcji, w tym elementów nośnych i osłonowych,
ciężar własny gruntu w stanie rodzimym, nasypów i zasypów i
parcie z nich
wynikające.
Obciążenia zmienne
Obciążenia zmienne to takie, których wartość, kierunek i
położenie mogą zmieniać się w czasie użytkowania obiektu
budowlanego lub w innym rozpatrywanym okresie.
Mogą one
być w całości długotrwałe, w części długotrwałe bądź w całości
krótkotrwałe.
Obciążenia zmienne w całości długotrwałe
Do
obciążeń zmiennych w całości długotrwałych zalicza się
między innymi ciężar własny tych części konstrukcji, których
położenie może być zmienne w czasie użytkowania obiektu,
ciężar własny tych urządzeń wbudowanych w budynek które
związane są na stałe z jego użytkowaniem, parcie wody o
stałym poziomie jej zwierciadła.
Obciążenia zmienne w części długotrwałe
Jako
część długotrwałą obciążenia zmiennego należy
traktować takie obciążenie, którego czas występowania jest
długi w stosunku do czasu użytkowania konstrukcji. Obciążenie
to
może występować w sposób nieprzerwany lub też z pewnymi
przerwami.
Z kolei do
obciążeń zmiennych w części długotrwałych
zalicza
się
między
innymi
obciążenie
stropów
w
pomieszczeniach
mieszkalnych
i
użyteczności publicznej,
zwane
powszechnie
obciążeniem
użytkowym
lub
technologicznym
oraz
siły
wywołane
nierównomiernym
osiadaniem
podłoża, któremu nie towarzyszą zmiany struktury
gruntu.
Obciążenia zmienne w całości krótkotrwałe
Do
obciążeń zmiennych w całości krótkotrwałych zalicza
się zaś obciążenia powstające w czasie wykonywania,
transportu i wznoszenia konstrukcji budowlanych,
obciążenie
śniegiem i wiatrem, obciążenia termiczne pochodzenia
klimatycznego, oblodzenie,
obciążenia próbne, itp.
Obciążenia wyjątkowe
Obciążenia wyjątkowe zaliczają się do przypadkowych i
występujących rzadko, wynikłych z warunków powszechnie nie
spotykanych w czasie wznoszenia i
użytkowania obiektów
budowlanych. Do
obciążeń tych należą na przykład: uderzenia
pojazdami,
obciążenia sejsmiczne i parasejsmiczne, obciążenia
spowodowane
wybuchem,
pożarem,
powodzią
lub
huraganowym wiatrem,
obciążenia wywołane przemarzaniem
gruntu.
Zasady ustalania wartości obciążeń
Na użytek metody stanów granicznych wyznacza się
charakterystyczne i obliczeniowe
wartości obciążeń.
Przez
wartość charakterystyczną F
k
rozumie się wartość
obciążenia o przyjętym prawdopodobieństwie jej nieprzekroczenia
podczas całego okresu eksploatacji obiektu.
Ustala się ją, zgodnie z PN-76/B-03001:
-
dla obciążeń stałych - jako wartość średnią,
-
dla obciążeń zmiennych - jako wartość o okresie powrotu co
najmniej równemu zakładanemu okresowi eksploatacji konstrukcji,
albo też w inny sposób uzasadniony ekonomicznie i zapewniający
bezpieczeństwo konstrukcji.
Zasady ustalania wartości obciążeń
Wartości charakterystyczne obciążeń, zwane potocznie normowymi,
zawarte są między innymi w normach”
PN-82/B-
02000. Obciążenia budowli. Zasady ustalania wartości.
PN-82/B-
02001. Obciążenia budowli. Obciążenia stałe.
PN-82/B-
02003. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne
technologiczne. Podstawowe obciążenia technologiczne i
montażowe.
PN-82/B-
02004. Obciążenia budowli. Obciążenia zmienne
technologiczne. Obciążenia pojazdami.
PN-80/B-
02010. Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie
śniegiem.
PN-77/B-
02011. Obciążenia w obliczeniach statycznych. Obciążenie
wiatrem.
PN-88/B-
02014. Obciążenia budowli. Obciążenie gruntem.
Zasady ustalania wartości obciążeń
Wartość obliczeniową obciążenia F
d
oblicza się jako iloczyn wartości
charakterystycznej F
k
i współczynnika obciążenia
f
, co ujmuje
zależność
F
d
= F
k
f
.
Każdemu obciążeniu odpowiada właściwa mu wartość
współczynnika obciążenia. Wartości tego współczynnika, dla
wybranych obciążeń należy wyznaczyć z normy
Zasady ustalania wartości obciążeń
W razie jednoczesnego działania dwóch lub kilku różnych obciążeń
w obliczeniach należy uwzględnić najbardziej niekorzystne ich
kombinacje. Kombinacje obciążeń ustala się w zależności od
rozpatrywanego stanu granicznego.
W stanie granicznym nośności obowiązuje stosowanie kombinacji
podstawowej lub wyjątkowej.
Kombinacja podstawowa SGN
Kombinacja podstawowa obowiązuje w obliczeniach wszystkich
konstrukcji. Składają się na nią wszystkie obciążenia stałe oraz
zmienne, uszeregowane wg ich znaczenia, z przynależnymi do
kolejnych miejsc w szeregu wartościami współczynnika
jednoczesności
o
.
Kombinacja ta obliczana jest z zależności:
w której
G
ki
, Q
ki
-
wartości charakterystyczne obciążeń stałych i zmiennych,
fi
-
współczynnik obciążeń odpowiednio stałych lub zmiennych,
oi
-
współczynnik jednoczesności obciążeń zmiennych,
m
– liczba występujących obciążeń stałych,
n
– liczba występujących obciążeń zmiennych.
m
n
ki
fi
oi
ki
fi
Q
G
1
1
,
Wartości współczynnika jednoczesności obciążeń
zmiennych wg PN-82/B-02000
Znaczenie obciążenia zmiennego
i
oi
Podstawowe (o najwyższej wartości)
1
1,0
Drugie
2
0,9
Trzecie
3
0,8
Wszystkie pozostałe
4
0,7
Kombinacja wyjątkowa SGN
Kombinacja wyjątkowa obowiązuje jedynie w tych przypadkach, gdy
ze względu na przeznaczenie, eksploatację lub lokalizację budynku
mogą wystąpić obciążenia wyjątkowe. Kombinacja ta, składająca się
ze wszystkich obciążeń stałych i zmiennych oraz jednego obciążenia
wyjątkowego, obliczana jest z zależności
w której:
F
a
-
wartość uwzględnianego obciążenia wyjątkowego,
G
ki
, Q
ki
-
wartości charakterystyczne obciążeń stałych i zmiennych,
fi
-
współczynnik obciążeń odpowiednio stałych lub zmiennych,
oi
-
współczynnik jednoczesności obciążeń zmiennych,
m
– liczba występujących obciążeń stałych,
n
– liczba występujących obciążeń zmiennych.
n
a
ki
fi
m
ki
fi
F
Q
G
1
1
,
8
,
0
Kombinacja podstawowa SGU
W stanach granicznych użytkowalności rozróżnia się także dwie
kombinacje: podstawową oraz obciążeń długotrwałych.
W stanach tych stosuje się, zarówno do obciążeń stałych jak i
zmiennych, wartość współczynnika
f
= 1,0.
Kombinacja podstawowa dotyczy wszystkich konstrukcji i składa się
ze wszystkich obciążeń stałych i jednego najniekorzystniejszego
obciążenia zmiennego bez jego zmniejszenia. Ma ona postać:
m
k
ki
Q
G
1
.
Kombinacja obciążeń długotrwałych SGU
Kombinacja obciążeń długotrwałych dotyczy jedynie konstrukcji
wykonanych z drewna, żelbetu i tworzyw sztucznych. W odniesieniu
do tych materiałów konstrukcyjnych ma bowiem znaczenie czas
występowania obciążenia ze względu na pełzanie, zarysowanie lub
zmiany wytrzymałości. Kombinacja ta ma postać
w którym:
di
-
wartość współczynnika przyjmowanego do wyznaczenia
długotrwałej części obciążeń zmiennych, wg PN-82/B-02003.
m
n
ki
di
ki
Q
G
1
1
,
Wartości współczynnika
d
przyjmowanego do określenia
długotrwałej części wybranych obciążeń równomiernie
rozłożonych wg PN-82/B-02003
Przeznaczenie obiektu i sposób użytkowania
pomieszczenia
Pomieszczenia Korytarze
Klatki schodowe,
galerie
Poddasza z dostępem z klatki schodowej
0,50
-
0,35
Pomieszczenia mieszkalne w domach
indywidualnych, czynszowych, w hotelach,
schroniskach, szpitalach, więzieniach, koszarach,
pomieszczenia sanitarne, sale i pomieszczenia
obciążone tłumem ludzi w sposób statyczny
(wyposażone w miejsca do siedzenia), w muzeach,
świątyniach
0,35
0,50
0,35
Muzea, świątynie, sale wystawowe, hale targowe,
domy towarowe i sklepy
0,80
0,80
0,35
Pomieszczenia inwentarskie
0,25
0,25
0,35
Stateczność i sztywność
przestrzenna budynku
Obciążenia działające na budynek
Pionowe
ciężary materiałów, obciążenie użytkowe, obciążenie śniegiem dachu, itd.
Poziome
obciążenie od działania wiatru, obciążenie od niepionowego ustawienia
elementów, napór gruntu na ścianę, itd.
Wywołane temperaturą
dowolny kierunek działania
Stateczność
Parcie
wiatru
Wiatr
Powierzchnia poślizgu gruntu
Naprężenia ścinające Ʈgr
Ssanie wiatru
UTRATA STATECZNOŚCI
1) obrót wokół pkt. A
M wywracający =( H1+H2)*h
M utrzymujący =G*a
M wyw *ɣ
≤ M utrzym
ɣ-
wsp. bezpieczeństwa (1,5)
2) mała wytrzymałość gruntu =>
powstanie pow. poślizgu =>
duże osiadanie
Ʈgr ≥ Rg rzutu na ścinanie
Sztywność
Konstrukcja budynku powinna być sztywna w każdym kierunku
tzn. powinna stanowić mało odkształcalną bryłę
Usztywnienie budynków:
-
ścianowych:
ściany nośne,
ściany usztywniające
-szkieletowych:
ściany usztywniające,
stężenia kratowe
Usztywnienie
Usztywnienie budynku za pomocą ścian:
a) budynek ze ścianami nośnymi,
b) budynek szkieletowy
1-
poprzeczna ściana usztywniająca
2-
podłużna ściana usztywniająca
Usztywnienie
Usztywnienie budynku za
pomocą stężeń kratowych
Usztywnienie budynku za
pomocą ram
Schemat pracy statycznej ścian pod obciążeniem
pionowym
Wieniec ściskany
wzdłuż
Wieniec rozciągany
Reakcje stropu na
ścianę usztywniającą
Sztywność tarczy stropowej =>wieńce (rozciągany, ściskany)
Schemat pracy statycznej ścian zewnętrznych
pod obciążeniem wiatrem
a)
ściana jako płyta
między ścianami
poprzecznymi
c) ściana jako
płyta między stropami
d) ściana jako płyta
podparta na obwodzie
b) ściana jednym
końcem utwierdzona
Konstruowanie wieńców
Wieniec pełny (prostokątny)
Wieniec niepełny (trójkątny)
Połączenia stropów ze ścianami bez wieńców
(kotwienie belek)
pret ɸ20 L=50
pret ɸ20 L=50
poduszka betonowa
25x12x12
zaprawa
cementowa
4 warstwy cegieł
na zaprawie cementowej
Sposoby oparcia belek stalowych
na ścianach zewnętrznych :
a) na poduszce betonowej
b) na cegłach
c) na wieńcu żelbetowym
d) zakotwienie belki
1-
ocieplenie wieńca
2-belka
Połączenia stropów ze ścianami bez wieńców
(kotwienie belek)
Śruba M-16
Śruba M-16
□
5x70x220
□
5x70x220
Podkładka stalowa
Strzemiona ɸ6
Wieniec
żelbetowy
Strzemiona ɸ6
4 warstwy cegieł
na zaprawie cementowej
pret ɸ20
Podkładka stalowa
pret ɸ20
Połączenia stropów ze ścianami bez wieńców
(kotwienie belek)
Kotew wewnątrz muru
Kotew X
20
200
260
40
Kotew Talerzowa
Dylatacje
Definicja
Dylatacja (przerwa dylatacyjna)
– szczelina celowo utworzona w
konstrukcji architektonicznej. Wydzielone elementy, ich fragmenty
samodzielnie przenoszą przewidywane obciążenia, odkształcenia i
przemieszczenia.
Rodzaje dylatacji
konstrukcyjne
– wydzielają fragmenty budynku stanowiące jednolitą całość pod
względem statyki. Stosowane są przy zmianie sposobu posadowienia, zmianie
układu konstrukcyjnego budynku, dużych różnic w obciążeniach, przy znacznych
wymiarach budowli w rzucie poziomym itp.
termiczne
– mają za zadanie wyeliminowanie wpływu dużych naprężeń od
odkształceń termicznych (rozszerzalność termiczna) poszczególnych
fragmentów budynku
osiadanie
– przy różnych fundamentach, rodzajach gruntu
technologiczne
– eliminują wpływ skurczu lub pęcznienia materiałów użytych
do wykonania elementu budowli
przeciwdrganiowe
– mają zadanie eliminacji lub zmniejszenia wpływu drgań,
wstrząsów itp. jednego elementu na drugi. Stosowane np. pomiędzy maszyną a
jej fundamentem, posadzką a fundamentem maszyny wytwarzającej drgania
(np. młot), w rejonach trzęsień ziemi lub szkód górniczych.
Dylatacje konstrukcyjne – przez całą wysokość
budynku, dzielą budynek na poszczególne części
Przykład rozmieszczenia dylatacji
w zależności od różnic wysokości
poszczególnych części budynku
Dylatacja
Dylatacje konstrukcyjne – przez całą wysokość
budynku, dzielą budynek na poszczególne części
Szkielety
Żelbetowy
Stalowy
Budynki o różnej konstrukcji,
rozdzielone dylatacją
Komin od budynku zdylatowany
w każdym przypadku
Dylatacje konstrukcyjne – przez całą wysokość
budynku, dzielą budynek na poszczególne części
Dylatacja
Istniejący
Nowy
Dylatacja przy dobudowie
Podciągi usztywniające
Ścianka ½ cegły
Strop żelbetowy
Dylatacja przy dobudowie
Istniejący
Nowy
Dylatacja
Dylatacje termiczne – zabezpieczają od
powstania rys i pęknięć wywołanych zmianami
temperatury
Wpływ braku poziomej dylatacji w budynku.
Nieuwzględnienie wpływu różnic temperatur
dla dachu monolitycznego i nieoddzielenie go
poziomą dylatacją może wywołać rysy
w murach zewnętrznych
Różnice wydłużenia budynku
w zależności od jego wysokości.
Dylatacje termiczne – zabezpieczają od
powstania rys i pęknięć wywołanych zmianami
temperatury
dylatacja
L >15 m
Dach żelbetowy nieocieplany,
połacie różnie nasłonecznione.
Przy rozpiętości L >15m
konieczna jest dylatacja w kalenicy.
Dylatacja
Dylatacja
Izolacja bitumiczna
(2 warstwy)
Izolacja bitumiczna
(2 warstwy)
Płyta dachowa nieocieploną, zdylatowana
od murów zewnętrznych dylatacją poziomą.
Dylatację wykonuje się przez ułożenie
2 warstw papy asfaltowej izolacyjnej.
Dylatacje termiczne – zabezpieczają od
powstania rys i pęknięć wywołanych zmianami
temperatury
papa
papa
przeguby
przeguby
Dylatacja
Dylatacja
Dach żelbetowy nieocieplany.
Wpływ zmian temperatury uwzględniono
w obliczeniach statycznych. Konstrukcja
ramowa dachu jest oddzielona od konstrukcji
murów zewnętrznych.
Izolacja
Strop
Przykład wykonania dylatacji poziomej
2x papa
Dylatacje na osiadanie – zależą od układu
geologicznego gruntu pod budynkiem
Dylatacja
Różny sposób fundamentowania.
Przy różnych sposobach
fundamentowania dylatacje należy
dać przez całą wysokość budynku.
Różne rodzaje gruntów.
Przy różnych gruntach dylatacje należy
dać przez cała wysokość budynku.
Dylatacja
Dylatacje na osiadanie – zależą od układu
geologicznego gruntu pod budynkiem
Dylatacja
Бgr’
Бgr”
Znaczne różnice dopuszczalnego
naprężenia na grunt.
Przy znacznych różnicach бgr.
należy przewidzieć dylatacje
przez całą wysokość budynku
.
Przykład zastosowania
zbyt wąskiej dylatacji.
Budynki oparły się o siebie.
Dylatacje skurczowe
Odstęp przerw
dylatacyjnych
Wkładki kotwiące
mm
10
18
35
2 ɸ 10
2 ɸ 12
2 ɸ 14
Dylatacje skurczowe-
w betonie przyjmuje się, ze wielkość skurczu jest taka sama
jak odkształcenie od zmiany temperatury o 15 C . Zbrojenie przeciwskurczowe.
Rozmieszczenie prętów przeciwskurczowych
w ścianach z betonu jednofrakcjowego.
Wkładki
kotwiące
Pręty
przeciwskurczowe
Dylatacje przeciwdrganiowe – najczęściej przy
urządzeniach wytwarzających drgania
Przykłady usytuowania
szybu dźwigu miedzy
biegami klatki schodowej
Dylatacja między
szybem i budowlą.
Dylatacja
Dylatacja
Dylatacja
20m
ulica
DZIĘKUJE ZA UWAGĘ