Nahajate se: Domov > Primeri > Kratek steber

Kratek steber

  • Težave

  • Na splošno

  • Teoretično ozadje

  • Rešitve

  • EC - primer

Gre za konstrukcijski sklop, ki se znatno slabo obnaša pri potresni obremenitvi, saj nase pritegne veliko obtežbo, kar rezultira hipni, krhki, strižni porušitvi, ki ni sposobna sipati dovolj energije.

 

Zato moramo, pri dimenzioniranju armature, biti pozorni na izbiro prave višina stebra, ki jo narekuje prosta deformacija stebra.

Na zgornji sliki je z rdečo barvo predstavljena prosta deformacijska višina navadnega in kratkega stebra. Opazimo, da se dolžini precej razlikujeta, kar povzroča precejšne razlike tudi v prečnih silah, ki odpadejo na obravnavana stebra.

Za splošno uporabo lahko kratkem in ujetem stebru rečemo kar kratek steber (čeravno to ni popolnoma pravilno). To si lahko dovolimo, saj je obnašanje pri potresni obremenitvi enako, le razlogi za nastanek so različni. Med potresom se slabo obnašajo (ujeti in ali kratki), saj imajo veliko togost in s tem nase »pritegnejo« veliko obtežbo (velika prečna sila), kar povzroči krhek lom stebra.

Togost

Opis kaj je togost, slika, graf, ...

Krhek lom

Opis kaj je krhek lom, slika, graf, ...

Ujeti stebri so stebri v konstrukciji, ki:
- se zaradi različnih nekonstrukcijskih elementov (delno visoki parapeti- toga polnila v okvirju, med dvema stebroma) prelevijo iz navadnega v ujeti steber. Od tu tudi izhaja beseda ujeti steber (ujet med polnila, ki mu dajejo neko podporo, prepreko, da bi se prosto deformiral)

Kratki stebri so stebri v konstrukciji, ki:
- se razlikujejo glede na višino ostalih stebrov (so krajši/ nižji)
- se zaradi različnih konstrukcijskih elementov (medetažna plošča, stopniščni podest) prelevijo iz navadnega v kratki steber.

Najpogostejši razlogi za nastanek efekta ujetega stebra so arhitekturne odločitve, ki temeljijo na funkcionalnih in estetskih vidikih. To je potreba po odprtinah za naravno osvetlitev in prezračevanje (okna, vrata), kar povzroči (dodatno) delno bočno podpiranje stebra s togimi elementi (notranje stene, fasade, preklade). Steber je tako podprt po celi višini, razen v zgornjem delu, kjer se nahaja odprtina. Višina stebra, ki bi se lahko prosto bočno deformirala od tal pa do stropa, je močno zmanjšana na višino odprtine.

slika 1: Efekt ujetih stebrov v AB stavbah

Na zgornji sliki vidimo efekt ujetega stebra zaradi nekonstrukcijskih elementov. Delna polnila– parapeti zmanjšujejo prosto višino stebrov, ki bi se lahko deformirala.

slika 2: Tipična strižna porušitev ujetega stebra

Na sliki zgoraj je okvir, ki ga objame nekonstrukcijska stena in povzroči efekt kratkega stebra.

slika 3: Realna porušitev ujetega stebra

Pozicija velikih okenskih odprtin

Odprtine nad linijo pogleda se uporabljajo, kadar želimo prostor ustrezno osvetliti s pogojem, da želimo omejiti vizualen stik z zunanjostjo. Takšen tip snovanja je značilen za šolske učilnice, sobe za počitek, zdravniške ordinacije, … V teh primerih so parapeti (polnila med stebri) veliko višji, kot pri običajni stavbi. Z namenom, da zagotovimo dovolj svetlobe in prezračevanja morajo odprtine biti čim večje/ širše (kar od stebra do stebra).

slika 4: Na sliki opazimo velike odprtine, ki segajo od stebra do stebra, nad visokim parapetom

slika 5: Nepoškodovan in poškodovan steber v isti stavbi

Označen del na sliki se osredotoči na nepoškodovan steber, kjer ni prišlo do efekta ujetega stebra, kar lahko pripišemo šibkemu polnilu, ki je popustilo in tako ni vplivalo na deformiranje stebra. Na sliki desno pa opazimo efekt ujetega stebra zaradi močnega polnila, ki je spremenilo deformacijsko linijo stebra in s tem povzročilo strižno, krhko porušitev stebra, ki ni sposobna sipati dovolj energije.

Odprti koridorji v stavbnih kompleksih

Delna ujetost svetle višine stebra je značilna tudi za stanovanjske komplekse, zgrajene v petdesetih letih prejšnjega stoletja v številnih državah po svetu. Za takšen arhitekturni trend Modernega Gibanja (International Style) je značilen tip gradnje z odprtim koridorjem vse do fasade. Namesto lahkih in transparentih fasad so bili uporabljeni težki in togi parapeti, ki zaradi potreb po odprtinah niso potekali skozi celotno svetlo višino stebra. To je povzročilo efekt ujetega stebra.

slika 6: Na sliki lahko opazimo nepoškodovano konstrukcijo z delnimi parapeti

slika 7: Porušitev stebrov zaradi efekta ujetega stebra v zunanjem hodniku stanovanjskega kompleksa s podobno konfiguracijo stavbe kot na prejšnji sliki

Stavbe na nagnjenem pobočju

Efekt ujetega stebra se pojavi tudi pri strukturah zgrajenih na nagnjenih pobočjih, kjer stebri podpirajo prvo nadstropje in imajo različne svetle višine, zaradi ujetosti med podpornimi zidovi v zemlji.

slika 8: Različne (svetle) višine stebrov zaradi vkopanosti v zemljo

Delno vkopane kleti

Efekt ujetega stebra je prisoten tudi pri delno vkopanih kleteh, saj se tako zmanjša svetla višina stebra zaradi podpornih zidov.

slika 9: Delno vkopana klet in efekt kratkega stebra

Običajna praksa je uporaba podpornih zidov, ki potekajo do ravni ulice, le majhen del višine stebra je prost za potrebe naravne osvetlitve in prezračevanja kleti.

slika 10: Efekt ujetega stebra v kleti

Efekt kratkega stebra in arhitekturne značilnosti, ki ga povzročijo

Stikovanje horizontalnih konstrukcijskih elementov (plošče, grede, nosilci) na sredini višine stebra razdelijo steber na dva segmenta in povzročijo efekt kratkega stebra. Čeprav sta termina ujeti steber in kratki steber v literaturi uporabljena, kot sopomenki je razlog za njun nastanek povsem različen. V prvem primeru, kot je opisano prej, na steber vplivajo nekonstrukcijski elementi (polnila). V drugem primeru pa je steber krajši od sosednjih zaradi horizontalnih konstrukcijskih elementov (kot so grede, nosilci, stopniščni podesti in rame, okvirji na sredini stebra).

slika 11: Kratki steber, ki je nastal zaradi podpiranja stopniščnega podesta

Podest je podprt s prečko, prečka pa je podprta na sredini stebra- steber se prepolovi.

slika 12: Poškodba kratkega stebra zaradi stopniščnega podesta

Kratki stebri se pojavijo tudi v primeru, da je celo nadstropje (podprto s stebri) precej nižje glede na ostala nadstropja. Primer takšnega pojava kratkih stebrov je prisoten, kadar je temeljna plošča nadvišana zaradi sanitarnih ali mehanskih razlogov.

slika 13: Poškodbe kratkih stebrov, kot posledica »sanitarnega« nadvišanja

Takšna zasnova ogrozi vse stebre, ki pripadajo »sanitarnem« nivoju, kar je povzročilo, da je veliko zgradb »izgubilo« to nadstropje zaradi odpovedi (porušitve) vseh kratkih stebrov.

Na vrh

Efekt ujetega stebra se najpogosteje pojavi, ko je steber podprt z nekonstrukcijsko steno, ta pa preprečuje prosto bočno deformiranje stebra. Tako je zgornji prosti odsek stebra odgovoren, da prenese deformacijo, ki bi jo morala prenesti celotna višina stebra, kot je bilo projektirano.

slika 14: Kratki stebri imajo večjo togost in prevzamejo večje sile med potresno obremenitvijo

Slabo obnašanje kratkih stebrov je posledica, da se pri potresu visok in kratek steber iz istega prereza, premakneta vodoravno za enako velik pomik Δ. Ker ima kratki steber večjo togost (odpornost na deformiranje) kot visok, potrebuje za enak pomik Δ večjo silo. In težava je v tem, ali je kratki steber projektiran na to veliko prečno silo.
Da bi lahko razložili efekt ujetega stebra z vidika projektiranja, lahko razdelimo vplive na okvir in njegove stebre, na tiste, ki jih povzroči gravitacijska obtežba in tiste, ki so posledica potresnih sil.

slika 15: Deformiranje okvirja zaradi gravitacijske (a) in potresne obtežbe (b)

Če zanemarimo imperfektnost konstrukcije, lahko predpostavimo, da so vozlišča stebrov tudi po deformaciji praktično v navpični liniji.
V primeru potresne obtežbe se zgornje vozlišče stebrov premakne za vodoravni pomik Δ glede na spodnje vozlišče stebra.

slika 16: Deformiranje stebra zaradi gravitacijske in potresne obtežbe

Slika prikazuje deformacijo stebra glede na prvotno nedeformirano linijo stebra. Označene so tudi notranje sile, ki delujejo na steber ter momentni diagram, za gravitacijsko in potresno obremenitev.
Za steber, ki je obremenjen z gravitacijsko obtežbo so deformacije odvisne samo od velikosti upogibnega momenta in upogibne odpornosti stebra. Za steber, ki je obremenjen s potresno obtežbo pa je deformiranje sestavljeno iz upogibne deformacije stebra (moment in upogibna odpornost) ter etažnega pomika.
Etažni pomik je funkcija togosti etaže in konstrukcije, geometrije okvirja, mase konstrukcije in potresne obremenitve. Togost posameznega stebra ima majhno vlogo na pomik celotne etaže.
Razmerje med notranjimi upogibnimi momenti, ki delujejo v volišču stebra, in strižnimi silami je določeno z uporabo načela ravnotežja. Zanemarimo P-Delta učinek, ki je pomemben pri velikih bočnih deformacijah.

Torej lahko prečno silo, ki deluje na steber, izračunamo kot seštevek momentov, ki delujejo na obeh koncih deljeno s svetlo višino stebra. Pri ujetih stebrih, zaradi dodatnega podpiranja stebra, je višina h znatno zmanjšanja, kar poveča prečne sile v obratnem sorazmerju.

Za občutek velikosti predstavimo primer običajne 2,5m visoke svetle višine etaže (h=2,5m).

Polnilo višine 2m nam zmanjša svetlo višino stebra na h=0,5m.

Torej se je prečna sila, izračunana za ujeti steber (h=0,5m) povečala za faktor 5, glede na prosti steber (h=2,5m).

Žalostna lekcija, ki smo se jo naučili vedno znova v vsakem potresu: »Relativno tog nekonstrukcijski element ima moč narekovati velikost prečne sile, ki jo mora steber prenesti.«

Če je temu tako se pojavi vprašanje, zakaj efekt ujetega stebra ne povzroča težav tudi pri gravitacijski obtežbi? Dejansko problem obstaja, vendar zaradi majhne velikost upogibnih momentov, so tudi bočni ukloni majhni in samo v ekstremnih primerih steber občuti omejitev zaradi nekonstrukcijske stene, vendar je problem majhen, če sploh obstaja.

Pri vodoravni obremenitvi to ne velja, saj so momenti veliki in posledično so veliki tudi bočni ukloni (ker so v splošnem vodeni s strani etažnih pomikov) in prisotnost nekonstruktivne stene vpliva na steber od začetka bočnega uklona, kar povzroči ekstremno velike prečne sile in posledično krhko porušitev v stebru.

AB stavbe podvržene močnim potresnim silam, morajo zadostovati filozofiji potresno odporne gradnje, ki nam narekuje, da dovolimo konstrukciji nelinearno obnašanje (veliko večje kot deformacije, ki povzročijo tečenje vzdolžne armature).

Takšno obnašanje v neelastičnem območju omogoča disipacijo potresne energije z upogibnim tečenjem, kar omogoča, da konstrukcija preživi potresne obremenitve, ne da bi za to potrebovala polno moč, ki bi bila potrebna, če do disipacije energije ne pride.

Da zagotovimo disipacijo energije, morata med drugimi biti zagotovljena dva osnovna pogoja:
- Beton mora biti sposoben prenesti napetosti, ki so večje od vrednosti, ki povzročijo porušitev materiala pri normalnih pogojih. To je zagotovljeno z objetjem betonskega jedra na kritičnih mestih z zadostno prečno strižno armaturo (stremena)
- Konstrukcijski element se ne sme porušiti v strigu, preden pride do disipacije energije.

To se doseže z ustrezno uporabo prečne strižne armature vzdolž celotne dolžine elementa.
Pri izračunu prečne sile se uporabljajo projektne vrednosti obtežbe, iz katere se potem določi projektna vrednost momentov in nato po znani enačbi še projektna vrednost prečne sile.

Težava, ki se pojavi pri tem izračunu, je da projektanti ne posvetijo dovolj pozornosti ujetem/ kratkem stebru, zato ni izbrana prava višina h. Višina h, ki se uporablja v enačbi, se mora ujemati z dejansko neovirano višino stebra zaradi posledic konstruktivnih ali nekonstruktivnih omejitev, ki delujejo na steber.

Upogibna togost stebra je obratno sorazmerna s svetlo višino stebra. V primeru, da je svetla višina stebra prepolovljena (v realnosti je še manj kot polovica, zaradi debeline vodoravnih konstrukcijskih elementov), se bočna togost stebra poveča v obratnem sorazmerju. Ko se vodoravne sile porazdelijo na vse stebre v eni etaži, kratki stebri nase privedejo večje prečne sile zaradi svoje velike togosti, kot normalo visoki stebri.

Čeprav večina analiz okvirjev zazna razliko strižnih sil na stebre, je potrebna strižna odpornost stebra, za nelinearno obnašanje, določena s projektnimi vrednostnimi momentov na krajiščih stebra (po enačbi). To pomeni, da strižne sile dobljene po analizi (npr. iz programa Sap) nimajo povezave z zahtevano strižno odpornostjo stebra (izračunano iz momenov).

Na vrh

Najboljša rešitev za preprečitev efekta kratkega stebra je pravilna konstrukcijska zasnova. Vsi nekonstrukcijski elementi, ki bi lahko ovirali prosto deformiranje stebra, naj bodo pozicionirani v paralelni ravnini, ali pa naj bodo ločeni z ustreznimi spoji. Ko je izolacija dosežena mora projektant zagotoviti bočno stabilnost stene izven svoje ravnine.

slika 18: Ločitev ravnine stebra in ravnine polnila

Bočna stabilnost polnila na zgornji sliki je dosežena s horizontalnimi in vertikalnimi AB vezmi.

V primeru uporabe togih nekonstruktivnih sten, morajo biti ustrezno ločene od okvirne konstrukcije ali potekati po celi višini stebra. Za konstrukcije z več etažami se mora arhitekt, na mestu, kjer potekajo stopnišča, izogibati okvirne zasnove (steber - prečka). Za stavbe z nagnjenim pobočjem je potrebno pravilno pozicioniranje nagnjenih podpornih zidov, da ne pride do efekta ujetega stebra.

V že zgrajenih stavbah se lahko efekta kratkega stebra lotimo na različne načine. Kjer parapeti ne potekajo po celotni višini stebra, je najenostavnejša rešitev, da zapremo odprtino (z enakim materialom, kot je sezidan parapet). V primeru, da to ni mogoče (svetloba, zrak) se kratke stebre ojača z uveljavljeno tehniko obnove (morda ovije s karbonskimi trakovi).

Račun potrebne vzdolžne in prečne armature je izveden v naslednjem zavihku EC primer. Na spodnji sliki je predstavljen razpored prečne armature v primeru kratkega in navadnega stebra.

slika 17: Armaturna zasnova pri kratkem in normalnem stebru

Primer armaturnih košev za kratek in navaden steber je prikazan na strani 3D modeli.

Na vrh

Povečava dokumenta

V primeru, da imate težave s pregledom, lahko datoteko prenesete: portal.pdf

V primeru, da imate težave s pregledom, lahko datoteko prenesete: portal.pdf

benjamin.resnik@gmail.com