ZŁĄCZA PALOWE

ZŁĄCZA MECHANICZNE ŻELBETOWYCH PALI PREFABRYKOWANYCH
 
1. Wprowadzenie

Łączenie pali z odcinków rozwiązuje jeden z podstawowych problemów technologii prefabrykowanych żelbetowych pali wbijanych wynikający z technologicznego ograniczenia długości produkowanych, transportowanych i wbijanych prefabrykatów. Przedłużanie wbijanych prefabrykatów pali uzyskuje się przez ich łączenie za pomocą różnego rodzaju złączy. W Polsce do łączenia prefabrykatów najczęściej wykorzystywane są złącza mechaniczne.

Stosowanie złączy umożliwia ograniczenie:

  • długości potrzebnych form,
  • nośności suwnic w zakładzie prefabrykacji,
  • długości transportowanych prefabrykatów i dopasowanie ich do wymagań wykorzystywanej skrajni transportowej oraz wysokich kosztów
  • alternatywnych transportów ponadgabarytowych,
  • długości wbijanych prefabrykatów dopasowanych do możliwości powszechnie dostępnych na rynku kafarów,
  • ryzyka w trakcie wbijanie pali pochylonych,
  • kosztów zbrojenia, którego powierzchnia określana z reguły na podstawie wymagań technologicznych procesów produkcji i transportu, a
  • te uzależnione są w największym stopniu od długości prefabrykatu.

Stosowanie złączy ma także wady, które należy brać pod uwagę. Są to:

  • zwiększony koszt jednostkowy materiału pala ze względu na koszt złącza oraz nieco niższą wydajność związana z operacją łączenia pala w trakcie wbijania;
  • ograniczona nośność złączy palowych wymagająca stosowania odpowiednio dobranych rozwiązań złączy oraz ich lokalizowania na długości pala.


Możliwe jest produkowanie i wbijanie ponad 20-sto metrowych prefabrykatów żelbetowych w jednym odcinku. Jest to jednak rozwiązanie drogie i współcześnie bardzo rzadko wykorzystywane. W praktyce, w przypadku pali dłuższych niż 14(15)m, wykorzystuje się złącza mechaniczne. W raporcie omówiono klasyfikację i badania złączy palowych oraz podano podstawowy parametr nośności dla typowych rozwiązań prefabrykatów palowych stosowanych w Polsce.

 

1.1. Klasyfikacja złączy pali

Norma [1] podaje klasyfikację złączy prefabrykatów palowych ze względu na sposób pracy pala w fundamencie oraz metodę badania.

 

1. Klasę złącza pala (tj. wymagany dopuszczalny poziom naprężenia dynamicznego podczas badania pod uderzeniem) wybiera się zgodnie z przepisami krajowymi tak, aby poziom ten odpowiadał docelowej nośności geotechnicznej pala łączonego
2. Poziom naprężenia oznacza : naprężenia ściskające wokół złącza pala spowodowane uderzeniami

1.2. Rozwiązania konstrukcyjne typowego złącza mechanicznego klasy A

Do łączenia prefabrykatów pali w Europie powszechnie wykorzystuje się złącza mechaniczne klasy A typ ABB/Skanska. Takie złącze w uproszczeniu składa się z:
- blachy czołowej o grubości 6mm i cienkiej blachy bocznej o grubości 3mm ze stali S235 formującej głowice pala w obrębie złącza (blacha czołowa odpowiedzialna jest za szczelność złącza i przekazuje część obciążeń ściskających; blacha boczna nie odgrywa istotnej roli konstrukcyjnej, a jedynie formuje końcowy odcinek betonowego trzonu bezpośrednio w strefie złącza i ewentualnie wzmacnia trzon pala na naprężenia rozciągające poprzeczne wywoływane w głowicy pala w trakcie wbijania),
- gniazda na trzpień z otworem na bolec, ukształtowanego w bloku stalowym ze stali S355;
- trzpieni ze stali S355 z otworem na bolec,
- prętów kotwiących złącze o średnicy 20mm ze stali fy=500MPa, stanowiących przedłużenie gniazd i trzpieni, wkręcanych w gwintowane gniazdo i kotwionych w trzonie prefabrykatu na długości min. 40 średnic,
- sworzni stalowych ze stali S355 o średnicy 19mm wbijanych w otwór w gnieździe i przechodzących przez otwór w trzpieniu
- sworznie blokują układ mechanicznego połączenia gniazdo/trzpień.

Taki układ montowany jest na pojedynczym lub obydwu końcach prefabrykatów przeznaczonych do łączenia. Odpowiedni obrót prefabrykatu w trakcie łączenia umożliwia nasadzenie gniazda na trzpień i na odwrót bez różnicowania rozwiązania konstrukcyjnego złącza w poszczególnych łączonych prefabrykatach. Wbicie bolców ostatecznie stabilizuje i zamyka złącze.

Rys. 1. Schemat złącza mechanicznego (z 4-rema bolcami/gniazdami/trzpieniami łączącymi)

2. Technologia łączenia prefabrykatów pala w warunkach budowy

Zasadnicze części złącza mechanicznego prefabrykowane są wraz z trzonem pala w wytwórni prefabrykatów. Końce pala w miejscu przewidywanego łączenia uzbrajane są w gniazda i trzpienie, które są na trwałe kotwione w trzonie prefabrykatu. Na łączonych prefabrykatach montowane są identyczne pod względem konstrukcyjnym części złącza.

Na budowie pierwsza, dolna cześć pala jest pogrążana w gruncie przez podkładkę elastomerową zabezpieczającą głowicę prefabrykatu ze złączem. Po pogrążeniu pierwszego prefabrykatu na złącze nasadzany jest na odcinek górny pala złączem na dół. Złącze dolne i górne są obrócone względem siebie o kąt 180°. Następnie, po usunięciu korków z tworzywa sztucznego, w gniazda wkłada się a następnie wbija sworznie stalowe blokujące trzpień w gnieździe złącza. Po wbiciu sworzni połączenie jest już wykonane, a palowanie może być kontynuowane. Opisane połączenie mechaniczne należy do grupy połączeń nierozbieralnych.

Rys. 2. Łączenie prefabrykatów pali na budowie z wykorzystaniem złącza mechanicznego na budowie (od lewej: wbicie pala z osłoną na elemencie złącza, nasadzenie drugiej części pala ze złączem, usunięcie zabezpieczeń otworów i wstawienie sworzni łączących, wbicie sworzni/zamkniecie złącza)

3. Nośność złączy palowych

Nośność złączy palowych określa się w wartościach obliczeniowych na podstawie obliczeń weryfikowanych badaniami. Dla przykładowego złącza palowego przedstawionego na rys. 1 nośność złącza zależy od nośności prętów kotwiących w części nagwintowanej przy połączeniu z trzpieniem/gniazdem. Tak obliczoną nośność weryfikuje się badaniami pojedynczych złączy w maszynie wytrzymałościowej.

Przykład 1. Wyznaczenie nośności obliczeniowej złącza mechanicznego pala o przekroju 40x40 cm z czterema trzpieniami zgodnie z PN-EN 1992

 

Charakterystyki materiałowe
beton C35/45

Wytrzymałość charakterystyczna: fck= 35 MPa

Współczynnik materiałowy: γc==1,4

Współczynnik (wg EC2): acc=1,0  , accγc=0,714

Wytrzymałość obliczeniowa: fcd=accγc×fck=25 MPaStal A−IIIN

Wytrzymałość charakterystyczna: fyk=500 MPa

Współczynnik materiałowy: γs= 1,15  ,  1γs = 0,8

Wytrzymałość obliczeniowa: fyd = 0,87 × fyk = 438,8 MPa

Moduł Younga stali:  Es = 200 GPabeton C35/45

Wytrzymałość charakterystyczna: fck= 35 MPa

Współczynnik materiałowy: γc==1,4

Współczynnik (wg EC2): acc=1,0  , accγc=0,714

Wytrzymałość obliczeniowa: fcd=accγc×fck=25 MPaStal A-IIIN

Wytrzymałość charakterystyczna: fyk=500 MPA

Współczynnik materiałowy: γs= 1,15  ,  1γs = 0,8

Wytrzymałość obliczeniowa: fyd = 0,87 × fyk = 438,8 MPa

Moduł Younga stali:  Es = 200 GPa


Charakterystyki przekroju
Odkształcenie graniczne betonu:  εc = 0,0035

Odległość osi prętów kotwiących od krawędzi: d' =63,5 mm

Średnica pręta kotwiącego: Φ = 18 mm

Szerokość blachy złączki: B = 400 mm

Liczba prętów po jednej stronie: nΦ= 2

Powierzchnia przekroju pręta po jednej stronie: As = 490 mm2

Odległość pręta od krawędzi przekroju: d = B − d' = 336,5 mm

Odkształcenie graniczne stali: εsy = fydEs = 0,00217

Odkształcenie graniczne betonu:  εc = 0,0035

Odległość osi prętów kotwiących od krawędzi: d' =63,5 mm

Średnica pręta kotwiącego: Φ = 18 mm

Szerokość blachy złączki: B = 400 mm

Liczba prętów po jednej stronie: nΦ= 2

Powierzchnia przekroju pręta po jednej stronie: As = 490 mm2

Odległość pręta od krawędzi przekroju: d = B - d' = 336,5 mm

Odkształcenie graniczne stali: εsy = fydEs = 0,00217


Wyznaczenie zależności momentu zginającego od siły osiowej
Oś plastyczna przekroju: xp = B/2 = 200 mm

Oś plastyczna przekroju: xp = B/2 = 200 mm


Poszukiwaną wartością jest maksymalna siła osiowa, przy której przekrój osiąga maksymalną nośność na zginanie. Dla położenia osi obojętnej w odległości xbal od krawędzi przekroju uzyskiwana jest maksymalna nośność złącza przy ściskaniu mimośrodowym.

 

Nośność złącza 4-sworzniowego w prefabrykacie o wymiarach 400x400mm poddanego działaniu siły N i momentu zginającego M

gdzie x – zadane położenie osi obojętnej,
εsc – odkształcenia ściskające w trzpieniach,
εs – naprężenia ściskające (-) / rozciągające (+) w trzpieniach,
fsc – wytrzymałość stali na rozciąganie, fs – wytrzymałość stali na ściskanie (-) / rozciąganie (+)
Wyniki przykładowych obliczeń (Tabela 2) przedstawiono również na wykresie (Rys. 5).

Rys. 5. Nośność złącza 4-sworzniowego w prefabrykacie o wymiarach 400x400mm poddanego działaniu siły osiowej i momentu zginającego

 

Obliczenia nośności złączy 4-sworzniowych przeprowadzono dla przekrojów prefabrykatów 250x250, 300x300, 350x350, 400x400 mm, a 8-sworzniowych dla prefabrykatów o przekroju 350x350, 400x400 i 450x450 mm. Wyniki obliczeń przestawiono na wykresach zbiorczych dla prefabrykatów wykonanych z betonu C35/45 (Rys. 6) oraz C40/50 (Rys. 7).

Wpisz tekst tutaj

Rys. 6. Wykres nośności złączy mechanicznych prefabrykatów pali wykonanych z betonu C35/45

Rys. 7. Wykres nośności złączy mechanicznych dla prefabrykatów pali wykonanych z betonu C40/50

 

4. Zalecenia dotyczące lokalizacji złącza na długości pala

Złącza generalnie zaleca się lokalizować w dolnej części pala, poza strefą gruntów słabonośnych, minimum 5-6 m poniżej spodu zwieńczenia. Inna lokalizacja złącza wymaga sprawdzenia rozkładu sił wzdłuż trzonu pala i sprawdzenia nośności złącza z wykorzystaniem informacji zamieszczonych w niniejszym raporcie.

 

Literatura
[1]. PN-EN 12794. Prefabrykaty z betonu. Pale fundamentowe.
[2]. PN-EN 13369. Wspólne wymagania dla prefabrykatów z betonu.
[3]. MOSLEY B., BUNGAY J., HULSE R., Reinforced Concrete Design to Eurocode 2, 6th ed., Palgrave MacMillan, 2007.