1. Konstrukcje sprężone. Technologie i materiały

Transkrypt

1 1. Konstrukcje sprężone. Technologie i materiały 1.1. Wprowadzenie Koncepcja sprężenia Podstawową różnicą w stosunku do konwencjonalnych konstrukcji żelbetowych jest celowe wprowadzenie wstępnego obciążenia konstrukcji, przed przyłożeniem obciążeń użytkowych wynikających z konstrukcyjnej funkcji ustroju. To wstępne obciążenie, zwane sprężeniem, ma na celu przeciwstawienie się obciążeniem powstającym w okresie użytkowania konstrukcji. Koncepcja sprężenia istniała znacznie wcześniej, niż zdefiniowano to pojęcie w odniesieniu do konstrukcji z betonu. Poniżej przedstawiono dwa historyczne przykłady faktycznego zastosowania sprężenia. Nabijanie obręczy na beczkę Stalowe obręcze nabijane na zwiększający się obwód beczki wywołują obwodowe ściskania przeciwdziałające obwodowemu rozciąganiu spowodowanym parciu na ścianki cieczy wypełniającej beczkę (Rys ). Rys Nabijanie obręczy na beczkę Rys Naciąganie szprych w kole rowerowym Naciąganie szprych w kole rowerowym Naciąganie (napinanie) szprych prowadzi się do takiego poziomu, aby w pojedynczej szprysze zawsze występowało rozciąganie (z zachowaniem kształtu obręczy koła - Rys ). W betonie wstępne naprężenia są wywoływane (zazwyczaj za pomocą zbrojenia sprężającego) z następujących powodów: Wytrzymałość betonu na rozciąganie wynosi tylko ok. 8% 14% wytrzymałości na ściskanie. W elementach zginanych (belki i płyty) rysy powstają przy niskim poziomie obciążenia. Katedra Konstrukcji Budowlanych 1/61

2 Aby zapobiec powstawaniu tych rys, można wprowadzić siłę ściskającą w kierunku prostopadłym do płaszczyzny rys. Sprężenie zwiększa nośność na zginanie, ścinanie i skręcanie elementów zginanych. W rurach i zbiornikach na ciecze, sprężenie może skutecznie przeciwdziałać obwodowym naprężeniom rozciągającym Pierwsze próby sprężania Konstrukcje próbowano sprężać pod koniec XIX wieku. Poniższy szkic objaśnia wywołanie sprężenia. Umieszczenie i naciąg pręta stalowego przed betonowaniem Zwolnienie naciągu i obcięcie końcówek pręta po zabetonowaniu Rys Sprężenie belek żelbetowych za pomocą prętów ze zwykłej stali Pręty wykonane ze zwykłej stali konstrukcyjnej zostają napięte (wskutek czego ulegają wydłużeniu) a następnie obetonowane. Po stwardnieniu betonu, wstępny naciąg prętów jest zwalniany. Pręty dążą do przyjęcia swojej pierwotnej długości, ale przeciwdziała temu przyczepność do otaczającego betonu. Wskutek tego, w betonie powstają ściskania tworzące stan wstępnego sprężenia, które przeciwdziała naprężeniom rozciągającym powstającym w wyniku przyłożenia obciążenia zewnętrznego, np. jak na poniższym szkicu: Belka sprężona pod obciążeniem zewnętrznym Rys Belka sprężona poddana zewnętrznemu obciążeniu Lecz te próby nie skończyły się pełnym sukcesem. Zaobserwowano, że efekt sprężenia malał wraz z upływem czasu, a tym samym malała zdolność belki do przenoszenia obciążeń. Pod obciążeniem utrzymywanym trwale, niektóre elementy ulegały zniszczeniu. Przyczyny takiego zachowania były następujące. Katedra Konstrukcji Budowlanych 2/61

3 Beton kurczy się wraz z upływem czasu. Co więcej, pod obciążeniem długotrwałym, odkształcenia w betonie rosną w czasie jest to zjawisko pełzania. Zmniejszenie długości elementu wskutek skurczu i pełzania to także skrócenie zakotwionego zbrojenia, prowadzące do znaczącej redukcji wstępnego wydłużenia, a tym samym siły naciągu i w efekcie sprężenia elementu. We wczesnych aplikacjach, wytrzymałość zwykłej stali oraz wydłużenie towarzyszące sprężeniu były małe. Efektywne, końcowe wydłużenie (a w rezultacie także sprężenie), wynosiło zaledwie ok. 10 % wartości początkowej. Poniższe szkice wyjaśniają te zjawisko. I Element przed sprężeniem Pierwotna długość pręta stalowego (L 1 ) Pierwotna długość belki betonowej (L 2 ) II Element po przyłożeniu sprężenia Długość belki betonowej po sprężeniu (L 3 ) III Element po długotrwałych stratach sprężenia Końcowa długość belki betonowej (L 4) Rys Zmiany długości w elemencie sprężonym Końcowe odkształcenie w stali = początkowe wydłużenie stali skrócenie stali wywołane stratami krótkotrwałymi i długotrwałymi Początkowe wydłużenie w stali = (L 2 L 1 )/L 1 Skrócenie wywołane sprężystym skróceniem belki = (L 2 L 3 )/L 1 Katedra Konstrukcji Budowlanych 3/61

4 (krótkotrwałe straty sprężenia) Skrócenie wywołane skurczem i pełzaniem = (L 3 L 4 )/L 1 (długotrwałe straty sprężenia) Końcowe wydłużenie w stali = (L 4 L 1 )/L 1 Maksymalne początkowe wydłużenie względne w stali = = Naprężenia dopuszczalne/moduł sprężystości = 140 MPa/2x10 5 MPa = 0,0007 Całkowite straty sprężenia wywołane skróceniem sprężystym, skurczem i pełzaniem także wynosiły blisko 0,0007. Więc, końcowe odkształcenie cięgien praktycznie malało do zera, czyli zanikał efekt sprężenia. Rozwiązaniem problemu osiągnięcia zadawalających trwałych wydłużeń w cięgnach było: Zastosowanie stali o wysokiej wytrzymałości z dużymi odkształceniami początkowymi. Umożliwia to także zwiększenie siły sprężającej Zastosowanie betonu o wyższych wytrzymałościach przenoszącego bezpiecznie duże siły sprężające Skrót historii rozwoju konstrukcji sprężonych Rozwój konstrukcji sprężonych był poprzedzony dwoma znaczącymi osiągnięciami, w zakresie konstrukcji zbrojonych (żelbetowych): wynalezieniem cementu portlandzkiego i wprowadzenie zbrojenia betonu. Poniżej zestawiono najważniejsze etapy rozwoju: 1824 Aspdin J. (Anglia) Uzyskanie patentu na produkcję cementu portlandzkiego Monier J. (Francja) Zastosowanie drutów stalowych w betonie w produkcji doniczek, rur, łuków i płyt Jackson P. H. (USA) Zastosowanie wstępnego naciągu w ściągach łuków z elementów betonowych i kamiennych Doehring C. E. W. (Niemcy) Rys Stalowe ściągi w łukach Produkcja płyt i niewielkich belek betonowych z napiętym zbrojeniem. Katedra Konstrukcji Budowlanych 4/61

5 1908 Stainer C. R. (USA) Odkrycie strat skurczu i pełzania i propozycja ich likwidacji poprzez dociągnięcie wstępnie napiętych prętów Emperger F. (Austria) Opracowanie metody nawijania napiętych drutów ze stali o wysokiej wytrzymałości wokół rur betonowych Hewett W. H. (USA) Zastosowanie pętli zbrojenia poziomego ze stali o wysokiej wytrzymałości wokół ścian zbiorników betonowych napinanych za pomocą klamer zatrzaskowych Freyssinet E. (Francja) Wykorzystywał druty o wytrzymałości do 1725 MPa i granicy plastyczności ponad 1240 MPa. W 1939 roku opracował cylindryczne zakotwienie stożkowe do konstrukcji kablobetonowych i prasy naciągowe dwustronnego działania. Nazywany jest ojcem konstrukcji sprężonych. Rys Eugène Freyssinet ( ) 1938 Hoyer E. (Niemcy) Opracował metodę długich torów realizacji elementów strunobetonowych Magnel G. (Belgia) Opracował system kotwienia do kablobetonu za pomocą płaskich klinów. Katedra Konstrukcji Budowlanych 5/61

6 W okresie II wojny światowej nastąpił szybki rozwój zastosowań konstrukcji prefabrykowanych i sprężonych. Wśród twórców tego okresu należy wymienić: Guyon Y. (Francja) teoria strefy zakotwień, mosty sprężone, Abeles P. W. (Wlk. Brytania) koncepcja sprężenia częściowego, i konstruktorzy: Leonhardt F. (Niemcy), Michaiłow V. (ZSRR), Lin T. Y. (USA) W 1952 roku powstało Stowarzyszenie Betonu Sprężonego (FIP Fédération Internationale de la Précontrainte), zrzeszające grupy narodowe w ok. 40 krajach (w tym Polska), które zajmowało się rozwojem teorii i praktyki oraz popularyzacja konstrukcji sprężonych. W 1998 roku nastąpiło połączenie z CEB (Comité Euro-International du Béton) i utworzenie fib - fédération internationale du béton Międzynarodowego Stowarzyszenia Betonu. W Polsce konstrukcje sprężone wprowadzono na początku lat 50. Zarysował się silny rozdźwięk pomiędzy twórczym rozwojem teorii i nowych czy wręcz pionierskich w skali światowej koncepcji realizacyjnych, a praktycznymi zastosowaniami w warunkach słabej ekonomicznie gospodarki. Wśród wybitnych polskich teoretyków należy wymienić W. Olszaka, S Kaufmana i Cz. Eimera, zaś za pionierów realizacji konstrukcji sprężonych należy wymienić W. Kluza, W Zalewskiego, Z Czerskiego i S. Kusia. i Z. A. Zielińskiego Rozwój materiałów budowlanych Rozwój betonu sprężonego można rozpatrywać w perspektywie tradycyjnych materiałów budowanych. W starożytności, wykorzystywano kamień i suszoną cegłę. Są to materiały o dużej wytrzymałości na ściskanie, ale małej na rozciąganie. W elementach rozciąganych stosowano drewno. Później, przy rozciąganiu, wprowadzono pręty żeliwne i stalowe, wrażliwe przy ściskaniu na wyboczenie. Drewno i profile stalowe są efektywne zarówno przy rozciąganiu jak i przy ściskaniu. W żelbecie wykorzystuje się współpracę betonu przenoszącego ściskania i prętów stalowych odpowiedzialnych za przenoszenie rozciągań. Jest to bierne (pasywne) wykorzystanie właściwości materiałów. W betonie sprężonym przekroje zarówno betonu jak i stali w pełni wykorzystują swoje wysokie wytrzymałości. Jest to czynne (aktywne) wykorzystanie cech tych materiałów. Katedra Konstrukcji Budowlanych 6/61

7 ŚCISKANIE ROZCIĄGANIE ŚCISKANIE I ROZCIĄGANIE Kamień, cegła Konopie (liny), bambus Drewno Beton Pręty i druty stalowe Kształtowniki stalowe Beton o wysokiej wytrzymałości Kombinacja pasywna Kombinacja aktywna Stal o wysokiej wytrzymałości Żelbet Beton sprężony Rys Rozwój materiałów budowlanych Katedra Konstrukcji Budowlanych 7/61

8 1.2. Zalety i rodzaje sprężenia Zalety sprężenia Sprężenie betonu w stosunku do konstrukcji żelbetowej (bez sprężenia) daje wiele wymiernych korzyści. W pełni sprężony element w warunkach normalnego użytkowania jest zazwyczaj poddany trwałemu ściskaniu. To likwiduje typowe wady żelbetu. Poniższe zestawienie opisuje zalety betonu sprężonego w odniesieniu do równoważnego elementu żelbetowego. Dla poszczególnych efektów wyszczególniono uzyskiwane korzyści. 1. Przekroje pozostają niezarysowane pod obciążeniem użytkowym Ograniczenie korozji stali zwiększenie trwałości Wykorzystanie pełnego przekroju wysoki moment bezwładności (większa sztywność) mniejsze ugięcia (zwiększona użyteczność) Zwiększenie nośności na ścinanie Możliwość zastosowania w zbiornikach ciśnieniowych Zwiększona odporność na obciążenia dynamiczne lub zmęczeniowe 2. Niższa względna wysokość przekroju (odniesiona do rozpiętości/długości elementu) Typowe względne wysokości dla płyt podano poniżej Płyty niesprężone 1:28 Płyty sprężone 1:45 Przy tej samej rozpiętości, niższe wysokości przekrojów redukcja ciężaru własnego większa estetyka przy zwiększonej smukłości zmniejszenie zużycia materiałów - bardziej ekonomiczne elementy 3. Przydatność do prefabrykacji przyspieszenie procesu budowy lepsza kontrola jakości mniejsze koszty utrzymania i konserwacji powtarzalność rozwiązań wielokrotne wykorzystanie form zmniejszenie robót deskowaniowych na budowie możliwość typizacji elementów Katedra Konstrukcji Budowlanych 8/61

9 Ograniczenia technologii sprężania Choć konstrukcje sprężone wykazują wiele zalet, jednak pewne aspekty wymagają krytycznego rozpatrzenia: Technologia sprężania wymaga zaawansowanych technologii realizacji. Nie jest tak powszechna jak żelbet. Wykorzystanie materiałów o wysokiej wytrzymałości jest kosztowne Konieczne są dodatkowe koszty wynikające z zastosowania dodatkowego wyposażenia Wymagany jest szczególny nadzór i zwiększone są wymagania jakościowe na każdym etapie realizacji Definicje Poniżej podane określenia są stosowane do opisu zjawisk, technologii, materiałów i urządzeń stosowanych w konstrukcjach sprężonych, z podziałem na grupy pojęciowe. Formy wyrobów do sprężania Cięgno (tendon) Ogólna nazwa liniowego elementu sprężającego Drut (wire) Pręt (bar) Splot (strand) Kabel (cable) Pojedynczy drut sprężający (o średnicy od ok. 2,5 do 8 mm) Pojedynczy pręt sprężający (o średnicy od ok. 16 do 45 mm) Spleciony zestaw 2,3 lub 7 drutów sprężających tworzących jednostkowy element sprężający Grupa drutów lub splotów biegnących w jednej osłonie kotwionych wspólnym lub zespolonym zakotwieniem W części 1.7 Stal Sprężająca opisano budowę i zastosowanie wyszczególnionych rodzajów cięgien Przyczepność cięgien do betonu Cięgno z przyczepnością (bonded tendon) Jest zapewniona pełna przyczepność powierzchni cięgna do otaczającego betonu (w strunobetonie i w kablach sprężających z iniekcją cementową) Cięgno bez przyczepności (unbonded tendon) Nie ma zapewnionej przyczepności powierzchni cięgna do otaczającego betonu (w kablach sprężających przed iniekcja cementową lub z wypełnieniem przeciwtarciowym) Sytuacje obliczeniowe (obciążeniowe) Zróżnicowanie rodzaju i wielkości obciążenia oddziaływującego na element sprężony prowadzić może do różnic w sposobach analizy. Rozróżnia się następujące sytuacje 2). Początkową: w której można wyróżnić następujące fazy: a) naciąg cięgien b) kotwienie cięgien (przekazanie sprężenia na beton) 3). Przejściową: uwzględniającą obciążenia w czasie transportu i wbudowywania elementu 4). Trwałą w której rozpatruje się dwie pod-sytuacje: a) użytkową w warunkach normalnej eksploatacji b) graniczną w warunkach granicznych lub wyjątkowych obciążeń Katedra Konstrukcji Budowlanych 9/61

10 Klasyfikacja sprężenia i elementów sprężonych Poniżej przedstawiono różne klasyfikacje w zależności od rozpatrywanych kryteriów. Sekwencja naciągu i betonowania Jest to podstawowy podział konstrukcji sprężonych. Strunobeton Naciąg cięgien jest realizowany przed stwardnieniem betonu (zazwyczaj przed betonowaniem elementu). Po stwardnieniu betonu i zwolnieniu zewnętrznego naciągu, siła sprężająca jest przekazywana na element poprzez przyczepność cięgien do betonu (niekiedy wspomaganej elementami mechanicznymi). Technologia typowa dla prefabrykacji, w dwóch metodach technologicznych: Metoda długich torów, w której na torze o długości często ponad 100 m, w jednej linii, szeregowo, formowane są prefabrykaty z reguły o stałym przekroju poprzecznym (produkcja masowa w długich seriach). Cięgna przed sprężeniem są napinane i kotwione na końcach toru w kozłach oporowych. Metoda sztywnych form napięte cięgna są kotwione na czołach form na tyle sztywnych, aby ta siła nie deformowała kształtu formy. Stosowana do elementów w krótkich seriach, z możliwą zmianą kształtu przekroju. Kablobeton Naciąg kabli (umieszczonych w uformowanych kanałach kablowych) realizowany po stwardnieniu betonu, jednocześnie wywołujący sprężenie elementu. Technologia stosowana przy wykonywaniu elementów in situ (monolitycznych), a także przy prefabrykacji. Tab Charakterystyka podstawowych systemów sprężania Cecha Strunobeton Kablobeton Naciąg cięgien Przed betonowaniem (stwardnieniem betonu) Po zabetonowaniu (i stwardnieniu betonu) Mechanizm kotwienia Przez przyczepność powierzchni cięgien do betonu Za pomocą urządzeń mechanicznych (zakotwień) opartych o beton Przebieg (trasa) Dowolnie zakrzywiona, także na zewnątrz Prosta lub załamana, wewnątrz elementu cięgien elementu Miejsce sprężania W stałej wytwórni W wytwórni lub na budowie Transport W całości W całości lub częściach (przed sprężeniem) Długości elementów Zastosowanie Do 24 m, wyjątkowo do m Produkcja masowa (elementy typizowane): płyty dachowe i stropowe, podkłady kolejowe, belki, słupy, pale, rury Dowolna, zazwyczaj ponad 12 m Elementy indywidualne i typizowane w krótszych seriach: mosty, dźwigary dachowe, belki, stropy płaskie, powłoki, kopuły zbiorniki i silosy, ściany i budowle oporowe, kotwy gruntowe Katedra Konstrukcji Budowlanych 10/61

11 Rys Belki kablobetonowe przed sprężeniem (widoczne kanały kablowe i wiązki cięgien) (Fot. Canadian Precast/Prestressed Concrete Institute) Lokalizacja cięgien Sprężenie wewnętrzne Cięgna sprężające umieszczone wewnątrz elementu betonowego. Tego typu rozwiązanie jest dominujące i wyłączne dla strunobetonu Sprężenie zewnętrzne Cięgna kable sprężające (wyłącznie bez przyczepności) umieszczone są co najmniej na części swej długości poza przekrojem betonowym, także wewnątrz skrzyni przekroju skrzynkowego (mostowego). Tego typu rozwiązanie stosowane jest także w przypadku wzmacniania przez sprężanie i niekiedy w zbiornikach kołowych sprężonych obwodowo. Rys Kable zewnętrzne w dźwigarze mostowym (Fot. VSL) Katedra Konstrukcji Budowlanych 11/61

12 Stopień sprężenia Pełne sprężenie Gdy w sytuacji użytkowej poziom sprężenia wyklucza możliwość powstania naprężeń rozciągających w betonie. Sprężenie ograniczone Gdy w sytuacji użytkowej poziom sprężenia dopuszcza możliwość powstania naprężeń rozciągających w betonie poniżej możliwości zarysowania. Sprężenie częściowe Gdy w sytuacji użytkowej poziom sprężenia dopuszcza możliwość powstania rys w betonie o ograniczonej szerokości rozwarcia. Kierunki sprężenia Sprężenie liniowe Gdy sprężany element w kierunku sprężenia jest prosty lub płaski (płyty, belki, pale, słupy). W tym przypadku, przebieg cięgien może być prosty, ale także zakrzywiony (kablobeton) lub załamany (strunobeton) Sprężenie cylindryczne Gdy sprężany element w kierunku sprężenia jest zakrzywiony. Typowym przykładem jest sprężenie obwodowe zbiorników cylindrycznych, rur i silosów. Sprężenie jednokierunkowe Gdy cięgna leżą równolegle do jednej osi konstrukcji (np. belki, słupy) Sprężenie dwukierunkowe Gdy cięgna leżą równolegle do dwóch osi konstrukcji, zazwyczaj wzajemnie prostopadłych (np. płyty). Sprężenie wielokierunkowe Gdy cięgna leżą równolegle do więcej niż dwóch osi konstrukcji.(np. kopuły). Źródło siły sprężającej Klasyfikację opiera się na metodach (zjawiskach) służących do wytworzenia siły sprężającej. Sprężenie hydrauliczne Jest to najbardziej powszechny sposób generowania siły sprężającej. Specjalne prasy hydrauliczne (naciagarki) wywołują naciąg cięgien, a skalibrowane wskazania ich manometrów pozwalają na kontrolę siły naciągu. Kilka takich naciągarek połączonych hydraulicznie w jeden zespół zapewniać może jednakowy naciąg wielu cięgien. Istniała także metoda, w której płaskie prasy umieszczano na końcach elementów wpasowanych w sztywne ustroje oporowe (np. przyczółki mostów). Działanie tych pras wywoływało pożądane ściśnięcie elementu (sprężenie), i w tym stanie betonowano przestrzenie pomiędzy sprężanym elementem a ustrojem oporowym. W tej metodzie, nie stosowano cięgien sprężających. Sprężenie mechaniczne Układy działające na zasadzie balastów lub dźwigni powodujące naciąg cięgien i utrzymywanie stałej siły (podstawa sprężenia konstrukcji strunobetonowych, a także nawijania konstrukcji cylindrycznych). Katedra Konstrukcji Budowlanych 12/61

13 Deformowanie równoległego przebiegu cięgien obwodowych na zbiornikach kołowych za pomocą klamer powoduje ich naciąg. Zakotwienia gwintowe, w których nakrętka jest dokręcana na cięgno prętowe. Sprężenie elektryczne (termiczne) Ogrzanie cięgien (za pomocą prądu elektrycznego) i ich zakotwienie przed ułożeniem betonu w formie (metoda obecnie nie stosowana) Sprężenie chemiczne Analogicznie jak metoda płaskich prac hydraulicznych, w której parcie hydrauliczne zastępuje się reakcją chemiczną powodującą ekspansję wypełnienia Mechanizm i rozwiązania kotwienia cięgien Zadaniem zakotwienia jest utrzymanie siły naciągu cięgna i przekazanie jej na beton lub, w strunobetonie, na element oporowy systemu technologicznego. Konstrukcje sprężone zawdzięczają swój rozwój także rozwojowi systemów zakotwień. Cecha charakterystyczna jest to, że najczęściej mechanizm kotwienia i idące za tym rozwiązania techniczne są dedykowane wyszczególnionym Tab Kotwienie drutów za pomocą efektu klina Historycznie, druty stanowiły podstawowy rodzaj cięgien sprężających i właśnie rozwój ich zakotwień dał impuls do rozwoju klasycznych konstrukcji kablobetonowych. Warunki równowagi klina wtłaczanego (f wsp. tarcia) Warunki równowagi klina po sprężeniu i zakotwieniu Rys Efekt klina w zakotwieniu - model płaski (Rys.: Budownictwo Betonowe T.III, ARKADY W-wa 1965) Mechanizm kotwienia wykorzystuje efekt klina (Rys ) wykorzystywany w wykonaniu: Płaskim, w których drut zaciskany jest po bokach za pomocą płaskich klinów (zakotwienie Magnela Rys ) Wielokrotnym płaskim z centralnym stożkiem klinującym (zakotwienie Freyssineta Rys ) Przestrzennym z klinowymi szczękami opasującymi cięgno (zakotwienie szczękowe omówione dalej) Katedra Konstrukcji Budowlanych 13/61

14 Rys Idea płaskiego zakotwienia Magnela (Fot. Bernard Espion: Early Applications of Prestressing to Bridges and Footbridges in Brussels Area) Rys Zakotwienie stożkowe Freyssineta (Fot.: Freyssinett Polska; Rys.: Budownictwo Betonowe T.III, ARKADY W-wa 1965) Oba omówione rodzaje zakotwień wykorzystujących płaski efekt klina wyszły z użycia. Zadecydowało o tym wycofanie kabli z pojedynczych, cienkich drutów, zaś dla drutów grubszych 5 mm, zastąpiły je lepsze zakotwienia szczękowe. Kotwienie drutów poprzez spęczenie końcówek Stosowane dla drutów grubszych 5 mm. Końcówki drutów w kablu są spęczane tworząc główki. Naciąg jest realizowany poprzez uchwycenie całej głowicy (czyli: wszystkich drutów jednocześnie), a kotwienie polega na zablokowaniu nagwintowanej głowicy za pomocą nakrętki, lub podłożenie pod nią cylindrycznych podkładek. Zakotwienie stosowane także obecnie. Wadą jest konieczność przygotowania kabla o dokładnej długości z wcześniej osadzona głowicą, ale bezsprzeczną zaletą jest wysoka odporność na obciążenia dynamiczne, zwłaszcza w wantach mostowych. Katedra Konstrukcji Budowlanych 14/61

15 Rys Zakotwienie główkowe (Fot.: KEN BONDY POST-TENSIONED CONCRETE IN BUILDINGS PAST AND FUTURE) Rys Zakotwienie główkowe z gwintowana głowicą (Fot.: BBR) Tego typu zakotwienia są stosowane także w produkcji podkładów kolejowych. Zakotwienia szczękowe drutów i splotów Jest to obecnie podstawowy sposób kotwienia drutów i splotów wykorzystujący przestrzenny efekt klina, charakteryzujący się niezawodnością, małymi rozmiarami i łatwością stosowania. Szczęki zaciskają się na powierzchni cięgna i wraz z napiętym cięgnem wciągane są do tulei, której zbieżna powierzchnia wewnętrzna dociska szczęki do cięgna i zatrzymuje cięgno w uchwycie. W porównaniu do uprzednio omówionych zakotwień klinowych drutów, z punktu widzenia mechaniki pracy jest ono zdecydowanie bardziej korzystne, gdyż docisk cięgna jest realizowany na całym jego obwodzie, w przeciwieństwie do klina płaskiego, w którym może wystąpić efekt rozłupania kruchego drutu w płaszczyźnie prostopadłej od płaszczyzny docisku. Rys Szczęki do kotwienia cięgien, dwu- i trójdzielne Rys Mechanizm kotwienia cięgna (tu: splotu) w zakotwieniu szczękowym Mechanizm kotwienia wymaga wciągnięcia cięgna (ze szczękami) do zakotwienia. Określa się to jako poślizg cięgna w zakotwieniu i powoduję stratę siły naciągu. Katedra Konstrukcji Budowlanych 15/61

16 Dobór geometrii elementów tego zakotwienia a przede wszystkim właściwości tworzących je materiałów jest skrzętnie skrywaną tajemnicą producentów, będącą efektem długoletnich, bardzo zaawansowanych badań. Zakotwienia gwintowe prętów Wykorzystywany jest bardzo prosty mechanizm śruby. Jest on jednak użyteczny tylko dla dużych przekrojów. Wadą jest ograniczenie wydłużenia pręta przy naciągu, co czyni je niepraktycznymi przy długich cięgnach. Zaletą, bardzo istotną dla kabli krótkich, jest brak straty poślizgu cięgna w zakotwieniu. Rys Zakotwienie gwintowe pręta (Fot.: DYWIDAG-systems) Katedra Konstrukcji Budowlanych 16/61

17 1.3. Strunobeton. Systemy i urządzenia Wprowadzenie Zgodnie z podstawową klasyfikacją podana w tę technologię wyróżniają dwie podstawowe cechy: Naciąg cięgien jest realizowany przed betonowaniem Cięgna kotwione są przez siły przyczepności pomiędzy powierzchnią cięgien a otaczającym betonem Tradycyjna polska nazwa strunobeton - oddawała rodzaj cięgien pierwotnie stosowanych do sprężania Fazy produkcji strunobetonu Cięgna ze stali o wysokiej wytrzymałości są naciągane pomiędzy sztywnymi elementami zewnętrznymi, przed ułożeniem mieszanki betonowej. Gdy beton osiągnie pożądaną wytrzymałość następuje zwolnienie zewnętrznego naciągu. Sprężenie przekazywane jest z cięgien na beton poprzez siły przyczepności. Podczas przekazania siły sprężającej następuje sprężyste odkształcenie betonu - skrócenie, a przy mimośrodowym przebiegu cięgien dodatkowo wygięcie odwrotne (Rys 1.3-2). Można wyróżnić następujące etapy produkcji: o Ułożenie i stabilizacja cięgien oraz zbrojenia pomocniczego o Montaż i zamknięcie formy o Naciąg i kotwienie cięgien w elementach zewnętrznych o Betonowanie i zagęszczanie mieszanki o Dojrzewanie mieszanki o Zwolnienie naciągu zewnętrznego o Rozformowanie i wyjęcie elementu Podstawowe etapy produkcji pokazano schematycznie na Rys Prasa naciągowa Naciąg cięgien Betonowanie Sprężenie Rys Podstawowe fazy produkcji elementu strunobetonowego Rys Wygięcie odwrotne elementu strunobetonowego Technologie strunobetonu Wyróżnia się dwie podstawowe technologie strunobetonu: Metodę długich torów Metodę sztywnych form. Katedra Konstrukcji Budowlanych 17/61

18 1. Metoda długich torów Metoda stosowana przy produkcji seryjnej elementów o stałym przekroju na długości. Ideę przedstawia rysunek: Naciąg i zakotwienie Element Zakotwienie Kozioł oporowy Cięgna Rys Schemat toru naciągowego Słupy (stalowe) kozłów oporowych Pompa i manometry Płyta oporowa z szablonem Prasa naciągowa Rys Stanowisko naciągu na koźle oporowym W tej metodzie stosuje się tzw. tor naciągowy składający się z masywnych elementów (kozłów) oporowych na końcach i samego, zazwyczaj betonowego, toru. Kozły oporowe są elementami które musza przenieść siłę naciągu całej grupy cięgien, zapewniając jednocześnie ich właściwe położenie. Ponieważ mamy do czynienia z bardzo dużymi siłami naciągu (niekiedy ponad 300 ton), konstrukcja tych elementów musi być odpowiednio sztywna i zdolna do bezpiecznego przeniesienia tych obciążeń. Stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne samych kozłów i ich usztywnienia: Katedra Konstrukcji Budowlanych 18/61

19 Rys Konstrukcja kozłów oporowych Tor, o płaskim lub korytkowym kształcie, ma zazwyczaj osadzone elementy umożliwiające ustawianie form prefabrykatów i odchylające cięgna (dewiatory). Dodatkowe elementy towarzyszące, zazwyczaj przejezdne umożliwiają transport szkieletu zbrojenia, układanie i zagęszczanie mieszanki oraz jej pielęgnację. W tym celu tory naciągowe często umieszczane są w tunelu umożliwiającym przyśpieszenie dojrzewania betonu. Rys Tor naciągowy z elementami form i zbrojenia pomocniczego 2. Metoda sztywnych form W tej metodzie naciąg cięgien i ich technologiczne kotwienie odbywa się w oparciu o czoła formy. Formy muszą być na tyle sztywne, aby ta siła nie powodowała ich uszkodzenia i deformacji kształtu elementu. Przy produkcji stendowej forma znajduje się w stałym miejscu na którym następuje kolejno naciąg, betonowanie i dojrzewanie, sprężenie i rozformowanie. Przy technologii potokowej forma przemieszcza się do poszczególnych gniazd operacyjnych (np. produkcja słupów wirowanych). Katedra Konstrukcji Budowlanych 19/61

20 Rys Formy ze szkieletem zbrojenia I cięgnami z zakotwieniami ( Prestressed concrete poles PUBLICATION # C850245, The Aberdeen Group) Rys Wirowanie form słupów ( Prestressed concrete poles PUBLICATION # C850245, The Aberdeen Group) Urządzenia Zakotwienia Kotwienie cięgien w elementach mechanicznych zakotwieniach osadzanych na końcach toru naciągowego (lub formy) ma charakter tymczasowy, do czasu sprężenia elementu. Tym nie mniej zakotwienia muszą być niezawodne (ze względów bezpieczeństwa) i trwałe, zdolne do wielokrotnego wykorzystania (ten drugi aspekt jest właściwy tylko dla strunobetonu, gdyż w kablobetonie zakotwienia użyte są jednokrotnie, ale musza być niezawodne w całym okresie życia konstrukcji). Podstawowym stosowanym obecnie sposobem kotwienia drutów i splotów sprężających w strunobetonie są zakotwienia szczękowe działające na zasadzie klina. Łączniki Rys Schemat budowy łącznika cięgien Rys Elementy łączników cięgien Katedra Konstrukcji Budowlanych 20/61

21 Służą do łączenia odcinków cięgien. Nie dopuszcza się do łączenia cięgien wewnątrz elementu strunobetonowego, ale w metodzie długich torów pozwala ta na ekonomiczne wykorzystanie krótszych niż tor odcinków cięgien. Wówczas łączniki umieszcza się tak, aby znajdowały się pomiędzy elementami na torze. Łączniki to po prostu zdwojone i skręcone zakotwienia szczękowe. Dewiatory Odgięć zbrojenia sprężającego dokonuje się za pomocą dewiatorów. Na dewiatorach powstaje reakcja wypadkowa wynikająca z odchylenia siły naciągu (Rys 1.3-7). Urządzenia te (i ich mocowanie) musza być zdolne do przeniesienia tej siły i nie powodować uszkodzeń mechanicznych cięgien w wyniku karbu. Elementy te przy odgięciach wewnątrz produkowanych elementów są tracone i pozostają w nich trwale. Rys Idea odchylania cięgien w strunobetonie na przykładzie długiego toru a) b) Rys Odchylenie cięgien na dewiatorach a) w elemencie (dewiator tracony); b) na linii naciągu (dewiator technologiczny) a) b) Rys Dewiatory: a) rolkowy, wahliwy (w dwóch rzutach); b) prosty - ślizgowy Zalety i wady strunobetonu W stosunku do kablobetonu, technologia strunobetonu wykazuje następujące zalety Możliwość ciągłej produkcji elementów w długich seriach Brak kosztownych trwałych zakotwień elementów Wysoka jakość wyspecjalizowanej produkcji Katedra Konstrukcji Budowlanych 21/61

22 W tym samym świetle można przedstawić też wady: Konieczność produkcji w stałych wytwórniach z kosztownym oprzyrządowaniem Konieczny okres dojrzewania elementu na stanowisku sprężania (wydłużenie cyklu sprężania) oraz stosowanie zaawansowanych technologii przyspieszania dojrzewania betonu Ograniczenia możliwości optymalnego przebiegu cięgien sprężających w elemencie Asortyment produkcji Dominującą metodą produkcji w technologii strunobetonu jest metoda długich torów. Typowymi przykładami produkowanych elementów są: Rys Podkłady kolejowe Rys Belki stropów gęstożebrowych Rys Płyty stropowe kanałowe (typu SP) 1 Dozownik betonu 2. Podajnik ślimakowy 3. Dozownik zbrojenia porzecznego 4. Rura formująca kanał Rys Agregat do produkcji płyt SP Katedra Konstrukcji Budowlanych 22/61

23 Rys Płyty dachowe TT (Consolis) Rys Dźwigary dachowe Rys Dźwigary mostowe i stropowe (Belka mostowa typu T; FABET S.A.) Rys Rury Katedra Konstrukcji Budowlanych 23/61

24 Rys Słupy (żerdzie) energetyczne i trakcyjne (ELGIS-Garbatka Sp. z o.o.) Rys Pale fundamentowe (PRESTRESS INTERNATIONAL CORPORATION) Katedra Konstrukcji Budowlanych 24/61

25 1.4. Kablobeton. Systemy i urządzenia Wprowadzenie Technologia kablobetonu wymagająca specjalnych elementów i urządzeń jest aktualnie dostarczana przez wysoko wyspecjalizowane firmy lokalne (krajowe), ale częściej przez koncerny międzynarodowe, które posiadają odpowiednie środki i zaplecze do utrzymywania i rozwoju systemów sprężania. Często oferowana jest kompleksowa realizacja zadania polegająca na zaprojektowaniu konstrukcji i wykonaniu sprężenia. Firmy publikują katalogi zawierające dane technologiczne oferowanych systemów, a niekiedy i wytyczne projektowania. Podstawowe cechy odróżniające kablobeton od strunobetonu, to: Naciąg cięgien jest realizowany po stwardnieniu betonu elementu Cięgna kotwione są za pomocą uchwytów mechanicznych - zakotwień Fazy produkcji kablobetonu W technologii kablobetonu, przed zabetonowaniem elementu, w szkielecie zbrojenia osadza się osłony kanałów kablowych, często wraz z elementami oporowymi zakotwień. Po stwardnieniu betonu, cięgna w formie kabli są przewlekane przez kanały (choć często umieszcza się je w kanałach przy ich układaniu) a następnie naciągane za pomocą naciągarek hydraulicznych opierających się o beton elementu. Tym samym, jednocześnie z naciągiem kabli następuje sprężenie elementu. Po zakończeniu naciągu cięgna są kotwione i odpowiednio zabezpieczane. Jeśli kanały kablowe są wypełniane iniekcją cementową, wówczas cięgna uzyskują wtórną przyczepność do betonu (dzięki właściwościom masy iniekcyjnej i odpowiedniemu ukształtowaniu powierzchni osłony kanałów kablowych. Mamy wówczas do czynienia z cięgnami z przyczepnością i klasyczną konstrukcją kablobetonową. Przy stosowaniu sprężenia kablami bez przyczepności, często przestrzeń kanału wypełniona jest materiałami obniżającymi tarcie (co jest istotne przy silnie zakrzywionym przebiegu kabla). Materiały te zapewniają także ochronę antykorozyjną cięgien. W tej technologii, przez cały okres użytkowania konstrukcji, utrzymanie siły sprężającej odbywa się wyłącznie dzięki zakotwieniom mechanicznym, co wymaga ich pełnej niezawodności. W klasycznym kablobetonie, wtórna przyczepność cięgien daje dodatkowe bezpieczeństwo. Można wyróżnić następujące fazy wykonywania konstrukcji kablobetonowej: o Ułożenie i stabilizacja zbrojenia pomocniczego oraz kanałów kablowych o Betonowanie i dojrzewanie betonu o Przewlekanie kabli o Osadzanie bloków kotwiących i pras o Naciąg kabli o Kotwienie kabli o Zabezpieczenie kabli (ew. iniekcja) i zakotwień Podstawowe etapy produkcji pokazano schematycznie na Rys Katedra Konstrukcji Budowlanych 25/61

26 A Kanał kablowy A - A Prasa naciągowa A Betonowanie Zakotwienie Sprężanie Kotwienie Rys Podstawowe fazy produkcji elementu kablobetonowego Rys Układ osłon kanałów kablowych w mostowym dźwigarze skrzynkowym Rys Układ kabli w płycie stropu sprężonego Rys Prasa naciągowa w czasie naciągu Zalety i wady kablobetonu Katedra Konstrukcji Budowlanych 26/61

27 W stosunku do strunobetonu, technologia kablobetonu wykazuje następujące zalety Wykonywanie indywidualnych konstrukcji o dowolnym kształcie Możliwość sprężania na budowie (bez stałych wytwórni) Możliwość scalania sprężeniem konstrukcji segmentowych Podstawową wadą jest konieczność stosowania kosztownych konstrukcji kabli oraz zakotwień i pracochłonność procesu sytuowania kabli w elemencie Oprzyrządowanie Pomijając wyposażenie związane z wykonaniem elementu betonowego, tj. montaż zbrojenia i formy, betonowanie (które to nie różnią się zasadniczo od konstrukcji żelbetowych), w kablobetonie wykorzystuje się wiele elementów i urządzeń wyspecjalizowanych. Można wyróżnić: Osłony kablowe Zakotwienia i łączniki kabli Prasy naciągowe (naciągarki) z urządzeniami kontrolno - pomiarowymi Urządzenia do iniekcji kanałów Rys Elementy systemu sprężania (Freyssinett Polska) Katedra Konstrukcji Budowlanych 27/61

28 Osłony kablowe Ich zadaniem jest ukształtowanie przebiegu kabla i zapewnienie niezmienności położenia i drożności kanału kablowego w procesie betonowania oraz jego szczelności. W kablach z przyczepnością, injektowanych, powierzchnia osłon powinna być na tyle szorstka, aby zapewnić wtórną przyczepność cięgien do elementu. W kablach zewnętrznych, osłona powinna zapewniać właściwą ochronę antykorozyjną oraz odporność na uszkodzenia mechaniczne (uderzenie, celowe uszkodzenie). Rys Osłona z tworzywa sztucznego (Freyssinett Polska) Osłony PE cięgien Cięgna (sploty) ocynkowane galwanicznie Stalowa osłona kabla Rys Osłony z blachy zwijane (Freyssinett Polska) Rys Osłony i zabezpieczenie cięgien kabli zewnętrznych (Freyssinett Polska) Katedra Konstrukcji Budowlanych 28/61

29 Zakotwienia czynne Ich rozwiązania są przystosowane do przeprowadzenia naciągu kabli i ich zakotwienia. Rys Zakotwienia czynne ( System C, Freyssinett Polska) Zakotwienia bierne Mogą nie różnić się od zakotwień czynnych. Można stosować rozwiązania wygodniejsze i prostsze (a tym samym tańsze). Rys Zakotwienie bierne (System N, Freyssinett Polska) Rys Zakotwienie bierne (System G, Freyssinett Polska)) Katedra Konstrukcji Budowlanych 29/61

30 Łączniki, zakotwienia specjalne Rys Łącznik kablowy (System CC, Freyssinett Polska) Rys Zakotwienia specjalne do sprężania obwodowego ( System X, Freyssinett Polska) Katedra Konstrukcji Budowlanych 30/61

31 Prasy naciągowe Służą do naciągania i kotwienia cięgien. Stosuje się urządzenia do pojedynczych splotów (lub drutów), oraz umożliwiające jednoczesny naciąg wszystkich splotów kabla. Kotwienie w uchwytach roboczych Naciąg Kotwienie (wciskanie szczęk trwałych) Powrót (przy dużych wydłużeniach powtórzenie cyklu) Rys Sekwencje cyklu prasy naciągowej (Fot. TT Fijnmechanica B.V.) Katedra Konstrukcji Budowlanych 31/61

32 Rys Naciągarka pojedynczych splotów (Fot. Paul Maschinenfabrik GmbH & Co. KG) Rys Zakotwienia specjalne do sprężania obwodowego ( Fot. Freyssinett Polska) Urządzenia do iniekcji Są to agregaty wytwarzające i wtłaczające masę iniekcyjną w przestrzeń kanału kablowego. Rys Iniektarka (Fot. BBR) Inne urządzenia Spośród innych urządzeń związanych z technologią kablobetonową można wymienić: Siłomierze do pomiaru siły naciągu Służą do rejestracji i monitorowania wartości siły w cięgnach, także są montowane stale w szczególnie odpowiedzialnych konstrukcjach. Urządzenia do rozkatwiania kabli Umożliwiają rozkotwienie cięgien i zwalniania siły naciągu w przypadku konieczności wymiany kabli lub poszczególnych cięgien. Katedra Konstrukcji Budowlanych 32/61

33 Przykłady realizacji Obiekty mostowe Mosty belkowe Rys Most belkowy z prefabrykowanymi przęsłami kablobetonowymi (Walnut Lane Memorial Bridge, USA, 1956) Rys Most belkowy z przęsłami kablobetonowymi w technologii nasuwania (River Rewa Bridge, Fiji, 2006) Rys Most belkowy z przęsłami kablobetonowymi w technologii wspornikowej (Rama V Bridge, Tajlandia, 2002) Katedra Konstrukcji Budowlanych 33/61

34 Mosty wiszące Rys Most wiszący ze ściskanym łukiem (Most im. Antoniego Madalińskiego, Ostrołęka, 1996) Rys Most wiszący (Humber Bridge, Wlk. Brytania, 1981) Mosty wantowe Rys Most III Tysiąclecia im. Jana Pawła II przez Martwą Wisłę w Gdańsku, 2001 Mosty exteradosed Rys Odawara Blue Way Bridge, Japonia 1994 Katedra Konstrukcji Budowlanych 34/61

35 Elementy budynków Dźwigary dachowe Rys Typoszereg dźwigarów sprężonych Rys Dźwigary wspornikowe Torwar Warszawa Konstrukcje szkieletowe Rys Rama sprężona budynku szkieletowego Katedra Konstrukcji Budowlanych 35/61

36 Belki podsuwnicowe Rys Belka podsuwnicowa Zbiorniki, kopuły i silosy Rys Zbiornik sprężony (Fot. ABE NIKKO KOGYO CO.,LTD.) Katedra Konstrukcji Budowlanych 36/61

37 Rys Silos na cement (Fot. CUBUS HELLAS Ltd.) Rys Zbiornik wieżowy (Fot. Crom Prestressed Water Tanks) Katedra Konstrukcji Budowlanych 37/61

38 Inne obiekty inżynieryjne Rys Niecka basenu ROSIR Rzeszów Rys Kotew gruntowa prętowa (Fot. Zakład Inżynieryjny GEOREM Sp. z o.o.) Rys Kotew gruntowa kablowa (Fot. Stump - Hydrobudowa Sp. z o.o.) Katedra Konstrukcji Budowlanych 38/61

39 1.5. Beton podstawowe właściwości Składniki betonu Wprowadzenie Beton jest materiałem kompozytowym złożonym z kruszywa i spoiwa cementowego. W konstrukcjach sprężonych szczególne wymagania dotyczące wytrzymałości betonu wymagają szczególnie uważnego doboru składników charakteryzujących się zwiększonymi wymaganiami niż w przypadku konstrukcji żelbetowych. Kruszywo Kruszywo do betonów powinno charakteryzować się stałością właściwości fizycznych i jednorodnością uziarnienia oraz nie powinno zawierać składników szkodliwych ilości lub postaci, wywierającej wpływ na cechy betonu. Istotnymi parametrami kruszywa są: 1) Skład petrograficzny 2) Wytrzymałość (marka kruszywa) 3) Kształt i faktura powierzchni ziarna 4) Procentowy udział frakcji (skład ziarnowy krzywa przesiewu) 5) Wilgotność 6) Ciężar właściwy 7) Ciężar objętościowy Maksymalny wymiar ziarna kruszywa nie powinien przekraczać (zgodnie z Eurokodem-2): 1) ¼ minimalnej grubości przekroju betonu 2) Rozstawu cięgien minus 5 mm 3) 40 mm. Kruszywo grube ( 4 mm) Jako podstawowe stosuje się kruszywa łamane za skał magmowych (żwir, grys, grys z otoczaków) lub jako mieszanki (mieszanka kruszywa naturalnego sortowana, kruszywa łamanego i kruszywa z otoczaków). Kruszywo nie może zawierać zanieczyszczeń, głównie frakcji drobnych (glin, iłów, pyłów, cz. organicznych) Kruszywo drobne ( 2mm) Stosuje się piaski i piaski łamane sortowane i płukane (eliminacja zanieczyszczeń) Katedra Konstrukcji Budowlanych 39/61

40 Cement Cement spoiwo hydrauliczne otrzymywane ze zmielenia klinkieru cementowego z dodatkiem kamienia gipsowego (ok. 5%) i innych surowców, których wielkości wagowe wynoszą od 3 do 55% (żużel, pył krzemionkowy, pucolany, popiół lotny, wapień). Kamień gipsowy pełni rolę regulatora warunków wiązania cementu. Klinkier cementowy ( główny składnik cementu) powstaje przez wypalenie w temperaturze około 1450 C mieszaniny wapieni (margli) i glinokrzemianów (gliny) a następnie zmielenie. Podstawową cechą cementu jest klasa, określająca wytrzymałość znormalizowanej zaprawy na ściskanie oznaczona po 28 dniach twardnienia podaną w MPa. Klasę cementu dobiera się w zależności od klasy betonu przewidzianej w projekcie konstrukcji, co prowadzi do następującego podziału: 32,5; 32,5R; 42,5; 42,5R; 52,5; 52,5R (litera R oznacza, że cement ma wysoką wytrzymałość wczesną oznaczoną po 2 lub 7 dniach twardnienia). Zgodnie z obowiązującymi normami cementy powszechnego użytku można podzielić na cztery rodzaje: - CEM I cement portlandzki (bez dodatków), - CEM II cementy mieszane: żużlowy (S), krzemionkowy (D), pucolanowy (P-naturalny lub Q-przemysłowy), popiołowy (V-popiół lotny krzemionkowy, W-pipół lotny wapienny), wapienny (L), żużlowo-popiołowy (SV). - CEM III cement hutniczy wysoka odporność na działanie siarczanów i kwasów humusowych pozwala na stosowanie w środowiskach o podwyższonej agresywności. - CEM IV cement pucolanowy również wysoka odporność na negatywny wpływ środowisk o agresji kwaśnej (np. wody siarczanowej). Stosowany jako spoiwo do betonów i zapraw oraz do produkcji elementów z betonu komórkowego. Z uwagi na ilość dodatków cementy dzieli się na odmiany A i B, które określają dopuszczalną ilość dodatków dla poszczególnych rodzajów cementu. Klasę cementu dobiera się w zależności od klasy betonu przewidzianej w projekcie konstrukcji, co prowadzi do następującego podziału: - do betonów klas B 7,5 do B 30 i betonów komórkowych stosuje się cementy klas 32,5 i 32,5R - do betonów klas B 20 do B 50 (i wyższych) stosuje się cementy klas 42,5 i 42,5R Woda Woda zarobowa nie może zawierać zanieczyszczeń ani domieszek chemicznych w ilościach przekraczających dopuszczalne. Ogólnie można uważać, że woda wodociągowa jest przydatna do betonu. Dodatki i domieszki Służą otrzymaniu pożądanych cech betonu lub mieszanki betonowej. Katedra Konstrukcji Budowlanych 40/61

41 Domieszki chemiczne są definiowane w normie PN-EN jako materiały dodawane podczas wykonywania mieszanki betonowej, w ilości nie przekraczającej 5% masy cementu w celu modyfikacji właściwości mieszanki betonowej stwardniałego betonu. Rozróżniamy następujące rodzaje domieszek: domieszki uplastyczniające i upłynniające plastyfikatory i superplastyfikatory domieszki napowietrzające domieszki uszczelniające domieszki opóźniające domieszki przyśpieszające domieszki zimowe domieszki spęczniające domieszki stabilizujące domieszki do betonowania pod wodą domieszki spieniające domieszki do zaczynów iniekcyjnych emulsje polimerowe Dodatki mineralne Jako dodatki mineralne modyfikujące właściwości betonu stosowane są: popiół lotny mielony granulowany żużel wielkopiecowy pył krzemionkowy Podstawowy fizyczny mechanizm oddziaływania dodatków mineralnych dodawanych do betonu to uszczelnienie struktury. Charakteryzujące się wysokim stopniem rozdrobnienia (popiół lotny oraz pył krzemionkowy) wypełniają przestrzenie między ziarnami cementu, podobnie jak się to dzieje w przypadku cząstek cementu, które uszczelniają pustki między ziarnami piasku oraz w przypadku piasku uszczelniającego stos okruchowy kruszywa grubego. Dodatki mineralne powodują że beton charakteryzuje się wieloma bardzo korzystnymi właściwościami. Do właściwości tych należy zaliczyć: wzrost wytrzymałości początkowej i końcowej małą przepuszczalność dla gazów i cieczy zwiększoną odporność na korozję chemiczną zwiększoną mrozoodporność Podstawowe wymagania dla betonu w konstrukcjach sprężonych Ogólnie, beton w konstrukcjach sprężonych powinien charakteryzować się wysoką jakością. Na to pojęcie w szczególności składają się: Wysoka wytrzymałość na ściskanie (wynikająca głównie z niskiego współczynnika wodno-cementowego) Trwałość wynikająca ze szczelności uzyskiwanej dzięki obniżeniu zawartości cementu, właściwemu zagęszczeniu i pielęgnacji. Katedra Konstrukcji Budowlanych 41/61

42 Zminimalizowany skurcz i pełzanie (dzięki ograniczeniu ilości cementu i stosowaniu cementów specjalnych) Wytrzymałość Wytrzymałość betonu jest podstawowa cechą zapewniającą nośność elementu. W konstrukcjach sprężonych, konieczność stosowania betonów o wyższych wytrzymałościach wynika z następujących powodów: przeniesienia wysokich naprężeń w strefach zakotwień wymaganej nośności poszczególnych części elementu na ściskanie, rozciąganie i ścinanie oraz zapewnienie właściwej przyczepności cięgien zwiększeniu sztywności elementu ograniczającej ugięcia ograniczeniu rys skurczowych. Wytrzymałość na ściskanie Wytrzymałość na ściskanie jest określana za pomocą klas wytrzymałości odnoszących się do wytrzymałości charakterystycznej, uzyskiwanej przez nie mniej niż 95% ilości (próbek) betonu w wieku 28 dni. Wśród klas betonu opisanych w Eurokodzie, w konstrukcjach sprężonych mają zastosowanie klasy zawarte w Tab Tab Wybrane parametry klas betonów według Eurokodu2 Klasa Beton zwykły Beton wysokowartościowy f ck/f ck,cube C25/30 C30/37 C35/45 C40/C50 C45/55 C50/60 C55/67 C60/75 C70/85 C80/95 C90/105 f ctm, MPa 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 E cm, GPa c1, ( ) 2,1 2,2 2,25 2,3 2,4 2,45 2,5 2,6 2,7 2,8 2,8 cu1, ( ) 3,5 3,2 3,0 2,8 2,8 2,8 c2, ( ) 2,0 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 cu2, ( ) 3,5 3,1 2,9 2,7 2,6 2,6 n 2,0 1,75 1,6 1,45 1,4 1,4 c3, ( ) 1,75 1,8 1,8 2,0 2,2 2,3 cu3, ( ) 3,5 3,1 2,9 2,7 2,6 2,6 W zależności od sposobu określania rozróżnia się wytrzymałość charakterystyczną walcową f ck, lub wytrzymałość charakterystyczną kostkową f ck,cube. Wytrzymałość kostkowa odnosi się do wyników badań kontrolnych określanych na próbkach sześciennych 150 mm, zaś walcowa na próbkach walcowych o wysokości 300 mm i średnicy 150 mm. Wytrzymałość charakterystyczna f ck określa realną wytrzymałość betonu na ściskanie w konstrukcji. Wymagania dla betonu określa PN-EN Wytrzymałość na rozciąganie Eurokod rekomenduje doświadczalne określanie wytrzymałości betonu na rozciąganie w tych sytuacjach, gdy jest to szczególnie istotne. W przeciętnych sytuacjach, wystarczająca jest zależność wiążąca średnią wytrzymałość na rozciąganie f ctm ze średnią wytrzymałością na ściskanie f cm. Katedra Konstrukcji Budowlanych 42/61

43 Moduł sprężystości Jest to parametr decydujący o sztywności elementu sprężonego. Moduł sprężystości betonu jest bezpośrednio wykorzystywany w obliczeniach konstrukcji sprężonych. Trwałość betonu Trwałość betonu de facto zapewnia trwałość elementu sprężonego. Jest to cecha w praktyce równie istotna jak ogólnie pojęte cechy wytrzymałościowe rozważanej konstrukcji. Trwałość ta jest definiowana jako odporność na warunki klimatyczne, agresję chemiczną, abrazję i inne procesy niszczące. Ewoluowanie norm odnoszących się do konstrukcji sprężonych co raz większy naciska kładło właśnie na zapewnienie odpowiedniej trwałości konstrukcji. Zapewnienie trwałości betonu w ujęciu praktycznym i normowym odbywa się poprzez określenie konkretnych wymagań w odniesieniu do składu i wybranych cech betonu, w warunkach odpowiednio zdefiniowanych oddziaływań środowiskowych. Zagrożenia środowiskowe istotne z punktu widzenia trwałości to: Agresja chemiczna ( w szczególności kwasy, chlorki w tym: środki odladzające) Alkaliczna reaktywność kruszywa Działalność wody morskiej Destrukcja mrozowa Korozja zbrojenia Trwałość betonu jest ściśle związana z jego nasiąkliwością a ogólnie - ze szczelnością struktury. Czyli beton powinien być szczelny i zachowywać właściwe do warunków otulenie zbrojenia. Podstawowe znaczenie ma tu użycie właściwych materiałów i dobra jakość wykonania betonu oraz jego wbudowania w konstrukcję. Zależności naprężenie odkształcenie dla betonu Beton poddany jednoosiowemu ściskaniu Wartość naprężeń ściskających powstających w betonie w zależności od jego odkształceń początkowo jest liniowa, zaś przy wzroście odkształceń, naprężenia rosną wolniej, czy też wręcz mogą maleć. Podstawowy nieliniowy model betonu zawarty w Eurokodzie, opisany jest funkcją: 2 c k, dla 0 < fcm 1 (k 2) c < cu1 gdzie: = c / c1 ; c1 odkształcenie przy maksymalnej wartości naprężeń, k = 1,05E cm c1 /f cm cu1 - nominalne odkształcenia graniczne Parametry c1, cu1 zależą od klasy betonu. Rys Normowy model betonu do nieliniowej analizy konstrukcji Katedra Konstrukcji Budowlanych 43/61

44 BETONOWE KONSTRUKCJE SPRĘŻONE Rys Nieliniowe charakterystyki normowe wybranych klas betonów Pełzanie betonu Pełzanie betonu jest definiowane jako przyrost deformacji w czasie pod stale utrzymywanym obciążeniem. Z powodu pełzania następuje znaczący spadek siły sprężającej oraz rosną np. ugięcia. Określenie tego efektu jest więc istotne na etapie projektowania od określenia strat siły sprężającej. Pełzanie na swoje źródła w dwóch przyczynach: o Zmiany strukturalne zaczynu cementowego o Wypieranie wody z przestrzeni porów Jeśli beton poddany jest wolno narastającemu obciążeniu, zależność naprężeń od odkształceń jest wydłużona w osi odkształceń w porównaniu do zależności przy szybkim obciążaniu, o czym decyduje pełzanie. Jeśli obciążenie jest utrzymywane na określonym poziomie, przyrost odkształceń wskutek pełzania przesuwa krzywą odkształcenie - naprężenie przy szybkim obciążeniu do krzywej przy wolnym przyroście obciążenia. Szybkie obciążanie Wolne obciążanie Efekt pełzania c Rys Odkształcalność betonu ściskanego Katedra Konstrukcji Budowlanych 44/61