Zagadnienia technologiczne i materiałowe w konstrukcjach sprężonych, Studia, Konstrukcje sprężone
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
XVII OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA WARSZTAT PRACY PROJEKTANTA KONSTRUKCJI
Ustroń, 20
÷
23 lutego 2002 r.
Krzysztof Dyduch
Wit Derkowski
ZAGADNIENIA TECHNOLOGICZNE I MATERIAŁOWE
W KONSTRUKCJACH SPRĘŻONYCH
1.Wstęp
Sprężenie jest celowym i świadomym wprowadzeniem w konstrukcję sił, które
wywołują przed jej użytkowaniem stan naprężeń przeciwny do naprężeń wywołanych
obciążeniami przenoszonymi przez konstrukcję.
Zabieg sprężenia stosuje się przede wszystkim w konstrukcjach z betonu. Znane są jednak
zastosowania sprężenia w konstrukcjach stalowych [1], a ostatnio również w konstrukcjach
murowych [2].
Siła ściskająca beton w przekroju ustroju sprężonego realizowana jest poprzez rozciąganie
specjalnej stali sprężającej, trwale zakotwionej w konstrukcji. W ostatnim okresie pojawiły
się cięgna sprężające z materiałów kompozytowych na bazie włókien węglowych lub
włókien aramidowych. Znane w literaturze sprężenie termiczne lub sprężenie przy użyciu
betonu ekspansywnego należy do rozwiązań marginalnych.
Sprężenie w przekroju betonowym występuje w dwóch zróżnicowanych formach
przekazania siły na beton: jako konstrukcje kablobetonowe lub konstrukcje strunobetonowe.
W konstrukcjach kablobetonowych
sprężenie jest realizowane poprzez rozciąganą
stal sprężającą po osiągnięciu przez beton wymaganej wytrzymałości. W procesie sprężania,
cięgno nie posiada kontaktu z otaczającym go betonem i znajduje się w szczelnych
osłonkach. Model belki kablobetonowej pokazano na rys. 1.
Pomiar siły sprężającej wykonuje się z jednej strony poprzez kontrolowany naciąg
zestawem prasa hydrauliczna – agregat pompowy, a z drugiej poprzez kontrolę
przewidzianych wydłużeń cięgna. Po sprężeniu i zakotwieniu cięgien w zakotwieniach
wykonuje się iniekcję cięgien tj. szczelne wypełnienie kanałów kablowych zaczynem
iniekcyjnym zapewniającym przyczepność stali sprężającej do betonu w każdym przekroju
rozważanego elementu oraz zabezpieczającym stal sprężającą przed korozją. W kablach bez
przyczepności stosuje się iniekcję cięgien komponentami na bazie wosku modyfikowanego,
zabezpieczającymi tylko przed korozją cięgien.
Rys. 1. Model belki kablobetonowej.
Coraz częściej stosuje się, w pewnych rozwiązaniach technicznych związanych przede
wszystkim ze wzmacnianiem konstrukcji, tzw. cięgna niskotarciowe pozwalające na cztero
lub pięciokrotne zabezpieczenie stali sprężającej przed korozją – rys. 2.
Rys. 2. Przekrój poprzeczny cięgna niskotarciowego: 1 – osłonka polietylenowa
zewnętrzna; 2 – iniekcja cementowa; 3 – splot; 4 – smar antykorozyjny; 5 -
osłonka polietylenowa wewnętrzna.
W konstrukcjach strunobetonowych
sprężenie cięgien sprężających realizowane jest
na torze naciągowym przed betonowaniem elementu. Do sprężania stosuje się również
specjalne zespoły naciągowe: prasa hydrauliczna – agregat pompowy. Po zakotwieniu stali
sprężającej w kozłach oporowych następuje zabetonowanie elementu w przygotowanych
formach, a następnie beton poddany jest procesowi przyspieszonego dojrzewania.
Przekazanie siły sprężającej na element następuje dopiero po osiągnięciu przez beton
odpowiedniej wytrzymałości. Proces wykonywania konstrukcji strunobetonowej pokazano
schematycznie na rys. 3.
Rys.3. Schemat ideowy wykonania elementu strunobetonowego o prostej trasie cięgien
sprężających.
Coraz częściej pojawiają się możliwości zmiany trasy cięgien na długości elementu
strunobetonowego poprzez odgięcie cięgien przy podporach – rys. 4. Stwarza to nowe
możliwości konstrukcyjne redukcji siły poprzecznej w pracującej konstrukcji.
Rys. 4. Element strunobetonowy z odgiętymi cięgnami sprężającymi.
2. Materiały do konstrukcji sprężonych
2.1 Beton
Konstrukcje sprężone stawiają przed betonem wysokie wymagania. Wynikają one ze
szczególnych warunków pracy betonu w tych konstrukcjach, a mianowicie:
-
beton poddany jest dużym siłom ściskającym,
-
beton narażony jest na działanie dużych skoncentrowanych sił przy zakotwieniach,
-
wymagany jest wysoki moduł sprężystości E
cm
z uwagi na ograniczenie doraźnych strat
sprężenia i ugięć konstrukcji,
-
w konstrukcjach strunobetonowych wymagana jest wysoka przyczepność stali do
betonu
-
w wielu konstrukcjach sprężonych wymagana jest szczelność .
Do wykonywania betonów dla konstrukcji sprężonych stosuje się:
- cementy portlandzkie: CEM I 32,5, 32,5R
CEM I 42,5, 42,5R
CEM I 52,5, 52,5R
przy czym cementy szybkotwardniejące R o wysokiej wytrzymałości wczesnej są
szczególnie przydatne w prefabrykatach strunobetonowych,
-
kruszywa łamane ze skał magmowych tj. bazalt, granit, czasem diabaz i porfir,
-
atestowane dodatki uplastyczniające, uszczelniające, przyspieszające lub opóźniające
wiązanie, uodporniające na wpływy chemiczne lub wpływ niskich temperatur w okresie
twardnienia. Dodatki te winny być stosowane w takich ilościach aby nie powodować
zmniejszenia trwałości betonu i nie sprzyjać korozji zbrojenia.
W najnowszej normie polskiej PN-B-03264:1999 [3], a także w EC2 [4] najwyższa
klasa betonu dopuszczona w konstrukcjach sprężonych wynosi B30 dla kablobetonu i B37
dla strunobetonu.
Równocześnie do budowy budynków wysokich, platform morskich
a przede wszystkim do budowy mostów, stosuje się coraz częściej betony wysokiej
wytrzymałości tj. betony o klasie przewyższającej B60 [5]. Zastosowanie tych betonów
pozwala na zmniejszenie przekroju słupów w budynkach wysokich, powiększenie trwałości
i szczelności platform, a ponadto daje możliwość sprężenia mostów już po 24 godzinach od
chwili ich zabetonowania.
Zastosowanie betonów wysokich wytrzymałości pozwala na znaczące ograniczenie
odkształceń długotrwałych. Stopień tej redukcji zależy od poziomu obciążenia konstrukcji
a mianowicie:
-
dla poziomu obciążeń bliskich rysującym (25 do 30 % obciążeń granicznych) redukcja
ugięć sięga od 20 % do 40 % w zależności od składu betonu,
-
dla poziomu obciążeń normalnych (40 do 60 % obciążeń granicznych) można
oczekiwać redukcji ugięć długotrwałych do 50 %,
-
dla wysokiego poziomu obciążeń (75 % obciążeń granicznych) zastosowanie BWW
pozwala na redukcję ugięć rzędu 15 %.
Na rys. 1 przedstawiono obliczeniowe wielkości ugięcia trójprzęsłowej płyty
jednokierunkowo zginanej. Porównanie obejmuje płyty wykonane z betonu zwykłego klasy
B30 (BZ) oraz betonu klasy B70 (BWW). Obliczenia przeprowadzono dla różnych
stosunków
wyrażających proporcję wielkości przyłożonego obciążenia q do obciążenia
ρ
granicznego q
u
. Wartości q
r
pokazane na rysunku są wartościami obciążenia rysującego
płytę.
Rys. 5. Porównanie ugięcia beki z betonu zwykłego i BWW
Według EC2 July 1999(2
nd
draft) [6] dla kablobetonu i kabli bezprzyczepnościowych
beton powinien mieć pewną minimalną wytrzymałość w chwili sprężenia
f
cmj
f
ck
, gdzie
f
jest średnią wytrzymałością betonu w elemencie, wyznaczoną z wytrzymałości
pobranych próbek.
Jeśli kable w przekroju są kolejno sprężane podczas wznoszenia konstrukcji (sprężanie
etapowe), wymagana wytrzymałość betonu
cmj
f
może być liniowo zredukowana,
proporcjonalnie do końcowej siły sprężającej. Minimalna wytrzymałość
cmj
f powinna
f . EC2 [4] wymaga aby minimalna wytrzymałość betonu w chwili
sprężenia była podana w aprobatach technicznych dotyczących określonych systemów
sprężania.
2.2 Zbrojenie pasywne w betonie sprężonym
Do zbrojenia betonu sprężonego stosuje się stal żebrowaną 18G2 (mosty) lub 34GS
(inne konstrukcje nie poddane obciążeniom zmęczeniowym). Coraz częściej z uwagi na
uruchomienie produkcji w Polsce będzie stosować się stal żebrowaną ST500S – właściwości
tej stali zostaną umieszczone w najnowszej edycji PN-B-03264:1999. Przekrój zbrojenia
zwykłego w betonowych przekrojach sprężonych zależeć będzie od założeń
obliczeniowych, w których uwydatniają się dwa podejścia :
≥
cmj
jednak wynosić 0,3
ck
[ Pobierz całość w formacie PDF ]