Betonowe konstrukcje sprężone

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
BETONOWE KONSTRUKCJE SPRĘŻONE
dr inż. Zbigniew Plewako
1. Konstrukcje sprężone. Technologie i materiały
1.1. Wprowadzenie
1.1.1. 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. 1.1-1
).
Rys. 1.1-1
Nabijanie obręczy na beczkę
Rys. 1.1-2
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. 1.1-2).
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
 BETONOWE KONSTRUKCJE SPRĘŻONE
dr inż. Zbigniew Plewako

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.
1.1.2. 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. 1.1-3
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. 1.1-4
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
BETONOWE KONSTRUKCJE SPRĘŻONE
dr inż. Zbigniew Plewako
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. 1.1-5
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
BETONOWE KONSTRUKCJE SPRĘŻONE
dr inż. Zbigniew Plewako
(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.
1.1.3. 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.
1867 Monier J. (Francja)
Zastosowanie drutów stalowych w betonie w produkcji doniczek, rur, łuków i płyt.
1886 Jackson P. H. (USA)
Zastosowanie wstępnego naciągu w ściągach łuków z elementów betonowych i kamiennych.
Rys. 1.1-6
Stalowe ściągi w łukach
1888 Doehring C. E. W. (Niemcy)
Produkcja płyt i niewielkich belek betonowych z napiętym zbrojeniem.
Katedra Konstrukcji Budowlanych
4/61
 BETONOWE KONSTRUKCJE SPRĘŻONE
dr inż. Zbigniew Plewako
1908 Stainer C. R. (USA)
Odkrycie strat skurczu i pełzania i propozycja ich likwidacji poprzez „dociągnięcie” wstępnie napiętych
prętów.
1923 Emperger F. (Austria)
Opracowanie metody nawijania napiętych drutów ze stali o wysokiej wytrzymałości wokół rur betonowych.
1924 Hewett W. H. (USA)
Zastosowanie pętli zbrojenia poziomego ze stali o wysokiej wytrzymałości wokół ścian zbiorników
betonowych napinanych za pomocą klamer zatrzaskowych.
1926 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. 1.1-7
Eugène Freyssinet (1879 - 1962)
1938 Hoyer E. (Niemcy)
Opracował metodę „długich torów” realizacji elementów strunobetonowych.
1940 Magnel G. (Belgia)
Opracował system kotwienia do kablobetonu za pomocą płaskich klinów.
Katedra Konstrukcji Budowlanych
5/61
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]