Każdy inżynier budownictwa musi znać odpowiedź na to pytanie, ponieważ uważa się je za najważniejsze pytanie dla inżyniera budownictwa.
Beton sprężony jest jedną z najważniejszych części konstrukcji i powinieneś i musisz mieć odpowiednią wiedzę na jego temat. Rozumiemy to szczegółowo.
Konstrukcja z betonu sprężonego różni się od konwencjonalnej konstrukcji z betonu zbrojonego ze względu na zastosowanie początkowego obciążenia konstrukcji przed jej użyciem. Początkowe obciążenie lub naprężenie wstępne stosuje się w celu umożliwienia konstrukcji przeciwdziałania naprężeniom powstającym w okresie eksploatacji. Naciskanie struktur zostało wprowadzone pod koniec XIX wieku. Koncepcja sprężania istniała przed zastosowaniem w betonie.
Dwa przykłady sprężania przed opracowaniem betonu sprężonego
Mocowanie metalowych opasek na drewnianych beczkach Metalowe opaski wywołują stan początkowej kompresji obręczy, aby przeciwdziałać naprężeniu obręczy spowodowanemu napełnianiem cieczy w beczkach
Wstępne napinanie szprych w kole rowerowym. Naprężenie wstępne szprychy w kole rowerowym jest stosowane w takim stopniu, że zawsze będzie występowało napięcie szczątkowe szprychy
W przypadku betonu naprężenia wewnętrzne są wywoływane (zwykle za pomocą naprężonej stali) z następujących powodów. Wytrzymałość betonu na rozciąganie wynosi tylko około 8% do 14% jego wytrzymałości na ściskanie. Pęknięcia mają tendencję do powstawania na wczesnych etapach obciążenia w elementach zginających, takich jak belki i płyty. Aby zapobiec takim pęknięciom, siłę ściskającą można odpowiednio zastosować w kierunku prostopadłym. Sprężanie zwiększa możliwości zginania, ścinania i skręcania elementów zginających. W rurach i zbiornikach magazynujących ciecze naprężenia rozciągające obręczy można skutecznie przeciwdziałać przez okrągłe sprężanie.
Poniższy szkic wyjaśnia zastosowanie sprężania wstępnego.
Przed betonowaniem umieść i rozciągnij pręty ze stali miękkiej
Rysunek - Naprężanie belek betonowych prętami ze stali miękkiej
Pręty ze stali miękkiej są rozciągnięte, a wokół nich wylany jest beton. Po stwardnieniu betonu napięcie w prętach zostaje zwolnione. Pręty spróbują odzyskać swoją oryginalną długość, ale zapobiega temu otaczający beton, z którym stal jest związana. W ten sposób beton jest obecnie w stanie wstępnej kompresji. Jest w stanie przeciwdziałać naprężeniom rozciągającym, takim jak wynikające z obciążenia pokazanego na poniższym szkicu.
Jednak wczesne próby sprężania nie były całkowicie udane. Zaobserwowano, że efekt sprężania zmniejszał się z czasem. Zdolności członków do obciążania były ograniczone. Pod ciągłym obciążeniem członkowie okazali się nieskuteczni. Wynika to z następującego powodu. Beton kurczy się z czasem. Ponadto w przypadku długotrwałego obciążenia odkształcenie betonu wzrasta wraz ze wzrostem czasu. Jest to znane jako odkształcenie pełzające. Zmniejszenie długości spowodowane pełzaniem i kurczeniem ma również zastosowanie do osadzonej stali, co powoduje znaczną utratę naprężenia rozciągającego.
Formy ze stali sprężającej
Przewody - Drut sprężający to pojedynczy zespół wykonany ze stali.
Sploty - Dwa, trzy lub siedem drutów nawija się, tworząc pasmo sprężające.
Ścięgno - grupa splotów lub drutów jest nawinięta w celu utworzenia cięgna sprężającego.
Kabel - grupa cięgien tworzy kabel sprężający.
Pręty - ścięgno może składać się z pojedynczego pręta stalowego. Średnica pręta jest znacznie większa niż średnica drutu.
Charakter interfejsu beton-stal
Ściskane ścięgno - Gdy istnieje odpowiednie połączenie między cięgnem sprężającym a betonem, nazywane jest ono ścięgnem wiązanym. Wstępnie naprężone i spoinowane ścięgna po naprężeniu to ścięgna wiązane.
Ścięgno niezwiązane - Gdy nie ma połączenia między ścięgnem sprężającym a betonem, nazywa się je ścięgnem niezwiązanym. Gdy zaprawa nie jest nakładana po naprężeniu, ścięgno jest ścięgnem niezwiązanym. Etapy ładowania Analiza wstępnie naprężonych elementów może być różna dla różnych etapów ładowania.
Etapy ładowania są następujące.
1) Początkowe: można podzielić na dwa etapy.
a) Podczas napinania stali
b) Przy przenoszeniu sprężania na beton.
2) Pośredni: Obejmuje obciążenia podczas transportu wstępnie naprężonych elementów.
3) Finał: można go podzielić na dwa etapy.
a) Podczas obsługi, podczas pracy.
b) W ostateczności, podczas wydarzeń ekstremalnych
Zalety sprężania wstępnego
Sprężanie betonu ma kilka zalet w porównaniu do tradycyjnego betonu zbrojonego (RC) bez sprężania. W pełni sprężony betonowy element jest zwykle poddawany ściskaniu podczas okresu użytkowania. To naprawia kilka braków betonu. Poniższy tekst szeroko wspomina o zaletach betonowego elementu sprężonego z równoważnym członem RC. Dla każdego efektu wymienione są korzyści.
Sekcja pozostaje niespękana pod obciążeniami eksploatacyjnymi.
Redukcja korozji stali Zwiększona trwałość.
Wykorzystywana jest pełna sekcja
Wyższy moment bezwładności (większa sztywność)
Mniej deformacji (lepsza łatwość obsługi).
Zwiększenie zdolności ścinania.
Nadaje się do stosowania w zbiornikach ciśnieniowych, strukturach utrzymujących ciecz. Lepsza wydajność (sprężystość) przy obciążeniu dynamicznym i zmęczeniowym.
Wysokie współczynniki rozpiętości na głębokość Większe rozpiętości możliwe przy sprężaniu (mosty, budynki z dużymi przestrzeniami wolnymi od kolumn) Poniżej podano typowe wartości stosunku rozpiętości do głębokości w płytach.
Płyta bez naprężenia 28: 1 Płyta sprężona 45: 1 Dla tej samej rozpiętości, mniejsza głębokość w porównaniu z elementem RC.
Zmniejszenie ciężaru własnego.
Większa estetyka dzięki smukłym profilom
Bardziej ekonomiczne sekcje.
Nadaje się do konstrukcji prefabrykowanych
Zalety konstrukcji prefabrykowanych są następujące.
Szybka konstrukcja
Lepsza kontrola jakości
Zredukowana konserwacja odpowiednia do powtarzalnych konstrukcjiWielokrotne użycie szalunków.
Redukcja szalunków.
Dostępność standardowych kształtów.
Po naprężeniu
Systemy sprężania rozwijały się przez lata, a różne firmy opatentowały swoje produkty. Szczegółowe informacje o systemach znajdują się w katalogach produktów i broszurach publikowanych przez firmy. Istnieją ogólne wytyczne dotyczące sprężania w rozdziale 12 IS 1343: 1980. Informacje podane w tej sekcji mają charakter wprowadzający, z naciskiem na podstawowe pojęcia systemów. Systemy sprężania i urządzenia są opisane oddzielnie dla dwóch rodzajów sprężania, wstępnego naprężania i napinania. Ta sekcja obejmuje napinanie końcowe. Systemy i urządzenia do napinania wstępnego, napinanie wstępne. W naprężeniu końcowym naprężenie jest przykładane do ścięgien po stwardnieniu betonu. Etapy napinania są opisane poniżej.
Etapy naprężania końcowego
W systemach naprężających przewody do cięgien (lub pasm) są umieszczane razem ze zbrojeniem przed odlewaniem betonu. Ścięgna są umieszczane w kanałach po wylaniu betonu. Przewód zapobiega kontaktowi betonu i cięgien podczas operacji napinania. W przeciwieństwie do naprężania wstępnego, ścięgna są ciągnięte z reakcją działającą na stwardniały beton. Jeśli kanały są wypełnione zaprawą, to jest to znane jako naprężenie wiązane. Fuga jest czystą pastą cementową lub zaprawą cementowo-piaskową zawierającą odpowiednią domieszkę.
W naprężeniach niezwiązanych, jak sugeruje nazwa, kanały nigdy nie są fugowane, a ścięgno jest utrzymywane w napięciu wyłącznie przez zakotwienia końcowe. Poniższy szkic przedstawia schematyczne przedstawienie zaprawionego elementu po naprężeniu. Profil kanału zależy od warunków podparcia. W przypadku elementu po prostu podtrzymywanego, kanał ma profil zwisający pomiędzy końcami. W przypadku elementu ciągłego kanał zwisa w przęśle i wieprze nad podporą.
Różne etapy operacji napinania podsumowano w następujący sposób.
Odlewanie betonu.
Umieszczenie ścięgien.
Umieszczenie bloku kotwiczącego i podnośnika. Naprężenie ścięgien.
Siedzenie klinów.
Cięcie ścięgien
Żelbet zbrojony (RC) jest materiałem kompozytowym, w którym stosunkowo niskiej wytrzymałości na rozciąganie i plastyczności betonu przeciwdziała się przez włączenie zbrojenia mającego wyższą wytrzymałość na rozciąganie lub ciągliwość. Wzmocnienie jest zwykle, choć niekoniecznie, stalowymi prętami zbrojeniowymi (prętem zbrojeniowym) i zwykle jest osadzone pasywnie w betonie przed zestawami betonowymi. Schematy zbrojenia są na ogół zaprojektowane tak, aby były odporne na naprężenia rozciągające w poszczególnych obszarach betonu, które mogą powodować niedopuszczalne pękanie i / lub uszkodzenie strukturalne. Nowoczesny beton zbrojony może zawierać różne materiały wzmacniające wykonane ze stali, polimerów lub alternatywnego materiału kompozytowego w połączeniu z prętami zbrojeniowymi lub nie. Beton zbrojony może być również trwale obciążony (w naprężeniu), aby poprawić zachowanie ostatecznej konstrukcji pod obciążeniami roboczymi. W Stanach Zjednoczonych najczęstsze metody działania to napinanie wstępne i napinanie.
W przypadku mocnej, ciągliwej i wytrzymałej konstrukcji zbrojenie musi mieć co najmniej następujące właściwości:
Wysoka siła względna.
Wysoka tolerancja na rozciąganie.
Dobre połączenie z betonem, niezależnie od pH, wilgotności i podobnych czynników.
Kompatybilność termiczna, nie powodująca niedopuszczalnych naprężeń w odpowiedzi na zmieniające się temperatury.
Trwałość w środowisku betonu, niezależnie od korozji lub długotrwałego naprężenia.
Użyj w budownictwie
Rebars of Sagrada Família's roof in construction (2009)
· Wiele różnych typów konstrukcji i komponentów konstrukcji można zbudować przy użyciu betonu zbrojonego, w tym płyt, ścian, belek, kolumn, fundamentów, ram i innych.
Beton zbrojony można sklasyfikować jako beton prefabrykowany lub odlewany.
Projektowanie i wdrażanie najbardziej wydajnego systemu podłogowego jest kluczem do stworzenia optymalnych struktur budowlanych. Niewielkie zmiany w projekcie systemu podłogowego mogą mieć znaczący wpływ na koszty materiałów, harmonogram budowy, ostateczną wytrzymałość, koszty operacyjne, poziomy obłożenia i końcowe użytkowanie budynku.
Bez wzmocnienia nie byłoby możliwe zbudowanie nowoczesnych konstrukcji z betonu.
Cechy charakterystyczne
Trzy cechy fizyczne nadają żelbetowi specjalne właściwości:
Współczynnik rozszerzalności cieplnej betonu jest podobny do współczynnika rozszerzalności cieplnej stali, eliminując duże naprężenia wewnętrzne z powodu różnic rozszerzalności cieplnej lub kurczenia.
Gdy pasta cementowa w betonie twardnieje, jest to zgodne ze szczegółami powierzchni stali, umożliwiając skuteczne przenoszenie naprężeń pomiędzy różnymi materiałami. Zazwyczaj pręty stalowe są szorstkowane lub faliste, aby jeszcze bardziej poprawić wiązanie lub spójność pomiędzy betonem a stalą.
Alkaliczne środowisko chemiczne dostarczane przez rezerwę alkaliczną (KOH, NaOH) i portlandyt (wodorotlenek wapnia) zawarte w utwardzonej paście cementowej powoduje tworzenie się pasywującej warstwy na powierzchni stali, co czyni ją znacznie bardziej odporną na korozję niż byłoby to możliwe. być w warunkach neutralnych lub kwaśnych. Gdy pasta cementowa jest wystawiona na działanie powietrza i woda meteorytowa reaguje z atmosferycznym CO2, portlandyt i hydrat krzemianu wapnia (CSH) utwardzonej pasty cementowej stają się stopniowo nasycane dwutlenkiem węgla, a wysokie pH stopniowo zmniejsza się z 13,5 - 12,5 do 8,5, pH wody w równowadze z kalcytem (węglan wapnia) i stal nie jest już pasywowana.
Zasadą jest, że tylko po to, aby dać pomysł na rzędy wielkości, stal jest chroniona przy pH powyżej ~ 11, ale zaczyna korodować poniżej ~ 10 w zależności od charakterystyki stali i lokalnych warunków fizykochemicznych, gdy beton staje się gazowany. karbonatyzacja betonu wraz z wnikaniem chlorków to główne przyczyny awarii prętów zbrojeniowych w betonie.
Względna powierzchnia przekroju stali wymagana dla typowego zbrojonego betonu jest zwykle dość mała i waha się od 1% dla większości belek i płyt do 6% dla niektórych kolumn. Pręty zbrojeniowe mają zwykle okrągły przekrój poprzeczny i różnią się średnicą. Konstrukcje ze zbrojonego betonu czasami mają takie elementy, jak wentylowane puste rdzenie, aby kontrolować ich wilgotność i wilgotność.
Rozkład wytrzymałości betonu (pomimo zbrojenia) na przekrój poprzeczny pionowych elementów żelbetowych jest niejednorodny
Wzmocnienie i terminologia belek
Dwie przecinające się belki stanowiące integralną część płyty garażu parkingowego, które będą zawierały zarówno stal zbrojeniową, jak i okablowanie, skrzynki połączeniowe i inne elementy elektryczne niezbędne do zainstalowania oświetlenia górnego dla poziomu garażu pod nim.
Belka wygina się w momencie zgięcia, co powoduje małą krzywiznę. Na zewnętrznej powierzchni (powierzchni rozciągającej) krzywizny beton doświadcza naprężeń rozciągających, podczas gdy na wewnętrznej powierzchni (powierzchnia ściskająca) naprężenia ściskające.
Pojedynczo wzmocniona belka to taka, w której element betonowy jest tylko wzmocniony w pobliżu powierzchni rozciągającej, a wzmocnienie, nazywane stalą naprężającą, jest zaprojektowane tak, aby oprzeć się naprężeniu.
Podwójnie wzmocniona belka to taka, w której oprócz zbrojenia rozciągającego element betonowy jest również wzmocniony w pobliżu powierzchni ściskającej, aby pomóc betonowi wytrzymać ściskanie. To ostatnie wzmocnienie nazywane jest stalą kompresyjną. Gdy strefa ściskania betonu jest niewystarczająca, aby oprzeć się momentowi ściskającemu (momentowi dodatniemu), należy zapewnić dodatkowe wzmocnienie, jeśli architekt ogranicza wymiary przekroju.
Belka niedostatecznie wzmocniona to taka, w której wytrzymałość na rozciąganie zbrojenia jest mniejsza niż łączna zdolność ściskania betonu i stali kompresyjnej (niedostatecznie wzmocniona na powierzchni rozciągającej). Gdy element z betonu zbrojonego podlega wzrastającemu momentowi zginającemu, stal napinająca osiąga, podczas gdy beton nie osiąga swojego ostatecznego stanu zniszczenia. W miarę jak stal napinająca się ugina i rozciąga, beton „niewzmocniony” również ulega ciągliwości, wykazując dużą deformację i ostrzeżenie przed ostatecznym uszkodzeniem. W tym przypadku granica plastyczności stali reguluje projekt.
Wzmocniona belka to taka, w której zdolność naprężania stali naprężającej jest większa niż łączna zdolność ściskania betonu i stali kompresyjnej (nadmiernie wzmocniona na powierzchni rozciągającej). Tak więc wiązka „betonu zbrojonego” ulega awarii przez zgniecenie betonu w strefie ściskającej i przed uzyskaniem stali w strefie naprężenia, co nie zapewnia żadnego ostrzeżenia przed awarią, ponieważ awaria jest natychmiastowa.
Zbalansowana, wzmocniona belka to taka, w której zarówno strefa ściskająca, jak i rozciągająca osiągają wytrzymałość przy tym samym nałożonym obciążeniu belki, a beton ulegnie zmiażdżeniu, a stal na rozciąganie osiągnie jednocześnie. To kryterium projektowe jest jednak tak ryzykowne jak beton zbrojony, ponieważ uszkodzenie jest nagłe, gdy beton kruszy się w tym samym czasie, co plony ze stali rozciągającej, co daje bardzo małe ostrzeżenie o niebezpieczeństwie w przypadku uszkodzenia napięcia.
Elementy przenoszące moment betonowy wzmocnione stalą powinny być zwykle zaprojektowane tak, aby były niedostatecznie wzmocnione, aby użytkownicy konstrukcji otrzymali ostrzeżenie o zbliżającym się zapadnięciu.
Charakterystyczną wytrzymałością jest wytrzymałość materiału, w którym mniej niż 5% próbki wykazuje niższą wytrzymałość.
Wytrzymałość projektowa lub wytrzymałość nominalna to wytrzymałość materiału, w tym współczynnik bezpieczeństwa materiału. Wartość współczynnika bezpieczeństwa zwykle waha się od 0,75 do 0,85 w dopuszczalnej konstrukcji naprężeń.
Ostateczny stan graniczny jest teoretycznym punktem awarii z pewnym prawdopodobieństwem. Jest to określone w obciążeniach faktorowanych i oporach faktorowanych.
