KONSTRUKCJE Z BETONU SPRĘŻONEGO

Na podstawie:

Stefan Pyrak, Konstrukcje z betonu, WSiP, Warszawa 2001

Krzysztof Dyduch Wit Derkowski
ZAGADNIENIA TECHNOLOGICZNE I MATERIAŁOWE W KONSTRUKCJACH SPRĘŻONYCH, XVII
OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA WARSZTAT PRACY PROJEKTANTA KONSTRUKCJI
Ustroń, 20 ÷ 23 lutego 2002 r.

Wiadomości podstawowe

Konstrukcje z betonu, w których w wyniku

Celowego wprowadzenia trwałych sił

sprężających

spowodowano wystąpienie stanu naprężenia

przeciwnego do powstającego od działania

obciążeń

określa się jako

konstrukcje z betonu

sprężonego

.

Sprężenie umożliwia wyeliminowanie naprężeń
rozciągających w betonie i dzięki temu
chroni go przed wystąpieniem zarysowań.

Wiadomości podstawowe

Elementy konstrukcyjne spręża się zazwyczaj
Różnego rodzaju cięgnami, najczęściej ze stali
o wysokiej wytrzymałości.

Cięgna naciąga się odpowiednią

siłą sprężającą

.

Siła ta jednak zmniejsza się wskutek tzw.
strat sprężania — doraźnych i opóźnionych —
i z upływem czasu osiąga wartość, którą
traktuje się jako

trwałą siłę sprężającą

.

ZASADA PRACY ELEMENTÓW SPRĘŻONYCH

Belka swobodnie podparta i wykresy naprężeń normalnych:

a) sprężenie siłą P,
b) sprężenie siłą P i obciążenie siłami zewnętrznymi

ZASADA PRACY ELEMENTÓW SPRĘŻONYCH

Jeśli np. prostokątną w przekroju
belkę swobodnie podpartą, przed jej
obciążeniem zewnętrznym, sprężyć
siłą

P = 0,5b • h • σ

przyłożoną w 1/3 wysokości, tj. w
skrajnym dolnym punkcie rdzenia
przekroju,
to siła ta spowoduje w przekrojach
belki wystąpienie naprężeń
normalnych ściskających o wykresie
trójkątnym jak na rysunku a).

ZASADA PRACY ELEMENTÓW SPRĘŻONYCH

Następnie rozpatrywaną belkę można
poddać działaniu obciążenia zewnętrznego,
które w przekroju o największym

momencie

zginającym

spowoduje wystąpienie

naprężeń

normalnych o wykresie liniowym

— w

górnej

strefie przekroju ściskających, a w strefie
dolnej rozciągających (rys. b).

ZASADA PRACY ELEMENTÓW SPRĘŻONYCH

Naprężenia te zsumują się z naprężeniami
od sprężenia siłą P

.

W wyniku otrzymuje się w całym przekroju
naprężenia ściskające o wykresie
trójkątnym.

Z wykresu tego wynika, że dzięki
sprężeniu wyeliminowano naprężenia
rozciągające w przekrojach belki, co
jednocześnie chroni ją przed
zarysowaniem.

Jest to istotna zaleta konstrukcji z betonu
sprężonego.

ZASADA PRACY ELEMENTÓW SPRĘŻONYCH

Rolę zbrojenia sprężającego (cięgien
sprężających) określa się jako aktywną,
sprężenie powoduje wystąpienie
naprężeń w przekrojach elementu przed
poddaniem go działaniu obciążenia
zewnętrznego.

W zależności od sposobu przekazywania
siły sprężającej z cięgien na beton
rozróżnia się zasadniczo dwa rodzaje
konstrukcji z betonu sprężonego:

strunobeton i kablobeton

.

STRUNOBETON

KOLEJNOŚĆ CZYNNOŚCI PODCZAS SPRĘŻANIA :

1. Cięgna sprężające ułożone miedzy

nieprzesuwnymi blokami oporowymi
napina się i kotwi za pomocą uchwytów
opartych o te bloki,

STRUNOBETON

2. Formę elementu, przez którą przebiegają

cięgna, wypełnia się mieszanką betonową i
mieszankę tę zagęszcza się za pomocą
wibrowania.

STRUNOBETON

3. Po stwardnieniu mieszanki i osiągnięciu

przez beton odpowiedniej wytrzymałości
zwalania się naciąg — napięte i
połączone dzięki przyczepności
(zespoleniu) z betonem cięgna dążą do
skrócenia się i ściskają element.

Elementy strunobetonowe są wykonywane
wyłącznie w wytwórniach jako

prefabrykowane.

ELEMENTY KABLOBETONOWE

Sprężanie elementu kablobetonowego.

ELEMENTY KABLOBETONOWE

W formie

elementu kablobetonowego

układa się zbrojenie ze zwykłej stali
zbrojeniowej oraz elementy formujących
kanały kablowe. Następnie formę wypełnia
się mieszanką betonową, którą zagęszcza
się za pomocą wibrowania.

Gdy beton osiągnie odpowiednią
wytrzymałość, przez uformowane w
betonowym elemencie podłużne kanały
kablowe przeciąga się cięgna sprężające,
kotwi je w prasach i napina (rys. a)

ELEMENTY KABLOBETONOWE

SPOSÓB ZAKOTWIENIA KABLA

PRZEKRÓJ POPRZECZNY CIĘGNA
NISKOTARCIOWEGO:

1 – osłonka polietylenowa
zewn.;
2 – iniekcja cementowa;
3 – splot;
4 – smar antykorozyjny;
5 -osłonka polietylenowa
wewn.

ELEMENTY KABLOBETONOWE

Zbrojenie sprężające można też ułożyć
w formie przed zabetonowaniem
elementu.

Umieszcza się je wtedy w odpowiedniej
osłonce (najczęściej metalowej), aby nie
dopuścić do bezpośredniego zetknięcia
się tego zbrojenia z betonem.

Konstrukcje kablobetonowe wykonuje się
jako prefabrykowane i monolityczne.

ELEMENTY KABLOBETONOWE

Istotną cechą tych konstrukcji jest
możliwość wykonywania na budowie
elementów z oddzielnych prefabrykatów,
których styki wypełnia się zaprawą.

Belka kablobetonowa z oddzielnych prefabrykatów

ELEMENTY KABLOBETONOWE

Po naciągnięciu i zakotwieniu cięgien
kanały

kablowe wypełnia się

materiałem, który ma zapewnić
ochronę cięgien przed korozją.

Jeżeli do wypełnienia stosuje się emulsję
cementową, to zapewnia się również
wystąpienie sił przyczepności między
stalą i betonem; otrzymuje się tzw.
konstrukcje kablobetonowe z
przyczepnością.

ELEMENTY KABLOBETONOWE

Gdy ochrona antykorozyjna cięgien jest
zapewniana za pomocą smarów,
wosków lub smół niezapewniających
współpracy betonu i stali, wtedy
uzyskuje się tzw.

konstrukcje

kablobetonowe bez przyczepności

.

Konstrukcje, w których cięgna
sprężające są umieszczone poza
przekrojem betonowym nazywa się

konstrukcjami kablobetonowymi o
cięgnach zewnętrznych

.

ELEMENTY KABLOBETONOWE

Uwaga !

Wprowadzona siła sprężająca zmniejsza
się wskutek oddziaływania różnych
czynników podczas wykonywania
elementów oraz
z upływem czasu.

Oznacza to, że występują straty siły
sprężającej, które należy uwzględnić
w projektowaniu konstrukcji z betonu
sprężonego.

Beton i stal w konstrukcjach

sprężonych

BETON

W konstrukcjach strunobetonowych należy
stosować beton co najmniej klasy B37, a w
konstrukcjach kablobetonowych — co
najmniej klasy B30. Oprócz dużej
wytrzymałości beton powinien charakteryzować
się dużym współczynnikiem sprężystości, bardzo
dobrą przyczepnością do stali (szczególnie w
strunobetonie) oraz szczelnością.
Wymaga to m.in. zastosowania właściwego
cementu i kruszywa, starannego zagęszczenia
mieszanki betonowej oraz odpowiedniego
pielęgnowania betonu podczas jego dojrzewania.

Beton i stal w konstrukcjach

sprężonych

Do sprężania konstrukcji należy stosować
cięgna sprężające ze stali wysokiej
wytrzymałości. Wysoką wytrzymałość stali
sprężającej uzyskuje się przez zastoso wanie
przeróbki plastycznej (przeciągania na
zimno) i obróbki cieplnej (hartowania).

Stali sprężającej nie można spawać i
zgrzewać

.

Cięgna sprężające mogą stanowić
pojedyncze druty lub wykonane z nich —
skręcone mechanicznie — sploty.

.

Wykresy zależności σ—ε dla stali

sprężającej i zbrojeniowej.

Za górną granicę wytrzymałości stali
sprężającej przyjmuje się 2200 MPa.

Układy cięgien w elementach

STRUNOBETONOWYCH

Układy cięgien w elementach

KABLOBETONOWYCH

Klasa ekspozycji X0 XC1 XC2 i XC3 XC4 XD1 ÷ XD3
XS1 ÷ XS3
Minimalne grubości otule- 10 20 30 35 50
50
nią cięgien stalowych [mm]

Układy cięgien w elementach

KABLOBETONOWYCH

Układy cięgien w elementach

KABLOBETONOWYCH

STABILIZACJA KABLI SPRĘŻAJĄCYCH W PRZEKROJU

Cięgna w elementach KABLOBETONOWYCH

SPOSOBY KOTWIENIA KABLI SPRĘŻAJĄCYCH

WŁAŚCIWOŚCI BETONU

SPRĘŻONEGO.

1. Beton w całym przekroju pracuje na

ściskanie

, a wiec jego podstawowa

zaleta — duża wytrzymałość na ściskanie

— może być w pełni wykorzystana.

2. Do sprężenia należy stosować

stal o

wysokiej wytrzymałości

, gdyż straty

sprężania związane z odkształceniami

technologicznymi betonu występującymi z

upływem czasu wynoszą 250 ÷ 350 MPa.

W tej sytuacji stosowanie stali zwykłej

(mającej wytrzymałość około 7-krotnie

mniejszą niż stal sprężająca) byłoby

nieefektywne.

WŁAŚCIWOŚCI BETONU

SPRĘŻONEGO

3. Sprężenie powoduje wystąpienie naprężeń

przeciwnych do naprężeń od obciążeń, a
także

przeciwnych odkształceń

(ugięć).

Wpływa zatem na

zmniejszenie

ugięć elementu

, co jest dodatkową

zaletą konstrukcji z betonu sprężonego.
Dzięki temu elementy tych konstrukcji
mogą mieć duże rozpiętości,
konkurencyjność dla konstrukcji stalowych.

WŁAŚCIWOŚCI BETONU

SPRĘŻONEGO

4. Elementy z betonu sprężonego mogą mieć

mniejsze wymiary przekroju poprzecznego
niż odpowiednie elementy żelbetowe, a
tym samym być od nich lżejsze.

5. Konstrukcje z betonu sprężonego

charakteryzują się dużą
pracochłonnością wykonania.

6. Do sprężania niezbędne są specjalne,

skomplikowane urządzenia i odpowiedni
sprzęt.

ZASTOSOWANIE

KONSTRUKCJI

SPRĘŻONYCH

Konstrukcje z betonu sprężonego znalazły

zastosowanie we wszystkich rodzajach

budownictwa, zwłaszcza w budownictwie

przemysłowym i inżynierskim.
Wśród najczęściej stosowanych

elementów

z betonu sprężonego można

wymienić:



dźwigary



płyty dachowe,



płyty stropowe,



belki podsuwnicowe,



słupy elektroenergetyczne,



podkłady kolejowe.

ZASTOSOWANIE

KONSTRUKCJI

SPRĘŻONYCH

Wśród wykonywanych

konstrukcji

z

betonu sprężonego wymienić można:

1. mosty,
2. zbiorniki,
3. wieże telewizyjne,
4. obudowy bezpieczeństwa

reaktorów jądrowych i inne