8265159830

Konstrukcje sprężone ŚWIAT

1.    Koncepcja sprężania

Historia sprężania, czyli celowego wprowadzania naprężeń w materiał, liczy wiele wieków. Dziś rzadko mówi się

0    tym. że koło roweru, dębowa beczka czy kamienny tuk są przykładami elementów sprężonych (ten ostatni wyłącznie wskutek wpływu ciężaru materiału). W inżynierii lądowej pojęcie sprężania odnosi się do konstrukcji budowlanych. Do sprężenia elementów konstrukcyjnych używa się przede wszystkim cięgien stalowych (stal sprężająca w postaci drutów, splotów

1    prętów) o wytrzymałości pomiędzy 1000 i 2000 MPa.

Taka technologia sprężenia jest rozwijana od ok. 80 lat. Choć trudno ją zatem nazwać technologią nowoczesnego budownictwa, ogromna popularność w ostatnim okresie powoduje, że wiele osób styka się z tą nową dla nich technologią po raz pierwszy i w swoich działaniach potrzebuje odpowiedniej o niej wiedzy. Podstawowym podręcznikiem w zakresie konstrukcji sprężonych w Polsce jest praca prof. Andrzeja Ajdukiewicza [1].

W ostatnich kilkunastu latach do wprowadzenia sił w konstrukcję używa się również materiałów kompozytowych zbrojonych włóknami. W przyszłości być może do sprężania będą wykorzystywane stopy z pamięcią kształtu, nad którymi obecnie prowadzone są badania. Każdy z wymienionych sposobów cechuje się określonym stopniem rozwoju standardów oraz własną charakterystyką. Niniejsza praca jest poświęcona wybranym zagadnieniom projektowym, obliczeniowym i wykonawczym konstrukcji sprężonych. związanym z rosnącym udziałem konstrukcji sprężonych w budownictwie.

2.    Materiały w konstrukcjach sprężonych

W betonowych konstrukcjach sprężonych wykorzystuje się beton, stal zbrojeniową (jej opis zostanie pominięty) i stal sprężającą lub materiał kompozytowy zbrojony włóknami. Każdy z tych materiałów posiada cechy, które mają wpływ na pracę elementu sprężonego. Ponadto w konstrukcji stosuje się elementy armatury sprężania specyficzne dla danego systemu.

2.1. Beton

Cechy i wymagania dla betonu odnoszą się do normy EN-206. Od betonu w konstrukcji sprężonej oczekuje się wysokiej wytrzymałości na ściskanie i w zasadzie nie dopuszcza się sprężania elementów z betonu o klasie niższej niż C30/37. Ma to związek w szczególności z konieczną, wysoką wytrzymałością betonu w strefie przekazywania siły sprężającej z zakotwień lub splotów na beton oraz w strefie oddziaływania reakcji. Choć mniej uwagi poświęca się zwykle kwestii rzeczywistej wartości modułu sprężystości podłużnej E jego znaczenie dla poprawnej pracy konstrukcji nie jest mniejsze - wpływa on na wielkość doraźnych odkształceń betonu. Występującą w wielu przypadkach w praktyce konsekwencją nadmiernych odkształceń betonu pod obciążeniem i sprężeniem są nadmierne ugięcia, częściej - nadmierne wygięcie, a także znaczne skrócenie elementu, którego skutkiem jest również nadmierny spadek siły sprężającej, jak też konieczność regulacji łożysk konstrukcyjnych. Dla otrzymania betonu o wysokim module sprężystości konieczne jest zastosowanie kruszywa łamanego, najlepiej bazaltowego. Z uwagi na prędkość wzrostu wytrzymałości, a także z uwagi na cechy fizykochemiczne (ewentualna agresywność wobec stali), istotny w konstrukcji sprężonej może być też wybór rodzaju cementu.

Rodzaj kruszywa jest jednym z parametrów istotnych również z uwagi na wielkość współczynnika pełzania, który powinien być niski. Poza kruszywem wpływ ma tu wybór cementu, proporcje mieszanki betonowej (zwykle zastępowane w obliczeniach wytrzymałością na ściskanie) oraz warunki dyfuzji wilgoci z betonu do otoczenia. Przyjmowana na etapie projektowym wartość współczynnika pełzania powinna zatem brać pod uwagę realia wykonawstwa, gdzie często trudno zakładać, że czas od zabetonowania do obciążenia elementu wyniesie co najmniej 28, a nierzadko nawet 14 dni. Z drugiej strony, decyzje na etapie budowy, pozwalające na szybszy postęp prac. powinny być podejmowane nie tylko na podstawie danych o wytrzymałości betonu na ściskanie. ale przede wszystkim analizy wpływu takich zmian na odkształcenia konstrukcji i ewentualną redystrybucję naprężeń między materiałami.

Szczelność, jednorodność i mrozoodporność betonu, układające się w zasadzie na poziomie lepszych wyników dla betonów wyższych klas. są tak jak i wytrzymałość betonu zależne od jego receptury, w szczególności wskaźnika w/c oraz szczelności stosu kruszywa. W konstrukcjach sprężonych wymaga się ponadto dobrej przyczepności do stali oraz wysokiej wytrzymałości na docisk. Mimo że te ostatnie cechy są zależne od wielu czynników zarówno materiałowych, jak i wykonawczych (m.in. pielęgnacja), to zwykle nie przysparzają znaczących kłopotów w czasie budowy.

Podsumowując, zastosowanie w konstrukcji sprężonej betonu o cechach odpowiadających klasie określonej w normie EN-206 i nie niższej niż C30/37 pozwala uzyskać odpowiednie efekty, z zastrzeżeniem wykorzystania odpowiedniego rodzaju kruszywa, laboratoryjnej weryfikacji modułu sprężystości betonu oraz realizacji pełnego procesu dojrzewania betonu przed jego obciążeniem. Odpowiednia analiza zachowania betonu w konstrukcji sprężonej wymaga uwzględnienia kolejnych etapów wzrostu naprężeń. wpływu pełzania betonu na redystrybucję sił między materiałami oraz na odkształcenia konstrukcji. W przypadku konstrukcji wznoszonych etapowo wymaga to zwykle zbudowania złożonego modelu obliczeniowego konstrukcji. Tematyka obliczeń w tym zakresie zostanie omówiona w dalszej części niniejszej pracy.

2.2.Stal sprężająca

Stal sprężająca jest materiałem, którego charakterystyka - poprzez zastosowanie w wąskim zakresie sprężania konstrukcji - jest powszechnie mniej znana. Jednocześnie cechy stali sprężającej mają kluczowe znaczenie dla powodzenia i trwałości sprężenia.

Ryc. 2. Kable sprężające złożone ze splotów, fot. B. Karaś

aździemik 2014

59