Porównanie belki niesprężonej i sprężonej:
1. Belka niesprężona bez obciążenia
2. Belka niesprężona z obciążeniem
3. Przed zastygnięciem betonu cięgna osadzone w betonie są napinane
4. Po zastygnięciu betonu cięgna wywierają na beton naprężenia ściskające
5. Belka sprężona bez obciążenia
6. Belka sprężona z obciążeniem

Konstrukcja sprężona – konstrukcja żelbetowa, w której w sposób celowy i kontrolowany wprowadza się siły wewnętrzne przeciwdziałające efektom takim jak odkształcenia i rysy, wywoływanym przez obciążenia zewnętrzne[1].

Historia

Za początek stosowania konstrukcji sprężonych uważa się próby sprężania wykonywane przez Jacksona w Stanach Zjednoczonych i Döhringa w Europie w 1888 r. Próbowano w ten sposób wyeliminować wady żelbetu, zwłaszcza jego małą odporność na zarysowanie. Przez następne 40 lat nie udało się zastosować sprężenia na skalę techniczną głównie z powodu stosowania niewłaściwych materiałów oraz dużych strat sprężenia spowodowanych odkształceniami betonu i relaksacją stali. Dopiero od 1930 roku, dzięki pracom Eugéne Freyssineta oraz postępowi w dziedzinie technologii betonu i stali m.in. użycia stali o wysokiej wytrzymałości w cięgnach sprężających uzyskano zadowalające wyniki zastosowania konstrukcji sprężonych. Rzeczywisty rozwój tej technologii nastąpił po II wojnie światowej, kiedy oprócz gwałtownego postępu w technice, zaistniała potrzeba odbudowy zniszczonych obiektów przy jednoczesnym deficycie materiałów budowlanych. W 1952 r. powstało Międzynarodowe Stowarzyszenie Konstrukcji Sprężonych, od 1988 r. będące częścią Międzynarodowego Stowarzyszenia Betonu Konstrukcyjnego. W Polsce konstrukcje sprężone wprowadzono na początku lat 50, niedługo potem stosowano je na masową skalę w postaci prefabrykatów – dźwigarów, płyt dachowych i stropowych czy podkładów kolejowych[1][2]. Za pierwszy most sprężony w Polsce uważa się zbudowany w 1953 roku most płytowy w Końskich o rozpiętości 12,6 m zaprojektowany przez T. Kluza[3].

Klasyfikacja

Ze względu na sposób sprężania

  • Sprężane za pomocą cięgien, polegające na wzdłużnym naciągu wybranego zbrojenia stalowego. Gdy cięgna poddaje się naciągowi:
    • przed zabetonowaniem konstrukcje nazywamy strunobetonem;
    • po zabetonowaniu określa się jako kablobeton;
  • Sprężanie bez cięgien, polegające na wywołaniu reakcji między masywnymi zewnętrznymi podporami a sprężanym elementem za pomocą pras, klinów lub ekspansji betonu[1], w praktyce inżynierskiej metoda ta jest bardzo rzadka[4].

Ze względu na poziom sprężenia

  • częściowe sprężenie – pod działaniem krótkotrwałych obciążeń dopuszcza się pojawienie niewielkich rys;
  • ograniczone sprężenie – pod działaniem długotrwałych obciążeń w przekrojach nie występują naprężenia rozciągające, a pod wpływem krótkotrwałej kombinacji obciążeń rysy nie przekraczają wartości dopuszczalnej;
  • pełne sprężenie – pod wpływem długotrwałej kombinacji obciążeń w przekrojach nie występują naprężenia rozciągające, a pod wpływem krótkotrwałej kombinacji nie pojawiają się rysy;
  • superpełne sprężenie – pod działaniem podstawowej kombinacji obciążeń w przekrojach nie występują naprężenia rozciągające[4].

Ze względu na lokalizację cięgien

  • wewnątrz betonu – stropy, belki, płyty;
  • w kanałach – kablobeton;
  • zewnętrzne – mosty żelbetowe o przekroju skrzynkowym[5], mosty typu extradosed, płaszcze zbiorników[4].

Porównanie konstrukcji sprężonych i żelbetu

Montaż elementu sprężonego
Zakotwienie głowicowe
Cecha Żelbet Strunobeton Kablobeton
Naciąg cięgien – przed zabetonowaniem po zabetonowaniu
Zakotwienie – przez przyczepność dociskowe, kotwy
Trasa cięgien – prosta lub łamana zakrzywiona, kable umieszczane w strefach naprężeń rozciągających
Miejsce wytwarzania plac budowy, wytwórnia prefabrykatów wytwórnia prefabrykatów plac budowy, wytwórnia prefabrykatów
Wytrzymałość betonu na ściskanie 15–60 MPa w zależności od sposobu wykonania 60–100 MPa 37–45 MPa
Rodzaj stali niskowęglowa wysokowęglowa lub stopowa
Charakterystyczna granica plastyczności stali 190–500 MPa 800–1860 MPa 800–1860 MPa
Maksymalna rozpiętość belek do ok. 20 m do ok. 42,5 m, ograniczone sposobem transportu do ok. 300 m, z reguły ponad 12 m
Ognioodporność bardzo dobra dobra
Zarysowania niemal nieuniknione ograniczone lub brak
Szczelność ograniczona całkowita
Zastosowanie uniwersalny materiał budowlany płyty pełne lub otworowe, stropowe lub dachowe, podkłady kolejowe, słupy trakcyjne mosty belkowe lub ramowe, zbiorniki, dźwigary dachowe, obudowy reaktorów, ściany oporowe i zapory wodne

[1][4]

Metody sprężania

Produkcja sprężonego prefabrykatu

Metoda torów naciągowych – służy do masowej produkcji elementów strunobetonowych. Tory to konstrukcje trwale połączone z podłożem. Składają się z masywnych bloków oporowych rozdzielonych płytą żelbetową. Długość torów waha się od 30 do 250 m, a ich siła naciągowa zawiera się w granicach od 250 do 10 000 kN. Produkcja elementów zaczyna się od umieszczenia i rozciągnięcia drutów na blokach oporowych. Następnie na całej długości toru układa się formy, w których umieszcza się ewentualne dodatkowe zbrojenie, a następnie układa i zagęszcza mieszankę betonową. W celu przyspieszenia wiązania mieszanki stosowane są różne zabiegi. Następnie zwalnia się naciąg, rozformowuje elementy i obcina wystające cięgna[2].

Metoda form sztywnych – formy sztywne pełnią rolę formy elementów, jednocześnie przenosząc siły naciągu. Mogą być trwale połączone z podłożem lub częściej przenośne lub przesuwne[2].

Urządzenia naciągowe – stosowane przy sprężaniu elementów kablobetonowych. Urządzenia składają się z pras hydraulicznych oraz uchwytów cięgien. Istnieje wiele sposobów montażu oraz rodzajów kotwień w zależności od użytego rozwiązania. Siły naciągu pras zawierają się w przedziale od 70 do 180 kN. Po zakończeniu sprężania konieczne jest wypełnienie kanałów kablowych zawiesiną cementową (tzw. iniekcja) w celu ochrony kabla przed korozją[2].

Materiały

Kable stosowane do sprężania konstrukcji

Beton

Od betonu wymaga się następujących właściwości:

Stal

W konstrukcjach sprężonych stal występuje jako tradycyjne zbrojenie, jak i elementy sprężające. Własności stali przeznaczonej na zbrojenie są identyczne jak w żelbecie, natomiast od stali sprężającej wymaga się:

Współpraca betonu i stali

Rozkład naprężeń w cięgnie sprężającym; L – długość zakotwienia; σ – naprężenia w cięgnie; Τ – naprężenia styczne

W elementach strunobetonowych kotwienie cięgien jest zapewnione dzięki przyczepności na powierzchni styku z betonem. Charakterystyczną cechą jest występowanie pełnego sprężenia w pewnej odległości od początku elementu nazywanej długością zakotwienia. Na długości tej naprężenia zmieniają się od zera do wartości maksymalnej występującej w dalszej części przekroju. Jest to spowodowane zmniejszaniem się średnicy prętów wraz z ich wydłużaniem. Po zwolnieniu cięgno dąży do zwiększenia swojej średnicy do wartości początkowej, przez co na długości zakotwienia przyjmuje kształt klina co korzystnie wpływa na współpracę betonu i stali. Na długość zakotwienia istotnie wpływa sposób zwolnienia napiętego cięgna, przy nagłym zwolnieniu (np. przez przecięcie pręta) długość ta może wzrosnąć dwukrotnie, spowodowane jest to uszkodzeniem warstwy betonu bezpośrednio przylegającej do cięgna. Siłę przyłożoną do stali należy zmniejszać powoli i równomiernie, jednocześnie we wszystkich wiązkach występujących w elemencie. W przypadku kablobetonu współpraca betonu i stali zależy od elementów kotwiących przekazujących naprężenia ze stali na beton[2].

Projektowanie elementu

Rozkład naprężeń w konstrukcji sprężonej

W ogólnym przypadku projektowanie elementu sprężonego różni się od projektowania tradycyjnego elementu żelbetowego koniecznością wyznaczenia siły sprężającej tak, żeby wyeliminować naprężenia rozciągające z przekroju. Siła sprężająca powinna być odpowiednio zmniejszona o występujące w elemencie straty:

Siły sprężające nie mogą spowodować zniszczenia betonu[1].

Błędy wykonania

Podstawowym błędem prowadzącym bezpośrednio do katastrofy konstrukcji jest brak odpowiedniego zabezpieczenia stali przed korozją. Niewłaściwe otulenie cięgien, nieszczelność powierzchni betonu lub usterki lokalne (odpryski, rysy) mogą spowodować przedostanie się związków chemicznych przyspieszających korozję do cięgien. Budowle, w których na skutek korozji stalowe elementy utraciły zdolność przenoszenia naprężeń niespodziewanie waliły się bez uprzednich oznak uszkodzenia. Przykładem tego rodzaju katastrofy była awaria mostu Ynys-y-Gwas w południowo-zachodniej Walii[6].

Zalety i wady

Prasa hydrauliczna do naprężania kabli

Zalety

Wady

  • Konieczność użycia stali i betonu o wysokiej wytrzymałości[7];
  • Skomplikowane roboty budowlane, wymagane precyzyjne wykonanie i specjalistyczny sprzęt;
  • Błędy projektowe i wykonawcze mają znacznie większy wpływ na konstrukcje niż w przypadku konstrukcji żelbetowych[4];
  • Konstrukcje mogą zawalić się bez uprzednio widocznych oznak uszkodzenia[6].

Zastosowanie sprężenia do wzmocnienia konstrukcji

Poza opisanymi zastosowaniami sprężenia w nowoprojektowanych konstrukcjach żelbetowych, możliwe jest wykorzystanie sprężenia zewnętrznego do wzmocnienia istniejących konstrukcji podczas ich napraw lub modernizacji. Są to tzw. czynne (lub aktywne) metody wzmocnienia konstrukcji[8]. Najczęściej stosowane są następujące metody:

  • wzmocnienie konstrukcji żelbetowych (np. stropów, mostów) za pomocą wstępnie naprężonych taśm kompozytowych[9];
  • sprężenie kablami zewnętrznymi konstrukcji (zazwyczaj mostów) żelbetowych[10], stalowych[5] lub zespolonych[11].

Przykładowe budowle

Most pod Kwidzynem w trakcie budowy

Zobacz też

Przypisy

  1. 1 2 3 4 5 6 7 Andrzej Ajdukiewicz, Jakub Mames: Konstrukcje z betonu sprężonego. Kraków: Wydawnictwo Polski Cement, 2004, s. 23–100, 375. ISBN 83-89478-04-8.
  2. 1 2 3 4 5 Stefan Pyrak, Janusz Tatar: Konstrukcje z betonu cz. 1. Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1979, s. 16–21, 24–27, 269–299. ISBN 83-02-01877-5.
  3. 1 2 kablobeton.pl początki konstrukcji sprężonych w Polsce. [dostęp 2015-03-17]. (pol.).
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 Justyna Klepacka: Konstrukcje żelbetowe. Różnice między żelbetem a konstrukcjami sprężonymi struno- i kablobetonowymi. 2013-11-19. [dostęp 2015-03-17]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-03-17)]. (pol.).
  5. 1 2 Andrzej Kasprzak, Andrzej Berger, Adam Nadolny, Sprężenie zewnętrzne mostów stalowych [online], 1 września 2015 [dostęp 2018-02-20].
  6. 1 2 Ed Davey, Rebecca Cafe: TfL report warned of Hammersmith Flyover collapse risk. 2012-12-03. [dostęp 2015-03-17]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-03-17)]. (ang.).
  7. 1 2 Marcin Kasiak: Most sprężony czy zespolony? Przyszłość konstrukcji sprężonych w Polsce. Analiza porównawcza kosztów.. [dostęp 2015-03-17]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-03-17)]. (pol.).
  8. ↑ Marta Kałuża, Tomasz Bartosik, Wzmacnianie konstrukcji budowlanych materiałami kompozytowymi FRP, „Inżynier Budownictwa”, kwiecień 2015.
  9. ↑ R. Kotynia, Przyczepnościowe metody wzmacniania konstrukcji żelbetowych przy użyciu naprężonych kompozytów polimerowych, „Przegląd Budowlany”, R. 86, nr 7–8, 2015 [dostęp 2018-02-20].
  10. ↑ Andrzej Seruga, Dariusz Faustmann, Zastosowanie zewnętrznego sprężenia do wzmacniania żelbetowych elementów belkowych, „Czasopismo Techniczne”, 2018.
  11. ↑ W. Lorenc, Doświadczenia z realizacji sprężenia zewnętrznego konstrukcji mostów zespolonych, „Inżynieria i Budownictwo”, R. 72, nr 9, 2016 [dostęp 2018-02-20].
  12. ↑ Końskie – Most na Starym Młynie. [dostęp 2015-03-17]. (pol.).
  13. ↑ System monitoringu technicznego hali „Olivia” w Gdańsku. [dostęp 2015-03-17]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-03-17)]. (pol.).
  14. ↑ Najdłuższy most typu extradosed w Europie otwarty. 2013-07-29. [dostęp 2015-03-17]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-03-17)]. (pol.).
  15. ↑ Informacje o budynku Centrum Nauki Kopernik. [dostęp 2015-03-17]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-03-17)]. (pol.).
  16. ↑ Marcin Gałecki i inni, Aspekty wykonawcze przebudowy mostu gen. Grota-Roweckiego w Warszawie, „Archives of Institute of Civil Engineering”, 19, 2015 [dostęp 2018-06-20].
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.