1. Konstrukcje sprężone. Technologie i materiały 1.1. Wprowadzenie 1.1.1.

Transkrypt

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

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.
2/61
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 (L1)
Pierwotna długość belki betonowej (L2)
II
Element po przyłożeniu sprężenia
Długość belki betonowej po sprężeniu (L3)
III
Element po długotrwałych stratach sprężenia
Końcowa długość belki betonowej (L4)
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
= (L2 – L1)/L1
Skrócenie wywołane sprężystym skróceniem belki
= (L2 – L3)/L1
3/61
(krótkotrwałe straty sprężenia)
Skrócenie wywołane skurczem i pełzaniem
= (L3 – L4)/L1
(długotrwałe straty sprężenia)
Końcowe wydłużenie w stali
= (L4 – L1)/L1
Maksymalne początkowe wydłużenie względne w stali =
5
= Naprężenia dopuszczalne/moduł sprężystości = 140 MPa/2x10 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

1.1.3.
Zastosowanie betonu o wyższych wytrzymałościach przenoszącego bezpiecznie duże siły sprężające.
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.
4/61
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.
5/61
W okresie II wojny światowej nastąpił szybki rozwój zastosowań konstrukcji prefabrykowanych i sprężonych. Wśród
twórców tego okresu należy wymienić:
Guyon Y. (Francja) teoria strefy zakotwień, mosty sprężone,
Abeles P. W. (Wlk. Brytania) koncepcja sprężenia częściowego,
i konstruktorzy: Leonhardt F. (Niemcy), Michaiłow V. (ZSRR), Lin T. Y. (USA)
W 1952 roku powstało Stowarzyszenie Betonu Sprężonego (FIP – Fédération Internationale de la Précontrainte),
zrzeszające grupy narodowe w ok. 40 krajach (w tym Polska), które zajmowało się rozwojem teorii i praktyki oraz
popularyzacja konstrukcji sprężonych. W 1998 roku nastąpiło połączenie z CEB (Comité Euro-International du
Béton) i utworzenie fib - fédération internationale du béton – Międzynarodowego Stowarzyszenia Betonu.
W Polsce konstrukcje sprężone wprowadzono na początku lat 50. Zarysował się silny rozdźwięk pomiędzy
twórczym rozwojem teorii i nowych czy wręcz pionierskich w skali światowej koncepcji realizacyjnych, a
praktycznymi zastosowaniami w warunkach słabej ekonomicznie gospodarki. Wśród wybitnych polskich teoretyków
należy wymienić W. Olszaka, S Kaufmana i Cz. Eimera, zaś za pionierów realizacji konstrukcji sprężonych należy
wymienić W. Kluza, W Zalewskiego, Z Czerskiego i S. Kusia. i Z. A. Zielińskiego.
1.1.4.
Rozwój materiałów budowlanych
Rozwój betonu sprężonego można rozpatrywać w perspektywie tradycyjnych materiałów budowanych. W
starożytności, wykorzystywano kamień i suszoną cegłę. Są to materiały o dużej wytrzymałości na ściskanie, ale
małej na rozciąganie. W elementach rozciąganych stosowano drewno. Później, przy rozciąganiu, wprowadzono
pręty żeliwne i stalowe, wrażliwe przy ściskaniu na wyboczenie. Drewno i profile stalowe są efektywne zarówno
przy rozciąganiu jak i przy ściskaniu.
W żelbecie wykorzystuje się współpracę betonu przenoszącego ściskania i prętów stalowych odpowiedzialnych za
przenoszenie rozciągań. Jest to bierne (pasywne) wykorzystanie właściwości materiałów. W betonie sprężonym
przekroje zarówno betonu jak i stali w pełni wykorzystują swoje wysokie wytrzymałości. Jest to czynne (aktywne)
wykorzystanie cech tych materiałów.
6/61
ŚCISKANIE
ROZCIĄGANIE
ŚCISKANIE
I ROZCIĄGANIE
Kamień, cegła
Konopie (liny),
bambus
Drewno
Beton
Pręty i druty
stalowe
Kształtowniki
stalowe
Kombinacja
pasywna
Beton o wysokiej
wytrzymałości
Żelbet
Stal o wysokiej
wytrzymałości
Kombinacja
aktywna
Beton sprężony
Rys. 1.1-8 Rozwój materiałów budowlanych
7/61
1.2.
Zalety i rodzaje sprężenia
1.2.1.
Zalety sprężenia
Sprężenie betonu w stosunku do konstrukcji żelbetowej (bez sprężenia) daje wiele wymiernych korzyści. W pełni
sprężony element w warunkach normalnego użytkowania jest zazwyczaj poddany trwałemu ściskaniu. To likwiduje
typowe wady żelbetu.
Poniższe zestawienie opisuje zalety betonu sprężonego w odniesieniu do równoważnego elementu żelbetowego.
Dla poszczególnych efektów wyszczególniono uzyskiwane korzyści.
1. Przekroje pozostają niezarysowane pod obciążeniem użytkowym

Ograniczenie korozji stali


zwiększenie trwałości
Wykorzystanie pełnego przekroju

wysoki moment bezwładności (większa sztywność)

mniejsze ugięcia (zwiększona użyteczność)

Zwiększenie nośności na ścinanie

Możliwość zastosowania w zbiornikach ciśnieniowych

Zwiększona odporność na obciążenia dynamiczne lub zmęczeniowe
2. Niższa względna wysokość przekroju (odniesiona do rozpiętości/długości elementu)
Typowe względne wysokości dla płyt podano poniżej

Płyty niesprężone
1:28
Płyty sprężone
1:45
Przy tej samej rozpiętości, niższe wysokości przekrojów

redukcja ciężaru własnego

większa estetyka przy zwiększonej smukłości

zmniejszenie zużycia materiałów - bardziej ekonomiczne elementy
3. Przydatność do prefabrykacji

przyspieszenie procesu budowy

lepsza kontrola jakości

mniejsze koszty utrzymania i konserwacji

powtarzalność rozwiązań

wielokrotne wykorzystanie form – zmniejszenie robót deskowaniowych na budowie

możliwość typizacji elementów
8/61
1.2.2.
Ograniczenia technologii sprężania
Choć konstrukcje sprężone wykazują wiele zalet, jednak pewne aspekty wymagają krytycznego rozpatrzenia:
Technologia sprężania wymaga zaawansowanych technologii realizacji. Nie jest

tak powszechna jak żelbet.

Wykorzystanie materiałów o wysokiej wytrzymałości jest kosztowne

Konieczne są dodatkowe koszty wynikające z
zastosowania dodatkowego
wyposażenia
Wymagany jest szczególny nadzór i zwiększone są wymagania jakościowe na

każdym etapie realizacji
1.2.3.
Definicje
Poniżej podane określenia są stosowane do opisu zjawisk, technologii, materiałów i urządzeń stosowanych w
konstrukcjach sprężonych, z podziałem na grupy pojęciowe.
Formy wyrobów do sprężania
Cięgno (tendon)
Ogólna nazwa liniowego elementu sprężającego
Drut (wire)
Pojedynczy drut sprężający (o średnicy od ok. 2,5 do 8 mm)
Pręt (bar)
Pojedynczy pręt sprężający (o średnicy od ok. 16 do 45 mm)
Splot (strand)
Spleciony zestaw 2,3 lub 7 drutów sprężających tworzących jednostkowy element sprężający
Kabel (cable)
Grupa drutów lub splotów biegnących w jednej osłonie kotwionych wspólnym lub zespolonym
zakotwieniem
W części 1.7 Stal Sprężająca opisano budowę i zastosowanie wyszczególnionych rodzajów cięgien
Przyczepność cięgien do betonu
Cięgno z przyczepnością
(bonded tendon)
Jest zapewniona pełna przyczepność powierzchni cięgna do otaczającego betonu (w
strunobetonie i w kablach sprężających z iniekcją cementową)
Cięgno bez przyczepności Nie ma zapewnionej przyczepności powierzchni cięgna do otaczającego betonu (w
(unbonded tendon)
kablach sprężających przed iniekcja cementową lub z wypełnieniem
przeciwtarciowym)
Sytuacje obliczeniowe (obciążeniowe)
Zróżnicowanie rodzaju i wielkości obciążenia oddziaływującego na element sprężony prowadzić może do różnic w
sposobach analizy. Rozróżnia się następujące sytuacje
2). Początkową:
w której można wyróżnić następujące fazy:
a) naciąg cięgien
b) kotwienie cięgien (przekazanie sprężenia na beton)
3). Przejściową:
uwzględniającą obciążenia w czasie transportu i wbudowywania elementu
4). Trwałą
w której rozpatruje się dwie pod-sytuacje:
a) użytkową – w warunkach normalnej eksploatacji
b) graniczną – w warunkach granicznych lub wyjątkowych obciążeń
9/61
1.2.4.
Klasyfikacja sprężenia i elementów sprężonych
Poniżej przedstawiono różne klasyfikacje w zależności od rozpatrywanych kryteriów.
Sekwencja naciągu i betonowania
Jest to podstawowy podział konstrukcji sprężonych.
Strunobeton
Naciąg cięgien jest realizowany przed stwardnieniem betonu (zazwyczaj przed betonowaniem

elementu). Po stwardnieniu betonu i zwolnieniu zewnętrznego naciągu, siła sprężająca jest
przekazywana na element poprzez przyczepność cięgien do betonu (niekiedy wspomaganej
elementami mechanicznymi).
Technologia typowa dla prefabrykacji, w dwóch metodach technologicznych:

 Metoda długich torów, w której na torze o długości często ponad 100 m, w jednej linii,
szeregowo, formowane są prefabrykaty z reguły o stałym przekroju poprzecznym (produkcja
masowa w długich seriach). Cięgna przed sprężeniem są napinane i kotwione na końcach toru
w kozłach oporowych.
 Metoda sztywnych form napięte cięgna są kotwione na czołach form na tyle sztywnych, aby ta
siła nie deformowała kształtu formy. Stosowana do elementów w krótkich seriach, z możliwą
zmianą kształtu przekroju.
Kablobeton
Naciąg kabli (umieszczonych w uformowanych kanałach kablowych) realizowany po

stwardnieniu betonu, jednocześnie wywołujący sprężenie elementu. Technologia stosowana przy
wykonywaniu elementów in situ (monolitycznych), a także przy prefabrykacji.
Tab. 1.2-1 Charakterystyka podstawowych systemów sprężania
Cecha
Naciąg cięgien
Mechanizm
kotwienia
Przebieg (trasa)
cięgien
Miejsce sprężania
Transport
Długości
elementów
Zastosowanie
Strunobeton
Przed betonowaniem (stwardnieniem
betonu)
Przez przyczepność powierzchni cięgien
do betonu
Kablobeton
Po zabetonowaniu (i stwardnieniu betonu)
W stałej wytwórni
W całości
Za pomocą urządzeń mechanicznych
(zakotwień) opartych o beton
Dowolnie zakrzywiona, także na zewnątrz
elementu
W wytwórni lub na budowie
W całości lub częściach (przed sprężeniem)
Do 24 m, wyjątkowo do 4050 m
Dowolna, zazwyczaj ponad 12 m
Prosta lub załamana, wewnątrz elementu
Elementy indywidualne i typizowane w krótszych
Produkcja masowa (elementy typizowane):
seriach: mosty, dźwigary dachowe, belki, stropy
płyty dachowe i stropowe, podkłady
płaskie, powłoki, kopuły zbiorniki i silosy, ściany i
kolejowe, belki, słupy, pale, rury
budowle oporowe, kotwy gruntowe
10/61
Rys. 1.2-1 Belki kablobetonowe przed sprężeniem (widoczne kanały kablowe i wiązki cięgien)
(Fot. Canadian Precast/Prestressed Concrete Institute)
Lokalizacja cięgien
Sprężenie wewnętrzne

Cięgna sprężające umieszczone wewnątrz elementu betonowego. Tego typu rozwiązanie jest
dominujące i wyłączne dla strunobetonu
Sprężenie zewnętrzne

Cięgna – kable sprężające (wyłącznie bez przyczepności) umieszczone są co najmniej na
części swej długości poza przekrojem betonowym, także wewnątrz skrzyni przekroju skrzynkowego
(mostowego). Tego typu rozwiązanie stosowane jest także w przypadku wzmacniania przez
sprężanie i niekiedy w zbiornikach kołowych sprężonych obwodowo.
Rys. 1.2-2 Kable zewnętrzne w dźwigarze mostowym (Fot. VSL)
11/61
Stopień sprężenia
Pełne sprężenie

Gdy w sytuacji użytkowej poziom sprężenia wyklucza możliwość powstania naprężeń
rozciągających w betonie.
Sprężenie ograniczone

Gdy w sytuacji użytkowej poziom sprężenia dopuszcza możliwość powstania naprężeń
rozciągających w betonie poniżej możliwości zarysowania.
Sprężenie częściowe

Gdy w sytuacji użytkowej poziom sprężenia dopuszcza możliwość powstania rys w betonie o
ograniczonej szerokości rozwarcia.
Kierunki sprężenia
Sprężenie liniowe

Gdy sprężany element w kierunku sprężenia jest prosty lub płaski (płyty, belki, pale, słupy). W
tym przypadku, przebieg cięgien może być prosty, ale także zakrzywiony (kablobeton) lub załamany
(strunobeton)
Sprężenie cylindryczne

Gdy sprężany element w kierunku sprężenia jest zakrzywiony. Typowym przykładem jest
sprężenie obwodowe zbiorników cylindrycznych, rur i silosów.
Sprężenie jednokierunkowe

Gdy cięgna leżą równolegle do jednej osi konstrukcji (np. belki, słupy)
Sprężenie dwukierunkowe

Gdy cięgna leżą równolegle do dwóch osi konstrukcji, zazwyczaj wzajemnie prostopadłych (np.
płyty).
Sprężenie wielokierunkowe

Gdy cięgna leżą równolegle do więcej niż dwóch osi konstrukcji.(np. kopuły).
Źródło siły sprężającej
Klasyfikację opiera się na metodach (zjawiskach) służących do wytworzenia siły sprężającej.
Sprężenie hydrauliczne

Jest to najbardziej powszechny sposób generowania siły sprężającej. Specjalne prasy
hydrauliczne (naciagarki) wywołują naciąg cięgien, a skalibrowane wskazania ich manometrów
pozwalają na kontrolę siły naciągu. Kilka takich naciągarek połączonych hydraulicznie w jeden
zespół zapewniać może jednakowy naciąg wielu cięgien.

Istniała także metoda, w której płaskie prasy umieszczano na końcach elementów
wpasowanych w sztywne ustroje oporowe (np. przyczółki mostów). Działanie tych pras wywoływało
pożądane ściśnięcie elementu (sprężenie), i w tym stanie betonowano przestrzenie pomiędzy
sprężanym elementem a ustrojem oporowym. W tej metodzie, nie stosowano cięgien sprężających.
Sprężenie mechaniczne

Układy działające na zasadzie balastów lub dźwigni powodujące naciąg cięgien i utrzymywanie
stałej siły (podstawa sprężenia konstrukcji strunobetonowych, a także nawijania konstrukcji
cylindrycznych).
12/61

Deformowanie równoległego przebiegu cięgien obwodowych na zbiornikach kołowych za
pomocą klamer powoduje ich naciąg.

Zakotwienia gwintowe, w których nakrętka jest dokręcana na cięgno prętowe.
Sprężenie elektryczne (termiczne)

Ogrzanie cięgien (za pomocą prądu elektrycznego) i ich zakotwienie przed ułożeniem betonu w
formie (metoda obecnie nie stosowana)
Sprężenie chemiczne

Analogicznie jak metoda płaskich prac hydraulicznych, w której parcie hydrauliczne zastępuje
się reakcją chemiczną powodującą ekspansję wypełnienia.
1.2.5.
Mechanizm i rozwiązania kotwienia cięgien
Zadaniem zakotwienia jest utrzymanie siły naciągu cięgna i przekazanie jej na beton lub, w strunobetonie, na
element oporowy systemu technologicznego. Konstrukcje sprężone zawdzięczają swój rozwój także rozwojowi
systemów zakotwień.
Cecha charakterystyczna jest to, że najczęściej mechanizm kotwienia i idące za tym rozwiązania techniczne są
dedykowane wyszczególnionym Tab. 1.2-1.
Kotwienie drutów za pomocą efektu klina
Historycznie, druty stanowiły podstawowy rodzaj cięgien sprężających i właśnie rozwój ich zakotwień dał impuls do
rozwoju klasycznych konstrukcji kablobetonowych.
Warunki równowagi klina wtłaczanego (f – wsp. tarcia)
Warunki równowagi klina po sprężeniu i zakotwieniu
Rys. 1.2-3 Efekt klina w zakotwieniu - model płaski
(Rys.: Budownictwo Betonowe T.III, ARKADY W-wa 1965)
Mechanizm kotwienia wykorzystuje efekt klina (Rys. 1.2-3) wykorzystywany w wykonaniu:

Płaskim, w których drut zaciskany jest po bokach za pomocą płaskich klinów (zakotwienie
Magnela Rys. 1.2-4)

Wielokrotnym płaskim z centralnym stożkiem klinującym (zakotwienie Freyssineta Rys. 1.2-5)

Przestrzennym z klinowymi szczękami opasującymi cięgno (zakotwienie szczękowe –
omówione dalej)
13/61
Rys. 1.2-4 Idea płaskiego zakotwienia Magnela
(Fot. Bernard Espion: Early Applications of Prestressing to Bridges and Footbridges in Brussels Area)
Rys. 1.2-5 Zakotwienie stożkowe Freyssineta
(Fot.: Freyssinett Polska; Rys.: Budownictwo Betonowe T.III, ARKADY W-wa 1965)
Oba omówione rodzaje zakotwień wykorzystujących płaski efekt klina wyszły z użycia. Zadecydowało o tym
wycofanie kabli z pojedynczych, cienkich drutów, zaś dla drutów grubszych ≥ 5 mm, zastąpiły je lepsze zakotwienia
szczękowe.
Kotwienie drutów poprzez spęczenie końcówek
Stosowane dla drutów grubszych ≥ 5 mm. Końcówki drutów w kablu są spęczane tworząc główki. Naciąg jest
realizowany poprzez uchwycenie całej głowicy (czyli: wszystkich drutów jednocześnie), a kotwienie polega na
zablokowaniu nagwintowanej głowicy za pomocą nakrętki, lub podłożenie pod nią cylindrycznych podkładek.
Zakotwienie stosowane także obecnie. Wadą jest konieczność przygotowania kabla o dokładnej długości z
wcześniej osadzona głowicą, ale bezsprzeczną zaletą jest wysoka odporność na obciążenia dynamiczne,
zwłaszcza w wantach mostowych.
14/61
Rys. 1.2-6 Zakotwienie główkowe
(Fot.: KEN BONDY POST-TENSIONED
CONCRETE IN BUILDINGS PAST AND FUTURE)
Rys. 1.2-7 Zakotwienie główkowe z gwintowana głowicą
(Fot.: BBR)
Tego typu zakotwienia są stosowane także w produkcji podkładów kolejowych.
Zakotwienia szczękowe drutów i splotów
Jest to obecnie podstawowy sposób kotwienia drutów i splotów wykorzystujący przestrzenny efekt klina,
charakteryzujący się niezawodnością, małymi rozmiarami i łatwością stosowania.
Szczęki zaciskają się na powierzchni cięgna i wraz z napiętym cięgnem wciągane są do tulei, której zbieżna
powierzchnia wewnętrzna dociska szczęki do cięgna i zatrzymuje cięgno w uchwycie.
W porównaniu do uprzednio omówionych zakotwień „klinowych” drutów, z punktu widzenia mechaniki pracy jest
ono zdecydowanie bardziej korzystne, gdyż docisk cięgna jest realizowany na całym jego obwodzie, w
przeciwieństwie do klina płaskiego, w którym może wystąpić efekt „rozłupania” kruchego drutu w płaszczyźnie
prostopadłej od płaszczyzny docisku.
Rys. 1.2-8 Szczęki do kotwienia cięgien, dwu- i
trójdzielne
Rys. 1.2-9 Mechanizm kotwienia cięgna (tu: splotu) w
zakotwieniu szczękowym
Mechanizm kotwienia wymaga „wciągnięcia” cięgna (ze szczękami) do zakotwienia. Określa się to jako poślizg
cięgna w zakotwieniu i powoduję stratę siły naciągu.
15/61
Dobór geometrii elementów tego zakotwienia a przede wszystkim właściwości tworzących je materiałów jest
skrzętnie skrywaną tajemnicą producentów, będącą efektem długoletnich, bardzo zaawansowanych badań.
Zakotwienia gwintowe prętów
Wykorzystywany jest bardzo prosty mechanizm śruby. Jest on jednak użyteczny tylko dla dużych przekrojów.
Wadą jest ograniczenie wydłużenia pręta przy naciągu, co czyni je niepraktycznymi przy długich cięgnach. Zaletą,
bardzo istotną dla kabli krótkich, jest brak straty poślizgu cięgna w zakotwieniu.
Rys. 1.2-10 Zakotwienie gwintowe pręta
(Fot.: DYWIDAG-systems)
16/61
1.3.
Strunobeton. Systemy i urządzenia
1.3.1.
Wprowadzenie
Zgodnie z podstawową klasyfikacją podana w 1.2.4. tę technologię wyróżniają dwie podstawowe cechy:

Naciąg cięgien jest realizowany przed betonowaniem

Cięgna kotwione są przez siły przyczepności pomiędzy powierzchnią cięgien a otaczającym betonem
Tradycyjna polska nazwa – strunobeton - oddawała rodzaj cięgien pierwotnie stosowanych do sprężania.
1.3.2.
Fazy produkcji strunobetonu
Cięgna ze stali o wysokiej wytrzymałości są naciągane pomiędzy sztywnymi elementami zewnętrznymi, przed
ułożeniem mieszanki betonowej. Gdy beton osiągnie pożądaną wytrzymałość następuje zwolnienie zewnętrznego
naciągu. Sprężenie przekazywane jest z cięgien na beton poprzez siły przyczepności. Podczas przekazania siły
sprężającej następuje sprężyste odkształcenie betonu - skrócenie, a przy mimośrodowym przebiegu cięgien
dodatkowo wygięcie odwrotne (Rys 1.3-2).
Można wyróżnić następujące etapy produkcji:
o Ułożenie i stabilizacja cięgien oraz zbrojenia pomocniczego
o Montaż i zamknięcie formy
o Naciąg i kotwienie cięgien w elementach zewnętrznych
o Betonowanie i zagęszczanie mieszanki
o Dojrzewanie mieszanki
o Zwolnienie naciągu zewnętrznego
o Rozformowanie i wyjęcie elementu
Podstawowe etapy produkcji pokazano schematycznie na Rys. 1.3-1.
Prasa naciągowa
Naciąg cięgien
Betonowanie

Sprężenie

Rys. 1.3-1 Podstawowe fazy produkcji elementu
strunobetonowego
1.3.3.
Rys. 1.3-2 Wygięcie odwrotne elementu strunobetonowego
Technologie strunobetonu
Wyróżnia się dwie podstawowe technologie strunobetonu:

Metodę długich torów

Metodę sztywnych form.
17/61
1. Metoda długich torów
Metoda stosowana przy produkcji seryjnej elementów o stałym przekroju na długości. Ideę przedstawia rysunek:
Element
Naciąg i
zakotwienie
Kozioł
oporowy
Zakotwienie
Cięgna
Rys. 1.3-3 Schemat toru naciągowego
Słupy (stalowe)
kozłów oporowych
Płyta oporowa
z szablonem
Pompa i manometry
Prasa naciągowa
Rys. 1.3-4 Stanowisko naciągu na koźle oporowym
W tej metodzie stosuje się tzw. tor naciągowy składający się z masywnych elementów (kozłów) oporowych na
końcach i samego, zazwyczaj betonowego, toru.
Kozły oporowe są elementami które musza przenieść siłę naciągu całej grupy cięgien, zapewniając jednocześnie
ich właściwe położenie. Ponieważ mamy do czynienia z bardzo dużymi siłami naciągu (niekiedy ponad 300 ton),
konstrukcja tych elementów musi być odpowiednio sztywna i zdolna do bezpiecznego przeniesienia tych obciążeń.
Stosuje się różne rozwiązania konstrukcyjne samych kozłów i ich usztywnienia:
18/61
Rys. 1.3-5 Konstrukcja kozłów oporowych
Tor, o płaskim lub korytkowym kształcie, ma zazwyczaj osadzone elementy umożliwiające ustawianie form
prefabrykatów i odchylające cięgna (dewiatory). Dodatkowe elementy towarzyszące, zazwyczaj przejezdne
umożliwiają transport szkieletu zbrojenia, układanie i zagęszczanie mieszanki oraz jej pielęgnację. W tym celu tory
naciągowe często umieszczane są w tunelu umożliwiającym przyśpieszenie dojrzewania betonu.
Rys. 1.3-6 Tor naciągowy z elementami form i zbrojenia pomocniczego
2. Metoda sztywnych form
W tej metodzie naciąg cięgien i ich technologiczne kotwienie odbywa się w oparciu o czoła formy. Formy muszą
być na tyle sztywne, aby ta siła nie powodowała ich uszkodzenia i deformacji kształtu elementu.
Przy produkcji stendowej forma znajduje się w stałym miejscu na którym następuje kolejno naciąg, betonowanie i
dojrzewanie, sprężenie i rozformowanie.
Przy technologii potokowej forma przemieszcza się do poszczególnych gniazd operacyjnych (np. produkcja słupów
wirowanych).
19/61
Rys. 1.3-7 Formy ze szkieletem zbrojenia I cięgnami z
zakotwieniami (“Prestressed concrete poles”
PUBLICATION # C850245, The Aberdeen Group)
1.3.4.
Rys. 1.3-8 Wirowanie form słupów (“Prestressed
concrete poles” PUBLICATION # C850245, The
Aberdeen Group)
Urządzenia
Zakotwienia
Kotwienie cięgien w elementach mechanicznych – zakotwieniach – osadzanych na końcach toru naciągowego (lub
formy) ma charakter tymczasowy, do czasu sprężenia elementu. Tym nie mniej zakotwienia muszą być
niezawodne (ze względów bezpieczeństwa) i trwałe, zdolne do wielokrotnego wykorzystania (ten drugi aspekt jest
właściwy tylko dla strunobetonu, gdyż w kablobetonie zakotwienia użyte są jednokrotnie, ale musza być
niezawodne w całym okresie życia konstrukcji).
Podstawowym stosowanym obecnie sposobem kotwienia drutów i splotów sprężających w strunobetonie są
zakotwienia szczękowe działające na zasadzie klina.
Łączniki
Rys. 1.3-9 Schemat budowy łącznika cięgien
Rys. 1.3-10 Elementy łączników
cięgien
20/61
Służą do łączenia odcinków cięgien. Nie dopuszcza się do łączenia cięgien wewnątrz elementu strunobetonowego,
ale w metodzie długich torów pozwala ta na ekonomiczne wykorzystanie krótszych niż tor odcinków cięgien.
Wówczas łączniki umieszcza się tak, aby znajdowały się pomiędzy elementami na torze. Łączniki to po prostu
zdwojone i skręcone zakotwienia szczękowe.
Dewiatory
Odgięć zbrojenia sprężającego dokonuje się za pomocą dewiatorów. Na dewiatorach powstaje reakcja
wypadkowa wynikająca z odchylenia siły naciągu (Rys 1.3-7). Urządzenia te (i ich mocowanie) musza być zdolne
do przeniesienia tej siły i nie powodować uszkodzeń mechanicznych cięgien w wyniku karbu. Elementy te przy
odgięciach wewnątrz produkowanych elementów są tracone i pozostają w nich trwale.
Rys. 1.3-11 Idea odchylania cięgien w strunobetonie na przykładzie długiego toru
a)
b)
Rys. 1.3-12 Odchylenie cięgien na dewiatorach
a) w elemencie (dewiator tracony); b) na linii naciągu (dewiator technologiczny)
b)
a)
Rys. 1.3-13 Dewiatory: a) rolkowy, wahliwy (w dwóch rzutach); b) prosty - ślizgowy
1.3.5.
Zalety i wady strunobetonu
W stosunku do kablobetonu, technologia strunobetonu wykazuje następujące zalety

Możliwość ciągłej produkcji elementów w długich seriach

Brak kosztownych trwałych zakotwień elementów

Wysoka jakość wyspecjalizowanej produkcji
21/61
W tym samym świetle można przedstawić też wady:

Konieczność produkcji w stałych wytwórniach z kosztownym oprzyrządowaniem

Konieczny okres dojrzewania elementu na stanowisku sprężania (wydłużenie cyklu sprężania) oraz
stosowanie zaawansowanych technologii przyspieszania dojrzewania betonu

1.3.6.
Ograniczenia możliwości optymalnego przebiegu cięgien sprężających w elemencie
Asortyment produkcji
Dominującą metodą produkcji w technologii strunobetonu jest metoda długich torów. Typowymi przykładami
produkowanych elementów są:
Rys. 1.3-14 Podkłady kolejowe
Rys. 1.3-15 Belki stropów
gęstożebrowych
Rys. 1.3-16 Płyty
stropowe kanałowe (typu
SP)
1 Dozownik betonu
2. Podajnik ślimakowy
3. Dozownik zbrojenia
porzecznego
4. Rura formująca kanał
Rys. 1.3-17 Agregat do
produkcji płyt SP
22/61
Rys. 1.3-18 Płyty dachowe TT (Consolis)
Rys. 1.3-19 Dźwigary dachowe
Rys. 1.3-20 Dźwigary mostowe i stropowe (Belka mostowa
typu T; FABET S.A.)
Rys. 1.3-21 Rury
23/61
Rys. 1.3-22 Słupy (żerdzie) energetyczne i
trakcyjne (ELGIS-Garbatka Sp. z o.o.)
Rys. 1.3-23 Pale
fundamentowe
(PRESTRESS
INTERNATIONAL
CORPORATION)
24/61
1.4. Kablobeton. Systemy i urządzenia
1.4.1.
Wprowadzenie
Technologia kablobetonu wymagająca specjalnych elementów i urządzeń jest aktualnie dostarczana przez wysoko
wyspecjalizowane firmy lokalne (krajowe), ale częściej przez koncerny międzynarodowe, które posiadają
odpowiednie środki i zaplecze do utrzymywania i rozwoju systemów sprężania. Często oferowana jest
kompleksowa realizacja zadania polegająca na zaprojektowaniu konstrukcji i wykonaniu sprężenia. Firmy publikują
katalogi zawierające dane technologiczne oferowanych systemów, a niekiedy i wytyczne projektowania.
Podstawowe cechy odróżniające kablobeton od strunobetonu, to:

Naciąg cięgien jest realizowany po stwardnieniu betonu elementu

Cięgna kotwione są za pomocą uchwytów mechanicznych - zakotwień
1.4.2.
Fazy produkcji kablobetonu
W technologii kablobetonu, przed zabetonowaniem elementu, w szkielecie zbrojenia osadza się osłony kanałów
kablowych, często wraz z elementami oporowymi zakotwień. Po stwardnieniu betonu, cięgna w formie kabli są
przewlekane przez kanały (choć często umieszcza się je w kanałach przy ich układaniu) a następnie naciągane za
pomocą naciągarek hydraulicznych opierających się o beton elementu. Tym samym, jednocześnie z naciągiem
kabli następuje sprężenie elementu. Po zakończeniu naciągu cięgna są kotwione i odpowiednio zabezpieczane.
Jeśli kanały kablowe są wypełniane iniekcją cementową, wówczas cięgna uzyskują wtórną przyczepność do
betonu (dzięki właściwościom masy iniekcyjnej i odpowiedniemu ukształtowaniu powierzchni osłony kanałów
kablowych. Mamy wówczas do czynienia z cięgnami z przyczepnością i klasyczną konstrukcją kablobetonową.
Przy stosowaniu sprężenia kablami bez przyczepności, często przestrzeń kanału wypełniona jest materiałami
obniżającymi tarcie (co jest istotne przy silnie zakrzywionym przebiegu kabla). Materiały te zapewniają także
ochronę antykorozyjną cięgien. W tej technologii, przez cały okres użytkowania konstrukcji, utrzymanie siły
sprężającej odbywa się wyłącznie dzięki zakotwieniom mechanicznym, co wymaga ich pełnej niezawodności. W
klasycznym kablobetonie, wtórna przyczepność cięgien daje dodatkowe bezpieczeństwo.
Można wyróżnić następujące fazy wykonywania konstrukcji kablobetonowej:
o Ułożenie i stabilizacja zbrojenia pomocniczego oraz kanałów kablowych
o Betonowanie i dojrzewanie betonu
o Przewlekanie kabli
o Osadzanie bloków kotwiących i pras
o Naciąg kabli
o Kotwienie kabli
o Zabezpieczenie kabli (ew. iniekcja) i zakotwień
Podstawowe etapy produkcji pokazano schematycznie na Rys. 1.3-1.
25/61
A
A
A-A
Kanał kablowy
Betonowanie
Prasa naciągowa
Zakotwienie
Sprężanie
Kotwienie
Rys. 1.4-1 Podstawowe fazy produkcji elementu kablobetonowego
Rys. 1.4-2 Układ osłon kanałów kablowych w
mostowym dźwigarze skrzynkowym
Rys. 1.4-3 Układ kabli w płycie stropu sprężonego
Rys. 1.4-4 Prasa naciągowa w czasie naciągu
1.4.3.
Zalety i wady kablobetonu
26/61
W stosunku do strunobetonu, technologia kablobetonu wykazuje następujące zalety

Wykonywanie indywidualnych konstrukcji o dowolnym kształcie

Możliwość sprężania na budowie (bez stałych wytwórni)

Możliwość scalania sprężeniem konstrukcji segmentowych
Podstawową wadą jest konieczność stosowania kosztownych konstrukcji kabli oraz zakotwień i pracochłonność
procesu sytuowania kabli w elemencie.
1.4.4.
Oprzyrządowanie
Pomijając wyposażenie związane z wykonaniem elementu betonowego, tj. montaż zbrojenia i formy, betonowanie
(które to nie różnią się zasadniczo od konstrukcji żelbetowych), w kablobetonie wykorzystuje się wiele elementów i
urządzeń wyspecjalizowanych.
Można wyróżnić:

Osłony kablowe

Zakotwienia i łączniki kabli

Prasy naciągowe (naciągarki) z urządzeniami kontrolno - pomiarowymi

Urządzenia do iniekcji kanałów
Rys. 1.4-5 Elementy systemu sprężania (Freyssinett Polska)
27/61
Osłony kablowe

Ich zadaniem jest ukształtowanie przebiegu kabla i zapewnienie niezmienności położenia i drożności
kanału kablowego w procesie betonowania oraz jego szczelności.

W kablach z przyczepnością, injektowanych, powierzchnia osłon powinna być na tyle „szorstka”, aby
zapewnić wtórną przyczepność cięgien do elementu.

W kablach zewnętrznych, osłona powinna zapewniać właściwą ochronę antykorozyjną oraz odporność na
uszkodzenia mechaniczne (uderzenie, celowe uszkodzenie).
Rys. 1.4-6 Osłona z tworzywa sztucznego (Freyssinett
Rys. 1.4-7 Osłony z blachy zwijane (Freyssinett Polska)
Polska)
Stalowa osłona kabla
Osłony PE cięgien
Cięgna (sploty)
ocynkowane galwanicznie
Rys. 1.4-8 Osłony i zabezpieczenie cięgien kabli zewnętrznych (Freyssinett Polska)
28/61
Zakotwienia czynne
Ich rozwiązania są przystosowane do przeprowadzenia naciągu kabli i ich zakotwienia.
Rys. 1.4-9 Zakotwienia czynne ( System C, Freyssinett Polska)
Zakotwienia bierne
Mogą nie różnić się od zakotwień czynnych. Można stosować rozwiązania wygodniejsze i prostsze (a tym samym –
tańsze).
Rys. 1.4-10 Zakotwienie bierne
(System N, Freyssinett Polska)
Rys. 1.4-11 Zakotwienie bierne
(System G, Freyssinett Polska))
29/61
Łączniki, zakotwienia specjalne
Rys. 1.4-12 Łącznik kablowy
(System CC, Freyssinett Polska)
Rys. 1.4-13 Zakotwienia specjalne – do sprężania obwodowego ( System X, Freyssinett Polska)
30/61
Prasy naciągowe
Służą do naciągania i kotwienia cięgien. Stosuje się urządzenia do pojedynczych splotów (lub drutów), oraz
umożliwiające jednoczesny naciąg wszystkich splotów kabla.
Kotwienie w uchwytach roboczych
Naciąg
Kotwienie
(wciskanie szczęk trwałych)
Powrót
(przy dużych wydłużeniach
powtórzenie cyklu)
Rys. 1.4-14 Sekwencje cyklu prasy naciągowej (Fot. TT Fijnmechanica B.V.)
31/61
Rys. 1.4-15 Naciągarka pojedynczych splotów
Rys. 1.4-16 Zakotwienia specjalne – do sprężania
(Fot. Paul Maschinenfabrik GmbH & Co. KG)
obwodowego ( Fot. Freyssinett Polska)
Urządzenia do iniekcji
Są to agregaty wytwarzające i wtłaczające masę iniekcyjną w przestrzeń kanału kablowego.
Rys. 1.4-17 Iniektarka (Fot. BBR)
Inne urządzenia
Spośród innych urządzeń związanych z technologią kablobetonową można wymienić:
Siłomierze do pomiaru siły naciągu
Służą do rejestracji i monitorowania wartości siły w cięgnach, także są montowane stale w szczególnie
odpowiedzialnych konstrukcjach.
Urządzenia do rozkatwiania kabli
Umożliwiają rozkotwienie cięgien i zwalniania siły naciągu w przypadku konieczności wymiany kabli lub
poszczególnych cięgien.
32/61
1.4.5.
Przykłady realizacji
Obiekty mostowe

Mosty belkowe
Rys. 1.4-18 Most belkowy z prefabrykowanymi
przęsłami kablobetonowymi
(Walnut Lane Memorial Bridge, USA, 1956)
Rys. 1.4-19 Most belkowy z przęsłami kablobetonowymi
w technologii nasuwania
(River Rewa Bridge, Fiji, 2006)
Rys. 1.4-20 Most belkowy z przęsłami kablobetonowymi w technologii wspornikowej
(Rama V Bridge, Tajlandia, 2002)
33/61

Mosty wiszące
Rys. 1.4-21 Most wiszący ze ściskanym łukiem
(Most im. Antoniego Madalińskiego, Ostrołęka, 1996)

Rys. 1.4-22 Most wiszący
(Humber Bridge, Wlk. Brytania, 1981)
Mosty wantowe
Rys. 1.4-23 Most III Tysiąclecia im. Jana Pawła II przez Martwą Wisłę w Gdańsku, 2001

Mosty exteradosed
Rys. 1.4-24 Odawara Blue Way Bridge, Japonia 1994
34/61
Elementy budynków

Dźwigary dachowe
Rys. 1.4-25 Typoszereg dźwigarów sprężonych
Rys. 1.4-26 Dźwigary wspornikowe Torwar Warszawa

Konstrukcje szkieletowe
Rys. 1.4-27 Rama sprężona budynku szkieletowego
35/61

Belki podsuwnicowe
Rys. 1.4-28 Belka podsuwnicowa

Zbiorniki, kopuły i silosy
Rys. 1.4-29 Zbiornik sprężony (Fot. ABE NIKKO KOGYO CO.,LTD.)
36/61
Rys. 1.4-30 Silos na cement (Fot. CUBUS HELLAS Ltd.)
Rys. 1.4-31 Zbiornik wieżowy (Fot. Crom Prestressed Water Tanks)
37/61

Inne obiekty inżynieryjne
Rys. 1.4-32 Niecka basenu ROSIR Rzeszów
Rys. 1.4-33 Kotew gruntowa prętowa
(Fot. Zakład Inżynieryjny GEOREM Sp. z o.o.)
Rys. 1.4-34 Kotew gruntowa kablowa
(Fot. Stump - Hydrobudowa Sp. z o.o.)
38/61
1.5. Beton – podstawowe właściwości
1.5.1.
Składniki betonu
Wprowadzenie
Beton jest materiałem kompozytowym złożonym z kruszywa i spoiwa cementowego. W konstrukcjach sprężonych
szczególne wymagania dotyczące wytrzymałości betonu wymagają szczególnie uważnego doboru składników
charakteryzujących się zwiększonymi wymaganiami niż w przypadku konstrukcji żelbetowych.
Kruszywo
Kruszywo do betonów powinno charakteryzować się stałością właściwości fizycznych i jednorodnością uziarnienia
oraz nie powinno zawierać składników szkodliwych ilości lub postaci, wywierającej wpływ na cechy betonu.
Istotnymi parametrami kruszywa są:
1) Skład petrograficzny
2) Wytrzymałość (marka kruszywa)
3) Kształt i faktura powierzchni ziarna
4) Procentowy udział frakcji (skład ziarnowy – krzywa przesiewu)
5) Wilgotność
6) Ciężar właściwy
7) Ciężar objętościowy
Maksymalny wymiar ziarna kruszywa nie powinien przekraczać (zgodnie z Eurokodem-2):
1) ¼ minimalnej grubości przekroju betonu
2) Rozstawu cięgien minus 5 mm
3) 40 mm.
Kruszywo grube (≥ 4 mm)
Jako podstawowe stosuje się kruszywa łamane za skał magmowych (żwir, grys, grys z otoczaków) lub jako
mieszanki (mieszanka kruszywa naturalnego sortowana, kruszywa łamanego i kruszywa z otoczaków). Kruszywo
nie może zawierać zanieczyszczeń, głównie frakcji drobnych (glin, iłów, pyłów, cz. organicznych)
Kruszywo drobne (≤ 2mm)
Stosuje się piaski i piaski łamane sortowane i płukane (eliminacja zanieczyszczeń)
39/61
Cement
Cement – spoiwo hydrauliczne otrzymywane ze zmielenia klinkieru cementowego z dodatkiem kamienia
gipsowego (ok. 5%) i innych surowców, których wielkości wagowe wynoszą od 3 do 55% (żużel, pył krzemionkowy,
pucolany, popiół lotny, wapień). Kamień gipsowy pełni rolę regulatora warunków wiązania cementu. Klinkier
cementowy ( główny składnik cementu) – powstaje przez wypalenie w temperaturze około 1450 °C mieszaniny
wapieni (margli) i glinokrzemianów (gliny) a następnie zmielenie.
Podstawową cechą cementu jest klasa, określająca wytrzymałość znormalizowanej zaprawy na ściskanie
oznaczona po 28 dniach twardnienia podaną w MPa. Klasę cementu dobiera się w zależności od klasy betonu
przewidzianej w projekcie konstrukcji, co prowadzi do następującego podziału: 32,5; 32,5R; 42,5; 42,5R; 52,5;
52,5R (litera R oznacza, że cement ma wysoką wytrzymałość wczesną – oznaczoną po 2 lub 7 dniach
twardnienia).
Zgodnie z obowiązującymi normami cementy powszechnego użytku można podzielić na cztery rodzaje:
- CEM I – cement portlandzki (bez dodatków),
- CEM II – cementy mieszane: żużlowy (S), krzemionkowy (D), pucolanowy (P-naturalny lub Q-przemysłowy),
popiołowy (V-popiół lotny krzemionkowy, W-pipół lotny wapienny), wapienny (L), żużlowo-popiołowy (SV).
- CEM III – cement hutniczy – wysoka odporność na działanie siarczanów i kwasów humusowych pozwala na
stosowanie w środowiskach o podwyższonej agresywności.
- CEM IV – cement pucolanowy – również wysoka odporność na negatywny wpływ środowisk o agresji kwaśnej
(np. wody siarczanowej). Stosowany jako spoiwo do betonów i zapraw oraz do produkcji elementów z betonu
komórkowego.
Z uwagi na ilość dodatków cementy dzieli się na odmiany A i B, które określają dopuszczalną ilość dodatków dla
poszczególnych rodzajów cementu.
Klasę cementu dobiera się w zależności od klasy betonu przewidzianej w projekcie konstrukcji, co prowadzi do
następującego podziału:
- do betonów klas B 7,5 do B 30 i betonów komórkowych stosuje się cementy klas 32,5 i 32,5R
- do betonów klas B 20 do B 50 (i wyższych) stosuje się cementy klas 42,5 i 42,5R
Woda
Woda zarobowa nie może zawierać zanieczyszczeń ani domieszek chemicznych w ilościach przekraczających
dopuszczalne. Ogólnie można uważać, że woda wodociągowa jest przydatna do betonu.
Dodatki i domieszki
Służą otrzymaniu pożądanych cech betonu lub mieszanki betonowej.
40/61
Domieszki chemiczne są definiowane w normie PN-EN 934-2 jako materiały dodawane podczas wykonywania
mieszanki betonowej, w ilości nie przekraczającej 5% masy cementu w celu modyfikacji właściwości mieszanki
betonowej stwardniałego betonu.
Rozróżniamy następujące rodzaje domieszek:

domieszki uplastyczniające i upłynniające – plastyfikatory i superplastyfikatory

domieszki napowietrzające

domieszki uszczelniające

domieszki opóźniające

domieszki przyśpieszające

domieszki zimowe

domieszki spęczniające

domieszki stabilizujące

domieszki do betonowania pod wodą

domieszki spieniające

domieszki do zaczynów iniekcyjnych

emulsje polimerowe
Dodatki mineralne
Jako dodatki mineralne modyfikujące właściwości betonu stosowane są:

popiół lotny

mielony granulowany żużel wielkopiecowy

pył krzemionkowy
Podstawowy fizyczny mechanizm oddziaływania dodatków mineralnych dodawanych do betonu to uszczelnienie
struktury. Charakteryzujące się wysokim stopniem rozdrobnienia (popiół lotny oraz pył krzemionkowy) wypełniają
przestrzenie między ziarnami cementu, podobnie jak się to dzieje w przypadku cząstek cementu, które uszczelniają
pustki między ziarnami piasku oraz w przypadku piasku uszczelniającego stos okruchowy kruszywa grubego.
Dodatki mineralne powodują że beton charakteryzuje się wieloma bardzo korzystnymi właściwościami. Do
właściwości tych należy zaliczyć:

wzrost wytrzymałości początkowej i końcowej

małą przepuszczalność dla gazów i cieczy

zwiększoną odporność na korozję chemiczną

zwiększoną mrozoodporność
1.5.2.
Podstawowe wymagania dla betonu w konstrukcjach sprężonych
Ogólnie, beton w konstrukcjach sprężonych powinien charakteryzować się wysoką jakością. Na to pojęcie w
szczególności składają się:

Wysoka wytrzymałość na ściskanie (wynikająca głównie z niskiego współczynnika wodno-cementowego)

Trwałość wynikająca ze szczelności uzyskiwanej dzięki obniżeniu zawartości cementu, właściwemu
zagęszczeniu i pielęgnacji.
41/61

Zminimalizowany skurcz i pełzanie (dzięki ograniczeniu ilości cementu i stosowaniu cementów
specjalnych)
Wytrzymałość
Wytrzymałość betonu jest podstawowa cechą zapewniającą nośność elementu. W konstrukcjach sprężonych,
konieczność stosowania betonów o wyższych wytrzymałościach wynika z następujących powodów:

przeniesienia wysokich naprężeń w strefach zakotwień

wymaganej nośności poszczególnych części elementu na ściskanie, rozciąganie i ścinanie oraz
zapewnienie właściwej przyczepności cięgien

zwiększeniu sztywności elementu ograniczającej ugięcia

ograniczeniu rys skurczowych.
Wytrzymałość na ściskanie
Wytrzymałość na ściskanie jest określana za pomocą klas wytrzymałości odnoszących się do wytrzymałości
charakterystycznej, uzyskiwanej przez nie mniej niż 95% ilości (próbek) betonu w wieku 28 dni. Wśród klas betonu
opisanych w Eurokodzie, w konstrukcjach sprężonych mają zastosowanie klasy zawarte w Tab. 1.2-1
Tab. 1.5-1 Wybrane parametry klas betonów według Eurokodu2
Klasa
fck/fck,cube
fctm, MPa
Ecm, GPa
c1, (‰)
cu1, (‰)
c2, (‰)
cu2, (‰)
n
c3, (‰)
cu3, (‰)
C25/30
2,6
31
2,1
C30/37
2,9
32
2,2
Beton zwykły
C35/45 C40/C50
3,2
3,5
34
35
2,25
2,3
3,5
2,0
3,5
2,0
1,75
3,5
C45/55
3,8
36
2,4
C50/60
4,1
37
2,45
C55/67
4,2
38
2,5
3,2
2,2
3,1
1,75
1,8
3,1
Beton wysokowartościowy
C60/75 C70/85 C80/95
4,4
4,6
4,8
39
41
42
2,6
2,7
2,8
3,0
2,8
2,8
2,3
2,4
2,5
2,9
2,7
2,6
1,6
1,45
1,4
1,8
2,0
2,2
2,9
2,7
2,6
C90/105
5,0
44
2,8
2,8
2,6
2,6
1,4
2,3
2,6
W zależności od sposobu określania rozróżnia się wytrzymałość charakterystyczną walcową fck, lub wytrzymałość
charakterystyczną kostkową f ck,cube. Wytrzymałość kostkowa odnosi się do wyników badań kontrolnych określanych
na próbkach sześciennych 150 mm, zaś walcowa na próbkach walcowych o wysokości 300 mm i średnicy 150 mm.
Wytrzymałość charakterystyczna fck określa realną wytrzymałość betonu na ściskanie w konstrukcji.
Wymagania dla betonu określa PN-EN 206-1.
Wytrzymałość na rozciąganie
Eurokod rekomenduje doświadczalne określanie wytrzymałości betonu na rozciąganie w tych sytuacjach, gdy jest
to szczególnie istotne. W przeciętnych sytuacjach, wystarczająca jest zależność wiążąca średnią wytrzymałość na
rozciąganie fctm ze średnią wytrzymałością na ściskanie fcm.
42/61
Moduł sprężystości
Jest to parametr decydujący o sztywności elementu sprężonego. Moduł sprężystości betonu jest bezpośrednio
wykorzystywany w obliczeniach konstrukcji sprężonych.
Trwałość betonu
Trwałość betonu de facto zapewnia trwałość elementu sprężonego. Jest to cecha w praktyce równie istotna jak
ogólnie pojęte cechy wytrzymałościowe rozważanej konstrukcji. Trwałość ta jest definiowana jako odporność na
warunki klimatyczne, agresję chemiczną, abrazję i inne procesy niszczące. Ewoluowanie norm odnoszących się do
konstrukcji sprężonych co raz większy naciska kładło właśnie na zapewnienie odpowiedniej trwałości konstrukcji.
Zapewnienie trwałości betonu w ujęciu praktycznym i normowym odbywa się poprzez określenie konkretnych
wymagań w odniesieniu do składu i wybranych cech betonu, w warunkach odpowiednio zdefiniowanych
oddziaływań środowiskowych.
Zagrożenia środowiskowe istotne z punktu widzenia trwałości to:

Agresja chemiczna ( w szczególności kwasy, chlorki – w tym: środki odladzające)

Alkaliczna reaktywność kruszywa

Działalność wody morskiej

Destrukcja mrozowa

Korozja zbrojenia
Trwałość betonu jest ściśle związana z jego nasiąkliwością – a ogólnie - ze szczelnością struktury. Czyli beton
powinien być szczelny i zachowywać właściwe do warunków otulenie zbrojenia. Podstawowe znaczenie ma tu
użycie właściwych materiałów i dobra jakość wykonania betonu oraz jego wbudowania w konstrukcję.
Zależności naprężenie – odkształcenie dla betonu
Beton poddany jednoosiowemu ściskaniu
Wartość naprężeń ściskających powstających w betonie w zależności od jego odkształceń początkowo jest liniowa,
zaś przy wzroście odkształceń, naprężenia rosną wolniej, czy też wręcz‰ mogą maleć. Podstawowy nieliniowy
model betonu zawarty w Eurokodzie, opisany jest funkcją:
c
k   2

, dla 0 < |c| < |cu1|
f cm 1  (k  2 )
gdzie:
 = c/c1 ; c1 – odkształcenie przy maksymalnej
wartości naprężeń,
k = 1,05Ecm|c1|/fcm
cu1 - nominalne odkształcenia graniczne
Parametry c1, cu1 zależą od klasy betonu.
Rys. 1.5-1 Normowy model betonu do nieliniowej analizy konstrukcji
43/61
Rys. 1.5-2 Nieliniowe charakterystyki normowe wybranych klas betonów
Pełzanie betonu
Pełzanie betonu jest definiowane jako przyrost deformacji w czasie pod stale utrzymywanym obciążeniem. Z
powodu pełzania następuje znaczący spadek siły sprężającej oraz rosną np. ugięcia. Określenie tego efektu jest
więc istotne na etapie projektowania od określenia strat siły sprężającej.
Pełzanie na swoje źródła w dwóch przyczynach:
o
Zmiany strukturalne zaczynu cementowego
o
Wypieranie wody z przestrzeni porów
Jeśli beton poddany jest wolno narastającemu obciążeniu, zależność naprężeń od odkształceń jest wydłużona w
osi odkształceń w porównaniu do zależności przy szybkim obciążaniu, o czym decyduje pełzanie. Jeśli obciążenie
jest utrzymywane na określonym poziomie, przyrost odkształceń wskutek pełzania przesuwa krzywą odkształcenie
- naprężenie przy szybkim obciążeniu do krzywej przy wolnym przyroście obciążenia.

Szybkie obciążanie
Wolne obciążanie
Efekt pełzania
c
Rys. 1.5-3 Odkształcalność betonu ściskanego
44/61
Pełzanie jest mierzone przyrostem odkształceń dodatkowych (przyrosłych w czasie) w stosunku do odkształceń
sprężystych wywołanych obciążeniem. Jeśli obciążenie jest bliskie obciążeniom użytkowym, odkształcenia
pełzania przyrastają wolniej wraz z upływem czasu. Jeśli obciążenia rodzą naprężenia na poziomie nie większym
niż ok. 50 % wytrzymałości betonu, graniczne odkształcenie pełzania jest liniowo proporcjonalne do odkształcenia
sprężystego. Proporcję granicznego odkształcenia pełzania w stosunku go odkształceń sprężystych określa się
jako współczynnik pełzania :
Odkształcenie
ccc/Ec
(1.5-2)
Graniczne odkształcenie pełzania
Odkształcenie sprężyste
Czas (skala liniowa)
Rys. 1.5-4 Zmiana odkształceń betonu obciążonego w funkcji czasu
Jeśli obciążenie zostanie usunięte, zachodzi proces odwrotny. Jednak odkształcenia sprężyste i pełzania są
mniejsze. Pozostają bowiem trwałe odkształcenia plastyczne
Odkształcenie
Powrotne odkształcenie
Powrotne odkształcenie pełzania
Odkształcenie pełzania
Rys. 1.5-5 Zmiana odkształceń betonu odciążonego w funkcji czasu
Odkształcenia pełzania zależą od kilku czynników. Maleją wraz z maleniem następujących parametrów:
1. Ilością zaczynu cementowego
2. Współczynnikiem w/c
3. Zawartością powietrza
4. Temperatury otoczenia
Maleją wraz z wzrostem następujących zmiennych:
1. Wieku betonu w czasie obciążenia
2. Wilgotności środowiska
3. Stosunku objętości do pola powierzchni przekroju
45/61
Pełzanie można ograniczać dobierając właściwy skład betonu, poddawać go odpowiedniej pielęgnacji i opóźniać
czas obciążenia (sprężenia) betonu.
Skurcz betonu
Skurcz w betonie wywołany jest zmniejszeniem objętości wskutek ubytku wilgoci. Ma on istotny wpływ na
zachowanie się konstrukcji sprężonej.
Całkowite odkształcenie skurczowe składa się z dwóch składników, odkształcenia skurczowego spowodowanego
wysychaniem i autogenicznego (samorodnego) odkształcenia skurczowego. Odkształcenie spowodowane
wysychaniem rozwija się powoli, ponieważ jest funkcją migracji wody poprzez stwardniały beton. Autogeniczne
odkształcenie skurczowe rozwija się w czasie twardnienia betonu, dlatego główna jego część powstaje w
pierwszych dniach po ułożeniu betonu.
Odkształcenie skurczowe
sh
t0
Rys. 1.5-6 Zmiana odkształceń skurczowych w funkcji czasu
Rys. 1.5-6 pokazuje efekt skurczu (w postaci odkształceń skurczowych) w czasie. Wraz z wiekiem betonu, skurcz
przyrasta z malejącą intensywnością. Tzw. końcowe odkształcenie skurczowe jest uwzględniane w obliczeniach
strat siły sprężającej.
Podobnie jak w przypadku pełzania, skurcz zależy od kilku czynników. Skurcz jest wprost proporcjonalny do:

Temperatury otoczenia

Zróżnicowania temperatury w elemencie

Współczynnika w/c

Zawartości cementu
Jest odwrotnie proporcjonalny do;

Wieku betonu w czasie początku wysychania

Wilgotności względnej

Stosunku objętości do pola powierzchni zewnętrznej elementu
46/61
1.5.3.
Betony wysokowartościowe
BWW - to beton o klasie wytrzymałości B60 – B120 (beton wysokiej wytrzymałości)
BBWW - to beton o klasie wytrzymałości B120 – B180 (beton bardzo wysokiej wytrzymałości)
BUWW - to beton o klasie wytrzymałości powyżej B180 (beton ultra wysokiej wytrzymałości)
Betony te stosuje się do budynków wysokich szkieletowych - o oszczędnych przekrojach, do budowli tuneli,
platform wiertniczych, nawierzchni drogowych odpornych na ścieranie, mostów, itd.
Aby uzyskać wyższe parametry betonu należy:

zmniejszyć końcową porowatość zaczynu

stosować kruszywo łamane o wytrzymałości 200-300 MPa

stosować bardzo drobne uszczelniające wypełniacze

poprawić przyczepność zaczynu do kruszywa

w/c [BWW] 0.22 ≤ w/c ≤ 0.35; stąd potrzeba stosowania superplastyfikatorów

dobór odpowiedni kruszywa, spełnienie warunku najmniejszej wodożądności i największej szczelności;
stosować kruszywo bez frakcji 0-0.05; max. wielkość ziarna do 16 mm; najlepsze kruszywo łamane o
kształcie zbliżonym do sześcianu.
BWW są stosowane przede wszystkim w trzech domenach :

w budownictwie wysokim, szczególnie przy wykonywaniu słupów nośnych,

w betonowych konstrukcjach kratowych, stosowanych w budowie platform morskich, w konstrukcjach
przekryć, w mostach typu kratowego,

w mostach żelbetowych i sprężonych oraz w obudowie tuneli; także w nawierzchniach drogowych.
W stosunku do betonu zwykłego, oprócz oczywistej wyższej wytrzymałości, betony te charakteryzują się mniejsza
plastycznością wyrażającą się szybkim ubytkiem wytrzymałości po przekroczeniu maksymalnej. Charakteryzują się
także mniejszym skurczem i pełzaniem. Tym samym wymagane jest bardziej złożone podejście do analizy
konstrukcji wykonanych z tego betonu.
47/61
Rys. 1.5-7 Wykresy odkształcalności betonów zwykłych i ultra wysoko wartościowych
(Ajdukiewicz A., Mames J., Konstrukcje z betonu sprężonego, Polski Cement Sp z o. o., Kraków 2004)
Są to materiały wymagające szczególnie optymalnego doboru składników, precyzyjnego ich dozowania oraz
właściwej i dokładnej pielęgnacji.
1.5.4.
Właściwości zaczynów iniekcyjnych
Zaczyn stosowany do iniekcji kanałów kablowych jest podawany pod ciśnieniem, w ciasną przestrzeń kanału
kablowego. Powinien charakteryzować się następującymi cechami:
1.
Płynnością
2.
minimalna segregacja i odsączaniem wody
3.
niskim skurczem
4.
wytrzymałością po stwardnieniu (ok. 27 MPa po 7 dniach i 30 MPa po 28 dniach)
5.
braku szkodliwych domieszek
6.
trwałością
48/61
1.6. Beton w projektowaniu konstrukcji sprężonych
1.6.1.
Przyrost wytrzymałości betonu w czasie
Wytrzymałość na ściskanie
W konstrukcjach sprężonych szczególnie istotne jest określenie wytrzymałości betonu w czasie.
Gdy czas 3 < t ≤ 28 dni. Eurokod stosuje wzory:
fcm ( t )  ccfcm ; fck ( t )  fcm ( t )  8MPa
(1.6-1; 1.6-2)
gdzie:
fcm  fck  8MPa
   28 1 / 2  
 cc ( t )  exp s 1     
   t   
(1.6-3)
(1.6-4)
w którym:
t – wiek betonu w dniach,
s – współczynnik zależny od rodzaju cementu:
= 0,20 dla CEM 42,5R, CEM 52,5N i CEM 52,5R
= 0,25 dla CEM 32,5R, CEM 42,5N
= 0,38 dla CEM 32,5N
Powyższa zależność jest ustalona dla warunków dojrzewania betonu wg EN 12390 i średniej temperatury 20C.
Dla t ≤ 3 dni wytrzymałość fck(t) należy określać doświadczalnie.
Wytrzymałość na rozciąganie
Dla betonu w wieku 3 < t ≤ 28 dni stosuje się zależność jak dla wytrzymałości na ściskanie.
Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, przy projektowaniu można wyznaczać ze wzoru:
f ctm ,fl  max ( 1,6  h / 1m )f ctm ; f ctm 
(1.6-5)
49/61
1.6.2.
Modele odkształcalności betonu ściskanego
Przy projektowaniu, norma dopuszcza modele uproszczone o następujących postaciach:
n
 
c  
  , dla 0 < c < c2
 c  f cd 1  1 
 c 2  
 


 c  fcd , dla c2 ≤ c ≤ cu2
gdzie:
c2 – odkształcenie przy maksymalnej wartości naprężeń,
Parametry n, c2, cu2 zależą od klasy betonu
Rys. 1.6-1 Model paraboliczno - prostokątny
 c  f cd
c
, dla 0 < c < c3
 c3
 c  fcd , dla c3 ≤ c ≤ cu3
gdzie:
c3 – graniczne odkształcenie sprężyste,
Parametry c3, cu3 zależą od klasy betonu
Rys. 1.6-2 Model dwuliniowy
dla fck ≤ 50 MPa:
 = 0,8;  = 1,0
dla 50 < fck ≤ 90 MPa:
 = 0,8-(fck-50)/400
 = 1,0-(fck-50)/200
Rys. 1.6-3 Model prostokątnego rozkładu naprężeń
Przy sprawdzaniu stanów granicznych nośności (ULS) uwzględnia się obliczeniową wytrzymałość betonu:
50/61
fcd   cc fck /  c
1.6.3.
(1.6-6)
Dopuszczalne naprężenia w betonie
Przy sprężeniu, dopuszczalne naprężenia w betonie wywołane sprężeniem i innymi obciążeniami występującymi w
tym czasie nie może przekraczać 0,6fck(t). Jeśli potwierdzono doświadczalnie, w strunobetonie te naprężenia mogą
osiągać 0,7fck(t).
Jeśli trwałe naprężenia ściskające przekraczają 0,45fck(t) należy uwzględnić nieliniowy przyrost efektów pełzania.
Jest to ważne z punktu widzenia szybkiego narastania strat siły sprężającej i deformacji (np. ugięć) jeśli ta granica
zostanie przekroczona.
1.6.4.
Beton poddany wieloosiowemu ściskaniu
Jeśli beton poddany jest wieloosiowemu ściskaniu (np. w wyniku sprężenia poprzecznego) można przyjąć wzrost
jego wytrzymałości charakterystycznej według zależności:
dla c ≤ 0,05fck
f ck,c = fck(1,000+5,002/fck)
dla c > 0,05f ck
f ck,c = fck(1,125+2,502/fck)
c2,c = c2(fck,c/f ck)2;
cu2,c = cu2 + 0,22/fck, gdzie 2 (= 3) jest efektywnym naprężeniem poprzecznym.
1.6.5.
Moduł sprężystości betonu
Określany jako moduł sieczny w przedziale (0fck, 0,4fck), dla betonów na kruszywie granitowym, zależnością
funkcyjną od wytrzymałości średniej:
E cm
 f

 22GPa  cm 
 10MPa 
0 ,3
(1.6-7)
W przypadku stosowania kruszyw wapiennych należy tę wartość zredukować o 30%, przy stosowaniu piaskowców
– o 10%, zaś przy kruszywie bazaltowym można zwiększyć o 20%.
Zależność modułu sprężystości od czasu można wyrazić zależnością:
 f (t ) 

E cm ( t )   cm
 fcm 
0 ,3
E cm
(1.6-8)
Problem wpływu efektów reologicznych na odkształcalność betonu omówiono w punkcie 1.6.
51/61
1.6.6.
Odkształcenia skurczu betonu
Wartość całkowitego odkształcenia skurczowego określa wzór:
 cs   cd   ca
(1.6-9)
 ca (  )  2,5fck  10   10 6
(1.6-10)
w którym:
końcowe odkształcenie skurczu autogenicznego
końcowe odkształcenie skurczowe spowodowane wysychaniem:
 cd ,  k h  cd ,0
(1.6-11)
gdzie:
–
współczynnik kh o wartościach podanych w Tab. 1.6-1
Tab. 1.6-1 Wartości kh,
–
h0  2 Ac / u
kh
100
200
300
≥500
1,00
0,85
0,75
0,70
wartość skurczu swobodnego podane w Tab. 1.6-2
Zmienność odkształceń skurczowych w czasie określają wzory:
 ca ( t )   as ( t ) ca (  )
gdzie:  as ( t )  1  e
 cd ( t )   ds ( t ,t s ) cd (  )
gdzie:  ds ( t , t s ) 
0 ,2t 0 ,5
(1.6-12; 1.6-13))
t  ts
t  t s  0,04 h03
(1.6.14; 1.6-15)
gdzie t – wiek betonu w rozważanej chwili a ts – wiek betonu na początku procesu wysychania
Tab. 1.6-2 Nominalne wartości skurczu cd,0, spowodowanego wysychaniem betonu
CEM R
CEM N
CEM S
Klasa cementu
Klasa betonu
30/37
40/50
60/75
80/95
90/105
30/37
40/50
60/75
80/95
90/105
30/37
40/50
60/75
80/95
90/105
20
0,44
0,39
0,30
0,23
0,20
0,55
0,48
0,38
0,30
0,27
0,76
0,68
0,54
0,44
0,39
40
0,41
0,36
0,28
0,22
0,19
0,52
0,46
0,36
0,28
0,25
0,71
0,64
0,51
0,41
0,37
Wilgotność względna (w %)
60
80
0,35
0,22
0,30
0,19
0,23
0,15
0,18
0,11
0,16
0,10
0,43
0,27
0,38
0,24
0,30
0,19
0,24
0,15
0,21
0,13
0,60
0,37
0,54
0,33
0,43
0,27
0,35
0,21
0,31
0,19
90
0,12
0,11
0,08
0,06
0,05
0,15
0,13
0,10
0,08
0,07
0,21
0,19
0,15
0,12
0,11
100
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
52/61
1.6.7.
Współczynnik pełzania betonu
Przy określaniu współczynnika pełzania można posługiwać się nomogramami według Rys. 1.6-4
a) środowisko wewnętrzne (RH = 50%)
b) środowisko zewnętrzne (RH = 80%)
Rys. 1.6-4 Metoda wyznaczania współczynnika pełzania betonu w normalnych warunkach
53/61
Jeśli naprężenia przekraczają 0,45f ck wówczas współczynnik pełzania wynosi:
 t    e 1,5 k   0,45 
(1.6-16)
gdzie kc/fcm(t)
W szczególnych sytuacjach zachodzi konieczność relatywnie dokładnego obliczania pełzania i jego efektów.
Należy wówczas korzystać ze szczegółowych procedur normowych popartym badaniami doświadczalnymi.
54/61
1.7. Stal sprężająca
1.7.1.
Formy cięgien
Na rozwój konstrukcji sprężonych wpłynęło opracowanie technologii stali o wysokich wytrzymałościach. Stal ta to
stop żelaza z dodatkiem węgla, manganu i innych pierwiastków. Także zabiegi technologiczne mają istotny wpływ
na jej wysokie właściwości.
W konstrukcjach sprężonych wykorzystuje się także stal zbrojeniową, która zwiększa plastyczność elementu, jego
nośność na ścinanie a także odporność na skurcz i zmienne temperatury.
Druty
Występują o średnicach 2,5, 3,0, 4,0, 5,0, 7,0 i 8,0 mm. Wyróżnia się dwa rodzaje drutów (Rys. 1.7-1):

o gładkiej powierzchni

o powierzchni nagniatanej
Druty o średnicach do 5 mm wykonuje się ze stali o fyk = 1860 MPa, zaś w całym zakresie średnic ze stali
o f yk = 1860 MPa.
Rys. 1.7-1 Druty do sprężania
Sploty
Sploty, jako specjalne skrętki wykonane z drutów sprężających o średnicach od 2,5 mm do 5,5 mm występują w
trzech wariantach:

2 drutowe

3 drutowe

7-mio drutowe
Sploty 2 i 3 drutowe stosuje się do sprężania cienkościennych elementów strunobetonowych (słupy, płyty).
Sploty 7-mio drutowe mają najpowszechniejsze zastosowanie, w całym obszarze konstrukcji sprężonych.
Występują w wersjach o powierzchni płaskiej lub nagniatanej, o stypizowanych średnicach i znormalizowanych
wytrzymałościach, także w wersji ocynkowanej.
55/61
a) splot dwudrutowy
b) splot 7-mio drutowy
Rys. 1.7-2 Sploty do sprężania
Tab. 1.7-1 Parametry podstawowych splotów sprężających według PN-B-03264:2002
Średnica,
mm
Przekrój,
mm2
7,8
Wytrzymałość fpk, MPa
Siła zrywająca Fpk, kN
odm. I
odm. II
odm. I
odm. II
35,6
1940
1740
69,0
62,0
15,5
141,5
1470
1370
208,0
194,0
12,5
93,0
1860
-
173,0
-
13,0
100,0
1860
-
186,0
-
16,0
150,0
1770
-
265,0
-
Pręty
Mają z reguły odmienne zastosowanie niż druty i sploty. Stosuje się do kabli krótkich, z zakotwieniami gwintowymi,
a także do kotew gruntowych. Najczęściej mają powierzchnię użebrowaną, choć raczej w odmienny sposób niż stal
zbrojeniowa. Występują w typowych średnicach od 16 do 42 i więcej.
b) Pręty ze stali żebrowanej
a) Pręty ze stali gładkiej
Rys. 1.7-3 Pręty do sprężania (Fot. DYWIDAG Int.)
1.7.2.
Rodzaje stali sprężających
Dobór składu stali i przebiegu obróbki uszlachetniające po wytopie zapewnia osiągnięcie przez stal wysokiej
wytrzymałości i innych pożądanych właściwości. Poniżej przedstawiono podział stali z uwagi na jej obróbkę.
56/61
Stal zimnowalcowana
Druty przeciągane są przez układ dysz o zmniejszających się średnicach. W ten sposób następuje
uporządkowanie wewnętrznej struktury i wzrost wytrzymałości.
Stal odprężana
Odprężanie następuje w wyniku ogrzania do ok. 350 C i wolnego ochładzania. Redukuje to odkształcenia
plastyczne przy osiąganiu granicy plastyczności.
Stal odpuszczana naprężeniowo
Proces polega na ogrzaniu wstępnie napiętej stali do ok. 350 C. Poprawia to odkształcalność stali poprzez
podniesienie granicy plastyczności i redukuje relaksacyjność stali.
1.7.3.
Właściwości stali sprężających
Stal do sprężania konstrukcji musi charakteryzować się szczególnymi właściwościami, do których można zaliczyć:
1) Wysoką wytrzymałość
2) Odpowiednią wydłużalność
3) Giętność konieczną przy odgięciach na dewiatorach i przy zakotwieniach
4) Wysoką przyczepnością istotną w strunobetonie
5) Niską relaksację naprężeń zmniejszającą straty siły sprężającej
6) Zminimalizowaną podatność na korozję, w tym na korozję naprężeniową.
Wytrzymałość
Wytrzymałość stali sprężających odnosi się do charakterystycznej wytrzymałości na rozciąganie (fpk). Jest ona
definiowana jako graniczna wytrzymałość na rozciąganie partii stali, poniżej której może ulec zerwaniu nie więcej
niż 5% populacji.
Odpowiednie
normy
krajowe
i
międzynarodowe
(w
tym
europejskie)
określają
odpowiednie
klasy
wytrzymałościowe. Do najpopularniejszych należą
1860 – dla drutów i splotów
1770 – dla drutów i splotów
1050 – dla prętów
Moduł sprężystości
Moduł sprężystości stali sprężającej, odpowiada materiałowemu, czyli 200÷210 GPa. Dla splotów złożonych z
wielu drutów, w granicach 190÷195 MPa. Eurokod zaleca przy projektowaniu opierać się na danych producenta
stali czy splotu.
57/61
Dopuszczalne naprężenia w stali sprężającej
Maksymalne naprężenia przy naciągu nie mogą przekraczać wartości:
 0,max  0,80 fpk i  0,max  0,90 fp0,1k
(1.7-1)
gdzie:
f p01,k – granica sprężystości stali (wartość naprężeń, przy których odkształcenia plastyczne wynoszą 0,1%).
Po sprężeniu, czyli przekazaniu siły sprężającej na beton (i wystąpieniu strat doraźnych) naprężenia nie mogą
przekraczać:
 pm0  0,75 fpk i  pm0  0,85 fp0,1k
(1.7-2)
Charakterystyki odkształcalności stali sprężających
Zależność naprężeń od odkształceń w stalach sprężających jest liniowa do poziomu ok. 70% wytrzymałości.
Później staj się nieliniowa, ale bez wyraźnie zaznaczonej granicy plastyczności. Mówi się o umownej granicy
sprężystości f p01. Umowna granica plastyczności jest przyjmowana jako wartość naprężeń przy których
odkształcenia trwałe wynoszą 0,2%.
Rys. 1.7-4 Zalecane normowe charakterystyki stali sprężających
a) druty zimnociągnione ulepszane, b) sploty z tych drutów
58/61
Relaksacja stali
Jest to wielkość określająca względy spadek naprężeń trwałych przy utrzymywaniu stałego wydłużenia stali.
Ilustruje to .
Obciążenie krótkotrwałe
Obciążenie długotrwałe
naprężenie
Relaksacja
odkształcenie
Rys. 1.7-5 Zjawisko relaksacji
Zjawisko relaksacji nie jest zjawiskiem liniowym. Tzn., im większe trwałe wytężenie stali, tym intensywniejsza jest
relaksacja, wyrażana względnym spadkiem naprężeń. Granicą wyraźnie intensyfikująca przyrost relaksacji jest
poziom naprężeń wynoszący ok. 70% wytrzymałości. Stąd, normowe ograniczenie naprężeń w stali po sprężeniu
do 75%.
Rys. 1.7-6 Straty spowodowane relaksacją stali po 1000 h, T = 20C, wg PN-B-03264:2002
Zjawisko relaksacji zależy od czasu rozumianego jako długotrwałość utrzymywania naprężeń. Im czas ten jest
dłuższy, tym relaksacja przyrasta malejąco, osiągając asymptotę.
59/61
Tab. 1.7-2 Przybliżony wzrost strat wskutek relaksacji w czasie od 0 do 1000 h w/g PN-B-03264:2002
Wytrzymałość zmęczeniowa
Ogólnie, sprężenie znakomicie poprawia zdolność konstrukcji z betonu do przenoszenia naprężeń cyklicznie
zmiennych, umożliwiając tym samym stosowanie konstrukcji sprężonych w tych obszarach, gdzie zwykły żelbet jest
nieprzydatny. Tym samym, odporność stali sprężającej na cykliczne zamiany obciążenia jest istota w bardzo wielu
konstrukcjach. Począwszy do podkładów kolejowych, poprzez belki podsuwnicowe i mostowe, a skończywszy na
słupach czy też wantach mostowych.
Normowy test definiujący odporność stali na zmęczenie (stosowany także do określania odporności na zmęczenie
zakotwień lub kabli jako całości) jest przeprowadzany dla 2x106 cykli. W badaniu stali określa się poziom amplitudy
naprężeń, S przy którym próbka ulega zerwaniu po N – cyklach (tzw. test S-N). Można wskazać taki poziom
amplitudy naprężeń, przy którym próbka przetrwa bez uszkodzeń dowolną (nieskończoną) liczbę cykli. Jest to
wytrzymałość zmęczeniowa.
800
zmiana naprężeń
p = max - min [MPa]
600
400
200
0
4
10
Stal 1570/1770
5 mm, profilowana
max = 0,55 fpm= const
10
5
10
6
10
7
liczba cykli N
Rys. 1.7-7 wytrzymałość zmęczeniowa wybranych cięgien
Konstrukcje sprężone należy tak projektować, aby amplitudy naprężeń w cięgnach nie były wyższe niż
wytrzymałość zmęczeniowa.
Trwałość
Stal sprężająca jest wrażliwa na korozję naprężeniową i kruchość wodorową w środowisku agresywnym. Dlatego,
w celu zapewnienia trwałości, ogólnie stal sprężająca wymaga ochrony antykorozyjnej.
60/61
W cięgnach z przyczepnością, czyli w strunobetonie i w klasycznym kablobetonie, alkaliczne otoczenie betonu lub
zaprawy iniekcyjnej stanowi, przy zachowaniu odpowiednich warunków (np. grubości otuliny), wystarczającą
ochronę antykorozyjną.
W kablach bez przyczepności, ochronę antykorozyjną zapewnia odpowiednie wypełnienie przestrzeni kanałów
zawierające inhibitory korozji, a dodatkowo stosowanie drutów (w splotach) ocynkowanych, czy też
wielowarstwowej budowie osłon kablowych i hermetyzacji zakotwień.
1.7.4.
Cięgna kompozytowe
Aktualnie, na etapie badań i pilotowych zastosowań znajdują się cięgna wytworzone z materiałów kompozytowych,
złożonych z wysoko wytrzymałych włókien w matrycy żywicznej. Ich bardzo wysoka wytrzymałość i inne cechy
stwarzają nowe możliwości rozwoju konstrukcji sprężonych.
MODELE CIĘGIEN
p / f p
1
0,9
1
2
3
4
p [‰]
8,5
20
24
33 35
1
Stal: Ep = 190 GPa; fp = 1780 MPa
2
CFRP: Ep = 165 GPa; fp = 3300 MPa
3
AFRP: Ep = 47,5 GPa; fp = 1140 MPa
4
GFRP: Ep = 50 GPa; fp = 1500 MPa
Rys. 1.7-8 Porównanie cech wytrzymałościowych różnych rodzajów cięgien sprężających
61/61

1. Konstrukcje sprężone. Technologie i materiały 1.1. Wprowadzenie 1.1.1.

Transkrypt

Podobne dokumenty

DPD Dodatkowe zalecenia - elektronika i sprzęt RTV AGD

Rysunek architektoniczno

Towarzystwa Plewaków maj 2008 r.