Co to znaczy konstrukcja sprężona?, Jak działa sprężenie?

Konstrukcja sprężona to konstrukcja, do której w sposób świadomy i celowy wprowadzono naprężenia ściskające w te strefy przekroju, które w stadium eksploatacyjnym pod wpływem obciążeń zew są rozciągane

Podział i typy zakotwień.

BIERNE                                             CZYNNE

główkowe                            Poślizgowe                    Bezpoślizgowe

wgłębne                            stożkowe                    gwintowane

zacisk plastyczny              klinowe

                            szczękowe

Straty siły sprężającej

1. Straty przed zakotwieniem – wynikają z wykonawstwa i technicznych warunków naciągu, uwzględnia się je w obliczeniach przy programowaniu naciągu lub bezpośrednio przy samej operacji naciągu, natomiast nie rozważa się w konstrukcyjnym projektowaniu elementów

1.1 Straty od oporów ruchu

a) straty wewnętrzne w urządzeniach naciągowych

b) straty od tarcia w zakotwieniu i uchwytach

c) straty od tarcia w kanale kablowych

1.2 Straty technologiczne w strunobetonie

d) straty od poślizgu w uchwytach technologicznych

e) straty od częściowej relaksacji cięgien

f) straty od różnic temperatury

2. Straty po kotwieniu – związane ze zmianami właściwości i cechami sprężanych elementów, uwzględnia się je w obliczeniach przy projektowaniu elementów

2.1 Straty doraźne

g) straty od poślizgu w zakotwieniu

h) straty od odkształceń sprężystych betonu

2.2 Straty opóźnione

i) straty od relaksacji stali

j) + k) straty od skurczu i pełzania betonu

l) straty od opóźnionych odkształceń styków

Straty siły sprężającej w przekroju elementu

a)  strunobetonowego

b)  kablobetonowego

Ppr -pierwotna siła naciągu

P0 – siła sprężająca początkowa w chwili kotwienia cięgien

Pi – siła sprężająca wstępna po stratach doraźnych

Pt – siła sprężająca trwała po wszystkich stratach

Straty od poślizgu w zakotwieniu

Xo -  zasięg poślizgu

Zmiana siły sprężającej na długości belki kablobetonowej

1.Oś kabla wypadkowego 2.Wykres siły wstępnej Pi 3.Wykres siły trwałej Pt

Założenia do obliczeń

1. Straty reologiczne siły sprężającej oblicza się przy założeniu występowania równoczesnego skurczu, pełzania betonu i relksacji stali

2. Z uwagi na odkształcenia od skurczu i pełzania betonu elementu sprężonego oraz wynikającą stąd redukcję wydłużenia stali sprężającej w obliczeniach wprowadza się tzw. relaksację złagodzoną wynoszącą 0,8Δσpr. Wartość Δσp oblicza się w zależności od klasy stali oraz wgłębnego poziomy naprężeń σp/fpk

3. W obliczeniach strat reologicznych bierze się pod uwagę odkształcenia skurczowe εcs(t,ts) oraz odkształcenia betonu wywołane pełzaniem od naprężeń σcg + σcpo występujących w stali sprężającej

4. Przyjmuje się, że strata siły sprężającej działającej na betonowy przekrój sprowadzony jest równa stracie siły sprężającej w stali

ΔPt.csr = Δσp.csr·Ap

σcg – naprężenie w betonie na poziomie środka ciężkości cięgien od ciężaru własnego i innych obciążeń stałych (naprężenie rozciągające ze znakiem „ - ”)

σcg = 0 – zbiorniki, silosy

σcpo – początkowe naprężenia w betonie na poziomie środka ciężkości cięgien wywołane sprężeniem

Relaksacja stali sprężającej zależy od

1. wytrzymałości charakt. fpk

2. wartości wystepujących w niej naprężeń σp

3. temp. otoczenia w której pracuje konstrukcja

Stal do konstrukcji sprężonych

Stal wysokowytrzymałościowa, można wykorzystać dowolnie dużą wytrzymałość stali.

Stal wysokowęglowa ≤ 0,9% węgla – zwiększa wytrzymałość, ale zmniejsza ciągliwość i zwiększa kruchość.

Dodatki: krzem, mangan, nikiel, chrom, wanad, molibden
 

1) stal stopowa – walcowana na gorąco, nie poddawana późniejszej obróbce plast, niższa wytrzymałość, lepsza odporność na korozję oraz podwyższoną temp

2) stal wysokowęglowa – uzyskiwana przez przeciąganie lub walcowanie na zimno, wysoka wytrzymałość i kruchość, domieszki manganu, krzemu molibdenu i wanadu

na gorąco                            na zimno

Dlaczego w konstrukcjach sprężonych, w przeciwieństwie do żelbetowych, możemy wykorzystać dowolnie dużą wytrzymałość stali ?

W zginanych elementach żelbetowych strefa ściskana betonu stanowi w praktyce najwyżej 1/3 wysokości przekroju, a zatem beton w przeważającej części przekroju znajduje się w strefie rozciąganej i w istocie stanowi balast o drugorzędnym znaczeniu. W zginanych elementach sprężonych przekroje są mimośrodowo ściskane i w całym praktycznie przekroju działają znaczne naprężenia ściskające. Wyżej wymienione warunki pracy konstr sprężonych pozwalają a dobre wykorzystanie w nich materiałów o wysokiej wytrzymałości. Im wyższa wytrzymałość stali w cięgnach sprężających tym mniejszy przekrój tego zbrojenia pozwala na realizację siły sprężającej. Brak kontaktu cięgien z betonem w chwili naciągu nie ogranicza bowiem odkształceń stali, jak ma to miejsce w żelbecie. Wysoka wytrzymałość betonu pozwala dopuścić wysokie naprężenia przy sprężeniu.

Nie opłaca się stosować stali wysokiej wytrzymałości w żelbecie, gdyż aby w pełne wykorzystanie tej wytrzymałości doprowadziłoby do zniszczenia betonu. Nie opłaca się też stosować do tego celu betonów o wysokiej wytrzymałości, gdyż w bardzo niewielkim stopniu wypłynęło by to zmniejszenie przekroju elementu.

Typy cięgien sprężających

- druty stalowe - sploty stalowe  - taśmy i włókna węglowe - włókna aramidowe

a) jednożyłowe

b) wielożylowe

   -> systemy wielodrutowe

   -> systemy wielosplotowe

Z PRZYCZEPNOŚCIĄ

- strunobeton

- kablobeton, gdy zastosuje się iniekcję z zaczynem cementowym do wnętrza osłonki

BEZ PRZYCZEPNOŚCI

- kablobeton ze sprężeniem zewnętrznym

- kablobeton ze sprężeniem wewnętrznym cięgnami bez przyczepności

Skurcz –  zmiana objętości betonu, zjawisko fizyko-chemiczne i zachodzące bez względu na to czy konstrukcja jest obciążona czy nie. Wartość zależy od klasy betonu, ilości cementu, rodzaju cementu, ilości wody, wilgotności

Pełzanie - Pełzanie betonu polega na przyroście odkształceń w wyniku stałego (w czasie) naprężenia. Pełzanie jest zależne od: klasy betonu, wieku betonu w chwili obciążenia, wilgotności względnej  środowiska RH, miarodajnego wymiaru elementu, czasu trwania obc., zmiany temp. otoczenia betonu,

Zjawisko to zachodzi w warunkach swobodnych odkształceń elementu przy długotrwałym działaniu obciążenia. W efekcie narastają plastyczne deformacje, wzrost odkształceń przy stałych naprężeniach. Pełzanie to rozluźnienie struktury betonu od obciążeń rozciągających oraz zagęszczenie struktury od obciążeń ściskających.

a – natychmiastowy nawrót odkształceń

b – opóźniony nawrót odkształceń

c – odkształcenia trwała

εe – odkształcenie natychmiatowe

         σC

εC

                            PEŁZANIE

                          εC1                                                    

εe                          

εS

SKURCZ

Straty od skurczu

- w strunobetonie 10-20% - decyduje stopień dojrzałości w chwili przekazanie sprężenia)

- w kablobetonowych elementach monolitycznych 5-15%

- w kablobetonowych konstr prefabrykowanych 2-6%

Współczynnik pełzania betonu Φ(t,t0) = Φ(∞,t0)· βC(t - t0)

t – wiek betonu w rozważanej chwili (w dniach)

t0 – wiek betonu w chwili obciążenia (w dniach)

Φ(∞,t0) – końcowy współczynnik pełzania

Φ(∞,t0) = ΦRH · β(fcm) ·β(t0)

βC(t - t0) -  funkcja określająca przyrost pełzania po przyłożeniu obciążenia

RH – względna wilgotność powietrza

fcm – średnia wytrzymałość betonu po 28 dniach (Mpa)

Wsp pełzania betonu zależy od

1. wilgotności względnej RH 2. czasu trwania obciążenia t-t0

3. średniej wytrzymałości betonu po 28 dniach fcm 4. rodzaju cementu 5. stosunku przekroju rozpatrywanego elementu do jego obwodu poddanemu działaniu powietrza

Sytuacja początkowa – chwila w której sprężamy element, charakterystyki przekroju sprowadzonego uwzględniają beton, zbrojenie miękkie i puste osłonki kablowe

Obciążenie ciężarem własnym i sprężeniem

Ograniczenia naprężeń

Stal sprężająca

σmo.max ≤ 0,8 fpk – po chwilowym przeciążeniu

σmo.max ≤ 0,9 fp0,1k

σmo ≤ 0,75 fpk – po stratach doraźnych

σmo ≤ 0,75 fp0,1k

SGU

σcc < 0,6fcm(t0) – naprężenia we włóknach ściskanych

σct > fctm(t0)  – naprężenia we włóknach rozciąganych

fcm(t0) – średnia wytrzymałość betonu w chwili t0

...