konstrukcje sprężone

BETONOWE KONSTRUKCJE SPRĘŻONE dr inż. Zbigniew Plewako

Katedra Konstrukcji Budowlanych 1/61

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.



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.



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.

Pierwotna długość pręta stalowego (L1)

Pierwotna długość belki betonowej (L2)

Długość belki betonowej po sprężeniu (L3)

Końcowa długość belki betonowej (L4)

I Element przed sprężeniem

II Element po przyłożeniu sprężenia

III Element po długotrwałych stratach sprężenia

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



(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 =

= Naprężenia dopuszczalne/moduł sprężystości = 140 MPa/2x105 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

Zastosowanie betonu o wyższych wytrzymałościach przenoszącego bezpiecznie duże siły sprężające.

1.1.3. 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.



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.



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.



Rys. 1.1-8 Rozwój materiałów budowlanych

ŚCISKANIE ROZCIĄGANIE ŚCISKANIE I ROZCIĄGANIE

Kamień, cegła Konopie (liny),

bambus Drewno

Beton Pręty i druty stalowe

Kształtowniki stalowe

Beton o wysokiej wytrzymałości

Stal o wysokiej wytrzymałości

Żelbet

Beton sprężony

Kombinacja pasywna

Kombinacja aktywna



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



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 (unbonded tendon)

Nie ma zapewnionej przyczepności powierzchni cięgna do otaczającego betonu (w 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



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 Strunobeton Kablobeton

Naciąg cięgien Przed betonowaniem (stwardnieniem betonu) Po zabetonowaniu (i stwardnieniu betonu)

Mechanizm kotwienia

Przez przyczepność powierzchni cięgien do betonu

Za pomocą urządzeń mechanicznych (zakotwień) opartych o beton

Przebieg (trasa) cięgien Prosta lub załamana, wewnątrz elementu Dowolnie zakrzywiona, także na zewnątrz

elementu Miejsce sprężania W stałej wytwórni W wytwórni lub na budowie Transport W całości W całości lub częściach (przed sprężeniem) Długości elementów Do 24 m, wyjątkowo do 4050 m Dowolna, zazwyczaj ponad 12 m

Zastosowanie Produkcja masowa (elementy typizowane): płyty dachowe i stropowe, podkłady kolejowe, belki, słupy, pale, rury

Elementy indywidualne i typizowane w krótszych seriach: mosty, dźwigary dachowe, belki, stropy płaskie, powłoki, kopuły zbiorniki i silosy, ściany i budowle oporowe, kotwy gruntowe



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)



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).



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)



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.



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.



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)



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.

Naciąg cięgien

Betonowanie

Sprężenie

Prasa naciągowa

Rys. 1.3-1 Podstawowe fazy produkcji elementu strunobetonowego

Rys. 1.3-2 Wygięcie odwrotne elementu strunobetonowego

1.3.3. Technologie strunobetonu

Wyróżnia się dwie podstawowe technologie strunobetonu:

Metodę długich torów

Metodę sztywnych form.



1. Metoda długich torów

Metoda stosowana przy produkcji seryjnej elementów o stałym przekroju na długości. Ideę przedstawia rysunek:

Kozioł oporowy

Naciąg i zakotwienie

Cięgna

Element Zakotwienie

Rys. 1.3-3 Schemat toru naciągowego

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:

Prasa naciągowa

Pompa i manometry Płyta oporowa z szablonem

Słupy (stalowe) kozłów oporowych



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).



Rys. 1.3-7 Formy ze szkieletem zbrojenia I cięgnami z zakotwieniami (“Prestressed concrete poles”

PUBLICATION # C850245, The Aberdeen Group)

Rys. 1.3-8 Wirowanie form słupów (“Prestressed concrete poles” PUBLICATION # C850245, The

Aberdeen Group)

1.3.4. 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



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) a)

b)

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



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

Ograniczenia możliwości optymalnego przebiegu cięgien sprężających w elemencie

1.3.6. 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



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



Rys. 1.3-22 Słupy (żerdzie) energetyczne i trakcyjne (ELGIS-Garbatka Sp. z o.o.)

Rys. 1.3-23 Pale fundamentowe (PRESTRESS INTERNATIONAL CORPORATION)



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.



Betonowanie

Sprężanie

Prasa naciągowa

Kanał kablowy A - A A

A

Zakotwienie

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



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)



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

Polska) Rys. 1.4-7 Osłony z blachy zwijane (Freyssinett Polska)

Rys. 1.4-8 Osłony i zabezpieczenie cięgien kabli zewnętrznych (Freyssinett Polska)

Cięgna (sploty) ocynkowane galwanicznie

Osłony PE cięgien Stalowa osłona kabla



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))



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)



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.)



Rys. 1.4-15 Naciągarka pojedynczych splotów

(Fot. Paul Maschinenfabrik GmbH & Co. KG)

Rys. 1.4-16 Zakotwienia specjalne – do sprężania

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.



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)



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



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



Belki podsuwnicowe

Rys. 1.4-28 Belka podsuwnicowa

Zbiorniki, kopuły i silosy

Rys. 1.4-29 Zbiornik sprężony (Fot. ABE NIKKO KOGYO CO.,LTD.)



Rys. 1.4-30 Silos na cement (Fot. CUBUS HELLAS Ltd.)

Rys. 1.4-31 Zbiornik wieżowy (Fot. Crom Prestressed Water Tanks)



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.)



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)



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.



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.



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 Beton zwykły Beton wysokowartościowy Klasa

fck/fck,cube C25/30 C30/37 C35/45 C40/C50 C45/55 C50/60 C55/67 C60/75 C70/85 C80/95 C90/105 fctm, MPa 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 Ecm, GPa 31 32 34 35 36 37 38 39 41 42 44 c1, (‰) 2,1 2,2 2,25 2,3 2,4 2,45 2,5 2,6 2,7 2,8 2,8 cu1, (‰) 3,5 3,2 3,0 2,8 2,8 2,8 c2, (‰) 2,0 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 cu2, (‰) 3,5 3,1 2,9 2,7 2,6 2,6

n 2,0 1,75 1,6 1,45 1,4 1,4 c3, (‰) 1,75 1,8 1,8 2,0 2,2 2,3 cu3, (‰) 3,5 3,1 2,9 2,7 2,6 2,6

W zależności od sposobu określania rozróżnia się wytrzymałość charakterystyczną walcową fck, lub wytrzymałość

charakterystyczną kostkową fck,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.



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:

)2k(1k

f

2

cm

c, dla 0 < |c| < |cu1|

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



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.

Rys. 1.5-3 Odkształcalność betonu ściskanego

c

Szybkie obciążanie

Wolne obciążanie

Efekt pełzania



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 :

ccc/Ec (1.5-2)

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

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

Powrotne odkształcenie pełzania

Powrotne odkształcenie

Czas (skala liniowa)

Odk

szta

łcen

ie

Odkształcenie pełzania

Graniczne odkształcenie pełzania

Odkształcenie sprężyste


Odk

szta

łcen

ie



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.


Odk

szta

łcen

ie s

kurc

zow

e

t0

sh

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



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.



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



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:

cmcccm f)t(f ; MPa)t(f)t(f cmck 8 (1.6-1; 1.6-2)

gdzie:

MPaff ckcm 8 (1.6-3)

21281/

cc tsexp)t( (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 20C.

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:

ctmctmfl,ctm f;f)m/h,(maxf 161 (1.6-5)



1.6.2. Modele odkształcalności betonu ściskanego

Przy projektowaniu, norma dopuszcza modele uproszczone o następujących postaciach:

n

2c

ccdc 11f , dla 0 < c < c2

cdc f , dla c2 ≤ c ≤ cu2 gdzie: c2 – odkształcenie przy maksymalnej wartości naprężeń, cu2 - nominalne odkształcenia graniczne Parametry n, c2, cu2 zależą od klasy betonu

Rys. 1.6-1 Model paraboliczno - prostokątny

3c

ccdc f

, dla 0 < c < c3

cdc f , dla c3 ≤ c ≤ cu3

gdzie:

c3 – graniczne odkształcenie sprężyste,

cu3 - nominalne odkształcenia graniczne

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:



cckcccd /ff (1.6-6)

1.6.3. 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 fck,c = fck(1,000+5,002/fck)

dla c > 0,05fck fck,c = fck(1,125+2,502/fck)

c2,c = c2(fck,c/fck)2; cu2,c = cu2 + 0,22/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:

30

1022

,cm

cm MPafGPaE

(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:

cm

,

cm

cmcm E

f)t(f)t(E

30

(1.6-8)

Problem wpływu efektów reologicznych na odkształcalność betonu omówiono w punkcie 1.6.



1.6.6. Odkształcenia skurczu betonu

Wartość całkowitego odkształcenia skurczowego określa wzór: cacdcs (1.6-9)

w którym:

końcowe odkształcenie skurczu autogenicznego

6101052 ckca f,)( (1.6-10)

końcowe odkształcenie skurczowe spowodowane wysychaniem:

0,cdh,cd k (1.6-11)

gdzie:

– współczynnik kh o wartościach podanych w Tab. 1.6-1

Tab. 1.6-1 Wartości kh,

u/Ah c20 hk 100 1,00 200 0,85 300 0,75 ≥500 0,70

– wartość skurczu swobodnego podane w Tab. 1.6-2

Zmienność odkształceń skurczowych w czasie określają wzory:

)()t()t( caasca gdzie: 50201

,t,as e)t( (1.6-12; 1.6-13))

)()t,t()t( cdsdscd gdzie: 30040 h,tt

tt)t,t(

s

ssds

(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

Wilgotność względna (w %) Klasa cementu Klasa betonu 20 40 60 80 90 100

30/37 0,44 0,41 0,35 0,22 0,12 0,00 40/50 0,39 0,36 0,30 0,19 0,11 0,00 60/75 0,30 0,28 0,23 0,15 0,08 0,00 80/95 0,23 0,22 0,18 0,11 0,06 0,00 C

EM S

90/105 0,20 0,19 0,16 0,10 0,05 0,00 30/37 0,55 0,52 0,43 0,27 0,15 0,00 40/50 0,48 0,46 0,38 0,24 0,13 0,00 60/75 0,38 0,36 0,30 0,19 0,10 0,00 80/95 0,30 0,28 0,24 0,15 0,08 0,00 C

EM N

90/105 0,27 0,25 0,21 0,13 0,07 0,00 30/37 0,76 0,71 0,60 0,37 0,21 0,00 40/50 0,68 0,64 0,54 0,33 0,19 0,00 60/75 0,54 0,51 0,43 0,27 0,15 0,00 80/95 0,44 0,41 0,35 0,21 0,12 0,00 C

EM R

90/105 0,39 0,37 0,31 0,19 0,11 0,00



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



Jeśli naprężenia przekraczają 0,45fck wówczas współczynnik pełzania wynosi:

45,0k5,1t e (1.6-16)

gdzie kc/fcm(t) W szczególnych sytuacjach zachodzi konieczność relatywnie dokładnego obliczania pełzania i jego efektów.

Należy wówczas korzystać ze szczegółowych procedur normowych popartym badaniami doświadczalnymi.



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 fyk = 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.



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

Wytrzymałość fpk, MPa Siła zrywająca Fpk, kN Średnica, mm

Przekrój, mm2

odm. I odm. II odm. I odm. II

7,8 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.

a) Pręty ze stali gładkiej

b) Pręty ze stali żebrowanej

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.



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.



Dopuszczalne naprężenia w stali sprężającej

Maksymalne naprężenia przy naciągu nie mogą przekraczać wartości:

pkmax,0 f80,0 i k1,0pmax,0 f90,0 (1.7-1)

gdzie:

fp01,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:

pk0pm f75,0 i k1,0p0pm f85,0 (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 fp01. 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



Relaksacja stali

Jest to wielkość określająca względy spadek naprężeń trwałych przy utrzymywaniu stałego wydłużenia stali.

Ilustruje to .

odkształcenie

napr

ężen

ie

Obciążenie krótkotrwałe

Obciążenie długotrwałe

Relaksacja

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 = 20C, 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.



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.

104 105 106 107

800

400

200

0

Stal 1570/1770 5 mm, profilowana max = 0,55 fpm= const

600

liczba cykli N

zmiana naprężeń p = max - min [MPa]

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.



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.

0,9

1pp f/

p [‰]

3320 24 35

21

34

AFRP: Ep = 47,5 GPa; fp = 1140 MPa3

2 CFRP: Ep = 165 GPa; fp = 3300 MPa

4 GFRP: Ep = 50 GPa; fp = 1500 MPa

1 Stal: Ep = 190 GPa; fp = 1780 MPa

8,5

MODELE CIĘGIEN

Rys. 1.7-8 Porównanie cech wytrzymałościowych różnych rodzajów cięgien sprężających

Documents

konstrukcje sprężone