PREDNAPETE BETONSKE KONSTRUKCIJE Seminarski rad
Studentica: Andrea Mušić Profesor: Marino Šneler Kolegij: Tehnologija građenja Sveučilište u Zagrebu, Arhitektonski fakultet Preddiplomski studij arhitekture i urbanizma Ak. god. 2012./2013.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
SADRŽAJ: 1. NAČELO I RAZLOZI PRIMJENE 1.1. Prednosti korištenja prednapregnutog betona
2 3
2. POVIJESNI RAZVOJ
4
3. MATERIJALI I ELEMENTI SUSTAVA
6
3.1. Beton
6
3.2. Čelik
7
3.3. Smjesa za injektiranje
8
3.4. Zaštitne cijevi
8
3.5. Sidra
9
3.6. Preše
10
4. METODE PREDNAPINJANJA
11
4.1. Prethodno napinjanje
11
4.2. Naknadno napinjanje
13
4.2.1. Prednapinjanje unutarnjim nategama s prianjanjem
13
4.2.1.1. Sustav prednapinjanja s višestrukom užadi
13
4.2.1.2. Sustav prednapinjanja čeličnih šipki
14
4.2.2. Prednapinjanje vanjskim nategama bez prianjanja
15
4.2.2.1. Prednapinjanje jednostruke užadi
15
4.2.2.2. Prednapinjanje s vanjskim nategama
15
4.2.3. Obodno prednapinjanje namatanjem
16
5. STUPANJ PREDNAPINJANJA
17
6. GUBITCI SILE PREDNAPINJANJA
18
6.1. Kratkotrajni gubitci
18
6.2. Dugotrajni gubitci
18
6.3. Proračun gubitaka nosivosti
18
7. PROJEKTIRANJE PREDNAPETIH BETONSKIH KONSTRUKCIJA
19
7.1. Projektiranje i proračun
19
7.2. Razrada detalja presjeka prednapetog elementa
19
8. PRIMJERI
20
8.1. Arena Zagreb, UPI-2M, 2009.
20
8.2. Dulles International Airport, Eero Saarinen, Washington D.C. 1862.
20
8.3. Palača sporta, Pier Luigi Nervi, Rim, Italija, 1957.
21
9. LITERATURA
22
1
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
1.
2
NAČELO PREDNAPINJANJA I RAZLOZI PRIMJENE
Prednaprezanje se pojavilo kao jedna od tehnologija za pospješivanje i optimizaciju armiranobetonske konstrukcije, te se kao takva dosta često i koristi. Ta metoda ne funkcionira poboljšavanjem betona kao materijala već unutar same konstrukcije : stvaranjem naprezanja koja su suprotna očekivanom djelovanju djelomično se ili u potpunosti uklanja nepovoljan vlačni efekt i postiže optimalan betonski presjek. Glavna svrha prednaprezanja je suprotstavljanje momentima savijanja u konstruktivnim elementima, zbog čega je najpogodnije primjenjivati kod greda i ploča. Nositelj tog suprotstavljanja je armatura – za razliku od klasične, tzv. pasivne armature, prednapeta armatura nakon napinjanja stvara vlastito stanje napona unutar konstrukcije te djeluje na betonski element iznutra. Princip je sličan pojavi skretnih sila kod klasičnog armiranja kada savijena armatura u uglovima zbog vlačnog opterećenja djeluje tlačnom silom na beton. Posebno je važan slučaj kada armatura ima oblik parabole jer za taj slučaj skretna sil a dobiva karakter jednoliko rasprostrog opterećenja. Kao što uže koje je jednoliko opterećeno (vlastitom težinom) prirodno poprima oblik (kvadratne) parabole, tako vrijedni i obrnuto – skretne sile od parabolične natege djeluju kao jednoliko opterećenje. U oba slučaja vrijedi: u=8 * f * P/l 2
1.1. a) oblik užeta pod jednoliko rasprostrtim opterećenjem;
b) skretne sile od napinjanja paraboličnog kabela
Prednaprezanje se do danas razvilo u čitav niz različitih oblika ovisno o primjeni, ali ovaj osnovni princip ostaje isti. Tehnologija prednapinjanja se razlikuje od sustava do sustava, ovisno o kompaniji koja ga je razvila, npr. VSL (Vorspann System Losinger), Freyssinet, DYWIDAG (Dyckerhoff -Widmann Aktiengesellschaft), CCL i BBR (Birkenmaier, Brandestin, Roš).
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
1.1.
3
Prednosti korištenja prednapregnutog betona o značajna ušteda u betonu i mekom čeliku zbog bolje raspoređenih naprezanja u betonu na istim rasponima o mogućnost neprekinutog vođenja armature direktno vodi do većih raspona i vitkijih konstrukcija o omogućeni su veći rasponi za isti oblik konstrukcije o smanjeni su kratkotrajni i krajnji dugotrajni progibi konstrukcije o prednapregnuta konstrukcija se puno bolje ponaša prilikom nastajanja pukotina - zbog tlaka u betonu količina i širina pukotina je smanjena, a samim time je konstrukcija otpornija na vanjske utjecaje i koroziju, tj. dugotrajnija o bolje podnose znatna preopterećenja – pukotine koje pritom nastanu se potpuno zatvaraju nakon uklanjanja tereta ako naponi čelika nisu prešli granicu popuštanja o bolja svojstva kod ciklički promjenjivih djelovanja, tj. zamor materijala o zbog manjeg presjeka prednapregnute konstrukcije imaju manju masu, i samim time pogodnije u seizmičkim područjima o manja masa konstrukcije automatski vodi do manjih presjeka zidova i stupova, te manjih opterećenja temelja o etažne ploče su manje debljine, što kod zgrada s velikom katnosti rezultira ili manjom visinom zgrade ili većim brojem katova o uz dobro planiranje gradnje naknadnim naprezanjem može se reducirati vrijeme gradnje zbo g omogućenog bržeg skidanja etažne oplate
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
2.
4
POVIJESNI RAZVOJ
Ideja prednapinjanja betona kako bi se smanjilo raspucavanje je dosta stara: prvi zabilježeni patent registrirao je američki inženjer Henry Jackson 1890. godine. Izgradio je betonski nadvoj sa prednapetim zategama, ali on se srušio nakon samo godinu dana. Problem je ležao u upotrebi normalnog čelika, (a njegovo je elastično produljenje otprilike jednako skraćenjima od skupljanja) i pojavi puzanja betona. Jackson nije znao za te pojave zbog kojih se pozitivan efekt prednapinjanja s vremenom izgubio. Malo kanije je Njemac C.E.W.Doehring pokrenuo proizvodnju betonskih greda i ploča s prednapregnutim žicama, što je također završilo neuspijehom zbog gubitka efekta prednapinjanja. Nakon njega Eugéne Freyssinet 1908. godine eksperimentalno je izgradio prvi prednapregnuti betonski luk. Do 1928. je uspio riješiti većinu tehničkih problema i patentirao sustav prednaprezanja, koji je komercijalnu primjenu doživio tek 1930. godine na lučnom mostu Plougastel blizu mjesta Brest u Francuskoj. Taj most s tri raspona od 186.5m je primjer prednapinjanja betonske konstrukcije bez uporabe prednapetih natega. Na njemu je Freyssinet primijenio metodu kompenzacije luka tako što je izazvao naprezanja u rebru luka uz pomoć hidrauličkih preša stavljenih u luk. Tako je uspio neutralizirati utjecaj skupljanja, skraćenja rebra i pada temperature u luku. Freyssinet je uzeo u obzir i efekte skupljanja i puzanja betona te relaksacije čelika u vremenu, zbog kojih je dolazilo do gubitka efekta prednaprezanja, te je shvatio nužnost korištenja visokokvalitetnih materijala – betona visoke tlačne čvrstoće i čelika visoke vlačne čvrstoće i elastičnog produljenja. U prijašnjim pokušajima prednaprezanja koristila se armatura s puno manjom maksimalnom deformacijom, što je u konačnici zbog skupljanja i puzanja rezultiralo gubitkom efekta prednapinjanja od oko 60%. Upotrebom kvalitetnije armature taj gubitak je smanjen na samo 20%. Njegovi prvi patenti do danas su nadopunjeni raznim postupcima (sustavima) patentiranima u svim industrijaliziranim zemljama, a sama tehnologija je doživjela nagli razvoj nakon II. svjetskog rata, djelomično zato i jer je trebalo obnoviti i sagraditi veliki broj mostova.
a) gradnja mosta Plougastel
b) završeni most
Još neki od važnijih datuma u povijesti razboja prednapetih betonskih konstrukcija: o 1930. Vianini – centrifugiranje cijevi omotane prednapetom žicom o 1937. prvi cestovni mostovi od prednapetog betona o 1940. prednapeti željeznički pragovi o 1943. Mörsch izdaje prvu knjigu o prednapetom betonu
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
5
o 1946. Mirko Roš, EMPA, Zürich – laboratorijska ispitivanja o 1950. u Parizu je održan prvi međunarodni kongres o prednapetom betonu o 1952. na međunarodnom skupu u Cambridegu osnovana je Međunarodna federacija za prednapinjanje (FIP – Fédération Internationale de la Précontrainte), prve primjene prednapetog betona za stropne ploče u SAD-u. o 1953. u Parizu je osnovan Europski odbor za beton (CEB – Comité Européen de Beton) o 1962. inicijativom FIP-a i CEB-a osnovan je Zajednički CEB-FIP odbor za preporuke o prednapetom betonu o 1998. FIP i CEB se udružuju u Međunarodnu federaciju za konstruktivni beton (International Federation for Structural Concrete).
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
3.
MATERIJALI I ELEMENTI SUSTAVA
3.1.
Beton
6
Beton je heterogreni materijal sastavljen od vapnenačkog ili silikatnog sirovog agregata (drobljena stijena ili šljunak i pijesak), Portland cementa, vode i aditiva. Gustoća armiranog prednapetog betona je uglavnom propisana od 2500 – 2600 kg/m3 (dok obično beton varira između 2200 – 2600 kg/m3).Prednapeti beton je načinjen od kvalitetnog betona čvrstoće tipično 40-60 MPa. Sastav betonske smjese je uglavnom uvjetovan zahtjevom za visokom čvrstoćom, ali i za obradivošću, brzinom očvršćivanja i reološkim svojsvima. Projekt betonske smjese izračuje stručni tehnolog i on se zasniva na laboratorijskim eksperimentima. Cement: Za prednapeti beton se koristi kvalitetan cement u većim količinama nego u standardnom betonu, pošto to rezultira većom čvrstoćom betona, ali samo do određene točke, nakon čega daljnje povećanje udjela cementa ne doprinosi većoj čvrstoći betona, nego većem skupljanju i puzanju (za Portland cement razreda čvrstoće 42.5 ili 52.5 koristi se u količini 400-420 kg/m3 do maksimalno 550 400-420 kg/m3). Voda: Količina vode u betonu je određena vodo-cementnim faktorom v/c. Donja granica za v/c faktor je 0.25, što je s kemijskog gledišta količina vode neophodna za hidrataciju. Povećanje v/c faktora smanjuje čvrstoću betona koji je dobre kvalitete s drugih aspekata glede šupljina i pora koje se formiraju u betonu. Također, veći v/c faktor znači veću propusnost, skupljanje i puzanje. Agregat: Radi postizanja zahtjevane kvalitete, agregat mora bit inertan, tvrd, bez pora i bez primjesa. Omjer krupnog i sitnog agregata treba biti oko 65:35. Beton visoke čvrstoće sadrži, dodatno uz spomenute sastojke, i mirko-agregat. Najčešći mikroagregat je silicijska prašina koja je dobivena kao nusproizvod u proizvodnji silicijskih legura ili silicijskog metala u električnoj lučnoj peći. Vrlo fina silicijska prašina sadržava uglavnom silicijski dioksid i priblžno je 100 puta sitnija od portland-cementa te može zamijenit oko 5-10% cementa. Aditivi: U betonsku smjesu se dodaju i aditivi za kontroliranje svojstva, a među najvažnijima su plastifikatori i superplastifikatori koji poboljšavaju obradivost svježeb betona i aditivi za ubrzavanja očvršćivanja. Puzanje – plastična promjena volumena betona zbog dugotrajnog naprezanja. Najizražnije je neposredno nakon izvedbe elementa, nakon čega s godinama slabi. U principu se radi o nepovratnom procesu: nakonšto se naprezanje ukloni, puzanje prestane rasti, ali ne dolazi do vraćanja elementa u originalno stanje. Puzanje se javlja i u agregatu (iako zanemarivo) i u pasti (najveći dio). Veće dugotrajno naprezanje uzrokuje veće puzanje, kao i nanošenje tog naprezanja pri ranoj starosti betona te povišene temperature. Skupljanje – smanjenje volumena betona kao posljedica kemijske reakcije i isušivanja vode iz betona. Manje skupljanje se javlja prilikom pripreme, ali najvećim dijelom nastaje tijekom sušenja. To je reverzibilan proces, a skupljanje sušenjem može se odgoditi polijevanjem ili vlaženjem betona, što uzrokuje bubrenje. Zbog skupljanja dolazi do nastajanja vlačnih pukotina prije djelovanja prednapinjanja koje mogu smanjiti svojstvenu vlačnu čvrstoću betona i njegovu otpornost prema raspucavanju te gubitka dijela tlačnog naprezanja izazvanog prednapinjanjem.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
3.2.
7
Čelik
Čelik za prednapinjanje je osnovna nosiva armatura u prednapetim betonskim konstrukcijama. Zahtjevana svojstva čelika za prednapinjanje postižu se kemijskim sastavom i posebnim postupkom proizvodnje. U pogledu kemijskog sastava rabi se nelegirani ili niskolegirani čelik. Suprotno od čelika za armiranje, vlačna čvrstoća je povećana većim udjelom ugljika (do 0.9%). Nisu mogući vareni čelični proizvodi za prednapinjanje betona. Čelik za prednapinjanje uglavnom se proizvodi u jednom od tri oblika: žice, užad i šipke . Osnovni materijal za prednapetu armaturu je toplo valjani čelik koji se koristi za proizvodnju prednapetih šipki koje su se prve rabile za prednapinjanje. Šipke mogu biti glatke ili rebraste, a proizvode se duljine od 6 do 30 m i promjera od 12 do 75 mm. Radi jednostavnijeg sidrenja i povezivanja, rebra rebraste šipke su u obliku navoja. Žice su najčešće rabljena vrsta čelika za prednapinjanje. Osnovni materijal je toplo valjani niskolegirani čelik sa visokim sadržajem ugljika. Hladno-vučena čelična žica proizvodi se hladnom obradom od toplo valjane žice. Prednapete žice proizvode se promjera od 3 do 10 mm, a površina žice može biti glatka ili profilirana, koja je hladno proizvedena. Žice se isporučuju u kolutovima. Najčešće se rabi uže koje se sastoji od sedam žica. Uže se sastoji od središnje žice, oko koje je ostalih šest žica spiralno ovijeno. Užad se proizvodi promjera od 9 do 17.5 mm (0.375 do 0.7 inch) iako prevladava 15 mm (0.6 inch) uže. Užad s tri žice se koristi kod nekih lagano napetih, serijski proizvedenih prethodno prednapetih stropnih ploča. Užad s devetnaest i trideset sedam žica, slično oblikovane u žičano uže, su također dostupne. Užad se također isporučuje u kolutovima. Prednost užadi je jednostavnije napinjanje većeg broja žica u isto vrijeme. Pored toga, spiralnim ovijanjem žica u uže poboljšava se prionljivost između u žeta i morta za injektiranje ili betona. Osim čelika, moguće je koristiti i užad visoke čvrstoće od nemetalnih materijala, posebno od sintetičkih karbonskih vlakana. Na tržištu je dostupna užad čvrstoće 3500-7000 MPa. Neke razvijene zemlje već u praksi primjenjuju takvu užad.
3.1. uže sa 7 žica
3.2. rebrasta šipka
Relaksacija čelika – nepovratno plastično tečenje čelika izazvano dugotrajnim visokim naprezanjem. rezultat je gubitak dijela efekta prednapinjanja. Najveći udio nastaje tijekom kratkog v remena vrlo visokog naprezanja, ali se može nastaviti i u vrlo dugim periodima. To je molekuralni fenomen, pa se mogu primijeniti različiti postupci obrade čelika radi njenog smanjenja.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
3.3.
8
Smjesa za injektiranje
Koristi se kod naknadnog prednapinjanja. Sastav joj je određen posebnim tehnološim propisima. Radi se o mješavini vode, cementa i aditiva za povećanje tečnosti (smanjenje količine vode) i stabilnosti. V/c faktor je uglavnom oko 0,5. Služi kako bi zaštitila od korozije prednapregnuti čelik i omogućila njegovo bolje prianjanje s betonom i prijenos sila. Zahtjevi koje smjesa mora ispuniti su: dovoljno tečna da bi potpuno ispunila prostor cijevi. Voda ne smije ishlapljivati tijekom očvršćivanja, da ne bi došlo do formiranja šupljina u betonu i time do korozije čelika. Mora imati dostatnu čvrstoću i ne smije se skupljati. Ne smije sadržavati veću količinu klorida, nitrata i dr. uzročnika korozije. Kako bi se zaštitna cijev pouzdano ispunila smjesom za injektiranje, ona se ubrizgava na najnižoj točki ili preko otvora na sidrima, a na najvišim mjestima su otvori za odzračivanje. Tako se točno zna kada su cijevi ispunjene – kada smjesa izađe na odzračnim otvorima.
3.3. princip injektiranja
3.4.
Zaštitne cijevi
Zaštitne cijevi osiguravaju oblik vođenja natega. Moraju biti fleksibilne kako bi se omogućile blage promjene ekscentriciteta natege, ali i dovoljno krute da bi spriječile štetne deformacije tijekom betoniranja. Cijevi se osiguravaju držačima od armaturnih šipki, a njihov razmak je određen krutošću same cijevi i varira od 0,5 do 2,5 m. Na najvišim točkama cijevi natega i/ili na međusobnoj udaljenosti od 15 m se osigurava prozračivanje cijevi pomoću odušaka. Cijevi mogu biti tankostjene čelične ili polietilenske. Čelične se izrađuju od prof ilirianog lima debljline 0,2-0,5 mm (ovisno o tipu natege i tehnologiji), duljine 5-6 m. Presjek im je naboran kako bi se povećala krutost, prianjanje s betonom i smjesom za injektiranje. Profilacija također omogućava fleksibilnost pri savijanju. Cijevi su međusobno spojene kratkim odsječcima koji se navinu na svaku cijev, a spojevi se onda brtve izolacijskom trakom. Prednosti polietilenskih (PE) cijevi su bolja zaštita natega od korozije i na zamor, imaju bolju kemijsku otpornost i bitno manje trenje između stijenke cijevi i natege, što smanjuje gubitke prednapinjanja. Mana im je manja težina, zbog koje se može dogoditi da se tijekom betoniranja cijevi oslobode armaturnog koša i promijene položaj, zbog čega je iznimno bitno pravilno učvrstiti cijevi. Deblji ne cijevi su 2-3 mm (ovisno o veličini natege). Obično su profilirane (s naborima) ili rebraste, a međusobno se povezuju ili navojem ili postupkom toplog zavarivanja.
3.4. zaštitne cijevi
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
3.5.
9
Sidra
Sidra su mehaničke naprave koje se koriste za prijenos sile prenapinjanja iz natege u beton putem koncentriranog naprezanja ispod sidrene ploče. Ploča je obično postavljena u armaturni koš prije betoniranja. Sidro mora biti postavljeno koaksijalno sa cijevi natega, a sidrena glava mora biti okomita na os cijevi. Ukoliko je natega nagnuta, treba oblikovati udubljenje ili sidreni džep na kraju grede.
3.5. sustav prednapinjanja SOLO
3.6. pasivno sidro VSO, tip P
3.7. plivajuće sidro VSL, tip Z
Druga skupina sidara ima čeličnu glavu u kojoj je svaka pojedinačna žica usidrena pomoću hladno oblikovane glavice, i takav sustav praktički nema gubitaka prenapinjanja zbog prokliznuća. Klinovi su djelovi sidra koji služe za sidrenje užadi u sidrenu glavu i rađeni s u od visokokvalitetnog čelika. Obično se sastoje od dva do tri dijela, ovisno o sustavu koji se koristi, koji sastavljeni ostavljaju otvor za uže u sredini klina. Jednim klinom se mogu usidriti do tri užeta. Postoje i tzv. 'pasivna sidra' koja se koriste za sidrenje nepomičnog kraja natege na nepristupačnom mjestu. Primjer takve konstrukcije je lice temeljne ploče obložene zidovima dijafragme. U takvom slučaju na krajevima ploče se koriste pasivna sidra, a u sredini se postavlja međusidro (plivajuće sidro) preko kojeg se vrši napinjanje. Spojka služi za povezivanje natega, te se koristi pri prekidu betoniranja. Sastoji se od dvije sidrene glave i njihovog spoja. Može se sastojati i od samo jedne specijalne sidrene glave koja omogućuje sidrenje natege iz već završenog dijela konstrukcije i one koja će tek biti spojena.
3.8. pricip rada spojke
3.9. spojka VSL, tip K
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
3.6.
10
Preše
Hidrauličke preše se koriste za napinjanje natega. Napinjanje je moguće izvoditi i u više faza ukoliko jedan hod preše nije bio dovoljan. Kako je iznimno bitno utvrditi kolika je sila unesena prešama u element, one se moraju redovito ispitivati i verficirati. Također tijekom napinjanja treba provoditi razna mjerenja kako bi se odredila stvarno prenesena sila. Njena vrijednost se dovije preko tlaka ulja u cilindrima hidrauličke preše. Osim toga, treba paziti da ne dođe do blokiranja natege u cijevi, što se mjeri izduženjem natege, te do prevelikog proklizavanja klizna.
3.10. hidrauličke preše
3.11. kontrola rada preše na ispitnom užetu
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
4.
11
METODE PREDNAPINJANJA
Dva su osnovna načina po pitanju metode prednapinjanja, a oni se odnose na očvršćivanje betona: o prethodno napinjanje o naknadno napinjanje Isto tako, ovisno o prionjivosi čelika s betonom, postoji: o sustav unutarnjih natega s prianjanjem o sustav vanjskih natega bez prianjanja
4.1.
Prethodno napinjanje
Kod prethodnog prednaprezanja se oko već nategnutih i privremeno usidrenih čeličnih žica, kablova ili užadi betonira element u metalnom kalupu ili na stazi za prednapinjanje. U ovom slučaju odmah dolazi do prianjanja između armature i betona. Nakon što beton dovoljno očvrsne, krajevi žica se otpuste i odvajaju od sidrenih blokova, čime se opterećenje putem prianjanja sa žice ili užeta prenosi na beton. Čelik je sada usidren pomoću prionjivosti s betonom. Dolazi do minimalnog skraćenja jako nategnutih žica, pred-stlačenjem i skraćenjem betonskog elementa. Kod prethodnog napinjanja uglavnom se rabi pojedinačna užad, ali se može grupirati i dva ili tri užeta. Cijeli se postupak odvija na u specijaliziranim tvornicama: u kalupima ili na proizvodnoj stazi čija duljina može dosegnuti i do 200 m.
4.1. princip proizvodnje prethodno prednapetog betona
Staza se može koristiti za proizvodnju prefabriciranih ploča s ravnim nategama postavljenima s donje strane ploče. Kako bi se postigla maksimalna čvrstoća na savijanje, natege se postavljaju s maksimalnim i konstatnim ekscentricitetom, zbog čega može doći do raspucavanja na krajevima elementa. Zato se u tim zonama izvodi nulovanje užadi – uklanjanje prionjivosti užadi s betonom na otprilike jednoj trećini ili jednoj polovini ukupne količine užadi, čime se automastki smanjuje sila prednapinjanja. Umjesto nulovanja primijeniti statički povoljniji odlik vođenja čelika kroz element. Skretanje čelika u neki drugi smjer je moguće izvesti nakon napinjanja s najvišeg ili najnižeg mjesta, ili ga direktno napinjati uz pomoć sustava kolotura koje smanjuju trenje. Skretanje čelika se rjeđe rabi i to samo kod relativno visokih greda (TT ili I -presjeka). Ako se radi o prefabriciranim prednapetim panelima proizvedenim u krutim kalupima, sila prednapinjanja se unosi preko krutosti kalupa koji služi za oblikovanje elementa. Obično se radi o metalnim kalupima u kojima se serijski proizvode grede sa standardnim poprečnim presjekom, duljine 9-30 m.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
4.2. poligonalno vođenje prednapete užadi
12
4.3 nulovanje užadi
Prednost ovog postupka je jednostavnost, ekonomičnost i bolja kontrola i ujednačenost kvalitete izvedbe zbog tvorničke proizvodnje. Nedostatci su: problem transporta do gradilišta, što automatski ograničava dužinu elementa na 20-30 m, zatim nemogućnost velike koncentracije armature jer ona mora biti obavijena dovoljnom količinom betona kako bi se ostvario zadovoljavajući stupanj prianjanja, te problematičnost izvedbe krivolinijskih natega koje se bolje prilagođavaju opterećenjima od ravnih natega. Tipični prethodno prednapeti proizvodi su krovne i stropne ploče, piloti, stupovi, mostni nosači, zidni paneli i željeznički pragovi. Rjeđe se prethodno prednapinjanje primjenjuje kod kolnika i stropnih ploča betoniranih na licu mjesta.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
4.2.
13
Naknadno napinjanje
Kod naknadnog prednaprezanja je sličan rezultat, samo se tek nakon stvrdnjavanja betonskog presjeka u kablove unosi sila. Sidrenje prednapregnute armature može se riješiti: o prianjanjem s betonom o sidrenjem na krajevima posebnim sidrima koja se najčešće sastoje od čeličnih ploča se za koje se natege učvrste navrtkama, klinovima i sl. o sidrenje na krajevima ubetoniranim petljama, kukama i sl. Naknadno prednaprezanje se češće koristi kod izvedbe in situ.
4.2.1. Prednapinjanje unutarnjim nategama s prianjanjem Radi se o danas najčešće primjenjivanoj metodi prednapinjanja kod koje prijenos sile s natege na beton mora biti osiguran cijelom dužinom natege. Armatura se postavi u zaštitne cijevi, te se tako izbetonira element. Tek tada se kablovi napinju preko pokrenog sidra hidrauličkim prešama koje se upiru o beton elementa. Dogodi se trenutačna elastična deformacija i dolazi do produljenja armature i malog skraćenja elementa, a taj je pomak omogućen zbog zaštićenosti armature cijevima. Nakon toga se cijevi pune masom za injektiranje (cementno mlijeko s dodatcima), čime se postiže veća sigurnost pri slomu i zaštita od korozije.
4.2.1.1. Sustav prednapinjanja s višestrukom užadi Kod takvog sustava natega je učinjena od nekoliko žica koje su na kraju natege zajedno povezane, te su napete i usidrene istovremeno. Pri korak u postupku prenapinjanja je postavljanje armaturnog koša i zaštitnih cijevi, čiji položaj mora biti osiguran armaturnim držačima. Zatim se izlijeva beton, nakon čega se natega provlači kroz cijevi sve do sidra, uz pomoć žice ili užeta za povlačenje koje je već provučeno kroz cijevi , a koje se vuče uz pomoć kolotura. Kraće natege je moguće ručno provući. Moguće je koristiti i prefabricirane natege koje su postavljene u cijevi prije betoniranja, istovremeno s armaturom.
4.4. sustav natega za prianjanje – pogled na cijeli nosač
4.5. detalj sidra
Nakon očvrsnuća betona natege se napinju i trajno sidre. Za manje gubitke sile prenapinjanja mogu se koristiti pomična sidra na krajevima. U praksi se najčešće koristi jedno nepomično i jedno pomično sidro, pošto je pomično sidro znatno skuplje. Na ne-napinjanoj strani se postave klinovi s užadima (s prijepustom užadi od oko 20 cm) zabijeni u sidrenu glavu. Prijepust na napinjanom kraju mora biti dovoljan da se uže može uloviti pomoću hidrauličke preše. Nakon sidrenja, užad koja strši se odreže tik do klinova. Duže natege ( moguće do 150 m, preporučeno do 100 m zbog gubitka prednapinjanja zbog trenja) se obično napinju s obje strane kako bi se smanjio gubitak sile zbog trenja, s tim da se obostrano napinjanje izvodi simultano, dok se sidrenje vrši
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
14
naizmjenično s obje strane. Ukoliko jedan hod preše nije dovoljan, moguće je obaviti napinjanje u fazama, s ponovljenim sidrenjem. Tijekom postupka prenapinjanja treba obaviti čitav niz mjerenja kako bi se sa sigurnošću utvrdilo koliko je sile preneseno napinjanjem, je li prijenos ravnomjeran duž natege, je li došlo do proklizavanja klinova i sl. Nakon napinjanja se ubrizgava smjesa za injektiranje na najnižim točkama cijevi natege ili preko otvora na sidrima. Ovaj postupak se može izvodi u specijaliziranim tvornicama ili direktno na gradilištu, ili može dio postupka biti obavljen u tvornici (izrada samog elementa), a dio na gradilištu (napinjanja i injektiranje). Postoje i sustavi s ravnim cijevima natega koji se posebice primjenjuju pri prednapinjanju ploča. Pošto su ploče male statičke visine, praktično je postaviti užad u jedan red s maksimalnim ekscentricitetom, pa se natega sasoji od više užadi koje su napete i usidrene odvojeno. Također su onda svi ostali elementi prilagođeni ravnom obliku natege.
4.2.1.2. Sustav prednapinjanja čeličnih šipki Popis osnovnih elemenata sustava prednapinjanja šipki je praktički identičan sustavima višestruke už adi. Imamo glatke i rebraste šipke. Glatke šipke završavaju s jedne strane navojem za maticu te se rabe za kratke natege točno određene duljine. Rebraste šipke se mogu rezati na komade te napinjati i sidriti bez ikakvog podešavanja. Sila prednapinjanja uvodi se pomoću preše i pritezanjem sidrene matice. Kod ovog sustava eliminirano je prokliznuće klina i moguće je ponovno napinjanje šipke prije injektiranja. Injektiranje cijevi natege vrši se na nižoj točki šipke. Umjesto injektiranjem, natega se može zaštititi od korozije pomoću polietilenskog omotača s uljem. Prednapete šipke se koriste za prednapinjanje masivnih dijelova prednapete konstrukcije kao što su poprečne grede, dijafragme i hrptovi sandučastih nosača nad osloncima, privremeno prednapinjanje kostrukcija građenih u odsječcima (npr. konzolni postupak) i prednapinjanje zidanih konstrukcija. Dosta često se koriste kao geotehnička sidra.
4.6. prednapete šipke sa sidrenom maticom, DYWIDAG
4.7. sustav za prednapinjanje šipki, DYWIDAG
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
15
4.2.2. Prednapinjanje vanjskim nategama bez prianjanja Sustav kod kojeg je natega pojedinačno usidrena preko sidra, i samo se na sidrima unosi sila prednapinjanja u betonski element. Prionjivost duž natege je uglavnom namjerno spriječena (iako ne mora biti uz primjenu naknadnog injektiranja)
4.2.2.1. Prednapinjanje jednostruke užadi Natege u ovom sustavu se sastoje od jednog užeta sa sedam žica koje je namazano i presvučeno polietilenskim omotačem. Mazivo značajno smanjuje trenje između natege i stijenke zašti tne cijevi, te služi kao dodatna zaštita od korozije. Natege se postavljaju u armaturni koš prije betoniranja, te se sidra fiksiraju za oplatu. Nakon betoniranja i skidanja oplate i vanjske matice se postavljaju i učvršćuju klinovi, te se konačno napinje natega. U ovom postupku nema injektiranja, pa se sila prednapinjanja na beton prenosi isključivo preko sidara.
4.9. uže bez prianjanja
4.8. sidro S-6 za uže bez prianjanja, VSL
Ovi sustavi se najčešće primjenjuju kao glavna armatura pre dnapetih stropnih ploča i temeljnih ploča, kao poprečna armatura u pločama sandučastog nosača i dvostrukih T-greda mostova (u kombinaciji sa sustavom za prednapinjanje višestruke užadi u uzdužnom smjeru). To je dosta ekonomičan sustav široke primjene zahvaljujući malom promjeru natege i mogućem velikom ekscentricitetu.
4.2.2.2. Prednapinjanje s vanjskim nategama Natege od višestruke užadi smještene izvan betonskog poprečnog presjeka nosive konstrukcije (često unutar otvora sandučastog nosača) najčešći su način primjene vanjskih natega bez prianjanja. U praksi se ovaj tip natega zove „vanjske natege“ ili „slobodne natege“. Natege su postavljene kroz dijafragme konstrukcijskog elementa i sa skretanjima na sedlima (skretnicima). Dijafragme su obično poprečne grede ili ukrute koje mogu imati ulogu skretnika, koji također mogu biti u obliku rebara. Skretnici su masivni betonski blokovi s velikom količinom posmične armature ili čelični elementi smješteni u uglovima, gdje prednapeta natega ima skretanja sa putanje. Natega kroz skretnik obično prolazi kroz čeličnu cijev. Vanjsko prednapinjanje uglavnom se koristi kod mostova. Sastavni dijelovi sustava za prednapinjanje vanjskih natega bez prianjanja su: snop užadi, zaštitne cijevi, sidra, spojke i injektiranje. Natege, iako injektirane u cijevima, čine slobodne zasebne konstrukcijske elemente koji nisu deformacijski kompatibilni sa betonom poprečnog presjeka. Prednost vanjskog prednapinjanja je mogućnost pregleda vanjskih natega i kontrole sile prednapinjaja. Ukoliko je potrebno, konstrukcija se može
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
16
vrlo jednostavno ojačati putem napinjanja dodatnih natega (nekoliko rezervnih otvora uvijek se ostavi slobodnih u skretnicima ili dijafragmama).
4.9. primjer vanjskog prednapinjanja, most Long Key, SAD
Analogno vanjskim nategama su prednapete zatege na ovješenim konstrukcijama (mostovi, krovovi stadiona, krovovi dvorana) koje su međutim usidrene u dijafragme na poduprtim i podupirajućim (pilon) nosivim elementima.
4.2.3. Obodno prednapinjanje namatanjem Vanjsko omatanje se ranije koristilo prvenstveno kod osno simetričnih konstrukcija (silosa i drugih okruglih spremnika). Žica se ntezala oko zidova spremnika i stvarala radijalni pritisak, a onda je naknatno žaštićena od korozije slojem mlaznog betona nanesenog torket postupkom. Danas se kod takvih struktura primjenjuju sustavi jednostruke i višestruke užadi (obodne natege se napinju i sidre u istake, ili se primjenjuju plivajuća sidra koja omogućavaju sidrenje i nastavlljanje natege bilo gdje po obodu konstrukcije), dok je tehnologija omatanja žicom opstala samo kod cijevi proizvedenih u
specijanim tvornicama.
4.10. shema postupka prednapinjanja namatanjem
4.11. sidrenje obodnih natega u istake, VSL
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
5.
17
STUPANJ PREDNAPINJANJA
Pri početku primjene prednapregnutog betona primjenjivalo se samo potpuno prednapinjanje, što znači da u betonu nisu bili dozvoljeni baš nikakvi vlačni naponi. Ta se praksa razvila prije svega pod utjecajem samog Freyssineta. S vremenom je praktična primjena pokazala da je u pravilu povoljnije i ekonomičnije kombinirati prednosti armiranobetonske i prednapete konstrukcije na način da se u pojedinim slučajevima dopuste i vlačni naponi i ograničeno raspucavanje konstrukcije. Najčešće se vlačni naponi dop uštaju samo za maksimalno moguće (ekstremno) opterećenje, dok još uvijek nisu prisutni pri normalnoj upotrebi konstrukcije. To je tzv. djelomično prednapinjanje. Pukotine se u tim slučajevima ekstremnih opterećenja pojavljuju samo privremeno, te se njegovim prestajanjem uklanjaju. Zato u suvremenim propisima nema pojma propisanog stanja prednapinjanja, već taj pojam zadržava važnost na način da se zadaju konkretni zahtjevi koje konstrukcija treba zadovoljiti. Stupanj prednapinjanja moguće je definirati na dva načina: o pomoću stupnja uravnoteženja o pomoću veličine najvećeg napona betona na vlačnom rubu Stupanj uravnoteženja definira se kao odnos veličine skretnih sila izazvanih paraboličnim nategama (u) i nekog opterećenja (q) koje treba uravnotežiti (u pravilu se radi o vlastitoj težini). Definiran je fomrulom: kb = u / q Takvom definicojm moguće je neovisno o statičkom sustavu konstrukcije definirati stupanj prednapinjanja. Npr. poznato je da se kod ploča u zgradarstvu već uravnoteženjem 60% njihove vlastite težine (u = 0.6 g) daje vrlo povoljan utjecaj na raspucavanje i deformiranje ploča. Veličina najvećeg napona betona na vlačnom rubu za stanje I. iznosi: qmax = P/Ac – P
yp
yd / l c + Mg+p
yd/l c
Značenje oznaka se vidi na slici.
5.1. presjek prednapetog nosača i sile koje djeluju
Stupnjevi prednapinjanja prema ovom kriteriju mogu biti: o potpuno uravnoteženje o potpuno prednapinjanje o djelomično prednapinjanje Uz pojam stupnja prednapinjanja vezan je i postpuak faznog napinjanja – unošenja prednapinjanja u dva ili više koraka, kako bi se izbjeglo preveliko naprezanje betonskog elementa ili pucanje tijekom izvedbe, prije nanošenja dodatnog stanog opterećenja.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
6.
18
GUBITCI SILE PREDNAPINJANJA
Iako djelovanje prednapinjanja ima brojne pozitivne utjecaje na konstrukciju, ono nije konstatno već se s vremenom mijenja. Tako dolazi do gubitaka sile prednapinjanja koji mogu drastično smanjiti nosivost konstrukcije. Ukoliko se ovi gubitci pravovremeno ne uzmu u obzir i saniraju u najvećoj mogućoj mjeri, može doći do deformacija ili rušenja čitave konstrukcije, čak i nakon što je ona dulje vrijeme nakon završetka bila u uporabi.
6.1.
Kratkotrajni gubitci
Tzv. početni gubitci se javljaju tijekom procesa proizvodnje prednapetog betona i nastaju prije ili t ijekom procesa prijenosa sile prednapinjanja zbog: o trenja između natege i stijenki zaštitnih cijevi (ili staze za prednapinjanje) o sidrenja (prokliznuća klina) o elastične deformacije betona o uzastopnog napinjanja o relaksacije čelika za prednapinjanje o deformiranja upornjaka na stazi za prednapinjanje o temperaturnih razlika između čelika i staze za prednapinjanje o deformacije betona usljed tlačnog pritiska izazvanog obodnim nategama malog radijusa zakrivljenosti
6.2.
Dugotrajni gubitci
Tzv. vremenski gubitci / gubitci tijekom uporabnog vijeka – nastaju nakon sidrenja, tj. prijenosa sile prednapinjanja na beton, zbog: o relaksacije (opuštanja) čelika o skupljanja betona o puzanja betona o puzanja betona usljed mnogo puta ponovljenog cikličkog opterećenja o trentne elastične deformacije betona od promjenjivog opterećenja
6.3.
Proračun gubitaka nosivosti
Kod važnijih građevina kao što su mostovi gubici se nastoje računski odrediti što je preciznije moguće jer imaju vrlo veliki utjecaj na ponašanje građevine u uporabi. Za manje važne konstrukcije gubici se u pravilu procjenjuju, pa se najčešće pretpostavlja da će konačna sila od prednapinjanja iznositi: Px = 0,85
P0
gdje je P0 sila prednapinjanja za vrijeme t=0, dok je P x sila prednapinjanja za t=∞.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
7.
PROJEKTIRANJE PREDNAPETIH BETONSKIH KONSTRUKCIJA
7.1.
Projektiranje i proračun
19
Projektiranje i proračun prednapetih betonskih konstrukcija su dosta složeniji nego proračuni armiranobetonskih konstrukcija, pa se time uglavnom bave građevinski inženjeri. Ipak postoje ne ke općenite formule koje mogu poslužiti za okvirno dimenzioniranje.
Prednapete konstrukcije su dosta vitkije od armiranobetonskih konstrukcija jednakih raspona i opeterećenja. Ekonomične visine prednapetih nosača najčešće iznose 1/15 do 1/20 raspona (u od nosu na 1/10 do 1/12 raspona za armiranobetonske konstrukcije), minimalno 1/30 raspona za mostove i 1/40 raspona za krovne nosače. Jedna od formula za preliminarnu visinu glasi: d [cm] = (3 do 4)
√
[kNm]
Oblik presjeka je također vrlo važan po pitanju racionalnosti. U pravilu se optimalan presjek postiže koncentriranjem mase na njegovim rubovima, što rezultira najpovoljnijim omjerom l/g (što rezultira većom krutosti), tj. W/g (što je važno zbog otpornosti). Pravokutni presjek u principu nije povoljan, o sim u slučajevima manjih opterećenja te kada je bitna jednostavnost oplate.
7.1. ovisnost racionalnog oblika poprečnog presjeka o odnosu g/p
7.2.
Razrada detalja presjeka prednapetog elementa
Osim osiguravanja nepomičnosti natega unutar armaturnog koša pomoću privarenih šipki i graničnika od morta, treba pripaziti i na razmak između pojedinačnih natega. Postavljanje natega jedna uz drugu moguće je isključivo kod ravnih natega koje ne uzrokuju skretne sile, i to samo po vertikali.
7.2. minimalni razmaci natega i zaštitni slojevi betona
7.3. stremenovi za osiguravanje položaja natega
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
8.
20
PRIMJERI
Prednapete konstrukcije najčešće se upotrebljavaju kod građevina kod kojih treba svladati velike raspone kao što su mostovi, zgrade, montažne građevine, hale, krovne konstrukcije, silosi, bunkeri, te za potre be sanacije postojećih građevina. Osim toga, primjena prednapetog betona je moguća i u pomorskim, vanobalnim i plutajućim konstrukcijama, te u izgradnji prometnih površina ( željeznički pragovi, cestovni i aerodromski kolnici) 8.1.
Arena Zagreb, UPI-2M, 2008.
Arena Zagreb je polivalentna dvorana ukupne površine 90340 m 2 . Smještena je na jednom od glavnih ulaza u grad Zagreb čime neizbježno postaje novi gradski landmark. Osim sportskih sadržaja, dvorana je predviđena i za održavanje različitih kulturnih, poslovnih i zabavnih manifestacija (koncerata, izložbi, sajmova, konvencija i kongresa. Kapacitet Arene Zagreb iznosi 15200 sjedećih mjesta odnosno ukupno oko 22 000 mjesta zaj edno s parterom. Osnovni oblikovni i konstruktivni element dvorane su prednapete prefabricifrane betonske lamele visine do 39 m. Osamdesetišest lamela po obodu dvorane čija visina varira od 26,5m do 38,8m determiniraju njezin volumen, nose fasadu od lexana, preuzimaju dio opterećenja tribina te nose ovješenu krovnu konstrukciju. Čelična konstrukcija krova raspona je 104 m.
8.2.
Dulles International Airport, Eero Saarinen, Washington D.C. 1862.
Prostrana zgrada terminala se sastojoi od ogromne betonske zakrivljene ploče konkavno razapete između dva asimetrična reda betonskih nosača. Sveukupni dojam je iznimno jednostavna i elegentna, dinamična konstrukcija. Tako tanka konstrukcija na toliko velikom rasponu je omogućena sustavom prednapetih konveksnih kabela koje nose vertikalni betonski stupovi, a na kojima je teflonom obloženo fiberstaklo.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
8.3.
21
Palača sporta, Pier Luigi Nervi, Rim, Italija, 1957.
Sportska dvorana građena za Ljetne olimpijske igre 1960. godine. Imala je kapacitet od 3,500 sjedećih mjesta za košarkaške utakmice. Tankoslojna kupola s rebrima ima promjer 61 m, a sastoji se od 1620 prefabriciranih betonskih elemenata, te je izvana poduprta nagnutim betonskim kontraforima Y-oblika. Jaki horizontalni potisak od kupole je preuzet prednapetim čeličnim kabelima koji okružuju podnožja stupova kontrofaora i tako tvore kontinuirani betonski temeljni prsten.
Prednapete betonske konstrukcije – seminarski rad
9.
22
LITERATURA o Beton i prednapregnuti beton, dipl.ing.građ.Nikola Miletić , časopis Presjek 02 o Nosive konstrukcije I – udžbenik za studij arhitekture, prof.dr.sc. Ivo Podhorsky, dipl.ing.građ. o skripta za kolegij 'Prednapeti beton' diplomskog studija Građevinskog fakulteta 'Prednapeti beton – teorija i praksa', doc.dr.sc.Ivana Mekjavić o http://www.fib-international.org/history o http://www.upi-2m.hr/ o Developments in Structural Form, Rowland J. Mainstone