Osnove prednapetih konstrukcije

OSNOVE PREDNAPETIHKONSTRUKCIJA

V.pred. mr.sc. Vladica Herak-Marović, d.i.g.

mr. sc. V. Herak-Marović, 2006/07 2

OPĆENITO

- Francuski inženjer Eugene Freyssinet patentirao je 1928. god. prethodno prednapinjanje betona čelikom velike čvrstoće (primijenio na mostovima preko rijeke Allier kod mjesta Vichy u Francuskoj).

OSNOVNI POJMOVI

- Što znači prednapeti neki betonski element ?

Znači na njega djelovati umjetno izazvanim silama (nazivamo ih silama prednapinjanja), koje će u elementu izazvati takva stanja naprezanja koja materijal može podnijeti pri svim djelovanjima, tijekom cijelog uporabnog vijeka.


- Cilj prednapinjanja:

*izazvati u svim presjecima tlačno stanje naprezanja, *sva kasnija djelovanja nakon prednapinjanja imaju za posljedicu smanjenje prethodno izazvanih tlačnih naprezanja.

4

- Princip prednapinjanja:

a) Centrično prednapinjanje:

a) pukotine (n.s.II)

b) nema pukotina-homogenpresjek (n.s.I)

Kroz betonsku prizmu provučena je čelična šipka koja na svojim krajevima ima maticu s podložnom pločicom. Nakon što beton dostigne dovoljnu čvrstoću, šipka se okretanjem matice napregne te se pritom izduži razmjerno veličini sile. Sila vlaka se iz šipke preko podložnih pločica prenosi u beton i u njemu izaziva tlačne napone. Pritom se betonska prizma skraćuje, a dio šipke koji viri iz betona će se povećati (produljenje šipke+skraćenje betona).Centrično naprezanje šipke je neekonomično pri savijanju (iskorištava se pola tlačnog napona).


b) Ekscentrično prednapinjanje:


Položaj i vođenje natege duž nosača opterećenog na savijanje:

(1) centrični položaj natege duž nosača(2) ekscentrični položaj natege duž nosača(3) parabolično vođenje natege duž nosača


- Prednosti prednapetih konstrukcija:

* savladavanje velikih raspona uz veću vitkost i manju masu, * povećana trajnost zbog izostanka pukotina,* smanjeni progibi,* velika otpornost na zamor (posljedica male promjene napona u žici za prednapinjanje,* sposobnost zatvaranja pukotina nakon djelovanja promjenljivih i izvanrednih djelovanja,* ubrzanje i racionalizacija montažnog građenja.

Sve te prednosti plaćaju se skupljim gradivom te zahtjevnijim i većim radom. Koriste se kvalitetni materijali i složena tehnologija i traži se velika preciznost u projektiranju i izvođenju, te stalna kontrola i odgovarajuće održavanje tijekom uporabe.


- Područje primjene prednapetih konstrukcija:

Prednapete konstrukcije su prisutne u građenju zgrada, mostova, hidrotehničkih objekata, silosa, bunkera, spremnika, kesona, potpornih zidova, nuklearnih elektrana, industrijskih i poljoprivrednih građevina, a najčešće kod građevina s elementima velikih raspona kao što su stadioni, koncertne i sportske dvorane, tržnice, kolodvori, mostovi većih raspona i sl.


SVOJSTVA GRADIVA

A) BETON

Svojstva betona su određena hrvatskom normom HRN EN 206-1. Zahtjevi na beton su: visoka tlačna (vlačna) čvrstoća, male viskozne deformacije (skupljanje i puzanje), sposobnost zaštite betonskog čelika i čelika za prednapinjanje od korozije, trajnost.

Definirani su najniži razredi betona za prednapeti beton:

Sastav betona treba osigurati pravilno ugrađivanje betona, s pomoću vibratora, a u cilju dobivanja što kompaktnijeg i homogenijeg očvrslog betona, bez segregacije prilikom miješanja, transporta i ugradbe. Rabe se betoni prosječne gustoće 2400 kg/m3 i njeguju se barem prvih sedam dana.


B) ČELIK ZA PREDNAPINJANJE

Svojstva čelika za prednapinjanje su određena hrvatskim normama nHRN EN 10138.

Za čelik za prednapinjanje bitna su slijedeća svojstva:* karakteristična vlačna čvrstoća fpk, * karakteristično naprezanje pri zaostaloj deformaciji od 0.1% fp0.1k,* karakteristična deformacija pri najvećoj sili εuk.

Zahtijevi na čelik za prednapinjanje su: velika čvrstoća (u trenutku prednapinjanja čelik se napreže između 65 % i 75 % njegove karakteristične čvrstoće), mala relaksacija (tijekom vremena dolazi do pada napona u čeliku zbog reoloških svojstava betona i čelika), dovoljna žilavost (neophodno za građenje duktilnih konstrukcija), mala osjetljivost na koroziju, geometrijska pravilnost, velike duljine pri isporuci, dobra prionljivost i otpornost na zamor.

Čelik za prednapinjanje se proizvodi u obliku žica, užadi i šipki.


Žice i užad se isporučuju u kolutovima velike duljine:


- Primjeri označavanja čelika za prednapinjanje (na otpremnici i u oznaci):

Žice se označavaju na slijedeći način:

* broj dijela norme za žice – nHRN EN 10138-2, * naziv čelika koji sadrži:

- slovo Y za čelik za prednapinjanje- nazivnu vlačnu čvrstoću u MPa- slovo C za hladno obrađenu (vučenu) žicu,

* nazivni promjer žice u mm,* slovo I - ako se radi o profiliranom čeliku.

Primjer: nHRN EN 10138-2-Y1770C-5,0-I


Užad se označava na slijedeći način:

* broj dijela norme za užad – nHRN EN 10138-3, * naziv čelika koji sadrži:

- slovo Y za čelik za prednapinjanje- nazivnu vlačnu čvrstoću u MPa- slovo S za užad- znamenku 3 i 7 za broj žica u užetu.

* nazivni promjer užeta u mm,* razred A ili B,* slovo I-ako se radi o profiliranom čeliku.

Primjer: nHRN EN 10138-3-Y1860S7-16,0-A


Šipke se označavaju na slijedeći način:

* broj dijela norme za šipke – nHRN EN 10138-4, * naziv čelika koji sadrži:

- slovo Y za čelik za prednapinjanje- nazivnu vlačnu čvrstoću u MPa- slovo H za vruće obrađene (valjane) šipke,

* nazivni promjer šipke u mm,* slovo R – za rebraste šipke.

Primjer: nHRN EN 10138-4-Y1030H-26-R



a) Fizikalna svojstva

*gustoća γ = 7850 kg/m3

*toplinski koeficijent αt = 10⋅10-6 K-1

b) Mehanička svojstva

*Čvrstoća

Granica popuštanja (fp0.1k ) i vlačna čvrstoća (fpk ) uvijek se definiraju kao karakteristične vrijednosti. One se dobivaju kao omjer sile koja odgovara 0.1%-tnoj trajnoj deformaciji, odnosno najveće sile u vlačnom pokusu i nazivne ploštine presjeka.


*Dijagram naprezanje-deformacija

Proizvođač mora za proizvode, uz dokument o isporuci, priložiti dijagrame naprezanje-deformacija s datumima proizvodnje.

*Duktilnost

Proizvodi moraju biti primjereno duktilni, kako je utvrđeno u odgovarajućoj normi, što znači da moraju zadovoljavati zahtjeve za karakterističnom deformacijom εuk kod najveće sile. Također moraju biti dostatno duktilni pri savijanju, što znači da moraju zadovoljavati zahtjeve za savitljivošću u odgovarajućoj normi.


*Modul elastičnostiZa žice i šipke može se prihvatiti srednja vrijednost od 200 kN/mm2. Ovisno o postupku proizvodnje stvarna vrijednost može biti između 195 i 205 kN/mm2.Za užad se uzima vrijednost od 190 kN/mm2. Ovisno o postupku proizvodnje stvarna vrijednost može biti između 175 i 195 kN/mm2.Dokumenti koji prate isporuku trebaju sadržavati odgovarajuću vrijednost.

*ZamorProizvodi moraju imati primjerenu čvrstoću na zamor.

*Višeosno stanje naprezanjaProizvodi se moraju primjereno ponašati pri višeosnom stanju naprezanja, odnosno moraju biti ispunjeni zahtjevi odgovarajuće norme.

c) Tehnička svojstva*Stanje površine

Proizvodi nesmiju imati nedostatke koji utječu na njihovu prikladnost kao čelika za prednapinjanje. Uzdužni zarezi ne smatraju se nedostatkom ako je njihova dubina manja od dopuštenih vrijednosti prema normi.


*Opuštanje (relaksacija)S obzirom na opuštanje proizvodi se dijele prema gubitku naprezanja u %.

Prednapinjanjem se žica razvlači (produljuje). Ako se produljenje žice, koje je posljedica napinjanja održava konstantnim, s vremenom dolazi do pada napona u žici.

*Osjetljivost na koroziju uz naprezanjeProizvodi moraju biti primjereno malo osjetljivi na koroziju uz naprezanje. Smatra se da je osjetljivost na koroziju uz naprezanje mala ako proizvodi zadovoljavaju zahtjeve odgovarajuće norme.


C) MORT ZA INJEKTIRANJE CIJEVI NATEGA

Injektiranje cijevi natega se izvodi normiranim postupcima s mortovima čija su svojstva propisana normama HRN EN 446 i HRN EN 447.

Cijevi u kojima se nalaze natege kod naknadnog prednapinjanja proizvode se od čeličnog lima (debljina lima 0.2 - 0.6 mm), a sve sukladno normama HRN EN 523 i HRN EN 524-1, 2 i 3.

Cijevi u kojima se nalaze natege kod naknadnog prednapinjanja mogu biti i plastične.


Cijevi moraju imati dostatnu čvrstoću da preuzmu mehanička opterećenja. Izvode se s naboranim presjekom radi osiguranja prionljivosti s betonom izvana i injekcijskim mortom iznutra. Nabori im ujedno osiguravaju fleksibilnost.Cijevi ne smiju korodirati prije ugradnje. Beton izvana i injekcijski mort iznutra spriječit će pojavu korozije nakon ugradnje. Cijevi moraju biti nepropusne, a spojevi moraju brtviti. Proizvode se u odsječcima duljine 5-6 m.Cijevi se ispunjaju nategama za prednapinjanje najviše do Anatege/Acijevi = 0.5.

Mort za injektiranje štiti čelik za prednapinjanje od korozije i osigurava naknadnu vezu između čelika i betona.


Svrha injektiranja je postignuta ako je kanal potpuno ispunjen kvalitetnim mortom (ne smije biti zraka ni vode).Upotrebljavaju se fino mljeveni cementi koji izlučuju malo vode uz eventualne dodatke za povećanje fluidnosti. Ne smije biti dodataka koji bi mogli inicirati koroziju čelika. Odabrati v/c od 0.40 do 0.44.Mort se ubacuje u najnižoj točki natege, a odzračivanje i izlaz morta se događaju u najvišoj točki.Slobodno oslonjeni nosač:

Kontinuirani nosač:


D) SIDRA I SPOJKE

Sidra - služe kako bi se u području sidrenja sila prenijela s natege na beton.Spojke - služe kako bi se pojedini dijelovi natege povezali u kontinuiranu nategu.Zahtjevi za svojstva, postupke ispitivanja i postupke potvrđivanja sukladnosti utvrđeni su u europskim tehničkim dopuštenjima pojedinog proizvođača jer još nema europskih normi.

24

VRSTE PREDNAPINJANJA

A) PREMA STUPNJU PREDNAPINJANJA

B) PREMA NAČINU PREDNAPINJANJA

A) PREMA STUPNJU PREDNAPINJANJA

Stupanj prednapinjanja izražava se omjerom momenta rastlačenja(dekompresije) i ukupnog momenta:

k = Mdek/MG+∆G+Q

gdje je:Mdek – moment rastlačenja (dekompresije)MG+∆G+Q – ukupni moment

- za k = 0 element nije prednapet (armiranobetonski element)- za k = 1.0 element je potpuno prednapet- za k = 0.6 element je djelomično prednapet (dobiva se ukupno najmanja površina čelika za armiranje i čelika za prednapinjanje).


Ovisnost količine armature o stupnju prednapinjanja prikazana je na slijedećem crtežu:


*Potpuno prednapinjanjePri najnepovoljnijoj kombinaciji djelovanja u betonu nema vlačnih napona.

*Ograničeno prednapinjanjePri najnepovoljnijoj kombinaciji djelovanja dopuštaju se vlačni naponi, ali ograničene (propisane) veličine.


*Djelomično prednapinjanjePri određenoj kombinaciji djelovanja dopuštaju se i pukotine, ali ograničene veličine (karakteristične širine pukotina moraju biti manje od maksimalnih graničnih). Ekonomičnije je od prethodnih vrsta prednapinjanja, ali nedostatak je što se s nadolaženjem promjenljivog opterećenja pukotine stalno otvaraju i zatvaraju te u čeliku i betonu dolazi do cikličkih promjena napona pa dolazi do zamora.

Osim čelika za prednapinjanje svi elementi moraju biti armirani i betonskim čelikom (meka armatura) radi prihvaćanja vlačnih napona.


B) PREMA NAČINU PREDNAPINJANJA

*Prethodno (adhezijsko) prednapinjanje

Izvodi se na stazi za prednapinjanje. Staza za predanapinjanje se sastoji od poda i dva upornjaka između kojih se istežu žice ili užad za prednapinjanje. Duljina staze je 60 do 150 m, a širina je 6 do 12 m. Na nepomičnom kraju žice su sidrene u čeličnu ploču koja se oslanja na upornjake. Na suprotnom pokretnom kraju nalazi se ploča za sidrenje, vretena, hidraulička preša za istezanje žica te matica na vretenu za pritezanje na čeličnu ploču.

Prethodno se napinjanju žice ili užad te se betoniraju elementi. Kada beton dostigne 70% predviđene čvrstoće, ali ne manje od 30 N/mm2, te uspostavi dovoljna prionljivost između betona i čelika, raskida se veza žica s ležajima i među elementima. Sila iz čeličnih žica ili užadi se adhezijom u obliku tlaka prenosi na beton. Zbog toga se ovaj sustav prednapinjanja zove i adhezijsko prednapinjanje.


Nakon presijecanja žica naponi na krajevima elementa u betonu i čeliku su jednaki nuli, ali oni na određenoj duljini dosižu maksimalnu vrijednost aktiviranjem adhezije. To je duljina prenošenja. U području sidrenja raspodjela napona je nepravilna i pojavljuju se sile cijepanja koje je potrebno prihvatiti betonskim čelikom u oba poprečna smjera.


*Naknadno prednapinjanje

Natege (kabeli) se napinju nakon očvrščavanja betona. Čelik za prednapinjanje polaže se izvan očvrslog betona ili u zaštitne cijevi u betonu, kako bi se mogao slobodno istezati. Sila prednapinjanja se prenosi s čelikana beton preko sidara (kotvi).


Tijek radova:




Razlikujemo:

a) Prednapinjanje nategama smještenim unutar presjeka(s prianjanjem i bez prianjanja)



b) Vanjsko prednapinjanjeNatege su smještene slobodno izvan betonskog presjeka.



Testiranje karbonskih vanjskih BBR natega:


SREDSTVA ZA PREDNAPINJANJE

Sastavni dijelovi natege jesu:- žice, snopovi žica,- užad, snopovi užadi,- šipke.

Sidrene glave ili usidrenja ovisno o sustavu prednapinjanja čine:- adhezijska sidra na osnovi prianjanja,- sidra s navojem,- sidra na osnovi klina i čahure,- sidra na osnovi glavice.

Opremu za prednapinjanje čine:- hidrauličke preše za napinjanje natega,- preše za injektiranje natega,- miješalice za mort za injektiranje,- naprave za uvlačenje žica ili užadi,- naprave za oblikovanje natega,- držači natega.


Sve navedeno čini sustav za prednapinjanje koji je patentiran.

U svijetu ima relativno veliki broj sustava za prednapinjanje, a kod nas se najčešće koriste švicarski sustav BBR, austrujski VORSPANN -TECHNIK, te njemački DYWIDAG.

Najstariji i najpoznatiji je Freyssinetov sustav za prednapinjanje.

Podaci o sustavima za prednapinjanje mogu se naći u prospektima proizvođača i literaturi.


IZBOR POPREČNIH PRESJEKA PREDNAPETIH NOSAČA

Visina prednapetog nosača obično je manja od visine jednako opterećenog armiranobetonskog nosača.

h = l/14 – l/20 (l – raspon nosača)h ≤ l/30 za mostoveh ≤ l/40 za lagano opterećene grede u zgradarstvu


OSNOVE PRORAČUNA PREDNAPETIH KONSTRUKCIJA

A) Proračun učinaka prednapinjanja za konstrukcije kod kojih natege u betonu potpuno prianjaju s betonom obuhvaća:

- zahtjev za najniži razred betona

- zahtjev za najmanji broj natega u elementu


- određivanje početne sile prednapinjanja

Najveća sila kojom se napreže natega P0 na aktivnom kraju neposredno nakon prednapinjanja ne smije premašiti vrijednost P0 = Ap⋅σ0,max

gdje je: Ap – ploština presjeka natege; σ0,max - najveće naprezanje u natezi(uzima se manja vrijednost: σ0,max = - 0.80 fpk ili σ0,max = - 0.90 fp0.1k)

Sila prednapinjanja Pm,0 = Ap⋅σpm,0 neposredno nakon prednapinjanja(naknadno napinjanje) ili nakon gubitaka u sidru (prethodno napinjanje), koja se predaje na beton, ne treba premašiti manju vrijednost od niže navedenih:

Ap⋅σpm,0 = 0.75 fpk Ap ili Ap⋅σpm,0 = 0.85 fp0.1k Ap

gdje je:σpm,0 - naprezanje u čeliku neposredno nakon prednapinjanja ili unošenja

sile,fpk – karakteristična vlačna čvrstoća čelika za prednapinjanjefp0.1k – naprezanje čelika za prednapinjanje pri zaostaloj deformaciji 0.1%

(karakteristična granica popuštanja 0.1%).


Za elemente s prethodnim napinjanjem početna sila prednapinjanja Pm,0 u vremenu (t=0) se odredi iz izraza:

Pm,0 = P0 - ∆Pc - ∆Pir [-∆Pµ(x)]

Za elemente s naknadnim napinjanjem sila Pm,0 se odredi iz izraza:

Pm,0 = P0 - ∆Pc - ∆Psl - ∆Pµ(x)

gdje je:P0 – sila prednapinjanja na sidru neposredno nakon napinjanja

- određivanje gubitaka sile prednapinjanja

Gubitke sile prednapinjanja valja proračunati. Ponekad se rabe opće preporuke prema kojima gubici sile prednapinjanja iznose 25-30 %.Stvarne vrijednosti gubitaka sile prednapinjanja za vrijeme napinjanja provjeravaju se mjerenjem sile koja se prenosi od jednog do drugog kraja natege.


• gubitak sile prednapinjanja zbog elastičnog deformiranja betona kod prijenosa sile - ∆Pc• gubitak sile prednapinjanja zbog prokliznuća klina - ∆Psl• gubitak sile prednapinjanja zbog kratkotrajnog opuštanja - ∆Pir• gubitak sile prednapinjanja u naknadno napetim nategama zbog trenja -∆Pµ(x)• gubitak sile prednapinjanja zbog puzanja, skupljanja i opuštanja u vremenu t-∆Pt(t)

- određivanje mjerodavnih sila prednapinjanja

Konačna sila prednapinjanja u vremenu (t=∞):

Za elemente s prethodnim napinjanjem sila prednapinjanja nakon svih gubitaka Pm,t(t=∞) se odredi iz izraza:

Pm,∞ = P0 - ∆Pc - ∆Pt(t=∞) [-∆Pµ(x)]

Za elemente s naknadnim napinjanjem sila prednapinjanja nakon svih gubitaka Pm,t(t=∞) se odredi iz izraza:

Pm,∞ = P0 - ∆Pc - ∆Psl - ∆Pµ(x) - ∆Pt(t=∞)


Za granično stanje nosivosti proračunska vrijednost sile prednapinjanjaiznosi:

Pd = γP ⋅ Pm,t

Vremenski uvjetovan gubitak sile iznosi:∆Pt(t=∞) = Ap ⋅ ∆σp,c+s+r

gdje je:Ap – ploština presjeka natege ili natega∆σp,c+s+r – promjena naprezanja u natezi zbog puzanja, skupljanja i

opuštanja na mjestu x u trenutku t i može se izračunati

- uvođenje sile prednapinjanja i dimenzioniranje područja sidrenja natega u elementima s prethodnim i naknadnim napinjanjem

U području sidrenja treba proračunate sile preuzeti dodatnom armaturom.


B) Najmanji razmak natega:

- Prethodno napinjanje - Naknadno napinjanje


C) Armatura prednapetih elemenata:

Uvijek se preporučuje ugrađivanje najmanje konstrukcijske armature prema tablici:


(1) Izrada armature

IZVEDBA I MONTAŽA PREDNAPETIH NOSAČA


(2) Armaturni koš nosača.


(3) Unutar armaturnog koša nosača postavljene cijevi za natege.





(4) Prije prenošenja armaturni se koš ukruti rešetkom za podizanje koja sprječava raspadanje armaturnog koša.


(5) Čelični kalup s hidrauličkim otvaranjem i zatvaranjem, te oplatnim vibratorima i sa sustavom kontinuirane raspodjele pare duž kalupa.



(6) Armaturni koš se podiže autodizalicom, prenosi i stavlja u oplatu koja je rastvorena (bočne strane su izmaknute cca 50 cm). Nakon što se u oplatu postavi armaturni koš, korigiraju se nepravilnosti, oplatu se “stisne” u položaj za betoniranje. Provjere se brtve i pristupi betoniranju.


(7) Betonirani nosač. Ako je potrebno nad oplatom se stavi tzv. tunel za zaparivanje radi ubrzanja stvrdnjavanja betona.


(8) Nakon 24 sata nosač se vadi iz oplate portalnom dizalicom na kotačima “Apolo” i odvozi se na odlagalište.

1 nosač – 1 radni dan



(9) Nosač se odlaže na odlagalište i ostavlja do ugradbe.





(10a) Navlačna skela za montažu predgotovljenih mostovskih nosača.


(10b) Autodizalica za montažu predgotovljenih mostovskih nosača.

Documents

Osnove prednapetih konstrukcije