Elke civiel ingenieur moet het antwoord op deze vraag weten, omdat het wordt beschouwd als de belangrijkste vraag voor de civiel ingenieur.
Voorgespannen beton is een van de belangrijkste onderdelen van de constructie en dat zou u moeten en u moet er goede kennis van hebben. Laten we het in detail begrijpen.
Een voorgespannen betonconstructie verschilt van een conventionele constructie van gewapend beton vanwege de toepassing van een initiële belasting op de constructie voorafgaand aan het gebruik ervan. De initiële belasting of voorspanning wordt toegepast om de structuur in staat te stellen de spanningen te ondervangen die zich tijdens de serviceperiode voordoen. Voorspannen van constructies werd geïntroduceerd in de late negentiende eeuw. Het concept van voorspanning bestond al voor de toepassingen in beton.
Er zijn twee voorbeelden van voorspanning voor de ontwikkeling van voorgespannen beton
Krachtpassing van metalen banden op houten vaten De metalen banden veroorzaken een toestand van initiële hoepelcompressie, om de hoepelspanning tegen te gaan die wordt veroorzaakt door het vullen van vloeistof in de vaten
Voorspannen van de spaken in een fietswiel. De voorspanning van een spaak in een fietswiel wordt zodanig toegepast dat er altijd een resterende spanning in de spaak zal zijn
Voor beton worden interne spanningen geïnduceerd (gewoonlijk door middel van gespannen staal) om de volgende redenen. De treksterkte van beton is slechts ongeveer 8% tot 14% van de druksterkte. Barsten ontwikkelen zich in de vroege stadia van het laden in buigzame delen zoals balken en platen. Om dergelijke scheuren te voorkomen, kan de drukkracht op geschikte wijze in de loodrechte richting worden uitgeoefend. Voorspannen verbetert de buig-, afschuif- en torsiecapaciteiten van de buigzame delen. In leidingen en vloeistofopslagtanks kunnen de spanning op de hoepeltrek effectief worden tegengegaan door cirkelvormige voorspanning.
De volgende schets verklaart de toepassing van voorspanning.
Plaats en rek zacht stalen staven, voorafgaand aan het betonneren
Figuur - Voorspannen van betonnen balken door zachte stalen staven
Milde stalen staven worden uitgerekt en er wordt beton omheen gegoten. Na het uitharden van beton wordt de spanning in de stangen opgeheven. De staven zullen proberen hun oorspronkelijke lengte terug te winnen, maar dit wordt voorkomen door het omringende beton waaraan het staal is gehecht. Het beton is dus nu effectief in een staat van voorcompressie. Het is in staat om trekspanning tegen te gaan, zoals het resultaat van de belasting die wordt getoond in de volgende schets.
Maar de vroege pogingen van voorspanning waren niet helemaal succesvol. Er werd waargenomen dat het effect van voorspanning afnam met de tijd. De belastbare capaciteiten van de leden waren beperkt. Onder aanhoudende belastingen bleken de leden te falen. Dit was de volgende reden. Beton krimpt in de loop van de tijd. Bovendien neemt bij langdurige belasting de belasting in beton toe met de toename in tijd. Dit staat bekend als kruipstam. De reductie in lengte als gevolg van kruip en krimp is ook toepasbaar op het ingebedde staal, resulterend in aanzienlijk verlies in de trekspanning.
Vormen van voorspanstaal
Draden - Voorspan draad is een enkele eenheid gemaakt van staal.
Strengen - Twee, drie of zeven draden worden gewonden om een voorspanstreng te vormen.
Pees - Een groep strengen of draden wordt gewonden om een voorspankabel te vormen.
Kabel- Een groep pezen vormt een voorspankabel.
Staven - Een pees kan uit een enkele stalen staaf bestaan. De diameter van een staaf is veel groter dan die van een draad.
Aard van de betonstaalinterface
Bonded pees - Wanneer er een goede hechting is tussen de voorspankabel en het beton, wordt dit een gebonden pees genoemd. Voorgespannen en gevoegde nagespannen pezen zijn gebonden pezen.
Ongebonden pees - Wanneer er geen verbinding is tussen de voorspankabel en het beton, wordt dit een niet gebonden pees genoemd. Wanneer grout niet wordt aangebracht na naspanning, is de pees een niet gebonden pees. Laadstadia De analyse van voorgespannen elementen kan verschillend zijn voor de verschillende laadstadia.
De laadstadia zijn als volgt.
1) Eerste: het kan worden onderverdeeld in twee fasen.
a) Tijdens het spannen van staal
b) Bij het overbrengen van voorspanning naar beton.
2) Gemiddeld: Dit omvat de belastingen tijdens het transport van de voorgespannen delen.
3) Finale: Het kan worden onderverdeeld in twee fasen.
a) Tijdens gebruik, tijdens gebruik.
b) Uiteindelijk, tijdens extreme gebeurtenissen
Voordelen van voorspannen
De voorspanning van beton heeft verschillende voordelen in vergelijking met traditioneel gewapend beton (RC) zonder voorspanning. Een volledig voorgespannen betonelement wordt meestal tijdens de levensduur onderworpen aan compressie. Dit corrigeert verschillende tekortkomingen van beton. De volgende tekst vermeldt in grote lijnen de voordelen van een voorgespannen betonelement met een equivalent RC-element. Voor elk effect worden de voordelen vermeld.
Het gedeelte blijft ongeschonden onder onderhoudsbelastingen.
Vermindering van corrosie van staal Verhoogde duurzaamheid.
Een volledige sectie wordt gebruikt
Hoger traagheidsmoment (hogere stijfheid)
Minder vervormingen (verbeterd onderhoud).
Verhoging van de afschuifcapaciteit.
Geschikt voor gebruik in drukvaten, vloeistofvasthoudstructuren. Verbeterde prestaties (veerkracht) bij dynamische belasting en vermoeiing.
Hoge span-tot-diepte-verhoudingen Grotere overspanningen mogelijk met voorspanning (bruggen, gebouwen met grote kolomvrije ruimten) Typische waarden van span-tot-diepte-verhoudingen in platen worden hieronder gegeven.
Niet-voorgespannen plaat 28: 1 Voorgespannen plaat 45: 1 Voor dezelfde overspanning, minder diepte in vergelijking met RC-staaf.
Vermindering van het eigen gewicht.
Meer esthetische aantrekkingskracht dankzij slanke secties
Meer economische secties.
Geschikt voor prefab constructie
De voordelen van een prefab constructie zijn als volgt.
Snelle constructie
Betere kwaliteitscontrole
Minder onderhoud geschikt voor repetitieve constructie Meervoudig gebruik van bekisting.
Vermindering van bekisting.
Beschikbaarheid van standaardvormen.
Post-spannen
Voorspansystemen zijn in de loop der jaren ontwikkeld en verschillende bedrijven hebben hun producten gepatenteerd. Gedetailleerde informatie over de systemen is te vinden in de productcatalogi en brochures die door bedrijven worden gepubliceerd. Er zijn algemene richtlijnen voor voorspanning in sectie 12 van IS 1343: 1980. De informatie in deze sectie is inleidend van aard, met de nadruk op de basisconcepten van de systemen. De voorspanningssystemen en -inrichtingen worden afzonderlijk beschreven voor de twee typen voorspanning, voorspanning en naspanning. Dit gedeelte behandelt naspanning. Voorspansystemen en -apparaten, dekt voorspanning af. Bij naspanning wordt de spanning op de pezen uitgeoefend na het uitharden van het beton. De stadia van naspanning worden hierna beschreven.
Stadia van naspanning
Bij naspanningssystemen worden de kanalen voor de pezen (of strengen) samen met de versterking geplaatst vóór het gieten van beton. De pezen worden na het gieten van beton in de kanalen geplaatst. Het kanaal voorkomt contact tussen beton en de pezen tijdens het spannen. In tegenstelling tot voorspanning worden de pezen getrokken terwijl de reactie tegen het verharde beton werkt. Als de kanalen gevuld zijn met mortel, staat dit bekend als gebonden naspanning. De mortel is een nette cementpasta of een zandcementmortel die een geschikt mengsel bevat.
In ongebonden naspanning, zoals de naam al doet vermoeden, worden de kanalen nooit samengevoegd en wordt de pees alleen onder spanning gehouden door de eindverankeringen. De volgende schets toont een schematische weergave van een samengevoegd nagespannen lid. Het profiel van het kanaal is afhankelijk van de ondersteuningscondities. Voor een eenvoudig ondersteunde staaf heeft het kanaal een uitzakkingsprofiel tussen de uiteinden. Voor een continu lid zakt het kanaal in de overspanning en zwemt het over de steun.
De verschillende stadia van de naspanning worden als volgt samengevat.
Gieten van beton.
Plaatsing van de pezen.
Plaatsing van het verankeringsblok en de krik. Aanbrengen van spanning op de pezen.
Zitplaatsen van de wiggen.
Snijden van de pezen
Gewapend beton (RC) is een composietmateriaal waarin de relatief lage treksterkte en taaiheid van beton worden tegengegaan door het opnemen van wapening met hogere treksterkte of taaiheid. De wapening is meestal, hoewel niet noodzakelijk, stalen wapeningsstaven (betonstaal) en wordt meestal passief ingebed in het beton voordat het beton wordt uitgehard. Versterkingsschema's zijn in het algemeen ontworpen om bestand te zijn tegen trekspanningen in bepaalde gebieden van het beton die onaanvaardbaar kraken en / of structureel falen zouden kunnen veroorzaken. Modern gewapend beton kan gevarieerde versterkende materialen bevatten, gemaakt van staal, polymeren of ander samengesteld materiaal in combinatie met betonijzer of niet. Gewapend beton kan ook permanent worden belast (onder spanning), om het gedrag van de uiteindelijke constructie onder werkbelastingen te verbeteren. In de Verenigde Staten zijn de meest gebruikelijke methoden om dit te doen bekend als voorspannen en naspannen.
Voor een sterke, ductiele en duurzame constructie moet de wapening ten minste de volgende eigenschappen hebben:
Hoge relatieve sterkte.
Hoge tolerantie van trekspanning.
Goede hechting op het beton, ongeacht pH, vocht en soortgelijke factoren.
Thermische compatibiliteit, veroorzaakt geen onaanvaardbare spanningen in reactie op veranderende temperaturen.
Duurzaamheid in de concrete omgeving, ongeacht corrosie of langdurige stress.
Gebruik in de bouw
Wapening van het dak van Sagrada Família in constructie (2009)
· Veel verschillende soorten structuren en componenten van constructies kunnen worden gebouwd met behulp van gewapend beton, waaronder platen, muren, balken, kolommen, funderingen, frames en meer.
Gewapend beton kan worden geclassificeerd als prefab of ter plaatse gestort beton.
Het ontwerpen en implementeren van het meest efficiënte vloersysteem is de sleutel tot het creëren van optimale bouwconstructies. Kleine veranderingen in het ontwerp van een vloersysteem kunnen een aanzienlijke impact hebben op materiaalkosten, bouwschema, ultieme sterkte, bedrijfskosten, bezettingsgraad en eindgebruik van een gebouw.
Zonder versterking zou het niet mogelijk zijn om moderne structuren met betonmateriaal te bouwen.
Sleuteleigenschappen
Drie fysieke kenmerken geven gewapend beton zijn speciale eigenschappen:
De thermische uitzettingscoëfficiënt van beton is vergelijkbaar met die van staal, waardoor grote interne spanningen ten gevolge van verschillen in thermische uitzetting of krimp worden geëlimineerd.
Wanneer de cementpasta in het beton uithardt, stemt dit overeen met de oppervlaktedetails van het staal, zodat de spanning efficiënt kan worden overgedragen tussen de verschillende materialen. Gewoonlijk worden stalen staven geruwd of gegolfd om de binding of cohesie tussen het beton en staal verder te verbeteren.
De alkalische chemische omgeving die wordt gevormd door de alkalireserve (KOH, NaOH) en het portlandiet (calciumhydroxide) in de geharde cementpasta veroorzaakt een passiverende film op het oppervlak van het staal, waardoor het veel beter bestand is tegen corrosie dan het zou in neutrale of zure omstandigheden zijn. Wanneer de cementpasta wordt blootgesteld aan de lucht en meteorisch water reageert met het atmosferische CO2, worden portlandiet en het calciumsilicaathydraat (CSH) van de geharde cementpasta geleidelijk koolzuurhoudend en neemt de hoge pH geleidelijk af van 13,5 - 12,5 tot 8,5, de pH van water in evenwicht met calciet (calciumcarbonaat) en het staal is niet langer gepassiveerd.
Als vuistregel, staal wordt alleen beschermd om een idee te geven over de orde van grootte, bij pH boven ~ 11 maar begint te corroderen onder ~ 10, afhankelijk van de staalkarakteristieken en lokale fysisch-chemische omstandigheden wanneer beton wordt gecarbonateerd. carbonatatie van beton samen met chloride-indringing zijn enkele van de belangrijkste redenen voor het falen van wapeningsstaven in beton.
Het relatieve doorsnedeoppervlak van staal dat vereist is voor typisch gewapend beton is meestal vrij klein en varieert van 1% voor de meeste balken en platen tot 6% voor sommige kolommen. Wapeningsstaven zijn normaal rond in doorsnede en variëren in diameter. Versterkte betonconstructies hebben soms voorzieningen zoals geventileerde holle kernen om hun vochtigheid en vochtigheid te beheersen.
Verdeling van beton (ondanks wapening) De sterkte-eigenschappen langs de dwarsdoorsnede van verticale gewapende betonelementen zijn inhomogeen
Versterking en terminologie van balken
Twee kruisende balken die zijn geïntegreerd in de parkeergarage en die zowel versterkingsstaal als de bedrading, aansluitdozen en andere elektrische componenten bevatten die nodig zijn om de bovenverlichting voor het garagepeil eronder te installeren.
Een balk buigt onder buigend moment, wat resulteert in een kleine kromming. Aan het buitenvlak (trekvlak) van de kromming ervaart het beton trekspanning, terwijl het aan het binnenvlak (drukvlak) drukspanning ondervindt.
Een enkelvoudige verstevigde balk is een balk waarbij het betonelement slechts nabij het trekvlak wordt versterkt en de wapening, spanningsstaal genoemd, is ontworpen om weerstand te bieden aan de spanning.
Een dubbel versterkte balk is een balk waarin naast de trekwapening ook het betonelement nabij het drukvlak wordt versterkt om het beton weerstand te bieden tegen compressie. De laatste versterking wordt compressiestaal genoemd. Wanneer de compressiezone van een beton ontoereikend is om weerstand te bieden aan het compressiemoment (positief moment), moet extra worden versterkt als de architect de afmetingen van de sectie begrenst.
Een onderversterkte balk is er een waarin de trekcapaciteit van de trekwapening kleiner is dan de gecombineerde compressiecapaciteit van het beton en het compressiestaal (onderversterkt op het trekvlak). Wanneer het element van gewapend beton onderhevig is aan een toenemend buigmoment, levert het spanningsstaal op terwijl het beton zijn uiteindelijke faaltoestand niet bereikt. Terwijl het spanningsstaal opraakt en uitrekt, levert een "onderversterkt" beton ook op een ductiele manier op, met een grote vervorming en waarschuwing voor zijn uiteindelijke mislukking. In dit geval bepaalt de vloeispanning van het staal het ontwerp.
Een overversterkte balk is er een waarin de trekcapaciteit van het spanningsstaal groter is dan de gecombineerde compressiecapaciteit van het beton en het compressiestaal (overversterkt op het trekvlak). Dus de "oververharde beton" -bundel faalt door het samendrukken van het beton van de drukzone en vóór de trekzone levert staalopbrengsten op, die geen waarschuwing geven voor falen omdat het falen onmiddellijk is.
Een gebalanceerde versterkte balk is er een waarin zowel de druk- als de trekzone bij dezelfde opgelegde belasting op de balk opbrengen, en het beton zal pletten en het staal zal gelijktijdig opbrengen. Dit ontwerpcriterium is echter net zo riskant als gewapend beton, omdat de breuk plotseling is omdat het beton tegelijkertijd de treksterkte van het staal drukt, wat een zeer kleine waarschuwing geeft voor leed bij spanningsuitval.
Momentdragende elementen van staalversterkt beton moeten normaliter zodanig worden ontworpen dat ze worden onderversterkt, zodat gebruikers van de constructie een waarschuwing voor dreigende instorting ontvangen.
De karakteristieke sterkte is de sterkte van een materiaal waarbij minder dan 5% van het monster een lagere sterkte vertoont.
De ontwerpsterkte of nominale sterkte is de sterkte van een materiaal, inclusief een materiaalveiligheidsfactor. De waarde van de veiligheidsfactor varieert over het algemeen van 0,75 tot 0,85 in Toegestane spanningsontwerp.
De uiterste limietstatus is het theoretische faalpunt met een zekere waarschijnlijkheid. Het wordt vermeld onder factored loads en factored resistance.
