XVII OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA WARSZTAT PRACY PROJEKTANTA KONSTRUKCJIUstroń, 20 ÷ 23 lutego 2002 r.

Krzysztof DyduchWit Derkowski

ZAGADNIENIA TECHNOLOGICZNE I MATERIAŁOWEW KONSTRUKCJACH SPRĘŻONYCH

1.Wstęp

Sprężenie jest celowym i świadomym wprowadzeniem w konstrukcję sił, którewywołują przed jej użytkowaniem stan naprężeń przeciwny do naprężeń wywołanychobciążeniami przenoszonymi przez konstrukcję.Zabieg sprężenia stosuje się przede wszystkim w konstrukcjach z betonu. Znane są jednakzastosowania sprężenia w konstrukcjach stalowych [1], a ostatnio również w konstrukcjachmurowych [2].Siła ściskająca beton w przekroju ustroju sprężonego realizowana jest poprzez rozciąganiespecjalnej stali sprężającej, trwale zakotwionej w konstrukcji. W ostatnim okresie pojawiłysię cięgna sprężające z materiałów kompozytowych na bazie włókien węglowych lubwłókien aramidowych. Znane w literaturze sprężenie termiczne lub sprężenie przy użyciubetonu ekspansywnego należy do rozwiązań marginalnych.Sprężenie w przekroju betonowym występuje w dwóch zróżnicowanych formachprzekazania siły na beton: jako konstrukcje kablobetonowe lub konstrukcje strunobetonowe.

W konstrukcjach kablobetonowych sprężenie jest realizowane poprzez rozciąganąstal sprężającą po osiągnięciu przez beton wymaganej wytrzymałości. W procesie sprężania,cięgno nie posiada kontaktu z otaczającym go betonem i znajduje się w szczelnychosłonkach. Model belki kablobetonowej pokazano na rys. 1.Pomiar siły sprężającej wykonuje się z jednej strony poprzez kontrolowany naciągzestawem prasa hydrauliczna – agregat pompowy, a z drugiej poprzez kontrolęprzewidzianych wydłużeń cięgna. Po sprężeniu i zakotwieniu cięgien w zakotwieniachwykonuje się iniekcję cięgien tj. szczelne wypełnienie kanałów kablowych zaczyneminiekcyjnym zapewniającym przyczepność stali sprężającej do betonu w każdym przekrojurozważanego elementu oraz zabezpieczającym stal sprężającą przed korozją. W kablach bez

przyczepności stosuje się iniekcję cięgien komponentami na bazie wosku modyfikowanego,

zabezpieczającymi tylko przed korozją cięgien.

Rys. 1. Model belki kablobetonowej.

Coraz częściej stosuje się, w pewnych rozwiązaniach technicznych związanych przedewszystkim ze wzmacnianiem konstrukcji, tzw. cięgna niskotarciowe pozwalające na czterolub pięciokrotne zabezpieczenie stali sprężającej przed korozją – rys. 2.

Rys. 2. Przekrój poprzeczny cięgna niskotarciowego: 1 – osłonka polietylenowazewnętrzna; 2 – iniekcja cementowa; 3 – splot; 4 – smar antykorozyjny; 5 -osłonka polietylenowa wewnętrzna.

W konstrukcjach strunobetonowych sprężenie cięgien sprężających realizowane jestna torze naciągowym przed betonowaniem elementu. Do sprężania stosuje się równieżspecjalne zespoły naciągowe: prasa hydrauliczna – agregat pompowy. Po zakotwieniu stalisprężającej w kozłach oporowych następuje zabetonowanie elementu w przygotowanych

formach, a następnie beton poddany jest procesowi przyspieszonego dojrzewania.Przekazanie siły sprężającej na element następuje dopiero po osiągnięciu przez betonodpowiedniej wytrzymałości. Proces wykonywania konstrukcji strunobetonowej pokazanoschematycznie na rys. 3.

Rys.3. Schemat ideowy wykonania elementu strunobetonowego o prostej trasie cięgiensprężających.

Coraz częściej pojawiają się możliwości zmiany trasy cięgien na długości elementustrunobetonowego poprzez odgięcie cięgien przy podporach – rys. 4. Stwarza to nowemożliwości konstrukcyjne redukcji siły poprzecznej w pracującej konstrukcji.

Rys. 4. Element strunobetonowy z odgiętymi cięgnami sprężającymi.

2. Materiały do konstrukcji sprężonych

2.1 Beton

Konstrukcje sprężone stawiają przed betonem wysokie wymagania. Wynikają one zeszczególnych warunków pracy betonu w tych konstrukcjach, a mianowicie:- beton poddany jest dużym siłom ściskającym,- beton narażony jest na działanie dużych skoncentrowanych sił przy zakotwieniach,- wymagany jest wysoki moduł sprężystości Ecm z uwagi na ograniczenie doraźnych strat

sprężenia i ugięć konstrukcji,- w konstrukcjach strunobetonowych wymagana jest wysoka przyczepność stali do

betonu- w wielu konstrukcjach sprężonych wymagana jest szczelność .

Do wykonywania betonów dla konstrukcji sprężonych stosuje się:- cementy portlandzkie: CEM I 32,5, 32,5R

CEM I 42,5, 42,5RCEM I 52,5, 52,5R

przy czym cementy szybkotwardniejące R o wysokiej wytrzymałości wczesnej sąszczególnie przydatne w prefabrykatach strunobetonowych,

- kruszywa łamane ze skał magmowych tj. bazalt, granit, czasem diabaz i porfir,- atestowane dodatki uplastyczniające, uszczelniające, przyspieszające lub opóźniające

wiązanie, uodporniające na wpływy chemiczne lub wpływ niskich temperatur w okresietwardnienia. Dodatki te winny być stosowane w takich ilościach aby nie powodowaćzmniejszenia trwałości betonu i nie sprzyjać korozji zbrojenia.

W najnowszej normie polskiej PN-B-03264:1999 [3], a także w EC2 [4] najwyższaklasa betonu dopuszczona w konstrukcjach sprężonych wynosi B30 dla kablobetonu i B37dla strunobetonu.Równocześnie do budowy budynków wysokich, platform morskicha przede wszystkim do budowy mostów, stosuje się coraz częściej betony wysokiejwytrzymałości tj. betony o klasie przewyższającej B60 [5]. Zastosowanie tych betonówpozwala na zmniejszenie przekroju słupów w budynkach wysokich, powiększenie trwałościi szczelności platform, a ponadto daje możliwość sprężenia mostów już po 24 godzinach odchwili ich zabetonowania.Zastosowanie betonów wysokich wytrzymałości pozwala na znaczące ograniczenieodkształceń długotrwałych. Stopień tej redukcji zależy od poziomu obciążenia konstrukcjia mianowicie:- dla poziomu obciążeń bliskich rysującym (25 do 30 % obciążeń granicznych) redukcja

ugięć sięga od 20 % do 40 % w zależności od składu betonu,- dla poziomu obciążeń normalnych (40 do 60 % obciążeń granicznych) można

oczekiwać redukcji ugięć długotrwałych do 50 %,- dla wysokiego poziomu obciążeń (75 % obciążeń granicznych) zastosowanie BWW

pozwala na redukcję ugięć rzędu 15 %.Na rys. 1 przedstawiono obliczeniowe wielkości ugięcia trójprzęsłowej płyty

jednokierunkowo zginanej. Porównanie obejmuje płyty wykonane z betonu zwykłego klasyB30 (BZ) oraz betonu klasy B70 (BWW). Obliczenia przeprowadzono dla różnychstosunków ρ wyrażających proporcję wielkości przyłożonego obciążenia q do obciążenia

granicznego qu. Wartości qr pokazane na rysunku są wartościami obciążenia rysującegopłytę.

Rys. 5. Porównanie ugięcia beki z betonu zwykłego i BWW

Według EC2 July 1999(2nd draft) [6] dla kablobetonu i kabli bezprzyczepnościowychbeton powinien mieć pewną minimalną wytrzymałość w chwili sprężenia ckcmj ff ≥ , gdzie

cmjf jest średnią wytrzymałością betonu w elemencie, wyznaczoną z wytrzymałości

pobranych próbek.Jeśli kable w przekroju są kolejno sprężane podczas wznoszenia konstrukcji (sprężanieetapowe), wymagana wytrzymałość betonu cmjf może być liniowo zredukowana,

proporcjonalnie do końcowej siły sprężającej. Minimalna wytrzymałość cmjf powinna

jednak wynosić 0,3 ckf . EC2 [4] wymaga aby minimalna wytrzymałość betonu w chwilisprężenia była podana w aprobatach technicznych dotyczących określonych systemówsprężania.

2.2 Zbrojenie pasywne w betonie sprężonym

Do zbrojenia betonu sprężonego stosuje się stal żebrowaną 18G2 (mosty) lub 34GS(inne konstrukcje nie poddane obciążeniom zmęczeniowym). Coraz częściej z uwagi nauruchomienie produkcji w Polsce będzie stosować się stal żebrowaną ST500S – właściwościtej stali zostaną umieszczone w najnowszej edycji PN-B-03264:1999. Przekrój zbrojeniazwykłego w betonowych przekrojach sprężonych zależeć będzie od założeńobliczeniowych, w których uwydatniają się dwa podejścia :

- część oddziaływań w konstrukcji przenosi w przekroju układ sił beton - zbrojeniepasywne, zaś resztę przenosi sprężenie. Jest to przypadek częściowego sprężeniakonstrukcji. Może on wystąpić przy :

- projektowaniu silosów żelbetowych, w których dodatkowo z uwagi na ograniczenierozwartości rys, część oddziaływań przenosi sprężenie;

- w żelbetowych mostach częściowo sprężonych;- w żelbetowych stropach sprężonych.

- pełne sprężenie konstrukcji, w którym całość oddziaływań w stanie granicznymnośności przenosi sprężenie. Zbrojenie przekroju stosuje się wówczas, jako zbrojenieminimalne przenoszące siły wewnętrzne od odkształceń narzuconych (skurcz betonu,zmiany temperatury, osiadanie podpór).

Ilość minimalnego zbrojenia w betonowych przekrojach sprężonych wyznacza się z dwóchwarunków:- minimalna powierzchnia zbrojenia w przekroju wynika z gwarancji kontrolowanego

zarysowania, które powstaje w wyniku naprężeń rozciągających wywołanychnarzuconymi odkształceniami wewnętrznymi lub zewnętrznymi,

- minimalne zbrojenie przekroju musi zapobiegać jego niesygnalizowanemu zniszczeniu.Minimalne zbrojenie wg. DIN 4227 [7] w konstrukcjach mostowych jest dwukrotniewiększe niż w zwykłych budowlach.

2.3 Stal sprężająca

Stale sprężające, z materiałowego punku widzenia, mogą być podzielone na dwiegrupy:- stale wysokowęglowe przeciągane na zimno. W stalach tych jest zwiększona zawartość

węgla (do ok. 0,9%) oraz domieszki manganu, krzemu, chromu, niklu, miedzi,molibdenu i wanadu wpływające korzystnie na właściwości mechaniczne stali a takżezanieczyszczenia w postaci siarki i fosforu. Stale te charakteryzują się wysokąwytrzymałością, ale też większą kruchością.

- stale stopowe walcowane na gorąco charakteryzujące się niższą wytrzymałością od staliwysokowęglowych ale za to lepszą odpornością na korozję oraz podwyższonetemperatury.

Zgodnie z normami europejskimi producenci stali sprężającej zobowiązani są podawaćzawartość węgla (C), manganu (Mn) i krzemu (Si). Szkodliwa zawartość siarki (S) i fosforu(P) powinna być nie większa niż 0,030 % dla każdego z nich. Tak więc stal sprężająca jestzazwyczaj stalą krzemowo-manganową poddawaną specjalnej obróbce termiczneji mechanicznej.Obróbka termiczna polega na hartowaniu i odpuszczaniu, a mechaniczna przeciąganiu nazimno przez dyszę kalibrującą, i zgniataniu powierzchniowym, natomiast w przypadkuprętów na wyciąganiu na zimno. Dodatkowo druty i sploty poddawane są stabilizacji,polegającej na odpuszczaniu stali w roztworze soli lub ołowiu z równoczesnym naciągiemwstępnym, co zasadniczo zmniejsza późniejszą relaksację [8].Wysoką wytrzymałość stali sprężającej uzyskuje się dzięki:- zwiększeniu zawartości węgla. Należy jednak zwrócić uwagę, iż zbyt duża zawartość

węgla powoduje zwiększenie kruchości i zmniejszenie wydłużenia granicznego. Wiąże

się z tym zmniejszenie odporności korozyjnej stali, a także zmniejszenie jejwytrzymałości zmęczeniowej.

- obróbce termicznej,- przeciąganiu na zimno przez dyszę z twardych spieków węgla.Za górną granicę wytrzymałości stali sprężającej przyjmuje się 2200 MPa.

Według PN [2] do sprężania konstrukcji z betonu stosować można cięgna wykonanez drutów φ2,5mm, φ5mm, i φ7mm o wytrzymałościach od 1470MPa do 2160 MPa, cięgnaze splotów 7-drutowych o wytrzymałościach od 1370 - 1940 MPa bądź z pręty sprężające.Norma europejska pr EN 10138 „Stale sprężające” [9] przewiduje jako zbrojenie sprężającedruty ze stali ciągnionej na zimno o wytrzymałościach od 1600 - 1860 N/mm2 i splotywykonane z tych drutów, oraz pręty grube ze stali walcowanych i odpuszczonych o niecomniejszej wytrzymałościach fpc = 1000 - 12000 N/mm2.Zalecenia Komisji FIP potwierdzają, iż konstrukcje sprężone, w których stosuje się stalew postaci drutów ciągnionych na zimno oraz splotów, jak również prętów grubychtermoutwardzalnych, pracują bez zastrzeżeń.Obecnie najczęściej stosowane cięgna w konstrukcjach sprężonych, zarównostrunobetonowych jak i kablobetonowych, wykonywane są ze splotów siedmiodrutowycho średnicy nominalnej 0,6’ i przekroju poprzecznym 150 mm2 lub splotówsiedmiodrutowych o średnicy nominalnej 0,5’ i przekroju poprzecznym 100 mm2.W przypadku krótkich kabli prostych stosuje się pręty ze stali sprężającej.Norma PN-B-03264:1999 wymaga aby oznaczenia splotów i drutów zawierały następującewłaściwości stali gwarantowane przez producenta:- charakterystyczną wytrzymałość stali fpk, umowną granicę plastyczności fp0,1k oraz

wydłużenie graniczne εuk;- klasę relaksacji;- średnicę;- wytrzymałość zmęczeniową;- odporność na korozję naprężeniową;- wrażliwość splotów na złożony stan naprężenia.Dla prętów wymaga się podania przez producenta:- charakterystyczną wytrzymałość stali fpk;- wielkość siły zrywającej;- klasę relaksacji;- średnicę;- wytrzymałość zmęczeniową;- odporność na korozję naprężeniową;

2.3.1 Wytrzymałość zmęczeniowa stali sprężającej

Wytrzymałość zmęczeniową stali określa się jako minimalny zakres zmian naprężeńσ∆ przy górnym poziomie naprężenia 0,7fpk, dla 6102 ⋅ cykli [3]. Wartości wytrzymałości

zmęczeniowych dla poszczególnych produktów podaje tablica 1.

Tablica 1 Wytrzymałości zmęczeniowe stali sprężających.Wytrzymałość zmęczeniowa σ∆ [MPa]

Druty i pręty- gładkie 200- nagniatane 180Sploty- z drutów gładkich 190- z drutów nagniatanych 170

2.3.2 Relaksacja stali sprężającej

Relaksacja definiowana jest jako spadek naprężeń w cięgnie poddanym stałymodkształceniom. Relaksacja stali sprężającej zależy od wytrzymałości charakterystycznejstali, od wielkości występujących w niej naprężeń oraz od temperatury otoczenia, w którejpracuje konstrukcja.Stale sprężające zostały podzielone na 3 klasy relaksacji:- klasa 1 dotyczy drutów i splotów o wysokiej relaksacji,- klasa 2 dotyczy splotów o niskiej relaksacji (stabilizowanych termicznie),- klasa 3 dotyczy prętów ze stali sprężającej.Wielkości relaksacji po 1000 godz. podaje zwykle producent stali sprężającej. Zarówno PN[3] jak i EC2 [4] przedstawia na wykresie straty naprężeń w stali sprężającej wywołane jej

relaksacją po okesie 1000 godz., w temperaturze 20oC, dla stosunku pk

p

fσ

z przedziału od

0,6 do 0,8.W najnowszej edycji EC2 [10] podano analityczne zależności pozwalające określić stratyspowodowane relaksacją ∆σpr [10]:

- klasa 1: ( )

3175,0

7,61000

pi

pr 101000

te39,5 −µ−

µ ⋅

⋅⋅ρ⋅=

σσ∆

(1)

- klasa 2:( )

3175,0

1,91000

pi

pr 101000

te66,0 −µ−

µ ⋅

⋅⋅ρ⋅=

σσ∆

(2)

- klasa 3: ( )

3175,0

81000

pi

pr 101000

te98,1 −µ−

µ ⋅

⋅⋅ρ⋅=

σσ∆

(3)

gdzie: σpi – naprężenia początkowe w stali sprężającej,ρ1000 – wartość strat relaksacyjnych (podana w %) po 1000 godzin w średniej

temperaturze 200C. Wartość tę można przyjmować na podstawie atestu stalisprężającej bądź równą 8 % dla 1 klasy relaksacji, 2,5 % dla 2 klasy i 4 %dla 3 klasy,

µ – stosunek σpr/fpk.Przybliżoną wielkość strat w wyniku relaksacji w czasie od 0 do 1000 godz. przedstawionow tablicy 2 [3].

Tablica 2. Przebieg relaksacji stali sprężającej w czasie 0 – ∞ .

Czas wgodzinach 0 1 2 20 100 500 1000 ∞

∆σpr(t)/∆σpr 1000 0 0,15 0,25 0,35 0,55 0,85 1 ~3

gdzie: ∆σpr(t) - straty naprężeń w stali sprężającej w wyniku relaksacji w godzinachw okresie od 0 do ∞,

∆σpr1000 - straty naprężeń w stali sprężającej w wyniku relaksacji po 1000 h.

Wg PN [3] wartość strat wywołanych relaksacją dla czasu ∞=t można przyjmowaćdwukrotnie większą od wartości określonej dla 1000 h, natomiast [6] przyjmuje, żemaksymalna wartość strat relaksacyjnych jest równa 2,5 ∆σpr1000. Według EC2 (Final Draft)[10] końcową wartość strat relaksacyjnych należy wyznaczać dla 500 000 godzin tj. ok.57 lat.Należy zwrócić uwagę, iż w trakcie procesu naparzania konstrukcji zwiększa się wielkośćstrat relaksacyjnych w stali sprężającej, natomiast końcowa wielkość tych strat nie ulegazmianie.

2.3.3 Odporność na korozję naprężeniową

Odporność na korozję naprężeniową mierzy się w znormalizowanym mediumkorozyjnym jakim jest 20% roztwór wodny NH4SCN o temperaturze 50 oC. Miarą jest czasmierzony w godzinach do chwili zerwania cięgna naprężonego do 0,8 fpk. Można stwierdzić,na podstawie badań, iż wraz ze wzrostem wytrzymałości stali spada jej odporność nakorozję naprężeniową – np. próbka ze stali wysokowęglowej o fpk = 1900 MPa zrywa się30-krotnie szybciej niż próbka stali tego samego gatunku o fpk = 1450 MPa. Ponieważrozrzut wyników podczas badania jest duży wymagane jest aby badania odporności nakorozję naprężeniową wykonywać na dużej liczbie próbek (ponad 10). Z tego też powoduoprócz wymaganego minimalnego czasu zerwania próbki wprowadza się minimalny czasśredni zerwania 50 % próbek. Wartości odporności na korozję naprężeniową dlaposzczególnych produktów podaje tablica 3 [8]:

Tablica 3. Wymagana odporność na korozję zmęczeniową stali sprężającej.Minimalny czas zerwania

próbki [h]Minimalny czas średni

zerwania 50 % próbek [h]Druty 1,5 4Sploty 1,5 4Pręty φ12mm 20 50Pręty φ12mm - φ25mm 60 250Pręty φ25mm - φ40mm 100 40

2.3.4 Wrażliwość splotów na złożony stan naprężenia spowodowany odgięciem

Komisja Stali i Systemów Sprężania FIP wprowadziła badanie wrażliwości splotów nazłożony stan naprężenia. Badaniu podlega stopień obniżenia wytrzymałości splotów przyich odgięciu o 200 na znormalizowanym zagiętym szablonie trapezowym.

Norma PN-B-03264:1999 [3] w Tablicy 7 określa dopuszczalne promienie krzywiznyodgięcia drutów i splotów sprężających.

2.4 Osłonki kanałów kablowych

Osłonki kanałów kablowych winny być na tyle szczelne aby nie dochodziło dowyciekania zaczynu iniekcyjnego, a jednocześnie muszą posiadać sztywność gwarantującązachowanie kształtu w takcie transportu i betonowania elementu.Materiał z jakiego są wykonane osłonki musi być obojętny chemicznie dla stali sprężającej,zaczynu iniekcyjnego oraz betonu.Do wykonania kanałów kablowych można stosować osłonki wykonane z taśm stalowychbądź osłonki wykonane z rurek stalowych lub polietylenowych lub polipropylenowych. Dokabli wewnętrznych najczęściej stosuje się osłonki z taśm stalowych. Stosowanie takichosłonek pozwala na łatwość kształtowania trasy cięgna sprężającego. Mają one zazwyczajkołowy przekrój poprzeczny – jedynie dla kabli umieszczanych w płytach stropowychmożliwe są osłonki o spłaszczonym przekroju poprzecznym pozwalające na umieszczeniekabla na większym mimośrodzie. Ponieważ dla zwiększenia sztywności i poprawyprzyczepności do betonu osłonki wykonywane są z fałdowanych taśm stalowych ichwewnętrzna średnica jest ok. 6 mm mniejsza od średnicy zewnętrznej. Fakt ten powinienbyć uwzględniony przez projektanta na etapie obliczeń. Znacznie rzadziej stosuje sięspecjalne osłonki kanałów kablowych wykonywane z:- gładkich rur stalowych o grubości ścianki 1,0 – 7,0 mm,- gładkich lub karbowanych rur polietylenowych lub polipropylenowych o grubości

ścianki od 1,0 – 10,0 mm (dla bardzo dużych cięgien).Przy doborze średnicy osłonki można korzystać z wytycznych dla poszczególnychsystemów sprężania lub kierować się zasadą aby powierzchnia kabla sprężającegopokrywała ok. 40 – 50 % powierzchni wewnętrznej osłonki tego kabla.Aby poprawnie ukształtować trasę kabla, należy przed betonowaniem elementuodpowiednio zastabilizować położenie osłonki w przekroju. Maksymalna odległośćpomiędzy punktami podparcia osłonek kanałów kablowych zależy od ich sztywności orazod kąta ich nachylenia. Według wytycznych podawanych dla różnych systemów sprężaniazalecany rozstaw punktów podparcia wynosi od 50 cm do 1 m (dla osłonek wykonywanychz rurek mogą być znacznie zwiększone). Zarówno podpórki jak i strzemiona winny byćwykonane z prętów o odpowiedniej średnicy dla przeniesienia ciężaru kabli. Przy kablachumieszczanych na dużej wysokości w przekroju mogą być potrzebne zastrzałyusztywniające strzemiona. Przy stabilizacji osłonek należy wziąć pod uwagę możliwośćwyporu osłonki przez świeżą mieszankę betonową. Przykładowy sposób stabilizacji kabliw przekroju pokazano na rys. 6.

Rys.6. Stabilizacja kabli sprężających w przekroju

3. Proces sprężania konstrukcji

3.1 Konstrukcje strunobetonowe

Wykonywanie konstrukcji strunobetonowych w zakładach prefabrykacji możnawykonywać dwoma metodami [11]:- metodą torów naciągowych. Seryjną produkcję elementów wykonuje się na torze

naciągowym zaopatrzonym na końcach w masywne konstrukcje oporowe.Kształtowanie elementów na torze odbywa się za pomocą stałych lub przesuwnychform. Produkcja elementów na torach naciągowych odbywa się w następującejkolejności:

naciąg cięgien sprężających i ich kotwienie na końcach toru, ustawienie form na torze i ułożenie zbrojenia w formach, zabetonowanie elementów i zagęszczenie betonu w formach, zastosowanie zabiegów przyspieszających dojrzewanie betonu, przekazanie sprężenia na beton, przeniesienie elementów na składowisko.

- metodą sztywnych form.Stosowane formy są odpowiednio masywne i sztywne, gdyż muszą przenosić siłynaciągu cięgien. Może tu być stosowana technologia stendowa lub potokowa.Przy produkcji stendowej na jednym stanowisku przebiega kolejno: naciągbetonowanie, dojrzewanie betonu, przekazanie sprężenia i rozformowanie elementów.W produkcji potokowej formę umieszcza się na podwoziu przejezdnym, a następniejest ona przesuwana wzdłuż linii kolejnych stanowisk.

3.2 Konstrukcje kablobetonowe

W konstrukcjach kablobetonowych sprężenie jest przenoszone przez zakotwieniai ewentualnie przyczepność iniekcji (po osiągnięciu wymaganej wytrzymałości przez zaczyniniekcyjny). W tych konstrukcjach, wyróżnia się dwa rodzaje sprężenia :- zastosowanie kabli wewnętrznych w osłonkach i zabezpieczenie ich przed korozją przez

iniekcję zaczynem cementowym,- przyjęcie sprężenia przekroju cięgnami zewnętrznymi, złożonymi ze splotów

o cztero lub pięciokrotnym zabezpieczeniu antykorozyjnym. Przyjmuje się, iż w tymprzypadku powinno używać się osłonek z trwałego polietylenu (HDPE) lubpolipropylenu (PP).

Do sprężania konstrukcji kablobetonowych używa się zespołów naciągowychskładających się zazwyczaj z:- elektrycznego bądź ręcznego agregatu pompowego tłoczącego olej do prasy

naciągowej,- naciągowej prasy hydraulicznej podwójnego działania. Prasa taka oprócz naciągu kabli

ma możliwość kotwienia kabla (docisku szczęk do bloku kotwiącego po wprowadzeniudo kabla siły sprężającej). Podstawowa charakterystyka prasy sprężającej powinnazawierać informacje o maksymalnym wysuwie tłoka prasy, dopuszczalnym ciśnieniuoleju tłoczonego do prasy, powierzchni przekroju poprzecznego tłoka naciągowegooraz tłoka kotwiącego prasy a także ciężarze i wymiarach prasy.

- zespołu węży wysokociśnieniowych. Zwykle są to gumowe węże zbrojone o długości5 m lub 10 m zakończone zaworami kulowymi umożliwiającymi wielokrotne ichłączenie.

Wymaga się aby sprzęt naciągowy poddany był cechowaniu – czyli okresowymbadaniom kontrolnym - każdorazowo po dłuższym okresie nieużywania sprzętu, a także pozmianie gatunku oleju, po wymianie jakiejkolwiek części zespołu naciągowego (np.uszczelki, manometru) oraz zmianie rodzaju cięgna lub zakotwienia.Cechowanie zespołu naciągowego ma na celu określenie strat własnych siły sprężającej,wynikających m. in. z:- oporów wewnętrznych siłownika,- spadków ciśnienia oleju w wężach wysokociśnieniowych,- sposobu połączenia prasy naciągowej z zakotwieniem cięgna sprężającego.

Wielkość siły wprowadzanej do konstrukcji Pu można uzyskać odejmując od siłypoczątkowej P0, rozumianej jako iloczyn pomierzonego ciśnienia oleju w agregaciepompowym i pola powierzchni tłoka prasy, wielkość wszystkich start siły zachodzącychw urządzeniach naciągowych i w zakotwieniu:

PPP 0u ∆−= , (4)przy czym: zw PPP ∆+∆=∆ , (5)

gdzie: ∆Pw – straty siły wewnątrz zespołu urządzeń naciągowych,∆Pz – straty siły powstałe w zakotwieniu cięgna.

Straty powstałe w urządzeniach naciągowych określa się jako: 0321w PP ⋅η⋅η⋅η=∆ (6)

gdzie: 1η - współczynnik uwzględniający opory tarcia części mechanicznych wewnątrzprasy (np. tłoka prasy o uszczelki). Zależy on między innymi od rodzaju prasyoraz sposobu zamocowania prasy na elemencie (pionowe, poziome).

2η - współczynnik uwzględniający opory hydrauliczne przy przepływie oleju przezwęże oraz zawory łączące. Zależy on między innymi od odległości pomiędzyagregatem a prasą, ilości i rodzaju zaworów, rodzaju i temperatury oleju.

3η - współczynnik uwzględniający niedokładności przy montażu urządzeń (np.nieosiowość ustawienia prasy spowoduje dodatkowe tarcie cięgnasprężającego o elementy prasy).

Straty powstałe w zakotwieniu cięgna sprężającego określa się jako: ( )w04z PPP ∆−⋅η=∆ , (7)

przy czym: β⋅θ−=η tgtg14

gdzie: tg θ - wyraża opór tarcia cięgna o ścianki bloku kotwiącego,β – kąt odgięcia cięgna w zakotwieniu.

W celu praktycznego określenia strat najkorzystniejsze jest wycechowanie zespołunaciągowego na specjalnym stanowisku, którego schemat przedstawiono na rys. 7.

Rys. 7. Stanowisko do cechowania sprzętu naciągowego.

W ramie stalowej (1) zamocowane jest cięgno sprężające (2). Na jednym końcu cięgnaumieszczono blok kotwiący (3) wraz z prasą naciągową (4) podłączoną za pomocą wężyciśnieniowych (5) do agregatu pompowego (6). Na drugim końcu cięgna zamocowany jestsiłomierz (7). Wywołując naciąg cięgna za pomocą cechowanego zespołu naciągowego, dlaposzczególnych wartości siły wskazywanych na siłomierzu (7) odczytuje się na manometrze(6.1) wartość ciśnienia oleju.Celowym jest wykonanie cechowania zespołu naciągowego przy wysuwie tłoka na prasierównym 1/3 L, 1/2 L i 2/3 L. Dla każdego położenia tłoka należy wykonać trzykrotnepomiary. Wyniki cechowania należy zestawić w tablicy oraz graficznie za pomocą wykresu.Dla zespołów przeznaczonych do wytwarzania znacznych sił naciągu można przeprowadzaćcechowanie w maszynie wytrzymałościowej. W tym przypadku nie zostaną uwzględnionestraty naciągu wywołane w zakotwieniu. Wartość tych start można określić na podstawieparametrów podanych przez producenta zakotwień.W przypadku wykonywania sprężania konstrukcji w temperaturze otoczenia znacznieodbiegającej od temperatury, w której było przeprowadzone cechowanie sprzętu, należyuwzględnić straty wywołane różnicą gęstości oleju zasilającego zespół naciągowy.

4. Iniekcja cięgien sprężających w kablobetonie

Kable sprężające, z uwagi na wrażliwość korozyjną stali sprężającej muszą byćiniekowane natychmiast po ich sprężeniu. Wyjątek stanowią tu kable niskotarciowe L15,5,w których występującą iniekcję między osłonkami zewnętrzną i wewnętrzną wykonuje sięzaraz po wstępnym naciągu kabli. W zasadzie, przyjmuje się iniekcję cementowąw cięgnach sprężających. Ma ona na celu zarówno zabezpieczenie kabli przed korozją jaki połączenie przyczepnościowe cięgien sprężającym z przekrojem (wtórna przyczepność).Przyczepność ta ma znaczący wpływ przy ocenie momentu rysującego przekrój, pozwalarównież uwzględnić pełną wytrzymałość kabli w stanie granicznym nośności przekroju.Zaczyn iniekcyjny składa się z czystego cementu portlandzkiego klasy 32,5 R i wodyw proporcjach w/c = 0,3 – 0,4 oraz dodatków. Dodatków używa się w celu:- poprawy płynności zaczynu przy danym w/c,- opóźnienia czasu wiązania zaczynu,- spęcznienia zaczynu rekompensującego skurcz,- napowietrzenia zaczynu zwiększającego mrozoodporność w okresie wiązania,- zapobiegania segregacji zaczynu przy iniektowaniu kabli pod dużym ciśnieniem.W sporadycznych przypadkach (np. przy bardzo dużych średnicach kanałów kablowych)można do zaczynu dodawać kruszywa takie jak piasek drobnoziarnisty czy mączkawapienna. W zależności od rodzaju kruszywa, nie powinno być go więcej niż 30 – 40 %wagi cementu. Należy zwrócić uwagę, iż dodanie kruszywa przyczynia się do wzrostusedymentacji zaczynu.Wszystkie materiały stosowane do wykonania zaczynu iniekcyjnego nie mogą powodowaćniekorzystnych reakcji chemicznych ze stalą sprężającą. Winny one posiadać aktualnepolskie atesty lub odpowiednie badania.Przy ustalaniu składu zaczynu iniekcyjnego należy uwzględnić następujące jegowłaściwości [12]:- konsystencja. Konsystencję należy ustalać indywidualnie dla każdego obiektu tak aby

umożliwiała prawidłowe wypełnienie każdego kanału na całej jego długości.- Sedymentacja. Jest to dążność do rozdzielania się składników zaczynu cementowego,

co wraz ze zjawiskiem skurczu powoduje zmniejszenie objętości wprowadzanegozaczynu. Na wartość sedymentacji wpływa przede wszystkim stosunek w/c, rodzajużytego cementu oraz rodzaj cięgna sprężającego – badania wykazały, iż dla kabliwykonanych ze splotów L15,5 sedymentacja jest znacznie większa niż dla kabliwykonanych z pojedynczych drutów φ 5 mm.

- Spulchnienie, czyli zwiększenie objętości zaczynu. Nie powinno ono przekraczać 2 %początkowej objętości.

- Wytrzymałość na ściskanie. Wymaga się aby wytrzymałość iniekcji po 7 dniachmierzona na próbkach 4 x 4 x 16 cm lub 7 x 7 x 7 cm wynosiła min. 20 MPa a po 28dniach – 30 MPa.

- Mrozoodporność.Poza tym cementowy zaczyn iniekcyjny musi spełniać wszystkie wymagania stawianezaczynom cementowym. Zaczyn iniekcyjny winien być poddany normowym badaniom:początku i końca wiązania, sedymentacji, absorpcji kapilarnej, skurczu orazmrozoodporności. Dla każdej partii zaczynu wykonanego na miejscu budowy należywykonać badania konsystencji.

Wszystkie składniki winny być mieszane mechanicznie tak długo aby uzyskaćjednorodny i stabilny zaczyn cementowy, jednak czas mieszania nie powinien przekraczać4 min. Po wymieszaniu zaczyn powinien być przelany przez sito. Jeżeli na sicie pozostałygrudki cementu oznacza to, iż rzeczywiste właściwości zaczynu nie odpowiadająprojektowym – zmieniony został współczynnik w/c. Zaczyn powinien być użyty nie późniejniż 30 min po wymieszaniu (w przypadku wysokich temperatur czas ten ulega skróceniu).Na cechy zaczynu cementowego wpływają cechy materiałowe składników oraz panującewarunki otoczenia – np. temperatura w czasie mieszania jak i pompowania zaczynu.

Wprowadzanie zaczynu iniekcyjnego z jednej strony oraz odpowietrzanie z drugiejstrony możliwe jest dzięki odpowiedniemu usytuowaniu rurek wlotowych i wylotowych.Rurki te winny mieć średnicę nie mniejszą niż 20 mm. Rozmieszczenie wlotów i wylotówiniekcji zależne jest od kształtu trasy cięgna, ułożenia zakotwień kabla, kierunku przepływuzaczynu oraz dopuszczalnego ciśnienia tłoczenia zaczynu iniekcyjnego. Najczęściejumieszcza się je:- przy zakotwieniach cięgna,- w najwyższych punktach kanału kablowego, kiedy odległość w poziomie pomiędzy

najniższym a najwyższym punktem jest większa niż 0,5 m,- w miejscach zmiany przekroju kanału kablowego (np. przy połączeniu osłonki z tuleją

bloku kotwiącego). Wypełnienie kanałów kablowych zaczynem iniekcyjnym należy wykonać tak szybko, jakto możliwe po zakończeniu sprężenia kabli. Iniekcję powinno wprowadzać się do osłonek,po wcześniejszym przedmuchaniem kanałów kablowych sprężonym powietrzem, podciśnieniem 0,5 - 0,6 MPa. Wymaga się aby wypełnianie całego kanału kablowego odbywałosię bez przerw roboczych, jedynie w przypadku długich pionowych kanałów zaleca sięetapowe wykonywanie iniekcji. Iniekcje można wykonać tylko przy temperaturze otoczeniapowyżej + 50 C. Temperatura zaczynu iniekcyjnego w trakcie tłoczenia powinna być niewiększa niż 400 C i nie mniejsza niż 100 C. Tłoczenie zaczynu wykonuje się pod ciśnieniemnie przekraczającym 20 MPa, takim aby szybkość wykonywania iniekcji była w granicach5 – 15 m/min (małe szybkości zaleca się dla kanałów pionowych; duże szybkości dladługich i pofałdowanych kabli oraz przy wysokich temperaturach otoczenia).

4.1 Sprzęt do wykonania iniekcji

Sprzęt wymagany do prawidłowego wykonania iniekcji kanałów kablowych składasię z:- miksera

Stosuje się dwa rodzaje mikserów:- mikser łopatkowy o szybkości ok. 1000 obrotów na minutę,- szybkoobrotowy mikser wytwarzający ok. 1500 obr/min. - użycie takich mikserów

minimalizuje zbrylenia cementu i poprawia charakterystykę sedymentacji zaczynu.- sita

Zaleca się aby sita miały maksymalny wymiar oczka 5 x 5 mm. Sito umieszcza siępomiędzy mikserem a zbiornikiem na zaczyn.

- zbiornika na zaczynZbiornik winien być wyposażony w dodatkowe mieszadło utrzymujące zaczynw ciągłym obiegu. Pojemność zbiornika musi być taka aby możliwe było wypełnieniecałego kanału kablowego z odpowiednią prędkością.

- pompyPompa powinna umożliwiać stały przepływ zaczynu (500 – 2000 l/godzinę) i byćzdolna do utrzymywania zadanego ciśnienia w granicach 1 – 20 MPa. Bardzo częstoprodukuje się pompy połączone ze zbiornikiem na zaczyn (iniektarki).

- węży do iniekcjiŚrednicę węzy do iniekcji dobiera się z uwagi na wymaganą ich przepustowość, któramusi być zgodna z wydajnością pompy. Zwykle węże o średnicy wewnętrznej 20 mmmogą być użyte do tłoczenia zaczynu na wysokość nie przekraczającą 30 m. Połączeniaposzczególnych odcinków węży nie mogą redukować ich średnicy wewnętrznej. Wężenależy szczelnie połączyć z rurkami wlotowymi do kanałów kablowych (można użyćzacisków, złączy bagnetowych lub podobnych).

Każdorazowo bezpośrednio po zakończeniu iniekcji sprzęt powinien być gruntowniewyczyszczony.

5. Zakotwienia i łączniki cięgien sprężających

Typ zastosowanego zakotwienia zależy od rodzaju konstrukcji elementu, rodzaju cięgnasprężającego (np. kable składające się ze splotów, drutów, pręty sprężające), wielkości siłysprężającej oraz usytuowania cięgien i zakotwień w elemencie.Ogólnie można przedstawić następujące rozwiązania:- wykonanie spęcznienia główek na końcach prostych drutów sprężających (system

zakotwień BBRV);- klinowanie prostych drutów lub splotów sprężających przy użyciu zróżnicowanych

stożków i klinów (system BBR, Freyssinet, VSL, Alga Cable, AVT i inne);- wykonanie odcinka śrubowego na pręcie sprężającym (system Dywidag);- wykonanie na jednym końcu kabla formy pętli lub rozplecenia – dotyczy zakotwień

biernych (system BBR, Freyssinet, VSL, Alga Cable, AVT i inne);- wykonanie na jednym końcu kabla zakotwienia wachlarzowego przy użyciu zacisków

plastycznych – dotyczy zakotwień biernych (system Freyssinet, VSL, Alga Cable,AVT);

- zakotwienie cięgna sprężającego w betonie poprzez przyczepność pomiędzy betonema powierzchnią cięgna – dotyczy konstrukcji strunobetonowych.

W niniejszym opracowaniu ograniczy się ilustrację zakotwień do kilku typowych systemówrozwijanych przez światowe firmy specjalistyczne.

W konstrukcjach kablobetonowych, z cięgnami wykonanymi ze splotów, jakozakotwienia czynne oraz zewnętrzne zakotwienia bierne obecnie najczęściej stosuje sięzakotwienia ze szczękami stożkowymi. Takie typowe zakotwienie szczękowe składa się z:- bloku kotwiącego, czasami nazywanego głowicą, wykonanego ze stali węglowej,

niskostopowej. Blok w kształcie walca posiada wywiercone otwory (w postaci stożkówściętych) w układzie równoboczno-trójkątnym. Ilość otworów odpowiada ilościsplotów w danym rodzaju kabla.

- szczęk kotwiących sploty w postaci stożków dwu- lub trójdzielnych, połączonychpierścieniem sprężynującym. Szczęki wykonywane są ze stali stopowej, utwardzanej.

- żeliwnej prowadnicy (urządzenia oporowego) przekazującej siłę sprężającą na betonoraz wprowadzającej kabel sprężający z bloku kotwiącego do osłonki kanałukablowego. Dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu prowadnicy obciążenieprzekazywane jest na beton w dwóch lub trzech płaszczyznach.

- - ewentualnie pokrywy ochronnej zabezpieczającej blok kotwiący wraz

z pozostawionymi końcówkami splotów.W konstrukcjach kablobetonowych z kablami prętowymi stosuje się systemy zakotwieńśrubowych. Zakotwienia te charakteryzują się brakiem poślizgu cięgna w zakotwieniu.Zakotwienia czynne oferowane przez różnych producentów pokazano na rys. 8.

Jeżeli układ konstrukcji uniemożliwia dostęp do jednego z końców cięgna w trakciesprężania, niezbędne jest wykonanie zakotwienia wgłębnego – biernego zakotwieniazabetonowanego w elemencie. W takim przypadku kabel sprężający musi być montowanyprzed betonowaniem elementu. Najczęściej stosowane tego typu rozwiązania to:- zakotwienie przy użyciu zacisków plastycznych (zakotwienia wachlarzowe). Wszystkie

sploty zostają rozdzielone i zakończone zaciskami plastycznymi. (Zaciski plastyczne sąto wydrążone baryłki ze stali stopowej obrabianej termicznie z umieszczoną wewnątrzgęsto uzwojoną sprężyną. Po założeniu zacisku plastycznego na końcówkę splotu jeston zaciskany w specjalnej prasie, aż do uplastycznienia.) Jeżeli rozdzielone sploty

zostaną bezpośrednio zabetonowane w elemencie, siła sprężająca będzie przekazywanana element tylko przez więzy przyczepności stali do betonu. Jeżeli rozdzielone splotyzostaną zakotwione w specjalnej płycie rozdzielającej, siła będzie dodatkowoprzekazywana przez płaszczyznę płyty.

- Rozplecenia. Wszystkie sploty zostają wachlarzowo rozłożone a końcówki zostają takrozplecione aby zminimalizować długość zakotwienia. Zastosowanie płyty dystansowejlub odpowiedniej siatki zbrojeniowej gwarantuje równomierny rozkład splotów przypełnym obetonowaniu każdego ze splotów.

- Pętlice. Po wcześniejszym wprowadzeniu kabla do osłonki koniec każdego splotuzostaje zakrzywiony w formie pętli. W niektórych systemach dla wykonaniaodpowiedniego promienia pętli stosuje się specjalną blachę w kształcie litery U.Zakotwienie to może byś bardzo łatwo i szybko wykonane na budowie.

Przykłady zakotwień biernych pokazano na rys. 9.

Rys. 8. Przykładowe zakotwienia czynne kabli sprężających.

Rys. 9. Zakotwienia bierne kabli sprężających.

W przypadku konieczności łączenia cięgien sprężających można używać odpowiednichłączników. Poszczególni producenci oferują złącza stałe umożliwiające uciąglanie kablisprężających (sprężenie I części cięgna i późniejsze dołączenie i sprężenie II części kabla)lub złącza ruchome pozwalające na łączenie kabli sprężających przed wprowadzeniemnaciągu.Przykład połączenia prętów sprężających systemu Dywidag pokazano na rys. 10, natomiastprzykłady połączeń kabli wielosplotowych pokazano na rys. 11.

Rys. 10 Połączenie prętów sprężających.

Rys. 11. Połączenia kabli sprężających.

6. Krótki opis wybranych systemów sprężających

Systemy sprężania opracowane i opatentowane przez firmy o światowym zasięguzawierają komplet niezbędnych danych technicznych charakteryzujących między innymi:- rodzaje cięgien sprężających,- zakotwienia czynne,- zakotwienia bierne,- zbrojenie pasywne pod blokiem kotwiącym,- osłonki kanałów kablowych,- wymogi dotyczące rozstawu kabli w przekroju, jak i rozstawu zakotwień na czole

elementu,- minimalną wytrzymałość betonu w chwili sprężania.

Poniżej przedstawiono krótkie charakterystyki wybranych systemów sprężania konstrukcjikablobetonowych przy użyciu cięgien wykonywanych ze splotów:FREYSSINET - SYSTEM CW systemie C kable są tworzone ze splotów, grupowanych w cylindrycznym kanale (lubowalnym dla mniejszych kabli - 3 lub 4 splotowych), który może być utworzony z osłonkiwykonanej z taśmy stalowej lub plastikowej, bądź z rurki stalowej lub plastikowej.Sploty wykonane ze stali sprężającej mogą mieć średnicę 15,2 mm (oznaczone jako T15)lub średnicę 15,7 mm (oznaczone jako T15 Super lub T15S). Wszystkie sploty w danymkablu są naciągane równocześnie. Sploty kotwione są indywidualnie przez klinowaniew stalowych zakotwieniach. Kable mogą składać się z 3, 4, 7, 9, 12, 13, 19, 22, 25, 27, 31,37 lub 55 splotów.Zakotwienia czynne oraz zewnętrzne zakotwienia bierne (typ A’ i A’D) są zakotwieniamiszczękowymi. Zakotwienia bierne wewnętrzne wykonywane są przy użyciu zaciskówplastycznych (typ NE i NE’), pętlic (typ V) bądź jako specjalne zakotwienia przezprzyczepność (typ G).Proponowany zakres zakotwień pozwala na wprowadzanie siły sprężającej od 624 kN do12 276 kN.

BBR – CONA CompactSystem CONA _Compact jest rozwinięciem stosowanego od 1975 r. Systemu CONA Multi.Kable sprężające składają się ze splotów siedmiodrutowych o nominalnej średnicy 0,5’ lub0,6’. Wszystkie sploty w danym kablu są naciągane równolegle i kotwione pojedynczo.Kable ze splotów o średnicy 0,5’ mogą składać się z 7, 12, 19, 31, 42 lub 61 splotów.Kable ze splotów o średnicy 0,6’ mogą składać się z 4, 7, 12, 19, 31 lub 42 splotów.Osłonki o przekroju kołowym wykonywane są z taśmy stalowej.Zakotwienia czynne (typ M1, M2 i M3) oraz zewnętrzne zakotwienia bierne (typ F i FC) sązakotwieniami szczękowymi. Zakotwienia bierne wewnętrzne wykonywane są jakozakotwienia pętlicowe (typ E).Dopuszczalny zakres sił naciągu: 893 kN do 9 374 kN.

VSL– Multistrand SystemKable sprężające składają się ze splotów siedmiodrutowych o nominalnej średnicy 0,5’ lub0,6’. Wszystkie sploty w danym kablu są naciągane równolegle i kotwione pojedynczo.Zarówno kable ze splotów o średnicy 0,5’ jak i kable ze splotów o średnicy 0,6’ mogąskładać się z 1, 2, 3, 4, 6, 7, 12, 18, 19, 22, 31, 37, 43 lub 55 splotów.Osłonki mogą być wykonane z taśmy stalowej lub rurek polietylenowych PT-PLUS.Zakotwienia czynne oraz zewnętrzne zakotwienia bierne są zakotwieniami szczękowymi(typ EC, E). Zakotwienia bierne wewnętrzne wykonywane są jako rozplecenia (typ H)zakotwienia przy użyciu zacisków plastycznych (typ P) lub pętlice (typ U).Możliwy zakres sił naciągu: 230 kN do 12 500 kN.– Monostrand SystemJest to system gdzie kabel sprężający składa się z jednego splotu siedmiodrutowegoo nominalnej średnicy 0,6’. Cięgno pokryte jest smarem i umieszczone w osłoncepolietylenowej lub polipropylenowej tworzy kabel bezprzyczepnościowy o bardzo dobrymzabezpieczeniu antykorozyjnym. Cięgna mogą być umieszczane w konstrukcji pojedynczolub sąsiadująco po dwa, trzy lub cztery.

Zakotwienia czynne (typ S-6) oraz bierne (typ SF-6) są zakotwieniami szczękowymi.

– Bonded Slab Post-tensioning SystemSystem ten ma zastosowanie przy wykonywaniu sprężonych płyt stropowych, płytmostowych lub podobnych konstrukcji. Kabel może składać się z 1 – 4 splotów o średnicy0,5’ lub 0,6’ umieszczonych w spłaszczonym kanale kablowym. Sploty danego kabla sąsprężane i kotwione indywidualnie.Stosuje się cienkie stalowe osłonki lub osłonki polietylenowe PT-PLUS.Wszystkie zakotwienia są dopasowane do kształtu kabla. Zakotwienia czynne orazzewnętrzne zakotwienia bierne są zakotwieniami szczękowymi (typ SO). Zakotwieniabierne wewnętrzne wykonywane podobnie jak w Systemie Multistrand (typ P i H).Siły naciągu poszczególnych rodzajów kabli wynikają z ilości splotów w kablu. Dla 1 splotuo średnicy 0,6’ maksymalna siła naciągu wynosi 223 kN, natomiast dla splotu o średnicy0,5’ – 148 kN.

Alga Cable – T15 Post-tensionig SystemSystem opracowany przez włoską firmę Applicazione Lavorazione Giunti Appoggi S.p.A.Kable sprężające składają się ze splotów siedmiodrutowych o nominalnej średnicy 15,2 mmlub 16 mm. Wszystkie sploty w danym kablu są naciągane równolegle i kotwionepojedynczo.Zarówno kable mogą składać się z 4, 7, 12, 15, 19, 22, 27, 31 splotów.Osłonki kanałów kablowych: stalowe.Zakotwienia czynne oraz zewnętrzne zakotwienia bierne są zakotwieniami szczękowymi(typ M). Zakotwienia bierne wewnętrzne wykonywane są jako rozplecenia (typ B) lubzakotwienia przy użyciu zacisków plastycznych (typ S).Możliwy zakres sił naciągu: 893 kN do 6 919 kN.

AVT – System sprężania kabli linowychSystem opracowany przez szwajcarską firmę AVT International AG.Kable sprężające składają się ze splotów siedmiodrutowych o nominalnej średnicy 12,8 mm(0,5’) lub 15,7 mm (0,6’). Wszystkie sploty w danym kablu są naciągane równoleglei kotwione pojedynczo.Produkuje się zakotwienia dla kabli składających się z 4, 7, 12, 19, 27 splotów.Osłonki kanałów kablowych z rurek stalowych produkowane są o kształcie kołowym lubspłaszczonym (do stosowania w płytach).Zakotwienia czynne oraz zewnętrzne zakotwienia bierne są zakotwieniami szczękowymi(typ B i G). Zakotwienia bierne wewnętrzne wykonywane są jako rozplecenia (typ H) lubzakotwienia przy użyciu zacisków plastycznych (typ P).Możliwy zakres sił naciągu: 372 kN do 5 018 kN.

System sprężania przy użyciu kabli wykonywanych z prętów:

Macalloy – system prętów sprężającychCharakterystyczną cechą prętów Macalloy jest wyciskany na zimno – na całej długości prętalub tylko na jego końcach – kształt gwintu. Istnieje możliwość wykonania prętów ze stalinierdzewnej.

Pręty sprężające produkowane są o średnicach: 20, 25, 26,5,32, 36, 40, 50 oraz 75 mm.Typowe pręty o średnicy nie przekraczającej 50 mm produkuje się o długościach do 11,8 m,natomiast pręty φ 75 mm produkuje się w odcinkach do 8,4 m. Pręty mogą być przedłużaneza pomocą łączników tulejowych.Pręty umieszczane są w osłonkach o przekroju kołowym.

Zestawienie elementów systemu prętów sprężających Macalloy o średnicy do φ 36 mmpokazano na rys. 12, a dla prętów o średnicy od φ 40 mm do φ 75 mm na rys. 13.Charakterystyczne siły zrywające dla poszczególnych średnic mieszczą się w przedziale:314 kN do 4 311 kN.

Rys. 12. System kabli sprężających o średnicy do φ 36 mm.

Rys. 13. System kabli sprężających o średnicy od φ 40 mm do φ 75 mm

7. Wymagania konstrukcyjne dla konstrukcji sprężonych

7.1 Otulenie cięgien sprężających

Otulina betonowa cięgien sprężających powinna być tak wykonana aby zagwarantować:

1) ochronę cięgien sprężających przed korozją.Wymagana grubość otulenia gwarantująca ochronę cięgien przed korozją jest zależnaod klasy środowiska, w jakim konstrukcja ma pracować. Minimalne wartości otuleniazostały podane w Tablicy 30 normy [3] i są zgodne z wymaganiami EC2 [4].W przypadku środowiska silnie agresywnego chemicznie – klasa 5c – wymagana jestdodatkowa ochrona powierzchniowa betonu. Z uwagi na jakość wykonawstwa otulenienależy zwiększyć w elementach prefabrykowanych o 0 – 5 mm, a w elementachbetonowanych w miejscu budowy o 5 – 10 mm. Przy projektowaniu elementówpłytowych podane grubości otulenia można zmniejszyć o 5 mm, lecz do wartości niemniejszej niż 25 mm. Należy zwrócić uwagę, iż oprócz spełnienia wymogów grubościotulenia należy również zagwarantować odpowiednią jakość betonu spełniającąwarunki szczelności.

2) Bezpieczne przekazywanie siły sprężającej na element poprzez siły przyczepności.W elementach strunobetonowych całość siły sprężającej przenoszona jest przezprzyczepność. W związku z tym minimalna grubość otulenia nie może być mniejszaniż 2 φ dla drutów i splotów oraz 3 φ dla prętów żebrowanych.W elementach kablobetonowych z cięgnami przyczepnościowymi grubość ta nie możebyć mniejsza niż średnica osłonki dla okrągłych kanałów kablowych i mniejszywymiar lub połowa większego wymiaru dla kanałów prostokątnych.

3) Należytą ochronę przeciwpożarową.Grubość otulenia z uwagi na zapewnienie odporności ogniowej określa się wedługoddzielnych przepisów – np. Instrukcja ITB nr 221, Warszawa 1979.

7.2 Minimalne odległości pomiędzy cięgnami

Cięgna sprężające powinny być tak rozmieszczone w elemencie aby możliwe byłonależyte zagęszczenie betonu pomiędzy nimi.

W elementach strunobetonowych cięgna winny być rozmieszczone oddzielnie.Minimalne odległości pomiędzy cięgnami w kierunku poziomym i pionowym pokazanona rys. 14.

Rys. 14. Minimalne odstępy pomiędzy cięgnami w elemencie strunobetonowym.

W konstrukcjach kablobetonowych zaleca się aby kable były rozmieszczane oddzielnie.Wymagania normowe jednak dopuszczają umieszczanie pary kabli jeden nad drugim.Minimalne odległości pomiędzy osłonkami kabli, mierzone w świetle, w kierunkupoziomym i pionowym pokazano na rys. 15.

Rys. 15. Minimalne odstępy pomiędzy kablami w elemencie kablobetonowym.

Odległości pomiędzy kablami w strefie zakotwień determinowane są przez wymaganerozstawy bloków kotwiących na czole elementu. Rozstaw zakotwień wynika z koniecznościnależytego przekazania siły sprężającej na element - wymagane odległości pomiędzy

elementami zakotwień każdorazowo podane są w katalogach poszczególnych systemówsprężania.

7.3 Minimalna liczba cięgien sprężających

Norma [3] wymaga aby przy projektowaniu konstrukcji sprężonych w każdymprzekroju spełnione były warunki minimalnej ilości cięgien sprężających.Elementy sprężone, nie posiadające rezerwy nośności wynikającej z możliwej redystrybucjisił wewnętrznych i momentów lub dodatkowego zbrojenia ze stali zwykłej, powinnyposiadać we wstępnie sprężonej strefie rozciąganej taką liczbę cięgien, aby zerwaniejednego z nich, nie spowodowało zniszczenia konstrukcji. Minimalną liczbę cięgien podajetablica 4.

Tablica 4. Minimalna liczba prętów drutów i cięgien w sprężonej strefie rozciąganejRODZAJ CIĘGIEN MINIMALNA LICZBA CIĘGIENPojedyncze druty lub pręty 3 druty lub prętyDruty lub pręty, łączone w sploty lub wiązki 7 drutów lub prętówSploty (z drutów o φ ≥ 4mm, w liczbie ≥ 7drutów) 1 splot

7.4 Dopuszczalne promienie odgięcia cięgien sprężających

Zgodnie z normą PN-B-03264:1999 wymagane jest zachowanie dopuszczalnychpromieni krzywizny odgięcia drutów i splotów sprężających. Ograniczenia te są wynikiemzjawiska zmniejszenia wytrzymałości cięgien w zagięciach. Wartości minimalnychpromieni odgięcia podano w tablicy 5.

Tablica 5. Dopuszczalne promienie zagięcia cięgien sprężającychRodzaj cięgna Promień zagięcia rPojedynczy drut lub splot zakrzywiony po naciągu 15 φPojedynczy drut lub splot w gładkiej osłonce 20 φPojedynczy drut lub splot w osłonce falistej 40 φcięgna złożone z wielu drutów lub splotów 21 nnr ⋅

gdzie: r – odpowiedni promień zagięcia dla pojedynczego drutu lub splotu,n1 – liczba wszystkich drutów lub splotów w cięgnie,n2 – liczba drutów lub splotów dociskanych do osłonki.

8. Realizacja siły sprężającej

Początkowa siła sprężająca 0P wprowadzana do elementu, czyli suma sił w cięgnachzmierzona na prasie naciągowej w czasie sprężenia nie może przekroczyć wartości:

max,0p0 AP σ⋅= (8)

gdzie: pA - pole powierzchni przekroju wszystkich cięgien,

σ0,max - największe naprężenie dopuszczalne przy naciągu cięgien spełniającewarunki :

k1,0pmax,0pkmax,0 f90,0orazf80,0 ⋅≤σ⋅≤σ ,

w których:pkf - charakterystyczna wytrzymałość na rozciąganie stali sprężającej,

k1,0pf - charakterystyczna, umowna granica plastyczności stali sprężającej.

Przy projektowaniu konstrukcji sprężonych niezbędnym staje się oszacowanieefektywnego sprężenia w różnych sytuacjach i obliczenie strat sprężenia spowodowanychdziałaniem wielu czynników.Wielkość siły sprężającej w elemencie jest zmienna na długości tego elementu, a takżezmienia się w czasie użytkowania konstrukcji. Siła sprężająca w dowolnym przekrojuelementu, w dowolnej chwili czasu wynika z pomniejszenia początkowej siły sprężającej 0Po wielkość strat doraźnych i reologicznych.Straty doraźne siły sprężającej, zachodzące w procesie sprężenia konstrukcji, obejmują:- straty spowodowane tarciem cięgna o ścianki kanału kablowego (dotyczy to konstrukcji

kablobetonowych) ∆Pµ(x). W procesie projektowania konstrukcji wielkośćwspółczynnika tarcia można przyjmować na podstawie wytycznych podanych w [3],[10].W trakcie realizacji konstrukcji zaleca się weryfikację wartości współczynnika tarciakabla o osłonkę. Jego określenie dla cięgien o trasie krzywoliniowej i znacznychdługościach jest problemem technicznie trudnym. Dla cięgien wielożyłowych brak jestodpowiednich czujników pomiarowych umożliwiających pomiar siły w cięgnie,w dowolnym miejscu na jego długości. Istnieje możliwość bezpośredniego pomiarustart siły na końcu cięgna. Pomiar taki wykonuje się naciągając cięgno jednostronnie,przy równoczesnym pomiarze siły na drugim końcu cięgna. Wyniki takiego pomiarumożna zweryfikować znając geometrię cięgna przy wykorzystaniu obowiązującychwzorów określających stratę siły sprężającej od tarcia. W niektórych przypadkach dlacięgien zewnętrznych, jednożyłowych można wykonać pomiary siły naciągowej nadługości cięgna stosując odpowiedni zestaw siłomierzy. Z uwagi na wielkość tychurządzeń pomiary wykonuje się tylko na tych cięgnach, które po pomiarze zostanązdemontowane.;

- straty od poślizgu cięgna w zakotwieniu (dla konstrukcji kablobetonowych) lubw uchwytach technologicznych (dla konstrukcji strunobetonowych) ∆Ps1, określone napodstawie wielkości poślizgu podanej w aprobacie technicznej systemu sprężania.Wielkość tej straty może być zmienna na długości cięgna.;

- straty sprężenia spowodowane sprężystym odkształceniem betonu ∆Pc, obliczone przyzałożeniu siecznego modułu sprężystości Ecm dla betonu o klasie odpowiadającejwytrzymałości charakterystycznej betonu w chwili sprężenia t, oraz rzeczywistegowspółczynnika sprężystości stali, przy czym w konstrukcjach kablobetonowych należyuwzględnić kolejność naciągu cięgien;

- straty doraźne od częściowej relaksacji stali (tylko w konstrukcjach strunobetonowych)∆Pir uwzględniające okres od chwili naciągu do chwili przekazania siły na beton.Straty opóźnione (reologiczne) siły sprężającej zachodzące w czasie t:

- straty opóźnione wywołane skurczem i pełzaniem betonu oraz relaksacją stalisprężającej ∆Pt(t), określone przy założeniu równoczesnego występowania odkształceńopóźnionych w betonie i relaksacji stali (dla konstrukcji strunobetonowych stratyopóźnione ∆Pt*(t) wynikają z odkształceń reologicznych betonu i tej części relaksacjistali sprężającej, która nastąpiła po przekazaniu siły na beton).

Siła sprężająca po stratach doraźnych Pm0, to jest siła przekazana na element pozakotwieniu cięgien, określana jest ze wzorów:- dla konstrukcji strunobetonowych:

00m PP = - ∆Ps1 - ∆Pir - ∆Pc (9)- dla konstrukcji kablobetonowych:

00m PP = - ∆Pµ (x) - ∆Ps1 - ∆Pc (10)Wielkość siły sprężającej po uwzględnieniu strat doraźnych nie może przekroczyć wartości:

0pmp0m AP σ⋅= (11)

gdzie : σpm0 - największe naprężenie w cięgnach po ich zakotwieniu, spełniające warunki:k1,0p0pmpk0pm f85,0orazf75,0 ⋅≤σ⋅≤σ .

Siła sprężająca w konstrukcjach kablobetonowych, po czasie t od sprężenia określana jest zewzoru:

00m PP = - ∆Pµ (x) − ∆Ps1 - ∆Pc - ∆Pt(t) (12)Rozkład siły sprężającej po stratach doraźnych w elemencie kablobetonowym na długościelementu pokazano na rys. 16, a przebieg strat siły sprężającej w czasie na rys. 17. Siła sprężająca (wartość średnia), po czasie t od chwili sprężenia, dla konstrukcjistrunobetonowych, określana jest ze wzoru:

00m PP = - ∆Ps1 - ∆Pir - ∆Pc - ∆Pt*(t) (13)Przebieg strat siły sprężającej w czasie w elemencie strunobetonowym pokazano na rys. 18.

Rys. 16. Przebieg strat doraźnych siły sprężającej na długości elementu kablobetonowego.

Rys. 17. Przebieg strat siły sprężającej w czasie w elemencie kablobetonowym.

Rys. 18. Przebieg strat siły sprężającej w czasie w elemencie strunobetonowym

W zestawieniu strat doraźnych nie wymieniono strat własnych urządzeń naciągowychw strunobetonie oraz strat własnych zespołu naciągowego w przypadku kablobetonu. Stratyte muszą być każdorazowo określone w procesie cechowania sprzętu a następnieuwzględnione przy realizacji projektowanej siły sprężającej.

9. Wymagania dotyczące dokumentacji technicznej

Zgodnie z normami europejskimi – EC2, Quality Control - dokumentacja techniczna dlakonstrukcji strunobetonowych winna zawierać [13]:- określenie rodzaju cięgien sprężających oraz odpowiednich urządzeń naciągowych;- w przypadku naciągu cięgien w kilku etapach -określenie kolejności naciągu;- określenie maksymalnego ciśnienia w agregacie pompowym lub maksymalnej siły

wytwarzanej przez prasę;- ostateczną wielkość siły sprężającej jaka musi być wprowadzona do cięgna;- dopuszczalne wydłużenie cięgna sprężającego oraz dopuszczalna wielkość poślizgu

cięgien w urządzeniach naciągowych;- sposób i kolejność przekazywania siły sprężającej na beton (zwalniania siły);- wymaganą wytrzymałość betonu w chwili przekazania siły sprężającej;

W przypadku dokumentacji konstrukcji kablobetonowych wymagane jest aby projektantokreślił:- technologię sprężania elementu;- gatunek i odmianę stali sprężającej;- ilość prętów lub splotów w jednym kablu;- wymaganą wytrzymałość betonu w chwili sprężania;- kolejność sprężania kabli oraz sposób sprężania (naciąg jednostronny bądź

dwustronny);- czas przeciążenia kabli, jeżeli jest wymagane;- wymaganą siłę sprężającą wytwarzaną przez urządzenia naciągowe;- obliczeniowe wydłużenie kabla;- maksymalny poślizg kabla w zakotwieniu;- ilość, rodzaj i położenie łączników kabli.

Od osoby nadzorującej proces sprężania wymaga się:- przygotowania (cechowania) sprzętu naciągowego;- pomiaru wydłużenia kabla w trakcie sprężania;- pomiaru ciśnienia oleju w agregatach pompowych;- obserwacji i ewentualnie pomiaru wielkości poślizgu cięgna w zakotwieniu;- określenia różnic pomiędzy pomierzonymi wielkościami a wielkościami projektowymi;- określenia aktualnej wytrzymałości betonu;- określenie rzeczywistej kolejności sprężania kabli;

Piśmiennictwo

[1] Kłobukowski J., Sprężone konstrukcje stalowe, Biuro St. i Proj. KonstrukcjiStalowych Mostostal, Warszawa 1962

[2] Hendry Arnold W., Reinforced and Prestressed Masonry, Longman Scientific& Technical, 1991

[3] PN-B-03264:1999, Konstrukcje betonowe żelbetowe i sprężone. Obliczeniastatyczne i projektowanie.

[4] Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1: General rules and rules forbuildings, ENV 1992-1 (1st draft), July 1999.

[5] Dyduch K., „Beton sprężony na potrzeby konstrukcji inżynierskich”, MateriałyBudowlane 5`2000

[6] Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1: General rules and rules forbuildings, ENV 1992-1 (2nd draft), January 2001.

[7] DIN 4227[8] Kuś St., „Stal zbrojeniowa i stal sprężająca”, Konferencja naukowo-techniczna:

Podstawy projektowania konstrukcji z betonu w ujęciu normy PN-B-03264:1999 -w świetle Eurokodu 2, Puławy, 15-17 czerwca, 1998.

[9] EN 10138 “Stale sprężające”[10] Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1: General rules and rules for

buildings, Final Draft pr EN 1992-1-1, October 2001.[11] Ajdukiewicz A., Mames J., „Konstrukcje sprężone”, Gliwice, 2001.[12] Seruga A., Piekarski W, „Ocena doświadczalna możliwości stosowania zaczynów

cementowych bez domieszek do iniekcji kanałów kablowych”, PrzeglądBudowlany 3 `83

[13] Concrete structures, Euro-Design Handbook, Editor J. Eibl, Karlsruhe, 1994/96.[14] CEB-FIP Model Code 1990, Final draft, Bulettin d’Information No 203, July 1991.[15] Dyduch K., „Obliczanie konstrukcji sprężonych”, Konferencja naukowo-

techniczna: Podstawy projektowania konstrukcji z betonu w ujęciu normy PN-B-03264:1999 - w świetle Eurokodu 2, Puławy, 15-17 czerwca, 1998.

[16] FIP Guide to good practice, Thomas Telford London