Więcej sprężania nie zawsze oznacza większą nośność!

Jak zapewne wiadomo, sprawdzenie Stanu Granicznego Nośności (SGN) wskazuje, jakie obciążenie konstrukcja może przenieść przed zniszczeniem. Przyjmuje się, że efekty obciążeń są przenoszone przez parę sił wewnętrznych działających na ramieniu dźwigni.

Nie ma znaczenia, czy mamy do czynienia z betonem sprężonym, czy żelbetowym. Przy tej samej ilości stali o tej samej granicy plastyczności, konstrukcje sprężone i żelbetowe wytrzymują to samo obciążenie przed osiągnięciem nośności. Dodatkowe naprężenie ściskające w betonie sprężonym nie pomaga konstrukcji przenosić obciążeń przez dłuższy czas. O co więc tyle szumu?

Przyjrzyjmy się bliżej

Poprzez sprężanie wprowadzamy do betonu naprężenia ściskające, znacząco zmieniając zachowanie materiału. Powstawanie rys jest opóźnione, ponieważ rezerwa naprężeń przeciwdziała pierwszemu obciążeniu. Przy kolejnych przyrostach obciążenia beton osiąga stan decompresji. Następnie beton przenosi rozciąganie aż do przekroczenia wytrzymałości na rozciąganie.

Powstawanie rys następuje zatem znacznie później w porównaniu z betonem żelbetowym. Ponadto rozwój rys jest wolniejszy przy tym samym obciążeniu, a szerokości rys są mniejsze w betonie sprężonym. Ma to istotne znaczenie ze względu na korozję zbrojenia. Wiąże się to również ze sztywnością konstrukcji. Większa sztywność konstrukcji sprężonych prowadzi do mniejszych odkształceń.

Na poniższym rysunku przedstawiono teoretyczne porównanie elementów sprężonych i żelbetowych obciążonych zewnętrzną osiową siłą rozciągającą. Przyjmuje się, że sploty i zbrojenie wykonane są ze stali o tej samej granicy plastyczności. Ilość stali jest również porównywalna. Jedyną różnicą jest to, że sploty są naprężone.

• Stan 1 – Przyłożony zostaje pierwszy przyrost obciążenia. Beton sprężony wykorzystuje rezerwę naprężeń. Beton żelbetowy również przenosi obciążenie do momentu przekroczenia wytrzymałości na rozciąganie. 
• Stan 2 – Po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie w betonie żelbetowym pojawiają się rysy. W tym momencie stopień wykorzystania zbrojenia wzrasta wraz z odkształceniem. Natomiast w betonie sprężonym rezerwa naprężeń nadal przeciwdziała efektom obciążeń.
• Stan 3 – Po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie w betonie sprężonym pojawiają się rysy. W tym momencie stopień wykorzystania zbrojenia wzrasta wraz z odkształceniem, podobnie jak w betonie żelbetowym.
• Stan 4 – Przekroczona zostaje granica plastyczności stali.

Wynika z tego, że teoretycznie zniszczenie obu konstrukcji nastąpiłoby jednocześnie. Innymi słowy, dodatkowe naprężenie ściskające nie wpływa na sprawdzenia SGN.

Natomiast znaczące rysy i odkształcenia wystąpiłyby znacznie wcześniej przy tym samym obciążeniu w konstrukcji żelbetowej w porównaniu ze sprężoną. W związku z tym projekt nie spełniałby sprawdzeń Stanu Granicznego Użytkowalności (SGU).

Warto również wspomnieć, że oprócz powyższych zalet betonu sprężonego, możemy wpływać na rozkład sił wewnętrznych poprzez położenie elementów sprężających. Jest to powszechnie stosowane w przypadku konstrukcji sprężanych kablami.

Teoria w praktyce

Sprawdźmy, jak powyższa logika odpowiada wynikom w aplikacji IDEA StatiCa. Przeanalizujemy dwa przykłady w IDEA StatiCa Detail. Pierwszy przykład to belka sprężona z przyczepnością, a drugi jest identyczny, z wyjątkiem braku sprężania.

W odróżnieniu od przypadku teoretycznego, element jest teraz obciążony również momentem gnącym. Tuż przed zniszczeniem obserwowalibyśmy znacznie większe odkształcenia. Poza tym zasada powinna pozostać taka sama.

IDEA StatiCa Detail

Poniższy rysunek przedstawia stopień wykorzystania betonu, zbrojenia i splotów. Obie konstrukcje mogą przenieść przyłożone obciążenie. Zgodnie z oczekiwaniami, sprawdzenia SGN, nawet dla belki żelbetowej, zostały spełnione przy podobnym stopniu wykorzystania. 

Znacząca różnica pojawia się przy sprawdzeniach SGU.

Rysy są bardziej rozwinięte w betonie żelbetowym i, jak wspomniano wcześniej, wpływa to na sztywność konstrukcji, a tym samym na odkształcenia.

Dlaczego warto to wiedzieć? 

Należy podkreślić, że jest to przykład teoretyczny. W praktyce nie moglibyśmy zbroić elementu zbrojeniem o tych samych właściwościach. Ponadto nie byłoby to możliwe ze względu na kryteria Stanu Granicznego Użytkowalności. Dlaczego zatem jest to ważne?

Właściwe zrozumienie zachowania betonu sprężonego upraszcza jego zastosowanie. Kluczowa jest umiejętność decydowania, czy lepiej zwiększyć siłę sprężającą, czy dodać więcej splotów sprężających/cięgien do sprężania kablami, albo zmodyfikować projekt.

Przy odpowiedniej wiedzy sprężanie pozwala pokonywać większe rozpiętości przy mniejszym zużyciu materiału i z bardziej eleganckimi kształtami. Zarówno w inżynierii lądowej, w przypadku mostów (głównie konstrukcje sprężane kablami), jak i w budownictwie, w przypadku belek sprężonych z przyczepnością i płyt sprężanych kablami.

Która aplikacja jest odpowiednia do projektowania sprężania?

Do projektowania ogólnych elementów sprężonych (z przyczepnością lub sprężanych kablami) można używać aplikacji IDEA StatiCa Beam. Zapewnia ona rozwiązanie obejmujące fazy budowy i obliczanie strat sprężania.

Zalecamy korzystanie z aplikacji IDEA StatiCa Detail – nie tylko do stref nieciągłości.