Konstrukcje betonowe, tematy egzaminacyjne
1. Idea konstrukcji żelbetowych i sprężonych. Komplementarność cech betonu i stali. Zalety i wady żelbetu.
Żelbet – silny i trwały materiał budowlany umożliwiający wznoszenie obiektów budowlanych o złożonych kształtach i rozmiarach.
Idea konstrukcji żelbetowych:
- odpowiednie wykorzystanie własności betonu i stali. W strefach rozciąganych umieszcza się zbrojenie. Dzięki temu elementy z żelbetu przenoszą znacznie większe obciążenia. Beton odpowiada za przenoszenie ściskania a stal za przenoszenie rozciągania. Główna wada żelbetu to zarysowania w strefie rozciąganej zginanego elementu.
Idea konstrukcji sprężonych:
- Ich idea polega na mimośrodowym przyłożeniu poziomej siły sprężającej która wywołuje stan naprężenia przeciwny do stanu powodowanego przez ciężar własny elementu i obciążenia użytkowe. Konstrukcje te są wykorzystywane w przypadku elementów:
- o dużych rozpiętościach
- silnie obciążonych
- rozciąganych
Stosuje się do nich betony wysokiej wytrzymałości i cięgna z wysokowytrzymałościowej stali
Konstrukcje sprężone wymagają kontroli w fazie montażowej i eksploatacyjnej.
Komplementarność betonu i stali: Dobra współpraca betonu i stali jest możliwa dzięki:
- dobrej przyczepności między zbrojeniem i betonem
- ochronie antykorozyjnej stali przez beton
- ochronie stali przez beton przed działaniem ognia
- podobnym współczynnikom rozszerzalności termicznej
- ochronie ściskanych prętów przed wyboczeniem
Zalety żelbetu:
- monolityczność – konstrukcja pracuje w sposób „naturalny”
- sztywność – małe ugięcia
- dowolność formowania złożonych elementów i konstrukcji – nowoczesne deskowania
- dobra ognioodporność
- trwałość – 60-150 lat
- duża odporność dynamiczna
- niskie koszty utrzymania
- bezpieczeństwo – zniszczenie poprzedzone silnym zarysowaniem
Wady żelbetu:
- duży ciężar
- duża pracochłonność
- kłopoty z betonowaniem w niskich temp.
- czasochłonność
- kłopoty z adaptacją, wzmacnianiem, wyburzaniem
- zarysowanie
- wysokie przewodnictwo cieplne i akustyczne
- czułość na agresywne środowisko
2. Typy konstrukcji betonowych. Porównanie konstrukcji żelbetowych i sprężonych.
Konstrukcje betonowe (niezbrojone):
- to elementy w których nie zastosowano zbrojenia lub jego ilość jest mniejsza od minimalnej
- minimalny stopień zbrojenia ro min.(pmin.) – używany do rozróżniania konstrukcji betonowych od żelbetowych
Konstrukcje żelbetowe:
- to typ konstrukcji/ elementów w których stosowana jest stal niskowęglowa, typy zbrojenia: pręty, włókna ( stalowe, szklane, węglowe lub aramidowe)
Konstrukcje sprężone:
- to typ konstrukcji/elementów w których pozioma (ukośna) siła wywołana przez zbrojenie sprężające przeciwdziała pionowym obciążeniom stałym i użytkowym.
- stosowane w przypadku elementów o dużych rozpiętościach, silnie obciążonych lub rozciąganych
Wyróżniamy 2 rodzaje: strunobeton i kablobeton
Konstrukcje strunobetonowe: – elementy są betonowane wokół naprężnych cięgien
- dobra przyczepność między betonem i cięgnami
- dobra ochrona antykorozyjna cięgien
- cięgna są zazwyczaj prostoliniowe
- większość elementów strunobetonowych produkowana jest w warunkach fabrycznych jako prefabrykaty
- ograniczony rozmiar elementów (transport na budowę)
- cięgna są naprężane przed betonowaniem i zwalniane po paru dniach
Konstrukcje kablobetonowe: – elementy betonowane na placu budowy
- siła sprężająca jest przykładana po zabetonowaniu i stwardnieniu betonu
- cięgna wkładane do kanałów kablowych po osiągnięciu odpowiedniej wytrzymałości przez beton
- cięgna są sprężane za pomocą pras hydraulicznych
- kanały kablowe są wypełniane zaczynem cementowym (ochrona antykorozyjna cięgien)
- cięgna bez przyczepności mają pełną swobodę przemieszczeń względem betonu
Konstrukcje zespolone:
- to konstrukcje/elementy powstałe z jednego lub kilku prefabrykatów żelbetowych i/lub sprężonych
3. Cechy wytrzymałościowe betonu (klasy betonu, „rodzaje” wytrzymałości betonu, zależności pomiędzy wytrzymałościami, zmienność wytrzymałości w czasie).
Cechy wytrzymałościowe betonu zależą od:
- jakości, uziarnienia i kształtu kruszywa
- jakości i ilości cementu
- ilości wody
Rodzaje wytrzymałości betonu:
- na ściskanie, na rozciąganie (t), na ścinanie
- średnia (m), charakterystyczna (k), obliczeniowa (d)
- 1-osiowa, 2-osiowa, 3-osiowa
Jednoosiowa wytrz. na ściskanie to podstawowa miara wytrzymałościowa betonu fc=F/A
Wytrzymałość betonu bada się na próbkach sześciennych (15x15x15cm) i walcowych (15x30cm)
Klasa betonu: symbolizuje jakość betonu ze względu na jego cechy wytrzymałościowe. Opisywana jest symbolem (litera C i dwie liczby rozdzielone znakiem dzielenia). Odpowiada charakterystycznej walcowej lub kostkowej wytrzymałości na ściskanie. Wielkością podstawową jest wytrzymałość charakterystyczna określana na próbkach walcowych.
Zmiany wytrzymałościowe betonu w czasie:
- wytrzymałość betonu rośnie wraz z upływem czasu, przyrost jest gwałtowny w pierwszej fazie, późnie tempo zwalnia
- wytrzymałość powinna być kontrolowana po 28 dniach
Rozwój wytrzymałości betonu w czasie zależy od:
- typu cementu
- temperatury
- pielęgnacji
4. Badania cech wytrzymałościowych betonu. Elementy próbne do ich określenia.
Zwykle wytrzymałość na rozciąganie jest obliczana na podstawie wytrzymałości na ściskanie
fct = 0.3*(fck)^2/3 wzór Faret’a
Badania laboratoryjne:
- próba bezpośredniego rozciągania
- badanie pośrednie (próba rozłupywania)
- próba pośrednia wykonywana była na beleczkach zginanych (2 siły skupione) o dł. 60cm
5. Odkształcalność doraźna i opóźniona betonu. Zależności pomiędzy naprężeniem i odkształceniem. Parametry fizyczne opisujące odkształcalność doraźną.
Współczynniki opisujące doraźną odkształcalność betonu:
- Współczynnik Poisson’a „v”, opisujący stosunek odkształceń poprzecznych do podłużnych
V=Eprost./Erównol.
- Moduł Kirchoff’a „G” – moduł ścinania, który odpowiada stosunkowi naprężeń stycznych do kąta skręcenia rozpatrywanego fragmentu elementu
- Współczynnik rozszerzalności termicznej alfa, pozwalający obliczyć zmianę dł. Elementu przy zmianie temp. a także pozwala określić dodatkowe siły wewnętrzne wywołane zmianą temp. i szerokości szczeliny dylatacyjnej
6. Pełzanie i skurcz betonu. Wpływ skurczu i pełzania na elementy żelbetowe. Konieczność uwzględniania wpływy skurczu i pełzania (przykłady).
Pełzanie – Powolny przyrost odkształceń powodowany przez stałe i niezmienne obciążenie długotrwałe przyłożone do elementu. To wynik plastycznych odkształceń głównie zaczynu cementowego. Prowadzi do powiększania się ugięć i szerokości rozwarcia rys, przypomina zjawisko relaksacji i zależy od:
- poziomu naprężeń ściskających
- wieku betonu w momencie obciążenia
- klasy betonu
- uziarnienia i szczelności
- ilości zaczynu
- wilgotności względnej RH
- wielkości elementu
Skurcz – Zmniejszenie objętości elementu podczas twardnienia betonu
- skurcz od wysychania – fizyczny, przez odparowanie wody
- skurcz autogeniczny – skurcz chemiczny
Skurcz prowadzi do rozciągania, w celu zminimalizowania negatywnych jego skutków stosuje się zbrojenie przeciwskurczowe. Skurcz zależy od:
- ilości cementu
- ilości zaczynu (więcej zaczynu – większy skurcz)
- stosunku w/c (mniej wodu – mniejszy skurcz)
- uziarnienia i szczelności (większa szczelność - mniejszy skurcz)
- wilgotności względnej RH (niższa wilgotność – wzrost skurczu)
7. Stale zbrojeniowe stosowane w konstrukcjach żelbetowych. Klasy i gatunki stali (wg PN i Eurokodu).
Do zbrojenia konstrukcji żelbetowych stosujemy zwykle stale niskowęglowe (do 0,25%) i niskostopowe (do 1,5% dodatkowych pierwiastków uszlachetniających)
Typowe zbrojenie wykonuje się w postaci prętów walcowych (pręty w kręgach i proste)
Klasy stali wg EC2:
- B500A
- B500B
- B450C
8. Cechy fizyczne i wytrzymałościowe stali. Odkształcalność stali zbrojeniowej (wykres sigma-epsylon).
Cechy fizyczne stali:
- Odkształcalność – decyduje o zachowaniu stali w elementach żelbetowych i ma wpływ na wybór gatunku stali w zależności od oczekiwanych własności, opisywana jest parametrami:
- moduł sprężystości Es – dla wszystkich klas Es=200MPa
- współczynnik rozszerzalności termicznej –
- wydłużalność (ciągliwość) – stale A-0 do A-III duża ciągliwość, stal A-IIIN średnia
- spajalność – zdolność do łączenia prętów poprzez spawanie
- możliwość gięcia prętów
- odporność na: korozję i agresywne środowisko, wpływy termiczne, wpływy dynamiczne, oraz odporność zmęczeniowa stali
9. Zastosowanie stali zbrojeniowej w konstrukcjach żelbetowych. Funkcjonalny podział prętów zbrojeniowych.
Funkcjonalny podział prętów zbrojeniowych:
- zbrojenie nośne – pręty odpowiedzialne za przenoszenie naprężeń:
Zbrojenie główne podłużne
Zbrojenie poprzeczne (np. strzemiona, zbrojenie odgięte)
Zbrojenie rozdzielcze (prostopadłe do zbrojenia głównego np. w elementach płytowych)
- zbrojenie montażowe – zapewnia sztywność szkieletu zbrojenia
- zbrojenie przeciwskurczowe – ogranicza szerokość rozwarcia rys
- zbrojenie konstrukcyjne – ilość wynika z zapewnienia odpowiedniej współpracy z betonem, zabezpiecza przed kruchym zniszczeniem.
10. Metody obliczania elementów poddanych działaniu sił wywołujących naprężenia normalne. Metoda dokładna i uproszczona. Kryteria zniszczenia oraz różnice między metodami.
Metoda ogólna (dokładna) – bazuje na odkształceniowych kryteriach zniszczenia i parabolicznym wykresie sigma-epsylon dla betonu oraz sprężysto-idealnie-plastycznym modelu zależności sigma-epsylon dla stali
Metoda uproszczona – bazuje na naprężeniowych kryteriach zniszczenia, prostokątnym rozkładzie naprężeń w strefie ściskanej betonu. Stan odkształcenia przekroju nie jest analizowany.
11. Założenia do metody wymiarowania zbrojenia w elementach zginanych, ściskanych i rozciąganych (poddanych działaniu naprężeń normalnych). Kryteria zniszczenia przyjmowane w obydwu metodach.
Założenia:
Metoda ogólna:
- przekroje płaskie przed odkształceniem pozostają płaskie po odkształceniu – zasada Bernoulliego
- odkształcenia stali zbrojeniowej są takie same jak otaczającego ją betonu
- pomija się wytrzymałość betonu na rozciąganie
- naprężenia w stali i dla betonu ustala się na podstawie zależności sigma-epsylon odpowiednio dla stali i betonu
- spełnione są warunki równowagi sił w przekroju
Metoda uproszczona:
- zakłada się prostokątny rozkład naprężeń, a graniczna wysokość strefy ściskanej wynosi:
- naprężenia w stali w zbrojeniu As1 wynoszą:
Kryteria zniszczenia:
- SGN zostaje osiągnięty gdy jedno z odkształceń osiągnie wartość:
Es=Eud
Ec=Ecu2 lub Ecu3
Ec=Ec2 lub Ec3
- stan graniczny zostaje osiągnięty gdy naprężenia w stali uzyskują wartość równą granicy plastyczności fyd, lub gdy zostanie wyczerpana nośność strefy ściskanej
12. Fazy pracy zginanego elementu żelbetowego.
Faza I – przekrój niezarysowany – stal w bardzo niewielkim stopniu przejmuje naprężenia, faza kończy się w momencie osiągnięcia przez naprężenia w skrajnym włóknie betonu wytrzymałości na rozciąganie (moment rysujący Mcr)
- faza Ia – odkształceniom odpowiadają naprężenia w obszarze liniowej proporcjonalności
- faza Ib – naprężenia w strefie rozciąganej mają przebieg nieliniowy, zaś w strefie ściskanej znajdują się w obszarze liniowej sprężystości
Faza II – przekrój niezarysowany – powstają coraz szersze, idące ku górze rysy, maleje wysokość strefy ściskanej betonu, maleje udział betonu w przenoszeniu rozciągania, coraz bardziej do pracy włącza się zbrojenie rozciągane
- faza IIb – naprężenia w strefie ściskanej przebiegają liniowo
- faza IIa – uplastycznienie betonu
Faza III – SGU – stan bezpośrednio poprzedzający zniszczenie. Następuje niemal całkowite wyłączenie się z pracy strefy rozciąganej betonu.
13. Warunki równowagi dla zginanego przekroju prostokątnego pojedynczo zbrojonego.
14. Warunki równowagi dla zginanego przekroju prostokątnego podwójnie zbrojonego.
15. Sprawdzanie nośności zginanego przekroju prostokątnego pojedynczo zbrojonego.
Jeżeli Med.<= Mrd, warunek SGN spełniony
16. Sprawdzanie nośności zginanego przekroju prostokątnego podwójnie zbrojonego.
17. Sprawdzanie nośności zginanego przekroju teowego.
Msd <= Mrd warunek spełniony
...
Hamper26