Beton armat precomprimat

Schema teoretică de comportare a unei grinzi precomprimate prin intermediul cablurilor aderente pretensionate>
1. schemă de grindă neprestensionată înainte de instalare
2. răspunsul grinzii fără precomprimare după instalare (sarcină = greutate proprie + sarcini suplimentare): tensiune ridicată în partea inferioară, neacceptabilă de beton
3. schema fasciculului precomprimat cu cabluri aderente, fază de pretensionare a cablului (cabluri numai în partea inferioară a fasciculului)
4. eliberarea armăturii după turnarea betonului și efectul de pretensionare asupra acestuia
5. schema de grindă precomprimată înainte de instalare (curbura superioară accentuată excesiv în desen)
6. răspunsul grinzii precomprimate după instalare (sarcină = greutate proprie + sarcini suplimentare): tensiune contrastată în partea inferioară, situație adecvată pentru beton

Pretensionarea este o tehnică constând în producerea artificială a unei tensiuni în structura materialelor de construcție , și în special în beton armat , pentru a îmbunătăți caracteristicile de rezistență ale structurilor.

În betonul armat precomprimat (în limbajul comun numit și beton armat precomprimat , prescurtat cu capacul acronimului), precomprimarea este utilizată pentru a compensa rezistența redusă la tracțiune a conglomeratului de ciment .

Scop

În teoria clasică a betonului armat, în secțiunile flexate, conglomeratul este considerat nereactiv la solicitări de tracțiune: rezistența la tracțiune a conglomeratului este de aproximativ o zecime din rezistența la compresiune, iar zonele de beton care încă nu sunt fisurate sunt situate în apropierea imediată a axei neutre , făcând astfel contribuția la momentul de încovoiere dată de solicitările de întindere din beton extrem de mică. Prin urmare, într-o structură îndoită sau presată (în faza fisurată), secțiunea parțializată este considerată secțiunea rezistentă, adică cea constând numai din beton comprimat și din armăturile tensionate și comprimate.

În acest fel, vă bazați doar pe o parte din secțiunea actuală. Pentru a permite utilizarea totală a secțiunii eficiente, s-a planificat aplicarea unei stări de pretensionare la elementul de beton armat, creând artificial solicitări de compresie sau de îndoire a presiunii, capabile să provoace o stare de tensiune permanentă în structură. Această stare de tensiune, care se suprapune peste datorită sarcinilor de funcționare , trebuie să fie astfel încât să garanteze un regim de tensiune final compatibil cu caracteristicile mecanice ale betonului.

De exemplu, dacă luăm în considerare o grindă flexată pur și simplu susținută, eforturile de îndoire generate de sarcinile externe determină o diagramă normală de stres fluture (simplă îndoire) și, prin urmare, fibrele inferioare sunt tensionate. Deoarece, în general, tensiunile de tracțiune sunt mai mari decât rezistența relativă a conglomeratului, în zona de tensiune apar fenomene de fisurare .

Dacă, pe de altă parte, grinda este supusă unei solicitări preventive de compresie sau de încovoiere, diagrama finală a tensiunilor normale va arăta, la marginea inferioară, solicitări de tracțiune compatibile cu conglomeratul sau chiar solicitări de compresie (secțiune complet comprimată). În ambele cazuri, secțiunea reactivă a betonului coincide cu secțiunea reală a grinzii.

fundal

În 1933, în articolul Idees et voies nouvelles, constructorul Eugène Freyssinet a lăsat pentru prima dată o urmă scrisă a cuvântului precontrainte , un neologism care ar defini tehnica de pretensionare pentru toți anii următori. Primele încercări de a efectua lucrări în beton armat precomprimat datează din 1888, de către Doering. Rezultatele, însă, au fost dezamăgitoare, datorită rezistenței slabe a materialelor utilizate. În 1907, Koenen a fost cel care a propus soluția pentru a reduce eforturile din beton și a-i îmbunătăți durabilitatea. Cu toate acestea, prin utilizarea oțelurilor cu o rezistență foarte mică și o rată de lucru de aproximativ 100 MPa, pretensionarea a fost anulată devreme de fenomenele de contracție și fluare a betonului.

Primele rezultate satisfăcătoare au fost obținute prin aplicarea pretensionării în producția de țevi de beton, de către compania italiană Vianini, în 1925. Intenția comună a fost doar aplicarea unei pretensionări pentru a evita sau reduce crăparea betonului, ignorând alte beneficii ale aspectelor statice a procedurii. Conceptele de bază ale pretensionării moderne au fost concepute de Freyssinet, care a depus brevetul în 1928. Același creator din 1936 a folosit tehnica de pretensionare pentru aproape toate operele sale.

Cea mai autoritară dintre realizări este probabil podul Luzancy peste Marne , nu departe de Paris , constând dintr-o singură distanță de lumină egală cu 55 m cu o caroserie de 6 m lățime (plus două trotuare de un metru). În mai 1949 a fost creată Asociația Științifică de Prestresare. În iunie 1949, pentru prima dată, cincizeci de ingineri din întreaga lume s-au adunat la Paris pentru a studia și discuta, sub egida Asociației Științifice a Prestrescării, întrebări teoretice referitoare la aplicarea acestei tehnici.

În octombrie 1950, patru ingineri (italianul Rinaldi, olandezul Bruggeling, englezul Gooding și spaniolul Conde) au solicitat oficial formarea unei federații internaționale specifice, care a fost formată doi ani mai târziu. De atunci, prestresa a avut afirmarea definitivă și dezvăluirea cuvenită în cercurile interesate.

Printre pionierii utilizării betonului armat precomprimat în Italia și creator al brevetului Morandi M5 în 1948 se numără inginerul Riccardo Morandi , ale cărui viaducte fixate cu cablu au tiranți din beton armat precomprimat.

Metode de construcție

Procesele industriale pentru realizarea pretensionării sunt în esență de două tipuri, ambele avute în vedere în standardele tehnice :

la cabluri (sau fire) aderente (cabluri pretensionate, puse în tensiune înainte de turnarea și solidificarea betonului)
cu cabluri glisante (sau fire) (cabluri post-tensionate, tensionate după turnare și solidificare a betonului)

Sisteme de cabluri aderente (cabluri pre-tensionate)

În sistemul de precompresie cu cabluri aderente, odată ce cofrajul și armăturile libere au fost aranjate, înainte de turnarea betonului, cablurile de pretensionare sunt întinse între două suporturi fixe și externe. Ulterior, se efectuează turnarea betonului care înfășoară cablurile pretensionate. Odată ce conglomeratul s-a maturizat în anumite condiții de temperatură și umiditate, cablul este eliberat din ancorele fixe.

Scurtarea elastică consecventă a cablului este contrastată de betonul, acum întărit, la care solicitarea de compresie este transferată prin aderență. În capul grinzii, capetele armăturilor tăiate trebuie protejate împotriva pericolului de coroziune prin acoperirea acestora cu materiale de protecție adecvate sau prin turnarea betonului la fața locului.

Sistemul de cabluri aderente își găsește, în general, aplicații în domeniul prefabricării elementelor structurale mici, cum ar fi grinzile pentru punțile cu deschidere mică, grinzile pentru pardoselile din cărămidă etc. Pe de altă parte, realizarea elementelor necesare la fața locului este mai dificilă și mai costisitoare.

Sisteme de cabluri glisante (cabluri post-tensionate)

capul fasciculului de tensiune

În sistemul de pretensionare a cablurilor post-tensionate, înainte de turnarea betonului în cofraj, armătura lentă și carcasele (învelișurile) sunt pregătite pentru a găzdui cablurile de pretensionare, care duc la capetele ancorelor speciale. Turnarea este compactată prin intermediul vibratoarelor cu ac sau folie sau prin vibratori externi , având grijă să nu se deterioreze învelișurile cablurilor. Odată ce betonul s-a maturizat, cablurile sunt introduse în învelișuri și înșirarea se realizează prin intermediul cricurilor hidraulice, contrastând la capetele grinzii.

În acest fel, starea de pretensionare se stabilește chiar în momentul în care funcționează cablurile. În cele din urmă, găurile carcasei cablurilor sunt umplute prin injecție cu mortar sub presiune. Injecția cablurilor glisante are un scop principal, și anume protejarea oțelului pretensionat de coroziunea indusă de agenții atmosferici.

Solidaritatea dintre cabluri și beton nu schimbă starea de constrângere , deoarece eforturile reciproce sunt situate la capetele grinzilor. Profilul (forma) învelișului trebuie proiectat în așa fel încât să permită transferul corect al forțelor de pretensionare din armătură în beton. Acest sistem de pretensionare este utilizat în principal pentru construcția de grinzi mari, cum ar fi punțile de pod.

Caracteristicile tecilor

Învelișurile trebuie să aibă o formă regulată, de preferință cilindrică și trebuie să aibă o secțiune adecvată pentru a garanta introducerea cablurilor și injecția ulterioară; suprafața liberă a conductei trebuie, în orice caz, să nu fie mai mică de 4 cm². În timpul așezării învelișurilor, trebuie să se asigure un număr adecvat de puncte de fixare pentru a evita un curs de șerpuire a acestora. Mai mult, este necesar să se evite ca învelișul să aibă abateri bruste sau modificări ale secțiunii. Pentru a evita buzunarele de aer în timpul injecției, dispozitivele de aerisire trebuie prevăzute în cele mai înalte puncte ale cablului.

Caracteristicile mortarului

Mortarul care trebuie utilizat pentru injectarea cablurilor glisante trebuie să fie suficient de fluid, astfel încât să poată fi injectat corect în canale și stabil, cu contracție minimă și rezistență adecvată și nu trebuie să conțină agenți agresivi, cum ar fi cloruri, sulfați, nitrați, etc. Acesta trebuie să fie compus din ciment , apă și orice aditivi .

Operații de injectare

Până la momentul injectării cablurilor, armura trebuie protejată de oxidare. Înainte de injecție trebuie:

amestecați mortarul și mențineți-l în mișcare pentru a evita formarea de bulgări;
curățați cablurile.

Ulterior, se efectuează injecția care trebuie să aibă loc continuu fără întreruperi și în termen de 15 zile de la tensionarea cablurilor. În mod normal, injecția trebuie făcută din cea mai mică ancoră sau cea mai mică gaură din conductă. Mortarul care iese din orificii de aerisire trebuie să fie similar cu cel al orificiului de admisie și să nu conțină bule de aer; odată închise orificiile de aerisire, se menține o presiune de 5 atm atâta timp cât presiunea rămâne fără pompare timp de cel puțin 1 minut. După terminarea injecției, trebuie să aveți grijă să evitați scurgerile de mortar din cablu. Pentru conductele cu diametru mare poate fi necesară repetarea injecției după aproximativ 2 ore. Injecția cu aer comprimat nu este permisă.

Zone de ancorare

placa de ancorare situată în capul unei grinzi de pod post-tensionate.

Dispozitivele de ancorare, amplasate în corespondență cu capetele grinzii, trebuie protejate împotriva pericolului de coroziune, acoperindu-le cu materiale de protecție adecvate sau cu o piesă de beton. În corespondență cu capetele grinzilor, o frecare de armare trebuie să fie plasat în spatele ancorare dispozitive , capabile să absoarbă tensiunile de întindere transversală a precomprimate bare sau spargere tensiunilor (din care rezultanta se numește forța divizare), care derivă din sticla difuzarea forțelor de pretensionare concentrate, inclusiv a oricăror reacții de constrângere. Deoarece zona de ancorare este o regiune D, aceasta poate fi studiată prin intermediul unui model de legătură sau altor reprezentări adecvate.

Oțeluri pretensionate

Oțelurile pretensionate sau oțelurile armonice se caracterizează printr-un comportament clar diferit față de cel al oțelurilor obișnuite din beton armat (oțeluri pentru armare lentă ). De fapt, oțelurile armonice se caracterizează printr-o rezistență mecanică ridicată (valoare ridicată a rezistenței la curgere ) și printr-o deformare plastică relativ scăzută în momentul ruperii. Cu toate acestea, astfel de oțeluri trebuie să aibă ductilitate adecvată la alungire. După cum se va vedea mai jos, deoarece nu este necesar să se garanteze proprietăți de sudabilitate, se utilizează conținuturi mai mari de carbon în comparație cu oțelurile obișnuite din beton armat.

Producție

Rezistența ridicată se datorează în principal compoziției chimice și tocmai următoarelor patru măsuri:

creșterea procentului de carbon din aliaj: trece de la aproximativ 0,2% din oțelurile obișnuite din beton armat (oțeluri blânde) la 0,6% din oțelul armonic (oțelurile dure);
adaos de elemente de aliere: mangan (0,6-1,7%), siliciu (0,2-1,6%), vanadiu (0,3%), crom (0,3%);
întărirea muncii prin lucru la rece (proces de desen );
întărirea sau brevetarea tratamentului termic.

Caracteristici mecanice

Caracteristicile mecanice ale oțelurilor de armare pretensionate pot varia în funcție de tehnologia de producție, compoziția chimică a oțelului, dimensiunile și geometria. În mod normal, tensiunile de rupere sunt de 1,9 până la 3,3 ori mai mari decât cele furnizate de o tijă de fier clasică pentru blindaje lente de tip FeB44k. Ca indicație, cu bare cu diametrul de 12 ÷ 40 mm este posibil să se obțină o rezistență nominală la tracțiune de 900 ÷ 1400 M Pa ; cu fire trase la rece cu diametrul de 3 ÷ 12 mm, se obțin valori de 1500 ÷ 1800 MPa; cu șuvițe cu 7 cabluri cu diametrul de 7 ÷ 18 mm este posibil să se ajungă la 1700 ÷ 2000 MPa. În sistemul de pretensionare cu cabluri aderente, pentru a îmbunătăți aderența dintre oțel și beton, se folosesc împletituri de sârmă de diametru mic, în timp ce în sistemul de pretensionare cu cabluri glisante, cabluri formate din fire de 5 ÷ 7 mm și bare de 26 mm.

Curba stres - deformare

Testul de tracțiune: curba tensiune-deformare.
1: adevărata limită elastică
2: Limita de proporționalitate
3: Limita elastică
4: Punct de randament

Diagrama σ - ε (tensiune - deformare) a unui oțel armonic este practic una cu două fețe. Are o a doua secțiune de întărire , lipsă de cedare și deformări plastice limitate. Alungirile procentuale sunt, de fapt, mult mai mici decât cele tipice unui oțel blând. Stresul de randament este determinat din diagramă; trebuie să fie între 75% și 95% din tensiunea de avarie corespunzătoare. Dacă randamentul nu este clar identificabil, acesta este înlocuit cu f _(0,2) care reprezintă valoarea tensiunii corespunzătoare unei deformări plastice reziduale de 0,2% care trebuie să fie între 80% și 95% din tensiunea de avarie corespunzătoare.

Clasificare

Conform Eurocodului 2, oțelurile armonice sunt clasificate pe baza valorii caracteristice a tensiunii de curgere la 0,1%, care este indicată de f _{p (0,1) k} .
Fp _{(0,1) k} reprezintă valoarea tensiunii corespunzătoare unei deformări plastice reziduale de 0,1%.
Oțelurile armonice sunt, de asemenea, clasificate pe baza rezistenței la tracțiune (f _pk ) pe baza dimensiunilor și caracteristicilor suprafeței și pe baza comportamentului de relaxare .
Pe baza acestei ultime cantități, Eurocodul 2 definește trei clase de relaxare:

Clasa 1: pentru fire și fire - relaxare ridicată;
Clasa 2: pentru fire și fire - relaxare redusă;
Clasa 3: pentru baruri.

Tipul armăturilor

Armătura de pretensionare poate fi furnizată sub forma:

sârmă : produs tras cu secțiune completă cu diametru variabil între 5 și 8 mm, care este furnizat în role netede sau chiar cu crestături care servesc la îmbunătățirea aderenței cu betonul și la facilitarea ancorării. Fire netede nu pot fi utilizate pentru structuri cu armături pretensionate;
bară : produs laminat cu secțiune completă care este furnizat în role sau în elemente drepte de 25 m lungime. În general, acestea sunt prevăzute cu proiecții pentru a promova aderarea;
împletitură : furnizat în role formate din grupuri de 2 sau 3 fire înfășurate într-o spirală în jurul axei lor longitudinale comune; diametrul, pasul și direcția de înfășurare a elicei sunt aceleași pentru toate firele împletitei;
fir : furnizat în role, alcătuit din grupuri de fire înfășurate elicoidal în unul sau mai multe straturi în jurul unui fir rectiliniu dispus de-a lungul axei longitudinale a întregului și acoperit complet de straturi. Pasul și direcția de înfășurare a elicei sunt aceleași pentru toate firele aceluiași strat.

Utilizări

Utilizarea principală a grinzilor de capac este pentru viaductele rutiere și feroviare și pentru apeducte . Toate viaductele A24 - drumul spre parcuri , de exemplu, sunt realizate în capac Există exemple de acoperișuri în elemente prefabricate care combină funcția de grindă cu cea de acoperiș, în special pentru spațiile care au nevoie de deschideri mari fără stâlpi (hangare de aeroport) , fabricile siderurgice sau industriile grele în general, depozite pentru industria navală, săli de sport și piscine olimpice etc.). În general, cu cât este mai mare spațiul de acoperit, cu atât mai convenabil din punct de vedere economic, capacul devine comparativ cu betonul armat tradițional (care are, în orice caz, limite în întinderile mai mari de 9-10 metri). O utilizare obișnuită acum este, de asemenea, pentru construcția traverse de cale ferată .

Avantaje și dezavantaje

Beneficii

Betonul armat precomprimat este rar realizat la fața locului și aproape exclusiv în atelier. Acest lucru permite să controlați cu atenție compoziția betonului, omogenitatea și calitatea acestuia, pentru a obține produse adecvate standardelor de calitate cerute în prezent de industria construcțiilor; De asemenea, face posibilă depășirea problemelor legate de analiza chimică a legii privind turnarea și oțelul și există un singur responsabil (producătorul) pentru orice defecte sau neajunsuri ale grinzii în sine. Structurile din beton armat precomprimat au intervale de întreținere foarte distanțate (datorită din nou verificărilor mai bune și mai bune care pot fi efectuate în atelier), ceea ce reduce costurile de întreținere ale complexelor de construcții.

O grindă de beton armat precomprimat este mai ușoară decât o grindă de beton armat sau oțel (nu grindă de fermă) care trebuie să aibă aceeași greutate. În comparație cu fermele din oțel, are o rezistență mai bună la foc , șocuri, evenimente extraordinare și agenți atmosferici și are mai puțină flexibilitate (dacă acesta este un avantaj sau un dezavantaj depinde de proiect).

Dezavantaje

Grinda de beton armat precomprimat trebuie transportată la fața locului: acest lucru poate crea probleme logistice grave pe amplasament, deoarece grinzile pot avea până la 30 m lungime și 4-5 m lățime și cântăresc câteva zeci de tone. Aceasta înseamnă că un singur camion poate transporta una sau cel mult două grinzi la un moment dat: acest lucru crește considerabil costurile de construcție, de asemenea, deoarece grinzile trebuie adesea să parcurgă sute de kilometri. Comparativ cu o fermă de oțel, artefactul este mai greu.