betonul precomprimat, material pentru STRUCTURI

1.1. IDEEA PRECOMPRIMARII

Betonul are drept calitate esentiala o buna rezistenta la compresiune. Astazi se pot obtine fara dificultati deosebite rezistente ale betonului la compresiune de ordinul 40 N/mm², dar prin aplicarea unor tehnologii si retete speciale se pot obtine si rezistente foarte mari, de peste 100 N/mm². In schimb rezistenta la intindere a betonului are valori foarte modeste, nedepasind in mod obisnuit 3 N/mm², iar fisurarea betonului datorita contractiei sau incarcarilor exterioare reduce valoarea acesteia la zero.

Principiul de baza al betonului armat consta in preluarea prin armaturi din otel a intregului efort de intindere din sectiunile structurii, considerand ca betonul intins este fisurat.

Fisurile nu afecteaza comportarea elementelor structurale in exploatare, atata vreme cat au deschideri sub valorile care deranjeaza din punct de vedere estetic sau care permit accesul in interiorul elementului al agentilor de mediu care pot coroda armaturile.

Deschiderile fisurilor sunt direct proportionale cu valorile eforturilor unitare din otel, respectiv invers proportionale cu cantitatea armaturii, conform relatiei:

In relatie, l_f reprezinta distanta dintre fisuri, iar y indicele conlucrarii betonului cu armatura de otel.

Pentru alcatuiri curente de elemente structurale, incadrarea deschiderii fisurii in limita admisa de 0,2 - 0,3 mm se poate obtine daca efortul unitar din armatura nu depaseste cca. 200N/mm².

Progresele inregistrate in tehnologia de producere a otelurilor superioare permit obtinerea unor rezistente de rupere de ordinul 1500-2000 N/mm². Apare evident ca utilizarea otelurilor de inalta rezistenta in elementele de beton armat, cu avantajele economice ce ar decurge din aceasta, nu este posibila datorita necesitatii limitarii deschiderii fisurilor in exploatare.

Exploatarea deplina a rezistentei armaturilor din oteluri superioare este posibila numai prin introducerea unor eforturi initiale de compresiune in zonele solicitate la intindere de incarcarile de exploatare, deci prin precomprimarea elementelor de beton armat.

Principiul betonului precomprimat consta in aplicarea unor eforturi initiale de compresiune elementelor structurale, care suprapuse peste eforturile produse de incarcarile exterioare, conduc la eforturi unitare cuprinse intre limite pe care materialul le poate suporta in deplina siguranta. Cu alte cuvinte, precomprimarea anuleaza sau reduce convenabil eforturile de intindere produse de actiunile exterioare.

Precomprimarea se poate realiza:

prin intermediul unor armaturi pretensionate (intinse inainte de aplicarea incarcarilor exterioare);

prin utilizarea preselor si blocarea elementelor in pozitie deformata prin pene (de exemplu, la executia pistelor de aviatie etc.).

Prima modalitate de realizare a precomprimarii este de departe cea mai utilizata in practica si in cadrul lucrarii se vor face referiri exclusiv la aceasta.

Ideea precomprimarii apare mult in urma pe scara dezvoltarii umane. De exemplu, la realizarea rotii de lemn cu spite, asamblata prin precomprimarea realizata de bandajul metalic incalzit in prealabil, la etanseizarea butoiului din doage prin cercuri de fier balot (fig. 1) etc.

Figura 1

Principiul adoptat la fabricarea butoaielor este utilizat in prezent la construirea unor rezervoare cilindrice alcatuite din elemente prefabricate asamblate prin precomprimarea asigurata de infasurarea unei armaturi sub tensiune.

Perioada "rationala" a utilizarii betonului precomprimat depaseste cu putin 100 de ani. Primele incercari desfasurate pe durata a aproape 40 de ani nu s-au soldat cu rezultatele scontate, datorita valorilor modeste ale rezistentelor otelurilor si implicit ale eforturilor de precomprimare, care se reduceau in timp ca efect, in special, al curgerii lente a betonului.

Francezul Eugene Freyssinet (1879-1962) poate fi considerat adevaratul intemeietor al betonului precomprimat, care prin cercetari fundamentale, teoretice si experimentale, a pus bazele stiintifice ale realizarii practice a acestui material.

Freyssinet a fost si un mare inventator, concep@nd o serie de echipamente si piese importante pentru realizarea betonului precomprimat folosite si astazi pe plan mondial (presa de pretensionare cu dubla actiune, ancoraje, masina pentru infasurarea s@rmelor sub tensiune). De asemenea, a fost un talentat inginer, autor a numeroase constructii performante (poduri, rezervoare, tuburi de presiune, piloti si chesoane pentru fundatii, piste de avioane, ecluze, docuri etc.).

Contributii importante la dezvoltarea teoriei si realizarilor practice in betonul precomprimat au avut printre altii, belgianul Gustave Magnel, autor a numeroase tratate si manuale care au contribuit la rasp@ndirea acestui material, germanul Ulrich Finsterwalder, inginer de o deosebita ingeniozitate, autor printre altele a metodei de realizare a podurilor in dubla consola, fara esafodaje, americanul T.Y. Lyn, cu realizari spectaculoase in domeniul cladirilor inalte si acoperisurilor de mare deschidere, precum si a unor constructii speciale (reactoare nucleare, platforme pentru foraj marin etc.).

Se poate afirma fara exagerare ca cei patru ingineri si oameni de stiinta, au introdus cele mai importante elemente din teoria si tehnica realizarii structurilor de beton precomprimat.

In tara noastra betonul precomprimat a inceput sa fie folosit dupa razboi, iar din 1955 utilizarea acestuia este legiferata in conditiile in care industria a devenit capabila sa produca armaturi de inalta rezistenta. Utilizarea lui pe scara larga, in special la elementele planseului si acoperisurilor cu deschidere mare, a fost posibila prin construirea unui important numar de fabrici de prefabricate, producatoare de elemente de beton precomprimat de cele mai diferite tipuri.

Un domeniu specific, cu realizari dintre cele mai remarcabile, in care s-au utilizat structuri de beton precomprimat, este cel al podurilor de sosea cu deschidere mare.

In domeniul recipientilor pentru inmagazinarea lichidelor, in special a celor de forma cilindrica, betonul precomprimat este materialul utilizat cu prioritate, ca urmare a avantajelor specifice.

Printre domeniile de mai recenta utilizare in tara noastra a betonului precomprimat, trebuie mentionat in mod special cel al centralelor nuclear electrice. De exemplu, anvelopa reactorului de la Cernavoda, la care peretii, inelul de baza si cupola sunt realizate din beton precomprimat pe una sau mai multe directii.

In general, se poate aprecia ca betonul precomprimat extinde substantial domeniul de utilizare al betonului armat la constructii cu performante realizabile altfel numai din otel.

Exista doua moduri de realizare a precomprimarii prin utilizarea armaturilor si anume:

- cu armatura preintinsa, si

- cu armatura postintinsa.

1.2. PRECOMPRIMAREA CU ARMATURI PREINTINSE

In acest caz intinderea armaturii se face inainte de turnarea betonului. Pentru a pastra alungirea initiala pana la intarirea betonului, aceasta trebuie blocata provizoriu la capete in aceasta pozitie. In functie de tehnologia de executie aleasa, blocarea armaturilor intinse se poate face pe tipare metalice rigide cu deformabilitate axiala redusa (fig. 2.a) sau, atunci cand precomprimarea se face pe standuri lungi, pe culei de beton armat (fig. 2.b).

Betonul proaspat este turnat in contact direct cu armatura pretensionata, astfel ca odata cu intarirea se realizeaza si aderenta. Dupa intarirea betonului armatura pretensionata este eliberata din ancorajele de la capat. Armatura tinde sa se scurteze si prin aderenta transmite forte de precomprimare betonului, care devine comprimat.

Operatia de transmitere a fortei de precomprimare la beton se numeste transfer.

Figura 2

Variatia eforturilor unitare in beton s_bp, si in armatura s_p, pe durata transferului este reprezentata in fig. 3.a. In fig. 3.b este indicata variatia fortelor din beton si armatura in acelasi interval de timp. La sfarsitul transferului, forta de intindere din armatura isi face echilibru cu forta de compresiune din beton. Transferul poate fi "lent" c@nd se realizeaza prin eliberarea armaturii din ancoraje cu ajurorul preselor sau "brusc", in cazurile in care armaturile sunt taiate.

Figura 3. Variatia eforturilor pe durata transferului fortei de precomprimare.

In fig. 3 s-a notat cu s_pk efortul unitar de control, adica valoarea efortului unitar realizat la pretensionarea armaturii. N_pk este forta totala de control, dezvoltata la pretensionarea armaturii.

Tehnologia de executie cu armaturi preintinse necesitand instalatii fixe si cofraje de inventar este indicata in special in fabricile de prefabricate, pentru productie de serie. Traseul armaturilor pretensionate este, de regula, drept.

1.3. PRECOMPRIMAREA CU ARMATURA POSTINTINSA

In acest caz pretensionarea armaturii se realizeaza dupa intarirea betonului. Armatura poate fi asezata in interiorul elementului, in canale realizate prin teci de diferite materiale sau poate fi infasurata pe suprafata laterala a elementului de beton (la elemente de forma cilindrica).

Pretensionarea armaturii, realizata cu ajutorul unor prese reazemate pe beton, este simultana cu precomprimarea betonului (transferul se face la pretensionarea armaturii).

Dupa atingerea nivelului dorit de precomprimare, armatura este blocata la capete prin dispozitive speciale de ancoraj rezemate pe elementul de beton. Acestea au rolul hotarator in transmiterea fortei de precomprimare.

Variatia eforturilor unitare si ale eforturilor totale din beton si armaturi pe durata transferului se prezinta in fig. 4.

Figura 4

Din comparatia fig. 4 cu fig. 3 rezulta specificul precomprimarii prin armaturi postintinse. Pe toata durata transferului fortele in beton si armatura cresc in acelasi timp, de la zero la valoarea urmarita, fiind in permanenta in echilibru.

Dupa blocarea armaturilor in canal se injecteaza mortar sau, in cazul precomprimarii prin infasurare, se torcreteaza elementul pentru realizarea aderentei. Aderenta este esentiala pentru comportarea elementelor de beton sub incarcarile de exploatare.

Modul specific de realizare a precomprimarii cu armaturi postintinse permite si trasee curbe ale armaturilor, cu avantaje deosebite in cazul elementelor incovoiate.

Tehnologia de realizare a precomprimarii prin armaturi postintinse este specifica executiei pe santiere, sau atunci cand sunt necesare, forte de precomprimare mari si trasee curbe ale armaturilor. Aceasta tehnologie se recomanda la elemente de proportii si deschideri mari, avand in vedere ca realizarea ei implica consum de ancoraje si alte piese auxiliare.

1.4. AVANTAJELE }I INCONVENIENTELE PRECOMPRIMARII

Principalele avantaje ale utilizarii betonului precomprimat ca material pentru elementele structurale pot fi sintetizate astfel:

(i) Prin impunerea unei stari de eforturi initiale, corelata cu natura si marimea incarcarilor exterioare, se poate obtine o distributie foarte avantajoasa a eforturilor in exploatare.

(ii)            Betonul precomprimat permite utilizarea eficienta a otelului de inalta rezistenta cu economii importante de materiale si de cost: pretul armaturilor creste mult mai incet decat cresc rezistentele lor.

(iii)          Betoanele cu rezistenta ridicata sunt utilizate eficient in cazul elementelor de beton precomprimat. De altfel, utilizarea otelurilor de inalta rezistenta nu este posibila decat in asociere cu betoanele de rezistenta ridicata.

(iii)  Ca urmare, dimensiunile elementelor de beton precomprimat rezulta mai mici decat cele din beton armat, la incarcari si deschideri egale, si in consecinta, greutatea acestor elemente este si ea mai mica.

(iv) Prin precomprimare se poate elimina sau limita, dupa necesitate, fisurarea betonului. Pe langa efectele favorabile privind aspectul si protectia armaturilor impotriva coroziunii, din aceasta decurg si alte avantaje, aratate in continuare.

(v)  Deformatiile elementelor de beton precomprimat sunt substantial mai mici decat cele ale elementelor de beton armat ca urmare a rigiditatii net superioare, dar si a contrasagetii initiale la transfer.

(vi) Recipientii pentru lichide, gaze sau materiale pulverulente din beton precomprimat poseda etanseitate mult superioara celor din beton armat.

(vii) Precomprimarea permite realizarea unor elemente de dimensiuni foarte mari prin asamblarea unor elemente de dimensiuni mai mici.

(viii)      Avantajele prezentate anterior permit obtinerea unor performante tehnice spectaculoase, in ceea ce priveste deschiderile elementelor, in special in domeniul podurilor si al acoperisurilor pentru acoperirea unor spatii cu deschideri mari.

Dintre inconvenientele betonului precomprimat cele mai importante se refera la:

(i)  Tehnologia mai complicata de realizare, implicand utilaje si instrumente scumpe, a caror manipulare reclama tehnicitate superioara si un consum mai mare de manopera pentru executie.

(ii)  O proiectare mai complexa necesitand o pregatire superioara si un timp de proiectare mai lung.

(iii) Un risc mai mare de accident, in cazul unei proiectari sau executii defectuoase.

(iv) Aparitia unor eforturi parazite in cazul unor constructii static nedeterminate.

Aceasta din urma particularitate necesita o discutie speciala. Intr-adevar, precomprimarea reprezinta, ca si efectul contractiei, al curgerii lente, al actiunii variatiei de temperatura sau cedarea reazemelor, incarcari cu deplasari pentru structura, producand eforturi parazite in structurile static nedeterminate. Acestea fac mult mai dificil controlul starii de eforturi si de deformatii datorita precomprimarii. Din acest motiv, de cele mai multe ori se prefera ca precomprimarea sa fie utilizata la elementele structurale a caror deformare este libera, respectiv la elementele static determinate.

Pentru realizarea reazemelor care sa respecte aceasta cerinta, in cazul grinzilor de mare deschidere (poduri etc.) se folosesc dispozitive speciale din neopren (cauciuc sintetic). Reazemele de neopren (fig. 5) sunt compuse din placi de cauciuc asezate intre tole de otel (de 1 mm grosime) si care permit prin strivire si distorsiune, miscari libere pe reazeme (rotiri si deplasari). Tolele de otel realizeaza fretarea placilor de neopren, prin care se evita o strivire prea importanta.

Efortul mediu de compresiune admisibil pe suprafata placilor de neopren este de 5 15 N/mm². Acest efort se ia cu atat mai mic, cu cat rotirea sau deplasarea orizontala sunt mai importante si cu atat mai mare, cu cat raportul dintre cea mai mica dimensiune in plan "l" si grosimea "a" este mai mare.

Figura 5

Deplasarea orizontala maxima pe care o permite acest reazem este de 70 % din grosimea cauciucului, in cazul in care incarcarea verticala este suficienta pentru a impiedica alunecarea placilor.

1.5. GRADE DE PRECOMPRIMARE

Considerente tehnice si economice conduc la adoptarea unor grade diferite de precomprimare.

Semnificatia acestora pentru elemente curente este aratata in continuare:

a) Precomprimarea totala sau integrala este aceea care compenseaza in totalitate eforturile de intindere produse de incarcarile maxime de exploatare. Intreaga sectiune de beton ramane comprimata si se calculeaza ca pentru stadiul I de comportare (fig. 6.a).

Figura 6

b) Precomprimarea limitata corespunde unui grad de precomprimare inferior celui anterior. In situatia de incarcare maxima pot aparea unele eforturi unitare de intindere in beton, dar sporurile de eforturi unitare in armaturi sunt limitate la valori prescrise (fig. 6.b). Sub valorile de calcul ale incarcarilor totale de exploatare, care la multe elemente nu se ating in realitate, se admit fisuri foarte putin deschise, care trebuie sa se inchida cand incarcarile revin la valorile incarcarilor de exploatare de lunga durata.

c) In cazul precomprimarii moderate, eforturile unitare de intindere depasesc curent rezistenta la intindere a betonului. Se admit fisuri putin deschise sub incarcarile de exploatare de lunga durata (a_f 0,1 mm), fisuri care se pot deschide pana la 0,2 mm cand elementul este incarcat cu incarcarile totale de exploatare (fig. 6 c).

Alegerea gradului de precomprimare se face functie de:

tipul de armatura utilizata, sarmele subtiri de inalta rezistenta prezentand un risc de coroziune mult mai ridicat decat armaturile mai groase din otel laminat;

cerinte privind etanseitatea, care apar in special la structurile de recipienti;

conditiile de mediu, in special sub aspectul agresivitatii chimice, a umiditatii, etc.

De asemenea, la alegerea gradului de precomprimare se au in vedere si considerente economice.

Gradul de precomprimare este asociat cu clasa de verificare la fisurare a elementelor. Astfel STAS 10107/0-90 prevede 3 clase de verificare la fisurare (vezi cap. 8). Legile constitutive pentru elementele incovoiate realizate din beton armat si din elemente cu diferite grade de precomprimare sunt prezentate comparativ in fig. 7.

Figura 7

1.6. CONSIDERATII PRIVIND POZITIA ARMATURII PRETENSIONATE IN

SECTIUNE

In cazul unui element solicitat la intindere centrica sub actiunea incarcarilor de exploatare, eforturile unitare de intindere respective pot fi anulate printr-o precomprimare centrica (fig. 8).

Figura 8

In schema din fig. 8, eforturile unitare provenind din actiunea fortei de intindere din exploatare N, respectiv produse de forta de precomprimare N_p, s-au notat s_N si s_Np

In cazul unei grinzi simplu rezemate, anularea eforturilor unitare de intindere se poate obtine printr-o precomprimare aplicata centric sau excentric (fig. 9 ).

Figura 9

Se considera pentru simplitate ca grinda are o sectiune dreptunghiulara si ca are o comportare liniar elastica. In figura 9 se prezinta distributia eforturilor unitare din incarcarile exterioare in sectiunea de la mijlocul grinzii unde valoarea momentului incovoietor este M si distributia eforturilor unitare produse de forta de precomprimare avand diferite excentricitati (de la zero pana la h/2, atunci cand este plasata la marginea inferioara a sectiunii). De asemenea, sunt prezentate eforturile unitare rezultante in ipoteza ca forta de precomprimare anuleaza in fiecare caz efortul unitar maxim de intindere de la fibra inferioara.

Se constata ca in cazul unei sectiuni de element incovoiat, cea mai rationala dintre schemele de precomprimare este cea la care excentricitatea armaturii este maxima. In acest caz, forta de precomprimare care anuleaza efortul unitar de intindere maxim are valoarea cea mai mica, iar efortul unitar de compresiune maxim, dezvoltat in fibra superioara, rezulta minim.

Cele afirmate sunt valabile pentru zona mediana a grinzii in care momentele de incovoiere sunt cele mai mari. In cazul sectiunilor dinspre reazeme, precomprimarea cu o excentricitate mare a fortei produce eforturi de intindere mari in zona de la partea superioara, avand in vedere ca momentele incovoietoare din incarcari sunt mai mici si chiar nule in axul reazemelor. Situatia cea mai nefavorabila apare in faza imediat de dupa transfer, cand grinda este actionata numai de incarcarile date de propria greutate.

Daca armatura este rectilinie, cum este in cazul precomprimarii cu armaturi preintinse, solutia de imbunatatire a solicitarii grinzii este alegerea, evident atunci cand este posibil, a unei forme adecvate a grinzii in elevatie (fig. 10).

Figura 10

O solutie mult mai rationala se poate realiza in cazul grinzilor precomprimate cu armaturi postintinse, situatie in care traseul armaturii in lungul elementului poate fi curb. In felul acesta excentricitatea e_op a fortei de precomprimare este variabila (fig. 11a), marimea ei fiind aleasa in functie de marimea momentului care actioneaza in fiecare sectiune.

In cazul unei armaturi curbe, aceasta este in echilibru sub actiunea fortelor de intindere, la limitele tronsonului considerat si de fortele p de contact cu betonul pe traseul curb (fig.11b). La randul sau betonul este in echilibru sub actiunea unor forte de compresiune egale si de semn contrar fortelor de intindere dezvoltate in cablu la capetele tronsonului si a fortelor de contact cu armatura, egale si de semn contrar cu fortele aplicate armaturii in fiecare sectiune (fig.11c).

In felul acesta in fiecare sectiune actiunea fiecarei armaturi se echivaleaza cu o forta de compresiune aplicata in punctul de trecere a armaturii in acea sectiune, dirijata dupa tangenta la armatura, cu intensitatea egala cu efortul din armatura in acel punct.

Figura 11

Rezulta ca in fiecare sectiune a elementului de beton actioneaza o componenta orizontala a fortei de precomprimare:

N_p = N_p cos a

care produce un moment incovoietor

M_p = N_p cos a e_op,

si o componenta verticala care produce o forta taietoare:

Q_p = N_p sin a

care reprezinta suma dintre efortul vertical aplicat la capatul grinzii si valoarea cumulata a fortelor "p" proiectate pe verticala.

Datorita valorilor mici ale unghiului format de traseul armaturii cu orizontala se poate lua cos a 1, iar fortele p pot fi considerate ca actionand pe verticala.

Simplificand problema, ne situam in cazul precomprimarii totale si punem conditia ca in nici o fibra longitudinala a elementului de beton sa nu apara eforturi de intindere atat imediat dupa transfer, cat si in exploatare. Situatia de imediat dupa transfer se mai numeste faza initiala (FI). In aceasta faza s-au produs numai o parte, a pierderilor de tensiune care intervin in armaturile intinse (vezi cap. 4).

In exploatare, intr-un moment in care procesul de scadere a efortului de pretensionare se poate considera incheiat, elementul lucreaza in faza finala (FF).

Notam:

N_p = forta de precomprimare din faza initiala ;

= forta de precomprimare din faza finala: < N_p ;

M_g = momentul din greutatea proprie a elementului g, activat prin ridicarea grinzii de pe cofraj la transfer ;

M_q = momentul din incarcarile totale de exploatare q, incluzand M_g ;

r_s , r _i = distantele de la centrul de greutate al sectiunii la limitele superioara, respectiv inferioara a samburelui central;

A_b ,W_b = aria si modulul de rezistenta ale sectiunii; W_bs= A_b r_i , iar W_bi = A_b r_s .

e_op = excentricitatea armaturii.

Admitand conventia ca efortul de compresiune in beton este un efort pozitiv, cele doua conditii mentionate mai sus se pot scrie sub forma:

conditia ca in FI sa nu apara intinderi se pune la fibra externa superioara de beton:

(1)

iar conditia ca in FF sa nu apara intinderi trebuie pusa la fibra inferioara:

(2)

Punand in evidenta distantele r_s si r_i cele doua relatii devin:

(1')

(3)

si

(2')

(4)

Semnificatia expresiilor (3) si (4) este prezentata grafic in fig. 12.

Figura 12

Acestea reprezinta ecuatiile celor doua trasee limita intre care trebuie plasata armatura.

Traseul curb aduce avantaje importante si din punctul de vedere al solicitarii la forte taietoare si al sagetii.

(b)

(c)

(a)

Figura 13

Aceasta este demonstrat in schemele din fig. 13, unde se prezinta diagramele de momente M, (fig. 13 a), de forta taietoare Q, (fig. 13 b) si distributia sagetilor f (fig. 13 c), produse de incarcarile q aplicate grinzii si de forta de precomprimare separat, precum si diagramele rezultate din insumarea acestora.