Jeder Bauingenieur muss die Antwort auf diese Frage kennen, da sie als die wichtigste Frage für den Bauingenieur gilt.
Spannbeton ist einer der wichtigsten Teile der Konstruktion, und Sie sollten und müssen über ausreichende Kenntnisse verfügen. Lassen Sie es uns im Detail verstehen.
Eine Spannbetonstruktur unterscheidet sich von einer herkömmlichen Stahlbetonstruktur durch das Aufbringen einer Anfangslast auf die Struktur vor ihrer Verwendung. Die anfängliche Belastung oder Vorspannung wird angewendet, um es der Struktur zu ermöglichen, den Spannungen entgegenzuwirken, die während ihrer Nutzungsdauer auftreten. Die Vorspannung der Strukturen wurde im späten neunzehnten Jahrhundert eingeführt. Das Konzept der Vorspannung existierte vor den Anwendungen in Beton.
Es werden zwei Beispiele für die Vorspannung vor der Entwicklung von Spannbeton angegeben
Einpressen von Metallbändern in Holzfässer Die Metallbänder bewirken eine anfängliche Stauchung des Reifens, um der durch das Einfüllen von Flüssigkeit in die Fässer verursachten Reifenspannung entgegenzuwirken
Speichen in einem Fahrradrad vorspannen. Die Vorspannung einer Speiche in einem Fahrradrad wird so weit aufgebracht, dass immer eine Restspannung in der Speiche verbleibt
Bei Beton werden innere Spannungen (normalerweise mittels gespanntem Stahl) aus den folgenden Gründen induziert. Die Zugfestigkeit von Beton beträgt nur etwa 8% bis 14% seiner Druckfestigkeit. Risse neigen dazu, sich in einem frühen Stadium der Belastung in Biegeteilen wie Balken und Platten zu entwickeln. Um solche Risse zu vermeiden, kann die Druckkraft zweckmäßigerweise in senkrechter Richtung aufgebracht werden. Vorspannung erhöht die Biege-, Scher- und Torsionsfähigkeit der Biegeteile. In Rohren und Flüssigkeitsspeichertanks können die Umfangszugspannungen durch kreisförmige Vorspannung wirksam ausgeglichen werden.
Die folgende Skizze erläutert die Anwendung der Vorspannung.
Weichstahlstangen vor dem Betonieren platzieren und dehnen
Figur- Vorspannung von Betonträgern mit Baustahlstangen
Flussstahlstangen werden gespannt und mit Beton umgossen. Nach dem Aushärten des Betons wird die Spannung in den Stäben gelöst. Die Stäbe versuchen, ihre ursprüngliche Länge wiederzugewinnen, was jedoch durch den umgebenden Beton, an den der Stahl gebunden ist, verhindert wird. Somit befindet sich der Beton nun effektiv in einem Zustand der Vorverdichtung. Es ist in der Lage, Zugspannungen entgegenzuwirken, die sich aus der in der folgenden Skizze gezeigten Belastung ergeben.
Die ersten Vorspannversuche waren jedoch nicht ganz erfolgreich. Es wurde beobachtet, dass der Effekt der Vorspannung mit der Zeit abnahm. Die Belastbarkeit der Bauteile war begrenzt. Unter anhaltenden Belastungen wurde festgestellt, dass die Mitglieder versagten. Dies war auf den folgenden Grund zurückzuführen. Beton schrumpft mit der Zeit. Darüber hinaus nimmt unter anhaltender Belastung die Betonbelastung mit der Zeit zu. Dies ist als Kriechdehnung bekannt. Die Verringerung der Länge aufgrund von Kriechen und Schrumpfen gilt auch für den eingebetteten Stahl, was zu einem erheblichen Verlust der Zugspannung führt.
Formen von Spannstahl
Draht-Vorspanndraht ist eine Einheit aus Stahl.
Litzen - Zwei, drei oder sieben Drähte werden zu einer Vorspannlitze gewickelt.
Sehne - Eine Gruppe von Litzen oder Drähten wird gewickelt, um eine Vorspannungssehne zu bilden.
Kabel - Eine Gruppe von Sehnen bildet ein Vorspannkabel.
Stäbe - Eine Sehne kann aus einem einzigen Stahlstab bestehen. Der Durchmesser eines Stabes ist viel größer als der eines Drahtes.
Beschaffenheit der Beton-Stahl-Grenzfläche
Geklebte Sehne - Wenn eine ausreichende Verbindung zwischen der Spannsehne und dem Beton besteht, spricht man von einer geklebten Sehne. Vorgespannte und vergossene nachgespannte Sehnen sind gebundene Sehnen.
Nichtgebundene Sehne - Wenn keine Verbindung zwischen der Spannsehne und dem Beton besteht, spricht man von einer nichtgebundenen Sehne. Wenn nach dem Nachspannen keine Fugenmasse aufgetragen wird, ist die Sehne eine nicht gebundene Sehne. Belastungsstufen Die Analyse der vorgespannten Teile kann für die verschiedenen Belastungsstufen unterschiedlich sein.
Die Ladestufen sind wie folgt.
1) Anfänglich: Es kann in zwei Stufen unterteilt werden.
a) Beim Spannen von Stahl
b) Bei Übergabe der Vorspannung an Beton.
2) Zwischenprodukt: Dies schließt die Lasten während des Transports der vorgespannten Teile ein.
3) Final: Es kann in zwei Stufen unterteilt werden.
a) Im Service während des Betriebs.
b) Im Endeffekt bei extremen Ereignissen
Vorteile der Vorspannung
Das Vorspannen von Beton hat gegenüber herkömmlichem Stahlbeton (RC) ohne Vorspannung mehrere Vorteile. Ein vollständig vorgespanntes Betonbauteil wird normalerweise während der Lebensdauer einer Kompression ausgesetzt. Dies behebt mehrere Betonmängel. Im folgenden Text werden die Vorteile eines Spannbetonbauteils mit einem entsprechenden RC-Bauteil ausführlich beschrieben. Für jeden Effekt sind die Vorteile aufgelistet.
Der Abschnitt bleibt unter Betriebsbelastung ungerissen.
Reduzierung der Stahlkorrosion Erhöhung der Haltbarkeit.
Ein vollständiger Abschnitt wird verwendet
Höheres Trägheitsmoment (höhere Steifigkeit)
Weniger Verformungen (verbesserte Servicefreundlichkeit).
Erhöhung der Scherkapazität.
Geeignet für den Einsatz in Druckbehältern, Flüssigkeitsrückhaltestrukturen. Verbesserte Leistung (Elastizität) bei dynamischer und Ermüdungsbelastung.
Hohe Spannweiten-Tiefen-Verhältnisse Bei Vorspannung sind größere Spannweiten möglich (Brücken, Gebäude mit großen stützenfreien Räumen). Die typischen Werte der Spannweiten-Tiefen-Verhältnisse in Platten sind nachstehend angegeben.
Nicht vorgespannte Platte 28: 1 Vorgespannte Platte 45: 1 Bei gleicher Spannweite weniger Tiefe im Vergleich zum RC-Element.
Reduktion des Eigengewichts.
Mehr Ästhetik durch schlanke Schnitte
Wirtschaftlichere Abschnitte.
Geeignet für den Fertigbau
Die Vorteile des Fertigteilbaus sind folgende.
Schneller Aufbau
Bessere Qualitätskontrolle
Reduzierter Wartungsaufwand für wiederholte Konstruktionen. Mehrfacher Einsatz von Schalungen.
Reduzierung der Schalung.
Verfügbarkeit von Standardformen.
Nachspannen
Spannsysteme haben sich im Laufe der Jahre entwickelt und verschiedene Unternehmen haben ihre Produkte patentiert. Detaillierte Informationen zu den Systemen finden Sie in den Produktkatalogen und Broschüren der Unternehmen. Es gibt allgemeine Richtlinien für die Vorspannung in Abschnitt 12 von IS 1343: 1980. Die Informationen in diesem Abschnitt sind einleitender Natur, wobei der Schwerpunkt auf den Grundkonzepten der Systeme liegt. Die Vorspannsysteme und -vorrichtungen werden für die beiden Vorspannarten Vorspannung und Vorspannung getrennt beschrieben. Dieser Abschnitt behandelt das Nachspannen. Vorspannsysteme und -geräte, umfasst das Vorspannen. Beim Vorspannen werden die Spannglieder nach dem Aushärten des Betons gespannt. Die Stufen des Nachspannens werden als nächstes beschrieben.
Stadien des Vorspannens
Bei Vorspannsystemen werden die Kanäle für die Spannglieder (oder Litzen) zusammen mit der Bewehrung vor dem Betonieren angebracht. Die Spannglieder werden nach dem Betonieren in die Kanäle eingelegt. Der Kanal verhindert den Kontakt zwischen Beton und Spanngliedern während des Spannvorgangs. Anders als beim Vorspannen werden die Spannglieder mit der Reaktion gegen den ausgehärteten Beton gezogen. Wenn die Kanäle mit Mörtel gefüllt sind, spricht man vom geklebten Vorspannen. Der Mörtel ist eine saubere Zementpaste oder ein Sand-Zement-Mörtel, der eine geeignete Beimischung enthält.
Bei der ungebundenen Vorspannung werden, wie der Name schon sagt, die Kanäle niemals verfugt, und die Sehne wird nur durch die Endverankerungen unter Spannung gehalten. Die folgende Skizze zeigt eine schematische Darstellung eines vergossenen nachgespannten Bauteils. Das Profil des Kanals hängt von den Stützbedingungen ab. Bei einem einfach gehaltenen Element hat der Kanal ein durchhängendes Profil zwischen den Enden. Bei einem durchgehenden Bauteil sackt der Kanal in der Spannweite ab und schwebt über der Stütze.
Die verschiedenen Stufen des Vorspannvorgangs werden wie folgt zusammengefasst.
Betonieren.
Platzierung der Sehnen.
Platzierung des Verankerungsblocks und des Hebers. Anlegen einer Spannung an die Sehnen.
Sitz der Keile.
Schneiden der Sehnen
Stahlbeton (RC) ist ein Verbundwerkstoff, bei dem die relativ geringe Zugfestigkeit und Duktilität von Beton durch die Einbeziehung einer Bewehrung mit höherer Zugfestigkeit oder Duktilität ausgeglichen wird. Die Bewehrung besteht normalerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, aus Stahlbewehrungsstäben (Bewehrungsstäben) und wird normalerweise passiv in den Beton eingebettet, bevor der Beton fest wird. Verstärkungsschemata sind im Allgemeinen so ausgelegt, dass sie Zugspannungen in bestimmten Bereichen des Betons widerstehen, die unannehmbare Risse und / oder strukturelles Versagen verursachen können. Moderner Stahlbeton kann verschiedene Bewehrungsmaterialien aus Stahl, Polymeren oder alternativem Verbundwerkstoff in Verbindung mit Bewehrungsstäben enthalten oder nicht. Stahlbeton kann auch dauerhaft (unter Spannung) beansprucht werden, um das Verhalten der endgültigen Struktur unter Arbeitsbelastung zu verbessern. In den Vereinigten Staaten sind die gebräuchlichsten Methoden dafür das Vorspannen und das Nachspannen.
Für eine starke, duktile und dauerhafte Konstruktion muss die Bewehrung mindestens die folgenden Eigenschaften aufweisen:
Hohe relative Festigkeit.
Hohe Zugbelastung.
Gute Haftung auf dem Beton, unabhängig von pH-Wert, Feuchtigkeit und ähnlichen Faktoren.
Wärmekompatibilität, die keine unannehmbaren Spannungen in Reaktion auf sich ändernde Temperaturen verursacht.
Dauerhaftigkeit in der Betonumgebung, unabhängig von Korrosion oder anhaltender Beanspruchung.
Verwendung im Bauwesen
Bewehrung des Daches der Sagrada Família im Bau (2009)
· Mit Stahlbeton können viele verschiedene Arten von Bauwerken und Bauteilen gebaut werden, darunter Platten, Wände, Balken, Säulen, Fundamente, Rahmen und mehr.
Stahlbeton kann als Betonfertigteil oder Ortbeton klassifiziert werden.
Die Planung und Implementierung des effizientesten Bodensystems ist der Schlüssel zur Schaffung optimaler Gebäudestrukturen. Kleine Änderungen im Design eines Bodensystems können erhebliche Auswirkungen auf die Materialkosten, den Bauplan, die Endfestigkeit, die Betriebskosten, die Auslastung und die Endnutzung eines Gebäudes haben.
Ohne Bewehrung wäre der Bau moderner Bauwerke aus Betonmaterial nicht möglich.
Schlüsseleigenschaften
Drei physikalische Eigenschaften verleihen Stahlbeton seine besonderen Eigenschaften:
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Beton ähnelt dem von Stahl und beseitigt große innere Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung oder -kontraktion.
Wenn die Zementmasse im Beton aushärtet, entspricht dies den Oberflächendetails des Stahls, so dass Spannungen effizient zwischen den verschiedenen Materialien übertragen werden können. Normalerweise werden Stahlstangen aufgeraut oder gewellt, um die Bindung oder den Zusammenhalt zwischen Beton und Stahl weiter zu verbessern.
Die alkalische chemische Umgebung, die durch die in der ausgehärteten Zementpaste enthaltenen Alkalireserven (KOH, NaOH) und Portlandit (Calciumhydroxid) bereitgestellt wird, führt zur Bildung eines Passivierungsfilms auf der Oberfläche des Stahls, der weitaus korrosionsbeständiger ist als dies der Fall wäre in neutralen oder sauren Bedingungen sein. Wenn die Zementpaste der Luft ausgesetzt wird und das meteorische Wasser mit dem atmosphärischen CO2 reagiert, werden Portlandit und das Calciumsilicathydrat (CSH) der ausgehärteten Zementpaste zunehmend kohlensäurehaltig und der hohe pH-Wert sinkt allmählich von 13,5 auf 12,5 und der pH-Wert sinkt allmählich auf 8,5 Wasser im Gleichgewicht mit Calcit (Calciumcarbonat) und der Stahl ist nicht mehr passiviert.
Als Faustregel gilt, nur um eine Vorstellung von Größenordnungen zu geben, dass Stahl bei einem pH-Wert von über ~ 11 geschützt ist, jedoch unter ~ 10 in Abhängigkeit von den Stahleigenschaften und den örtlichen physikalisch-chemischen Bedingungen zu korrodieren beginnt, wenn Beton mit Kohlensäure versetzt wird. Die Karbonatisierung von Beton zusammen mit dem Eindringen von Chlorid ist einer der Hauptgründe für das Versagen von Bewehrungsstäben in Beton.
Die relative Stahlquerschnittsfläche, die für typischen Stahlbeton erforderlich ist, ist normalerweise recht klein und reicht von 1% für die meisten Träger und Platten bis zu 6% für einige Stützen. Verstärkungsstäbe haben normalerweise einen runden Querschnitt und variieren im Durchmesser. Stahlbetonkonstruktionen verfügen manchmal über Vorkehrungen wie belüftete Hohlkerne, um Feuchtigkeit und Feuchtigkeit zu kontrollieren.
Die Verteilung der Festigkeitseigenschaften von Beton (trotz Bewehrung) entlang des Querschnitts von vertikalen Stahlbetonelementen ist inhomogen
Verstärkung und Terminologie von Trägern
Zwei sich kreuzende Träger, die in die Parkhausplatte integriert sind und sowohl Bewehrungsstahl als auch die Verkabelung, Anschlusskästen und andere elektrische Komponenten enthalten, die für die Installation der Deckenbeleuchtung für die darunter liegende Garagenebene erforderlich sind.
Ein Balken biegt sich unter dem Biegemoment, was zu einer kleinen Krümmung führt. An der Außenseite (Zugfläche) der Krümmung erfährt der Beton eine Zugspannung, während er an der Innenseite (Druckfläche) eine Druckspannung erfährt.
Ein einfach bewehrter Träger ist einer, bei dem das Betonelement nur in der Nähe der Zugfläche bewehrt ist und die Bewehrung, Spannstahl genannt, so konstruiert ist, dass sie der Spannung standhält.
Ein doppelt bewehrter Träger ist einer, bei dem neben der Zugbewehrung auch das Betonelement nahe der Druckfläche bewehrt ist, um dem Beton zu helfen, der Kompression zu widerstehen. Die letztgenannte Verstärkung wird Druckstahl genannt. Wenn die Druckzone eines Betons nicht ausreicht, um dem Druckmoment (positivem Moment) standzuhalten, muss eine zusätzliche Bewehrung bereitgestellt werden, wenn der Architekt die Abmessungen des Abschnitts begrenzt.
Ein unterbewehrter Balken ist ein Balken, bei dem die Zugfestigkeit der Zugbewehrung kleiner ist als die kombinierte Druckfestigkeit von Beton und Druckstahl (unterbewehrt an der Zugfläche). Wenn das Stahlbetonelement einem zunehmenden Biegemoment ausgesetzt ist, gibt der Spannstahl nach, während der Beton seinen endgültigen Versagenszustand nicht erreicht. Wenn der Spannstahl nachgibt und sich dehnt, gibt ein "unterbewehrter" Beton auch auf duktile Weise nach und zeigt eine große Verformung und Warnung vor seinem endgültigen Versagen. In diesem Fall bestimmt die Streckgrenze des Stahls die Konstruktion.
Ein überbewehrter Balken ist einer, bei dem die Zugfestigkeit des Spannstahls größer ist als die kombinierte Druckfestigkeit von Beton und Druckstahl (an der Zugfestigkeit überbewehrt). So versagt der Balken "überbewehrter Beton" durch Zerkleinern des Druckzonenbetons und bevor der Zugzonenstahl nachgibt, was vor dem Versagen keine Warnung darstellt, da der Versagen augenblicklich erfolgt.
Ein ausgeglichener bewehrter Balken ist einer, bei dem sowohl die Druck- als auch die Zugzone bei gleicher Belastung des Balkens nachgeben und der Beton zerquetscht und der Zugstahl gleichzeitig nachgibt. Dieses Bemessungskriterium ist jedoch ebenso riskant wie überbewehrter Beton, da ein Versagen plötzlich auftritt, wenn der Beton gleichzeitig mit den Zugstahlausbeuten zerquetscht, was eine sehr geringe Warnung vor einer Belastung durch Spannungsversagen darstellt.
Momenttragende Elemente aus Stahlbeton sollten normalerweise so konstruiert sein, dass sie unterbewehrt sind, damit Benutzer der Struktur vor dem bevorstehenden Zusammenbruch gewarnt werden.
Die charakteristische Festigkeit ist die Festigkeit eines Materials, bei dem weniger als 5% der Probe eine geringere Festigkeit aufweisen.
Die Bemessungsfestigkeit oder Nennfestigkeit ist die Festigkeit eines Materials einschließlich eines Materialsicherheitsfaktors. Der Wert des Sicherheitsfaktors liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,75 bis 0,85 bei der Bemessung für zulässige Spannungen.
Der endgültige Grenzzustand ist der theoretische Ausfallpunkt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit. Es wird unter faktorierten Lasten und faktorierten Widerständen angegeben.
