Ogni ingegnere civile deve conoscere la risposta a questa domanda perché è considerata la domanda più importante per l'ingegnere civile.
Il calcestruzzo precompresso è una delle parti più importanti della costruzione e dovresti e devi avere una conoscenza adeguata a riguardo. Cerchiamo di capirlo in dettaglio.
Una struttura in calcestruzzo precompresso è diversa da una convenzionale struttura in cemento armato a causa dell'applicazione di un carico iniziale sulla struttura prima del suo utilizzo. Il carico iniziale o prestress viene applicato per consentire alla struttura di contrastare gli stress che si verificano durante il suo periodo di servizio. La precompressione delle strutture fu introdotta alla fine del XIX secolo. Il concetto di precompressione esisteva prima delle applicazioni in calcestruzzo.
Vengono forniti due esempi di precompressione prima dello sviluppo del calcestruzzo precompresso
Montaggio forzato di bande metalliche su botti di legno Le bande metalliche inducono uno stato di compressione iniziale del cerchio, per contrastare la tensione del telaio causata dal riempimento del liquido nelle canne
Pre-tensionamento dei raggi in una ruota di bicicletta. La pre-tensione di un raggio in una ruota della bicicletta è applicata in modo tale che ci sarà sempre una tensione residua nel raggio
Per il calcestruzzo, le sollecitazioni interne sono indotte (di solito, per mezzo di acciaio tensionato) per i seguenti motivi. La resistenza a trazione del calcestruzzo è solo dall'8% al 14% circa della sua resistenza alla compressione. Le crepe tendono a svilupparsi nelle prime fasi del carico in membri a flessione come travi e solette. Per evitare tali crepe, la forza di compressione può essere opportunamente applicata nella direzione perpendicolare. La precompressione migliora le capacità di flessione, di taglio e di torsione degli elementi di flessione. Nelle tubazioni e nei serbatoi di stoccaggio liquidi, le sollecitazioni di trazione del cerchio possono essere efficacemente neutralizzate dalla precompressione circolare.
Il seguente schizzo spiega l'applicazione di prestress.
Posizionare ed allungare le barre d'acciaio dolce, prima di cementare
Figura - Precompressione di travi in calcestruzzo mediante barre di acciaio dolce
Le barre d'acciaio tenero sono allungate e il calcestruzzo è versato intorno a loro. Dopo l'indurimento del calcestruzzo, la tensione nelle aste viene rilasciata. Le aste cercheranno di riguadagnare la loro lunghezza originale, ma ciò è impedito dal cemento circostante a cui è legato l'acciaio. Pertanto, il calcestruzzo è ora efficacemente in uno stato di pre-compressione. È in grado di contrastare le tensioni di trazione, come quelle derivanti dal carico illustrato nello schizzo seguente.
Ma i primi tentativi di precompressione non hanno avuto pieno successo. È stato osservato che l'effetto della precompressione si è ridotto con il tempo. Le capacità di resistenza al carico dei membri erano limitate. Sotto carichi sostenuti, i membri sono stati trovati a fallire. Ciò era dovuto al seguente motivo. Il calcestruzzo si restringe con il tempo. Inoltre sotto carico sostenuto, la tensione nel calcestruzzo aumenta con l'aumentare del tempo. Questo è noto come ceppo creep. La riduzione della lunghezza dovuta a creep e restringimento è applicabile anche all'acciaio incorporato, con conseguenti perdite significative nello sforzo di trazione.
Forme di acciaio per precompressione
Fili - Il filo di precompressione è una singola unità in acciaio.
Fili: due, tre o sette fili sono avvolti per formare un trefolo di precompressione.
Tendine: un gruppo di fili o fili viene avvolto per formare un tendine di precompressione.
Cavo: un gruppo di cavi forma un cavo di precompressione.
Barre: un tendine può essere costituito da un'unica barra d'acciaio. Il diametro di una barra è molto più grande di quello di un filo.
Natura dell'interfaccia calcestruzzo-acciaio
Tendine legato - Quando vi è un legame adeguato tra il tendine e il calcestruzzo di precompressione, si parla di un tendine legato. I tendini post tensionati pretensionati e stuccati sono tendini legati.
Tendine non legato - Quando non vi è alcun legame tra il tendine e il calcestruzzo di precompressione, è chiamato tendine non legato. Quando la malta non viene applicata dopo la post-tensione, il tendine è un tendine non legato. Fasi di caricamento L'analisi dei membri precompressi può essere diversa per le diverse fasi di carico.
Le fasi di caricamento sono le seguenti.
1) Iniziale: può essere suddiviso in due fasi.
a) Durante il tensionamento dell'acciaio
b) Al trasferimento della precompressione al calcestruzzo.
2) Intermedio: questo include i carichi durante il trasporto dei membri precompressi.
3) Finale: può essere suddiviso in due fasi.
a) Al servizio, durante il funzionamento.
b) Alla fine, durante eventi estremi
Vantaggi della precompressione
La precompressione del calcestruzzo presenta diversi vantaggi rispetto al cemento armato tradizionale (RC) senza precompressione. Un elemento in calcestruzzo completamente precompresso viene solitamente sottoposto a compressione durante la durata di servizio. Questo rettifica diverse deficienze di cemento. Il seguente testo menziona in generale i vantaggi di un membro in calcestruzzo precompresso con un membro RC equivalente. Per ogni effetto, i benefici sono elencati.
La sezione rimane senza incrinature sotto i carichi di servizio.
Riduzione della corrosione dell'acciaio Aumento della durata.
Viene utilizzata una sezione completa
Momento di inerzia superiore (rigidità più elevata)
Meno deformazioni (maggiore facilità di manutenzione).
Aumento della capacità di taglio.
Adatto per l'uso in recipienti a pressione, strutture di ritenzione di liquidi. Prestazioni migliorate (resilienza) sotto carico dinamico e a fatica.
Rapporti tra span e profondità maggiori Intervalli più ampi possibili con la precompressione (ponti, edifici con ampi spazi senza colonne) Di seguito sono riportati i valori tipici dei rapporti tra span e profondità nelle lastre.
Lastra non precompressa 28: 1 Lastra prestirata 45: 1 Per la stessa campata, minore profondità rispetto all'elemento RC.
Riduzione del peso proprio.
Più appeal estetico grazie alle sezioni sottili
Sezioni più economiche.
Adatto per la costruzione prefabbricata
I vantaggi della costruzione prefabbricata sono i seguenti.
Costruzione rapida
Migliore controllo di qualità
Manutenzione ridotta adatta per la costruzione ripetitivaUso multiplo di casseforme.
Riduzione del cassero.
Disponibilità di forme standard.
Post-tensionamento
I sistemi di precompressione si sono sviluppati nel corso degli anni e varie aziende hanno brevettato i loro prodotti. Informazioni dettagliate sui sistemi sono fornite nei cataloghi dei prodotti e negli opuscoli pubblicati dalle aziende. Vi sono linee guida generali sulla precompressione nella sezione 12 dell'IS 1343: 1980. Le informazioni fornite in questa sezione sono di natura introduttiva, con enfasi sui concetti di base dei sistemi. I sistemi e i dispositivi di precompressione sono descritti per i due tipi di precompressione, pretensionamento e post tensionamento, separatamente. Questa sezione copre il post-tensionamento. Sistemi e dispositivi di pretensionamento, copre il pretensionamento. Nel post-tensionamento, la tensione viene applicata ai tendini dopo l'indurimento del calcestruzzo. Le fasi del post-tensionamento sono descritte di seguito.
Fasi di post-tensione
Nei sistemi di post-tensione, i condotti per i tendini (o trefoli) sono posizionati insieme al rinforzo prima del getto di calcestruzzo. I tendini vengono posizionati nei condotti dopo la fusione del calcestruzzo. Il condotto impedisce il contatto tra calcestruzzo e tendini durante l'operazione di tensionamento. A differenza del pretensionamento, i tendini vengono tirati con la reazione che agisce contro il cemento indurito. Se i condotti sono riempiti di malta, allora è noto come post-tensione legata. La malta è una pasta di cemento pulita o una malta di cemento sabbia contenente un'adatta miscela.
Nel post-tensionamento non legato, come suggerisce il nome, i condotti non sono mai stuccati e il tendine è tenuto in tensione unicamente dagli ancoraggi terminali. Il seguente schizzo mostra una rappresentazione schematica di un elemento post-tensionato stuccato. Il profilo del condotto dipende dalle condizioni di supporto. Per un membro semplicemente supportato, il condotto ha un profilo cascante tra le estremità. Per un membro continuo, il condotto si incurva nella campata e si sovrappone al supporto.
Le varie fasi dell'operazione di post-tensione sono riassunte come segue.
Fusione di cemento
Posizionamento dei tendini.
Posizionamento del blocco di ancoraggio e del martinetto. Applicazione della tensione ai cavi.
Posti a sedere delle zeppe.
Taglio dei tendini
Il cemento armato (RC) è un materiale composito in cui la resistenza alla trazione e la duttilità relativamente basse del calcestruzzo sono neutralizzate dall'inclusione di rinforzi aventi resistenza alla trazione o duttilità superiore. Il rinforzo è solitamente, anche se non necessariamente, barre d'armatura d'acciaio (tondo per cemento armato) ed è solitamente incorporato passivamente nel calcestruzzo prima dei set di cemento. Gli schemi di rinforzo sono generalmente progettati per resistere alle sollecitazioni di trazione in particolari regioni del calcestruzzo che potrebbero causare fessurazioni e / o cedimenti strutturali inaccettabili. Il cemento armato moderno può contenere vari materiali di rinforzo in acciaio, polimeri o materiale composito alternato in combinazione con l'armatura o meno. Anche il cemento armato può essere stressato in modo permanente (in tensione), in modo da migliorare il comportamento della struttura finale sotto carichi di lavoro. Negli Stati Uniti, i metodi più comuni per farlo sono noti come pre-tensionamento e post-tensione.
Per una costruzione forte, duttile e durevole, il rinforzo deve avere almeno le seguenti proprietà:
Elevata forza relativa.
Elevata tolleranza alla trazione.
Buon legame con il calcestruzzo, indipendentemente da pH, umidità e fattori simili.
Compatibilità termica, non causando stress inaccettabili in risposta al cambiamento delle temperature.
Durata nell'ambiente del calcestruzzo, indipendentemente dalla corrosione o dallo stress prolungato.
Uso in costruzione
Rebars of the Sagrada Família's roof in construction (2009)
· Molti tipi diversi di strutture e componenti di strutture possono essere costruiti utilizzando il cemento armato tra cui lastre, muri, travi, colonne, fondazioni, cornici e altro ancora.
Il calcestruzzo armato può essere classificato come calcestruzzo prefabbricato o fuso sul posto.
Progettare e implementare il sistema di pavimento più efficiente è la chiave per creare strutture di edifici ottimali. Piccoli cambiamenti nella progettazione di un sistema a pavimento possono avere un impatto significativo sui costi dei materiali, il programma di costruzione, la resistenza finale, i costi operativi, i livelli di occupazione e l'uso finale di un edificio.
Senza rinforzo, la costruzione di strutture moderne con materiale concreto non sarebbe possibile.
Caratteristiche chiave
Tre caratteristiche fisiche conferiscono al cemento armato le sue proprietà speciali:
Il coefficiente di dilatazione termica del calcestruzzo è simile a quello dell'acciaio, eliminando forti tensioni interne dovute a differenze di dilatazione o contrazione termica.
Quando la pasta di cemento all'interno del calcestruzzo si indurisce, questo si conforma ai dettagli della superficie dell'acciaio, permettendo a qualsiasi sollecitazione di essere trasmessa in modo efficiente tra i diversi materiali. Di solito le barre di acciaio sono irruvidite o ondulate per migliorare ulteriormente il legame o la coesione tra calcestruzzo e acciaio.
L'ambiente chimico alcalino fornito dalla riserva alcalina (KOH, NaOH) e la portlandite (idrossido di calcio) contenuti nella pasta cementizia indurita provocano la formazione di un film passivante sulla superficie dell'acciaio, rendendolo molto più resistente alla corrosione di quanto non sarebbe essere in condizioni neutre o acide. Quando la pasta di cemento viene esposta all'aria e l'acqua meteorica reagisce con la CO2 atmosferica, la portlandite e l'idrato di calcio silicato (CSH) della pasta cementizia indurita diventano progressivamente gassate e il pH elevato diminuisce gradualmente da 13,5 - 12,5 a 8,5, il pH di acqua in equilibrio con calcite (carbonato di calcio) e l'acciaio non è più passivato.
Come regola generale, solo per dare un'idea di ordine di grandezza, l'acciaio è protetto a pH superiore a ~ 11 ma inizia a corrodersi sotto ~ 10 a seconda delle caratteristiche dell'acciaio e delle condizioni fisico-chimiche locali quando il calcestruzzo diventa gassoso. la carbonatazione del calcestruzzo e l'ingresso del cloruro sono tra le principali ragioni del fallimento delle barre di rinforzo nel calcestruzzo.
La relativa area di sezione trasversale dell'acciaio richiesta per il tipico cemento armato è in genere piuttosto piccola e varia dall'1% per la maggior parte delle travi e delle lastre al 6% per alcune colonne. Le barre d'armatura hanno normalmente una sezione trasversale rotonda e un diametro variabile. Le strutture in cemento armato a volte hanno disposizioni come i nuclei cavi ventilati per controllare la loro umidità e umidità.
La distribuzione delle caratteristiche di resistenza del calcestruzzo (nonostante il rafforzamento) lungo la sezione trasversale degli elementi verticali in cemento armato non è omogenea
Rinforzo e terminologia delle travi
Due travi intersecanti solidali alla lastra del garage che conterrà sia l'acciaio di rinforzo che i cablaggi, le scatole di derivazione e altri componenti elettrici necessari per installare l'illuminazione a soffitto per il livello del garage sottostante.
Un raggio si piega in un momento flettente, risultando in una piccola curvatura. In corrispondenza della faccia esterna (faccia di tensione) della curvatura, il calcestruzzo sperimenta lo stress da trazione, mentre nella faccia interna (faccia compressiva) subisce uno stress da compressione.
Una trave rinforzata singolarmente è quella in cui l'elemento in calcestruzzo è rinforzato solo vicino alla faccia di trazione e il rinforzo, chiamato acciaio in tensione, è progettato per resistere alla tensione.
Una trave doppiamente rinforzata è quella in cui oltre al rinforzo di trazione l'elemento in calcestruzzo è anche rinforzato vicino alla faccia di compressione per aiutare il calcestruzzo a resistere alla compressione. Quest'ultimo rinforzo è chiamato acciaio per compressione. Quando la zona di compressione di un calcestruzzo è inadeguata per resistere al momento di compressione (momento positivo), è necessario fornire rinforzi extra se l'architetto limita le dimensioni della sezione.
Una trave sotto-rinforzata è quella in cui la capacità di tensione del rinforzo di trazione è inferiore alla capacità di compressione combinata del calcestruzzo e dell'acciaio di compressione (sotto-rinforzato alla faccia di trazione). Quando l'elemento in cemento armato è soggetto ad un crescente momento flettente, l'acciaio in tensione cede mentre il calcestruzzo non raggiunge la sua condizione di rottura definitiva. Con la tensione e l'allungamento dell'acciaio in tensione, un calcestruzzo "sottostrato" produce anche una forma duttile, presentando una grande deformazione e avvertimento prima del suo ultimo cedimento. In questo caso la tensione di snervamento dell'acciaio governa il design.
Una trave sovradimensionata è quella in cui la capacità di tensione dell'acciaio di tensione è maggiore della capacità di compressione combinata del calcestruzzo e dell'acciaio di compressione (sovradimensionato sulla faccia di trazione). Quindi il raggio del "calcestruzzo rinforzato" non riesce a schiacciare il calcestruzzo della zona di compressione e prima che l'acciaio della zona di tensione ceda, il che non fornisce alcun preavviso prima del guasto poiché il guasto è istantaneo.
Un raggio rinforzato bilanciato è quello in cui entrambe le zone di compressione e trazione raggiungono lo stesso carico imposto sulla trave, e il calcestruzzo si schiaccerà e l'acciaio di trazione produrrà allo stesso tempo. Questo criterio di progettazione è comunque rischioso come il cemento troppo rinforzato, perché il guasto è improvviso poiché il calcestruzzo si schiaccia allo stesso tempo delle rese di acciaio a trazione, il che dà un minimo avvertimento di angoscia in caso di cedimento della tensione.
Gli elementi portanti del calcestruzzo in acciaio rinforzato dovrebbero essere progettati in modo da non essere rinforzati in modo tale che gli utenti della struttura ricevano avvisi di imminente collasso.
La resistenza caratteristica è la resistenza di un materiale in cui meno del 5% del campione mostra una resistenza inferiore.
La resistenza di progetto o la forza nominale è la forza di un materiale, incluso un fattore di sicurezza del materiale. Il valore del fattore di sicurezza varia generalmente da 0,75 a 0,85 nella progettazione delle sollecitazioni consentite.
Lo stato limite ultimo è il punto di fallimento teorico con una certa probabilità. È indicato in carichi fattorizzati e resistenze fattorizzate.
