Introduzione alla Cracking strutturale e all'acciaio prestressante

La struttura di compressione è il materiale più utilizzato al mondo, valutata per la sua resistenza alla compressione, la durata e la versatilità. Tuttavia, il cemento è intrinsecamente debole nella tensione. In condizioni di servizio, condizioni ambientali, o restrittiva restrittiva, gli stress a trazione possono superare la resistenza a trazione limitata del materiale, che porta a crepe.

Comprensione dell'acciaio prestressante

L’acciaio pre-compressione è costituito da fili, fili o barre di acciaio ad alta resistenza utilizzate per applicare una forza di compressione sostenuta a un membro concreto. L’acciaio è teso a un livello predeterminato – di tipo 70%-80% della sua resistenza massima alla trazione – e ancorato al cemento in modo che la compressione venga mantenuta durante la vita di servizio della struttura.

Tipi di acciaio prestressante

Tre forme primarie di acciaio prestressante sono utilizzate nella costruzione:

  • Strands:[] I fili a sette fili (ad esempio, diametro da 0,5 pollici o 0,6 pollici) sono i più comuni per le strutture post-tensione, offrendo elevata resistenza e caratteristiche di legame eccellenti.
  • Wires:[] I singoli fili ad alta resistenza, spesso crimpati o indentati, vengono utilizzati in elementi pre-tensionati come lastre a base cava.
  • Bar:[] Le barre in lega ad alta resistenza, di solito con estremità filettate, sono impiegate in applicazioni che richiedono tendini corti, come nei ponti o nei lavori di riparazione.

Pre-Tensioning vs. Post-Tensioning

Il tempo e il metodo di tensione definiscono due categorie:

  • Pretensionamento:[] I tendini in acciaio sono tensibili prima del calcestruzzo. Una volta che il cemento raggiunge una forza sufficiente, i tendini vengono rilasciati, trasferendo la forza di compressione al calcestruzzo attraverso il legame. Questo metodo è tipico per gli elementi prefabbricati fabbricati in una pianta.
  • Post-tensioning:[] I tendini sono posizionati in dotti o guaine all'interno del componente cemento. Dopo che il cemento è guarito, i tendini sono tensibili e ancorati contro il cemento indurito. I condotti sono poi smaltiti per proteggere l'acciaio dalla corrosione.

La Meccanica della Formazione di Crack in Calcestruzzo Non Rinforzato

Per apprezzare come l’acciaio prestressante riduce le crepe, è essenziale capire perché le crepe in cemento siano al primo posto. Il cemento è un materiale composito con una resistenza relativamente bassa alla trazione, in genere circa il 10% della sua forza di compressione. Quando i carichi esterni (come il peso, il vento o le forze sismiche) inducono tensioni trasili che superano questo limite, le fratture in cemento.

In cemento armato, barre di rinforzo in acciaio sono posizionate dove sono previsti tensioni traslitte. L'acciaio porta la tensione dopo le crepe di cemento, limitando larghezze di crepa a livelli accettabili. Tuttavia, il cemento è ancora assunto per essere incrinato in servizio; il rinforzo non impedisce la crepatura, lo controlla solo. Ciò significa che sotto carichi di servizio, microcrack sono presenti, esponendo l'acciaio all'umidità, cloruri di corrosione e altri agenti aggressivi che possono portare a lungo termine.

Perché Cracking è una preoccupazione strutturale

  • La rigidità e le crescenti deflettenze[[] – le crepe riducono il momento efficace dell'inerzia, portando a deformazioni più grandi sotto carico.
  • Durata reducibile[] – le crepe forniscono percorsi per acqua, de-icing sali e anidride carbonica, accelerando la corrosione del rinforzo.
  • Problemi di estetica e di serviziabilità[[[] – le crepe visibili possono occupare gli allarmi o ridurre la qualità percepita di una struttura.
  • Insufficienza di fatica potenziale[ – il caricamento ripetuto può propagare le crepe, riducendo la durata di fatica degli elementi di cemento.

Come prestressing acciaio malgascio

Invece di aspettare che le tensioni traslittano sviluppino e controllino le larghezze di crepa, prestressando proattivamente impone una busta di stress comprimitivo che mantiene il cemento in gran parte sotto carichi di servizio. Questa pre-compressione elimina efficacemente o riduce drasticamente le sollecitazioni di trazione, il che significa che il cemento non raggiunge mai la sua forza di cracking.

Meccanismo della Pre-Compressione

L'acciaio tendicato agisce come una molla che tira sul cemento. La conseguente pressione assiale della compressione (o compressione assiale e flessorale combinata in tendini eccentrici) contrasta le tensioni trasali dalla flessione. Ad esempio, in un raggio semplicemente sostenuto, le fibre inferiori sono in tensione sotto carichi di gravità.

Controllo di Crack Widths quando il cracking fa Occur

Nei casi in cui le tensioni traslittali sono inevitabili, ad esempio, sotto carichi finali o a punti di stress concentrati, l'acciaio prestressante fornisce ancora un controllo superiore della larghezza di crepa. L'alta forza di trazione nel tendine rimane costante sulla lunghezza non incrostata (in sistemi post-tensionati) o viene distribuita tramite il legame (in sistemi pre-tensionati).

Riduzione del Cracking di Early-Age

Prestressing è anche efficace nel controllo della fessura di prima età causata da gradienti termici, riduzione dell'essiccazione o deformazione restrittiva. Applicando la compressione precoce - soprattutto nelle lastre post-tensione - gli stress intensivi da contrazione restrittiva sono neutralizzati, impedendo ingiustamente e strutturalmente le fessure da formare durante la costruzione.

Vantaggi Oltre la riduzione del crack

Mentre il focus principale di questo articolo è la crepatura, l'uso di acciaio prestressante porta una cascata di vantaggi aggiuntivi che rafforzano il suo ruolo come materiale critico nella costruzione moderna.

Capacità di carico aumentata

Poiché i membri preforniti sono progettati per rimanere imprecisi sotto carichi di servizio, hanno una maggiore rigidità efficace e possono trasportare carichi più grandi rispetto a sezioni di cemento armato equivalenti. La forza prestressante stessa aggiunge un momento di resistenza che completa i carichi morti e vivi. Ad esempio, un fascio di cemento prestressato può superare il 40-50% più lungo di un fascio di cemento armato della stessa profondità.

Differenze ridotte

Le sezioni non graffiate hanno un momento molto più alto di inerzia rispetto alle sezioni incrinate, e quindi le travi preforate presentano deviazioni notevolmente più piccole sotto carichi di servizio. Il camber verso l'alto indotto dalla prestressing può anche essere progettato per compensare parzialmente le deflettenze a lungo termine, con conseguente piano più piatto, pavimenti più maneggevoli e ponti.

Durata e durata più lunga e durata del servizio

Poiché il calcestruzzo preriscaldato rimane intatto in condizioni di servizio normali, i tendini in acciaio sono protetti da agenti aggressivi. Inoltre, i materiali di alta qualità utilizzati e la accurata smaltitura dei condotti (in sistemi post-tensionati) forniscono una protezione supplementare della corrosione.

Flessibilità del design e Spans più lunghi

La prestressante permette di ottenere sezioni più sottili e più leggere e più lunghe, ma è essenziale per la libertà architettonica degli edifici e per ridurre il numero di pilastri nei ponti.

Applicazioni in Costruzione Moderna

L'acciaio prestressante è una pietra angolare di molti tipi di strutture in cui il controllo della crepa e le campate lunghe sono critiche.

Bridge Girders e Decks

I ponti pre-tensionati I-girders e box girders sono eretti rapidamente, e post-tensioning viene spesso applicato a travi di giunzione o per costruire ponti segmentali bilanciati-cantilever. La condizione senza crepa assicura che i sali di de-icing non penetrano ai tendini, una causa comune di corrosione nei ponti convenzionali.

Piani edili e fondazioni

Le lastre post-tensione sono ampiamente utilizzate negli edifici commerciali e residenziali, le lastre sono più sottili delle lastre rinforzate tradizionali, riducendo l'altezza dell'edificio e i carichi di fondazione. L'assenza di cracking nella lastra migliora l'isolamento acustico e termico ed elimina la perdita di acqua nei garage e nelle terrazze di parcheggio.

Prodotti prefabbricati in calcestruzzo

Le lastre, i pilastri, i ponti ferroviari e i poli di utilità sono generalmente pretensionati, il processo di produzione garantisce una qualità costante e il prodotto privo di crepe offre una durata superiore in ambienti aggressivi, come le zone costiere o le piante industriali.

Strutture di contenimento e serbatoi

I serbatoi circolari post-tensionati con tendini legati mantengono il calcestruzzo in compressione, prevenendo perdite e garantendo l'integrità a lungo termine. Lo stesso principio si applica agli edifici di contenimento nucleare, dove la prevenzione delle crepe è incline alla sicurezza.

Considerazioni di materiali e design per un controllo efficace del crack

Per ottenere i vantaggi previsti per la riduzione delle fessure, gli ingegneri devono specificare attentamente i dettagli prestressanti dell'acciaio e del design in conformità con i codici stabiliti come ACI 318, EN 1992-1-1, e fib Codice del modello.

Proprietà e Rilassamento in acciaio

L'acciaio prestressante deve avere una resistenza ad alta trazione (tipicamente 1,860 MPa per i fili), un basso rilassamento (meno del 2,5% dopo 1.000 ore a 20°C), e una buona duttilità. L'acciaio a bassa risoluzione mantiene la forza prestressante nel tempo, impedendo la perdita di compressione che potrebbe consentire la crepatura.

Protezione contro la corrosione

Poiché l'acciaio è sotto tensione costante, anche un piccolo pozzo di corrosione può causare la corrosione di sforzo cracking e guasto improvviso. Le misure di protezione includono rivestimento epossidico, zincatura, o incapsulamento in condotti di plastica riempiti con granata cementizia. In ambienti altamente corrosivi, fili di acciaio inossidabile o protezione cattodica possono essere specificati.

Ancoraggio e dettaglio

Le zone di ancoraggio devono essere rinforzate per gestire gli elevati stress locali dalla forza di presa. Le sollecitazioni di schizzi, spalling e di divisione possono altrimenti causare la crepatura alle estremità del membro. I rinforzi a spirale e le borchie a testa sono comunemente utilizzati. Per i sistemi incollati, la grana completa è essenziale per evitare vuoti dove l'umidità può accumularsi.

Limiti di funzionalità e controlli di larghezza di gravità

Anche con prestressing, alcune strutture possono sperimentare sollecitazioni a trazione limitata sotto carichi di servizio estremi. Gli standard di progettazione specificano larghezze di crepa ammissibili (tipicamente 0,2 mm per esposizione moderata, 0,1 mm per ambienti aggressivi).Gli ingegneri verificano che lo stress trasile in acciaio alla crepa è al di sotto della resistenza al rendimento e che la larghezza di crepa calcolata soddisfa i requisiti.

Effetti termici e di restrizione

In enormi versamenti o lunghe strutture continue, i cambiamenti di temperatura e il contenimento da elementi adiacenti possono indurre tensioni che superano la compressione iniziale. Il rinforzo supplementare in acciaio dolce è spesso aggiunto in queste aree come una seconda linea di difesa. L'azione combinata di rinforzo prestressante e ordinario è conosciuta come "prestressing parziale" ed è utilizzata in molti progetti pratici.

Studi sui casi e prestazioni a lungo termine

Le strutture reali dimostrano l'efficacia dell'acciaio prestressante nel controllo delle crepe.Chesapeake Bay Bridge[] in Maryland, USA, utilizza segmenti di cemento post-tensionato per il suo approccio campa; le ispezioni dopo 40 anni mostrano una minima crepa nonostante il traffico pesante e l'esposizione marina.

Conclusioni

L'acciaio pre-stressante non è solo un materiale di rinforzo; è uno strumento attivo per la gestione degli stati di stress in calcestruzzo e la prevenzione della formazione di crepe dannose. imponendo una pre-compressione che compensa carichi di trazione, l'acciaio prestressante mantiene efficacemente i membri strutturali in calcestruzzo in condizioni di servizio normali, riducendo sia il verificarsi che la larghezza di fessure sostenibili.