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極端荷重の設計:風と雪の状態の鋼材の防腐
近代的なインフラは、ますます厳しい環境の力に抵抗しなければなりません。ハリケーン、冬嵐、気候変動の気候パターンは、従来の構造の限界をテストする極端な風と雪の負荷を意味します。 エンジニアは、これらの課題を満たすために鋼を先行ストレスに長い頼っています。 コンクリートメンバーにプレ圧縮を導入することにより、対物が外部負荷から抗張ストレスを抑制し、割れを減らし、耐久性を向上させます。 この記事では、原則、アプリケーション、および雪の構成に重点を置いて設計する手順について説明します。
プレストレス鋼の理解
プレストレス鋼は、高強度腱、ストランド、バーから構成され、特に高張力鋼(ASTM A416またはA722)から作られています。 特殊用途では、炭素繊維強化ポリマー(CFRP)を補強しています。 スチールは、コンクリートの配置(プレテンション)の前またはコンクリートが硬化した後(ポストテンション)前に張力があります。 その結果、圧縮ストレスは、主に圧縮された設計を保証するために、主に、負荷時のストレスを低減します。
物質的な特性
プレストレス鋼は、典型的な補強鋼をはるかに超える1,600〜1,860MPa(232〜270 ksi)の範囲の降伏強さを提供します。 そのリラクゼーション特性は、長期ストレス損失を最小限に抑えるために慎重に制御されます。 延性、疲労抵抗、および腐食防止(例えば、亜鉛めっきまたはエポキシコーティング)は、特に積極的な環境で長寿のために不可欠です。
プレストレスシステムの種類
[]プレテンション]は、プレキャスト植物で共通です。腱は、アバター、コンクリートがそれらの周りにキャストされ、鋼を硬化した後、結合を介して圧縮を転送します。 []ポストテンション[]]は、ダクトまたはコンクリートに置かれている鞘を使用します。 腱は、固定アセンブリで硬化した後に緊張し、固定され、より長い腐食方法を有効にするために、両方の溝を保護します。
風負荷条件の適用
風荷重は、構造上の側面の力、上昇、および転覆の瞬間を生成します。背の高い建物、長い寿命の橋、スタジアムの屋根、タワーは特に脆弱です。鋼を先行すると、これらの動的行動に抵抗する剛さと強さが向上します。
動的応答と偏向制御
風力のある人は、鉄の疲労を招くことができ、コンクリートの割れを発生させます。 プレストレスドのメンバーは、同じ断面の非前処理されたカウンターパートよりも高い屈折率(EI)を持っています。 これは、横の漂流と加速を削減し、高層ビルの占有快適性を向上させます。 例えば、プレストレスドコンクリートせん断壁とアウトリガーシステムは、コード・リド・値(H500g)に交差履歴を制限することができます。
アップリフトやオーバーターンに抵抗
空港やスポーツアリーナなどの屋根構造は、風圧から大幅な上昇を経験します。 延伸コンクリート屋根のスラブは、より薄い設計を可能にし、上昇抵抗を損なうことなく。 橋梁の桟橋では、垂直延伸は、重力が重力構造上の風から上回るのに対して負荷をアンカーするのに役立ちます。
ハリケーン・プロン地域(例:])の事例は、プレキャスト/プレストレストコンクリート研究所)が、前処理された要素を組み込む建物が、カテゴリー4の嵐の間に従来の鋳造場所構造よりも構造的損傷が少ないことを実証した。
疲労のためのデザイン
風による振動は、腱の高サイクル疲労を引き起こす可能性があります。設計基準(ACI 318、[)は、ストレス範囲がしきい値を超える疲労評価を必要とします。十分な疲労寿命で鋼を延ばす前に、数十年以上にわたる鋭い曲げの防止と回避を慎重に詳細に達成しました。
雪の負荷条件の適用
重い雪の蓄積は、特に屋根、駐車場構造、および冷たい気候の橋に、実質的な垂直のデッドロードを追加します。 プレストレス鋼は、これらの要素がより軽く、より強く、自己重量と負荷容量のバランスをとることを可能にします。
雪の負荷 マグニチュードおよび配分
雪の負荷は場所、屋根の幾何学および露出と変わります。コード(例えば、ASCE 7-22)は、地面の雪の負荷、漂流要因およびバランスの取れないローディングパターンを指定します。プレストレスのコンクリート屋根のスラブは、これらの負荷の下で最小限のカムバーと偏向で長距離に及ぶことができ、中間サポートの数を減らす。
凍結-Thaw 耐久性
雪の多い地域では、コンクリートは繰り返し凍結解凍サイクルにさらされています。 プレストレスは、水侵入および凍結解凍の損傷のための主要な経路である割れのリスクを減少させます。 さらに、エア禁忌コンクリートとプレストレス圧縮と組み合わせることで、表面スケーリングを最小限に抑えます。 構造的完全性は、塩を乾燥する曝露の年後でも維持されます。
雪の降ろしをデザインする
ドリフトの雪は、均一な設計よりもはるかに高い負荷勾配を作成することができます。 プレストレスのコンクリートビームとスラブは、瞬間の封筒に合わせて可変的な腱プロファイルと比例することができます。 例えば、長い寿命のガレージ屋根では、パラボリック腱プロファイルを備えた延伸されたTビームは、均一で漂流された負荷に効率的な抵抗を提供します。
例:山地のコンクリート橋をプレストレスド
北アメリカとヨーロッパでは、プレストレストコンクリートの箱のガードを使用しています。これらの構造は、過酷な冬条件下でのメンテナンスを最小限に抑えながら、重雪荷重を運ぶ。プレストレスからの固有の圧縮も、剪断能力を向上させ、それは、舗装されたスノーバンクに従った橋にとって不可欠です。
設計検討
極端な負荷のための巧妙な設計は物質的な選択、腱のレイアウト、構造のプロシージャおよび長期性能に注意を払います。
物質的な選択および腐食の保護
プレストレス腱は、応力腐食割れや水素の塞栓に耐性を持つ必要があります。 エポキシコーティングされたストランド、亜鉛メッキバー、さらにはCFRP腱は積極的な環境のためのオプションです。 延伸では、完全に接着された溝は、最高の腐食防止を提供します。 曲げられた腱は、二重保護の鞘を必要とします。 ] ACIガイドラインは、適切な溝の手順を強調します。
テンドンプロファイルとダクトレイアウト
腱(引く、刻まれた、またはまっすぐな)の垂直プロファイルは、メンバーに沿ってプレストレスの力分布を制御します。風と雪の負荷のために、プロファイルは、効率を最大化するために、瞬間の図を密接に追従する必要があります。連続ビームでは、腱は、サポートの上部と下部の中間部付近に配置される可能性があります。レイアウトはまた、せん断能力を低下させる - 支持の近くに傾斜した腱は、せん断に抵抗する垂直の力コンポーネントを提供します。
プレストレス損失
短期損失(弾性短縮、摩擦、固定スリップ)および長期損失(クリープ、収縮、鋼の弛緩)は、効果的なプレストレスを削減します。 デザイナーは、サイジング腱をするときにこれらのために考慮する必要があります。 極端な負荷シナリオでは、損失の保守的な推定は、必要な圧縮が構造の寿命全体に残っていることを確認します。 モニタリングシステムは、負荷セルと緊張ゲージを使用して、直感的なプレストレスを検証します。
構造品質管理
張力操作は、キャリブレーションされたジャック、延長および力の監視および適切なシーケンシングを必要とします。 後張では、溝入れは、避けるために完了しなければなりません。 冬の状態の下のコンクリートの治癒は、腱解放に必要な早期の強さを達成するために、方法(蒸気または放射状熱)を加速しました。 非破壊的なテスト(超音波、放射状)は腱の完全性を確認します。
他の負荷との相互作用
風と雪は、ほとんど分離で機能しません。地震負荷または熱影響と組み合わせ、設計封筒はより複雑になります。 プレストレス鋼は、収量を上回るか、脆性の故障を引き起こしずに、これらの組み合わせに耐えるために詳細でなければなりません。 容量設計原則 - 延性障害モードが優先される場所 - アンカーと補強の詳細なガイド。
現代の進歩とケーススタディ
近年、高機能コンクリート(HPC)を100MPaを超える強度で開発し、より軽いプレストレスド部でも対応可能。超高性能コンクリート(UHPC)と鋼線の繊維を延期し、ハリケーン残骸の影響に耐えるレジリエント屋根パネルを製作するポストテンションがかかる。
注目すべきアプリケーションは、16m2を超える雪荷重に抵抗する延伸ケーブルトラスシステムを使用するMoscowスタジアムルーフです。もう1つは]]です。フランスのMillau Viaduct。プレストレスドコンクリートの配管とデッキは、風が止まる(200 km / h以上)と雪が降る両方の風が強く、これらの信頼性がA7575を実証する。
コンテンツ
気候パターンが強化されるにつれて、弾力性のあるインフラに対する要求が高まります。 プレストレス鋼は、風と雪の負荷に対する強度、剛性、耐久性を高めるための実証済みの効率的な方法を提供します。 素材の動作を理解することで、腱のレイアウトを最適化し、厳格な設計基準に従い、エンジニアは意図したサービス寿命を安全に実行する構造を作成することができます。 将来は、先進的な材料と監視システムのさらなる統合が見えますが、プレストレスの基本的な原則は、極端な設計の隅々まで残ります。