Μηχανισµός δηµιουργίας θερµικών ρηγµατώσεων σε σκυροδέµατα µάζας.

Transcript

1 Μηχανισµός δηµιουργίας θερµικών ρηγµατώσεων σε σκυροδέµατα µάζας. A.Γ. Σακελλαρίου ρ. Πολιτικός Μηχανικός ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Το πιο σηµαντικό χαρακτηριστικό του σκυροδέµατος µάζης 1 το οποίο διαφοροποιεί την συµπεριφορά του από τις άλλες κατασκευές είναι η θερµική του συµπεριφορά. Μεγάλες µάζες σκυροδέµατος δηµιουργούν σηµαντικές θερµοκρασιακές διαφορές ανάµεσα στην εσωτερική και εξωτερική επιφάνεια της κατασκευής. Οι µεταβολές όγκου που συνοδεύουν αυτό το φαινόµενο και ο περιορισµός τους προκαλούν εφελκυστικές τάσεις οι οποίες µπορούν να προκαλέσουν ρηγµατώσεις σηµαντικές για την κατασκευή. 1 ΓΕΝΙΚΑ Επειδή το σκυρόδεµα έχει χαµηλή θερµική αγωγιµότητα, η θερµότητα η οποία γεννιέται µέσα στην µάζα του σκυροδέµατος αποβάλλεται πάρα πολύ αργά 2. Στις συνήθεις κατασκευές η περισσότερη από την θερµότητα η οποία γεννάται από την ενυδάτωση του τσιµέντου διαχέεται πολύ γρήγορα και αναπτύσσονται µόνο µικρές διαφορές θερµοκρασίας. Ετσι στις λεπτές κατασκευές οι θερµοκρασιακές διαφορές δεν γίνονται ποτέ µεγάλες και ως εκ τούτου οι κατασκευές αυτές είναι σχετικά απαλλαγµένες από θερµικές ρηγµατώσεις. Σε αντίθεση 3, όσο µεγαλώνει το πάχος η µη ελεγχόµενη εσωτερική αύξηση της θερµοκρασίας γίνεται σχεδόν αδιαβατική µε συνέπεια το φαινόµενο αυτό να δηµιουργεί ένα πεδίο ανάπτυξης µεγάλων θερµοκρασιακών διαφορών οι οποίες αν δεν αναληφθούν κατάλληλα µπορούν να θέσουν σε κίνδυνο την ακεραιότητα της κατασκευής. 2 ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Όπως ήδη ειπώθηκε σκυροδετήσεις µεγάλου όγκου παράγουν µεγάλη ποσότητα θερµότητας λόγω της χηµικής αντίδρασης κατά την πήξη του τσιµέντου µε αποτέλεσµα την διόγκωση της ακόµα πλαστικής µάζας του σκυροδέµατος. Καθώς η αντίδραση ολοκληρώνεται παράγεται όλο και λιγότερη θερµότητα και η όλη µάζα του σκληρυµένου σκυροδέµατος αρχίζει να ψύχεται. Η θερµοκρασία του πυρήνα της µάζας είναι υψηλότερη, και για τσιµέντα ΟPC µπορεί να εκτιµηθεί σαν 12 ο C για κάθε 100 kg τσιµέντου ανά 1m 3 σκυροδέµατος [2,3]. Έτσι ο πυρήνας µπορεί να 1 Σκυρόδεµα µάζης ορίζεται κάθε όγκος σκυροδέµατος µε διαστάσεις αρκετά µεγάλες ώστε να απαιτείται να ληφθούν µέτρα για να αντιµετωπιστεί η δηµιουργία θερµότητας εξαιτίας της ενυδάτωσης του τσιµέντου και η συνεπακόλουθη µεταβολή όγκου µε σκοπό την ελαχιστοποίηση των ρηγµατώσεων. 2 Η θερµότητα φεύγει µέσα από το σώµα του σκυροδέµατος αντιστρόφως ανάλογα από το τετράγωνο της µικρότερης διάστασής του. 3 Για παράδειγµα ένας τοίχος πάχους 15cm γίνεται θερµικά σταθερός σε 1,5ώρες, ένας πάχους 150cm σε µία εβδοµάδα, ένας 15m πάχους σε 2 χρόνια και ένας πάχους 150m σε 200 χρόνια [1].

2 φθάσει σε θερµοκρασίες 60 ο C και 70 ο C 1 ενώ η θερµοκρασία περιβάλλοντος να µην είναι µεγαλύτερη των 20 ο C. Η διόγκωση του σκυροδέµατος για µια άνοδο θερµοκρασίας στους 70 ο C είναι προφανώς πολύ µεγαλύτερη από αυτήν των 20 ο C. Όταν το σκληρυνµένο σκυρόδεµα αρχίσει να ψύχεται, ο πυρήνας προσπαθεί να επιστρέψει πίσω σε ένα µεγαλύτερο σε διαστάσεις όγκο από ότι το επιφανειακό σκυρόδεµα. Αυτή η διαφορική κίνηση που δηµιουργείται λόγω των διαφορικών θερµοκρασιών, δηµιουργεί διαφορικές εφελκυστικές τάσεις 12. Οι θερµικές παραµορφώσεις υπολογίζονται από το γινόµενο ενός κατάλληλου συντελεστή θερµικής διαστολής και της διαφοράς θερµοκρασίας όπως δείχνει η παρακάτω εξίσωση: ε = α θ[4,5] (1) όπου:α = ο συντελεστής θερµικής διαστολής, θ = η διαφορά θερµοκρασίας και ε = η αναπτυσσόµενη θερµική παραµόρφωση Η διαφορά θερµοκρασίας προσδιορίζεται για τις αναµενόµενες συνθήκες χρήσης και τα επί τόπου κλιµατολογικά δεδοµένα ώστε να χρησιµοποιηθεί στους υπολογισµούς των µετακινήσεων. Ο συντελεστής θερµικής διαστολής του σκυροδέµατος εξαρτάται κυρίως από τον συντελεστή διαστολής των αδρανών και της πάστας του τσιµέντου, καθώς και από τον βαθµό κορεσµού του σκυροδέµατος. Μια τυπική τιµή του συντελεστή θερµικής διαστολής του σκυροδέµατος ισούται µε α= / o C [3,4]. Μια ένδειξη της πιθανής τάξης µεγέθους της θερµικής παραµόρφωσης είναι αυτή που λαµβάνεται για µια διαφορά θερµοκρασίας π.χ.30 ο C. Τότε βάσει της προηγούµενης εξίσωσης η παραµόρφωση είναι της τάξης των Αν αυτή η παραµόρφωση εµποδιστεί να εκδηλωθεί µε πλήρη περιορισµό σε µετακίνηση του στοιχείου του σκυροδέµατος θα δηµιουργήσει µία τάση της τάξης των 6 (N/mm 2 ) 3. Για µια τέτοια εφελκυστική τάση θα δηµιουργηθεί στο σκυρόδεµα ρηγµάτωση. Αν βέβαια το σκυρόδεµα είναι κατάλληλα οπλισµένο, η κατανοµή της ρηγµάτωσης θα ελεγχθεί από την ποσότητα, την µορφή και την κατανοµή του οπλισµού,ο οποίος θα µειώσει το εύρος των ρηγµατώσεων και θα τις διασπείρει σε µια έκταση τέτοια που δεν θα δηµιουργήσει επιβλαβείς συνέπειες. 3 ΕΜΦΑΝΙΣΗ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΡΗΓΜΑΤΩΣΕΩΝ Σε σκυροδετήσεις που υπόκεινται είτε σε εσωτερικές είτε σε εξωτερικές καταπονήσεις εµποδιζόµενης παραµόρφωσης µπορούν να αναπτυχθούν θερµικές τάσεις και να προκαλέσουν ρηγµάτωση. Η ρηγµάτωση σε σκυροδέµατα µάζης µπορεί να συµβεί δια µέσου ενός µηχανισµού ανάπτυξης εσωτερικών θερµοκρασιακών κλίσεων 34. Η ρηγµάτωση αυτή που οφείλεται σε διαφορετικές θερµοκρασιακές µεταβολές είναι πιο συνήθης στις σκυροδετήσεις σκυροδεµάτων µάζης. Αφού η χαµηλή θερµική αγωγιµότητα του σκυροδέµατος εµποδίζει την γρήγορη απώλεια 1 Για παράδειγµα αν ένα ανάµιγµα έχει 400kg τσιµέντο ανά m 3 σκυροδέµατος η εκτιµόµενη στον πυρήνα θερµοκρασία θα είναι 48 ο C πάνω από την θερµοκρασία που θα έχει το σκυρόδεµα όταν διαστρωθεί. Έτσι για µια θερµοκρασία περιβάλλοντος 20 ο C η θερµοκρασία του πυρήνα εκτιµάται ότι θα ανέλθει στους 68 ο C. 2 Με το σκυρόδεµα ακόµα τόσο νέο δεν υπάρχει χρόνος να ωριµάσει και να αναπτύξει ουσιαστική εφελκυστική αντοχή και έτσι οι διαφορικές εφελκυστικές τάσεις σχίζουν την µάζα του δηµιουργώντας ρωγµές. Αυτό βέβαια γίνεται µόνο όταν το σκυρόδεµα δεν συντηρείται θερµοκρασιακά σωστά. Η θερµοκρασιακή συντήρηση ελέγχει τις διαφορικές θερµοκρασίες και εµποδίζει τις ρηγµατώσεις. 3 Η εφελκυστική παραµόρφωση ρηγµάτωσης ε είναι ίση µε σ/ε όπου σ είναι η εφελκυστική τάση ρηγµάτωσης και Ε είναι το µέτρο ελαστικότητας του σκυροδέµατος. Για µια τιµή Ε=20KN/mm 2 η αναπτυσσόµενη τάση είναι σ=ε.ε=20kn/mm =6N/mm 2 4 Η ρηγµάτωση µπορεί να προκληθεί και από εξωτερικούς περιορισµούς κατά την διάρκεια της απόψυξης. Ο µηχανισµός αυτός συνήθως παρατηρείται σε τοίχους που έχουν σκυροδετηθεί πάνω σε άκαµπτες βάσεις (π.χ. BS8007/87)

3 θερµότητας, η θερµοκρασία στην µάζα του σκυροδέµατος αυξάνεται. Η επιφάνεια του σκυροδέµατος που βρίσκεται σε άµεση επαφή µε το περιβάλλον χάνει θερµότητα πιο γρήγορα και συνεπώς υπόκειται σε πολύ χαµηλότερη αύξηση της θερµοκρασίας. Η διόγκωση που υφίσταται έτσι ο ζεστός πυρήνας είναι υπερβολική, µπορεί δε να τεντώσει την την πιο κρύα εξωτερική ζώνη σε τέτοιο βαθµό ώστε να προκληθεί ρηγµάτωση. Αλλά και στην διάρκειά της στην συνέχεια απόψυξης µπορεί να συµβεί το αντίθετο φαινόµενο. Γενικά λοιπόν εάν η διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ εξωτερικού και εσωτερικού είναι πολύ µεγάλη θα εµφανιστούν ρηγµατώσεις. Αυτό µπορεί να συµβεί είτε κατά την περίοδο αύξησης των θερµοκρασιών οπότε οι ρωγµές δηµιουργούνται στο εσωτερικό είτε κατά την περίοδο πτώσης των θερµοκρασιών οπότε οι ρωγµές δηµιουργούνται στην επιφάνεια. Η ρηγµάτωση συµβαίνει όταν η διαφορά θερµοκρασίας είναι πάνω από 20 ο C 1 [2, p253]. 4 ΑΠΟΦΥΓΗ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΡΗΓΜΑΤΩΣΕΩΝ Παρόλα όσα έχουν ήδη αναπτυχθεί, η µεγάλη ανάπτυξη θερµοκρασιών δεν οδηγεί απαραίτητα στην ανάπτυξη ρηγµατώσεων. Οπωσδήποτε δε, αν δεν υπάρχει καθόλου περιορισµός των παραµορφώσεων το σκυρόδεµα θα συστελλόταν χωρίς ρηγµατώσεις. Το BS 8110/pat 2: 1985 [4] εκτιµά την παραµόρφωση που συνοδεύεται από ρηγµάτωση από την εξίσωση: ε = α R (2) Όπου: = η διαφορική θερµοκρασία, α = ο συντελεστής διαστολής του σκυροδέµατος R = ένας συντελεστής που εκτιµά τον περιορισµό των παραµορφώσεων ανά είδος κατασκευής και κυµαίνεται από 0 έως 1 και ε = το εµποδιζόµενο τµήµα της παραµόρφωσης που οδηγεί σε ρηγµάτωση. Οι τυπικές τιµές του συντελεστή R που έχουν καταγραφεί για σκυροδετήσεις σκυροδεµάτων µάζης κυµαίνονατι από 0,1 έως 0,4 2 (Πίν. 3.3 σελίς 3/8 [4]) Το ίδιο πρότυπο BS 8110 δηλώνει ότι «η εµπειρία έχει δείξει ότι περιορίζοντας τις διαφορές θερµοκρασιών στους 20 ο C σε σκυροδέµατα µε φυσικά αδρανή 3 η ρηγµάτωση µπορεί να αποφευχθεί». Αυτό παριστά έναν αντίστοιχο συντελεστή περιορισµού R=0,36. Για να ελαχιστοποιηθεί η αύξηση της θερµοκρασίας µπορούν να παρθούν διάφορα µέτρα 4. Η λύση του προβλήµατος βέβαια δεν είναι τόσο στον περιορισµό της αύξησης της θερµοκρασίας στο εσωτερικό του σκυροδέµατος όσο στην παρεµπόδιση της διαφυγής της θερµοκρασίας από την επιφάνεια του σκυροδέµατος. Με αυτόν τον τρόπο το σύνολο του σκυροδέµατος µάζας αφήνεται να θερµανθεί λίγο πολύ στους ίδιους βαθµούς και να διογκωθεί χωρίς περιορισµό. Για να εµποδιστεί µια µεγάλη διαφυγή θερµότητας τα καλούπια και η άνω επιφάνεια της κατασκευής πρέπει να θερµοµονωθούν κατάλληλα. 1 Για θ=20 ο C και α= / ο C αναπτύσσονται θερµικές παραµορφώσεις της τάξης των Ας αναφερθεί ότι για τις περισσότερες περιπτώσεις υπάρχει πάντα ένας βαθµός περιορισµού αλλά ο πλήρης περιορισµός είναι πολύ σπάνιος. Ακόµη και στην περίπτωση ενός τοίχου που σκυροδετείται σε µια ονοµαστικά άκαµπτη θεµελίωση ο περιορισµός δεν είναι πιθανόν να ξεπεράσει µια τιµή R ίση µε 0,70. Για να ελαχιστοποιηθεί ο περιορισµός θα πρέπει να αποφεύγεται η σκυροδέτηση σε τµήµατα χωρίς ελεύθερα άκρα. Αντίθετα θα πρέπει να υπάρχει πάντα ένα ελεύθερο άκρο ώστε να µπορεί να αναλάβει την ογκοµετρική µεταβολή λόγω διαφοράς θερµότητας. 3 ηλαδή για σκυροδέµατα µε τον µεγαλύτερο συντελεστή θερµικής διαστολής. Για σκυροδέµατα µε άλλου είδους αδρανή, η τιµή αυτή των 20 ο C µπορεί να διπλασιαστεί! (Πίνακας 3.2 σελίς 3/8 [4]) 4 Τέτοια µέτρα π.χ. είναι: Πρώτον τα συστατικά του νωπού σκυροδέµατος µπορούν να ψυχθούν έτσι ώστε να µειωθεί η θερµοκρασία τους. εύτερον τα συστατικά ανάµιξης και οι αναλογίες πρέπει να επιλεγούν ώστε το τσιµέντο να είναι χαµηλής θερµότητας ενυδάτωσης, ή αντικατάστασή του µε ποζολάνες, σκωρίες κλπ.

4 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5.1. Όπως αναλύθηκε στα παραπάνω κεφάλαια η αποφυγή των θερµικών ρηγµατώσεων µπορεί να γίνει µέσω του ελέγχου της ανάπτυξης των θερµοκρασιακών διαφορών στο σώµα του σκυροδέµατος. Στην πράξη πρέπει να καταγράφεται η θερµοκρασία στα διάφορα σηµεία και έτσι όπου χρειαστεί να προστίθενται θερµοµονώσεις. Παραδείγµατα τέτοιας καταγραφής θερµοκρασιών δίνονται στα παρακάτω σχήµατα Νο 1 και Νο 2 [6].

5 5.2. Η θερµοµόνωση πρέπει να ελέγχει την διαφυγή της θερότητας µέσω της εξάτµισης, της αγωγιµότητας και της ακτινοβολίας. Χρησιµοποιώντας π.χ. θερµικά καλύµµατα ελέγχεται η απώλεια θερµότητας στην επιφάνεια και η θερµοκρασία διατηρείται κοντύτερα σ αυτήν του πυρήνα. Οι διαφορικές θερµικές εφελκυστικές τάσεις περιορίζονται και το σκληρυνµένο σκυρόδεµα είναι ικανό να τις αντέξει. 6 ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1]. ACI Manual of concete pactice. ACI 207.1R-70. [2]. AM Neville Popeties of concete. Longman Scientific & Technical. [3]. J.G Richadson Supevision of concete constuction. [4]. BSI Stuctual use of concete. BS 8110/pat 2. [5]. Sakellaiou A.. Thesis of PhD Contibution in the knowledge of cacking phenomena in fesh concete (in Fench). LCPC. Pais [6]. Sakellaiou A Mechanism of cacking fomation in mass concete. Method application on a poject in Egypt (non published epot)