Betonske konstrukcije 1

Transcript

1 Betonske konstrukcije 1 Prof.dr Snežana Marinković Doc.dr Ivan Ignjatović GF Beograd Betonske konstrukcije 1 1

2 Sadržaj Uvod Osnove proračuna Osobine materijala ULS-Savijanje ULS-Smicanje ULS-Stabilnost SLS-Ugibi, prsline Monolitne, polumontažne i montažne međuspratne konstrukcije Ramovske konstrukcije Temelji i potporni zidovi Prethodno napregnuti beton GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 2

3 Beton Prema zapreminskoj masi, betoni se dele na: - betone normalne težine, sa zapreminskom masom od kg/m3; - lake betone, sa zapreminskom masom manjom od 2000 kg/m3; - teške betone, sa zapreminskom masom većom od 2600 kg/m3. Za konvencionalne betone normalne težine se u proračunu može usvojiti da je zapreminska masa jednaka 2400 kg/m 3 za nearmirani beton, odnosno 2500 kg/m 3 za armirani beton. U ovom trenutku ne postoje opšte prihvaćeni stavovi o konstitutivnim jednačinama i trajnosti zelenih betona, pa se njihova primena mora zasnivati na ekspertskoj proceni, na osnovu sastava zelenog betona u konkretnom slučaju. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 3

4 Beton Mehaničke karakteristike betona su: - čvrstoće, određuju otpornost prema spoljašnjim silama, - deformacijske karakteristike, određuju promene dimenzija i oblika elemenata usled dejstva spoljašnjih sila, temperature i skupljanja. Beton je viskoelastoplastičan materijal i sve njegove mehaničke karakteristike bitno zavise od trajanja delovanja spoljašnjih uticaja, odnosno od starosti betona, pod kojom se podrazumeva vreme koje protekne od trenutka ugrađivanja betona. Fizičke osobine, koje određuju otpornost betona prema uticajima sredine,su: - propustljivost za vodu i gasove, - difuzija vode i gasova, - kapilarno upijanje. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 4

5 Čvrstoće betona Čvrstoća betona pri pritisku f c Osnovna mehanička karakteristika betona koja zavisi od niza faktora, a najviše od sastava betona, vrste i količine cementa, kvaliteta ugrađivanja, oblika, dimenzija i starosti posmatranog uzorka. Određuje se ispitivanjem probnih tela jednoaksijalnim pritiskom do loma. Klasa betona (C) se definiše na osnovu čvrstoće betona pri pritisku f c koja se određuje na probnim telima propisanog oblika i dimenzija, negovanih na propisan način i u propisanoj starosti. To je donja karakteristična vrednost sa propisanim fraktilom. Zavisi od standarda. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 5

6 Čvrstoće betona Čvrstoća betona pri pritisku raste sa starošću betona. fcm(t)/fcm 1god. 5god. starost betona Razvoj čvrstoće betona pri pritisku kroz vreme GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 7

7 Čvrstoće betona Čvrstoća betona pri zatezanju f ct Čvrstoća betona pri zatezanju f ct je znatno manja od odgovarajuće čvrstoće pri pritisku i kreće se u granicama: f ( ) ct f c (1) Čvrstoća betona pri aksijalnom zatezanju f ct odgovara najvećem naponu dostignutom pri aksijalnom zatezanju. Određuje se ispitivanjem betonskih probnih tela pri direktnom čistom zatezanju: GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 9

8 Čvrstoće betona (2) Zbog jednostavnijeg eksperimenta, češće se koristi Brazilski opit pritisak do loma na cilindrični uzorak po suprotnim izvodnicama (umesto cilindra, može se koristiti i kocka ili prizma, izložena linijskom pritisku po sredini naspramnih stranica) ovako dobijena čvrstoća se naziva čvrstoća betona pri zatezanju cepanjem f ct,sp. P (kn); d,h (cm) GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 10

9 Čvrstoće betona Veza između srednje vrednosti čvrstoće pri aksijalnom zatezanju f ctm i srednje vrednosti čvrstoće pri zatezanju dobijene cepanjem f ctm,sp : f ctm α sp f ctm, sp = = α sp Prema MC 2010 može se usvojiti da je α sp =1.0. U nedostatku rezultata eksperimentalnih ispitivanja (MC 2010): f f ctm = 0.3( f ck ctm 2 / 3 ) ( + 0.1( f + )) = 2.12ln 1 f ck za betone klase C50 za betone klase > C50 f ck Δf karakteristična čvrstoća betona pri pritisku (MPa) = 8 MPa GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 11

10 Čvrstoće betona (3) Čvrstoća betona pri zatezanju savijanjem f ct,fl se određuje na betonskim prizmama dimenzija poprečnog preseka 12x12x36 cm ili 20x20x60 cm, koje se izlažu savijanju koncentrisanom silom u sredini raspona. P h l/2 l/2 b f 6M ct, fl = = 2 bh 3Pl 2bh 2 GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 12

11 Čvrstoće betona Veza između srednje vrednosti čvrstoće pri aksijalnom zatezanju f ctm i srednje vrednosti čvrstoće pri zatezanju savijanjem f ctm,fl : f ctm = α fl f ctm, fl f ctm,fl fl srednja vrednost čvrstoće betona pri zatezanju savijanjem 0.06h = b 0.7 hb α (MC 2010) za betone klase C50, približno: f ck,cube 15cm f ck,cyl 0.8f ck,cube (15x30)cm f ctm 0.08f ck,cube h b visina grede u mm f ctm,sp 0.08f ck,cube f ctm,fl 0.16f ck,cube GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 13

12 Deformacijske karakteristike KRATKOTRAJNO OPTEREĆENJE Veza između napona i dilatacija betona pri kratkotrajnom jednoaksijalnom pritisku i zatezanju σ c ε c dijagram : GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 16

13 Deformacijske karakteristike σ c ε c dijagram zavisi od kvaliteta betona. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 17

14 Deformacijske karakteristike σ c σ c ε cp Modul elastičnosti betona E ce je odnos napona i elastične, povratne deformacije betona pri kratkotrajnom opterećenju i rasterećenju. ε ce ε c arctg E ci arctg E c arctg E ce ε c E ci E c0 α E E E ci ce σ c = ε = E ce c0 α E E ci f cm 10 modul elastičnosti betona u starosti od 28 dana (MPa) =21.5x10 3 MPa koeficijent koji zavisi od vrste agregata; za kvarcni agregat 1.0, a za bazaltne, krečnjake i peščare iznosi 1.2, 0.9 i 0.7, respektivno f cm srednja vrednost čvrstoće betona pri pritisku u starosti od 28 dana (MPa) 1 3 Modul elastičnosti betona raste sa starošću betona. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 18

15 Deformacijske karakteristike DUGOTRAJNO OPTEREĆENJE Vremenske deformacije betona su skupljanje betona i tečenje betona. Skupljanje betona je smanjenje dimenzija neopterećenih betonskih elemenata u toku procesa očvršćavanja. Do smanjivanja dimenzija dolazi pri očvršćavanju na vazduhu, dok se u vodi ili sredini zasićenoj vlagom zapremina elemenata ne menja pa čak može i da se poveća (bubrenje betona). Skupljanje je rezultat smanjenja zapremine koje nastaje usled promena u sadržaju slobodne, hemijski nevezane vode u mikro i makro porama u strukturi betona, odnosno promene vlažnosti cementnog tela u toku procesa hidratacije. Dilatacije skupljanja se u konstantnim uslovima sredine u toku vremena monotono povećavaju i smatra se da asimptotski teže konačnoj vrednosti GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 20

16 Deformacijske karakteristike Na veličinu skupljanja utiče niz faktora: 1. Vrsta i količina cementa 2. Vodocementni faktor 3. Vlažnost sredine 4. Temperatura sredine 5. Dimenzije elementa U AB elementima se javljaju naponi zatezanja usled toga što je slobodna deformacija usled skupljanja uvek sprečena, zbog prisustva armature (čelik se ne skuplja) i drugih veza na osloncima i na konturi elemenata.

17 Deformacijske karakteristike DUGOTRAJNO OPTEREĆENJE Tečenje betona je pojava da se u toku vremena, pri dugotrajnom dejstvu opterećenja, povećavaju inicijalne deformacije betona koje nastaju u trenutku opterećenja. U toku vremena dilatacija tečenja monotono raste, u početku brže a zatim sve sporije, i smatra se da asimptotski teže nekoj konačnoj vrednosti Dilatacije tečenja zavise od napona. Sve do napona u betonu jednakog ( )f c, a to praktično odgovara najvećim naponima pri eksploatacionom opterećenju, dilatacije tečenja su dovoljno tačno proporcionalne naponima. Na krajnju vrednost i vremenski tok dilatacija tečenja bitno utiče starost betona u trenutku opterećenja! GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 21

18 Deformacijske karakteristike σ c DUGOTRAJNO OPTEREĆENJE σ c =const 0 t 0 t 1 t t ε c ε c povratna trenutna dilatacija ε ci dilatacija povratna tečenja dilatacija tečenja ε cc nepovratna početna dilatacija ε c (t) dilatacija tečenja ε ci konačna dilatacija ε skupljanja cs dilatacija skupljanja 0 t 0,s t 0 t t 1 t t Viskoelastoplastičan materijal sa izraženom osobinom starenja GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 24

19 Deformacijske karakteristike DUGOTRAJNO OPTEREĆENJE Početna dilatacija betona: ε ci( t0) = σ c ( t0) / Eci( t0) E ci (t 0 ) modul elastičnosti betona u starosti betona t 0 Dilatacija tečenja betona (linearno tečenje, σ c.4 ( t ) ) : 0 f cm 0 φ(t,t 0 ) E ci σ c( t0) ε cc( t, t0) = ϕ( t, t0) E koeficijent tečenja modul elastičnosti betona u starosti od 28 dana ci Ukoliko je beton opterećen u starosti od 28 dana (t 0 =28 dana), koeficijent tečenja predstavlja odnos između dilatacije tečenja i početne, trenutne dilatacije betona. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 27

20 Čelik ČELIK ZA ARMIRANI BETON Beton je materijal koji dobro prihvata napone pritiska, ali jako slabo prihvata napone zatezanja Armatura se postavlja u betonskim elementima da: Prihvati napone zatezanja koji se javljaju u armiranobetonskim elementima Ograniči širinu prslina koje se mogu javiti u elementu na preporučene vrednosti Obezbedi dodatnu nosivost na pritisak ako je to potrebno

21 Čelik ČELIK ZA ARMIRANI BETON U AB konstrukcijama se koristi čelik u obliku šipki, žica i zavarenih mreža. Veličina se izražava nazivnim (nominalnim) prečnikom za šipke i žice, odnosno setom nominalnih prečnika za mreže, koje se dobijaju zavarivanjem šipki u dva ortogonalna pravca, na određenom razmaku. Površina šipki i žica može biti glatka (glatka armatura) ili orebrena (rebrasta armatura), ali se danas ne preporučuje upotreba glatke armature za konstrukcije, osim u okviru zavarenih mreža. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 29

22 Čelik Mehaničke i deformacijske karakteristike čelika od interesa u proračunu betonskih konstrukcija su: čvrstoća pri zatezanju (f t ), granica razvlačenja (f y ), dilatacija pri maksimalnom naponu (čvrstoći na zatezanje) ε u, modul elastičnosti E s. ČELIK ZA ARMIRANI BETON Za napone veće od granice elastičnosti, toplo valjani čelici teku - imaju izraženu granicu razvlačenja f y, i veoma su duktilni, odnosno imaju veliku dilataciju pri maksimalnom naponu dijagram 1. Hladno obrađeni čelici imaju veće čvrstoće pri zatezanju, manju duktilnost i nemaju izraženu granicu razvlačenja dijagram 2. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 30

23 Čelik ČELIK ZA ARMIRANI BETON Čelici se razvrstavaju prema klasama, pri čemu klasa označava karakterističnu vrednost granice razvlačenja i klasu duktilnosti. Za proračun, obično se definišu 4 klase duktilnosti čelika: Klasa A: Klasa B: Klasa C: Klasa D: ( f / f ) % t y k ε uk ( f / f ) % t y k ε uk 1.35 ( f / f ) % t y k ε uk 1.45 ( f / f ) % t y k ε uk gde indeks k označava karakteristične vrednosti. Modul elastičnosti čelika za armirani beton iznosi E s = GPa. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 32

24 EC2 - beton Čvrstoća na pritisak, čvrstoća na zatezanje i modul elastičnosti betona EC2 se oslanja na standard ENV 206 kada su u pitanju tehnološki aspekti betona kao i svi testovi za utvrđivanje karakteristika betona. Betoni se razvrstavaju u klase čvrstoće (C) prema karakterističnoj čvrstoći pri pritisku f ck, koja se određuje na probnom telu oblika cilindra, dimenzija 15x30 cm, u starosti od 28 dana (5% fraktil), ili prema ekvivalentnoj čvrstoći kocke f ck,cube dimenzija 15x15 cm. f ck 0.8 f ck, cube Najveća klasa čvrstoće betona je C 90/105. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 33

25 EC2 -beton Čvrstoća na pritisak, čvrstoća na zatezanje i modul elastičnosti betona f ck (MPa) f ck,cube (MPa) f cm (MPa) f ctm (MPa) f ctk,0.05 (MPa) f ctk,0.95 (MPa) E cm (GPa) Klase čvrstoće betona (C) Analitička relacija f cm =f ck +8(MPa) f ctm =0.3f ck 2/3, C50/60 f ctm =2.12ln(1+f cm /10) >C50/60 f ctk,0.05 =0.7f ctm 5% fraktil f ctk,0.95 =1.3f ctm 95% fraktil E cm = (f cm /10) 0.3 f cm (MPa) GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 34

26 EC2 - beton Čvrstoća na pritisak, čvrstoća na zatezanje i modul elastičnosti betona Razvoj čvrstoće betona pri pritisku kroz vreme prema već datom izrazu. Veza između čvrstoće betona pri zatezanju i pri pritisku prema već datom izrazu. Veza između raznih čvrstoća betona pri zatezanju: f f ct = 0.9 f ct, sp ctm, fl max 1.6 h f 100 = ctm ctm ; f h f ctm visina porečnog preseka elementa u mm; srednja vrednost jednoaksijalne čvrstoće na zatezanje prema tabeli. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 35

27 EC2 - beton Čvrstoća na pritisak, čvrstoća na zatezanje i modul elastičnosti betona EC2 definiše modul elastičnosti kao sekantni modul između napona σ c =0 i σ c =0.4f cm. U tabeli su prikazane srednje vrednosti modula elastičnosti betona E cm koje EC2 preporučuje za betone spravljene od agregata na bazi kvarca. Za agregate na bazi krečnjaka ove vrednosti treba umanjiti za 10%, za agregate na bazi peščara za 30%, a za agregate na bazi bazalta povećati za 20%. Promena modula elastičnosti u toku vremena: E cm ( t ) = f cm f ( t ) cm 0.3 E cm gde su E cm (t) i f cm (t) vrednosti modula elastičnosti i čvrstoće betona pri pritisku u starosti betona t, a E cm i f cm iste vrednosti u starosti betona od 28 dana. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 36

28 EC2 - beton Dijagram napon - dilatacija Za analizu poprečnih preseka mogu se koristiti: σ c f ck f cd A B A idealizovan dijagram B proračunski dijagram σ c σ c ε c2 ε cu2 ε c f ck f cd A f cm B 0.4f cm ε c3 ε cu3 ε c α tanα=e cm ε c1 ε cu1 ε c A c d x ε cu3 λx ηf cd F c A s F s ε s GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 42

29 EC2 - beton Dijagram napon - dilatacija σ c (1) Veza parabola-prava f ck f cd A B σ σ ε c 1 ε n c = fcd 1 c2 = c f cd za 0 ε c ε c2 za ε c2 ε c ε cu2 f cd proračunska čvrstoća pri pritisku, =α cc f ck /γ c, ε c2 A idealizovan dijagram B proračunski dijagram ε cu2 ε c α cc n ε c2 ε cu2 koeficijent kojim se uvodi uticaj dužine trajanja opterećenja na čvrstoću, iznosi 0.85 prema Nacionalnom aneksu, eksponent, prema tabeli, dilatacija koja odgovara maksimalnom naponu, prema tabeli, granična dilatacija, prema tabeli. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 43

30 EC2 - beton Dijagram napon - dilatacija σ c (2) Bilinearan dijagram f ck f cd ε c3 A B ε cu3 ε c f cd proračunska čvrstoća pri pritisku, =α cc f ck /γ c, α cc koeficijent kojim se uvodi uticaj dužine trajanja opterećenja na čvrstoću, iznosi 0.85 prema Nacionalnom aneksu, ε c3 dilatacija koja odgovara maksimalnom naponu, prema tabeli, granična dilatacija, prema tabeli. ε cu3 A idealizovan dijagram B proračunski dijagram GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 44

31 EC2 - beton Dijagram napon - dilatacija (3) Idealizovan pravougaoni blok ε cu3 ηf cd Faktor λ koji definiše efektivnu visinu pritisnute zone: A c d x λx F c λ = 0.8 λ = za f ck 50 MPa ( f 50) ck / za 50 < f ck 90 MPa A s ε s F s Faktor η koji definiše efektivnu čvrstoću: η = 1.0 za f ck 50 MPa ( f 50) 200 η = 1. 0 ck / za 50 < f ck 90 MPa GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 45

32 EC2 - beton Dijagram napon - dilatacija f ck (MPa) ε c1 ( ) ε cu1 ( ) ε c2 ( ) ε cu2 ( ) Klase čvrstoće betona Analitička relacija ε c1 ( )=0.7f cm 0.31 < n Osnovne karakteristike σ-ε dijagrama betona prema EC2 ε c3 ( ) ε cu3 ( ) za f ck 50 MPa ε cu1 ( )=2.8+27[(98- f cm )/100] 4 za f ck 50 MPa ε c2 ( )= (f ck - 50) 0.53 za f ck 50 MPa ε cu2 ( )=2.6+35[(90- f ck )/100] 4 za f ck 50 MPa η= [(90- f ck )/100] 4 za f ck 50 MPa ε c3 ( )= [(f ck - 50)/40] za f ck 50 MPa ε cu3 ( )=2.6+35[(90- f ck )/100] 4 GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 46

33 EC2 - beton UTEGNUTI BETON Utezanjem betona (confinement of concrete) povećavaju se kako čvrstoće tako i granične dilatacije pri lomu. A neutegnuti beton GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 47

34 EC2 - beton Utezanje se može ostvariti adekvatno zatvorenim uzengijama ili poprečnom armaturom, za koju se u proračunu pretpostavlja da dostiže granicu razvlačenja usled poprečnih dilatacija izduženja betona. ( f ) f / ck, c = f ck 1 σ σ 0.05 f 2 ck 2 ck ( f ) f / ck, c = f ck 1 σ σ > 0.05 f 2 ck 2 ck ε = ε ( f f ) 2 c2, c c2 ck, c / ck UTEGNUTI BETON ε + cu2, c = ε cu2 0.2σ 2 / f ck gde je σ 2 (=σ 3 ) efektivni bočni napon pritiska u graničnom stanju nosivosti usled utezanja, a ε c2 i ε cu2 slede iz tabele. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 48

35 EC2 - čelik ČELIK ZA ARMIRANI BETON EC2 se oslanja na standard EN10080 kada su u pitanju načini proizvodnje, klasifikacija proizvoda, metode testiranja itd. armature. Odredbe EC2 se primenjuju samo na rebrastu armaturu i armaturu koja se može zavarivati, uključivo zavarene armaturne mreže i, prema Nacionalnom aneksu, za opseg granice razvlačenja f yk =400 do 600 MPa. Karakteristična vrednost granice razvlačenja f yk ili f 0,2k i karakteristična vrednost čvrstoće pri zatezanju f tk, definisane su kao karakteristična vrednost sile na granici razvlačenja, odnosno kao karakteristična vrednost maksimalne sile pri direktnom aksijalnom zatezanju, podeljene sa nominalnom površinom poprečnog preseka. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 49

36 EC2 - čelik Ponašanje čelika za armaturu (šipke, ispravljene žice koje se isporučuju u koturovima, zavarene mreže) definišu sledeće svojstva: - karakteristična vrednost granice razvlačenja f yk ili f 0,2k - maksimalna stvarna granica razvlačenja f y,max - čvrstoća pri zatezanju f t - karakteristike duktilnosti ε uk i f t /f yk - savitljivost (podobnost za savijanje), karakteristike prijanjanja - čvrstoća na zamor - zavarljivost - dimenzije preseka i tolerancije. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 50

37 EC2 - čelik Armatura mora imati adekvatnu duktilnost definisanu odnosom čvrstoće pri zatezanju i granice razvlačenja, (f tk / f yk ) i izduženjem koje odgovara maksimalnoj sili, ε uk. Prema EC2 postoje 3 klase duktilnosti za koje su definisane napred navedene veličine: Vrsta proizvoda Šipke Mreže Fraktil(%) Klasa A B C A B C f y,k ili f 0,2k 400 do do (MPa) min k=(f t / f y ) k < 1.35 < 1.35 ε uk (%) GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 51

38 EC2 - čelik Dijagram napon - dilatacija Za proračun se mogu koristiti dva idealizovana dijagrama napon-dilatacija: σ kf yk f yk A kf yk/γ s (1) Bilinearan dijagram sa kosom gornjom granom, sa ograničenom maksimalnom dilatacijom ε ud i maksimalnim naponom kf yk /γ s. f yd =f yk /γ s B (2) Bilinearan dijagram sa horizontalnom gornjom granom, sa neograničenom dilatacijom. f yd /E s k=(f t /f y ) k ε ud ε uk ε Za ε ud se preporučuje vrednost 0.9ε uk (ε uk i k su date u prethodnoj tabeli u zavisnosti od klase duktilnosti). A idealizovan dijagram B proračunski dijagram Za proračunsku vrednost E s može da se usvoji 200 GPa. GF Beograd Teorija betonskih konstrukcija 1 52