Właściwości mechaniczne betonu

Czas przyjrzeć się bardziej bohaterowi serii poradników, czyli betonowi. Omówimy zagadnienia dotyczące wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, rodzajów wytrzymałości, odkształcalności betonu oraz reologii betonu.

 

Wytrzymałość betonu na ściskanie

Najważniejsza z charakterystyk określająca właściwości betonu. Wytrzymałość betonu zależy głownie od stanu naprężeń działających na materiał. Przykładowo przy działaniu jednoosiowego ściskania otrzymujemy wytrzymałość rzędu 30 MPa, natomiast przy równomiernym ściskaniu bocznym 70 MPa, otrzymujemy już ok.285 MPa. Nie jest to ani trochę zaskakujące, jeśli porównamy graniczne odkształcenia betonu, które dla skrócenia wynoszą 0.2-0.35%, a dla wydłużeń tylko 0.01% . Podczas działania obciążenia w stanie jednoosiowego ściskania próbka nie zniszczy się poprzez efekt ściskania, ale poprzez efekt wydłużenia w kierunku prostopadłym do działającego obciążenia (patrz: współczynnik Poissona), co jest charakterystyczne dla tego materiału.

Do określania normowej wytrzymałości betonu na ściskanie wg Eurokodu wykorzystywane są kostki sześcienne o boku 150mm (w Polsce dawniej wykorzystywano do badań próbki walcowe o wysokości 300mm i średnicy 150mm).

Próbki do badania [https://www.locja.pl/szkolenia/beton-klasy-wytrzymalosci-oznaczenia,32]

 

Wytrzymałość na rozciąganie

Może być określana za pomocą badań metodą bezpośrednią, na rozciąganie przy zginaniu oraz metodą brazylijską. W metodzie bezpośredniej próbka betonowa jest przymocowana za pomocą kleju do uchwytów, które przymocowane są do maszyny wytrzymałościowej za pomocą lin lub łańcuchów zapewniając osiowość działania siły.  Badania na rozciąganie przy zginaniu polegają na zginaniu (najczęściej czteropunktowemu) betonowej pryzmatycznej belki o przekroju 150 x 150 mm, poprzez obciążenie jej dwiema siłami skupionymi w jednej trzeciej i dwóch trzecich długości.

Zginanie 4 punktowe [http://www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,wytrzymalosc_rownowazna_fibrobetonu_na_zginanie,824]

Metoda brazylijska polega na badaniu wytrzymałości poprzez rozłupywania walca wzdłuż średnicy. Stan naprężeń panujący w przekroju w znacznej części jest określany naprężeniami rozciągającymi jak widać to na poniższym schemacie. Określenie wytrzymałości w badaniu metodą brazylijską otrzymuje się wykorzystując wzory wyprowadzone z teorii tarczy.

Metoda brazylijska [http://kongresfarmaceutyczny.pl/uploads/article/files/c60c6c7ea62a6e36d675ef14af42c583005b8e9c.pdf]

Rodzaje wytrzymałości betonu

  • f_c – wytrzymałość betonu na ściskanie
  • f_c_d – obliczeniowa wytrzymałość betonu na ściskanie
  • f_c_k – charakterystyczna wytrzymałość walcowa na ściskanie betonu po 28 dniach
  • f_c_k_,_c_u_b_e – charakterystyczna wytrzymałość kostkowa na ściskanie betonu po 28 dniach
  • f_c_m – średnia wartość wytrzymałości walcowej na ściskanie
  • f_c_t_k – charakterystyczna wytrzymałość betonu na rozciąganie osiowe
  • f_c_t_d – obliczeniowa wytrzymałość na rozciąganie
  • f_c_t_m – średnia wytrzymałość betonu na rozciąganie osiowe
  • f_c_t^f^l^e^x – wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu

 

Klasa wytrzymałości betonu

Wg normy PN-EN 206-1:2003 klasyfikacja betonu sporządzona jest w oparciu o charakterystyczną wytrzymałość betonu na ściskanie po 28 dniach dojrzewania określona na próbkach walcowych o średnicy 150mm i wysokości 300mm lub na próbkach sześciennych o boku 150mm. Klasa wytrzymałości opisywana jest jako C X/Y (lub LC X/Y dla betonów lekkich), gdzie X – oznacza wytrzymałość określona na próbkach walcowych, Y – oznacza wytrzymałość określona na próbkach sześciennych. W starej normie PN-88/B-062250 stosowano oznaczenia betonu jako np. B25, co oznaczało wytrzymałość charakterystyczną betonu na ściskanie kostki sześciennej równą 25MPa, co odpowiada betonowi C 20/25 wg PN-EN 206-1:2003. Poniżej w tabeli umieszczono zestawienie klas betonu wraz z najważniejszymi charakterystykami wytrzymałościowymi.

 

 

Odkształcalność betonu

 

Zależność naprężenie odkształcenie dla betonu [EC 2]

Na powyższym wykresie pokazano zależność naprężenie-odkształcenie dla betonu. Widzimy, że nie jest on wykresem liniowym, a jak pamiętamy wartość modułu (odkształcalności podłużnej) Younga określamy dla materiałów liniowo-sprężystych, ale korzystanie z nieliniowego modelu materiałowego przyczyniłoby się do wydłużenia czasu obliczeń i ich złożoności. Z tego powodu w praktyce do obliczeń przyjmuje się tzw. średni sieczny moduł, który określany dla przedziału naprężeń (0-0.4)f_c_m.

Natomiast odkształcalność poprzeczna betonu opisana jest znanym nam współczynnikiem Poissona, który stanowi stosunek odkształceń w kierunku poprzecznym do odkształceń w kierunku podłużnym. Norma EN 1992-1-1 pozwala na przyjęcie współczynnika Poissona równego 0.2 dla betonu niezarysowanego i 0.0 dla betonu zarysowanego (3.1.3(5)).

 

 

Reologia betonu

 

                Skurcz – jest to zjawisko polegające na zmianie objętości z powodu zjawisk chemicznych i fizycznych. Główną przyczyną skurczu jest utrata wody w betonie. Sposobem na ograniczenie skurczu może być przechowywanie go w stale wilgotnym środowisku. Czynnikami, które determinują skurcz są m.in.: ilość cementu, wskaźnik wodno-cementowy W/C, zawartość pyłów oraz wysoki punkt piaskowy oraz pielęgnacja betonu.

                W elementach betonowych skurcz powoduje skrócenie, który nie powoduje dodatkowych naprężeń o ile element nie jest zamocowany. Natomiast w przypadku elementu żelbetowego skurcz powoduje naprężenia ściskające w stali i naprężenia rozciągające w betonie, a w przypadku elementów sprężonych mogą wystąpić starty sił sprężających co w konsekwencji może prowadzić do katastrofy.

                Modelowanie skurczu w obliczeniach statycznych można realizować za pomocą obciążenia termicznego. Znając wielkość skurczu i współczynnika rozszerzalności termicznej betonu, jesteśmy w stanie wyznaczyć gradient temperatury jakiemu należy poddać beton, aby wywołać w nim skurcz o zadanej wartości.

 

                Pełzanie wprost z definicji jest to przyrost odkształceń w czasie przy stałym poziomie naprężenia. Powstaje ono dzięki działaniu obciążeń długotrwałych w warunkach swobody odkształceń. Zależne jest od klasy betonu, wieku betonu w chwili obciążenia, wilgotności środowiska oraz od miarodajnego wymiaru elementu. Pełzanie opisuje się za pomocą współczynnika pełzania oraz funkcji pełzania.  Wg EC2 współczynnik pełzania liniowego możemy określić pod warunkiem, że przy pierwszym obciążaniu w wieku t_0 beton nie został poddany naprężeniom większym niż 0.45f_c_k(t_0). Można odczytać go z nomogramów w rozdziale 3.1.4 lub za pomocą obliczeń na podstawie załącznika B.  W przypadku przekroczenia naprężeń 0.45f_c_k(t_0) powinno się uwzględnić nieliniowość pełzania o czym mówi norma w punkcie 3.1.4(4).

                Konsekwencją pełzania jest spadek wartości modułu sprężystości. I tak np. przy obliczaniu ugięć korzysta z modułu sprężystości wyznaczonego ze wzoru (7.20). Ponadto w skutek pełzania w elementach żelbetowych dochodzi do spadku naprężeń ściskających w betonie przy jednoczesnym wzroście naprężeń w stali, wzrostu ugięć w elementach ściskanych i wzrostu efektów II rzędu w elementach ściskanych.

 

 

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *