Betonarme - Reinforced concrete

Betonarme
Talbruecke-Bruenn 2005-08-04.jpg
İnşaat demiri kafesinin etrafına beton dökülmeden önce ve sonra görülen ağır bir betonarme kolon
Tip Kompozit malzeme
Mekanik özellikler
Çekme mukavemetit ) Betondan daha güçlü

Betonarme ( RC olarak da adlandırılır), takviye edilmiş çimento beton ( RCC ), a, kompozit malzeme ki burada beton 'nispeten düşük s gerilme mukavemeti ve yumuşaklık takviye sahip daha yüksek gerilme mukavemeti ve yumuşaklık dahil edilmesi ile telafi edilir. Takviye, zorunlu olmamakla birlikte genellikle çelik çubuklardır ( inşaat demiri ) ve genellikle beton sertleşmeden önce betona pasif olarak gömülür. Dünya çapında, hacim açısından kesinlikle önemli bir mühendislik malzemesidir.

Açıklama

Takviye şemaları genellikle betonun belirli bölgelerinde kabul edilemez çatlamalara ve/veya yapısal bozulmaya neden olabilecek çekme gerilmelerine dayanacak şekilde tasarlanır . Modern betonarme, çelikten, polimerlerden veya inşaat demiri ile birlikte veya olmayan alternatif kompozit malzemeden yapılmış çeşitli takviye malzemeleri içerebilir . Son yapının çalışma yükleri altındaki davranışını iyileştirmek için, betonarme kalıcı olarak da (basınçta beton, çekmede donatı) gerilmeye tabi tutulabilir. Amerika Birleşik Devletleri'nde, bunu yapmanın en yaygın yöntemler olarak bilinir önceden gerilimi ve Art germe .

Güçlü, sünek ve dayanıklı bir yapı için donatının en az aşağıdaki özelliklere sahip olması gerekir:

  • Yüksek bağıl güç
  • Yüksek çekme gerilimi toleransı
  • pH, nem ve benzeri faktörlerden bağımsız olarak betona iyi yapışma
  • Değişen sıcaklıklara tepki olarak kabul edilemez gerilimlere (genleşme veya büzülme gibi) neden olmayan termal uyumluluk.
  • Örneğin korozyon veya sürekli gerilimden bağımsız olarak beton ortamda dayanıklılık.

Tarih

Brüksel'de Expo 58 için inşa edilen Philips Pavyonu'nun yeni şekli betonarme kullanılarak elde edildi.

François Coignet , bina yapıları inşa etmek için bir teknik olarak demir takviyeli betonu kullanan ilk kişiydi . 1853'te Coignet , Paris'in banliyölerinde 72 rue Charles Michels'de dört katlı bir ev olan ilk demir betonarme yapıyı inşa etti . Coignet'in beton güçlendirme açıklamaları, bunu betona güç katmak için değil, monolitik yapıdaki duvarları devrilmekten korumak için yaptığını gösteriyor. 1854'te İngiliz inşaatçı William B. Wilkinson, inşa ettiği iki katlı evin beton çatısını ve zeminlerini güçlendirdi. Takviyeyi konumlandırması, öncekilerden farklı olarak, çekme gerilmeleri hakkında bilgi sahibi olduğunu gösterdi.

19. yüzyıl Fransız bahçıvanı Joseph Monier , dayanıklı saksılar yapmak için mevcut malzemelerden memnun olmadığı için yapısal, prefabrike ve betonarmenin geliştirilmesinde öncüydü. Bir tel örgü ve bir harç kabuğunu karıştırarak beton saksıları güçlendirmek için bir patent aldı. 1877'de Monier'e, ızgara modeline yerleştirilmiş demir çubuklar kullanarak beton kolonları ve kirişleri güçlendirmek için daha gelişmiş bir teknik için başka bir patent verildi. Monier, betonarmenin iç kohezyonunu iyileştireceğini kuşkusuz bilse de , betonun çekme mukavemetinin takviye tarafından ne kadar iyileştirildiğini bilip bilmediği bile açık değildir .

1870'lerden önce, beton yapı kullanımı, Roma İmparatorluğu'na kadar uzanmasına ve 19. yüzyılın başlarında yeniden kullanılmaya başlanmasına rağmen , henüz kanıtlanmış bir bilimsel teknoloji değildi. Thaddeus Hyatt , Yapı Malzemesi Olarak Demirle Birleştirilen Portland-Çimento-Betonun Yapı Malzemesi Olarak Kullanıldığı Bazı Deneylerin, İnşaatta Metal Ekonomisi ve Çatıların, Zeminlerin ve Yürüme Yüzeylerinin Yapımında Yangına Karşı Güvenliğe Yönelik Bir Rapor başlıklı bir rapor yayınladı. betonarme davranışı üzerine deneylerini bildirdiği . Çalışmaları, kanıtlanmış ve çalışılmış bir bilim olarak beton yapının evriminde önemli bir rol oynadı. Hyatt'ın çalışması olmasaydı, teknolojideki ilerleme için daha tehlikeli deneme yanılma yöntemlerine güvenilebilirdi.

İngiliz doğumlu bir mühendis olan Ernest L. Ransome , 19. yüzyılın sonunda betonarme tekniklerin ilk mucidiydi. Ransome, önceki 50 yılda geliştirilen betonarme bilgisini kullanarak, daha önceki betonarme mucitlerinin neredeyse tüm stillerini ve tekniklerini geliştirdi. Ransome'ın en önemli yeniliği, takviye çeliğini bükerek betonla olan bağını geliştirmekti. Betonarme binalarından giderek artan bir ün kazanan Ransome, Kuzey Amerika'daki ilk betonarme köprülerden ikisini inşa edebildi. Amerika Birleşik Devletleri'nde inşa edilen ilk beton binalardan biri, William Ward tarafından tasarlanan ve 1876'da tamamlanan özel bir evdi. Ev, özellikle yanmaz olacak şekilde tasarlandı.

GA Wayss , bir Alman inşaat mühendisi ve demir ve çelik beton konstrüksiyonun öncüsüdür. 1879'da Wayss, Monier'in patentlerinin Alman haklarını satın aldı ve 1884'te firması Wayss & Freytag , betonarmenin ilk ticari kullanımını yaptı. 1890'lara kadar, Wayss ve firması Monier'in takviye sisteminin gelişmesine büyük katkıda bulundu ve onu iyi gelişmiş bir bilimsel teknoloji olarak kurdu.

Betonarme ile yapılan ilk gökdelenlerden biri, 1904 yılında Cincinnati'de inşa edilen 16 katlı Ingalls Binasıydı.

Güney Kaliforniya'daki ilk betonarme bina, 1905'te Los Angeles şehir merkezinde inşa edilen Laughlin Annex'ti. 1906'da, Temple Oditoryumu ve 8 katlı Hayward dahil olmak üzere Los Angeles Şehri'ndeki betonarme binalar için 16 inşaat ruhsatı verildiği bildirildi. Otel.

1906'da Long Beach'teki Bixby Hotel'in kısmi çökmesi, inşaat sırasında iksa zamanından önce kaldırıldığında 10 işçiyi öldürdü. Bu olay, betonarme montaj uygulamalarının ve yapı denetimlerinin incelenmesini teşvik etti. Yapı, içi boş kil kiremit nervürlü döşeme ve içi boş kil kiremit dolgu duvarları olan betonarme çerçevelerden yapılmıştır. Bu uygulama uzmanlar tarafından şiddetle sorgulandı ve zeminler, duvarlar ve çerçeveler için betonarme kullanılarak “saf” beton yapı için öneriler yapıldı.

Nisan 1904'te, betonarmenin estetik kullanımına öncülük eden Amerikalı mimar ve mühendis Julia Morgan , karşısında bulunan Mills College'da 72 metrelik (22 m) bir çan kulesi olan El Campanil adlı ilk betonarme yapısını tamamladı. San Francisco'dan körfez . İki yıl sonra, El Campanil 1906 San Francisco depreminden herhangi bir hasar almadan kurtuldu , bu da itibarının artmasına ve üretken kariyerine başlamasına yardımcı oldu. 1906 depremi, aynı zamanda, donukluk algısı nedeniyle eleştirilen bir yapı malzemesi olarak, halkın betonarme ilk direncini de değiştirdi. 1908'de San Francisco Denetleme Kurulu , şehrin bina kodlarını daha geniş betonarme kullanımına izin verecek şekilde değiştirdi .

1906'da Ulusal Çimento Kullanıcıları Birliği (NACU) 1 No'lu Standardı ve 1910'da Betonarme Kullanımı için Standart Bina Yönetmeliklerini yayınladı .

inşaatta kullanım

Sagrada Familia'nın çatısının inşaat demiri (2009)

Döşemeler , duvarlar , kirişler , kolonlar , temeller , çerçeveler ve daha fazlası dahil olmak üzere birçok farklı yapı ve yapı bileşeni betonarme kullanılarak inşa edilebilir .

Betonarme, prekast veya yerinde dökme beton olarak sınıflandırılabilir .

En verimli zemin sistemini tasarlamak ve uygulamak, en uygun bina yapılarını yaratmanın anahtarıdır. Bir zemin sisteminin tasarımındaki küçük değişiklikler, bir binanın malzeme maliyetleri, inşaat programı, nihai dayanım, işletme maliyetleri, doluluk seviyeleri ve nihai kullanımı üzerinde önemli etkilere sahip olabilir.

Takviye olmadan, beton malzeme ile modern yapılar inşa etmek mümkün olmazdı.

Betonarme davranışı

Malzemeler

Beton, bağlayıcı malzeme (genellikle Portland çimentosu ) ve su ile kaba (taş veya tuğla parçaları) ve ince (genellikle kum veya kırma taş) agregaların karışımıdır . Çimento az miktarda su ile karıştırıldığında , agregayı sert bir yapıya hapseden ve kilitleyen mikroskobik opak kristal kafesler oluşturmak üzere hidratlanır . Beton yapımında kullanılan agregalar, organik kirlilikler, silt, kil, linyit vb. gibi zararlı maddelerden arındırılmış olmalıdır. Tipik beton karışımları, basınç gerilmelerine karşı yüksek dirence sahiptir (yaklaşık 4,000 psi (28 MPa)); ancak, herhangi bir kayda değer gerilim ( örneğin, eğilme nedeniyle ) mikroskobik katı kafesin kırılmasına ve betonun çatlamasına ve ayrılmasına neden olacaktır. Bu nedenle, tipik donatısız beton, gerilimin gelişmesini önlemek için iyi desteklenmelidir.

Çelik gibi çekme dayanımı yüksek bir malzeme betona yerleştirilirse, kompozit malzeme, yani betonarme, yalnızca sıkıştırmaya değil, eğilme ve diğer doğrudan çekme hareketlerine de direnç gösterir. Betonun basınca ve donatı " inşaat demirinin " gerginliğe dayandığı bir kompozit bölüm , inşaat sektörü için hemen hemen her şekil ve boyutta yapılabilir.

Temel özellikler

Üç fiziksel özellik, betonarme betona özel özelliklerini verir:

  1. Termal genleşme katsayısı betonun nedeniyle farklılıklara geniş iç gerilimlerin ortadan kalkmasını çelik, benzer olan termal genişleme veya daralma.
  2. Beton içindeki çimento hamuru sertleştiğinde, bu, çeliğin yüzey detaylarına uyar ve farklı malzemeler arasında herhangi bir gerilimin verimli bir şekilde iletilmesine izin verir. Genellikle çelik çubuklar , beton ve çelik arasındaki bağı veya kohezyonu daha da geliştirmek için pürüzlendirilir veya olukludur .
  3. Alkali tarafından sağlanan kimyasal ortamı alkali rezervi (KOH, NaOH) ve portlandit ( kalsiyum hidroksit sertleştirilmiş çimento hamurunda bulunan) bir neden pasifleştirici için çok daha fazla dirençli olmasını, çeliğin yüzeyinde formuna filmin korozyon bu olduğundan daha nötr veya asidik koşullarda olun. Çimento hamuru atmosferik CO hava ve meteor su tepki verir maruz kaldığı zaman 2 , portlandit ve kalsiyum silikat hidrat , sertleştirilmiş çimento (CSH) haline tedricen gazlı ve yüksek pH yavaş yavaş 13.5 azalır yapıştırma - 12.5, 8.5 Kalsit ( kalsiyum karbonat ) ile dengede olan suyun pH'ı ve çelik artık pasifleştirilmez.

Genel bir kural olarak, yalnızca büyüklük dereceleri hakkında bir fikir vermek için, çelik pH ~11'in üzerindeyken korunur, ancak beton karbonatlaştığında çelik özelliklerine ve yerel fiziko-kimyasal koşullara bağlı olarak ~10'un altında korozyona başlar. Betonun Karbonasyon birlikte klorür girişi başarısızlığının başlıca nedenlerinden arasındadır takviye çubukları beton.

Tipik betonarme için gerekli çeliğin göreli kesit alanı genellikle oldukça küçüktür ve çoğu kiriş ve döşeme için %1'den bazı kolonlar için %6'ya kadar değişir. Takviye çubukları normalde yuvarlak kesitlidir ve çapları değişir. Betonarme yapılar bazen nem ve nemlerini kontrol etmek için havalandırmalı içi boş çekirdekler gibi hükümlere sahiptir.

Düşey betonarme elemanların enkesiti boyunca betonun (donatıya rağmen) dayanım özelliklerinin dağılımı homojen değildir.

Donatı ve betonun birleşik hareket mekanizması

Çelik çubuk gibi bir betonarme yapıdaki donatı, yük altında iki malzemenin süreksizliğini, kaymasını veya ayrılmasını önlemek için çevreleyen betonla aynı gerinme veya deformasyona uğramalıdır. Kompozit hareketi sürdürmek, beton ve çelik arasında yük transferini gerektirir. Direkt gerilme, donatı çubuğundaki çekme gerilmesini uzunluğu boyunca değiştirmek için betondan bar ara yüzüne aktarılır. Bu yük aktarımı, bağ (ankraj) vasıtasıyla sağlanır ve çelik-beton ara yüzeyinin yakınında gelişen sürekli bir gerilim alanı olarak idealleştirilir. İki farklı malzeme bileşeninin beton ve çeliğin birlikte çalışabilmesinin nedenleri şunlardır: (1) Donatı betona iyi bir şekilde bağlanabilir, böylece birlikte dış yüklere dayanabilir ve deforme olabilir. (2) Beton ve çeliğin termal genleşme katsayıları o kadar yakındır (beton için 1.0×10-5~1.5×10-5 ve çelik için 1.2×10-5), ikisi arasındaki bağda termal gerilimin neden olduğu hasar bileşenler önlenebilir. (3) Beton, gömülü çeliği korozyondan ve yüksek sıcaklık kaynaklı yumuşamadan koruyabilir.

Betonda ankraj (bağ): Spesifikasyon kodları

Gerçek bağ gerilimi, bir gerilim bölgesinde sabitlenmiş bir çubuğun uzunluğu boyunca değiştiğinden, mevcut uluslararası şartname kodları, bağ gerilimi yerine geliştirme uzunluğu kavramını kullanır. Bağ kopmasına karşı güvenlik için temel gereklilik, çeliğin akma gerilmesini geliştirmesi gereken noktanın ötesinde çubuğun uzunluğunun yeterli bir şekilde uzatılmasını sağlamaktır ve bu uzunluk en az geliştirme uzunluğuna eşit olmalıdır. Ancak, mevcut mevcut uzunluk tam geliştirme için yetersizse, dişliler veya kancalar veya mekanik uç plakaları gibi özel ankrajlar sağlanmalıdır. Aynı kavram, ekleme bölgesinde gerekli stres sürekliliğini korumak için iki bitişik çubuk arasında sağlanan eklerin (örtüşen) olduğu kodlarda belirtilen bindirmeli ekleme uzunluğu için de geçerlidir.

Korozyon önleyici tedbirler

Islak ve soğuk iklimlerde, yollar, köprüler, park yapıları ve buz çözücü tuza maruz kalabilecek diğer yapılar için betonarme, kaplamasız, düşük karbon/krom (mikro kompozit), epoksi kaplamalı gibi korozyona dayanıklı donatıların kullanımından yararlanabilir. , sıcak daldırma galvanizli veya paslanmaz çelik inşaat demiri. İyi tasarım ve iyi seçilmiş bir beton karışımı, birçok uygulama için ek koruma sağlayacaktır. Kaplamasız, düşük karbonlu/kromlu inşaat demiri, kaplama olmaması nedeniyle standart karbon çeliği inşaat demirine benzer; korozyona karşı son derece dayanıklı özellikleri, çelik mikro yapının doğasında vardır. Pürüzsüz, koyu kömür kaplamasında ASTM tarafından belirtilen benzersiz değirmen işaretiyle tanımlanabilir. Epoksi kaplı inşaat demiri, epoksi kaplamasının açık yeşil rengi ile kolayca tanımlanabilir. Sıcak daldırma galvanizli inşaat demiri, maruz kalma süresine bağlı olarak parlak veya donuk gri olabilir ve paslanmaz inşaat demiri, karbon çeliği takviye çubuğundan kolaylıkla ayırt edilebilen tipik bir beyaz metalik parlaklık sergiler. Referans ASTM standart spesifikasyonları A1035/A1035M Deforme ve Düz Düşük Karbonlu, Krom, Beton Takviye için Çelik Çubuklar için Standart Spesifikasyon , A767 Sıcak Daldırma Galvanizli Takviye Barları için Standart Spesifikasyon , A775 Epoksi Kaplı Çelik Takviye Barları için Standart Spesifikasyon ve A955 Deforme Edilmiş için Standart Spesifikasyon ve Beton Donatı için Düz Paslanmaz Çubuklar.

İnşaat demirlerini korumanın daha ucuz bir yolu da onları çinko fosfatla kaplamaktır . Çinko fosfat , çimento boşluk suyunda bulunan kalsiyum katyonları ve hidroksil anyonları ile yavaş yavaş reaksiyona girer ve kararlı bir hidroksiapatit tabakası oluşturur.

Nüfuz eden dolgu macunları tipik olarak kürlendikten bir süre sonra uygulanmalıdır. Sızdırmazlık malzemeleri arasında boya, plastik köpükler, filmler ve alüminyum folyolar , katranla kapatılmış keçeler veya kumaş paspaslar ve bazen yol yataklarını kapatmak için kullanılan bentonit kil katmanları bulunur .

Kalsiyum nitrit [Ca(NO 2 ) 2 ] gibi korozyon önleyiciler de beton dökülmeden önce su karışımına eklenebilir. Genel olarak, 1-2 wt. İnşaat demirlerinin korozyonunu önlemek için çimento ağırlığına göre % [Ca(NO 2 ) 2 ] gereklidir. Nitrit anyonu, aşındırıcı çeliğin yüzeyinde bulunan çözünür ve hareketli demir iyonlarını (Fe 2+ ) oksitleyen ve bunların çözünmeyen bir demir hidroksit (Fe(OH) 3 ) olarak çökelmesine neden olan hafif bir oksitleyicidir . Bu, anodik oksidasyon bölgelerinde çeliğin pasifleşmesine neden olur . Nitrit, iki değerlikli demirin daha az güçlü bir oksitleyicisi olan nitrattan çok daha aktif bir korozyon önleyicidir .

Kirişlerin güçlendirilmesi ve terminolojisi

Hem takviye çeliği hem de altındaki garaj seviyesi için tavan aydınlatmasını kurmak için gerekli olan kabloları, bağlantı kutularını ve diğer elektrikli bileşenleri içerecek olan, kapalı otopark levhasına entegre iki kesişen kiriş.
Galler , Cardiff Bay yakınlarındaki yeni bir yolun parçası olan yükseltilmiş bir yola yerleştirilen son ışının kısa bir videosu

Bir kiriş , eğilme momenti altında eğilerek küçük bir eğriliğe neden olur. Eğriliğin dış yüzünde (çekme yüzü) beton çekme gerilimi yaşarken, iç yüzde (basınç yüzü) basınç gerilimi yaşar.

Bir tek başına takviye kiriş gerilimi direnecek şekilde tasarlanmıştır, gerilimsiz çelik denilen, beton eleman sadece çekme yüz ve takviye yakın takviye edildiği bir tanesidir.

Bir çift takviye kiriş gerilme takviye yanında beton elemanı beton, sıkıştırılmaya karşı direnç ve stresleri çekmek yardımcı olmak için sıkıştırma yüzeyinin yakınında takviye edildiği bir kesittir. İkinci takviye, sıkıştırma çeliği olarak adlandırılır. Bir betonun basınç bölgesi, basınç momentine (pozitif moment) direnmek için yetersiz olduğunda, mimarın kesit boyutlarını sınırlandırması durumunda ekstra donatı sağlanmalıdır.

Yetersiz takviyeli kiriş, çekme takviyesinin çekme kapasitesinin, betonun ve sıkıştırma çeliğinin (çekme yüzeyinde az takviyeli) birleşik sıkıştırma kapasitesinden daha küçük olduğu bir kiriştir. Betonarme eleman artan eğilme momentine maruz kaldığında, beton nihai kırılma durumuna ulaşmazken çekme çeliği akmaktadır. Çekme çeliği akıp esnedikçe, "yetersiz takviyeli" bir beton da sünek bir şekilde akarak büyük bir deformasyon sergiler ve nihai başarısızlığından önce uyarı verir. Bu durumda çeliğin akma gerilimi tasarımı yönetir.

Aşırı güçlendirilmiş kiriş, çekme çeliğinin çekme kapasitesinin, betonun ve sıkıştırma çeliğinin (çekme yüzeyinde aşırı güçlendirilmiş) birleşik sıkıştırma kapasitesinden daha büyük olduğu bir kiriştir. Bu nedenle, "aşırı betonarme" kiriş, basınç bölgesindeki betonun ezilmesiyle ve çekme bölgesi çeliği akmalarından önce başarısız olur, bu da göçme anlık olduğu için arıza öncesi herhangi bir uyarı sağlamaz.

Bir dengeli takviyeli kiriş basınç ve çekme bölgeleri hem de ışın ile aynı uygulanan yükte elde bastıkları biridir ve beton ezecek ve gerilimli çelik aynı zamanda verecektir. Bununla birlikte, bu tasarım kriteri, aşırı güçlendirilmiş beton kadar risklidir, çünkü beton, çekme çeliği akmalarıyla aynı anda ezildiğinden, kırılma ani olur, bu da çekme kırılmasında çok az sıkıntı uyarısı verir.

Çelik takviyeli beton moment taşıyan elemanlar, normal olarak, yapı kullanıcılarının yaklaşan bir çöküş uyarısını alabilmeleri için, yetersiz güçlendirilecek şekilde tasarlanmalıdır.

Karakteristik dayanım örnek gösterir% 5'ten daha az mukavemeti daha düşük bir malzemenin mukavemetidir.

Tasarım gücü ya da , nominal gücü bir malzeme güvenlik faktörü de dahil olmak üzere bir malzemenin mukavemeti vardır. Güvenlik faktörünün değeri, İzin verilen stres tasarımında genellikle 0,75 ila 0,85 arasında değişir .

Nihai sınır durumu belirli bir olasılık ile, teorik yetmezliği noktasıdır. Faktörlü yükler ve faktörlü dirençler altında belirtilmiştir.

Betonarme yapılar normalde kural ve düzenlemelere veya ACI-318, CEB, Eurocode 2 veya benzerleri gibi bir kodun tavsiyesine göre tasarlanır. RC yapı elemanlarının tasarımında WSD, USD veya LRFD yöntemleri kullanılmaktadır. RC elemanlarının analizi ve tasarımı doğrusal veya doğrusal olmayan yaklaşımlar kullanılarak gerçekleştirilebilir. Güvenlik faktörlerini uygularken, bina yönetmelikleri normalde doğrusal yaklaşımlar önerir, ancak bazı durumlarda doğrusal olmayan yaklaşımlar. Doğrusal olmayan sayısal simülasyon ve hesaplama örneklerini görmek için referansları ziyaret edin:

öngerilmeli beton

Öngerilmeli beton, beton kirişlerin yük taşıma gücünü büyük ölçüde artıran bir tekniktir. Hizmette iken çekme kuvvetlerine maruz kalacak olan kirişin alt kısmındaki donatı çeliği, etrafına beton dökülmeden önce gerdirilerek yerleştirilir. Beton sertleştiğinde, donatı çeliği üzerindeki gerilim serbest bırakılır ve betona yerleşik bir basınç kuvveti uygulanır. Yükler uygulandığında, donatı çeliği daha fazla gerilme alır ve betondaki basınç kuvveti azalır, ancak bir çekme kuvveti haline gelmez. Beton her zaman basınç altında olduğu için çatlama ve kırılmaya daha az maruz kalır.

Çelik takviyeli betonun yaygın arıza modları

Betonarme, yetersiz dayanım, mekanik arızaya yol açma veya dayanıklılığındaki azalma nedeniyle başarısız olabilir. Korozyon ve donma/çözülme döngüleri, kötü tasarlanmış veya inşa edilmiş betonarme betona zarar verebilir. İnşaat demiri aşındığında, oksidasyon ürünleri ( pas ) genişler ve pul pul dökülme eğilimi gösterir, betonu çatlar ve inşaat demirini betondan ayırır. Dayanıklılık sorunlarına yol açan tipik mekanizmalar aşağıda tartışılmaktadır.

mekanik arıza

Beton kesitin çatlamasını önlemek neredeyse imkansızdır; ancak, çatlakların boyutu ve konumu, uygun donatı, kontrol derzleri, kür metodolojisi ve beton karışımı tasarımı ile sınırlandırılabilir ve kontrol edilebilir. Çatlama, nemin nüfuz etmesine ve donatıyı aşındırmasına izin verebilir. Bu bir hizmet verebilirlik içinde başarısızlık sınırı devlet tasarımı . Çatlama, normalde yetersiz miktarda inşaat demiri veya çok büyük bir mesafeye yerleştirilmiş inşaat demiri sonucudur. Beton daha sonra ya aşırı yükleme altında ya da sertleşirken erken termal büzülme gibi iç etkilerden dolayı çatlar.

Çökmeye yol açan nihai göçme, basınç gerilmeleri mukavemetini aştığında meydana gelen betonun ezilmesinden, eğilme veya kesme gerilmeleri donatının mukavemetini aştığında inşaat demirinin akması veya yenilmesinden veya beton ile beton arasındaki bağ kopmasından kaynaklanabilir. inşaat demiri.

karbonatlaşma

Çelik donatı paslanır ve şişer gibi beton duvar çatlaması. Pas, metalden daha düşük bir yoğunluğa sahiptir, bu nedenle oluştukça genişler, duvardaki dekoratif kaplamayı çatlatmanın yanı sıra yapısal betona da zarar verir. Bir yüzeyden materyalin kırılması olarak isimlendirilir pul pul .
Muhtemelen çelik ile yüzey arasında çok ince bir beton tabakasının neden olduğu ve dış maruziyetten kaynaklanan korozyonun neden olduğu kabarmanın ayrıntılı görünümü.

Karbonasyon veya nötralizasyon, havadaki karbondioksit ile betondaki kalsiyum hidroksit ve hidratlı kalsiyum silikat arasındaki kimyasal reaksiyondur .

Bir beton yapı tasarlanırken, genellikle inşaat demiri için beton kaplamanın (nesne içindeki inşaat demirinin derinliği) belirtilmesi olağandır . Asgari beton kaplama normalde tasarım veya bina yönetmelikleri ile düzenlenir . Donatı yüzeye çok yakın ise korozyon nedeniyle erken kırılmalar meydana gelebilir. Beton örtü derinliği örtü ölçer ile ölçülebilir . Bununla birlikte, karbonatlı beton, yalnızca takviye çeliğinin elektropotansiyel korozyonuna neden olacak yeterli nem ve oksijen olduğunda bir dayanıklılık sorununa neden olur.

Karbonatlaştırma için bir yapı test için bir yöntem için matkap sathında yeni bir delik ve daha sonra, kesik yüzeyleri muamele fenolftalein belirteç çözeltisi. Bu çözelti alkali beton ile temas ettiğinde pembeye dönerek karbonatlaşmanın derinliğini görmeyi mümkün kılar. Mevcut bir deliğin kullanılması yeterli değildir çünkü açıkta kalan yüzey zaten karbonatlanmış olacaktır.

klorürler

Klorürler , yeterince yüksek konsantrasyonda mevcutsa gömülü inşaat demirinin korozyonunu teşvik edebilir . Klorür anyonları , çelik takviyelerin hem yerel korozyonunu ( oyuk korozyonu ) hem de genel korozyonu indükler . Bu nedenle beton karıştırmak için sadece taze ham su veya içme suyu kullanılmalı, iri ve ince agregaların klorür içerebilecek katkılar yerine klorür içermediğinden emin olunmalıdır.

Bir kanalizasyon pompa istasyonunun temelleri ve duvarları için inşaat demiri.
Paulins öldürmek Viyadüğü , Hainesburg, New Jersey, uzun 115 feet (35 m) ve uzun 1.100 fit (335 m) ve bunun bir parçası olarak 1910 yılında tamamlandı dünyanın en büyük betonarme yapı olarak görülmesine Lackawanna Cut-Off demiryolu hattı projesi. Lackawanna Demiryolu betonarme kullanımında bir öncü.

Kalsiyum klorürün betonun hızlı bir şekilde sertleşmesini sağlamak için bir katkı maddesi olarak kullanılması bir zamanlar yaygındı . Ayrıca yanlışlıkla donmayı önleyeceğine inanılıyordu. Ancak, klorürlerin zararlı etkileri bilindiğinde bu uygulama gözden düştü. Mümkün olduğunda kaçınılmalıdır.

Yollarda suyun donma noktasını düşürmek için kullanılan buz çözücü tuzların kullanımı , muhtemelen betonarme veya öngerilmeli beton köprü tabliyelerinin, yolların ve otoparkların erken bozulmasının başlıca nedenlerinden biridir. Kullanımı epoksi kaplı takviye çubukları ve uygulama katodik koruma da bir dereceye kadar sorunu azaltmıştır. Ayrıca FRP (elyaf takviyeli polimer) inşaat demirlerinin klorürlere karşı daha az duyarlı olduğu bilinmektedir. Düzgün bir şekilde kürlenmesine izin verilen uygun şekilde tasarlanmış beton karışımları, buz çözücülerin etkilerine karşı etkin bir şekilde geçirimsizdir.

Klorür iyonlarının bir diğer önemli kaynağı da deniz suyudur . Deniz suyu ağırlıkça yaklaşık %3,5 oranında tuz içerir. Bu tuzlar arasında sodyum klorür , magnezyum sülfat , kalsiyum sülfat ve bikarbonatlar bulunur . Suda bu tuzlar serbest iyonlarda (Na + , Mg 2+ , Cl , SO 4 2− , HCO 3 ) ayrışır ve su ile birlikte betonun kılcal damarlarına göç eder . Bu iyonların yaklaşık %50'sini oluşturan klorür iyonları, karbon çeliği donatı çubuklarının korozyonunun bir nedeni olarak özellikle agresiftir.

1960'larda ve 1970'lerde , klorür açısından zengin bir karbonat minerali olan manyezitin zemin kaplama malzemesi olarak kullanılması nispeten yaygındı . Bu, esas olarak bir tesviye ve ses azaltıcı katman olarak yapıldı. Bununla birlikte, bu malzemelerin nem ile temas ettiğinde manyezit içindeki klorürlerin varlığından dolayı zayıf bir hidroklorik asit çözeltisi ürettikleri artık bilinmektedir . Belirli bir süre (tipik olarak on yıllar) boyunca çözüm , gömülü inşaat demirlerinin korozyona uğramasına neden olur . Bu en yaygın olarak ıslak alanlarda veya tekrar tekrar neme maruz kalan alanlarda bulundu.

Alkali silika reaksiyonu

Bu , bazen agregalarda bulunan amorf silikanın ( kalsedon , çört , silisli kireçtaşı ) çimento gözenek çözeltisinden hidroksil iyonları (OH - ) ile reaksiyonudur . Kötü kristalize silika (SiO 2 ), alkali suda yüksek pH'da (12.5 - 13.5) çözünür ve ayrışır. Çözünebilir ayrışmış silisik asit , gözenek suyunda, geniş bir kalsiyum silikat hidrat (CSH) oluşturmak için çimento hamurunda bulunan kalsiyum hidroksit ( portlandit ) ile reaksiyona girer . Alkali silika reaksiyonu (ASR) sorumlu şişme lokalize neden olur çekme gerilimi ve çatlama . Alkali silika reaksiyonu için gerekli koşullar üç katlıdır: (1) alkali reaktif bir bileşen (amorf silika) içeren agrega, (2) hidroksil iyonlarının yeterli mevcudiyeti (OH - ) ve (3) %75 bağıl nemin üzerinde yeterli nem (RH) beton içinde. Bu fenomene bazen halk arasında " somut kanser " denir . Bu reaksiyon, donatıların varlığından bağımsız olarak gerçekleşir; barajlar gibi masif beton yapılar etkilenebilir.

Yüksek alümina çimentosunun dönüştürülmesi

Zayıf asitlere ve özellikle sülfatlara karşı dayanıklı olan bu çimento, çabuk kürleşir ve çok yüksek dayanıklılık ve mukavemete sahiptir. Dünya Savaşı'ndan sonra prekast beton nesneler yapmak için sıklıkla kullanıldı . Bununla birlikte, özellikle uygun şekilde kürlenmediğinde, ısı veya zamanla (dönüştürme) gücünü kaybedebilir. Yüksek alümina çimentosu kullanılarak öngerilmeli beton kirişlerden yapılmış üç çatının çökmesinden sonra, bu çimento 1976'da İngiltere'de yasaklandı . Konuyla ilgili daha sonraki araştırmalar, kirişlerin yanlış üretildiğini gösterdi, ancak yasak devam etti.

sülfatlar

Toprakta veya yeraltı suyunda yeterli konsantrasyonda bulunan sülfatlar (SO 4 ), betondaki Portland çimentosu ile reaksiyona girerek, örneğin etrenjit veya taumasit gibi genleşme ürünlerinin oluşumuna neden olarak yapının erken bozulmasına neden olabilir. Bu tipin en tipik saldırısı, sülfat iyonunun alternatif ıslanma ve kurutma yoluyla konsantrasyonunda artabileceği derecelerde beton levhalar ve temel duvarları üzerindedir. Konsantrasyon arttıkça Portland çimentosuna saldırı başlayabilir. Boru gibi gömülü yapılar için bu tür saldırılar, özellikle Amerika Birleşik Devletleri'nin doğusunda çok daha nadirdir. Sülfat iyon konsantrasyonu toprak kütlesinde çok daha yavaş artar ve özellikle doğal topraktaki başlangıçtaki sülfat miktarına bağlıdır. Doğal toprakla temas halindeki betonu içeren herhangi bir projenin tasarım aşamasında, sülfatların varlığını kontrol etmek için toprak sondajlarının kimyasal analizi yapılmalıdır. Konsantrasyonların agresif olduğu tespit edilirse, çeşitli koruyucu kaplamalar uygulanabilir. Ayrıca ABD'de ASTM C150 Tip 5 Portland çimentosu karışımda kullanılabilir. Bu tip çimento, özellikle sülfat saldırısına karşı dirençli olacak şekilde tasarlanmıştır.

Çelik levha konstrüksiyonu

Çelik levha yapımında, kirişler paralel çelik levhaları birleştirir. Plaka tertibatları saha dışında üretilir ve kirişlerle birbirine bağlanan çelik duvarlar oluşturmak için sahada birbirine kaynaklanır. Duvarlar, betonun döküldüğü form haline gelir. Çelik levha konstrüksiyon, inşaat demiri ve bina formlarının bağlanması için zaman alan yerinde manuel adımları ortadan kaldırarak betonarme inşaatı hızlandırır. Yöntem, çelik, çekme kuvvetlerinin genellikle en büyük olduğu dış tarafta olduğu için mükemmel bir mukavemet ile sonuçlanır.

Fiber takviyeli beton

Fiber donatı esas olarak püskürtme betonda kullanılır , ancak normal betonda da kullanılabilir. Fiber takviyeli normal beton çoğunlukla zemin üstü zeminler ve kaldırımlar için kullanılır, ancak aynı zamanda tek başına veya elle bağlanmış inşaat demiri ile çok çeşitli inşaat parçaları (kirişler, sütunlar, temeller vb.) için de düşünülebilir.

Liflerle (genellikle çelik, cam , plastik liflerdir ) veya Selüloz polimer liflerle güçlendirilmiş beton, elle bağlanmış inşaat demirinden daha ucuzdur. Elyafın şekli, boyutu ve uzunluğu önemlidir. İnce ve kısa bir lif, örneğin kısa, kıl şeklinde cam lifi, yalnızca beton döküldükten sonraki ilk saatlerde etkilidir (işlevi beton sertleşirken çatlamayı azaltmaktır), ancak betonun çekme mukavemetini artırmaz. . Avrupa püskürtme betonu için normal boyutlu bir elyaf (1 mm çap, 45 mm uzunluk - çelik veya plastik) betonun çekme mukavemetini artıracaktır. Fiber takviye çoğunlukla birincil inşaat demirini desteklemek veya kısmen değiştirmek için kullanılır ve bazı durumlarda inşaat demirinin tamamen yerini alacak şekilde tasarlanabilir.

Çelik, yaygın olarak bulunan en güçlü elyaftır ve farklı uzunluklarda (Avrupa'da 30 ila 80 mm) ve şekillerde (uç kancaları) gelir. Çelik lifler sadece korozyon ve pas lekelerini tolere edebilen veya önleyebilen yüzeylerde kullanılabilir. Bazı durumlarda, çelik lifli bir yüzey diğer malzemelerle karşı karşıyadır.

Cam elyaf ucuzdur ve korozyona dayanıklıdır, ancak çelik kadar sünek değildir. Son zamanlarda, Doğu Avrupa'da uzun süredir mevcut olan eğrilmiş bazalt elyaf , ABD ve Batı Avrupa'da kullanılabilir hale geldi. Bazalt lifi camdan daha güçlü ve daha ucuzdur, ancak tarihsel olarak Portland çimentosunun alkali ortamına doğrudan takviye olarak kullanılacak kadar iyi direnmemiştir. Yeni malzemeler, bazalt lifini çimentodan izole etmek için plastik bağlayıcılar kullanır.

Birinci sınıf lifler, neredeyse çelik kadar güçlü, daha hafif ve korozyona dayanıklı grafit takviyeli plastik liflerdir. Bazı deneyler, karbon nanotüplerle umut verici erken sonuçlar verdi , ancak malzeme herhangi bir bina için hala çok pahalı.

Çelik olmayan takviye

Çelik olmayan donatı ve betonun fiber donatı konuları arasında önemli bir örtüşme vardır. Betonun çelik olmayan takviyesinin tanıtımı nispeten yenidir; iki ana form alır: metalik olmayan inşaat demiri çubukları ve çimento matrisine dahil edilen çelik olmayan (genellikle metalik olmayan) lifler. Örneğin, cam elyaf takviyeli betona (GFRC) ve betona dahil edilen polimer elyafların çeşitli uygulamalarına artan bir ilgi vardır . Şu anda bu tür malzemelerin metal inşaat demirinin yerini alacağına dair pek bir öneri olmasa da, bazılarının belirli uygulamalarda büyük avantajları vardır ve ayrıca metal inşaat demirinin bir seçenek olmadığı yeni uygulamalar da vardır. Bununla birlikte, çelik olmayan takviyelerin tasarımı ve uygulanması zorluklarla doludur. Birincisi, beton, çoğu cam türü de dahil olmak üzere birçok malzemenin hizmet ömrünün zayıf olduğu oldukça alkali bir ortamdır . Ayrıca, bu tür takviye malzemelerinin davranışı, örneğin kesme mukavemeti, sürünme ve elastikiyet açısından metallerin davranışından farklıdır.

Fiberle güçlendirilmiş plastik/polimer (FRP) ve camla güçlendirilmiş plastik (GRP), polimer , cam, karbon, aramit veya diğer polimerlerin liflerinden veya bir inşaat demiri çubuğu veya ızgara oluşturmak üzere bir reçine matrisine yerleştirilmiş yüksek mukavemetli liflerden oluşur, veya lifler. Bu inşaat demirleri, çelik inşaat demirleri ile aynı şekilde kurulur. Maliyet daha yüksektir, ancak uygun bir şekilde uygulandığında yapıların avantajları vardır, özellikle de ya içsel beton alkalinitesi ya da betona nüfuz edebilecek dış aşındırıcı sıvılar tarafından korozyonla ilgili problemlerde çarpıcı bir azalma . Bu yapılar önemli ölçüde daha hafif olabilir ve genellikle daha uzun hizmet ömrüne sahiptir . Bu malzemelerin maliyeti, havacılık ve uzay endüstrisinde ve orduda yaygın olarak benimsenmelerinden bu yana önemli ölçüde düştü.

Özellikle FRP çubuklar, çeliğin varlığının kabul edilemeyeceği yapılar için kullanışlıdır. Örneğin, MRI makineleri çok büyük mıknatıslara sahiptir ve buna göre manyetik olmayan binalar gerektirir . Yine, radyo etiketlerini okuyan gişeler , radyo dalgalarına karşı şeffaf olan betonarme gerektirir . Ayrıca, beton yapının tasarım ömrünün başlangıç ​​maliyetlerinden daha önemli olduğu durumlarda, çelik olmayan donatı, genellikle, donatı çeliğinin korozyonunun önemli bir başarısızlık nedeni olduğu avantajlara sahiptir. Bu gibi durumlarda korozyona dayanıklı takviye, örneğin gelgit bölgesi gibi bir yapının ömrünü önemli ölçüde uzatabilir . Somut yapı, örneğin gelecek yıllarda kenarlarını tehlikeye olasıdır nerede CTP çubuklar da durumlarda yararlı olabilir balkonlar zaman korkulukları değiştirilir ve banyo zemini çok katlı inşaatta nerede zemin yapısının ömrü su yalıtım yapı membranının hizmet ömrünün birçok katı olması muhtemeldir .

Plastik takviye genellikle daha güçlüdür veya en azından takviye çeliklerinden daha iyi bir mukavemet/ağırlık oranına sahiptir. Ayrıca, korozyona karşı dirençli olduğundan, çelik donatı kadar kalın (tipik olarak 30 ila 50 mm veya daha fazla) koruyucu bir beton kaplamaya ihtiyaç duymaz . FRP ile güçlendirilmiş yapılar bu nedenle daha hafif olabilir ve daha uzun süre dayanabilir. Buna göre, bazı uygulamalar için tüm kullanım ömrü maliyeti , çelik takviyeli beton ile fiyat açısından rekabetçi olacaktır.

Malzeme özellikleri CTP ya da CTP çubukların çelikten önemli bir farklılık göstermektedir, bu nedenle tasarım koşulları farklılıklar vardır. FRP veya GRP çubukları nispeten daha yüksek çekme mukavemetine ancak daha düşük sertliğe sahiptir, bu nedenle sapmaların eşdeğer çelik takviyeli birimlerden daha yüksek olması muhtemeldir. Dahili FRP takviyeli yapılar tipik olarak çelik takviyeli yapıların plastik deforme olabilirliği (süneklik) ile karşılaştırılabilir bir elastik şekil değiştirebilirliğe sahiptir. Her iki durumda da başarısızlığın, donatının kopmasından ziyade betonun sıkıştırılmasıyla meydana gelmesi daha olasıdır. Sapma, her zaman betonarme için önemli bir tasarım düşüncesidir. Su, hava veya diğer agresif maddelerin çeliğe ulaşmasını ve korozyona neden olmasını önlemek için çelik takviyeli betondaki çatlak genişliklerinin kontrol edilmesini sağlamak için sehim limitleri belirlenir. FRP ile güçlendirilmiş beton için, estetik ve muhtemelen su geçirmezlik, çatlak genişliği kontrolü için sınırlayıcı kriterler olacaktır. FRP çubuklar ayrıca çelik inşaat demirine göre nispeten daha düşük basınç dayanımlarına sahiptir ve buna bağlı olarak betonarme kolonlar için farklı tasarım yaklaşımları gerektirir .

FRP takviyesi kullanımının bir dezavantajı, sınırlı yangın direncidir. Yangın güvenliğinin dikkate alındığı durumlarda, FRP kullanan yapılar, yangın durumunda beklenen sıcaklıklarda güçlerini ve kuvvetlerin ankrajını korumalıdır. Yangına dayanıklılık amacıyla, yeterli kalınlıkta çimento beton kaplama veya koruyucu kaplama gereklidir. 1 kg / eklenmesi 3 betona polipropilen lif azaltmak için gösterilmiştir pul pul bir simüle yangın sırasında. (İyileştirmenin, beton yığınından çıkan ve buhar basıncının dağılmasına izin veren yolların oluşmasından kaynaklandığı düşünülmektedir.)

Diğer bir problem ise kesme donatısının etkinliğidir. Sertleşmeden önce bükülerek oluşturulan FRP inşaat demiri etriyeleri, çelik etriyelere veya düz lifli yapılara kıyasla genellikle nispeten zayıf performans gösterir. Gerildiğinde, düz ve eğri bölgeler arasındaki bölge güçlü eğilme, kesme ve boyuna gerilmelere maruz kalır. Bu tür problemlerin üstesinden gelmek için özel tasarım teknikleri gereklidir.

Olağanüstü mukavemet kazandırabilen kompozit (fiberglas, bazalt, karbon) inşaat demiri gibi gelişmiş malzemeler kullanılarak mevcut yapılara dış takviye uygulanmasına artan bir ilgi vardır. Dünya çapında, Aslan, DACOT, V-rod ve ComBar gibi farklı ülkeler tarafından tanınan bir dizi kompozit inşaat demiri markası vardır. ABD, Rusya ve Güney Kore'den Almanya'ya kadar tüm dünyada kompozit inşaat demiri kullanan proje sayısı her geçen gün artıyor.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma