Utófeszítés betonszerkezetekben

Az előfeszítés elvei

Az előfeszített beton olyan beton, amelyben szándékosan hoznak létre belső nyomófeszültségeket – jellemzően nagy szilárdságú acélelemek megfeszítésével – hogy ellensúlyozzák a használati terhelések hatására kialakuló húzófeszültségeket. A beton húzószilárdsága csak körülbelül 10%-a nyomószilárdságának, 2–5 MPa (300–700 psi) között mozog a betonminőségtől függően, összehasonlítva a 20–80 MPa (3000–12 000 psi) nyomószilárdsággal. Előfeszítés nélkül a beton viszonylag alacsony húzófeszültség hatására megrepedne, korlátozva a fesztávhosszakat és mélyebb keresztmetszeteket igényelve. Az előfeszítés hatékonyan késlelteti vagy megszünteti ezeket a repedéseket, olyan szerkezeti anyagot hozva létre, ami rugalmasan viselkedik használati terhelés alatt.

Az alapelv az, hogy nyomást hozzunk létre a szerkezeti elem azon részein, melyek később húzásnak lesznek kitéve az alkalmazott terhelések hatására. Egy hidraulikus sajtó a acélkábelt (sodronyt vagy rudat) a szakítószilárdság körülbelül 70–80%-ára feszíti meg – jellemzően 0,75 fpu normál alkalmazásoknál, ahol fpu az előfeszítő acél előírt szakítószilárdsága. Miután a kábelt mechanikus horgonyokkal rögzítették a betonhoz, a kábel rugalmasan megrövidül. Ez a rövidülési erő nyomásként adódik át a betonkeresztmetszetre. Amikor a használati terheléseket alkalmazzák, a keletkező húzófeszültségeknek először le kell győzniük ezt az előzetes nyomást, mielőtt nettó húzás alakulna ki a betonban.

A „könyv analógia" gyakran használatos az elv magyarázatára: rakjunk egymás mellé könyveket, és szorítsuk össze őket erősen mindkét végről. A nyomás elég súrlódást hoz létre ahhoz, hogy a könyvköteget egyetlen egységként lehessen felemelni, sőt további terhelést is elbírjon a tetején anélkül, hogy a könyvek szétesnének. A betonelem hasonlóan viselkedik előfeszítés alatt – a nyomóerő összetartja az anyagot az alkalmazott hajlítónyomatékokkal szemben.

Kulcsfontosságú feszültségállapotok egy utófeszített elemben három kritikus feltételt foglalnak magukban. Kezdeti állapot az erőátadás időpontjában: a beton össze van nyomva, és a kábel hordozza a feszítőerőt levonva az azonnali veszteségeket. Az azonnali veszteségek magukban foglalják a kábel és a csatorna közötti súrlódási veszteséget (jellemezve a kanyarodási tényezővel k és a görbületi tényezővel μ az AASHTO LRFD szerint), a beton rugalmas összenyomódását az előfeszítő erő hatására, valamint a beülési veszteséget, amikor az ékek behelyezkednek a horgonyzásba a sajtó kiengedésekor. Üzemi állapot teljes tervezési terhelés alatt: az alkalmazott terhelések húzást indukálnak, melyet a meglévő nyomás csökkent. A cél vagy a nulla húzás (teljes előfeszítés – U osztály az ACI 318 szerint), vagy a korlátozott húzás a beton húzókapacitásán belül (részleges előfeszítés – T vagy C osztály). Törési állapot: az előfeszítés hozzájárul a végső hajlítószilárdsághoz, és a keresztmetszet elemzése a vasbetonhoz hasonlóan, alakváltozási összeférhetőség és egyensúly alapján történik.

Az előfeszítés versus utófeszítés az előfeszített beton két alapvető kategóriáját képviseli. Az előfeszítésnél a kábeleket rögzített ellentámaszok között feszítik meg egy előre gyártó üzemben, mielőtt a betont bedolgoznák. Miután a beton eléri a kellő szilárdságot (jellemzően 24–48 óra alatt az előírt nyomószilárdság 70%-át), a kábeleket kiengedik, átadva az erőt a betonnak az acél és a környező beton közötti tapadás útján. Az előfeszítés hatékony a szabványos előre gyártott elemek tömeggyártásához, mint az üreges födémpanelek, dupla T-gerendák és AASHTO hídgerendák, akár körülbelül 60 m-es fesztávtartománnyal. Az utófeszítésnél a kábeleket a beton megszilárdulása után feszítik meg. A csatornákat a zsaluzatba helyezik a betonozás előtt, a betont bedolgozzák és érlelik, majd a kábeleket átfűzik a csatornákon és a megszilárdult betonhoz feszítik. Az erőátadás mechanikus horgonyzásokon keresztül történik, melyek közvetlenül a betonra támaszkodnak, nem pedig tapadás útján. Az utófeszítés 20 m-től több mint 200 m-ig terjedő fesztávokat tesz lehetővé, és ez a domináns módszer a helyszíni betonozású hidak, szegmenes építésű szerkezetek és épületfödémek esetében.

A belső és külső előfeszítés különböző szerkezeti konfigurációkra vonatkozik. A belső előfeszítés a betonkeresztmetszeten belül elhelyezkedő kábeleket használ, ami a legelterjedtebb elrendezés. A külső előfeszítés a kábeleket a betonon kívül helyezi el – például a dobozgerendák üregeiben –, és gyakran használják meglévő szerkezetek megerősítésére. A lineáris előfeszítést gerendákra, födémekre és tartószerkezetekre alkalmazzák, míg a körkörös előfeszítés a tartályok, csövek és silók kerülete köré tekert kábelekkel a belső nyomásból származó gyűrűirányú húzóerőknek áll ellen.

Utófeszítő rendszer összetevői

Előfeszítő acél – Sodronyok és rudak

Az előfeszítő acél meghatározó típusa a modern utófeszítésben a 7-huzalos sodrony, mely megfelel az ASTM A416/A416M szabványnak. Minden sodrony hat külső huzalból áll, melyek helikálisan egy egyenes központi huzal (királyhuzal) köré tekerednek 1×7 konfigurációban. A helikális tekercselés mechanikus kapcsolódást biztosít a habarcshoz (betonozott rendszerekben), és lehetővé teszi a sodrony hatékony rögzítését az ékek által. A Grade 270 sodrony (1860 MPa előírt szakítószilárdság) alacsony relaxációs jellemzőkkel a szabvány a legtöbb PT alkalmazáshoz, ahol a relaxáció 1000 óránál ≤ 2,5%-ra korlátozódik az ASTM A416 szerint.

A 0,6 hüvelykes (15,24 mm) sodrony nagyrészt felváltotta a 0,5 hüvelykes (12,7 mm) sodronyt ipari szabványként a hídépítésben, mivel nagyobb keresztmetszeti területe csökkenti az adott előfeszítő erőhöz szükséges sodronyok számát, egyszerűsítve a horgonyzási zónákat és csökkentve a csatornák zsúfoltságát. A sodronyméret-tűrések miatt a tényleges méretek eltérnek a névlegesektől; a PTI a Minimális Végső Szakítószilárdságot (MUTS) használja elfogadási kritériumként a névleges méretek helyett.

A nagy szilárdságú rudak az ASTM A722/A722M II. típus szerint alternatívát nyújtanak a sodronyokhoz képest speciális alkalmazásokhoz. A rudak Grade 150 (1035 MPa minimális folyáshatár) minőségben kaphatók, 16 mm (5/8 hüvelyk) és 50 mm (2 hüvelyk) feletti átmérőkkel. Tipikus hídalkalmazások 32 mm (1-1/4 hüvelyk) vagy 35 mm (1-3/8 hüvelyk) átmérőjű rudakat használnak keresztirányú utófeszítéshez, függőleges utófeszítéshez gerincekben és horgonyzási zónák befogásához. A rudak eredendően kevésbé érzékenyek a korrózióra, mint a sodronyok, alacsonyabb szilárdságuk, nagyobb keresztmetszeti átmérőjük és kisebb felület/térfogat arányuk miatt. Rúdrendszereket használnak talajhorgonyokhoz, sziklaporondokhoz és alapozási lekötésekhez is, ahol rövid hosszon nagy erők szükségesek.

Horgonyzó szerkezetek

Az aktív (feszítő) horgonyzások azon a végen helyezkednek el, ahol a hidraulikus sajtó a betonhoz támaszkodik. A teljes horgonyzási szerelvény több alkatrészt tartalmaz. A felvarrólemez átadja a kábel erejét a betonnak; lehet egyszerű lapos lemez kisebb kábelekhez, vagy speciális öntvény integrált befogó vasalással több sodronyos kábelekhez. A lemez alatti felfekvési feszültséget az ACI 318 előírásai korlátozzák, jellemzően 0,85 fci’ √(A₂/A₁) értékre, ahol fci’ a beton nyomószilárdsága a feszítésátadáskor, és A₂/A₁ a megtámasztó felület és a felfekvési terület aránya, maximum 2-re korlátozva. Az éklemez (többsodronyos rendszerekben) az egyes sodronyokhoz tartozó ékeket fogadja. Az ékek két- vagy háromrészes, elkeskenyedő, hőkezelt acél alkatrészek belső recézett fogakkal, melyek megfogják a sodronyt a feszítés kiengedésekor. Az ék szöge és recézési mintázata úgy van kialakítva, hogy biztonságos rögzítést biztosítson anélkül, hogy károsítaná a sodrony huzalait vagy feszültségkoncentrációt okozna. A trombita képezi az átmenetet a felvarrólemez és a csatorna között, sima utat biztosítva a kábelnek és tömítve a csatornavéget. A befogó vasalás – jellemzően spirálvasalás – körülveszi a lokális horgonyzási zónát, hogy ellenálljon a hasító és repesztő erőknek, melyek a koncentrált előfeszítő erő betonkeresztmetszetbe való szétterülésekor keletkeznek. A burkoló sapka korrózióvédelmet biztosít a kitett horgonyzás lezárásával a feszítés után.

A passzív (rögzített) horgonyzások a nem feszített véget képezik. Nem betonozott egysodronyos kábelek esetén a passzív véget jellemzően a gyárban előszerelik egy golyó alakú sajtolt idommal, mely egy betonkúphoz támaszkodik. Betonozott többsodronyos kábelek esetén a passzív vég jellemzően az aktív véghez hasonló felvarrólemezből áll, de az éklemez nélkül.

A közbenső horgonyzások az építési hézagoknál helyezkednek el, lehetővé téve a kábel egyes szakaszainak szakaszos feszítését. Ez gyakori a szegmenes hídépítésben, ahol a konzolos kábeleket minden szegmensnél megfeszítik, mielőtt a következő szegmenst betonoznák vagy elhelyeznék.

A horgonyzási zónákat a PTI terminológiája szerint két részre osztják. A lokális zóna a prizmatikus régió közvetlenül a felvarrólemez körül, beleértve a befogó vasalást és a minimális betonfedést. Az általános zóna (Saint-Venant régió) a horgonyzástól a szerkezeti elem teljes magasságával megegyező távolságig terjed, amelyen keresztül a koncentrált előfeszítő erő lineáris feszültségeloszlássá alakul.

PT csatornák

A csatornák képezik azt az üreget, amelyben a kábelt elhelyezik, és betonozott rendszerek esetén tartalmazzák a habarcsot. Kétféle csatornát használnak.

A hullámos acélcsatornák horganyzott szalagacélból spirálisan tekercseltek, körülbelül 0,6 mm (0,024 hüvelyk) minimális falvastagsággal. A hullámosítás mechanikus kapcsolatot biztosít a csatorna és a környező beton, valamint a csatorna és a habarcs között, biztosítva az együttdolgozást. Az AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások szerint a csatorna belső keresztmetszeti területének 2,0–2,5-szeresének kell lennie a kábel nettó területének. Egy 19 sodronyos 0,6 hüvelykes kábel esetén, melynek teljes acélterülete 2660 mm², a minimális csatornaterület 5320 mm², ami körülbelül 82 mm-es belső csatornaátmérőnek felel meg. A gyakorlatban a belső csatornaátmérők körülbelül 60 mm-től kis kábelek esetén több mint 200 mm-ig terjednek nagy többsodronyos kábeleknél. Az acélcsatornákat horganyzni kell a korrózió elleni védelem érdekében, és megfelelően alá kell támasztani a zsaluzatban, hogy megakadályozzák az elmozdulást a beton bedolgozása során.

A HDPE (műanyag) csatornák nagy sűrűségű polietilénből készülnek, hullámos vagy bordázott külső felülettel a betonhoz való tapadás érdekében. A műanyag csatornák számos előnnyel rendelkeznek: eredendően korrózióállóak, nincs galvanikus kapcsolódás az acéllal, vízzáró burkolatot biztosítanak megfelelő csatlakoztatás esetén, alacsonyabb súrlódási tényezővel rendelkeznek, mint az acélcsatornák, és elég rugalmasak az ívelt nyomvonalak követéséhez törés nélkül. A műanyag csatornák UV-védelmet igényelnek, ha beépítés előtt napfénynek kitett helyen tárolják őket, és a csatlakozásoknál megfelelően kell összekötni a habarcsszivárgás megakadályozása érdekében. A műanyag csatornákat egyre inkább előnyben részesítik agresszív környezetben, és az FHWA PL-3 kábelvédelmi szintje előírja őket.

Injektáló habarcs

A cementalapú injektáló habarcs az az anyag, melyet a csatornába pumpálnak a feszítés után, hogy kötést hozzon létre a kábel és a környező beton között (betonozott rendszerekben), valamint korrózióvédelmet biztosítson lúgos környezet révén. A PTI M55.1 (Specifikáció utófeszített szerkezetek injektálására) szerint a habarcsnak szigorú követelményeknek kell megfelelnie: víz/cement tényező ≤ 0,44; 28 napos nyomószilárdság ≥ 35 MPa (5000 psi) az ASTM C109 szerint; nulla vérzésvíz a kezdeti keverés után az ASTM C940 szerint; műanyag tágulás 0–10% 3 óra után az ASTM C1741 szerint; kifolyási idő 11–30 másodperc az ASTM C939 szerint; maximális kloridion-tartalom < 0,08 tömeg% a cementkötőanyagra vonatkoztatva; és folyósság megtartása ≥ 30 percig a keverés után. Az előre csomagolt habarcsok erősen ajánlottak a konzisztencia és minőségellenőrzés érdekében. A tixotróp habarcsok – melyek nyugalmi állapotban megszilárdulnak, de keverés hatására folyósak – függőleges kábeleknél használatosak, ahol a megereszkedés vagy kifolyás problémát jelentene.

Burkolórendszerek

A burkolt kábel teljes egészében vízzáró burkolatba van zárva a végétől a végéig. A rendszer magában foglalja a műanyag köpenyt (nem betonozott esetben) vagy műanyag csatornát (betonozott esetben), a korróziógátló bevonatot, egy burkoló sapkát minden horgonyzás felett, valamint tömített trombita- és toldócsatlakozásokat. Az FHWA négy kábelvédelmi szintet határoz meg: PL-1A (szabványos belső), PL-1B (szabványos külső), PL-2 (fokozott védelem mérsékelt kitettséghez) és PL-3 (maximális védelem agresszív környezetekhez, teljesen burkolt rendszerekkel, műanyag csatornákkal és lezárt horgonyzásokkal).

Betonozott versus nem betonozott utófeszítés

Betonozott PT rendszerek

A betonozott utófeszítésnél az előfeszítő acélt egy hullámos csatornába (acél vagy műanyag) helyezik, melyet a betonba betonoznak. Miután a beton eléri a kellő szilárdságot és a kábeleket megfeszítették, cementalapú injektáló habarcsot pumpálnak a csatornába nyomás alatt, teljesen kitöltve minden üreget a kábelek körül. Miután a habarcs megszilárdul, állandó mechanikai és kémiai kötést hoz létre a kábel és a környező beton között.

A betonozott kábel nem mozoghat a betonhoz képest az injektálás után – az erőátadás tapadási feszültségen keresztül történik egy rövid átadási hosszon. A habarcs lúgos környezetet biztosít (pH 12,5–13), ami passziválja az acélfelületet, stabil vas-oxid réteget képezve, ami ellenáll a korróziónak. Törési terhelésnél a betonozott sodronyok elérhetik a folyáshatárukat, mert a tapadás lehetővé teszi az alakváltozási összeférhetőséget a szomszédos betonnal. A betonozott rendszerek ellenállást biztosítanak a fokozatos összeomlással szemben – ha egy sodrony eltörik, a betonozott sodrony rövid távolságon belül ki tudja fejteni az erejét a habarcsba, megakadályozva a katasztrofális terjedést.

Alkalmazások közé tartoznak a hidak (szegmenes, helyszíni betonozású, toldott gerendák), nagy átereszű gerendák épületekben, nagy terhelésű szerkezetek, valamint tengeri vagy agresszív környezetben lévő szerkezetek, ahol kiváló korrózióvédelem elengedhetetlen.

Hátrányok közé tartozik a szakképzett injektálási műveletek szigorú minőségellenőrzéssel és vizsgálattal történő elvégzésének követelménye, a magasabb súrlódási veszteségek (acélcsatornák kanyarodási tényezője k = 0,0002/ft és görbületi tényezője μ = 0,15–0,25 az AASHTO szerint), a belső betonozott kábelek nem cserélhetők, valamint a vízzáró csatornák szükségessége a habarcsszivárgás megakadályozására.

Nem betonozott PT rendszerek

A nem betonozott utófeszítésnél minden sodronyt egyedileg vonnak be korróziógátló zsírral, és zökkenőmentes műanyag (HDPE) köpennyel látnak el, amelyen keresztül a sodrony szabadon mozoghat a betonhoz képest. Az erőátadás csak a véghorgonyzásokon keresztül történik, valamint külső kábelek esetén a közbenső eltérítőkön keresztül.

Törési terhelésnél a nem betonozott sodrony feszültsége korlátozott, mert az alakváltozás nem összeférhető a szomszédos betonnal. A feszültség a névleges hajlítószilárdságnál (fps) nem betonozott kábelekre az ACI 318 szerint számítható egyszerűsített egyenletekkel, melyek figyelembe veszik a fesztáv-magasság arányt és a betonozott vasalás arányát. A nem betonozott rendszerek alacsonyabb súrlódási veszteségekkel rendelkeznek, mint a betonozott rendszerek, mert nincs habarcsérintkezés a hossz mentén. Az egysodronyos (monosodrony) a legelterjedtebb konfiguráció épületalkalmazásokhoz.

Alkalmazások közé tartoznak az épületfödémek (emeletközi és talajon lévők), parkolóházak, alaptestek, gerendák és tartók épületekben, valamint olyan szerkezetek, ahol későbbi módosításra lehet szükség.

Előnyök közé tartozik a gyors beépítés (nincs injektálás és nincs kötési idő), a cserélhetőség (a nem betonozott sodronyok feszültségmentesíthetők és kihúzhatók), az alacsonyabb súrlódási veszteségek, melyek kevesebb sodronyt igényelnek azonos előfeszítő erőhöz, a csökkent lehajlás az azonos betonozott szelvényekhez képest, és a jövőbeli nyílások könnyebb kialakítása.

Hátrányok közé tartozik az alacsonyabb korrózióvédelem (csak zsír és műanyag köpeny), a sérülékenység a horgonyzásoknál, ahol víz juthat be a zsilipnél, a fokozatos összeomlás lehetősége a horgonyzások meghibásodása esetén, az alacsonyabb végső hajlítószilárdság az azonos betonozott rendszerekhez képest, a nagyobb hosszú távú lehajlás tartós terhelés alatt, és több nem előfeszített vasalás szükségessége az előírások szerint.

Összehasonlító táblázat

Hibrid rendszerek

A betonozott és nem betonozott rendszerek egyetlen szerkezeten belül is keverhetők. Például nem betonozott monosodrony kábelek a tipikus födémszinteken, betonozott többsodronyos kábelekkel az áteresző gerendákban és oszlopokban. Ez a megközelítés optimalizálja az egyes rendszerek előnyeit – gyors beépítés és cserélhetőség a födémekhez, valamint nagy végső szilárdság és kiváló korrózióvédelem a kritikus szerkezeti elemekhez.

Injektálás és korrózióvédelem

Cementalapú injektáló habarcs követelményei

Az injektálás a legkritikusabb minőség-ellenőrzési művelet a betonozott utófeszítésben. A PTI M55.1-12 (frissítve M55.1-19-re) határozza meg az utófeszített szerkezetek injektálásának specifikációját. A habarcsnak szigorú friss és megszilárdult tulajdonságoknak kell megfelelnie.

Az előre csomagolt habarcsok erősen ajánlottak a konzisztencia miatt, mivel gyárilag előkevert, pontosan szabályozott arányokkal rendelkeznek cementből, kiegészítő cementkötőanyagokból (szilíciumpor, pernye), tágulási adalékokból, lágyítókból és korróziógátlókból. A helyszíni keverésű habarcsok szigorú minőség-ellenőrzési vizsgálatot igényelnek minden tételnél.

Tixotróp habarcsok úgy vannak összeállítva, hogy nyugalmi állapotban merevek maradjanak (megakadályozva a megereszkedést vagy kifolyást függőleges vagy ferde kábelekben), de pumpálási nyomás hatására könnyen folynak. Ez a reverzibilis tulajdonság ideálissá teszi őket függőleges felszállókhoz és ferde gerinchálózati kábelekhez szegmenes hidakban.

Vákuumos injektálás

Hosszú kábeleknél (50 m felett), függőleges vagy ferde nyomvonalaknál és agresszív környezetben vákuumos injektálást írnak elő. Egy vákuumszivattyú körülbelül −0,08 MPa (−0,8 bar) negatív nyomást hoz létre a legmagasabb kimenetnél, mielőtt a habarcsot a legalacsonyabb bemenettől kezdve pumpálnák. A vákuum eltávolítja a levegőt a csatornából, megszüntetve a bent ragadt légzsákokat, melyek egyébként üregként maradnának. A habarcsot a pumpálási nyomás és a negatív nyomás egyaránt beszívja a csatornába, biztosítva a vékony gyűrű alakú terek teljes kitöltését a többsodronyos kábelek egyes huzalai között. A vákuumos injektálás jelentősen csökkenti a habarcsüregek kockázatát, melyek a betonozott PT rendszerek leggyakoribb tartóssági hibái.

Injektálási műveletek

Az injektálást a feszítést követő korlátozott időn belül kell elvégezni – jellemzően ≤ 20 nap, rövidebb időközökkel agresszív környezetben, ahol a kábelek nedvességnek vagy kloridoknak vannak kitéve. A habarcsot folyamatosan pumpálják a legalacsonyabb bemenettől a legmagasabb kimenetig. Minden kimenetnek azonos konzisztenciájú habarcsot kell kibocsátania, mint a bemenet, mielőtt egymás után lezárják. A minimális habarcsnyomás a legmagasabb kimenetnél jellemzően 0,5–1,0 MPa. Injektálás után a bemeneteket és kimeneteket pozitív elzáró szelepekkel tömítik, és a sapkák nyomás alatt maradnak a kezdeti kötési időszak alatt.

Korrózióvédelmi stratégia

A korrózióvédelem a PT-szerkezetekben háromszintű stratégiát követ. 1. szint – Habarcs lúgos passziválást biztosít (pH 12,5–13), stabil passzív vas-oxid réteget képezve az acél felületén. 2. szint – Csatorna és burkolat fizikai gátat képeznek a víz és kloridok behatolása ellen. 3. szint – Betonfedés harmadlagos védelmet nyújt. Agresszív környezetben (tengeri, olvasztósók, ipari) a fokozott védelem magában foglalja a teljesen burkolt rendszereket műanyag csatornákkal, a burkoló sapkákkal ellátott lezárt horgonyzásokat, az ASTM A882 szerinti epoxi-bevonatú sodronyt, és szélsőséges környezetben a rozsdamentes acél sodronyt.

Utófeszítés hidakhoz

Szegmenes építési módszerek

A kiegyensúlyozott konzolos építés a legszélesebb körben használt módszer közepes és nagy fesztávú utófeszített hidaknál. A szegmenseket szimmetrikusan építik be minden pillér körül – akár előre gyártott illesztett szegmensekkel, akár helyszíni betonozással zsaluzó kocsik segítségével. Az előre gyártott szegmenseket a gyártótelepen illesztve készítik a szomszédos szegmensekhez, hogy tökéletes illeszkedést biztosítsanak a hézagoknál, melyeket az utófeszítés alkalmazása előtt epoxival ragasztanak össze. A helyszíni betonozású kiegyensúlyozott konzolos építés vándor zsaluzatot használ, mely minden újonnan betonozott szegmenst megtámaszt, amíg a konzolos kábeleket meg nem feszítik. A fesztávtartomány 50–230 m az előre gyártott és akár 230+ m a helyszíni betonozású kivitelnél. A kábelrendszer magában foglalja a felső lemezben vagy gerincekben lévő konzolos kábeleket, melyek ellenállnak az építés közbeni önsúlynak, valamint a fenéklemezben lévő folytonossági kábeleket, melyeket a záróbetonozás után feszítenek meg, hogy ellenálljanak a pozitív élő teherből származó nyomatékoknak.

A fesztávonkénti építés egy szerelőtartót vagy gantryt használ a teljes fesztáv megtámasztására. A szegmenseket epoxival kötik össze és egyetlen műveletben utófeszítik, jellemzően heti egy fesztáv építési ciklust elérve. A fesztáv jellemzően ≤ 45 m (150 láb). A dobozgerenda üregén belül elhelyezett külső kábelek gyakoriak, melyeket közbenső nyergeknél térítenek el a kívánt nyomvonal kialakításához. A külső kábelek a szerkezet teljes élettartama alatt ellenőrizhetők és cserélhetők.

A progresszív konzolos építés az egyik hídfőnél kezdődik, és fokozatosan halad a másik hídfő felé, a szegmenseket a elkészült szakaszon szállítják és a haladó végen illesztik be. Közbenső támaszok szükségesek a fesztáv közepén. Ezt a módszert korlátozott hozzáférésű helyeken használják, mint a Linn Cove Viadukt a Blue Ridge Parkway-n.

Helyszíni betonozású utófeszített hidak

Rövidebb fesztávokhoz (20–50 m) a zsaluzatba betonozott utófeszített hidak gazdaságosak. A felépítményt ideiglenes támaszokra betonozzák, jellemzően tömör vagy cellás keresztmetszeteket használva. Az ívelt kábelnyomvonalak alacsonyak a fesztáv közepén és a felső szélhez emelkednek a belső támaszoknál folytonos fesztávok esetén, létrehozva a változó excentricitást, ami mind pozitív, mind negatív nyomatéki kapacitást biztosít a fesztáv mentén. Keresztirányú utófeszítés a dobozgerendák felső lemezében, 0,6–0,9 m távolságokra, keresztirányban osztja el a kerékterheket és szabályozza a hosszirányú repedezést. Függőleges utófeszítés a gerincekben és diafragmákban befogást biztosít a horgonyzási zónákban.

Toldott I-gerendás hidak

Az előre gyártott AASHTO vagy izzó-T gerendákat előfeszítik az önsúlyra, egyszerű fesztávként építik be, majd helyszíni betonozású záróhézagokon keresztül teszik folytonossá. A hosszirányú utófeszítő csatornákat a gerincekben a zárásoknál toldják, és az utófeszítést fázisokban alkalmazzák – néhány kábelt a nem kompozit szelvényen feszítenek meg, a többit a pályalemez megszilárdulása után.

Kábelkötegek és extradózott hidak

A kábelkötegek a kábelhidakban lényegében nem betonozott külső kábelek HDPE köpennyel és viasz- vagy habarcskiöntéssel. Konfigurációk: hárfa (párhuzamos), legyező (a pilontetőben összetartó) és fél-legyező elrendezések. A kábelsíkok lehetnek egyetlen középső vagy iker szélső síkok. A fesztávtartomány 90–760 m-ig terjed főbb átkeléseknél. Az extradózott hidak a kábelhíd és az utófeszített dobozgerenda koncepcióit vegyítik, rövidebb pilonokkal, laposabb kábelhajlásokkal, ahol a pályalemez az elsődleges teherhordó elem. Hasznosak, ahol a pilon magassága korlátozott.

Utófeszítés repülőtéri szerkezetekhez

Előfeszített beton burkolatok

A repülőterek előfeszített beton burkolatai (PCP) nagy szilárdságú acélsodronyokkal utófeszítettek, és jelentősen vékonyabbak, mint a hagyományosan vasalt burkolatok. A tipikus vastagság 150–250 mm, szemben a hézagos vasbeton burkolat 350–450 mm-ével. Az elsődleges előny a hosszú hézagmentes födémhossz – 150–300 m a hézagok között –, ami megszünteti a legtöbb hézagot és azokhoz kapcsolódó karbantartási igényeket. A csökkentett hézagkarbantartás különösen értékes a repülőtéri burkolatoknál, ahol a hézagtömítések meghibásodása idegen tárgyak általi károsodás (FOD) veszélyét hozza létre, és lehetővé teszi a víz bejutását, ami gyorsítja a burkolat romlását.

Az FAA tervezési szabványait az AC 150/5320-6E (Repülőtéri burkolatok tervezése és értékelése) határozza meg. A FAARFIELD tervezőprogram 3D végeselemes analízist (NIKE3D_FAA) és réteges rugalmassági analízist (LEAF) használ a feszültségek és lehajlások számításához. A merev burkolatok tervezési kritériuma a maximális vízszintes feszültség a PCC födém alsó szélénél, a repülőgép futóművének szélső terhelése alatt. A 20 éves tervezési élettartam Miner-féle kumulatív károsodási tényező (CDF) szabályt használ. A repülőgép abroncsnyomások akár 1,5 MPa (221 psi) is lehetnek az analízisben. A repülőgép futómű-konfigurációk osztályozása: Egyedülálló (S), Dupla (D), Dupla Tandem (2D), Tripla Tandem (3D) és Kvadrupla Tandem (4D).

Hangárpadlók és terminálszerkezetek

A nagy teherbírású utófeszített födémek hangárokban a repülőgép-emelelési terheket és a nehéz karbantartó berendezéseket támasztják alá. A tipikus vastagság 200–350 mm között van a repülőgép típusától függően. A nagyméretű panelek minimális hézagokkal sima gördülőfelületet biztosítanak a repülőgépek mozgatásához. A betonozott PT rendszereket gyakran használják korrózióvédelemre a hidraulikafolyadékoknak és jégtelenítő vegyszereknek való potenciális kitettség miatt. Az utófeszített terminálszerkezetek nem betonozott monosodrony rendszereket használnak az emeletközi födémekhez, lehetővé téve nagy oszlopmentes tereket az utasforgalom számára.

ICAO Repülőtéri Tervezési Kézikönyv (Doc 9157 3. rész)

Az ICAO Doc 9157 3. rész útmutatást nyújt a burkolattervezési jellemzőkhöz és a Burkolat Osztályozási Szám (PCN) rendszerhez a teherbírás jelentéséhez. A repülőgép súlyeloszlása a repülőgép súlyának körülbelül 95%-át a fő futóműre és 5%-át az orrfutóműre osztja. A kerékelrendezés elnevezése az Egyedülálló (S), Dupla (D), Tripla (T) és Kvadrupla (Q) konfigurációkat követi tandem megjelölésekkel (2S, 2D, 3D, stb.). Az ICAO kézikönyv elsősorban a hagyományos merev és rugalmas burkolattervezési módszertanra összpontosít, az előfeszített beton burkolattervezést a nemzeti szabványok (FAA AC 150/5320 az Egyesült Államokban) kezelik, az ICAO keretrendszer pedig a repülőgép-terhelés jellemzését nyújtja.

PT tartóssági problémák

Korróziós mechanizmusok

A klorid-indukált korrózió a legelterjedtebb oka a kábelkárosodásnak. A kloridionok (Cl⁻) olvasztósóból, tengeri kitettségből vagy ipari környezetből áthatolnak a betonfedésen, és lokálisan lebontják a passzív oxidréteget az előfeszítő acélon. Lokalizált gödörkés korrózió indul meg és terjed a kábel magas húzófeszültsége alatt. Az előfeszítő acél kritikus kloridküszöbe körülbelül 0,2 tömeg% cementre vonatkoztatva – jelentősen alacsonyabb, mint a hagyományos betonacélé –, mert a magasabb feszültségszint és a nagy szilárdságú acél finomabb mikroszerkezete érzékenyebbé teszi. A gödörkés korrózió lokálisan csökkenti a keresztmetszeti területet, koncentrálva a feszültséget, és potenciálisan hirtelen rideg töréshez vezethet előzetes látható figyelmeztetés nélkül.

A feszültségkorróziós repedés (SCC) a tartós húzófeszültség és a korrozív környezet együttes hatásából ered. Az SCC rideg törést okoz a folyáshatár alatti feszültségeknél, jelentős képlékeny alakváltozás nélkül. Gyakori agresszív anyagok közé tartoznak a kloridok, nitrátok, szulfátok és foszfátok. A magasabb acélkeménység növeli az SCC repedésnövekedési sebességét.

A hidrogén okozta ridegedést a PTI a nagyszilárdságú acélok rideg repedéseként határozza meg, melyet a húzófeszültség és az atomi hidrogén jelenlétének együttes hatása okoz. Az atomi hidrogén az acélrácsba diffundál, csökkentve a képlékenységet és rideg törést okozva. Források közé tartoznak a túlvédett katódos védelmi rendszerek, a különböző fémek közötti galvanikus kapcsolódás, valamint a hidrogénionokat termelő korróziós reakciók. A hidrogén okozta ridegedés a legveszélyesebb az 1200 MPa-t meghaladó szakítószilárdságú acélokra – ami magában foglalja a Grade 270 (1860 MPa) előfeszítő sodronyt. A meghibásodás hirtelen és katasztrofális lehet, előzetes látható jelzés nélkül.

Habarcsüregek

A habarcsüregek a leggyakoribb tartóssági hibák a betonozott PT rendszerekben. Az üregek az ívelt kábelek magas pontjain, a horgonyzásoknál és a trombita-csatorna átmeneteknél képződnek. A kialakulás mechanizmusai közé tartozik a vérzésvíz párolgása (különösen függőleges és ferde kábelekben), a rossz injektálási gyakorlat (elégtelen pumpálási nyomás, a szellőzők megfelelő sorrendű zárásának elmulasztása), a magas pontoknál levegőt csapdába ejtő elégtelen szellőzés, a habarcsveszteséget okozó szivárgó csatornák, és az egyirányú pumpálásból eredő hiányos kitöltés. Az üregek teret biztosítanak a víz felhalmozódásának és az oxigén pótlásának, feltételeket teremtve a felgyorsult lokális korrózióhoz. A korróziós sebesség egy üregben nagyságrendekkel magasabb lehet, mint a megfelelően injektált területeken, mert a passzív lúgos környezet hiányzik, és az üreget időszakosan oxigénezett víz öblítheti át.

Vízbejutás a horgonyzásoknál

A horgonyzás a legsérülékenyebb zóna a vízbejutás szempontjából. A nem megfelelően tömített feszítőzsilipek és a nem injektált burkoló sapkák közvetlen utakat biztosítanak a víz számára az acél ékekhez és sodronyvégekhez jutáshoz. Másodlagos utak közé tartoznak a beton repedései a felvarrólemezek körül, a meghibásodott tömítőanyagok és a szivárgó zsilipképző idomok. A víz felhalmozódása a horgonyzásnál az ékek és sodronyvégek korróziójához vezet, ami potenciálisan a horgonyzási kapacitás elvesztését és kábelmeghibásodást okoz.

Csatornasérülés és súrlódási kifáradás

A csatornák építés közbeni sérülése – összenyomott vagy szakadt csatornák a vasalási torlódás, a beton túlzott tömörítése vagy a zsaluzat elmozdulása miatt – nyílásokat hoz létre a habarcsszivárgás és a vízbejutás számára. Üzemelés során az acélcsatornák korrodálódhatnak magas kloridtartalmú környezetben, esetleg átlyukadva és utakat teremtve a kloridok számára a kábelhez. A külső kábelek az eltérítő nyergeknél súrlódási kifáradást szenvednek a kábel ciklikus mozgása miatt a nyeregnél az élő teher hatására. Ez a súrlódás csökkenti a sodrony keresztmetszetét a nyeregnél, és kifáradási repedéseket indíthat el, melyek a folyamatos ciklikus terhelés alatt terjednek.

PT-szerkezetek ellenőrzése és roncsolásmentes vizsgálata

Szemrevételezés

A szemrevételezés az első lépés bármely PT állapotfelmérésben. A vizsgálók ellenőrzik a horgonyzási területeket repedésekre, elszíneződésre vagy kivirágzásra a horgonyzó zsilipek közelében; rozsdás elszíneződést a kábelnyomvonalak mentén; kitöredezett vagy delaminált betont a csatornák felett; sérült vagy hiányzó burkoló sapkákat; és víz okozta elszíneződést a hézagoknál. Azonban a szemrevételezés önmagában nem képes kimutatni a belső kábelkorróziót, habarcsüregeket vagy törött sodronyokat. A károsodás belsőleg kezdődik, és jelentős mértékben előrehaladhat, mielőtt bármilyen felszíni tünet megjelenne.

Visszhangos beesési vizsgálat (Impact-Echo)

A visszhangos beesési (Impact-Echo, IE) egy egyoldali roncsolásmentes vizsgálati módszer, mely mechanikai ütést (jellemzően rugós mágnesszelepet vagy kis acélgolyót) használ alacsony frekvenciájú feszültséghullámok (jellemzően 2–50 kHz) keltésére a betonban. A hullámok a szerkezeti elembe terjednek, és visszaverődnek a belső határfelületekről – üregekről, delaminációkról, csatornákról vagy a szemközti felületről. Az ütés melletti jelátalakító rögzíti a visszaverődött hullámok által okozott felületi elmozdulást. Az eredményül kapott időtartománybeli jelet gyors Fourier-transzformációval (FFT) alakítják frekvenciatartományba. A domináns frekvencia (f) kapcsolatban van a visszaverő határfelület mélységével (d) a d = β × Vp / (2f) képlet szerint, ahol Vp a P-hullám sebessége és β egy alaktényező. A csatornákban lévő habarcsüregek jellegzetes frekvenciaeltolódást okoznak a szilárdan injektált csatornákhoz képest. Az IE vizsgálat gyors, költséghatékony, és csak egyoldali hozzáférést igényel, így ideális hídfödémekhez és lemezekhez.

Talajradar (Ground-Penetrating Radar)

A talajradar (GPR) nagyfrekvenciás elektromágneses hullámokat használ (jellemzően 900–1600 MHz-es antenna PT ellenőrzéshez), melyeket a betonba bocsátanak. Visszaverődések keletkeznek azokon a határfelületeken, ahol a dielektromos permittivitás megváltozik – a beton és a csatornafalak között, az acél és a habarcs között, valamint a habarcs és légüregek között. A GPR gyorsan lokalizálja a kábelcsatornákat, feltérképezi azok nyomvonalát a szerkezeti elem mentén, azonosítja a fém versus műanyag csatornákat, és kimutatja a nedvességfelhalmozódást a csatornák körül, ami habarcsüregekre vagy vízbejutásra utalhat. A GPR gyors átszűrést tesz lehetővé minimális felület-előkészítéssel. Az elsődleges korlátozás, hogy a GPR nem képes megbízhatóan megkülönböztetni a szilárd habarcsot a lágy habarcstól, vagy a kis üregeket a szilárd anyagtól, mert a megszilárdult habarcs és a száraz légüregek közötti dielektromos kontraszt nem elegendő a megbízható kimutatáshoz.

Ultrahangos impulzusvisszhang tomográfia

Az ultrahangos impulzusvisszhang (UPE) tomográfia alacsony frekvenciájú ultrahang-átalakítók (jellemzően 25–100 kHz betonhoz) tömbjeit használja 3D tomográfiai képek előállításához a belső jellemzőkről. Több átalakítót szkennelő tömbben helyeznek el, és sorozatban indítanak. A visszaverődött (visszhang) jeleket szintetikus apertúrájú fókuszált technikákkal (SAFT) vagy teljes mátrix rögzítéssel teljes fókuszált módszerrel (FMC/TFM) dolgozzák fel. Az UPE tomográfia részletes keresztmetszeti információkat nyújt a csatorna állapotáról – megkülönböztetve a szilárd habarcsot, a lágy habarcsot, az üregeket és a vízzel telt üregeket az akusztikus impedancia-különbségek alapján. A korlátozások közé tartozik a lassabb vizsgálati sebesség a GPR szűréshez képest, valamint a csatolóanyag (vagy száraz érintkezésű átalakítók) és szakképzett értelmezés szükségessége.

Akusztikus monitoring

Az akusztikus emissziós (AE) monitoring valós időben érzékeli a sodronytöréseket. A sodrony törésekor felszabaduló rugalmas feszültséghullámok a betonon vagy acélon terjednek, és a horgonyzásokra vagy a kábel mentén elhelyezett piezoelektromos érzékelők érzékelik. Az AE monitoring folyamatos felügyeletet biztosít a kritikus kábelek – különösen a külső kábelek és kábelkötegek – felett, és néhány méteres pontossággal képes lokalizálni a törés helyét a kábel hossza mentén. A tipikus érzékelőtávolság 50–100 m. A kihívás a sodronytörési jelek megkülönböztetése a környezeti zajoktól (forgalom, építés, hőmozgás) küszöbérték-alapú eseményérzékelés és hullámformaelemzés segítségével.

Boreszkópos vizsgálat

Az endoszkópia közvetlen vizuális megerősítést biztosít a belső állapotokról. Egy kis átmérőjű (jellemzően 6–10 mm) száloptikás vagy videó boreszkópot vezetnek be a habarcs-bemeneteken, -kimeneteken vagy fúrt ellenőrző nyílásokon keresztül. A vizsgáló közvetlenül megfigyelheti a csatorna belső állapotát, a habarcs kitöltési szintjét, a korróziós állapotot és a nedvesség jelenlétét. A boreszkópos vizsgálat végleges megerősítést nyújt a roncsolásmentes vizsgálati eredményekről, de korlátozott a hozzáférhető csatornavégekre, és nem képes hosszú szakaszok vizsgálatára több hozzáférési pont nélkül.

Érvényesítési protokoll

Az ipari gyakorlat szerint (FPrimeC, FDOT) egy progresszív vizsgálati protokoll ajánlott: 1. lépés – GPR szkennelés az összes csatorna helyének meghatározására és nyomvonalak feltérképezésére. 2. lépés – IE vagy UPE a gyanús helyeken (magas pontok, eltérítők, horgonyzások). 3. lépés – Az NDT eredmények keresztreferenciája minden módszerből. 4. lépés – Megerősítés a vizsgálati helyek ≥ 5%-án invazív módszerekkel (magfúrás, boreszkóp) az NDT eredmények kalibrálásához és érvényesítéséhez.

PT-szerkezetek javítása és megerősítése

Kábelcsere

A kábelcsere nem betonozott rendszerek esetén kivitelezhető, ahol az egyes monosodrony kábelek szabályozott módon feszültségmentesíthetők és kihúzhatók, majd új zsírozott és köpenyezett sodronnyal helyettesíthetők. Az eljárás magában foglalja a horgonyzások felkutatását és felszabadítását, feszültségmentesítő berendezés (speciális sajtó vagy vágási eljárás biztonsági korlátozásokkal) felszerelését, az előfeszítő erő szabályozott kiengedését, a régi kábel eltávolítását, az új sodrony beépítését, az előírt erőre történő visszafeszítést és a burkolat lezárását. Betonozott rendszerek esetén a belső kábelek általában nem távolíthatók el, és alternatív megerősítési módszereket kell alkalmazni.

Külső utófeszítés

A külső utófeszítés a legszélesebb körben használt aktív megerősítési módszer meglévő szerkezetekhez. A PTI meghatározása szerint a külső utófeszítés növelheti és/vagy helyreállíthatja a legtöbb szerkezeti elem kapacitását, beleértve a gerendákat, tartókat, egyirányú födémeket, kétirányú födémeket, előfeszített és nem előfeszített betont, acélszerkezeteket és fa elemeket. A rendszer tartalmaz nagy szilárdságú sodronyokat vagy rudakat, a szerkezethez rögzített külső eltérítőket (nyergeket), korrózióvédett kábelt (zsírozva és köpenyezve vagy HDPE csövekbe helyezve habarcsöntéssel) és véghorgonyzási szerelvényeket. A külső utófeszítés aktív rendszer – a passzív megerősítési módszerekkel (mint a FRP tekerés vagy acéllemez ragasztás) ellentétben mérhető nyomóerőt alkalmaz, ami azonnal ellensúlyozza a használati terheléseket. Előnyök közé tartozik a minimális hozzáadott tömeg, a teljes vizsgálhatóság és cserélhetőség, a minimális zavarás a beépítés során, és a belmagasság csökkenésének hiánya.

CFRP kábelek

A szénszál-erősítésű polimer (CFRP) kábelek alternatívát kínálnak az acél helyett olyan megerősítési alkalmazásokhoz, ahol a korrózióállóság elsődleges fontosságú. A CFRP nem érzékeny a korrózióra, nagy szilárdság/tömeg aránnyal rendelkezik (körülbelül 5-ször erősebb, mint az acél tömegre vetítve), és kiváló kifáradási ellenállással bír. Korlátok közé tartozik az alacsonyabb rugalmassági modulus (körülbelül az acél 40%-a), ami csökkenti az előfeszítő erő kifejlesztésének hatékonyságát, a kúszási törés veszélye tartós magas feszültség alatt, és a magasabb anyagköltség. A CFRP utófeszítést korrózió-károsított szerkezetek megerősítésére, a kapacitás növelésére nagyobb élő terhelésekhez és szeizmikus megerősítésre használják.

Habarcsüreg javítás

Amikor az üregeket roncsolásmentes vizsgálattal kimutatják és boreszkóppal megerősítik, azok alacsony viszkozitású cement- vagy epoxi habarcs injektálásával javíthatók. Hozzáférési lyukakat fúrnak az üreg helyéhez, elkerülve az érintkezést az előfeszítő sodronyokkal. Az alacsony viszkozitású habarcsot vagy epoxit alacsony nyomáson (jellemzően < 0,5 MPa a csatorna szétrepedésének elkerülése érdekében) injektálják az üreg kitöltéséig. Az injektálás utáni boreszkópos vizsgálat igazolja a teljes kitöltést. Az injektáló nyílásokat ezután lezárják.

Szabványok és előírások

Post-Tensioning Institute (PTI)

American Concrete Institute (ACI)

AASHTO LRFD Híd-előírások

FHWA (Szövetségi Közúti Igazgatóság)

Anyag- és vizsgálati szabványok

Tanúsítási programok

A PTI és az ASBI tanúsítási programokat működtet a PT építésben és ellenőrzésben részt vevő személyzet számára: PTI 1. szint Nem Betonozott PT Szerelő (helyszíni személyzet), PTI 1. és 2. szint Nem Betonozott PT Ellenőr, PTI 1. és 2. szint Nem Betonozott PT Javítás, Helyreállítás és Megerősítés, valamint ASBI Injektálási Tanúsítás betonozott PT híd injektáláshoz. Ezek a programok írásbeli vizsgákat és igazolt helyszíni jártasságot igényelnek, meghatározott időközönkénti megújítással.

A kulcsfontosságú utófeszítési kifejezések szószedete

Összeállítva a következő forrásokból: FHWA-NHI-13-026 Utófeszített kábel beépítési és injektálási kézikönyv (2013), PTI TAB.3-13 Utófeszítési terminológia (2013), PTI M55.1-12, AASHTO LRFD Hídtervezési Előírások, FAA AC 150/5320-6E, ICAO Doc 9157 3. rész, ACI 222.2R-14, ACI 318-19, és iparági műszaki források.