Napjatost základových konstrukcí vlivem smršťování betonu

Michal Kropáček

Doctoral thesis

Stress of foundation structures due to shrinkage

Abstract:

Hlavním předmětem disertační práce je problematika přetvoření a následné napjatosti základových železobetonových konstrukcí způsobená objemovými změnami betonu. Objemové změny zahrnují z dominantní části smršťování betonu vlivem hydratace pojiva, ale je zde zahrnuto také nabývání betonu v počátečních fázích ošetřování a vliv dlouhodobých klimatických podmínek jako je teplota a relativní vlhkost vzduchu. Jedná se tak o celkový popis procesů, kterými dlouhodobě prochází betonová konstrukce bez ohledu na vnější zatížení. V rámci řešení objemových změn základových konstrukcí je podrobně popsán vliv a použití kluzných spár. Kluzné spáry umístěné mezi základovou spárou a základovou konstrukcí jsou prvky, které umožňují redukovat tření, resp. smykové napětí. Toto napětí může v zásadě nastat třemi různými vlivy, mezi které se řadí objemové změny betonu (reologické vlastnosti, roztažnost vlivem teploty), předpínání betonové konstrukce a vliv poddolovaného území. Disertační práce se zaměřuje na jeden z těchto vlivů, což jsou objemové změny betonové konstrukce vlivem smršťování. Využití kluzných spár je v případě poddolovaného území běžně užívanou metodou podpořenou českou technickou normou, ale v případě vlivu objemových změn nebo předpínání se jedná o málo prozkoumanou problematiku a dostatečně nepopsanou. V posledních několika letech probíhá v rámci VŠB-TU Ostrava intenzivní výzkum zaměřující se na využití kluzných spár z pohledu návrhu, materiálových vlastností i z hlediska technologického provádění. Na získané výsledky předchozího výzkumu se v této disertační práci navazuje, a byla provedena sada experimentálních zkoušek, kde bylo provedeno měření objemových změn různých betonů a kluzných spár v laboratorně řízeném a venkovním prostředí. Pro měření objemových změn byly využity strunové tenzometry a smršťovací žlab. Unikátnost experimentální části spočívá především v tom, že měření bylo provedeno na velkorozměrových vzorcích v reálných podmínkám se zohledněním prakticky využitelných materiálů. Tyto získané výsledky byly následně využity do reologických modelů pro výpočet smršťování betonových konstrukcí. Reologické modely jsou zakotveny v technických normách ale i jiných předpisech a s rozvojem výpočetní techniky se i tyto modely neustále vyvíjí. Výsledky volného smršťování ze všech těchto reologických modelů se významně liší ve srovnání s naměřenými hodnotami se zohledněním vlivu tření a případně využití kluzné spáry. V této souvislosti je diskutováno také volné a vázané smršťování a vliv tření na rozvoj napjatosti. Výsledky experimentální části jsou podrobeny analýze a srovnání s predikcí dle výpočetních modelů s vyhodnocením případných rozdílů. Cílem disertační práce je popis metodiky měření objemových změn v interakci betonová konstrukce a kluzná spára. Rozvoj objemových změn s ohledem na vliv velikosti vzorků a různých měřících metod. Dále vyhodnocení a analýza výsledků experimentální části, které umožňují srovnání v různých podmínkách, a nakonec vyhodnocení a porovnání s predikovanými výsledky z reologických modelů. Výsledné hodnoty z reologických modelů bez zohlednění tření a výsledky z experimentální části poskytují odlišné výsledky. Tyto poznatky mohou dále sloužit pro další rozvoj reologických modelů a komplexních výpočetních modelů a návrh kluzných spár se zohledněním objemových změn betonu.

Abstract:

The main subject of the dissertation of the thesis is the issue of deformation and subsequent stress of foundation reinforced concrete structures caused by volume changes of concrete. Volume changes of concrete mainly include shrinkage of concrete due to binder hydration, but also include the swelling of concrete in the initial stages of curing and the effect of long-term climatic conditions such as temperature and relative humidity of air. This is general description of the processes that the concrete structure has been going through for a long time, regardless of the external load. Sliding joints located between the foundation joint and the foundation structure are elements that allow to reduce friction or shear stress. This shear stress can in principle occur in three different influences, which include volume changes of concrete (rheological properties, expansion due to temperature), prestressing of the concrete structure and the influence of the undermined area. The dissertation focuses on one of these influences, which are volume changes of the concrete structure due to shrinkage of concrete. The use of sliding joints is in the case of undermined area commonly used method, but in the case of the influence of volume changes or prestressing of concrete structure, it is an issue that is little researched and not sufficiently described. In the last few years, intensive research has been carried out within VSB-TU Ostrava focusing on the use of sliding joints in terms of design, material properties and in terms of technological implementation. The obtained results of the previous research are followed up in this dissertation. The set of experimental tests was performed, where the measurement of volume changes of various concretes and sliding joints was performed in a laboratory-controlled and outdoor environment. String strain gauges and a shrinkage trough were used to measure volume changes. The uniqueness of the experimental part lies mainly in the fact that the measurements were performed on large-scale samples in real conditions, considering practically usable materials. These obtained results were then used in computational models to calculate the shrinkage of concrete structures. The results of free shrinkage from all these rheological models differ significantly compared to the measured values, considering the effect of friction and the possible use of the sliding joint. In this context, free and bound shrinkage, and the influence of friction on the development of stress are also discussed. The results of the experimental part are subjected to analysis and comparison with prediction according to computational models with evaluation of possible differences. The aim of the dissertation is to describe the methodology for measuring volume changes in the interaction of a concrete structure and a sliding joint. Development of volume changes regarding the influence of specimen size and different measurement methods. Furthermore, evaluation and analysis of the results of the experimental part, which allow comparison in different conditions, and finally evaluation and comparison with predicted results from computational models. The resulting values from the computational models without considering friction and the results from the experimental part provide different results. This knowledge can further serve for further development of computational models and design of sliding joints with considering the volume changes of concrete.

Keywords

Smršťování betonu, Napjatost, Objemové změny, Betonové konstrukce, Kluzná spára, Výpočetní modely, Reologické modely

Keywords

Shrinkage of concrete, Tension, Volume changes, Concrete structures, Sliding joint, Mathematical models, Rheological models

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 7. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 11. 5. 2023
• Supervisor: Radim Čajka
• Reader: Jan L. Vítek, Jaroslav Halvonik, Miloš Zich

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta stavební

Doctoral programme / field:
Stavební inženýrství / Teorie konstrukcí