Предварительно напряженные железобетонные конструкции

Инструменты и материалы

К материалам ЖБИ с преднапряжением применяют требования согласно существующим нормативным документам:

ГОСТ 5781–82;
СП 52—102—2004.

Армируют ЖБИ конструкции преднапряженного типа следующими материалами:

арматура периодического профиля класса А-Шв горячекатаная с вытяжкой в ее холодном состоянии;
листовая сталь горячего катания класса Ат-V;
арматурные проволочные пряди из свитых проволок.

Для осуществления процесса необходимо подготовить следующие материалы и инструменты:

Для такой работы понадобятся монтажные прутки.

прутки (монтажные, распределительные);
вязальная проволока;
инструмент для нарезания прутков;
щиты для опалубки при заливки бетонной смесью.

Для такой работы понадобятся монтажные прутки.

прутки (монтажные, распределительные);
вязальная проволока;
инструмент для нарезания прутков;
щиты для опалубки при заливки бетонной смесью.

Преимущества

Предварительно напряженный железобетон долгосрочно отодвигает время начала формирования расколов в изделиях, работающих на прогиб, сокращает глубину их раскрывания. Вместе с тем изделия приобретают повышенную жесткость, не снижая прочности.

Предварительно напряженным железобетонным балкам свойственно хорошо работать на сжатие и прогиб, имея одинаковую прочность по длине, что позволяет увеличивать ширину перекрываемых пролетов. В таких конструкциях уменьшаются размеры поперечного сечения, следовательно, сокращаются объем и вес комплектующих элементов (на 20 – 30%), а также расход цемента. Более рациональное использование свойств стали позволяет сокращать расход арматуры (стержневой и проволочной) до 50%, особенно из высокопрочных марок (A-IV и выше), имеющих значительный предел прочности. Химическая нейтральность бетона к стали способствует предохранению арматуры от коррозии. Вместе с тем повышенная трещиностойкость предохраняет напряженную арматуру от ржавления в сооружениях, которые находятся под постоянным давлением воды, иных жидкостей, газов.

Методы возведения зданий, используемые в строительстве каркаса, базируются на технологии предварительного напряжения конструкций из железобетона в процессе строительства.

Напряженная арматура, обжимающая бетон сборочных единиц, обеспечивает практичную их стыковку путем значительного сокращения расходования металла на стыках. Сборные и сборно-монолитные изделия из железобетонных напряженных конструкций могут состоять из стыкуемых частей с одинаковым поперечным сечением, которые по краям выполняются из ненапряженных облегченных (тяжелых) бетонов, а нагружаемый фрагмент — преднапряженный железобетон. Такая продукция имеет повышенную выносливость, компенсируя повторяющиеся динамические воздействия.

Данное свойство позволяет демпфировать изменения напряжений в бетоне и арматуре, вызываемые колебаниями внешних нагрузок. Повышенная сейсмическая стойкость зданий повышается за счет большой конструкционной устойчивости напряженного железобетона, обжимающего отдельные их фрагменты. Конструкция в предварительно напряженном виде обеспечивает большую безопасность, так как ее разрушению предшествует запредельный прогиб, сигнализирующий об исчерпании конструкцией прочности.

Арматура

Стальная арматура должна быть напряженной и стойкой к растяжению в процессе всего срока эксплуатации. Она способна выдерживать нагрузки длительное время, что исключит возможность раскрытия трещин на бетоне. Для производства стройматериала применяют высокопрочную сталь, которая имеет незначительную текучесть. Расчетные характеристики стали должны полностью соответствовать ползучести бетона.

Изготовление железобетонных конструкций проводится с использованием арматурной проволоки:

Пакетов;
Прядей;
Пучков.

Железобетонные конструкции изготавливаются с использованием холоднодеформированной, горячекатаной упрочненной арматуры, сварных каркасов, канатов. Площадь сечения арматуры напрямую зависит от размеров готового железобетонного изделия. Проволока и канаты имеют серповидное и кольцевое сечение, а арматура – гладкое и периодическое. Сталь должна иметь соответствующую поперечную силу. Текучесть металла по отношению к удлинению должна составлять 0,2 процента.

В соответствии с параметрами растянутого волокна класс прочности арматуры должен быть 0,95 и больше. Она должна характеризоваться холодостойкостью и пластичностью. Оптимальное усилие в напрягаемой арматуре обеспечивается благодаря формированию сложной пространственной поверхности. Именно поэтому материал должен поддаваться свариванию.

Напряжение арматуры во время производства обеспечивается механическими или электротермическими способами. В первом случае это достигается с применением грузов, домкратов и рычагов. Электротермический способ требует заготовить стержни нужной длины, на концах которых располагаются анкера. Их нагревают до 400 градусов, что приводит к их удлинению. В таком состоянии проводится закрепление арматуры на опорах. При охлаждении стержни укорачиваются, но анкера не дают это сделать, что приводит к появлению напряжения.

Применение преднапряженных конструкций рекомендуется при нецелесообразности использования обычного железобетона. Они являются идеальным вариантом при необходимости обеспечения несущей прочности. Применение напряженных железобетонных конструкций осуществляется в различных сферах строительства – промышленной, гражданской, специальной, гидротехнической.

Преднапряженный железобетон: история, применение, перспективы развития

Статья посвящена истории разработки, внедрения, практике применения и перспективам развития технологии предварительного напряжения железобетона в России.

Под преднапряженными понимают железобетонные конструкции, напряжение в которых искусственно создаётся в процессе изготовления путём натяжения части или всей рабочей арматуры (обжатия части или всего бетона).

Со времен создания основного строительного материала современности железобетона, едва ли не главным его недостатком являлась низкая прочность при растяжении. Армирование конструкций позволило преодолеть разрушение бетона, однако трещиностойкость оставляла желать лучшего.

Преднапряжение железобетона на стадии изготовления или строительства конструкций, когда направление напряжения в бетоне противоположно направлению напряжения от эксплуатационной нагрузки, позволило преодолеть этот недостаток. Высокий уровень трещиностойкости, полученный в результате предварительного напряжения, исключительно положительно отражается на эксплуатационных свойствах железобетонных конструкций.

В СССР 60-е и 70-е годы ХХ столетия ознаменованы бурным развитием промышленности сборного железобетона, в том числе преднапряженного. В этот период ученые и специалисты отрасли разработали значительный объем нормативно-технической литературы по расчету, проектированию и технологии изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций. В то время был широко распространён электротермический способ натяжения стержневой арматуры. Годовой выпуск преднапряженных железобетонных конструкций составлял порядка 30 млн куб. м.

Прогресс в области технологии высокопрочных бетонов во многом достигнут благодаря применению предварительного напряжения, так как появилась возможность максимально эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.

Параллельно с развалом СССР был прерван процесс интенсивного использования преднапряженного железобетона. Выпуск таких конструкций упал более чем в 10 раз. Этому способствовал ряд причин, в том числе и сильно подорожавшая электроэнергия, что сделало электротермический способ натяжения арматуры экономически невыгодным.

Разработка и внедрение механического способа предварительного натяжения железобетонных конструкций позволяет преодолеть этот недостаток. Причём применение данного метода возможно как в производстве сборного железобетона, так и в построечных условиях.

Обжатие бетона на заданную величину осуществляется посредством предварительного натяжения арматурных элементов, стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние.

В предварительно напряженных конструкциях можно использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную арматуру, позволяющую сокращать расход дефицитной стали в строительстве в среднем до 50%. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в этих местах, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.

Предварительное напряжение, увеличивающее жесткость и сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки. Правильно спроектированные конструкции и здания в целом безопасны в эксплуатации и более надежны, особенно в сейсмических зонах.

В результате применения преднапряженного железобетона в некоторых случаях удаётся снизить общий вес зданий до 40%, что свидетельствует о существенном снижении материалоёмкости строительства (в первую очередь расхода арматуры и бетона) при одновременном сохранении высокого уровня показателей надёжности конструкций. Как следствие, себестоимость строительства зданий сокращается до 30%.

Наряду с экономическим эффектом строительство зданий и сооружений с использованием технологии предварительного напряжения арматурных элементов при возведении зданий из монолитного железобетона позволяет существенно расширить архитектурно-планировочные возможности проектируемых зданий.

В первую очередь, это обусловлено получением практически неограниченных возможностей планирования внутреннего пространства в связи с увеличением пролётов между несущими колоннами до 18 м, получением плоских безбалочных перекрытий, соответственно открывающимися широкими возможностями расстановки внутренних стен и перегородок. Появляется возможность проектирования и возведения зданий с разнообразным архитектурным обликом за счёт достаточно широких пределов варьирования формой контуров здания в горизонтальном разрезе.

Несмотря на то, что в развитых зарубежных странах технология предварительного напряжения монолитных железобетонных конструкций в построечных условиях успешно практикуется на протяжении последних десятилетий, в России этот метод строительства на практике получил импульс к развитию и активному применению только в наши дни.

Благодаря многолетним совместным усилиям специалистов ГУП «НИИЖБ» и АО «СТЭФС», к настоящему времени удалось успешно внедрить в строительство технологию преднапряжения железобетона в построечных условиях.

На сегодняшний день технология применяется в строительстве зданий и сооружений различного назначения: жилых, офисных, производственных, складских и торговых. География применения преднапряженного железобетона также широка. Наряду со столицей подобным образом активно застраиваются города Подмосковья, Санкт-Петербург, Великий Новгород, Ярославль, Воронеж, Саратов.

За последние два года на территории России с применением технологии предварительного напряжения монолитного железобетона АО «СТЭФС» построено около 375 000 кв.м зданий и сооружений различного назначения. Из них новое строительство – 367 000 кв.м, реконструкция – 8 000 кв.м.

Обобщение результатов системной оценки показателей строительства с применением преднапряженного железобетона позволяют количественно оценить (в процентном соотношении) изменения того или иного показателя относительно значений тех же показателей, получаемых при применении традиционных методов строительства без предварительного напряжения железобетона (см. таблицу).

Сравнительная эффективность строительства с применением преднапряженного железобетона (обобщенные данные по 7 объектам)
Наименование показателя	Эффект* (%)
Шаг колонн (пролёты), м	+ (30 / 100)%
Толщина перекрытий, см	– (5 / 20)%
Трудоёмкость, чел/ч	– (5 / 25)%
Энергоёмкость, кВт/ч	– (15 / 35)%
Затраты на эксплутацию машин и оборудования, руб.	– (20 / 30)%
Заработная плата, руб.	– (5 / 15)%
Расход арматуры, т.	– (35 / 75)%
Расход бетона, куб/м	– (5 / 25)%
Себестоимость, руб.	– (10 / 30)%

Важное значение имеет расширение области применения технологии преднапряжения. Как показывает практика за рубежом, она широко применяется в дорожном строительстве. Высокий уровень жёсткости и трещиностойкости предварительно напряженного железобетона определяет эффективность его использования при возведении автомагистралей и взлётно-посадочных полос.

На базе этой технологии может быть сделан существенный шаг вперед в области высотного строительства, где основная проблема связана с тем, что верхние этажи чрезвычайно нагружают нижние. В предлагаемом варианте этажность здания может быть увеличена вдвое без повышения нагрузки на нижний этаж и основание.

Зарубежный опыт показывает высокую эффективность применения высокую эффективность применения предварительного напряжения в монолитных плитных фундаментах большой протяженности, в монолитных безбалочных перекрытиях, в опорных устройствах и постаментах под тяжелое оборудование, в несущих монолитных конструкциях подземных сооружений, в том числе многоэтажных. Имеются примеры предварительного напряжения при реставрации исторических памятников.

Как показывает практика, предварительное напряжение железобетона демонстрирует новые возможности и определяет перспективу развития железобетона в качестве материала для возведения современных зданий и сооружений.

Преимущества.

В предварительно напряженных конструкциях представляется возможность использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную арматуру, позволяющих в среднем до 50% сокращать расход дефицитной стали в строительстве. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в растянутых зонах элементов, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.

Предварительно напряженные конструкции часто оказываются экономичными для зданий и сооружений с такими пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций. Применение предварительного напряжения позволяет наиболее рационально выполнять стыки сборных элементов конструкций, обжимая их напрягаемой арматурой. При этом существенно сокращается расход дополнительного металла в стыках или совсем отпадает необходимость в его применении.

Предварительное напряжение позволяет расширить использование сборных и сборно-монолитных конструкций составного течения, в которых бетон повышенной прочности применяется только в заранее изготовленных предварительно напряженных элементах, а основная или значительная часть конструкций выполняется из тяжелого или легкого бетона, не подвергаемого предварительному напряжению.

Предварительное напряжение, увеличивающее сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки. Правильно запроектированные предварительно напряженные конструкции безопасны в эксплуатации, так как показывают перед разрушением значительные прогибы, предупреждающие об аварийном состоянии конструкций.

С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается (особенно при тавровых сечениях с полкой в сжатой зоне и легких бетонах). Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения предварительно напряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а следовательно, более гибкими и легкими. Повышению сейсмостойкости способствует также пространственная работа зданий и сооружений в целом, получаемая обжатием их отдельных частей предварительно напряженной арматурой. Наиболее сейсмостойкими являются напряженные конструкции, обладающие существенным превышением несущей способности над пределом трещиностойкости.

Спирты сами по себе не вредны, но извлекая из бетона воду, высушивают его и прекращают процесс твердения. Перечисленные основные недостатки железобетонных конструкций незначительны по сравнению с их многочисленными крупными достоинствами. Отрицательное влияние многих недостатков может быть существенно снижено высококачественными проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией железобетонных конструкций.

Понятие о предварительно напряженных железобетонных конструкциях

Основными достоинствами железобетона являются: высокая прочность, огнестойкость, долговечность, простота формообразования. Бетонная балка (рис. ниже), испытывающая при изгибе растяжение ниже нейтральной оси и сжатие выше нее, имеет низкую несущую способность вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. При этом прочность бетона в сжатой зоне используется не полностью. В связи с этим неармированный бетон не рекомендуется применять в конструкциях, предназначенных для работы на изгиб или растяжение, так как размеры таких элементов были бы непомерно большими.

Бетонные конструкции применяют преимущественно при их работе на сжатие (стены, фундаменты, подпорные сооружения, устой и др.) и только иногда при работе на изгиб при малых растягивающих напряжениях, не превышающих предела прочности бетона при растяжении.

Железобетонные конструкции, усиленные в растянутой зоне арматурой, обладают значительно более высокой несущей способностью. Так, несущая способность железобетонной балки (рис. ниже) с уложенной внизу арматурой в 10-20 раз больше, чем несущая способность бетонной балки таких же размеров. При этом прочность бетона в сжатой зоне балки используется полностью.

сцеплением арматуры с бетоном, возникающим при твердении бетонной смеси; благодаря сцеплению оба материала деформируются совместно;
близкими по значению коэффициентами линейных температурных деформаций (для бетона 7·10 -6 -10·10 -6 1/град, для стали 12·10 -6 1/град), что исключает появление начальных напряжений в материалах и проскальзывание арматуры в бетоне при изменениях температуры до 100 °С;
надежной защитой стали, заключенной в плотный бетон, от коррозии, непосредственного действия огня и механических повреждений.

Понятие о предварительно напряженных железобетонных конструкциях

Особенности статического расчета. В отличие от других конструкционных материалов в железобетоне в стадии эксплуатации возникает система трещин. Это не препятствует эксплуатации железобетонных конструкций и допускается действующими строительными нормами, ограничивается только ширина раскрытия трещин. Отметим, что трещины образуются не по всей длине изгибаемых или внецентренно сжатых элементов, а лишь в зонах действия максимальных изгибающих моментов. Это приводит к тому, что железобетонные элементы по длине становятся неоднородными по жесткости. Вспомним также, что классическая строительная механика оперирует однородными по жесткости стержнями и пластинами. Поэтому, распределение усилий в статически неопределимых системах различно для однородных систем и для железобетона. Если нагрузка вызывает в железобетонной конструкции усилия не превышающие усилий образования трещин (первая стадия деформирования), то конструкция ведет себя как однородная упругая система. Если система трещин образовалась, то в эксплуатационной стадии (вторая стадия деформирования) распределение усилий отличается по форме от их упругого распределения. Однако и в первом и во втором случае в результате статического расчета мы получаем единственное распределение усилий в конструкции, которое считаем действительным, и по этим усилиям определяем момент образования трещин, перемещения и ширину раскрытия трещин. Еще большие различия между распределением усилий в конструкции из упругого материала и из железобетона проявляются в третьей стадии, когда проводится проверка прочности. Эта проверка выполняется на основе теории предельного равновесия. Благодаря упругопластическим свойствам железобетона в статически неопределимой конструкции после появления пластического шарнира в каком-то одном сечении не происходит разрушения всей конструкции. Пластические шарниры образуются в тех сечениях, в которых растянутой арматуры недостаточно для восприятия упругих моментов. В сечении с пластическим шарниром с увеличением нагрузки усилия не возрастают, растут только деформации, а конструкция в целом воспринимает возрастающую нагрузку за счет перераспределения усилий между ее сечениями и элементами. При этом мы получаем не действительное распределение усилий в конструкции, а статически допустимое, т.е. такое поле усилий при котором выполняются условия равновесия и ни в одном из сечений не нарушаются условия прочности. Используя эффект перераспределения усилий, конструктор может, в определенной степени, управлять несущей способностью отдельных сечений и последовательностью образования пластических шарниров, манипулируя армированием. Другими словами, при проектировании железобетонных конструкций реализуется принцип: «как конструкция заармирована, так она и работает». Поясним это на примере. Пусть нам требуется определитьмаксимально возможную нагрузку и подобрать арматуру в многопролетной неразрезной балке из железобетона, рис. 5.1. Пролеты равные, длиной 6 м, сечение балки прямоугольное. В качестве материалов используем бетон класса В25, R_b = 148 кгс/см 2 и арматуру класса А-III, R_S = 3750 кгс/см 2 . Рабочая высота сечения h_o = 46 см. Нагрузка равномерно распределенная q = 3.22 тс/м. Подбирать армирование будем из условий прочности на основе метода предельного равновесия. Условие прочности записывается в виде

M ≤ M_ul, (5.1)

где: M – момент внутренних сил; M_ul – предельный момент (момент в пластическом шарнире).

Рассмотрим несколько вариантов армирования.

Рис. 5.1. К расчету неразрезной балки по методу предельного равновесия

Вариант 1. Рассматриваем балку как разрезную. В этом случае изгибающий момент на опорах М_о = 0, момент в середине пролетов равен М = q ℓ 2 /8 = 3,22 · 36 / 8 = 14,5 тм.

Вычислим необходимое армирование. По формуле 3.10 получим площадь поперечного сечения арматуры (при вычислении размерность тс и м)

= 1480·0,24·0,46 ·[1 – (1 – 2·14,5/(1480·0,24·0,46 2 )) 0,5 ]/37500 = 0,0009425 м 2 = 9,425 см 2 .

Принимаем армирование в виде трех стержней ø20, A_S = 9.42 см 2 . При этом армировании в пролете образуется пластический шарнир, рис. 6.2 а. Полученное распределение моментов является статически допустимым, так как не нарушаются условия прочности и уравнения равновесия.

Вариант 2, рис. 5.2 б. Пролет также армируется тремя стержнями ø20, A_S = 9,42 см 2 , а над опорами в верхнюю зону балки добавим два стержня ø20, A ‘ _S = 6,28 см 2 , превратив таким образом балку в неразрезную. Вычислим, какой предельный изгибающий момент выдерживает сечение над опорой (без учета работы нижней арматуры на сжатие)

X = (R_S A ‘ _S) / (R_b b) = (3750 · 6,28) / (148 · 24) = 6,6 см,

М_оп = R_S A ‘ _S (h_o – 0,5 Х) = 3750 · 6,28 · 42,7 = 1000558 кгсм ≈ 10 тм.

Рис. 5.2. Статически допустимые поля усилий и соответствующее армирование:

а – армирование по разрезной схеме; б – армирование по упругому распределению

моментов; в – случай предельной нагрузки; 1 – пластические шарниры

При упругом распределении изгибающих моментов в многопролетной балке опорный момент равен: М_оп = q ℓ 2 /12,

откуда: q = 12 М_оп / ℓ 2 = 12 · 10/ 36 = 3,333 тм.

При этой нагрузке над опорами возникают пластические шарниры, в которых действует предельный изгибающий момент М_оп = 10 тм. В пролете изгибающий момент будет

М_пр = q ℓ 2 /24 = 5 тм.

Это напряженное состояние также статически допустимо, однако несущая способность балки не исчерпана, так как пролет недогружен и нагрузку можно увеличить.

Вариант 3. Вычислим, при какой нагрузке, в дополнение к опорным пластическим шарнирам, образуется пластический шарнир в середине пролета балки. В варианте 1 уже было определено, что без учета работы сжатой арматуры при трех стержнях ø20, сечение выдерживает изгибающий момент М_пр = 14,5 тм. Следовательно, полный момент,

М = q ℓ 2 /8 = М_оп + М_пр = 10 + 14,5 = 24,5 тм. Откуда предельная нагрузка

q = 8(М_оп + М_пр) / ℓ 2 = 8 · (10 + 14,5) / 36 = 5,44 тм.

В последнем варианте загружения, в балке образуются три пластических шарнира, а нагрузка возросла по сравнению с первым вариантом почти на 70% рис. 5.2 в.

Свойство статически неопределимых железобетонных конструкций перераспределять усилия позволяет снижать пиковые значения изгибающих моментов и наиболее рационально назначать армирование в рамах, неразрезных балках и плитах, в их различных сечениях, например в пролете и на опорах. Назначение расчетных моментов в конструкциях с учетом перераспределения усилий позволяет экономить до 30% арматурной стали по сравнению с армированием, полученным на основе расчетов по упругой модели. Однако для ограничения ширины раскрытия трещин в эксплуатационной стадии величину перераспределения моментов ограничили в пределах 30%. При этом необходимо иметь в виду, что перераспределение в предельной стадии возможно лишь для арматуры из сталей имеющих физическую площадку текучести. Исследования показали, что в неразрезных равнопролетных балках при равномерно распределенной нагрузке расчетные поперечные силы и моменты следует принимать: в первом пролете и над первой опорой

Q = 0,4 qℓ;M = qℓ 2 /11; (5.2)

во второй от края опоре

Q = 0,6 qℓ; M = qℓ 2 /16; (5.3)

а в средних пролетах и над средними опорами

Q = 0,5 qℓ; M = qℓ 2 /16. (5.4)

Что касается плит, то их расчет также следует вести с учетом перераспределения усилий.

Понятие о предварительно напряженном железобетоне. Для понимания сути предварительно напряженного железобетона вспомним следующее. Для того чтобы использовать бетон в сочетании со стальной арматурой, мы помещаем эту арматуру в растянутую от внешних нагрузок зону железобетонных элементов для восприятия усилий растяжения. При этом в эксплуатационной стадии работы в этих элементах могут образовываться трещины. Напомним, что ширина раскрытия трещин зависит, в основном, от деформационных свойств арматурной стали, т.е. от ее модуля упругости. Как арматура класса AIII с прочностью около 4000 кгс/см 2 , так и высокопрочная канатная или проволочная арматура с прочностью 12000 кгс/см 2 и выше имеют примерно одинаковый модуль упругости. Если в качестве арматуры, применяется арматура классов AII, AIII, или подобные им по прочности классы, то при ограниченной ширине раскрытия трещин в арматуре возникают напряжения в пределах от 2000 до 3000 кгс/см 2 . Если нагрузку на такую конструкцию увеличивать, ширина раскрытия трещин достигнет недопустимых величин, резко возрастут деформации и дальнейшая эксплуатация конструкции станет невозможной. Следовательно, в обыкновенных железобетонных конструкциях невозможно использовать высокопрочную арматуру из-за ограничений в ширине раскрытия трещин.

Выход был найден в применении предварительного натяжения арматуры. Честь изобретения предварительно напряженного железобетона принадлежит французскому инженеру Эжену Фрейсине. Эжен Леон Фрейсине (1879-1962) был специалистом по железобетонным конструкциям. В 1917 г. он предложил увеличить несущую способность бетона путем уплотнения его механической вибрацией, а потом и вибропрессованием. Фрейсине был первым президентом Международной федерации по железобетону — ФИБ, которую он и основал в 1953 г. Но самым большим его достижением следует считать изобретение предварительно напряженного железобетона. В 1928 г. Фрейсине предложил и осуществил изготовление сборных струно-бетонных преднапряженных элементов. Замысел и идея этого материала состоит в следующем. Натянутая еще до укладки бетона высокопрочная проволока, в готовом элементе стремится вернуть свою первоначальную длину и вызывает в бетоне сжимающие напряжения в стадии, когда внешние усилия на конструкцию еще не действуют. Способ, предложенный Фрейсине, значительно увеличил несущую способность элементов, так как позволил применять в железобетонных конструкциях высокопрочную арматурную сталь и высокопрочный бетон. Это позволило сократить расход арматурной стали до 70%, уменьшить расход бетона и снизить вес конструкций при незначительном увеличении их стоимости.
Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых в процессе изготовления создаются внутренние сжимающие напряжения. Эти напряжения в процессе эксплуатации будут препятствовать образованию трещин или ограничивать ширину их раскрытия. Предварительное натяжение арматуры применяют в элементах и конструкциях, в которых при эксплуатации возникают растягивающие напряжения: резервуары, напорные трубы, силосы для сыпучих материалов, нижние пояса и раскосы ферм, плиты перекрытий и покрытий, ригели и балки, пролетные строения мостов, мачты, высотные башни радио и телевизионных антенн, колонны промышленных зданий, работающие с большим эксцентриситетом и т.д.

Основными преимуществами предварительно напряженных железобетонных конструкций перед обыкновенными являются: повышенная несущая способность и трещиностойкость (предварительным натяжением арматуры можно обеспечить либо отсутствие трещин либо ограниченную ширину их раскрытия); возможность использования высокопрочных бетонов и арматурной стали; повышенная жесткость и меньшая деформативность конструкций; возможность изготовления большепролетных конструкций. Переход от обыкновенного железобетона к предварительно напряженному значительно расширил область применения железобетона за счет этих преимуществ.

В настоящее время существуют два основных способа изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций – натяжение арматуры на упоры (до бетонирования) и натяжение арматуры на бетон (после отвердевания бетона).

Метод натяжения на упоры применяют, в основном, на заводах железобетонных изделий и он состоит в следующем. Арматуру до укладки бетона устанавливают в форме, один ее конец закрепляют на упорах, а с помощью другого натягивают арматуру до заданного напряжения и после натяжения также закрепляют на упорах (рис.5.3, а). Затем элемент

Рис. 5.3. Схемы создания предварительного натяжения арматуры:

а – натяжение на упоры; б – натяжение на бетон; 1 – упор; 2 – домкрат; 3 – анкер

бетонируют. После того как бетон приобретает передаточную прочность (прочность необходимую для восприятия усилий предварительного натяжения), арматуру освобождают от упоров. Арматура, стремясь восстановить свою первоначальную длину, обжимает бетон. Передача усилий обжатия с арматуры на бетон происходит за счет сил сцепления. Без дополнительных конструктивных приемов это сцепление обеспечивается при использовании высокопрочного бетона и арматуры периодического профиля. Это самый экономичный способ. В случае недостаточного сцепления арматуры с бетоном применяются специальные анкера ( рис.5.4). Натяжение арматуры на упоры требует устройства специальных стендов или поддонов, поэтому этот способ применяют при изготовлении типовых плоских или стержневых элементов – балок, ригелей и прогонов рам, ферм и плит покрытий и перекрытий.

Рис. 5.4. Методы анкеровки напрягаемой арматуры:

а – кольца с коротышами; б – высаженная головка; в – нарезной наконечник с гайкой;

г – приварка коротышей; д – обжатая шайба; е – приваренное кольцо;

ж – нарезной конец с гайкой

Метод натяжения на бетон применяется, когда натяжение на упоры не может быть применено, например, при возведении большепролетных сооружений непосредственно на строительной площадке, при укрупнительной сборке составных конструкций и в других случаях. Первоначально изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, в котором предусматриваются каналы или пазы для установки арматуры (рис.5.3, б). После

достижения бетоном передаточной прочности производится натяжение арматуры. Натяжение арматуры осуществляется специальными домкратами, опирающимися непосредственно на торцы бетонного элемента. После натяжения концы арматуры закрепляются на торцах элемента с помощью специальных анкеров, действующих в основном на эффекте заклинивания (рис. 5.5). Для защиты арматуры от коррозии и обеспечения сцепления арматуры с бетоном каналы или пазы заполняют под давлением цементным или цементно-песчанным раствором. При натяжении арматуры на бетон целесообразно применение пучковой или прядевой арматуры, а также канатов из высокопрочной проволоки.

Натяжение арматуры осуществляется несколькими способами: механическим, электротермическим, электромеханическим и физико-химическим. При механическом способе арматуру натягивают гидравлическими домкратами. Это позволяет достаточно точно измерять силу натяжения. Когда напряжения в арматуре достигают заданной величины, арматуру закрепляют и снимают домкрат. Широкое распространение получил электротермический способ натяжения. Он основан на свойстве стали расширяться при нагревании. Нагретые при прохождении электрического тока до 300 – 400 0 С арматурные стержни укладывают в формы, закрепляют в концевых упорах, а затем ток отключается.

Рис. 5.5.Анкеровка напрягаемой проволочной арматуры при натяжении на бетон:

а – гильзостержневой анкер; б – анкер стаканного типа; в – анкер с конической пробкой;

1- напрягаемая проволока; 2 – гильза; 3 – стержень с нарезкой; 4 – бетон, запрессованный

в анкер ; 5 – стальной стакан; 6 – стальной стержень; 7 – стальные шайбы; 8 – кольцо;

9 – крюки на концах арматуры; 10 – подача давления масла; 11 – зажим для проволок;

12- упор; 13 – анкерная пробка; 14 – обойма; 15 – преднапрягаемая конструкция;

16 – полость домкрата, заполняемая при запрессовке анкерной пробки; 17- полость

домкрата, заполняемая при натяжении арматуры

При остывании стержни, стремясь вернуть начальную длину, натягиваются и напрягаются. Электромеханический способ сочетает в себе как механическое натяжение, так и нагрев с помощью электрического тока. Физико-химический способ натяжения используется при производстве самонапрягающихся конструкций. В этих конструкциях натяжение арматуры достигается за счет расширения твердеющего бетона, полученного с применением напрягающего цемента.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции при действии нагрузки проходят следующие стадии напряженно деформированного состояния. При некоторой величине внешних усилий предварительное напряжение, сжимающее растянутую зону, гасится. Затем, при увеличении нагрузки в наиболее растянутых областях сечений, напряжения бетона достигают величины расчетного сопротивления растяжению, что ведет к образованию трещин. Образование трещин служит границей первой стадии деформирования. При увеличении нагрузки трещины расширяются и распространяются в сторону границы сжатой зоны бетона, т.е. наступает вторая стадия деформирования. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в бетоне достигают предела прочности бетона на сжатие, а в арматуре временного сопротивления. Это означает конец третьей стадии деформирования и разрушение элемента. Из сравнения стадий деформирования обыкновенного и предварительно напряженного железобетона следует, что при расчете по прочности предварительно напряженные элементы не отличаются от ненапряженных: и в тех и в других напряжения в арматуре и бетоне достигают своих расчетных величин. Разница заключается в том, что относительное приращение внешней нагрузки между первой и третьей стадиями нагружения, в предварительно напряженных элементах в несколько раз меньше чем в обыкновенных, т.е. стадия развития трещин менее выражена, что свидетельствует о том, что по сравнению с ненапряженными элементами, предварительно напряженные обладают большей жесткостью и трещиностойкостью.

Дата добавления: 2015-02-10 ; просмотров: 162 ; Нарушение авторских прав

12- упор; 13 – анкерная пробка; 14 – обойма; 15 – преднапрягаемая конструкция;

Сущность предварительно напряженного железобетона

Иногда образование трещин в конструкциях недопустимо по условиям эксплуатации (например, в резервуарах; трубах; конструкциях, эксплуатирующихся при воздействии агрессивных сред). Чтобы исключить этот недостаток железобетона, применяют предварительно напряженные конструкции. Таким образом, можно избежать появления трещин в бетоне и уменьшить деформации конструкции в стадии эксплуатации.

Предварительно напряженной называют такую железобетонную конструкцию, в процессе изготовления которой создают значительные сжимающие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры. Начальные напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузок испытывают растяжение (рис. 1.2).

Преимущества преднапряженных железобетонных конструкций:

– повышенная трещиностойкость, и как следствие, повышенная долговечность;

– повышенная жесткость;

– экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры (удельная стоимость арматуры снижается с увеличением прочности арматуры, поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее обычной; однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях без преднапряжения не рекомендуется, т.к. при высоких растягивающих напряжениях в арматуре трещины в растянутых зонах бетона будут значительно раскрыты, снижая при этом необходимые эксплуатационные качества конструкции);

– меньший собственный вес по сравнению с обычным железобетоном за счет применения высокопрочных материалов.

Преднапряжение практически не влияет на прочность железобетонных конструкций.

Способы создания предварительного напряжения конструкций:

1. Натяжение арматуры на упоры.

2. Натяжение арматуры на бетон.

3. Самонапряжение конструкций.

Натяжение на упоры – наиболее индустриальный способ создания преднапряжения арматуры. Арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют на упоре, другой натягивают домкратом или иным приспособлением до контролируемого напряжения (рис. 1.3). Затем изделие бетонируется, пропаривается и после приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности для восприятия обжатия R_bp арматуру отпускают с упоров. Арматура, стремясь укоротиться в пределах упругих деформаций, при наличии сцепления с бетоном увлекает его за собой и обжимает.

Рис. 1.3. Схема создания предварительного напряжения арматуры на упоры: s_нк – контролируемое напряжение.

Натяжение на бетон применяется главным образом при соединении на монтаже крупноразмерных конструкций (в мостостроении и др.), а также при возведении специальных сооружений (телебашни, защитные оболочки АЭС и др.), в которых необходимо поддерживать заданное напряжение. Сначала изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, затем по достижении бетоном прочности R_bp создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Это осуществляется следующим образом: напрягаемую арматуру заводят в каналы или пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают с помощью домкрата, упираясь прямо в торец изделия. При этом обжатие бетона происходит уже в процессе натяжения арматуры. При этом способе напряжения в арматуре контролируют после окончания обжатия бетона. Каналы в бетоне, превышающие диаметр арматуры на 5 ¸ 15 мм, создают укладкой извлекаемых впоследствии пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых трубок и т.д.). Сцепление арматуры с бетоном достигается за счет того, что после обжатия инъецируют (нагнетают в каналы цементное тесто или раствор под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники – отводы). Если напрягаемую арматуру располагают с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т.п.), то навивку ее с одновременным обжатием бетона выполняют специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием защитный слой бетона.

Рис. 1.4. Схема создания предварительного напряжения арматуры на бетон.

Самонапряжение конструкций осуществляется при использовании энергии напрягающих или расширяющихся цементов.

Способы создания натяжения арматуры:

1. Механический (гидравлические домкраты);

2. Электротермический (нагрев арматуры).

3. Электротермомеханический (арматуру нагревают и домкратами натягивают);

1.3. Физико-механические свойства бетона: деление бетона по ряду признаков, структура бетона, усадка бетона.

Требования, предъявляемые к бетонам:

– хорошее сцепление с арматурой и плотность,

Классификация бетонов осуществляется по следующим признакам:

1. По структуре бетона:

– плотная (все пространство между зернами заполнителями заполнено вяжущим);

– крупнопористая (беспесчаные или малоячеистые бетоны);

– поризованные (с искусственной или естественной пористостью заполнителя и цементного камня);

– ячеистые (с искусственными порами).

2. По средней плотности:

– особо тяжелые (ρ ≥ 2500 кг/м 3 );

– тяжелые (2200 ≤ ρ 3 );

– мелкозернистые (1800 ≤ ρ 3 );

– легкие (800 ≤ ρ 3 ).

3. По зерновому составу:

– крупнозернистые (содержащие зерна крупного и мелкого заполнителя);

– мелкозернистые (содержащие зерна только мелкого заполнителя).

4. По виду заполнителя:

– на плотных заполнителях;

– на пористых заполнителях;

– на специальных заполнителях.

5. По способу твердения:

– естественного твердения;

– искусственного (термовлажностная обработка при атмосферном давлении);

– автоклавного (автоклавная обработка при высоком давлении).

\|	следующая лекция ==>
Сущность железобетона	\|	Структура бетона

Дата добавления: 2014-01-20 ; Просмотров: 4743 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

1.3. Физико-механические свойства бетона: деление бетона по ряду признаков, структура бетона, усадка бетона.

Сущность и преимущества предварительно напряженных железобетонных

Сущность. Под предварительно напряженными понимают железобетонные конструкции, элементы, изделия, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в части или по всей рабочей арматуре и обжатие всего или части бетона.

Обжатие бетона в предварительно напряженных конструкциях на заданную величину σ_bpосуществляется предварительно натянутой арматурой, стремящейся после отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние При этом проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, а при недостаточности естественного сцепления — специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне. Начальное предварительное напряжение арматуры σ_s_р = ε_s_рЕ_sсоздаваемое в результате искусственного

натяжения арматуры, после отпуска натяжных устройств снижается за счет относительного упругого обжатия бетона ε_bдо напряжения σ_con₂ = σ_s_р – ασ_b_р,где ασ_b_р — потери начального предварительного напряжения арматуры вследствие уменьшения начального относительного удлинения ε_s_р на величину относительного упругого обжатия бетона ε_b, Их определяют из условия совместности деформаций укорочения бетона ε_b, и арматуры ε_s_р,

Установившееся предварительное напряжение растяжения в арматуре σ_con₂ = σ_s_р – ασ_b_р, равное, будет уравновешиваться напряжением предварительного обжатия бетона ε_b.С этими предварительными напряжениями в арматуре железобетонный элемент поступает на строительную площадку.

Еще до приложения внешней нагрузки в арматуре предварительно напряженных конструкций действуют значительные предварительные напряжения растяжения σ_con₂ , обжимающие (σ_b_р)бетон Внешняя растягивающая сила N будет увеличиваться вплоть до величины упругого обжатия бетона. Как только это произойдет, предварительное обжатие бетона будет полностью погашено. После погашения предварительного обжатия бетона работа конструкций под нагрузкой напоминает работу железобетонных конструкций без предварительного напряжения. С дальнейшим возрастанием внешней нагрузки в бетоне появятся растягивающие напряжения σ_b_р,которые будут возрастать вплоть до расчетного сопротивления (предела прочности бетона на растяжение)R_bt_,_ser, точно так же, как и в железобетонных элементах без предварительного напряжения. Как только относительное удлинение бетона достигнет предельной величины, в предварительно напряженном элементе, как и в железобетонном элементе без предварительного напряжения, появится трещина.

За счет предварительного обжатия бетона предварительно напряженной арматурой сила N_Р,_crc , вызывающая появление первых трещин в преднапряженных конструкциях возрастает по сравнению с железобетонными конструкциями на силу предварительного напряжения арматуры. Сила N_Р,_crc, вызывающая появление трещин в предварительно напряженных конструкциях, в 2. 3 раза больше силы N_,_crc ,вызывающей появление трещин в ЖБ конструкциях без предварительного напряженияСледовательно, трещиностойкость предварительно напряженных конструкций в 2. 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Чем выше натяжение арматуры и сильнее обжатие бетона, тем меньше участок, на котором происходит образование и раскрытие трещин..

Прочность предварительно напряженных конструкций не зависит от величин предварительного напряжения арматуры. Вот почему расчет на прочность любых предварительно напряженных конструкций ничем не отличается от расчета на прочность железобетонных конструкций без предварительного напряжения.

Все сказанное позволяет заключить, что природа предварительно напряженных конструкций та же, что и железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Создание предварительных напряжений растяжения в арматуре и обжатия бетона до приложения эксплуатационных нагрузок не оказывает значительного влияния на основные физико-механические свойства железобетона.

Предварительно напряженные конструкции являются общим видом железобетонных конструкций, а железобетонные конструкции без предварительного напряжения являются всего лишь их частным случаем. При этом необходимо иметь в виду, что предварительное обжатие бетона существенно повышает трещиностойкость наклонных сечений и границу переармирования и заметно может понизить прочность сжатой зоны сечения.

Преимущества. Предварительно напряженные железобетонные конструкции имеют следующие преимущества перед предварительно ненапряженными. В предварительно напряженных конструкциях предоставляется возможность использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную арматуру, что позволяет в среднем до 50 % сокращать расход дефицитной стали в строительстве. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в растянутых зонах элементов, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.

“Предварительное напряжение позволяет расширить использование сборных и сборно-монолитных конструкций составного сечения, в которых бетон повышенной прочности применяется только в заранее изготовленных предварительно напряженных элементах* а основная или значительная часть конструкций выполняется из тяжелого или легкого бетона, не подвергаемого предварительному напряжению.

Предварительное напряжение, увеличивающее сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки/Правильно запроектированные предварительно напряженные конструкции безопасны в эксплуатации, так как показывают перед разрушением значительные прогибы, предупреждающие об аварийном состоянии конструкций.

Дата добавления: 2016-05-25 ; просмотров: 1232 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

SEO оптимизация

Сплошные двухслойные панели пролетом 4—6 м, высотой поперечного сечения 160 мм и шириной 395, 590, 790, 990, 1190 и 1595 мм.Нижний слой 35—45 мм. в котором располагается предварительно напряженная арматура, выполняется из бетона марки не ниже 400. Верхний слой выполняется из легкого бетона марки не менее 150 на шлаковых заполнителях В качестве предварительно напряженной арматуры применяется проволока диаметром 3 мм (гладкая) и 5 мм (периодического профиля) с пределом прочности, соответственно, 17 000 и 14 500 кг/см2.
Настилы, фундаментные блоки, лестничные марши и площадки, армированные струнобетонными брусками.

Что такое предварительно напряженный железобетон?

Бетон в своем обычном состоянии имеет чрезвычайно высокий уровень прочности на сжатие. Это дает возможность использовать его для создания структур, которые должны нести сжимающие нагрузки. Например, он используется для создания колонн и опор для поддержки различных сооружений в больших зданиях.

Однако, по сравнению с его прочностью на сжатие, бетон почти не имеет целостной прочности. Поэтому, если обычный бетон используется для строительства перекрытий, он будет прогибаться под давлением при сжатии на нее, и в конце концов трескается и осыпается. Для устранения этого недостатка, применяется метод преднапряжение. В своей самой основной форме, преднапряжение осуществляется следующим образом.

Ряд стальных тросов приводят в напряжение путем применения оттягивающей силы на их концах, и располагают в бетонный блок. Затем, жидкий бетон заливается в формы и твердеет, что вызывает склеивание между ним и стальными тросами внутри. После этого, кабели пытаются восстановить свою первоначальную форму, они тянут с ними и бетон, создавая компрессию. Это вызывает стресс во внутренних частицах бетона, укрепляя его и делая его отличным материалом для использования в конструкциях. Поскольку напряжения бетона производится до его использования, это называется предварительно напряженный бетон.

Преднапряженный бетон имеет большой объем прочности, как на сжатие, так и на растяжение. Он используется для построения длинных мостов, строительных плит и др.

2) Ниже глубины

Предварительно напряженные железобетонные конструкции

Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых до приложения нагрузок в процессе изготовления искусственно создаются здачительные сжимающие напряжения в бетоне nyтем натяжения высокопрочной арматуры. Начальный сжимающие напряжения создаются в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузок испытывают растяжение. При этом повышается трещиностойкость конструкции и создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции.
Удельная стоимость арматуры, равная отношению ее цены (руб/т) к расчетному сопротивлению Rs, снижается с увеличением прочности арматуры. Поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее горячекатаной. Однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях без предварительного напряжения нельзя, так как при высоких растягивающих напряжениях в арматуре и соответствующих деформациях удлинения в растянутых зонах бетона появляются трещины значительного раскрытия, лишающие конструкцию необходимых эксплуатационных качеств.
Сущность предварительно напряженного железобетона в экономическом эффекте, достигаемом благодаря применению высокопрочной арматуры. Кроме того, высокая трещиностойкость предварительно напряженного железобетона повышает его жесткость, сопротивление динамическим нагрузкам, коррозионную стойкость, долговечность.
В предварительно напряженной балке под нагрузкой бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила, вызывающая образование трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, превышает нагрузку, действующую при эксплуатации. С увеличением нагрузки на балку до предельного разрушающего значения напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений.
Таким образом, железобетонные предварительно напряженные элементы работают под нагрузкой без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием, в то время как конструкции без предварительного напряжения эксплуатируются при наличии трещин и при больших значениях прогибов. В этом различие конструкций предварительно напряженных и без предварительного напряжения с вытекающими отсюда особенностями их расчета, конструирования и изготовления.
В производстве предварительно напряженных элементов возможны два способа создания предварительного напряжения: натяжение на упоры и натяжение на бетон. При натяжении на упоры до бетонирования элемента арматуру заводят в форму, один конец ее закрепляют в упоре, другой натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируемого напряжения. После приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности перед обжатием арматуру отпускают с упоров. Арматура при восстановлении упругих деформаций в условиях сцепления с бетоном обжимает окружающий бетон. При так называемом непрерывном армировании форму укладывают на поддон, снабженный штырями, арматурную проволоку специальной навивочной машиной навивают на трубки, надетые на штыри поддона, с заданной величиной напряжения, и конец ее закрепляют плашечным зажимом. После того как бетон наберет необходимую прочность, изделие с трубками снимают со штырей поддона, при этом арматура обжимает бетон.
Стержневую арматуру можно натягивать на упоры электротермическим способом. Стержни с высаженными головками разогревают электрическим током до 300—350 °С, заводят в форму и закрепляют на концах в упорах форм. Арматура при восстановлении начальной длины в процессе остывания натягивается на упоры.
При натяжении на бетон сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент, затем при достижении бетоном прочности создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Напрягаемую арматуру заводят в каналы или в пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают на бетон. При этом способе напряжения в арматуре контролируются после окончания обжатия бетона. Каналы, превышающие диаметр арматуры на 5—15 мм, создают в бетоне укладкой извлекаемых пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых шлангов и т. п.) или оставляемых гофрированных стальных трубок и др. Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием — нагнетанием в каналы цементного теста или раствора под давлением. Инъецирование производится через заложенные при изготовлении элемента тройники — отводы. Если напрягаемая арматура располагается с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т. п.), то навивка ее с одновременным обжатием бетона производится специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием (под давлением) защитный слой бетона.
Натяжение на упоры как более индустриальное является основным способом в заводском производстве.

Преднапряженный железобетон

Будучи несущим элементом, бетон подвергается изгибу от расположенных на нем других элементов конструкции, а также при взаимодействии с другими элементами. При изгибе любого элемента в нем возникают сжатая и растянутая зона. В верхней части бетон подвергается сжимающим усилиям, а в нижней части – растягивающим.

При действии растягивающих усилий, несмотря на наличие очевидных преимуществ, бетон демонстрирует главный недостаток – малую прочность при растяжении. Малая прочность бетона при растяжении объясняется неоднородностью его структуры и нарушением сплошности бетона, что способствует развитию концентраций напряжений, особенно при действии растягивающих усилий. Неоднородное строение бетона – одна из главных причин большого рассеивания результатов механических испытаний этого материала, что сказывается при экспериментальном определении величины растяжения гораздо сильнее, чем при определении прочности на сжатие. При растяжении в теле бетона образовываются трещины, которые неминуемо, пусть и медленно, приводят к обвалу конструкций. Именно в зону, подвергающуюся растяжению, и предполагается размещение арматуры из стали, которая может воспринять на себя значительно большую растягивающую силу, чем бетон. Бетон, усиленный стальной арматурой, называется железобетоном.

В некоторых случаях железобетонные изделия при эксплуатации подвергаются значительным растягивающим напряжениям, например балочные и другие опорные конструкции (ригели, железнодорожные шпалы и др.). Для того чтобы избежать разрушения конструкции, стальная арматура в этих случаях подвергается предварительному напряжению.

Напряженный железобетон – это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

Процесс предварительного напряжения арматуры выглядит следующим образом: сначала прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается специальным устройством и укладывается бетонная смесь. Натяжение проволоки поддерживается до тех пор, пока бетон не наберет достаточную прочность. После этого проволока отрезается от анкерных устройств, а ее натяжение благодаря сцеплению с бетоном передается последнему. В результате этого бетон подвергается сжимающим напряжениям. Такое создание внутренних напряжений сжатия позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки.

Существует несколько способов натяжения арматуры:

механический способ. Как правило, натяжение происходит с использованием гидравлических или винтовых домкратов;
электротермический способ натяжения. Натяжение происходит с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений;
Электротермомеханический способ – комбинирующий механический и электротермический.

По виду технологии устройства предварительное напряжение подразделяется на:

натяжение на упоры (до укладки бетона в опалубку);
натяжение на бетон (после укладки и набора прочности бетона).

В то время как натяжение на упоры подразумевает только прямолинейную форму натянутой арматуры, важной отличительной особенностью натяжения на бетон является возможность натяжения арматуры сложной формы, что повышает эффективность армирования.

Применение преднапряженного железобетона имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным железобетоном:

преднапряженный бетон является более экономичным материалом: расход стали, которая используется для производства арматуры, сокращается в среднем на 40-60%. Также на изготовление изделий из преднапряженного бетона уходит меньше цемента, уменьшается сечение, следовательно, становится меньше объем и вес;
преднапряженный железобетон имеет прекрасную стойкость к трещинообразованию и дальнейшему их расширению, что, как следствие, предохраняет металлическую арматуру от появления коррозии. В особенности это важно для сооружений, находящихся в постоянном взаимодействии с водой (труб, резервуаров, плотин);
предварительно напряженные железобетонные изделия могут использоваться для специальных строений, в которых нельзя или нежелательно применять типичные ЖБИ. В том числе благодаря тому, что уменьшается масса и объем, железобетон напряженный легче и проще использовать для стыков сборных частей конструкции. Это могут быть: балки кровельные и подкрановые, плиты для покрытий в помещениях промышленного назначения;
Расширяется сфера применения материала. Его можно использовать не только для сборных, но и для монолитно-сборных сооружений. В этом случае его применяют только в тех участках, где наблюдается напряжение конструкции. В остальных же частях используется типичный легкий пенобетон, тяжелый бетон или монолитный железобетон.
С течением времени увеличивается сейсмостойкость напряженно-армированных конструкций. Объясняется это тем, что в процессе изготовления используются более легкие материалы для сечения.

Сопротивление внешним воздействиям у преднапряженного железобетона происходит следующим образом: когда к предварительно напряженному железобетонному изделию приложена нагрузка, силы, которые раньше вызывали растяжение и растрескивание бетона в нижней части балки, теперь только уменьшают сжатие, созданное напряженной арматурой. В то же время сжатие верхней части балки под нагрузкой складывается со сжатием, созданным предварительным напряжением. Эффективность этого принципа заключается в том, что потенциальную прочность на сжатие высококачественного бетона можно использовать полностью, а его низкая прочность на растяжение не имеет никакого значения.

Принцип предварительного напряжения позволяет применять более легкие конструкции, что имеет особое значение при сооружении мостов, перекрытий с большим пролетом и подобных конструкций, в которых собственный вес сооружения составляет значительную часть от общей нагрузки, на которую оно рассчитано.

Обычно предварительно напряженный железобетонный элемент проектируется таким образом, чтобы при полной рабочей нагрузке в бетоне не возникало растягивающих напряжений. Однако если этот элемент будет перегружен, то при условии, что напряжения в арматуре не достигли предела текучести, он имеет способность к почти полному восстановлению после снятия нагрузки. Возникшие при перегрузке трещины в бетоне практически полностью исчезают.

В строительстве различают два вида предварительного напряжения арматуры: до затвердения бетона и после приобретения бетоном определенной прочности. Если напряжение арматуры производится до бетонирования, то уложенная в форму арматура растягивается и в таком состоянии закрепляется в форме. После заполнения формы бетонной смесью и затвердения бетона арматура освобождается от натяжения, сокращается и “тянет” за собой окружающий ее бетон, обжимая железобетонный элемент в целом. Если же напряжение арматуры производится после затвердения бетона, то в этом случае арматуру располагают в специально оставленном в бетоне канале. После затвердения бетона арматуру натягивают и закрепляют на концах конструкции анкерными устройствами. Затем заполняют канал раствором, который после затвердения сцепляется с арматурой и с бетоном конструкции, обеспечивая монолитность железобетона.

В наши дни армированный предварительно напряженной сталью бетон широко применяется в ЖБИ строительстве в качестве опорного и несущего элемента конструкций. Такие характеристики, как долговечность, прочность, сопротивляемость различным воздействиям со стороны окружающей среды, позволяют назвать преднапряженный железобетон самым прочным материалом, пригодным даже для строительства как в районах, где царит агрессивный климат, так и в случаях возникновения значительных статических и динамических нагрузок. Ввиду того, что предварительное напряжение арматуры не только предупреждает и нейтрализует появление трещин в растянутом бетоне, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры, неудивительно, что дальнейшее развитие строительства направлено на значительное увеличение выпуска тонкостенных предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Предварительное натяжение арматуры

Для натяжения арматуры на производстве используются гидравлические упоры.

Метод, основанный на предварительном натяжении, заключается в том, что сначала прокладывают и натягивают арматуру, а после этого она обкладывается раствором. Натяжение сверхпрочной стальной армированной проволоки поддерживается до того момента, когда бетон станет достаточно прочным. После этого проволоку обрезают, а ее натяжение передается смеси из-за сцепления с ним. Благодаря этому бетон подвергается напряжению от сжатия, а производство на этом закончено.

Данный метод в основном не применяют для монолитных конструкций непосредственно на строительной площадке, основная область его применения — производство сборных элементов в промышленных условиях.

В заводских условиях наиболее эффективным способом производства предварительно напряженного бетона является так называемая система длинных линий. Применяя этот способ, армированную проволоку располагают между анкерными плитами, а затем натягивают. Поперечные стенки необходимо располагать на расстоянии, соответствующем планируемой длине изготавливаемых балок.

В процессе применения данного метода сила натяжения передается опалубке элемента.

Предварительное натяжение применяют для изготовления монолитных плит непосредственно на стройплощадке.

Применяя данный метод, лучше использовать индивидуальные формы. Это имеет следующие преимущества:

появляется возможность варьировать размеры изделий;
при штучном изготовлении, если арматура утратит напряжение, испортится только один элемент.

В процессе изготовления необходимо проводить проверку выбранных случайным образом изделий.

Из материала можно возводить телебашни.

Содержание

1 Как создают преднапряжение?
2 Целесообразность применения преднапряжения
3 Закрепление арматуры при натяжении
4 Потери напряжения в арматуре
5 Натяжение арматуры
6 Нарушение технологии
7 См. также
8 Примечания
9 Ссылки

Чаще второй метод применяется при строительстве мостов с большими пролётами, где один пролёт изготавливается в несколько этапов (захваток) [4] . Материал из стали (трос или арматура) укладывается в форму для бетонирования в чехле (гофрированная тонкостенная металлическая или пластиковая труба). После изготовления монолитной конструкции трос (арматуру) специальными механизмами (домкратами) натягивают до определённой степени. После чего в чехол с тросом (арматурой) закачивается жидкий цементный (бетонный) раствор. Таким образом обеспечивается прочное соединение сегментов пролёта моста. В то время как натяжение на упоры подразумевает только прямолинейную форму натянутой арматуры, важной отличительной особенностью натяжения на бетон является возможность натяжения арматуры сложной формы, что повышает эффективность армирования. Например, в мостах арматурные элементы поднимаются внутри несущих железобетонных балок на участках над опорами-«быками», что позволяет более эффективно использовать их натяжение для предотвращения прогиба.