(преднапряжённый железобетон ) - это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям . Конструкции из преднапряженного железобетона по сравнению с ненапряженным имеют значительно меньшие прогибы и повышенную трещиностойкость, обладая одинаковой прочностью , что позволяет перекрывать бо́льшие пролёты при равном сечении элемента.
При изготовлении железобетона прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается специальным устройством и укладывается бетонная смесь. После схватывания сила предварительного натяжения освобождённой стальной проволоки или троса передаётся окружающему бетону, так что он оказывается сжатым. Такое создание напряжений сжатия позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки.
Способы натяжения арматуры:
Grants Pass, преднапряжённый железобетонный мост в ботаническом саду, Oregon, USA
По виду технологии устройства подразделяется на:
- натяжение на упоры (до укладки бетона в опалубку);
- натяжение на бетон (после укладки и набора прочности бетона).
Чаще второй метод применяется при строительстве мостов с большими пролётами, где один пролёт изготавливается в несколько этапов (захваток) . Материал из стали (трос или арматура) укладывается в форму для бетонирования в каналообразователи (гофрированная тонкостенная металлическая или пластиковая труба). После изготовления монолитной конструкции трос (арматуру) специальными механизмами (домкратами) натягивают до определённой степени. После чего в каналообразователь 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.
У истоков создания предварительно напряжённого железобетона стояли Эжен Фрейсине (Франция) и Виктор Васильевич Михайлов (Россия) .
Предварительно напряжённый железобетон является главным материалом междуэтажных перекрытий высотных зданий и защитных гермооболочек ядерных реакторов , а также колонн и стен зданий в зонах повышенной
Современные методы карксного строительства используют технологию предварительного напряжения железобетонных конструкций. Преднапряженные конструкции - железобетонные конструкции, напряжение в которых искусственно создаётся во время изготовления, путём натяжения части или всей рабочей арматуры (обжатия части, или всего бетона).
Обжатие бетона в преднапряженных конструкциях на заданную величину осуществляется посредством натяжения арматурных элементов, стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние. При этом, проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, или без сцепления арматуры с бетоном – специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.
Трещиностойкость преднапряженных конструкций в 2 – 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона.
Преднапряженный бетон 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.
Преимущества технологии преднапряжения железобетона
Преднапряженные конструкции 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.
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 запроектированные преднапряженные конструкции и здания безопасны в эксплуатации и более надежны, особенно в сейсмических зонах. С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается. Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения преднапряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а, следовательно, более гибкими и легкими.
В большинстве развитых зарубежных стран из предварительно напряженного железобетона во все возрастающих объемах изготавливают конструкции перекрытий и покрытий зданий различного назначения, значительную часть изделий, используемых в инженерных сооружениях и в транспортном строительстве; появились производства элементов наружного архитектурного оформления зданий.
Мировой опыт использования технологии преднапряжения
В мире монолитный железобетон большей частью является предварительно напряженным. В первую очередь, таким способом возводятся большепролетные сооружения, жилые здания, плотины, энергетические комплексы, телебашни и многое другое. Телебашни из монолитного преднапряженного железобетона выглядят особенно эффектно, став достопримечательностями многих стран и городов. Телебашня в Торонто является самым высоким в мире отдельно стоящим железобетонным сооружением. Ее высота 555 м.
Поперечное сечение башни в виде трилистника оказалось весьма удачным для размещения напрягаемой арматуры и бетонирования в скользящей опалубке. Ветровой опрокидывающий момент, на который рассчитана эта башня, составляет почти полмиллиона тоннометров при собственном весе наземной части башни чуть более 60 тыс. т.
В Германии и в Японии из монолитного преднапряженного железобетона широко строятся резервуары яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени такие резервуары возведены суммарной емкостью более 1,2 млн.куб.м. Отдельные сооружения этого типа имеют емкость от 1 до 12 тыс.куб.м.
За рубежом все более широкое применение находят монолитные перекрытия увеличенного пролета с натяжением арматуры на бетон. Только в США таких конструкций ежегодно возводится более 10 млн.куб.м. Значительный объем таких перекрытий сооружается в Канаде.
В последнее время напрягаемая арматура в монолитных конструкциях все чаще применяется без сцепления с бетоном, т.е. не производится инъецирование каналов, а арматуру от коррозии или защищают специальными защитными оболочками, или обрабатывают антикоррозионными составами. Таким образом возводятся мосты, большепролетные здания, высотные сооружения и другие подобные объекты.
 |
Помимо традиционных строительных целей монолитный предварительно-напряженный железобетон нашел широкое применение для корпусов реакторов и защитных оболочек атомных электростанций. Суммарная мощность АЭС в мире превышает 150 млн. кВт, из них мощность станций, корпуса реакторов и защитные оболочки которых построены из монолитного преднапряженного железобетона, составляет почти 40 млн. кВт. Защитные оболочки для реакторов АЭС стали обязательными. Именно отсутствие такой оболочки явилось причиной чернобыльской катастрофы.
Ярким примером строительных возможностей преднапряженного железобетона являются морские платформы для добычи нефти. В мире таких грандиозных сооружений возведено более двух десятков.
Построенная в 1995 г. в Норвегии платформа "Тролл" имеет полную высоту 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с высотой волны 31,5 м. На ее изготовление было израсходовано 250 тыс.куб.м. высокопрочного бетона, 100 тыс. т обычной стали и 11 тыс. т напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок службы платформы 70 лет.
Традиционно обширной областью применения предварительно напряженного железобетона является мостостроение. В США, например, сооружено более 500 тысяч железобетонных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено более двух десятков вантовых мостов длиной 600-700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м. Из предварительно-напряженного железобетона сооружаются внеклассные мосты, которые строятся по индивидуальным проектам. Мосты пролетом до 50 м возводятся в сборном варианте из железобетонных преднапряженных балок.
 |
| Мост "Нормандия" |
Достижения в мостостроении из преднапряженного железобетона имеются и в других странах. В Австралии, в г. Брисбен, построен балочный мост с центральным пролетом 260 м, наибольшим среди мостов этого типа. Вантовый мост "Баррнос де Луна" в Испании имеет пролет 440, "Анасис" в Канаде - 465, мост в Гонконге - 475 м. Арочный мост в Южной Африке имеет наибольший пролет - 272 м. Мировой рекорд для вантовых мостов принадлежит мосту "Нормандия", где пролет 864 м. Ненамного уступает ему мост "Васко де Гама" в Лиссабоне, построенный к Всемирной выставке ЭКСПО-98. Общая протяженность этого мостового перехода превышает 18 км. Основные его несущие конструкции - пилоны и пролетные строения - выполнены из бетона с прочностью при сжатии более 60 МПа. Гарантированный срок службы моста 120 лет по критерию долговечности бетона (в России же в последнее время большепролетные мосты чаще строятся из стали).
Технология преднапряжения монолитного железобетона в России
В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. За рубежом значительное распространение имеет безопалубочное формование плитных конструкций на длинных стендах. Там обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 500 кгс/м2. В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см с пролетом до 21 м, то есть применение предварительного напряжения позволяет выпускать сборные элементы качественно иного уровня. Натяжение канатной арматуры на таких стендах, как правило, групповое при мощности домкратов 300-600 т. Сегодня разработаны различные системы без-опалубочного формования на длинных стендах "Спайрол", "Спэнкрит", "Спандек", "Макс Рот", "Партек" и других, отличающиеся высокой производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м изготавливают плиту со скоростью до 4 м/мин, по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, при максимальном пролете 21 м. Только плит "Спэнкрит" применяют в США более 15 млн. м2 ежегодно.
В свое время длинные стенды для безопалубочного формования по технологии "Макс Рот" появились и в России. Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединение элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах, как правило, методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для сборно-монолитных зданий плиты без закладных деталей могут найти самое широкое распространение, что и имеет место за рубежом, особенно в Скандинавских странах и в США.
Позднее в России появились линии "Партек" (на заводе ЖБК-17 в Москве, Санкт-Петербурге, Барнауле), что свидетельствует о появлении спроса на такие плиты. Совершенствование конструктивных систем зданий, безусловно, даст толчок к развитию технологии производства плитных изделий.
Затянувшийся российский застой в области применения преднапряженного железобетона частично связан еще и с тем, что у нас не получили должного изучения и применения предварительно-напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон, в том числе в построечных условиях.
«Энерпром» начинает развивать это направление и предлагает ряд оборудования собственной разработки для реализации такой технологии.
Сущность железобетона. Его достоинства и недостатки
Железобетон - это комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стальной арматуры , деформирующихся совместно вплоть до разрушения конструкции.
В приведенном определении выделены ключевые слова, отражающие сущность материала. Для выявления роли каждого из выделенных понятий рассмотрим более подробно суть каждого из них.
Бетон - это искусственный камень, который, как и любой каменный материал, имеет достаточно высокое сопротивление сжатию, а сопротивление растяжению у него в 10¸20 раз меньше.
Стальная арматура имеет достаточно высокое сопротивление как при сжатии, так и при растяжении.
Объединение этих двух материалов в одном позволяет рационально использовать достоинства каждого из них.
На примере бетонной балки рассмотрим, как используется прочность бетона в изгибаемом элементе (рис. 1а). При изгибе балки выше нейтрального слоя возникают сжимающие напряжения, а нижняя зона растянута. Максимальные напряжения в сечениях будут в крайних верхних и нижних волокнах сечения Как только при загружении балки напряжения в растянутой зоне достигнут предела прочности бетона при растяжении R bt , произойдет разрыв крайнего волокна, т.е. появится первая трещина. За этим последует хрупкое разрушение, т.е. излом балки. Напряжения в сжатой зоне бетона s bc в момент разрушения составят всего 1/10 ¸ 1/15 часть от предела прочности бетона при сжатии R b , т.е. прочность бетона в сжатой зоне будет использована на 10% и меньше.
На примере железобетонной балки с арматурой рассмотрим, как здесь используется прочность бетона и арматуры. Первые трещины в растянутой зоне бетона появятся практически при той же нагрузке, что и в бетонной балке. Но, в отличие от бетонной балки, появление трещины не приводит к разрушению железобетонной балки. После появления трещин растягивающее усилие в сечении с трещиной будет восприниматься арматурой, и балка будет способна воспринимать возрастающую нагрузку. Разрушение железобетонной балки произойдет только тогда, когда напряжения в арматуре достигнут предела текучести, а напряжения в сжатой зоне - предела прочности бетона при сжатии. При этом, вначале, когда в арматуре достигается предел текучести s тек, балка начинает интенсивно прогибаться за счет развития в арматуре пластических деформаций. Этот процесс продолжается до тех пор, пока раздавится бетон сжатой зоны при достижении в нем предела прочности при сжатии R b . Так как уровень напряжений в бетоне и арматуре в этом состоянии гораздо выше, чем величина R bt , то это означает, что оно должно быть вызвано большей нагрузкой (N на рис. 1-б). Вывод - целесообразность железобетона состоит в том, что растягивающие усилия воспринимает арматура, а сжимающие - бетон. Следовательно, основное назначение арматуры в железобетоне состоит в том, что именно она должна воспринимать растяжение ввиду незначительной прочности бетона растяжению. Путем армирования несущая способность изгибаемого элемента, по сравнению с бетонным, можно повысить более чем в 20 раз.
Совместное деформирование бетона и арматуры, установленной в нем, обеспечивается за счет сил сцепления , которые возникают при твердении бетонной смеси. При этом сцепление формируется за счет нескольких факторов, а именно: во-первых, благодаря адгезии (приклеивания) цементного теста к арматуре (очевидно, что доля этой составляющей сцепления невелика); во-вторых, за счет обжатия арматуры бетоном вследствие усадки его при твердении; в-третьих, за счет механического зацепления бетона о периодическую (рифленую) поверхность арматуры. Естественно, что для арматуры периодического профиля эта составляющая сцепления наиболее существенна, поэтому сцепление арматуры периодического профиля с бетоном в несколько раз превышает таковую для арматуры с гладкой поверхностью.
Само существование железобетона и его хорошая долговечность оказались возможными благодаря выгодному сочетанию некоторых важных физико - механических свойств бетона и стальной арматуры, а именно:
1) бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и под нагрузкой оба этих материала деформируются совместно;
2) бетон и сталь имеют близкие значения коэффициентов линейного температурного расширения. Именно поэтому при изменениях температуры окружающей среды в пределах +50 о С ¸ -70 о С не происходит нарушения сцепления между ними, так как они деформируются на одинаковую величину;
3) бетон защищает арматуру от коррозии и непосредственного действия огня. Первое из этих обстоятельств обеспечивает долговечность железобетона, а второе – огнестойкость его при возникновении пожара. Толщина защитного слоя бетона и назначается именно из условий обеспечения необходимой долговечности и огнестойкости железобетона.
При использовании железобетона в качестве материала для строительных конструкций очень важно понимать достоинства и недостатки материала, что позволит применять его рационально, уменьшая неблагоприятное влияние его недостатков на эксплуатационные качества конструкции.
К достоинствам (положительным свойствам) железобетона относят:
1. Долговечность - при правильной эксплуатации железобетонные конструкции могут служить неопределенно долгое время без снижения несущей способности.
2. Хорошая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам.
3. Огнестойкость.
4. Малые эксплуатационные расходы.
5. Дешевизна и хорошие эксплуатационные качества.
К основным недостаткам железобетона относятся:
1. Значительный собственный вес. Этот недостаток в некоторой степени устраняется при использовании легких заполнителей, а также при применении прогрессивных пустотных и тонкостенных конструкций (то есть за счет выбора рациональной формы сечений и очертания конструкций).
2. Низкая трещиностойкость железобетона (из рассмотренного выше примера следует, что в растянутом бетоне должны быть трещины при эксплуатации конструкции, что не снижает несущей способности конструкции). Указанный недостаток может быть снижен с применением преднапряженного железобетона, которое служит радикальным средством повышения его трещиностойкости (сущность преднапряженного железобетона рассмотрена в теме 1.3 ниже.
3. Повышенная звуко- и теплопроводность бетона в отдельных случаях требуют дополнительных затрат на тепло- или звукоизоляцию зданий.
4. Невозможность простого контроля по проверке армирования изготовленного элемента.
5. Трудности усиления существующих железобетонных конструкций при реконструкции зданий, когда увеличиваются нагрузки на них.
Преднапряженный железобетон: его сущность и способы создания предварительного напряжения
Иногда образование трещин в конструкциях, в которых недопустимо по условиям эксплуатации (например, в резервуарах; трубах; конструкциях, экспуатирующихся 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.
Рассмотрим краткое определение предварительно напряженного железобетона.
Предварительно напряженной называют такую железобетонную конструкцию, в которой в процессе изготовления создают значительные сжимающие напряжения в бетоне той зоны сечения конструкции, которая при эксплуатации испытывает растяжение (рис.2).
Как правило, начальные сжимающие напряжения в бетоне создают с использованием предварительно растягиваемой высокопрочной арматуры
За счет этого повышается трещиностойкость и жесткость конструкции, а также создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции.
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.
Преимущества преднапряженного железобетона перед обычным – это, прежде всего, его высокая трещиностойкость; повышенная жесткость конструкции (за счет обратного выгиба, получаемого при обжатии конструкции); лучшее сопротивление динамическим нагрузкам; коррозионная стойкость; долговечность; а также определенный экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры.
В предварительно напряженной балке под нагрузкой (рис. 2) бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. На примере двух балок видно, что трещины в преднапряженной балке образуются при более высокой нагрузке, но разрушающая нагрузка для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы. Гораздо меньше также и прогиб преднапряженной балки.
При производстве преднапряженных железобетонных конструкций в заводских условиях возможны две принципиальные схемы создания преднапряжения в железобетоне:
преднапряжение с натяжением арматуры на упоры и на бетон.
При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют на упоре, другой натягивают домкратом или иным приспособлением до контролируемого напряжения. 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 его (рис. 3-а).
При натяжении арматуры на бетон(рис. 3-б) 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 раствора 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.
Натяжение на упоры является более индустриальным способом в заводском производстве. Натяжение на бетон применяется главным образом для крупноразмерных конструкций, создаваемых непосредственно на месте их возведения.
Натяжение арматуры на упоры можно осуществлять не только с помощью домкрата, но и электротермическим способом. Для этого стержни с высаженными головками разогревают электротоком до 300 - 350°С, заводят в форму и закрепляют в упорах форм. При восстановлении начальной длины в процессе остывания арматура оказывается растянутой. Арматуру можно также натягивать электротермомеханическим способом (представляет собой комбинацию первых двух способов).
Железобетон находит применение практически во всех областях промышленного и гражданского строительства:
В промышленных и гражданских зданиях из железобетона выполняют: фундаменты, колонны, плиты покрытий и перекрытий, стеновые панели, балки и фермы, подкрановые балки, т.е. практически все элементы каркасов одно- и многоэтажных зданий.
Специальные сооружения при строительстве промышленных и гражданских комплексов - подпорные стены, бункеры, силосы, резервуары, трубопроводы, опоры линий электропередач и т.д.
В гидротехническом и дорожном строительстве из железобетона выполняют плотины, набережные, мосты, дороги, взлетные полосы и т.д
Основными достоинствами железобетона являются: высокая проч-ность, 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, ус-той и др.) и только иногда при работе на изгиб при малых растяги-вающих напряжениях, не превышающих предела прочности бето-на при растяжении.
Железобетонные конструкции, усиленные в растянутой зоне арматурой, обладают значительно более высокой несущей способ-ностью. 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.
Схемы работы элементов под нагрузкой
В качестве арматуры применяют стальные стержни, проволо-ки, прокатные профили, а также стекловолокно, синтетические ма-териалы, деревянные бруски, бамбуковые стволы.
Конструкции армируют не только при их работе на растяжение и изгиб, но и на сжатие (рис. выше). Поскольку сталь имеет высокое сопротивление растяжению и сжатию, включение ее в сжатые эле-менты значительно повышает их несущую способность. Совмест-ная работа таких различных по свойствам материалов, как бетон и сталь, обеспечивается следующими факторами:
- сцеплением арматуры с бетоном, возникающим при твердении бетонной смеси; благодаря сцеплению оба материала деформи-руются совместно;
- близкими по значению коэффициентами линейных температур-ных деформаций (для бетона 7·10 -6 -10·10 -6 1/град, для стали 12·10 -6 1/град), что исключает появление начальных напряже-ний в материалах и проскальзывание арматуры в бетоне при изменениях температуры до 100 °С;
- надежной защитой стали, заключенной в плотный бетон, от кор-розии, непосредственного действия огня и механических по-вреждений.
Особенностью железобетонных конструкций является возмож-ность образования трещин в растянутой зоне при действии внешних нагрузок. Раскрытие этих трещин во многих конструкциях в стадии эксплуатации невелико (0,1-0,4 мм) и не вызывает коррозии арма-туры или нарушения нормальной работы конструкции. Однако име-ются конструкции и сооружения, в которых по эксплуатационным условиям образование трещин недопустимо (например, напорные трубопроводы, лотки, резервуары и т. п.) или ширина раскрытия должна быть уменьшена. В этом случае те зоны элемента, в кото-рых под действием эксплуатационных нагрузок появляются растя-гивающие усилия, заранее (до приложения внешних нагрузок) под-вергают интенсивному обжатию путем предварительного натяже-ния арматуры. Такие конструкции называют предварительно напряженными. Предварительное обжатие конструкций выполня-ют в основном двумя способами: натяжением арматуры на упоры (до бетонирования) и на бетон (после бетонирования).
В первом случае перед бетонированием конструкции арматуру натягивают и закрепляют на упорах или торцах формы (рис. ниже). Затем бетонируют элемент. После приобретения бетоном необхо-димой прочности для восприятия сил предварительного обжатия (передаточная прочность) арматуру освобождают от упоров и она, стремясь укоротиться, сжимает бетон. Передача усилия на бетон происходит благодаря сцеплению между арматурой и бетоном, а также посредством специальных анкерных устройств, находящих-ся в бетоне конструкции, если сцепления недостаточно.
Во втором случае сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент с каналами или пазами (рис. ниже). При дос-тижении бетоном требуемой передаточной прочности в каналы (пазы) заводят арматуру, натягивают ее с упором натяжного при-способления на торец элемента и заанкериваюг. Таким образом, бетон оказывается обжатым. Для создания сцепления арматуры с бетоном в каналы инъектируют цементный или цементно-песчаный раствор. Если напрягаемая арматура располагается на наружной поверхности элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резер-вуаров и т. п.), то навивка ее с одновременным обжатием бетона производится специальными навивочными машинами. После натя-жения арматуры на поверхность элемента наносят торкретирова-нием защитный слой бетона. Натяжение арматуры может произво-диться механическим, электротермическим, комбинированным и физико-химическим способами.
Способы создания предварительного напряжения
а — натяжение на упоры; б — натяжение на бетон; I — натяжение арматуры и бетонирование элемента; II, IV — готовый элемент; III — элемент во время натяжения арматуры; 1 — упор; 2 — домкрат; 3 — анкер
При механическом способе арматуру натяг ивают гидравличес-кими или винтовыми домкратами, намоточными машинами и дру-гими механизмами. При электротермическом способе арматуру нагревают электрическим током до 300-350 °С, заводят в форму и закрепляют на упорах. В процессе остывания арматура укорачива-ется и получает предварительные растягивающие напряжения. Ком-бинированный способ натяжения сочетает электротермический и механический способы натяжения арматуры, осуществляемые од-новременно. При физико-химическом способе натяжение арматуры достигается в результате расширения бетона, приготовленного на специальном напрягающем цементе (НЦ), в процессе его гидро-термической обработки.
Арматура, заложенная в бетоне, препятствует увеличению его объема и растягивается, а в бетоне возникают сжимающие напря-жения. Натяжение арматуры на упоры производится механическим, электротермическим или комбинированным способами, а на бе-тон — только механическим способом.
Основное достоинство предварительно напряженных конструк-ций — высокая трещиностойкость. При загружении предварительно напряженного элемента внешней нагрузкой в бетоне растянутой зоны погашаются предварительно созданные сжимающие напряжения и только после этого возникают растягивающие напряжения. Чем выше прочность бетона и стали, тем большее предварительное обжатие можно создать в элементе.
Применение высокопрочных материалов позволяет сократить рас-ход арматуры на 30-70% по сравнению с ненапрягаемым железобето-ном. Расход бетона и масса конструкции при этом также снижаются. Кроме того, высокая трещиностойкость предварительно напряженных конструкций повышает их жесткость, водонепроницаемость, морозо-стойкость, сопротивление динамическим нагрузкам, долговечность.
К недостаткам предварительно напряженного железобетона следует отнести то, что процесс составляет значительную трудоем-кость изготовления конструкций. Помимо этого создается необхо-димость в использовании специального оборудования и рабочих высокой квалификации.
Напряженно-деформированные состояния предварительно на-пряженных элементов после образования трещин в бетоне растяну-той зоны сходны с элементами без предварительного напряжения.
Железобетонные конструкции - основа современного строительства. Однако они имеют существенные изъяны, связанные, в первую очередь, с недостаточной нагрузочной способностью и образованием трещин в камне при эксплуатационных нагрузках. Усовершенствование технологии изготовления изделий из бетона и стальной арматуры привело к созданию преднапряженного железобетона, который обладает рядом преимуществ.
Определение
Предварительно напряженные железобетонные конструкции - строительные изделия, бетон которых на этапе создания принудительно получает начальную расчетную напряженность сжатия. Она создается за счет предварительного формирования напряжения растяжения в рабочей высокопрочной арматуре и обжатия ею бетона на тех участках, которым предстоит испытывать растяжение (прогиб) при эксплуатации. Сжимаясь, арматура не проскальзывает, так как сцеплена с материалом или удерживается анкерным закреплением арматуры на торцах изделий. Таким образом, напряжение растяжения, которое приобретает железобетонный состав с помощью армирования, уравновешивает напряженность заблаговременного обжатия камня.
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 (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.
Недостатки
Состояние предварительного напряжения в материале достигается спецоборудованием, точными расчетами, трудоемким конструированием и затратным производством. Продукция требует бережного хранения, транспортировки и монтажа, которые не вызывают ее аварийного состояния еще до начала использования.
Сосредоточенные нагрузки могут способствовать возникновению продольных трещин, которые снижают несущую способность. Просчеты в проектировании и технологии производства могут вызывать полное разрушение создаваемого железобетонного изделия на стапеле. Предварительно напряженные конструкции требуют металлоемкой опалубки повышенной прочности, увеличенного расхода стали на закладные и арматуру.
Большие значения звуко– и теплопроводности требуют закладывания в тело камня компенсирующих материалов. Подобными железобетонными конструкциями обеспечивается более низкий порог огнестойкости (ввиду меньшей критической температуры нагрева преднапряженной арматурной стали) по сравнению с обычным железобетоном. На преднапряженную бетонную конструкцию критично воздействуют выщелачивание, растворы кислот и сульфатов, солей, приводящие к коррозии цементного камня, раскрытию трещин и коррозии арматуры. Это может приводить к резкому снижению несущей способности стали и внезапному хрупкому разрушению. Также к минусам стоит отнести значительный вес изделий.
Материалы для конструкций
Железобетон - многокомпонентный материал, основными составляющими которого являются бетон и стальная арматура. Параметры их качества определяются особыми требованиями при проектировании к элементам конструкций на месте применения.
Бетон
Формы для заливки бетона с прутьями для передачи предварительного напряжения. Предварительное напряжение в железобетоне обеспечивается применением тяжелых составов средней плотности от 2200 до 2500 кг/м3, которые имеют классы по прочности на осевое растяжение выше Bt0,8, по прочности от В20 и больше, марки по водонепроницаемости от W2 и выше, по морозостойкости от F50. Требования к продукции гарантируют бетону нормативную прочность не ниже установленной с вероятностью 0,95 (в 95% случаев). Смесь должна набрать возраст не меньше 28 суток до получения материалом предварительных напряжений. На ранних стадиях эксплуатации бетонный камень способен частично утерять напряженное качество за счет общего снижения напряженности стали (до 16%). Коэффициент надежности материала на растяжение и сжатие в предельных состояниях установлен для эксплуатационной пригодности не ниже 1,0.