Предварительное напряжение способы создания

Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Особенности проектирования предварительно напряженных железобетонных конструкций

Железобетонные конструкции, в которых в процессе изготовления создаются искусственные предварительные напряжения в бетоне и в арматуре, называют предварительно напряженными (или, сокращенно, преднапряженными). Предварительные напряжения в бетоне являются сжимающими, а в арматуре — растягивающими. В предварительно напряженном железобетоне бетон, плохо работающий на растяжение, путем искусственного напряжения работает в основном на сжатие. Переход к предварите тьно напряженным кон струкцням значительно расширил область применения железобетона за счет увеличения пролетов, уменьшения сечений, возможности широкого применения железобетона в растянутых и сложно напряженных элементах и конструкциях (трубы, резервуары, газгольдеры, плавучие доки, корпуса атомных реакторов и т. п.). Предварительное напряжение значительно у величи вает трещиностойкость конструкций и снижает их деформации, а также позволяет успешно использовать высокопрочные бетон и арматуру, применение которых в обычном железобетоне является малоэффективным.

Применение высокопрочных материалов позволяет существенно снизить материалоемкость железобетонных конструкций и добиться снижения их стоимости.

Способы создания предварительного напряжения. Существует два способа создания предварительных напряжений в арматуре — 1) натяжение на упоры и 2) натяжение на бетон. Способ натяжения на упоры является более индустриальным, и поэтому он стал основным в заводском производстве преднапряженных железобетонных конструкций. Арматуру при этом способе устанавливают в форме до бетонирования, один из ее концов закрепляют и домкратом (или другим приспособлением) натягивают другой конец до заданных напряжений (механическое натяжение). После того, как бетон уложат и он наберет определенную передаточную прочность, арматуру отпускают с упоров, вследствие чего напряжения с арматуры передаются на бетон (рис. 4.2, а,б), стремясь обжать его с напряжением. Можно воспользоваться и электронагревом (до 300. 400°С) арматурных стержней, снабженных заранее высаженными головками (электротермическое натяжение). После нагрева стержней их сразу же свободно укладывают в упоры, препятствующие укорочению стержней при остывании; в результате в остывших стержнях устанавливаются предварительные растягивающие напряжения.

Менее индустриальным способом является натяжение на бетон, применяющееся в основном для изготовления крупноразмерных конструкций из элементов заводского изготовления. При этом вначале изготовляют чисто бетонный или слабо армированный элемент (рис. 4.2, в): после достижения бетоном передаточной прочности, арматуру заводят в каналы, образованные еще при бетонировании с помощью специальных шлангов или труб. Затем арматуру напрягают домкратами, используя в качестве упоров сам бетонный элемент, после чего каналы для улучшения сцепления арматуры с бетоном инъецируют мелкозернистым бетоном под давлением 0,5. 0,6 МПа.

Размещение напрягаемой арматуры в элементах должно соответствовать характеру внешних усилий. В центрально-растянутых элементах напрягаемую арматуру размещают равномерно по сечению, чтобы равнодействующая усилий обжатия была приложена в центре сечения. Изгибаемые элементы проектируют так, чтобы сечение имело по возможности развитую сжатую и растянутую зоны бетона (тавровые, двутавровые, коробчатые сечения); прн этом основную напрягаемую арматуру располагают в растянутой зоне. Напрягаемая арматура обычно требуется для обеспечения трещиностойкости верхней зоны, которая при изготовлении может оказаться растянутой. Если в изгибаемом элементе действуют значительные поперечные силы, то на приопорных участках можно подвергнуть предварительному напряжению и поперечную арматуру (хомуты); возникающее при этом двухосное предварительное напряжение существенно увеличивает трещиностойкоеть наклонных сечений балки.

Помимо напрягаемой арматуры обычно устанавливают обычную (ненапрягаемую) арматуру, из условия прочности элемента в процессе изготовления, транспортировки и монтажа; при этом ненапрягаемую арматуру располагают ближе к наружной поверхности элеменга.

Материалы для преднапряженных конструкций. В качестве материалов для преднапряженных конструкций применяют бетон классов, как правило, не ниже B20. B30 (в зависимости от класса арматуры, СНиП 2.03.01 — 84. табл. 8), стержневую арматуру периодического профиля классов A-IV, Ат-IV, A-V, Ат-V, A-VI, Ат-Vl, проволочную классов В-ll, Вр-11 и арматурные канаты классов К-7, К-19. При длине элементов более 12 м применяют преимущественно проволочную арматуру и арматурные канаты. По возможности следует применять арматуру с более высокими прочностными характеристиками.

Величина предварительного напряжения в арматуре. Исходным понятием, характеризующим величину предварительного растягивающего (или сжимающего) напряжения в арматуре и не зависящим от способа создания напряжений, является напряжение, действующее соответственно в арматуре до начала обжатия элемента (при натяжении арматуры на упоры) или при снижении до нуля имевшихся напряжений в бетоне (при натяжении арматуры на бетон). Последнее снижение (во всем сечении или только на уровне рассматриваемой арматуры) может вызываться воздействием на элемент внешних фактических или условных сил. Напряженное состояние сечения при указанных выше напряжениях арматуры и нулевом напряжении в бетоне принимают за исходное, используемое для вывода расчетных формул и для формулировки расчетных условий, в том числе для назначения величин предварительного напряжения арматуры и бетона.

С одной стороны, величина предварительного напряжения в арматуре, контролируемого при изготовлении преднапряженных конструкций, не должна быть слишком низкой, иначе эффект предварительного напряжения будет со временем утрачен вследствие неизбежных потерь этого напряжения. С другой стороны, величина предварительного напряжения не должна быть слишком высокой, иначе возникнет опасность развития остаточных деформаций в арматуре или даже ее разрыва (в случае высокопрочной проволоки). Поэтому величина предварительного напряжения арматуры, (соответствующего нулевым напряжениям в бетоне) принимается ограниченной и снизу, и сверху:

В пределах указанных ограничений целесообразно величину предварительного напряжения выбирать по возможности наибольшей. Выбрав osp, назначают величины начального контролируемого предварительного напряжения. Их назначают таким образом, чтобы конструкции с различными способами натяжения (на упоры и на бетон) работали в одинаковых условиях и могли быть рассчитаны по единой методике.

Напряжения в бетоне в стадии предварительного обжатия. Эффективное использование преимуществ предварительного напряжения зависит не только от правильно назначенного предварительного напряжения арматуры, но и от соответствующих напряжений обжатия, действущих в бетоне. В частности, чрезмерного обжатия приходится избегать в конструкциях, работающих преимущественно на сжатие. В этих условиях предварительное обжатие бетона может повышаться за счет напряжений от внешней эксплуатационной нагрузки, при этом возможно значительное увеличение ползучести бетона, его микро- и даже макроразрушения. Если же созданное предварительное напряжение обжатия бетона уменьшается или по крайней мере не растет при действии внешних нагрузок, величина этого обжатия может назначаться более высокой (табл. 4.1). Для конструкций с натяжением арматуры на бетон допустимые напряжения обжатия приняты сниженными по сравнению со случаем натяжения на упоры. Это снижение обусловлено главным образом тем, что при натяжении на бетон потери от быстронатекающих деформаций ползучести в процессе обжатия бетона сразу же компенсируются дополнительным обжатием. В этих условиях фактические напряжения обжатия могут оказаться в стадии эксплуатации более высокими по сравнению с аналогичными условиями при натяжении на упоры.

Потери предварительного напряжения в процессе изготовления и с течением времени. Искусственно созданные предварительные напряжения в бетоне и арматуре не остаются постоянными, особенно вскоре после их создания. Характер изменения напряжений зависит от ряда причин, предопределяемых свойствами примененных материалов, условиями изготовления конструкций, влиянием окружающей среды и др. При проектировании предварительно напряженных конструкций необходимо заранее предусмотреть возможность изменения напряжений в бетоне и арматуре.

В нормах приведено 11 видов потерь. Однако одновременное проявление всех видов потерь обычно на практике не встречается, и при проектировании учитываются только те потери, которые обусловлены принятым способом изготовления конструкции, ее видом, свойствами примененных в данном случае материалов, температурой и влажностью окружающей среды и т.п. В целях обеспечения унифицированного учета, все потери подразделяются на первые потери при изготовлении элемента и обжатии бетона, и вторые потери после обжатия бетона (табл. 4.2, 4.4). Если вычисленные потери оказываются отрицательными, их принимают равными нулю. Суммарные потери принимаются не менее 100 МПа.

Определение напряжений в бетоне и арматуре. В процессе проектирования предварительно напряженных конструкций необходимо оценивать влияние предварительного напряжения и внешней нагрузки на работу конструкции в различное время, начиная с момента ее изготовления и до достижения ею расчетного предельного состояния. В частности, следует определить: наибольшее сжимающее напряжение в бетоне в стадии обжатия, чтобы предупредить повреждение или разрушение бетона; сжимающее напряжение в бетоне на уровне продольной арматуры для вычисления потерь от ползучести; контролируемое предварительное напряжение в арматуре при ее натяжении на бетон и др. Во всех подобных случаях напряжения определяют по правилам расчета упругих материалов; при этом рассматривают приведенное сечение, включающее сечение бетона с учетом ослабления его каналами, пазами и т. п., а также сечение всей продольной (напрягаемой и ненапрягаемой) арматуры.

Начальные модули упругости арматуры и тяжелого бетона при сжатии и растяжении приведены в СНиП 2.03.1— 84, табл. 18,29.

Напряжения в бетоне определяют при проверке контролируемых напряжений в арматуре предельных напряжений при обжатии, расчете потерь от быстронатекающей ползучести и от ползучести.

Источник

Вопрос 26 Сущность предварительного напряжения арматуры, способы и методы создания предварильного напряжения в железобетонных конструкциях

Малая прочность бетона на растяжение, составляющая 1 /₁₀— 1/ ₁₅ его прочности на сжатие, является причиной образования трещин в бе­тоне растянутых зон элементов железобетонных конструкций при экс­плуатационных нагрузках.

Значительное раскрытие трещин, нередко достигающее 0,2—0,3 мм и более, во многих случаях опасно с точки зрения коррозии арматуры. Придание арматуре периодического профиля несколько уменьшает рас­крытие трещин, однако этого свойства железобетона полностью не устраняет.

С развитием техники широкое применение нашли бетоны повышен­ной прочности марок 400—600 и выше, а также высококачественные арматурные стали с временным сопротивлением до 20 тыс. кгс/см 2 и бо­лее, что экономически оправдано, поскольку отношение стоимости к прочности высокопрочных материалов, применяемых для железобетона, значительно ниже, чем для материалов менее прочных.

Для повышения трещиностойкости железобетонных конструкций производится их предварительное напряжение (до приложения основных нагрузок), которое производят таким образом, чтобы образовывалось предварительное обжатие тех зон бетона, в которых при основных на­грузках ожидаются растягивающие напряжения.

Предварительно напряженный железобетон не является особым железобетоном; он образуется из тех же материалов, что и железобетон, не подвергаемый предварительному напряжению. Однако предваритель­ное напряжение придает железобетону дополнительные качества, кото­рые могут быть эффективно использованы.

Многочисленные экспериментальные исследования показали, что предварительное напряжение практически не влияет на величину раз­рушающей нагрузки, но существенно (в несколько раз) повышает трещиностойкость и жесткость железобетонных элементов.

Улучшая качество железобетона, предварительное напряжение позволяет широко использовать высокопрочные материалы, экономить сталь (в ряде случаев до 70%), способствовать снижению общего веса конструкций, получать конструкции, хорошо сопротивляющиеся много­кратно повторяющимся динамическим воздействиям.

Предварительное напряжение железобетонных элементов произво­дят посредством натяжения арматуры и передачи ее реактивного давле­ния на бетон с целью его обжатия.

Различают два метода натяжения арматуры:

1) «натяжение на упоры», т. е. натяжение арматуры на упоры стен­да, опалубку или формы и отпуск ее после бетонирования по достижении бетоном достаточной прочности, вследствие чего арматура, стремясь укоротиться, обжимает бетон, а сама остается растянутой (рис. а);

2) «натяжение» на бетон, т.е. натяжение арматуры, размещенной в каналах или пазах элемента, при помощи приспособлений, опирающихся на готовый эле­мент по его концам (по дости­жении бетоном необходимой прочности). Арматуру при по­мощи анкеров фиксируют в на­тянутом положении, и она об­жимает бетон, впоследствии каналы инъецируют цемент­ным раствором под давлением, а пазы заполняют бетоном (рис. б).

Натяжение на упоры более целесообразно для заводских условий изготовления железо­бетонных конструкций и изде­лий. Натяжение на бетон более трудоемко, его практикуют в тех случаях, когда затруднено или не мо­жет быть осуществлено натяжение на упоры, например при строитель­стве уникальных конструкций больших размеров или изготовлении мо­нолитных конструкций.

Для натяжения арматуры используют несколько способов: меха­нический, электротермический, термический, физико-химический (самонапряжение), электромеханический.

Механический способ заключается в растяжении арматуры при по­мощи гидравлических или механических домкратов, рычагов, гаечных ключей, грузов и т. п.

К механическому относится предложенный проф. В. В. Михайло­вым способ непрерывной навивки арматуры. По этому способу натяну­тую проволоку навивают на упоры поворотного стола. В настоящее время разработаны навивочные машины, при помощи ко­торых натянутую проволоку наматывают на упоры неподвижного стен­да. Способ непрерывного армирования дает возможность создавать предварительно напряженные конструкции с одноосным и двухосным обжатием для зданий промышленного и гражданского строительства. Непрерывное армирование используют также при натяжении арматуры резервуаров, силосов и т. д.

Электротермическим способом изготовляют около 80% всех предварительно напряженных конструкций. Стержни арматуры на­гревают до температуры 300-400°С при помощи электротока и в на­гретом состоянии устанавливают в упоры. При остывании стержни, стремясь сократиться, натягиваются, что используется для обжатия бетона. Этот способ отличается простотой, малой трудоемкостью и срав­нительно низкой стоимостью. Однако точность натяжения этим спосо­бом ниже, чем при других способах.

Электромеханический способ является комбинированным, он при­меняется при непрерывном армировании. Высокопрочную проволоку, нагретую электротоком до 300-400°С, навивают на упоры формы или стенда при помощи намоточной машины. При этом необходимая мощ­ность механических приспособлений для намотки значительно снижает­ся. После остывания проволока получает предварительное напряжение.

При термическом способе натяжения стержень до бетонирования покрывают составом, размягчающимся при нагревании. После укладки в форму, бетонирования и набора бетоном прочности арматуру нагрева­ют до 90-110°С, в результате чего обмазка размягчается и арматура свободно удлиняется при дальнейшем нагревании. При температуре 300-350°С обмазка необратимо затвердевает и конструкция становится предварительно напряженной.

При физико-химическом способе используется свойство бетонов, изготовленных с применением расширяющихся цементов. При расши­рении бетона в процессе твердения арматура также удлиняется, от­чего в ней создается предварительное напряжение. Принцип самонапряжения конструкций является весьма перспективным, так как дает возможность обойтись без сложных приспособлений для натяжения арматуры.

Вопрос 27 Расчет сжатых железобетонных элементов прямоугольного сечения.

Приведем решение для наиболее часто встречающихся в практике условий применения сжатых элементов (изготовленных из бетона марки не выше 400 с арматурой классов А-I, А-II, А-III, имеющих площадку текучести).

Условие прочности принимает вид

Положение нейтральной оси при x=x/h_o>x_R определяют из формулы (s_a=R_a)

R_прbx(e-h_o+0.5x)±R_acF’_ae’-R_aF_ae=0 (17) где знак минус принимают при e 2 _o (19) где A_R=x_R(1-0.5x_R) (20). Площадь сжатой арматуры в соответствии с формулой (15) (21)

Площадь сечения растянутой арматуры определяют из уравнения (16) при замене х на х_R=x_Rh_o: (22)

Если формула (21) дает отрицательный результат, то сжатая арматура по расчету не требуется. Однако по конструктивным сообра­жениям сжатую зону армируют минимальным количеством арматуры F’_a.

При заданном сечении арматуры F’_a на основании формулы (15) вычисляют

В правой части этого выражения все величины известны. Учитывая обозначения x=x/h_o; А_о=x(1-0,5x)

Величина А_о может быть вычислена по формуле , а затем определено x=1-Ö1-2А_о

На конец из равенства (16), учитывая, что х=xh_o, может быть найдена площадь арматуры (26)

В элементах, подверженных действию одинаковых или близких по величине, но противоположных по знаку изгибающих моментов (напри­мер, в стойках эстакад, средних подкрановых колоннах, арках и т. п.), рационально применять симметричное армирование, т.е. F_a =F’_a. В этом случае при R_а=R_а.с согласно формуле (16) высота сжатой зоны бетона (27)

Учитывая, что при симметричном армировании е=е_оh+0.5(h_о-а), из формулы (15) находим (28)

Симметричная арматура менее экономична, чем несимметричная; ее следует применять, если получается перерасход арматуры не более чем на 5% по сравнению с несимметричной арматурой.

При x=x/h_o>x_R высоту условной сжатой зоны определяют из фор­мулы

Сечение арматуры подбирают методом последовательного прибли­жения в следующем порядке. Ориентировочно задаются коэффициентом армирования m элемента, определяют значение N_пр и затем вычисляют количество арматуры F_a и F’_a. Если найденные площади сечения арма­туры F_a и F’_a соответствуют первоначально принятому коэффициенту армирования m, подбор арматуры считают выполненным. Если этого соответствия нет, производят повторные вычисления.

Суммарный процент армирования окончательно подобранного сечения арматуры

Расчет сжатых бетонных и железобетонных элементов прямоуголь­ного сечения с симметричным армированием (рис.10) сталью классов А-I-А-III для случая, когда расчетный эксцентриситет про­дольной силы во равен нулю, при l_o£20h допускается производить по условию N=mj(R_прF+R_acF_a)

где m — коэффициент, принимаемый равным: m=1 при h>20; m=0,9 при h£20 см; h — размер сечения в рассматриваемой плоскости; j — коэффициент, определяемый по формуле j=j_б+2(j_ж-j_б)а, принимае­мый не более j_ж; j_б и j_ж — коэффициенты, принимаемые по табл.; F_a — площадь сечения всей продольной арматуры;

Источник