Способы создания преднапряженного железобетона

Способы создания предварительного напряжения

Тема 3.ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Сущность предварительного напряжения

Метод расчета по предельным состояниям является общим и применяется как для обычных, так и для предварительно напряженных железобетонных конструкций. Однако последние обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать в расчетах.

Ранее указывалось, что низкая прочность бетона на растяжение и малая растяжимость являются его существенным недостатком, снижающим строительные качества железобетона. Поскольку предельная растяжимость бетона равна в среднем ε_btu= 15·10 -5 , трещины в бетоне могут возникнуть уже при напряжениях в арматуре σ_s = ε_sE_s=l5·10 -5 ·2·10 5 =30 МПа. С увеличением нагрузки трещины будут увеличиваться. В элементах, армированных сталями классов А-II, A-III, при эксплуата­ционных нагрузках σ_s = 270. 340 МПа ширина раскры­тия трещин не превышает допустимой (a_crc,u ≤ 0,3. 0,4 мм). При применении же высокопрочной арматуры (σ_s,ser ≥ 500 МПа) ширина раскрытия трещин будет существенно превышать допустимую.

Применение растянутой высокопрочной арматуры оказывается возможным лишь в предварительно напряженных конструкциях, в которых трещины образуются при значительно более высоких нагрузках, а ширина их раскрытия, как правило, не превышает допустимых пределов. При этом полностью используются прочностные свойства этой арматуры.

Впервые высокопрочная арматура была успешно применена в предварительно напряженных железобетонных конструкциях во Франции инж. Фрейссинэ в 1928 г., а в СССР — проф. В.В. Михайловым в 1932 г.

В последние годы применение предварительного напряжения стало одним из основных направлений совершенствования железобетонных конструкций. Оно позволяет:

· существенно уменьшить расход стали за счет использования арматуры высокой прочности;

· повысить трещиностойкость конструкций; увеличить жесткость, уменьшить прогибы;

· повысить выносливость конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющихся нагрузок (от кранов, автотранспорта и т.п.);

· увеличить срок службы конструкций при эксплуатации в агрессивных средах;

· уменьшить расход бетона и снизить массу конструкций;

· расширить область применения железобетона, заменив им дефицитные сталь и дерево в таких конструкциях, как напорные трубопроводы, резервуары, шпалы и т. п.

Способы создания предварительного напряжения

Существуют две принципиальные схемы создания предварительного напряжения в железобетонных конструкциях: путем предварительного натяжения арматуры на упоры формы или стенда и натяжения ее на затвердевший бетон (забетонированную конструкцию).

· Натяжение на упоры применяют в конструкциях малых и средних пролетов, изготовляемых в заводских условиях. Арматуру укладывают в форму до бетонирования и после натяжения до заданного значения напряжения закрепляют на упорах (рис. 3.1, а). Затем элемент бетонируют. Когда бетон достигает необходимой передаточной прочности R_bp, арматуру освобождают с упоров. Стремясь восстановить свою первоначальную длину, арматура обжимает бетон, поскольку имеет с ним надежное сцепление (рис. 3.1, б).

Натяжение на бетон применяют главным образом для большепролетных конструкций (ферм, мостов и т. п.). В этом случае изготовляют бетонный или малоармированный элемент, в котором устраивают каналы или пазы для размещения напрягаемой арматуры (рис. 3.1, в). Каналы имеют размеры на 5. 15 мм больше диаметра арматуры и создаются путем укладки гофрированных стальных тонкостенных трубок, оставляемых в теле конструкции, или с помощью каналообразователей, извлекаемых из свежеуложенного бетона. Затем арматуру натягивают до заданного напряжения (рис. 3.1, г) и закрепляют на торцах конструкции. В процессе натяжения арматуры происходит обжатие бетона. После этого канал заполняют цементным или цементно-песчаным раствором под давлением (инъецируют). Арматура может располагаться и с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров). В этом случае после натяжения арматуры поверх ее наносят слой бетона под давлением (торкрет-бетона).

Рис. 3.1. Схемы создания предварительного напряжения:

1 — форма; 2 — арматура; 3 — упор; 4 — домкрат; 5 — анкер; 6 — канал

Натяжение арматуры на упоры производится механическим, электротермическим и электротермомеханическим способами, а на бетон, как правило, механическим способом.

· Для натяжения механическим способом применяют гидравлические и винтовые домкраты, намоточные машины и др.

· Сущность электротермического способа натяжения арматуры заключается в том, что стержневую или проволочную арматуру, снабженную по концам ограничителями, установленными на определенном расстоянии друг от друга, разогревают током до 300. 350°С, в результате чего она удлиняется. Нагретые стержни укладывают в форму таким образом, чтобы ограничители оказались заведенными за упоры формы. Упоры препятствуют укорочению стержней при остывании, благодаря чему в стержнях возникают заданные растягивающие напряжения. После укладки и твердения бетона арматуру отпускают с упоров и вследствие ее укорочения происходит обжатие бетона конструкции.

· Электротермомеханический способ натяжения представляет сочетание электротермического и механического способов.

· В последние годы для создания предварительного натяжения в конструкциях начинают успешно применять бетоны на специальных напрягающих цементах (НЦ). Бетон на таком цементе при твердении увеличивается в объеме и вследствие сцепления с арматурой растягивает ее. Так как арматура препятствует свободному расширению бетона, в нем возникают сжимающие напряжения. Такие конструкции называют самонапряженными. Применение напрягающего цемента позволяет отказаться от приспособлений для натяжения арматуры.

Напрягаемую арматуру можно располагать в элементе в двух и даже в трех направлениях, тогда создается соответственно двухосное или трехосное предварительное напряжение.

При назначении передаточной прочности R_bp должны быть приняты во внимание два обстоятельства: с одной стороны, желательна более ранняя передача усилия с арматуры на бетон в целях повышения производительности заводов ЖБИ и улучшения использования производственных площадей; с другой стороны, высокий уровень обжатия при низкой передаточной прочности приведет к значительным деформациям ползучести и потерям предварительного напряжения в арматуре. Учитывая эти обстоятельства, нормы рекомендуют назначать передаточную прочность не ниже 11 МПа, а при арматуре классов А-VI, К-7, К-19, В-II, Вр-II — не менее 15,5 МПа. Кроме того, величина R_bp должна быть не менее 50 % от принятого класса бетона.

Источник

Что такое преднапряженный железобетон и как его производят?

Конструкции из сборного железобетона и предварительно напряженные железобетонные конструкции получили массовое применение в строительной сфере. Это позволяет расширять архитектурно-планировочные характеристики и функциональность. Преднапряжение препятствует трещиностойкости, снижает показатели деформаций.

Что из себя представляет преднапряженное ЖБИ?

В целях борьбы с низкой прочностью при растяжении искусственного бетонного камня создают напряжение на этапе производства в бетоне противоположной к эксплуатационным характеристикам, что позволяет эффективно применять свойства бетона при его сжатии. Арматурную сталь в железобетонном изделии растягивают, а по полному затвердевании залитого бетонного раствора ее избавляют от натяжения. Стальные прутья сжимаются и оказывают непосредственное влияние на слой бетона. Предварительное напряжение увеличивает предел растяжимости бетона за счет суммирования 2-х деформаций: растяжения и предсжатия.

Сжатие и растяжение материала делает его более устойчивым к нагрузкам.

Преднапряженный железобетон не подвержен растрескиванию бетонного слоя зоне конструкции с растяжением, а также при его применении сокращается количество используемой арматуры. Если при этом применять высокопрочный металл и бетон, можно добиться снижения весовых показателей железобетонных конструкций, увеличить их срок эксплуатации. Основные характеристики для этого вида ЖБИ установлены ГОСТом 26633–91, а значения и размеры арматуры установлены СП 52—101—2003.

Преимущества и недостатки

Среди основных преимуществ выделяют следующие:

• Высокие показатели растяжения и трещиностойкости, предохранение металла от образования коррозии. Это свойство необходимо для конструкции находящихся в постоянном контакте с водой, например, плотин, труб.
• Уменьшение сечений и веса таких элементов до 30%, как следствие, меньший расход материала.
• Лучшее сопротивление динамическим нагрузкам. Задействуют для строений, в которых типичные ЖБИ применять не рационально, например, за счет облегченной массы и объема, упрощения в сборке (подкрановые балки, плиты).
• Сборно-монолитные блоки конструкции. С помощью таких блоков достигается более длительная эксплуатация. При возведении таких конструкций все отдельные части соединяют так, что в процессе эксплуатации они объединяются в целое и выполняют свои функции в одном направлении.
• Уменьшение расхода арматуры до 40% вследствие более качественному применению свойств металла, помещенного в напряженное состояние.

Производство позволяет тратить гораздо меньше арматуры на данный материал.

Предварительно напряженный железобетон имеет и свои минусы:

• Трудоемкость процесса изготовления.
• Трудно проводимый контроль по проверке армирования изготовленного элемента.
• Значительный вес ЖБИ. Только применяя легкие заполнители или пустотные конструкции с тонкими стенами достигают значительного уменьшения массы.
• Необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов.

Процесс производства

Существует несколько способов натяжения арматуры:

Производство материала может выполняться по электротермической методике.

• механический (домкраты винтового или гидравлического типа);
• электротермический (стального пруток удлиняется до нужных значений с применением электротока;
• электротермомеханический (комбинация первого и второго метода).

Напряженный бетон изготавливается с помощью прокладки металлических составляющих с высокой прочностью на растяжение, растягивая ее специальным аппаратом и сверху производят заливку бетона. Когда смесь затвердевает напряженность стальной проволоки переходит к бетону вокруг арматуры, что частично или целиком позволяет убрать напряжение от эксплуатационной нагрузки конструкции.

Инструменты и материалы

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

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.

Преднапряжение и этапы работ

Обжатие может происходить 2 методами: с натяжением стали на упоры и на бетон. При первом методе арматура растягивается на торцах и бетонируется, после освобождая элемент. Второй метод заключается в изготовлении формы с пазами. После заливки и набирания прочности вводится арматура в подготовленные пазы натягивая и заанкеривая ее. Далее заполняют каналы смесью. Этот процесс могут проводить специальные навивочные строительные аппараты.

При данном способе производства подготовленную арматуру нужно растянуть на торцах.

Арматурное напряжение производится механически, электротермически, комбинированно и физико-химически.

Применение бетона в предварительно напряженном состоянии

Преднапряженный бетон используется в разных отраслях строительства для сооружения:

Из материала можно возводить телебашни.

• высотных башен (в т. ч. телевизионных);
• большепролетных перекрытия без существенного увеличения расхода бетона и арматуры периодического профиля и жилые здания;
• резервуаров в форме яйца для очистных городских сооружений (применяется техника за рубежом с использованием монолитного преднапряженного железобетона);
• водных плотин;
• корпусов атомных реакторов 1-го поколения и герметичного ограждения атомных электростанций;
• мостов.

Из такого бетона создают стены, панели ограждения, лестничные марши, основу фундаментов, колонны, столбы линий электропередач, каркасы подземных тоннелей и прочее. Напрягающий цемент для производства изделий из железобетона обеспечит дополнительную водонепроницаемость и прочность конструкции.

Источник

Преднапряженная арматура в бетоне: особенности производства и применения

Традиционные железобетонные элементы иногда заменяются в строительстве более прочными аналогами, тоже выполненными из железобетона, но предварительно напряжёнными. Результатом становится улучшение характеристик и расширение функциональности материала. Благодаря особой технологии производства, преднапряженная арматура в бетоне лучше защищает материал от деформаций, дольше служит и может применяться для конструкций большого размера.

Особенности изготовления

Прочность бетона повышают с помощью арматуры, которая может быть ненапрягаемой и напрягаемой. Однако первый вариант представляет собой пассивное армирование бетона, не защищающие конструкции от изгибающих и особенно динамических нагрузок. Обеспечить более эффективную защиту позволяет растягивание арматурной стали в железобетонном изделии и её избавление от натяжения в процессе застывания бетонного раствора. Сжимаясь, арматура влияет на железобетон, увеличивая предел его растяжимости, благодаря суммированию двух деформаций – предсжатия и растяжения.

Существует 3 способа натяжения арматуры.

1. Механический – напряжение арматуры с помощью винтовых или гидравлических домкратов.
2. Электротермический – применяется электроток, с его помощью стальные пруты разогреваются и удлиняются.
3. Электротермомеханический – это одновременное применение механического и электротермического способа.

Требования к арматуре

В роли преднапряженной необходимо использовать классы арматуры с высокой прочностью и незначительной текучестью. С учётом небольших потерь преднапряжения при изготовлении железобетонных конструкций значение этого показателя устанавливается выше. Распространённые виды арматуры – холоднодеформированная и горячекатаная упрочнённая, арматурная проволока, сварные каркасы и канаты. Профиль арматурных элементов может быть периодическим и гладким. Какую арматуру использовать для армирования, зависит от того какую роль она играет в железобетонной конструкции.

1. Напряженная арматура. Располагается в продольном направлении. Применяют горячекатаную и термомеханически упрочнённую арматуру класса А800, А600 и А1000 периодического профиля, холоднодеформированную сталь класса Вр1200 до Вр1500, а так же канатную К1400, К1500 (К-7, К-19).
2. Ненапрягаемая. Она укладывается поперек продольной. Используют арматуру класса А500С, В500С, А1 (А240), А400, А300 и арматурную проволоку Вр-1.

Напрягаемая арматура должна быть в виде цельных стержней.

Рекомендации по бетону

Для создания предварительно напряженных конструкций применяются бетоны с такими характеристиками:

• плотность в пределах 2200–2500 кг/куб. м;
• класс прочности на осевое растяжение – не меньше 0,8;
• уровень прочности – не меньше 250–260 кг/кв. см (класс B20);
• марка водонепроницаемости – W2 и выше;
• морозостойкость – не ниже F50.

Какой класс бетона использовать зависит от класса напрягаемой арматуры. При отсутствии необходимых данных о бетоне, его класс можно определить спустя 28 дней после его заливки.

Преимущества и недостатки материала

Причинами использования предварительно напряжённого железобетона могут стать такие преимущества армированных конструкций:

• высокий уровень защиты материала от образования трещин и коррозии – важный параметр для сооружений, постоянно находящихся в контакте с водой;
• уменьшение сечения и веса железобетона в пределах 30%;
• снижение расхода стальной арматуры на 40%;
• повышение сопротивления динамическим нагрузкам;
• увеличение огнестойкости построек;
• повышение эксплуатационного срока конструкций – особенно, при использовании сборно-монолитных блоков.

Кроме плюсов, у конструкций с применением предварительного напряжения есть и несколько серьёзных минусов. В том числе – сложность контроля армирования готовых элементов, трудоёмкий процесс изготовления и необходимость привлечения квалифицированных мастеров. Вес конструкций увеличивается по сравнению с железобетоном, изготовленным по традиционной технологии, но этот недостаток устраняется использованием пустотных конструкций и лёгких заполнителей.

Применение в строительстве

Предварительно напряжённый железобетон применяют в разных сферах строительства, изготавливая из него такие объекты:

• высотные башни, в том числе телевизионные;
• перекрытия с большим пролётом производственных и жилых зданий;
• резервуары для очистных сооружений;
• гидротехнические сооружения, в том числе, плотины, каналы и шлюзы;
• мосты с широкими пролётами;
• колонны и столбы электропередач;
• корпуса атомных реакторов и ограждения атомных электростанций.

Из этого же материала изготавливают подпорные стены и ограждающие панели. Подходит он и при необходимости усиления фундаментов зданий и лестничных маршей, построек и помещений, расположенных в сейсмоопасных и взрывоопасных районах. А для дополнительного повышения прочности каркасов зданий и тоннелей пользуются сборно-монолитными конструкциями, собранными из отдельных железобетонных элементов.

Изделия из преднапряжённого железобетона характеризуются большим количеством плюсов, что позволяет широко применять их в строительстве. А недостатки в основном связаны с недостаточным качеством изготовления, и могут компенсироваться ответственным отношением к производству. Чтобы избежать проблем и получить не только повышенную прочность, но и длительный срок эксплуатации, стоит доверять создание таких железобетонных конструкций профессионалам.

Источник