Обычный и предварительно напряженный железобетон. Положительные и отрицательные свойства железобетона. Мировой опыт использования технологии преднапряжения
Страница 2 из 3
Предварительно напряженный железобетон в конструкциях мостов
В железобетоне без предварительного напряжения при правильном проектировании и изготовлении конструкций можно предотвратить раскрытие трещин до предела, опасного с точки зрения коррозии арматуры и бетона, если применять арматуру из стали класса A-I - А-III. Целесообразное использование арматуры более высокой прочности в железобетоне без предварительного напряжения невозможно из-за возникновения уже при эксплуатационной нагрузке трещин недопустимого раскрытия, несмотря на повышение сцепления арматуры с бетоном путем применения стержней периодического профиля.
Для получения экономичной конструкции без трещин или с трещинами ограниченного раскрытия при использовании высокопрочной арматуры применяют предварительно напряженный железобетон .
Идея предварительно напряженного железобетона заключается в том, что при изготовлении в конструкции создают наиболее рациональное напряженное состояние. Применяют в основном два способа создания предварительного напряжения в конструкции: натяжение арматуры на бетон и натяжение арматуры на упоры.
Для изгибаемых элементов наиболее целесообразно создавать в сечении неравномерно распределенные предварительные напряжения так, чтобы максимальные сжимающие напряжения были в наиболее растянутых от внешних сил частях конструкции. Для этого напрягаемую арматуру располагают эксцентрично. От действия усилия преднапряжения в сечении возникает внецентренное сжатие, причем, кроме сжимающего усилия, в сечении действует изгибающий момент, обратный по знаку моменту от внешней нагрузки. При изготовлении элемент получает изгиб, обратный прогибу от внешней нагрузки, для чего предварительно напрягаемую арматуру располагают в сечении у наиболее растянутого волокна. Таким образом, преднапряженная арматура выполняет две функции: при эксплуатации сооружения создает сжимающие напряжения в бетоне, препятствуя появлению трещин, а при нагрузках, близких к разрушающим, когда растянутая зона бетона пересечена трещинами, воспринимает растягивающие усилия, как и арматура в ненапрягаемых элементах.
Предварительное напряжение создают для исключения или уменьшения не только основных растягивающих напряжений в сечениях, перпендикулярных к оси элемента, но и главных растягивающих напряжений, особенно при применении наряду с продольной арматурой также поперечной или наклонной преднапряженной арматуры. Предварительное напряжение препятствует и появлению местных растягивающих напряжений.
В бетоне может быть создано одноосное, двухосное или трехосное напряженное состояние. Размеры поперечного сечения сжатых элементов можно существенно уменьшить, если применить поперечное обжатие в двух направлениях, например, навивкой на бетонный сердечник спирали из высокопрочной проволоки под напряжением (косвенное напряженное армирование). В плите сборных пролетных строений можно создавать горизонтальное поперечное преднапряжение, одновременно объединяя балки в единую конструкцию.
Напряженное состояние элемента можно регулировать в широких пределах, создавая искусственные поля напряжений, благоприятные для конструкции, целесообразно назначая величину, направление и точки приложения усилий преднапряжения.
Таким образом, предварительно напряженный железобетон целесообразно применять в изгибаемых, растянутых и внецентренно растянутых элементах, а также во внецентренно сжатых элементах с большим эксцентриситетом сжимающей силы. В сжатых элементах предварительное напряжение можно создавать в косвенной арматуре.
Предварительно напряженные конструкции мостов имеют преимущества в сравнении с конструкциями из железобетона без предварительного напряжения. К ним относится прежде всего экономия металла (его требуется в 1,5-2,5 раза меньше), достигаемая в основном за счет применения высокопрочной арматуры. Наряду с экономией металла уменьшается расход бетона за счет снижения главных растягивающих напряжений. В результате в ряде случаев уменьшается вес частей сооружения и облегчаются перевозка и монтаж сборных конструкций.
Предварительно напряженная арматура позволяет применять обжатые стыки в сборных конструкциях, что дает экономию металла, идущего на закладные части, и повышает качество стыков. Только при использовании преднапряженной арматуры становится возможным применение таких прогрессивных способов сооружения железобетонных мостов, как навесное бетонирование и навесная сборка, обеспечивающих резкое снижение трудоемкости и сокращение сроков строительства. Однако в балочных конструкциях, проектируемых с исключением растяжения в бетоне под эксплуатационной нагрузкой, требуется увеличение размеров нижнего пояса для восприятия сил преднапряжения. Следует помнить, что высокие предварительные напряжения в бетоне может вызвать появление в нем трещин, направленных вдоль усилия обжатия. Поэтому предварительное напряжение следует применять осторожно, не перенапрягая без необходимости бетон.
Представляется целесообразным в ряде случаев не требовать исключения расчетных растягивающих напряжений в бетоне. Предварительное напряжение может быть задано таким, чтобы обеспечить отсутствие трещин, опасных в отношении коррозии арматуры (неполное обжатие бетона).
Технология изготовления преднапряженных мостовых конструкций сложнее, чем конструкций без предварительного напряжения, так как требует специальных обустройств для натяжения арматуры и квалифицированного обслуживающего персонала. Этот недостаток компенсируют развитием производственной базы для изготовления элементов мостовых конструкций с предварительным напряжением, созданием высокопроизводительного оборудования и совершенствованием технологии изготовления конструкций и монтажа преднапряженных железобетонных мостов.
Бетон напрягающий
Бетон напрягающий - бетон на основе цемента напрягающего. От обычного бетона на портландцементе его отличает способность расширяться в нач. период твердения и растягивать находящуюся в сцеплении с ним арматуру, приобретая при этом напряжения собственного обжатия, т.н. самонапряжение. Получаемые т.о. предварительно напряж. конструкции наз. самонапряженными ж.-бет. конструкциями.
Основу напрягающего цемента составляет портландцементный клинкер (около 2/3 состава), к к-рому при помоле добавляют повыш. по сравнению с портландцементом кол-во гипса, а также дополнительно высокоалюминатные шлаки, являющиеся, как правило, отходами металлургия, пром-сти. Объемное расширение цементного камня обусловлено образованием в процессе его гидратации гидро-сульфоалюмината кальция (т.н. "цементной бациллы"), имеющего объем больший, чем сумма объемов исходных компонентов.
Различают т.н. свободное расширение, когда цементному камню, напрягающему цементу и бетону на его основе не препятствуют внешн. ограничения в виде смешанных элементов конструкций (в стыке, шве), связанной с ним сцеплением или анкерами арматуры, либо противодействующих внешн. сил. При наличии таких ограничений или воздействий имеет место связанное расширение. В этом случае цементный камень или бетон развивает давление на препятствие, проявляющееся в виде распора в швах и стыках или растяжения арматуры независимо от ее направления в бетоне.
Свободное расширение контролируют, как правило, только при произ-ве напрягающего цемента как более чувствит. показатель, оно составляет 0,2-2,5%. Связанное расширение контролируют при произ-ве цемента (в цементно-песчаном р-ре 1:1), фиксируя его в виде марки по самонапряжению - НЦ-10, НЦ-20, НЦ-30 и НЦ-40 (соответственно самонапряжение не менее 0,7, 2, 3 и 4 МПа), а также для определения фактич. марки бетона по самонапряжению, когда она предусмотрена в проекте конструкции.
Связанное расширение помимо энер-гетич. св-в цемента и бетона зависит от степени ограничения расширения, поэтому испытания Б.н. проводят на стандартных образцах-призмах размерами от 4х4х 16 см для цемента до 1 Ох 10x40 см для бетона, используя стандартные динамо-метрич. кондукторы соответствующего типоразмера, создающие в отформованных в них образцах упругое сопротивление расширению, эквивалентное наличию в образцах продольного армирования 1 %.
Подбор состава Б.н. по прочности на сжатие не отличается от подбора состава обычного бетона на портландцементе, однако расход вяжущего может быть снижен практически на 10%. Могут быть получены бетоны классов В15-В40 и выше. При одинаковой прочности бетона на сжатие Б.н. имеет прочность при растяжении на 20% выше, чем бетон на портландцементе. Существует ряд марок по самонапряжению от Sp0,6 до Sp4 (в МПа).
Для получения заданной проектной марки по самонапряжению необходимо учитывать не только активность напрягающего цемента по самонапряжению, но и расход вяжущего, водоцементное отношение и в нек-рых случаях влажностные условия твердения.
Бетон напрягающий характеризуется маркой по водонепроницаемости не ниже W12, в связи с чем в выполняемых из него конструкциях не требуется устройства гидроизоляции и во мн. случаях антикорроз. защиты.
Существует разновидность Б.н. - бетон с компенсированной усадкой, отличающийся тем, что при сохранении всех остальных св-в в нем не нормируется марка по самонапряжению. Для изготовления такого бетона применяют, как правило, напрягающий цемент марок НЦ-10 или НЦ-20. Бетон с компенсиров. усадкой целесообразно применять взамен обычного бетона на портландцементе практически для всех конструкций, что обеспечивает компенсацию усадки и ее отрицат. последствий как на этапе изготовления конструкций (от образования технологич. трещин), так и при эксплуатации.
Технологич. св-ва Б.н. сходны со св-вами бетона на портландцементе, однако при повыш. темп-рах (30 °С и выше) наблюдается тенденция к более заметному ускорению твердения (набору прочности) и, частично, схватыванию смеси. Это позволяет сократить продолжительность и снизить темп-ру тепловлажностной обработки изделий заводского изготовления. Сроки схватывания бетонов и растворов на напрягающем цементе регулируются в широких пределах: от ускорения схватывания до 1-2 мин, что применяется для остановки протечек при ремонте конструкций под гидростатич. напором, до удлинения схватывания до 2-3 ч (при необходимости длит, транспортировки смеси). Для этого добавляют ускорители и пластификаторы, а также используют метод т.н. предварит, частичной гидратации, заключающийся в предварит, перемешивании (до затворения) напрягающего цемента с частично увлажненным заполнителем либо двухстадийном перемешивании смеси. Учитывая особенности Б.н., его применение особенно эффективно в конструкциях, к к-рым предъявляются требования повыш. водонепроницаемости и трещино-стойкости (в т.ч. при использовании подвижных смесей), спец. гидроизоляции в этом случае не требуется. Это сборные и монолитные емкостные, подземные конструкции разл. назначения и стыки в них, трубы напорные и безнапорные, транспортные и коммуникац. тоннели, безрулонные кровли, покрытия полов, дорог, аэродромов и автодорожных мостов, а также основания искусств, конькобежных дорожек и ледовых полей без швов или с увелич. расстоянием между ними, элементы объемного домостроения. Применяют Б.н. для герметизации и защиты от источников ра-диац. излучений, а также для изготовления предварительно напряж. конструкций с целью компенсации потерь напряжений от усадки и др. видов конструкций и сооружений, в т.ч. ж.-бет. конструкций массового произ-ва, взамен обычного бетона как тяжелого, так и легкого.
Предварительно напряжённый железобетон (преднапряжённый железобетон ) - это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям . Конструкции из преднапряженного железобетона по сравнению с не напряженным имеют значительно меньшие прогибы и повышенную трещиностойкость, обладая одинаковой прочностью, что позволяет перекрывать большие пролеты 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 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 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.
У истоков создания предварительно напряжённого железобетона стояли Эжен Фрейсине (Франция) и Виктор Васильевич Михайлов (Россия)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Предварительно напряжённый железобетон" в других словарях:
предварительно напряжённый железобетон - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN prestressed concrete …
предварительно напряжённый железобетон со стальной оболочкой - (напр. для изготовления защитных оболочек на АЭС) [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN steel lined prestressed concrete … Справочник технического переводчика
железобетон предварительно напряжённый - Сборные или монолитные железобетонные конструкции, арматуру которых напрягают до заданного расчётного значения [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] Тематики строительные изделия прочие EN prestressed… … Справочник технического переводчика
Железобетон предварительно напряжённый - Железобетон предварительно напряженный – сборные или монолитные железобетонные конструкции, арматуру которых напрягают до заданного расчётного значения [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)]… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Сборные или монолитные железобетонные конструкции, арматуру которых напрягают до заданного расчётного значения (Болгарский язык; Български) предварително напрегнат стоманобетон (Чешский язык; Čeština) předpjatý železobeton (Немецкий язык;… … Строительный словарь
Диаграмма преднапряжения Предварительно напряжённый железобетон (преднапряжённый железобетон) это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям. При… … Википедия
Диаграмма преднапряжения Предварительно напряжённый железобетон (преднапряжённый железобетон) это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям. При… … Википедия
Арматура для железобетонных конструкций … Википедия
Сочетание бетона и стальной арматуры, монолитно соединённых и совместно работающих в конструкции. Термин «Ж.» нередко употребляется как собирательное название железобетонных конструкций и изделий (См. Железобетонные конструкции и изделия) … Большая советская энциклопедия
К атегория: Арматурные работы
О предварительно напряженном железобетоне
Железобетонные конструкции, применяемые в современном строительстве, отличаются некоторыми недостатками. Одним из них является большой собственный вес железобетона, равный 2500 кг/м3 (в том числе 100 кг/м3 составляет в среднем арматура). Особенно серьезно это отражается на горизонтальных конструкциях, работающих на изгиб, - плитах, балках, ригелях и др. Под действием нагрузки здесь появляется напряжение на растяжение. Поэтому в растянутой зоне сечения железобетонной конструкции приходится размещать большое количество арматуры, что увеличивает площадь сечения и вес конструкции.
Другим недостатком железобетонных конструкций является неполное использование свойств арматурной стали, в частности ее прочности на растяжение. При полном использовании прочности арматурных стержней бетон дает трещины в зоне растяжения конструкций, хотя напряжение в арматуре не превышает предела текучести. Это недопустимо при эксплуатации сооружений.
Упомянутые недостатки в значительной степени устраняются в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
Сущность предварительного напряжения (рис. 1) заключается в следующем. Рабочую арматуру конструкции перед бетонированием натягивают и в натянутом состоянии производят бетонирование. После того как бетон схватится, затвердеет и приобретет необходимую прочность, натягивающее усилие снимают. При этом арматурная сталь стремится опять сж‘аться (сократиться по длине) и часть сжимающих усилий передает окружающему бетону.
Таким образом, бетон в изготовленной предварительно напряженной конструкции еще до установки ее в сооружение и передачи на нее различных эксплуатационных нагрузок уже подвергнут напряжению на сжатие, или, как говорят, в конструкции искусственно создано внутреннее напряженное состояние, характеризующееся сжатием бетона и растяжением арматуры.
Прежде чем бетон в предварительно напряженной конструкции, воспринимая расчетную (эксплуатационную) нагрузку, начнет работать на растяжение, в нем должно быть сначала погашено предварительно созданное сжатие.
Наличие предварительного напряжения позволяет увеличивать нагрузку на конструкцию по сравнению с конструкцией, армированной обычным способом, или при прежней величине нагрузки уменьшать размеры конструкции, т. е. экономить бетон и сталь.
Впервые идея предварительного напряжения (обжатия) элементов, работающих на растяжение, была предложена в 1861 г. русским ученым, академиком А. В. Гадолиным для стволов пушек.
Преимущества предварительно напряженных железобетонных конструкций перед обычными заключаются в следующем.
1. Способность бетона хорошо работать на сжатие полностью используется во всем сечении. Это позволяет уменьшить сечения, а следовательно, объем и вес предварительно напряженных элементов на 20-30% и сократить расход материалов, в частности цемента.
2. Благодаря лучшему использованию свойств арматурной стали в предварительно напряженных конструкциях по сравнению с обычными сокращается расход арматуры. Экономия арматуры, особенно эффективная и нужная при применении сталей с высоким пределом прочности, достигает 40%.
3. Конструкции с предварительно напряженной арматурой (напряженно-армированные) отличаются высокой трещиностойкостью, что предохраняет арматуру от ржавления. Это имеет большое значение для сооружений, находящихся под постоянным давлением воды или каких-либо других жидкостей и газа (трубы, плотины, резервуары и т. п.).
4. Вследствие уменьшения объема и веса напряженно-армированных железобетонных элементов облегчается применение сборных конструкций.
Примерами наиболее распространенных сборных предварительно напряженных конструкций являются плиты для покрытий промышленных зданий, подкрановые балки, кровельные балки и др.
Использование предварительного напряжения эффективно не только в сборных, но и в монолитных и в сборно-монолитных железобетонных конструкциях. Сборно-монолитные конструкции состоят из сборных предварительно напряженных элементов, воспринимающих усилия совместно с бетоном и арматурой, дополнительно укладываемыми после установки сборных элементов в проектное положение.
При возведении сборно-монолитных конструкций отдельные сборные элементы соединяют таким образом, что в дальнейшем при эксплуатации они работают как одно целое. Это делают следующим образом.
При изготовлении сборных элементов будущей сборно-монолитной конструкции у них оставляют выпуски арматуры. Во время монтажа этих элементов в швы между ними укладывают и приваривают к выпускам дополнительные арматурные стержни так, чтобы арматура соседних элементов составляла одно целое. Затем армированные швы (или стыки) заполняют бетоном, или, как говорят, замоноличивают. После затвердения бетона в стыках и швах получается конструкция, называемая сборно-монолитной.
Этот метод часто используют в конструкциях многоэтажных зданий (рис. 1) и в пространственных конструкциях с криволинейными очертаниями - сводах и куполах.
Рис. 1. Стык арматуры сборных прогонов и плит многоэтажного промышленного здания с закладкой в колонны трехрядных арматурных коротышей: 1 - стык коротыша с выпусками арматуры прогонов, 2 - арматурный коротыш, 3 -арматура, закладываемая в швы между сборными плитами
Примером уникального монолитного железобетонного сооружения, впервые в мировой практике осуществленного советскими строителями, является Останкинская телевизионная башня (рис. 2, а) в Москве.
Общая высота башни 525 м. Нижний ярус до отметки 17,5 м представляет собой десять отдельных железобетонных опор. Выше этой отметки до отметки 63 м отдельные опоры объединены в железобетонный конус со сплошной стенкой. От отметки 63 до отметки 385 поднимается железобетонный ствол башни диаметром соответственно 18 и 8,2 м со стенками толщиной от 40 до 35 см (рис. 2, б). Стенки ствола армированы двойной сеткой из стали 35ГС периодического профиля с интенсивностью армирования до 230 кг/м3.
Между армированными сетками устанавливают специальные рамки (рис. 2, в). Взаимное положение металлических щитов внутренней и наружной опалубки и арматурных сеток, а следовательно, толщина защитного сдоя бетона фиксировались болтами 9 с надетыми на них пластмассовыми трубками (рис. 2, в).
Рис. 2. Останкинская телевизионная башня в Москве: а - общий вид, б - разрез ствола башни, в - деталь установки опалубки и арматуры в стенке ствола башии; г - опоры, 1 - конусная часть башни, 3 - железобетонный ствол, 4 - служебные помещения, 5 - ресторан, 6 - стальная антенна, 7 - щиты внутренней опалубки, 8 - щиты наружной опалубки, 9 - болт, 10 - арматурные сетки, 11 - рамка, 12 - пластмассовая трубка ствола башни
В качестве напрягаемой арматуры нижней части и ствола башни применены канаты диаметром 38 мм, расположенные в восемь ярусов от фундамента до отметки 385. Длина канатов, проходящих в каналах внутри стенок, колеблется от 154 до 344 м. Натяжение канатов выполнялось с помощью гидродомкратов; усилие натяжения достигало 69 тс. Всего в конструкции башни уложено 1040 т арматурной стали.
Рис. 3. Сечения проволочных арматурных пучков: а - незакрепленных по концам, б - закрепленных по концам, в - многорядных, г - из групп проволок; 1 - напрягаемые проволоки пучка, 2 - вязальная проволока, 3 - спираль, 4 - короткие проволоки, 5 - центральная проволока, 6 - трубка, 7 - раствор, 8 - группа проволок, 9 - дополнительные проволоки
В качестве напрягаемой арматуры для предварительно напряжен ных конструкций целесообразно применять арматурную сталь с более высокими механическими характеристиками; этим достигается наибольшая экономия арматуры, уменьшение сечения и веса конструкции.
Поэтому преднапряженные конструкции армируют, как правило, высокопрочной арматурной сталью и изделиями из нее следующих видов: – горячекатаная сталь периодического профиля класса А-Шв, упрочненная вытяжкой; – горячекатаная сталь периодического профиля классов Ат-V и. Ат-VI, термически упрочненная; – горячекатаная сталь периодического профиля классов А-IV и A-V; – высокопрочная арматурная проволока, гладкая и периодического профиля классов B-II и Вр-П; проволочные пряди; проволочные канаты; пучки (рис. 3) и пакеты из высокопрочной проволоки. Для предварительно напряженных конструкций очень важно обеспечение надежного сцепления поверхности арматуры с окружающим бетоном.
Этим объясняется применение в качестве напрягаемой арматуры прядей и канатов со сложной формой поверхности.
Семипроволочные пряди вырабатывают из проволок диаметром 1,5-5 мм. Многопрядные канаты изготовляют из проволок диаметром 1-3 мм. Пучок состоит из проволок, расположенных по окружности, в количестве от 8 до 48. Для сохранения взаимного расположения проволок внутри пучка через 1-1,5 м устанавливают отрезки проволочных спиралей. В этих же местах снаружи пучок стягивают вязальной проволокой (рис. 3, а, в, г). Пучки, закрепленные по концам (рис. 3, б), состоят из 8-24 проволок. В местах установки коротких проволок 4 по длине пучка остаются щели, через которые середина пучка заполняется раствором. Многорядные пучки из групп проволок диаметром до 8 мм (рис. 3, в) применяют в инженерных сооружениях, например мостах. Пакет представляет собой группу проволок или прядей, расположенных в несколько рядов по горизонтали и вертикали по правильной геометрической сетке.
Натяжение арматуры при армировании предварительно напряженных конструкций выполняют двумя способами - до или после бетонирования.
Натяжение на формы или упоры. При армировании по этому способу арматурные стержни натягивают перед укладкой бетонной смеси. Усилия натяжения, достигающие по величине иногда нескольких десятков тонн, воспринимаются мощной конструкцией стальной формы, в которой изготовляют изделие, или специальными упорами стенда, поэтому этот способ называют стендовым. Бетонируют конструкцию при натянутой арматуре. Когда после отвердения бетона натяжные приспособления снимают, сжатие бетона достигается за счет сцепления между стремящимися сжаться арматурными стержнями и окружающим их затвердевшим бетоном.
Уменьшение длины при сжатии показано в условном масштабе, гак как на глаз оно бывает незаметно.
При данном способе контроль натяжения (а следовательно, и напряжения) арматуры осуществляется до обжатия бетона.
Натяжение арматуры на бетон. В данном случае усилие натяжения арматуры воспринимается не формой, а затвердевшим бетоном. Этим способом пользуются главным образом для армирования конструкций, собираемых из отдельных блоков. Способ натяжения на бетон позволяет собирать крупноразмерные конструкции (длиной до 30 м и более) у места их установки из отдельных, легко перевозимых частей меньшего размера. Натяжение арматуры контролируют в процессе обжатия бетона. Обжатие можно производить только после накопления затвердевшим бетоном прочности, достаточной для восприятия усилий, создаваемых натяжными устройствами.
Применяют различные способы натяжения арматуры: механический - с помощью специальных домкратов; электротермический, при котором используют свойство стального прутка удлиняться при нагревании, и электротермомеха- нический, представляющий собой сочетание двух первых.
Различают способы укладки напрягаемой арматуры: линейный, при котором укладывают отдельные стержни, проволочные пучки или пакеты точно отмеренной длины, и способ непрерывной укладки (навивки) арматуры прямо из бухты на штыри вращающегося поддона или с помощью перемещающейся навивочной машины.
- О предварительно напряженном железобетоне
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