Преднапряженный бетон относится к категории строительных материалов, для производства которого применяется стальная арматура высокой прочности и бетонная смесь. Благодаря особой технологии производства он сопротивляется значительному растягивающему напряжению. Преднапряженный железобетон характеризуется прочностью и повышенной трещиностойкостью.
Определение
Предварительно напряженными железобетонными конструкциями называют стройматериал, во время производства которого бетон поддается начальной расчетной напряженностью сжатия. Во время изготовления материала предварительно формируется напряжение растяжения в стальной арматуре, которая характеризуется высоким уровнем прочности. Она используется для обжатия бетона на участках, которые будут поддаваться напряжению во время эксплуатации.
При сжатии не наблюдается проскальзывания арматуры, так как она скрепляется с материалом и в торце имеет анкерное закрепление. Железобетонный состав армируется, что позволяет уравновесить напряженность. Если в процессе эксплуатации на стройматериал воздействуют полезные нагрузки, то это не приводит к образованию трещин, что продляет срок его службы.
Процесс производства
Существует несколько способов натяжения арматуры:
Производство материала может выполняться по электротермической методике.
- механический (домкраты винтового или гидравлического типа);
- электротермомеханический (комбинация первого и второго метода).
электротермический (стального пруток удлиняется до нужных значений с применением электротока;
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.
Кавабанга! Устройство пандуса
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
При данном способе производства подготовленную арматуру нужно растянуть на торцах.
Арматурное напряжение производится механически, электротермически, комбинированно и физико-химически.
Преимущества
Бетон предварительного напряжения по сравнению с аналогичными материалами обладает определенными преимуществами:
- Железобетонные балки хорошо работают на сжатие и прогиб относительно центра тяжести. Они характеризуются высоким уровнем прочности по всей длине, что предоставляет возможность увеличения длины перекрываемых пролетов. Это обеспечивает уменьшение размеров поперечного сечения, а также сокращение веса и размеров комплектующих.
- Бетон является химически нейтральным материалом, что исключает возможность коррозии и деформаций арматуры.
- Арматура обжимает бетон сборочных единиц, что исключает сопротивление сцепления и позволяет сократить расход металла на стыке.
- Железобетонные конструкции могут состоять из стыкуемых частей и иметь одинаковое поперечное сечение, что обеспечивает стойкость к внешней нагрузке. Конструкции характеризуются повышенной выносливостью, что обеспечивается компенсацией повторяющихся динамических воздействий.
- Призменная прочность дает возможность демпфирирования изменений в арматуре и бетоне, которые появляются при колебаниях внешней нагрузке.
- При использовании стройматериала исключается возможность деформаций бетона и арматуры, что гарантирует повышенную сейсмическую стойкость здания.
Предварительно напряженный вид конструкции является безопасным. Благодаря запредельному прогибу, который сигнализирует об исчерпании прочности, она не разрушается.
Преимущества напряженных ж/б каркасов
- • значительное уменьшение количества стали (30-45%);
- • повышенное сопротивление возникновению трещин, предотвращающее коррозионное разрушение конструкций, функционирующих в агрессивных средах и требующих дополнительной непроницаемости для жидкостей и газов;
- • возрастание уровня жесткости и уменьшение прогибания;
- • уменьшение объемов бетонной смеси и веса конструкций в результате использования высокомарочного цемента;
- • минимизация габаритов поперечных сечений функциональных частей конструкции и рационализация их применения.
Недостатки
Для того чтобы обеспечить предварительное напряжение железобетонных конструкций, нужно использовать специальное оборудование. Продукция нуждается в бережном хранении, правильной транспортировке и профессиональном монтаже. Это не приведет к аварийному состоянию строительного материала еще до его эксплуатации.
Производство требует точного расчета предварительно напряженных железобетонных конструкций, который проводится высококвалифицированными специалистами. При просчетах в проектировании и неточностях в производстве создаваемая железобетонная конструкция может полностью разрушиться.
Продольное растягивающее усилие приведет к появлению трещин, которые снизят несущую способность.
Для обеспечения прочности на осевое растяжение нужно использовать металлоемкую опалубку. Это увеличивает расход стали.
Для того чтобы обеспечить тепло- и звукопроводность, нужно использовать компенсирующие материалы. Такие конструкции характеризуются более низким порогом огнестойкости.
В соответствии с сущностью предварительно напряженного железобетона можно сделать выводы, что он не переносит воздействие щелочей, солей, кислот и т.д. При этом наблюдается снижение несущей способности изделий, а также их разрушение. Недостатком конструкции является их внушительный вес.
Предварительно напряженные железобетонные конструкции
Сущность.
С течением длительного времени потери предварительного напряжения арматуры существенно увеличиваются за счет усадки и ползучести бетона и арматуры, релаксации напряжений арматуры и многих других факторов.
Установившееся предварительное напряжение растяжения в арматуре, (рис. 15, а, точка 2), будет уравновешиваться напряжением предварительного обжатия бетона (рис. 15, б и в).
С этими предварительными напряжениями в арматуре и в бетоне железобетонный элемент (см. рис. 15, в) поступает на строительную площадку.
Кавабанга! Бетонные колпаки на столбы забора
Рассмотрим принципиальное отличие предварительно напряженных конструкций от конструкций без предварительного напряжения.
Еще до приложения внешней нагрузки в арматуре предварительно напряженных конструкций действуют значительные предварительные напряжения растяжения (см. рис. 15, а, точка 2), обжимающие бетон элементов (см. рис. 15, б и в).
Внешняя растягивающая сила N (рис. 15, г) вызывает относительное удлинение предварительно напряженного элемента. Вследствие этого предварительное обжатие бетона погасится.
С возрастанием внешней нагрузки N будет возрастать е вплоть до величины упругого обжатия бетона.
Преимущества.
Недостатки.
Железобетонным конструкциям с предварительно напряженной арматурой присущи следующие основные недостатки.
Большая тепло- и звукопроводность железобетона требует усложнения конструкции и дополнительного применения прокладок из тепло- и звукоизолирующих материалов.
Предварительно напряженные конструкции отличаются недостаточной коррозийной стойкостью.
Коррозия цементного камня в бетоне может происходить за счет:
1) выщелачивания из него извести мягкими водами, обусловливающего образование на поверхности бетона белых подтеков («белая смерть» бетона);
2) образования растворимых и уносимых водой продуктов, связанных с обменными реакциями при действии на бетон растворов кислот и некоторых солей;
Основные мероприятия по защите железобетона от коррозии сводятся к следующему:
– предупреждение образования трещин или ограничение их раскрытия;
– ограничение степени агрессивности окружающей среды;
– применение плотных и водонепроницаемых бетонов на специальных сульфатостойких цементах;
– защита поверхностей разнообразными полимерными материалами, кислотоупорной штукатуркой, керамической облицовкой, оклеечной и обмазочной изоляцией;
– перерасход арматуры до 10. 20%; увеличение защитного слоя бетона до 25 мм.
Нефть и ее погоны уменьшают сопротивление бетона растяжению, сжатию и сцепление с арматурой, вследствие чего бетон становится проницаемым для жидкостей.
Растительные и животные масла и жиры, особенно прогорклые, содержат жирную кислоту, которая омыляет известь бетона и образует разрушающее бетон известковое мыло.
Сахар, сиропы, патока образуют с известью растворимые соли — сахараты, которые быстро разрушают свежий бетон.
Вот почему, несмотря на короткую историю развития (
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения:
При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему.
9941 – | 7563 – или читать все.
Материалы для конструкций
Железобетон относится к категории многокомпонентных строительных материалов. Он состоит из бетона и стальной арматуры. Во время проектирования железобетона определяются параметры качества материалов в соответствии со стандартами ГОСТ.
Бетон
Для обеспечения предварительного напряжения и сопротивления бетона используются только тяжелые составы, плотность которых составляет 220-2500 килограмм на квадратный метр.
Смесь настаивается не менее 28 дней, что позволит получить предварительное напряжение материала. На начальном этапе эксплуатации может наблюдаться частичная утрата напряженного качества бетоном, что объясняется снижением напряженности стальных элементов. Определение нормального сечения железобетонного элемента осуществляется в соответствии с проектом и требованиями дальнейшей эксплуатации.
Арматура
Стальная арматура должна быть напряженной и стойкой к растяжению в процессе всего срока эксплуатации. Она способна выдерживать нагрузки длительное время, что исключит возможность раскрытия трещин на бетоне. Для производства стройматериала применяют высокопрочную сталь, которая имеет незначительную текучесть. Расчетные характеристики стали должны полностью соответствовать ползучести бетона.
Для того чтобы компенсировать эксплуатационную потерю определенной величины преднапряжения, во время производства устанавливается величина чуть выше, чем указана в проектной документации и требованиях к готовому материалу.
Изготовление железобетонных конструкций проводится с использованием арматурной проволоки:
- Пакетов;
- Прядей;
- Пучков.
Железобетонные конструкции изготавливаются с использованием холоднодеформированной, горячекатаной упрочненной арматуры, сварных каркасов, канатов. Площадь сечения арматуры напрямую зависит от размеров готового железобетонного изделия. Проволока и канаты имеют серповидное и кольцевое сечение, а арматура – гладкое и периодическое. Сталь должна иметь соответствующую поперечную силу. Текучесть металла по отношению к удлинению должна составлять 0,2 процента.
В соответствии с параметрами растянутого волокна класс прочности арматуры должен быть 0,95 и больше. Она должна характеризоваться холодостойкостью и пластичностью. Оптимальное усилие в напрягаемой арматуре обеспечивается благодаря формированию сложной пространственной поверхности. Именно поэтому материал должен поддаваться свариванию.
Напряжение арматуры во время производства обеспечивается механическими или электротермическими способами. В первом случае это достигается с применением грузов, домкратов и рычагов. Электротермический способ требует заготовить стержни нужной длины, на концах которых располагаются анкера. Их нагревают до 400 градусов, что приводит к их удлинению. В таком состоянии проводится закрепление арматуры на опорах. При охлаждении стержни укорачиваются, но анкера не дают это сделать, что приводит к появлению напряжения.
Мировой опыт использования технологии преднапряжения
Телебашня в Торонто
Платформа «Тролл»
Мост «Нормандия»
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.
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).
Области использования конструкций
Применение преднапряженных конструкций рекомендуется при нецелесообразности использования обычного железобетона. Они являются идеальным вариантом при необходимости обеспечения несущей прочности. Применение напряженных железобетонных конструкций осуществляется в различных сферах строительства – промышленной, гражданской, специальной, гидротехнической.
Железобетонные конструкции применяются для сооружения мостов, которые имеют широкие пролеты. Их рекомендовано использовать для строительства напорных трубопроводов и плотин. С помощью ЖБИ проводится монтаж водонепроницаемых емкостей.
Конструкции широко применяются для создания подпорных стен и ограждающих панелей. Если возникает необходимость в возведении фундамента или лестничного марша, то применяются железобетонные конструкции. Их используют для строительства помещений в сейсмо- и взрывоопасных районах. С помощью ЖБИ формируются сборно-монолитные конструкции. Они заключаются в соединении арматурой отдельных преднапряженных сборных элементов. С применением железобетонных конструкций возводятся колонны, а также столбы линий электропередач. С их применением создаются каркасы тоннелей.
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).
Инструменты и материалы
К материалам ЖБИ с преднапряжением применяют требования согласно существующим нормативным документам:
- ГОСТ 5781–82;
- СП 52—102—2004.
Посмотреть «ГОСТ 5781-82» или cкачать в PDF (462.7 KB)
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.
Кавабанга! Основные виды железобетонных конструкций
Преднапряжение и этапы работ
При данном способе производства подготовленную арматуру нужно растянуть на торцах.
Арматурное напряжение производится механически, электротермически, комбинированно и физико-химически.
Предварительное натяжение арматуры
Для натяжения арматуры на производстве используются гидравлические упоры.
Метод, основанный на предварительном натяжении, заключается в том, что сначала прокладывают и натягивают арматуру, а после этого она обкладывается раствором. Натяжение сверхпрочной стальной армированной проволоки поддерживается до того момента, когда бетон станет достаточно прочным. После этого проволоку обрезают, а ее натяжение передается смеси из-за сцепления с ним. Благодаря этому бетон подвергается напряжению от сжатия, а производство на этом закончено.
Особенности расчета преднапряженных конструкций
Статический момент приведенного сечения относительно оси 1-1, проходящей по нижней грани сечения,
где А — площадь части сечения; уi — расстояние от центра тяжести i-й части сечения до оси 1-1.
Расстояние от центра тяжести приведенного сечения до оси 1-1
Момент инерции приведенного сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения где Ii — момент инерции i-й части сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести этой части сечения.
Расстояния до верхней и нижней границы ядра сечения от центра тяжести приведенного сечения составляют:
Значение eR определяют по формуле
Расчет по прочности сечений изгибаемых элементов производят из условия
Допускается напряжение os определять по формуле
где z — расстояние от центра тяжести арматуры, расположенной в растянутой зоне сечения, до точки приложения равнодействующей усилий в сжатой зоне элемента; еsp — расстояние от центра тяжести той же арматуры до точки приложения усилия Np.
Для элементов прямоугольного поперечного сечения при отсутствии (или без учета) сжатой арматуры значение z определяют по формуле
где xN — высота сжатой зоны, определяемая с учетом влияния усилия предварительного обжатия Np.
Напряжения. os, определяемые по формулам (93), не должны превышать Rs,ser—osp. В остальном расчет аналогичен расчету элементов с ненапрягаемой арматурой.
Допускается для элементов прямоугольного сечения высоту сжатой зоны определять по формуле
Кривизну изгибаемых преднапряженных элементов можно определять по формуле
