Преднапряжение арматуры — уникальная технология в строительстве

Оборудование для натяжения арматурного каната от активно применяется в строительcтве объектов гражданского и промышленного назначения.

Предварительное напряжение железобетонных конструкций увеличивает их жесткость и сопротивление к образованию трещин, повышает выносливость при работе под воздействием многократно повторяющихся нагрузок. Преднапряженные конструкции и здания возводятся в сейсмоопасных зонах, а технология преднапряжения используется при строительстве объектов с повышенными коэффициентами безопасности и надежности.

Инновационные методы возведения зданий, используемые в каркасном строительстве, базируются на технологии предварительного напряжения железобетонных конструкций в процессе строительства. Под предварительно напряженными понимают железобетонные конструкции, напряжение в которых создаётся искусственно во время изготовления путём натяжения части или всей рабочей арматуры на заданную величину.

Строительство включает установку колонн, их фиксацию и соединение с напрягаемой канатной арматурой. Фиксацию колонн осуществляют в нагруженном состоянии натяжением канатов с последующим бетонированием и отпуском канатов с образованием предварительно-напряженных ячеек каркаса здания. Применение такой технологии обеспечивает повышенную несущую способность здания с минимальными затратами арматуры и бетона, в среднем экономия до 50%.

Для чего требуется предварительно напряжённое армирование

Арматура в изделиях может быть ненапрягаемой и напрягаемой. Первый вид выполняет функцию пассивного армирования — оно не работает, пока плита не изогнётся от собственного веса или от воздействия поперечной нагрузки. Только в этот момент нижние армирующие стержни будут противодействовать растяжению, но бетон уже получит свою долю растяжения и отреагирует сетью мелких трещин.

Чтобы избежать их появления и повысить прочность плиты при воздействии изгибающих нагрузок, армирующие конструкции при изготовлении бетонных плит предварительно напрягают. Железобетон с напряжённой арматурой находится постоянно в активном состоянии.

Силы напряжения, сжимающие плиту в осевом направлении, компенсируют эксплуатационные силы, вызванные собственным весом и нагрузкой. Растрескивания в напряжённой плите практически не происходят, она способна выдерживать более высокие, чем ненапряжённая плита, нагрузки. Кроме того, напряжённую плиту делают тоньше (140 мм вместо 170), что снижает расход бетона.

Преимущества технологии преднапряжения

• Повышение трещиностойкости, жесткости и несущей способности ж/б конструкций;
• Увеличение водонепроницаемости бетона, высокая коррозийная стойкость;
• Повышение выносливости и долговечности конструкции, сопротивления динамическим нагрузкам;
• Повышение сейсмостойкости железобетонной конструкции;
• Сокращение толщины перекрытий или балок – увеличение полезной площади помещения;
• Сокращение количества деформационных швов и увеличение размера сетки колонн;
• Снижение расхода бетона и арматуры;
• Возможность натяжения канатной арматуры сложной формы, возможность реализации сложных архитектурных проектов.

Натяжение напрягаемой арматуры

При изготовлении плит (дорожных, перекрытия, аэродромных) применяют метод, называемый натяжение на упоры. Он заключается в том, что арматурные стержни, уложенные в форму до заливки бетона, подвергают растяжению. Его осуществляют двумя способами:

• механическим;
• электротермическим;
• комбинированным, сочетающим оба предыдущих.

При механическом способе стержни анкеруют и растягивают гидравлическими домкратами. Заливают в форму бетон, уплотняют его и выдерживают до набора 70 %-й прочности. Затем зажимы снимают, и сила натяжения стержней через анкеры и рифление передаётся на бетон. Изделие становится плитой с предварительно напряжённой арматурой.

Электротермический способ заключается в пропускании через стержни тока большой силы. От его действия они разогреваются и удлиняются по оси. В этот момент заливают бетон. После его схватывания и упрочнения ток выключают, стержни остывают, но укорачиваться им мешает сцепление с бетоном, поэтому арматура напрягается. В промышленности чаще используют электротермический метод, как более простой.

3.Напряжение в ненапрягаемой арматуре

В ненапрягаемой арматуре предварительно напряжённых элементов под влиянием совместных с бетоном деформаций возникают начальные сжимающие напряжения: при обжатии бетона, равные потерям от быстронатекающей ползучести: σs =σ6, а перед загружением элемента, равные также и потерям от усадки и ползучести бетона: σs=σ6+σ8+σ9.

Для ненапрягаемой арматуры, расположенной в зоне, растянутой при обжатии элемента принимают σs=σ8.

Усилие предварительного обжатия бетона

Усилие предварительного обжатия бетона принимают равным равнодействующей усилий в напрягаемой и не­напрягаемой арматуре

Р=σspАsp+σ`spА`sp-σsАs-σ`sА`s

а эксцентриситет этого усилия относительно центра тя­жести приведенного сечения определяют из условия ра­венства моментов равнодействующей и составляющих (рис. 2.2):

eop=(σspАspysp-σ`spА`spy`sp-σsАsys+σ`sА`sys)/P

Рисунок — 2.2. Предварительно напряженный элемент а — схема распределения усилия обжатия; б — схема к определению геометрических характеристик приведенного сечения; I—5 элементарные фигуры; 6—9 арматура

Приведенное сечение

Чтобы определить напряжения

в сечениях предвари­тельно напряженных железобетонных элементов в
ста­дииI
до образования трещин, рассматривают приведен­ное бетонное сечение, в котором
площадь сечения
арма­туры заменяют
эквивалентнойплощадью
сечения
бетона
. Исходя из равенства деформаций арматуры и бетона, приведение выполняют по отношению модулей упругости двух материалов
v=Es/Eb.
Площадь приведенного сече­ния элемента составит:

Ared
= А +vAsp+vAs+vA`sp+vA`s
где А — площадь сечения бетона за вычетом площади сечения кана­лов и пазов.

Статический момент приведенного сечения относи­тельно оси /—/, проходящей по нижней грани сечения:

Sred=ΣAiyi

где Ai

— — площадь части сечения;
yi
— расстояние от центра тяжести
i—
й части сечения до оси /—/.

Расстояние от центра тяжести приведенного сечения до оси /—/

yо
=Sred/Ared.
Момент инерции приведенного сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести приведенного се­чения:

Ired
=Σ(Ii+ Ai(y0-yi)2),
где Ii

— момент инерции
i
-й части сечения относительно оси, прохо­дящей через центр тяжести этой части сечения.

Расстояние до верхней и нижней границы ядра сечения от центра тяжести приведенного сечения составят:

r=Ired/Ared
y0; rinf=Ired/(Ared(h-y0))
6. Последовательность изменения предварительных напряжений в элементах после загружения внешней нагрузкой

Центрально-растянутые элементы

. При изготовлении элемента арматуру натягивают до начального контроли­руемого напряжения σcon на упоры форм, производят бе­тонирование, тепловую обработку и выдерживают в фор­ме до приобретения бетоном необходимой передаточной прочности
Rbp.
В этом состоянии
1
произошли первые по­тери σlos1в основной их части (рис. 2.3). Затем при осво­бождении с упоров форм и отпуске натяжения арматуры благодаря сцеплению материалов создается обжатие бе­тона, развиваются деформации быcтронатекающей пол­зучести и происходят потери σ
6—
состояние
2
.

С течением времени происходят вторые потери σlos2,

соответственно уменьшаются и упругие напряжения в бе­тоне — состояние
3
. Предварительное напряжение в ар­матуре с учетом полных потерь и упругого обжатия бето­на в этом состоянии равно
σcon– σlos1— νσbp
, здесь σlos1 – без потерь σ3 иσ4 , поскольку последние учитываются в σcon.

С течением времени происходят вторые потери σlos2 , соответственно уменьшаются и упругие напряжения в бетоне – состояние 3

. Предварительное напряжение в арматуре с учетом полных потерь и упругого обжатия бетона в этом состоянии равно
σcon– σlos— νσbp1
После загружения элемента при постепенном увеличе­нии внешней нагрузки напряжения в бетоне от предва­рительного обжатия погашаются — состояние 4

. Предва­рительное напряжение в арматуре с учетом потерь на уровне нулевого напряжения в бетоне в этом состоянии равно
σsp=
σcon – σlos

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появле­нию в бетоне предельных растягивающих напряжений Rbtn
—
состояние
5
, т. е. конец стадии I напряженно-де­формированного состояния.

Приращение напряжений в растянутой арматуре пос­ле погашения обжатия в бетоне исходя из предельной растяжимости бетона εubt=2Rbtn/Eb и совместности де­формаций двух материалов

σs
=εsEs=εubtEs= (2Rbtn/Eb) Es= 2vRbtn.
Напряжение в напрягаемой растянутой арматуре перед образованием трещин равно σsp + 2vRbtn.

Оно превышает соответствующее напряжение в элементах без предварительного напряжения на σsp
,
что повышает сопротивление образованию трещин. После образования трещин в стадии II напряженно-деформированного состо­яния растягивающее усилие воспринимается арматурой. По мере увеличения нагрузки трещины раскрываются. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в ар­матуре становятся предельными и происходит разруше­ние — стадия III.

При натяжении арматуры на бетон последователь­ность напряженных состояний аналогичная. Отличие в пе­риод изготовления и до загружения элемента внешней нагрузкой заключается в том, что начальное контроли­руемое напряжение арматуры определяют с учетом об­жатия бетона.

Изгибаемые элементы.

При натяжении на упоры форм верхнюю и нижнюю арматуру натягивают на величину начальных контролируемых напряжений σcon
,
σ`
соп
(рис. 2.3). Обычно принимают что они равны. После бетонирова­ния и твердения в процессе тепловой обработки происхо­дит основная часть первых потерь предварительных на­пряжений в арматуре — состояние
1
. После приобретения бетоном необходимой прочности арматура освобождает­ся с упоров форм и обжимает бетон; предварительные напряжения в арматуре в результате быстронатекающей ползучести и упругого обжатия бетона уменьшаются — состояние
2
. При этом вследствие несимметричного арми­рования
Asp>A`sp
и внецентренного обжатия элемент получает выгиб. С течением времени происходят вторые по­тери напряжений арматуры σ
los2—
состояние
3
. После за­гружения внешней нагрузкой погашаются напряжения обжатия в бетоне — состояние
4
. Предварительное напря­жение в арматуре на уровне нулевого напряжения в бе­тоне в зоне, растянутой от действия внешней нагрузки, в этом состоянии

σsp =

σcon
—
σ
los
При увеличении нагрузки напряжения в бетоне растя­нутой зоны достигают предельных Rbtn
—
состояние
5
. Это и будет концом стадии I напряженно-деформирован­ного состояния при изгибе. В этой стадии напряжение в арматуре равно σ
sp+ 2vRbtn.
При изгибе, как и при рас­тяжении, перед образованием трещин напряжение в рас­тянутой арматуре превышает соответствующее напряже­ние в арматуре элементов без предварительного напря­жения на σ
sp.
Этим и определяется значительно более высокое сопротивление образованию трещин при изгибе предварительно напряженных элементов. При увеличе­нии нагрузки в растянутой зоне появляются трещины, на­ступает стадия II напряженно-деформированного состоя­ния. С дальнейшим увеличением нагрузки растягивающие напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных, происходит разрушение — стадия III. Напрягаемая арматура площадью сечения
A`sp
расположенная в зоне, сжатой от действия внешней нагрузки, деформируется совместно с бетоном сжатой зоны, при этом предвари­тельные растягивающие напряжения в ней уменьшаются. При предельных сжимающих напряжениях в бетоне на­пряжения в напрягаемой арматуре этой зоны

σsc=Rsc-σ`sp

Напряжение σ`sp определяют с коэффициентом точно­сти натяжения γsp>1 и с учетом потерь. При σ`sp<Rsc

арматура площадью
Asp
сжата, а при σ`sp
>Rsc
растяну­та и в этом случае несколько снижается несущая способ­ность предварительно напряженного элемента.

Рисунок 2.3 — Последовательность изменения напряжений в предварительно напряженном центрально-растянутом элементе и изгибаемом элементе

studfiles.net

Анкеровка напряжённой арматуры

Анкеровку или установку на стержни анкерных элементов выполняют с помощью:

• опрессованных в холодном состоянии шайб;
• высаженных головок, получаемых разогревом и расплющиванием концов стержней;
• привариваемых цилиндрических коротышей;
• спиралей из проволоки;
• инвентарных зажимов.

Требования к предварительно напряжённой арматуре

Для изготовления напряжённых железобетонных конструкций применяют специальные виды арматурной стали, обладающие высокими значениями рабочих напряжений (от 5000 до 7200 кгс/см²). В перечень этих материалов входят арматурные стали:

• А600, А600С и Ат600С — 5400 кгс/см²;
• А800 и Ат800 — 6000 кгс/см²;
• А800 и Ат800 — 7200 кгс/см² и другие.

Классы стали на напрягаемую арматуру устанавливают нормативные документы, по которым выпускаются изделия, в частности, ГОСТ 25912-2015 и другие. Расчет напряженной арматуры производится при проектировании изделия. Отклонения замеряемых напряжений от проектных значений не должно превышать 10 %.

Железобетонные изделия с предварительно напрягаемой арматурой являются основными конструктивными элементами, аэродромов, многоэтажных и высотных зданий, и масштабных сооружений. Например, в нашем ассортименте любые плиты перекрытия доступны для вашего выбора.

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.

Пример моста построенного по технологии предварительного напряжения железобетонной конструкции.

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.