Предварительно напряженная арматура


Ганс Мёлль

Предварительно напряжённый железобетон. История развития конструкции, изготовление, области применения

1958 г.

В настоящей книге даётся общий краткий обзор развития способов производства предварительно напряжённого железобетона и .применяемого для этого оборудования. Способы изготовления предварительно напряжённых железобетонных конструкций и деталей зависят от последовательности осуществления совместной работы бетона с арматурой после предварительного её натяжения.
Особый раздел книги посвящён некоторым способам предварительного натяжения, не получившим пока широкого распространения, а именно: предварительному напряжению, создаваемому в конструкции за счёт нагрузки от собственного веса, натяжению арматуры в результате укорочения её после нагрева и предварительному напряжению железобетонных изделий путём применения расширяющегося цемента.
Наряду с характеристикой стальной арматуры, применяемой для предварительно напряжённых конструкций, в книге описываются различные типы арматурных пучков, а также стеклянные волокна, обладающие высокой прочностью на растяжение. Очевидно, их применение получит распространение в недалёком будущем. Кроме того, приводятся примеры сооружений из предварительно напряжённого железобетона.
В книге даётся перечень немецких патентов в области предварительно напряжённого железобетона, заявленных после 1930 года.
Книга рассчитана на лиц, работающих в области производства предварительно напряжённого железобетона как сборного, заводского изготовления, так и монолитного, а также на конструкторов, рационализаторов и изобретателей. Автор стремился предоставить специалистам сводный, обобщённый материал о состоянии техники в данном вопросе. Более подробные сведения можно получить из литературы, перечень которой приведён в конце книги.
В целях освещения развития техники предварительно напряжённого железобетона были использованы издания немецкого патентного ведомства в Мюнхене. Эти материалы в значительной мере пополнены и обогащены данными, представленными в распоряжение автора инженерами и строительными организациями, занимающимися проектированием и возведением сооружений из предварительно напряжённого железобетона. Автор выражает глубокую благодарность всем, кто помог ему в работе над книгой. Добавлено: 03 Апр 2016, eilukha
Предисловие 4
1. Основные определения предварительно напряжённого железобетона 6
2. Краткий исторический очерк развития предварительно напряжённого железобетона 9
3. Предварительное напряжение с натяжением арматуры до затвердения бетона 18
3.1. Предварительно напряжённые строительные детали 18
3.1.1 Плиты Веттштейна 18
3.1.2. Предварительно напряжённые железобетонные детали и мачты Глезера 20
3.1.3. Предварительно напряжённые балки системы Фрейссине 21
3.1.4. Однослойные и многослойные пустотелые плиты системы Шефера 29
3.1.5. Комбинированные плиты фирмы Рем и из пемзобетона и тяжёлого бетона с предварительно напряжённой арматурой 32
3.1.6. Предварительно напряжённый железобетон без анкеров по Xойеру 33
3.2. Способы заводского производства предварительно напряжённых сборных железобетонных деталей и применяемые устройства 37
3.2.1. Напряжение стальных проволок путём растяжения их на определённую длину 37
3.2.2. Натяжение стальных проволок при помощи натяжных салазок и упоров 38
3.2.3. Натяжение стальных проволок путём скручивания или свивания 40
3.2.4. Способ натяжения с непрерывным армированием 42
3.3. Предварительно напряжённый железобетон в сочетании с керамическими блоками 43
4. Предварительное напряжение арматуры без сцепления с бетоном 47
4.1. Расположение напрягаемой арматуры вне сечения бетона 47
4.2. Напряжённые элементы, расположенные вне сечения бетона 53
4.2.1. Треугольные фермы 53
4.2.2. Железобетонные арки со стальной или железобетонной затяжкой 53
4.2.3. Несущая конструкция заданного очертания в виде балок на двух и более опорах 54
4.2.4. Защемлённая балка 57
4.2.5. Защемлённая плоская арка 58
4.2.6. Предварительно напряжённая трёхшарнирных плоская арка 60
4.2.7. Конструкция неразрезной балки, предложенной в Англии 61
4.2.8. Предварительно напряжённые, балки Бетеа 61
5. Предварительное напряжение с натяжением арматуры на затвердевший бетон 66
5.1. Немецкие способы натяжения 66
5.1.1. Анкеровка при помощи натяжных муфт и пластин, предварительно напряжённый железобетон «дивидаг» 66
5.1.2. Анкеровка клиньями и зажимами 72
5.1.2.1. Способ натяжения фирмы Поленски и Целльнер 72
5.1.2.2. Способ натяжения фирмы Филипп Гольцман 75
5.1.2.3. Крепление проволочных пучков стальной арматуры, выпускаемых металлургическим заводом Рейнгаузен 78
5.1.2.4. Способ натяжения фирмы Гельд и Франке 82
5.1.2.5. Способ натяжения фирмы Хохтиф 84
5.1.2.6. 40-тонная арматура фирмы Грюй и Бильфингер 89
5.1.3. Петлевая анкеровка 89
5.1.3.1. Способ натяжения Баур — Леонгардта 89
5.1.3.2. Способ натяжения Кани и Хорват. Предварительно напряжённая деталь из двух сопряжённых или смежных, взаимно подвижных составных элементов 98
5.1.4. Анкеровка арматуры за счёт использования сил сцепления и трения 102
5.1.4.1. Способ натяжения фирмы Бетон и Моньебау 102
5.1.4.2. Способ натяжения фирмы Грюни Бильфингер 106
5.2. Предварительно напряжённый железобетон системы Фрейссине, фирмы Вайс-Фрейтаг и Гийона 107
5.3. Бельгийские способы натяжения арматуры 113
5.3.1. Предварительно напряжённый железобетон по Маньель Блатон 113
5.3.2. Способ натяжения Франки-Смет 116
5. 4. Швейцарский способ напряжения В. В. R. V. 118
5.5. Предварительно напряжённый железобетон в Англии 121
5.5.1 Способ натяжения Ли-МакКолл 121
5.5.2. Анкеровка стальных проволок с помощью клиньев 124
5.6. Предварительно напряжённый железобетон в Швеции 125
5.7. Развитие предварительно напряжённого железобетона с натяжением арматуры на бетон в Италии 127
5.8. Предварительно напряжённый железобетон с натяжением арматуры на бетон в Советском Союзе 130
5.9. Предварительно напряжённый железобетон в Америке 132
6. Влияние сил трения при криволинейной арматуре 139
7. Особые случаи предварительного напряжения арматуры или бетона 141
7.1. Предварительное напряжение конструкций за счёт использования собственного веса 141
7.2. Натяжение арматуры путём её нагрева 146
7.3. Предварительное напряжение бетона за счёт расширяющегося цемента 147
8. Напряжённая арматура 155
8.1. Стали для напряжённого армирования 155
8.2. Армирование с применением предварительно напряжённых элементов 162
8.2.1. Гибкая предварительно напряжённая арматура по Шореру (США) 162
8.2.2. Предварительно напряжённый арматурный элемент конструкции Ленка (Германия) 164
8.2.3. Предварительно напряжённый арматурный стержень конструкции Беккера (Голландия) 167
8.2.4. Гибкая предварительно напряжённая арматура, конструкции Шало и Бет ей (Франция) 169
8.3. Арматура из стекла и нейлона 172
9. Области применения предварительно напряжённого железобетона 177
9.1. Многоэтажное строительство 177
9.2. Мостостроение 194
9.2.1. Мосты из сборных предварительно напряжённых железобетонных элементов 195
9.2.2. Мосты из монолитного предварительно напряжённого железобетона 201
9.2.3. Навесная сборка (без подмостей) мостов из предварительно напряжённого железобетона 217
9.2.4. Висячие мосты 230
9.3. Дорожное строительство 231
9.4. Гидротехническое строительство 241
9.5.

Преднапряженные железобетонные конструкции

Предварительно напряжённые железобетонные трубы 252
9.6. Железнодорожные шпалы 262
9.7. Сваи 272
Дополнение 276
5.1.2.6. 40-тоннын пучок напряжённой арматуры фирмы Грюн и Бильфингер 276
5.1.2.7. Способ натяжения фирмы Загер и Вёрнер 278
Приложение. Перечень немецких патентов в области предварительно напряженного железобетона, заявленных после 1930 г. 281
Литература 296
Оглавление 304

При действии растягивающих усилий, несмотря на наличие очевидных преимуществ, бетон демонстрирует главный недостаток — малую прочность при растяжении. Малая прочность бетона при растяжении объясняется неоднородностью его структуры и нарушением сплошности бетона, что способствует развитию концентраций напряжений, особенно при действии растягивающих усилий. Неоднородное строение бетона — одна из главных причин большого рассеивания результатов механических испытаний этого материала, что сказывается при экспериментальном определении величины растяжения гораздо сильнее, чем при определении прочности на сжатие. При растяжении в теле бетона образовываются трещины, которые неминуемо, пусть и медленно, приводят к обвалу конструкций. Именно в зону, подвергающуюся растяжению, и предполагается размещение арматуры из стали, которая может воспринять на себя значительно большую растягивающую силу, чем бетон. Бетон, усиленный стальной арматурой, называется железобетоном.

В некоторых случаях железобетонные изделия при эксплуатации подвергаются значительным растягивающим напряжениям, например балочные и другие опорные конструкции (ригели, железнодорожные шпалы и др.). Для того чтобы избежать разрушения конструкции, стальная арматура в этих случаях подвергается предварительному напряжению.

Напряженный железобетон – это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

Процесс предварительного напряжения арматуры выглядит следующим образом: сначала прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается специальным устройством и укладывается бетонная смесь. Натяжение проволоки поддерживается до тех пор, пока бетон не наберет достаточную прочность. После этого проволока отрезается от анкерных устройств, а ее натяжение благодаря сцеплению с бетоном передается последнему. В результате этого бетон подвергается сжимающим напряжениям. Такое создание внутренних напряжений сжатия позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки.

Существует несколько способов натяжения арматуры:

  • механический способ. Как правило, натяжение происходит с использованием гидравлических или винтовых домкратов;
  • электротермический способ натяжения. Натяжение происходит с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений;
  • Электротермомеханический способ — комбинирующий механический и электротермический.

По виду технологии устройства предварительное напряжение подразделяется на:

  • натяжение на упоры (до укладки бетона в опалубку);
  • натяжение на бетон (после укладки и набора прочности бетона).

В то время как натяжение на упоры подразумевает только прямолинейную форму натянутой арматуры, важной отличительной особенностью натяжения на бетон является возможность натяжения арматуры сложной формы, что повышает эффективность армирования.

Применение преднапряженного железобетона имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным железобетоном:

  • преднапряженный бетон является более экономичным материалом: расход стали, которая используется для производства арматуры, сокращается в среднем на 40-60%. Также на изготовление изделий из преднапряженного бетона уходит меньше цемента, уменьшается сечение, следовательно, становится меньше объем и вес;
  • преднапряженный железобетон имеет прекрасную стойкость к трещинообразованию и дальнейшему их расширению, что, как следствие, предохраняет металлическую арматуру от появления коррозии. В особенности это важно для сооружений, находящихся в постоянном взаимодействии с водой (труб, резервуаров, плотин);
  • предварительно напряженные железобетонные изделия могут использоваться для специальных строений, в которых нельзя или нежелательно применять типичные ЖБИ.

    Предварительно напряженный железобетон

    В том числе благодаря тому, что уменьшается масса и объем, железобетон напряженный легче и проще использовать для стыков сборных частей конструкции. Это могут быть: балки кровельные и подкрановые, плиты для покрытий в помещениях промышленного назначения;

  • Расширяется сфера применения материала. Его можно использовать не только для сборных, но и для монолитно-сборных сооружений. В этом случае его применяют только в тех участках, где наблюдается напряжение конструкции. В остальных же частях используется типичный легкий пенобетон, тяжелый бетон или монолитный железобетон.
  • С течением времени увеличивается сейсмостойкость напряженно-армированных конструкций. Объясняется это тем, что в процессе изготовления используются более легкие материалы для сечения.

Сопротивление внешним воздействиям у преднапряженного железобетона происходит следующим образом: когда к предварительно напряженному железобетонному изделию приложена нагрузка, силы, которые раньше вызывали растяжение и растрескивание бетона в нижней части балки, теперь только уменьшают сжатие, созданное напряженной арматурой. В то же время сжатие верхней части балки под нагрузкой складывается со сжатием, созданным предварительным напряжением. Эффективность этого принципа заключается в том, что потенциальную прочность на сжатие высококачественного бетона можно использовать полностью, а его низкая прочность на растяжение не имеет никакого значения.

Принцип предварительного напряжения позволяет применять более легкие конструкции, что имеет особое значение при сооружении мостов, перекрытий с большим пролетом и подобных конструкций, в которых собственный вес сооружения составляет значительную часть от общей нагрузки, на которую оно рассчитано.

Обычно предварительно напряженный железобетонный элемент проектируется таким образом, чтобы при полной рабочей нагрузке в бетоне не возникало растягивающих напряжений. Однако если этот элемент будет перегружен, то при условии, что напряжения в арматуре не достигли предела текучести, он имеет способность к почти полному восстановлению после снятия нагрузки. Возникшие при перегрузке трещины в бетоне практически полностью исчезают.

В строительстве различают два вида предварительного напряжения арматуры: до затвердения бетона и после приобретения бетоном определенной прочности. Если напряжение арматуры производится до бетонирования, то уложенная в форму арматура растягивается и в таком состоянии закрепляется в форме. После заполнения формы бетонной смесью и затвердения бетона арматура освобождается от натяжения, сокращается и “тянет” за собой окружающий ее бетон, обжимая железобетонный элемент в целом. Если же напряжение арматуры производится после затвердения бетона, то в этом случае арматуру располагают в специально оставленном в бетоне канале. После затвердения бетона арматуру натягивают и закрепляют на концах конструкции анкерными устройствами. Затем заполняют канал раствором, который после затвердения сцепляется с арматурой и с бетоном конструкции, обеспечивая монолитность железобетона.

В наши дни армированный предварительно напряженной сталью бетон широко применяется в ЖБИ строительстве в качестве опорного и несущего элемента конструкций. Такие характеристики, как долговечность, прочность, сопротивляемость различным воздействиям со стороны окружающей среды, позволяют назвать преднапряженный железобетон самым прочным материалом, пригодным даже для строительства как в районах, где царит агрессивный климат, так и в случаях возникновения значительных статических и динамических нагрузок. Ввиду того, что предварительное напряжение арматуры не только предупреждает и нейтрализует появление трещин в растянутом бетоне, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры, неудивительно, что дальнейшее развитие строительства направлено на значительное увеличение выпуска тонкостенных предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Категория: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).

Предварительно напряженный железобетон – инновационный материал для строительства конструкций

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.

Арматурные работы — О предварительно напряженном железобетоне

04.07.2013

Напрягаемая арматура, — что это такое, зачем она нужна

Бетон это достаточно прочный и стойкий строительный материал, но и он имеет ряд недостатков и слабых сторон. А чтобы бетон был лишен таких минусов и стал более прочным и долговечным его усиливают арматурой. Арматура в железобетонной строительной конструкции может быть напрягаемой и ненапрягаемой, поперечной и продольной, также она бывает конструктивной, рабочей, монтажной или анкерной. Арматурные изделия в бетонной конструкции бывают двух основных видов, то есть в виде арматурной плоской сетки или в виде арматурного пространственного каркаса.

Напрягаемая арматура

При изготовлении железобетонного изделия применяется специальная напрягаемая арматура, которая отличается от прутковой обычной арматуры большей прочностью и стойкостью. Изготавливается такая арматура в виде специальной проволоки или стержня, который имеет диаметр от 5 мм до 36 мм. Арматура должна иметь обязательный допуск от Стройнадзора, так как напрягаемая арматура выполняет очень ответственную роль и от нее зависит прочность и долговечность всей конструкции. А именно напрягаемая арматура помогает бетону выдерживать достаточно сильные растягивающие нагрузки и для этого она натягивается различным методом.

Методы напряжения арматуры

Напряжение бетонной конструкции арматурой устраняет растягивающие эксплуатационные нагрузки. Существует ряд способов натяжения такой арматуры, при механическом способе натяжение осуществляется винтовым или гидравлическим домкратом. Также есть электротермический способ, при котором такое натяжение осуществляется воздействием электротока, благодаря которому арматура разогревается и затем удлиняется до требуемого размера. Третий способ натяжения это электротермомеханический, который совмещает в себе и электротермический и механический способы.

Где применяется напрягаемая арматура

Предварительно напряжённый бетон представляет собой основной материал для устройства перекрытий между этажами в высотном строительстве. Также напряженная арматура устраивается при возведении стен и колонн, расположенных в зоне повышенной сейсмоопасности и взрывоопасности. Используется она также при строительстве различных зданий и сооружений, подвергаемых повышенной различной нагрузке. Бетон с напряженной арматурой используется и при устройстве защитной оболочки ядерного реактора, а также активно применяется в судостроении и при строительстве мостов.

Технологии устройства бетона с напряженной арматурой

Существующие технологии устройства напряженной арматуры разделяются на два основных вида.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции

Первый вид технологии заключается в натяжении на упоры, которое проводится еще до укладки бетонной смеси в опалубку. Вторая технология это натяжение арматуры на бетон и такое натяжение проводится уже после того как бетон уже уложен и набрал определенную прочность. При второй технологии арматура или стальной трос укладывается в специальном чехле в форму до процесса бетонирования, где чехол может быть в виде пластиковой или металлической гофрированной трубы.

Возврат к списку

ТЕОРИЯ ПОСТ-НАПРЯЖЕНИЯ БЕТОНА

УСЛОВИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО БЕТОНА И ПОСТ-НАПРЯЖЕНИЯ

Чтобы дать ответ на вопрос «Что такое предварительно напряженный бетон?», объясним, что это просто конструкции бетона, такие как балки и железобетонные плиты, в которых внутреннее напряжение (давление) вызвано напряжением арматуры.

Для того чтобы понять принципы предварительно напряженной железобетонной конструкции, очень важно осознавать структурные возможности стали и бетона. Бетон – очень крепкий при сжатии, но относительно непрочен при растяжении. Обыкновенная железобетонная балка поддерживает груз, производя сжимающее напряжение наверху, но так как бетон неспособен выдерживать растяжение внизу, он трескается, как показано на рисунке 2-1.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Арматурные стальные стержни располагаются как раз в этих зонах растяжения (напряжения), чтобы предотвратить растяжение и контролировать образование трещин.

СЖАТИЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Рисунок 2-1. СТАНДАРТНАЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ БАЛКА

Рассматривая поперечное сечение данной железобетонной балки, верхняя часть балки находятся в состоянии сжатия, а нижняя часть, так как она трескается, выполняет не более того, как сохраняет арматурные стержни в положении, изображенном на рисунке 2-2. Стрежни достаточно велики и очень часто определяют ширину балки. Диаграмма напряжений на рисунке 2-2 изображает процесс, что именно происходит с этой балкой. Бетон на нетрескающейся верхушке балки находится в состоянии сжатия, которое имеет диапазон от ноля в месте, где начинается образование трещин, до …

Рисунок 2-2. Поперечное сечение и диаграмма напряжений стандартной железобетонной балки.

Принимая во внимание стальную стойку повышенной прочности (критическое напряжение 270, 000 фунтов на квадратный дюйм (1860 МПа), мы растянем ее в пределах ее максимальной упругости, скажем, до 216, 00 фунтов на квадратный дюйм (1490 МПа), как изображено на рисунке 2-3. И если мы применим это давление, сталь возвратилась бы к своей исходной длине, так как мы растягивали бы ее эластично.

Рисунок 2-3. Давление в 270, 000 фунтов на квадратный дюйм (270 ksi) (1860 МПа) на стадии низкого напряжения семитросной стойки.

Давлении (растяжение) напрягаемого арматурного элемента до 216, 000 фунтов на квадратный дюйм (= приблизительно 33 кип для стойки диаметром ½ дюйма) (1490 МПа = 147 кН на стойку диаметром 12.7 мм) является пределом его эластичности. Сейчас арматура в напряжении и бетон в состоянии сжатия (рисунок 2-4.2).

Затем клинья сжимают арматуру, как только подъемное устройство отпускает их. При этом перемещении первоначальное удлинение арматуры частично теряется из-за размещения клиньев (это положение называется «Размещение-потеря»), так это – часть первоначально применимой силы, которая затем теряется в силу эластического сокращения бетона и из-за трения арматуры. Этот процесс уменьшает давление на арматуру до приблизительно 189, 000 фунтов на квадратный дюйм (=28.9 кип на диаметр стойки в ½ дюйма) (1305 МПА = 128 кН на стойку диаметром 12.7 мм) (рисунок 2-4.3).

Затем, по истечении более длительного периода (от одного года до пяти лет) другие изменения объема имеют место в бетонной конструкции. Сталь понемножку смягчается, что приводит к предварительному напряжению с учетом всех потерь до приблизительно 173, 000 фунтов на квадратный дюйм (=26.5 кип на диаметр стойки в ½ дюйма) (1195 МПА = 118 кН на стойку диаметром 12.7 мм) (рисунок 2-4.4).

РИС. 2-4 Сила и давление на различных стадиях напряжения.

Где PSI — фунтов на квадратный дюйм.

Диаграмма напряжений будет иметь форму эскиза, изображенного на верхней диаграмме на рисунке 2-5. Мы применили силу на центральную часть, что привело к равномерному сжимающему напряжению на поперечное сечение. Каждый квадратный дюйм (квадратный мм) железобетона выдерживает давление в 100 фунтов (445 Н).

Заметьте, что в отличие от распределения давления по железобетону, предварительно напряженная балка занимает всю толщину секции.

В нижней диаграмме сила предварительного напряжения перемещается вниз к нижней третьей точке. В результате мы получаем нулевое напряжение на верхушке и двукратное изначальное давление в основании. Таким образом, нам удалось создать значительный резерв сжимающего напряжения в основании балки, что может быть использовано для предотвращения растягивающего напряжения, которое может появиться при нагрузке.

РИС 2-5 Диаграмма напряжений предварительной силы давлений

Рисунок 2-6 показывает ту же самую балку с нагрузкой, примененной к центральной части. Распределение давления по бетону в связи с предварительным напряжением остается тем же, как показано на рисунке 2-5. На средней точке пролета внизу поддерживаемой балки, примененная нагрузка и вес балки вырабатывают сжимающее напряжение вверху и растягивающее напряжение у основания в приблизительно 200 фунтов на квадратный дюйм (1,4 МПа). Теперь, добавляя давление, вызванное силой предварительного напряжения, мы имеем нулевое давление у основания балки. Как утверждает наше определение, мы применили силу предварительного напряжения, чтобы воспрепятствовать различному давлению, возникающему при нагрузке. На практике инженер-строитель имеет значительную свободу в регулировании давления в любой части балки.

РИСУНОК 2-6. РЕЗУЛЬТАТНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Существует два основных метода предварительного напряжения бетона … пост-напряжение бетона и предварительное напряжение. Как определено здесь, предварительно напряженный бетон обычно изготавливается на заводах вдали от конечного местоположения конструкции. Стальные элементы подвергаются давлению до размещения бетона.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ БЕТОН

СТАЛЬНАЯ АРМАТУРА ПОДВЕРГАЮТСЯ НАПРЯЖЕНИЮ ДО ТОГО, КАК БЕТОН РАЗМЕЩЕН, ИЗГОТОВЛЕН НА ЗАВОДЕ, ВДАЛИ ОТ КОНЕЧНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ. ЭЛЕМЕНТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО БУТОНА, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ЗАВОДСКИМ СПОСОБОМ, ТРАНСПОРТИРУЮТСЯ НА МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ.

Балки или элементы сооружаются в напряженный фундамент (под давлением). Этот процесс схематически показан на диаграмме на рисунке 2-7. Во-первых, предварительно напряженный арматурный кабель зажимается между двумя подпорками, прикрепленными к напряженному фундаменту, который удерживает давление в растянутом арматурном кабеле. После растяжения стальных элементов при помощи гидравлических зажимов, бетон помещают в формы вокруг арматурного кабеля и ожидают его затвердевания. Когда бетон достиг достаточной прочности, на бетон направляют силу предварительного напряжения посредством сцепления, когда стальная арматура, по краям балки освобождена от подпорки.

Рисунок 2-7. Предварительно напряженный бетон

Пост-напряжение предварительно напряженного бетона, который мы изначально рассматривали в данном руководстве, является методом применения предварительного напряжения структур или иногда других материалов на месте проведения работ. Способность предварительно оказывать напряжение на стройплощадке уменьшает стоимость транспортировки сборных бетонных элементов, и позволяет использовать выгоду предварительного напряжения больших структур, заводское изготовление которых невозможно. Другие преимущества пост-напряжения включают непрерывную конструкцию пролета и профилирование силы предварительного напряжения. Пост-напряжение позволяет широкую эластичность в конструктивных параметрах, а также это часто используется на стройплощадке для подсоединения и предварительного напряжения меньших элементов, изготовленных заранее на заводе для производства больших или длинных спиновых структур.

ПОСТ-НАПРЯЖЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО БЕТОНА.

Стальная арматура подвергается давлению после того, как бетон был размещен и достиг значительной плотности на стройплощадке.

Порядок построения для пост-напряжения также отличается от порядка, используемого для предварительного напряжения. Во-первых, как показано на рисунке 2-8, формы воздвигаются и ненагруженная пост-напряженная арматура помещается в формы в соответствующем положении. Соединенная арматурная сталь помещается также в соответствующее положение, и вся сталь надежно скрепляется в положении, указанном инженером-строителем. На данном этапе, арматурный кабель уже покрыт полиэтиленом и полностью упакован в высокопрочную полиэтиленовую обшивку.

РИСУНОК 2-8. Связанная и распределенная арматура на настиле.

Далее бетон помещают в формы вокруг арматуры и оставляют его застывать до нужной прочности (например, бетон положили в пятницу, а поддали давлению в понедельник). (рисунок 2-9).

РИСУНОК 2-9. Размещение бетона

После того, как бетон затвердел, напрягаемая арматура, которая отделена от бетона посредством полиэтиленовой обшивки, поддается давлению гидравлическим зажимом, который направляет давление непосредственно на арматурный анкер, встроенный в затвердевший бетон (см. рисунок 2-10). Сила в стальной арматуре затем постепенно переходит к бетону через крепежные (анкерные) приспособления на конце структурного элемента.

РИСУНОК 2-10. Подача напряжения на арматуру.

Некоторые привилегии пост-напряженного предварительно напряженного бетона:

— Эффективное и рациональное применение материалов повышенной прочности;

— тонкие, маленькие элементы, которые обуславливают большую аккуратность и привлекательность структуры

— уменьшение высоты здания (экономия на внешней отделке и других услугах/материалах)

— уменьшение веса здания или элементов здания приводят к снижению стоимости фундамента

— уменьшение колон и стен, таким образом, экономия материалов

— меньший вес позволяет уменьшить сейсмическое воздействие

— длинный экономный пролет

— улучшение контроля за отклонением

— уменьшение возможности образования трещин

— водонепроницаемая конструкция

— уменьшение затрат на обслуживание объекта

— уменьшение затрат во время всего срока службы

Пост-напряженный предварительно напряженный бетон имеет следующие привилегии перед предварительно напряженным бетоном:

— структурная целостность элементов

— пошаговое напряжение

— подача давления по областям

— уменьшение потерь от предварительного напряжения

— присоединение заводских элементов по частям (по областям)

— возможность возведения конструкции на территориях с ограниченным пространством

— использование местного труда и материалов.

Теория

Существует в основном два вида каркасных бетонных структур:

  1. железобетонная плита, армированная в одном направлении или опертая на балку, поддерживаемую колонами/стенами.
  2. железобетонная плита, армированная в двух направлениях с или без надкапительной плиты, поддерживаемой колонами/стенами.

Элементы или компоненты этой структуры, то есть плиты/балки/брусья/колоны/стены поддерживают нагрузку, подаваемую на них, или при этом они получают напряжение при поперечной силе, растяжении или сжатии.

Бетон в этих элементах эффективно выдерживает сжимающее напряжение в то время, как пост-напряженная арматура и арматурные профили эффективно выдерживают растягивающее напряжение (см. рисунок 2-2). Таким образом, использование этих двух материалов вместе позволяет создать экономичные и безопасные структуры, которые являются конкурентоспособными с другими видами материалов.

Предварительное напряжение для выравнивания нагрузки.

Следуя одной из важных концепций, необходимо рассматривать предварительное напряжение как попытку выровнять (сбалансировать) нагрузку на элементы (см. рисунок 2-11). Элементы, такие как балки и плиты, поддерживая свой собственный вес или поддерживая свой собственный вес и равномерную нагрузку (w применимый), наклоняют или прогибают вниз. Когда арматура размещена в таком элементе в параболической кривой и арматура растянута, они оказывают давление наверх равномерно распределенной нагрузки, (w равновесия) на элемент. Величина растяжения или количество арматуры, необходимой для уравновешивания всей или части силы тяжести на один элемент можно вычислить.

Рисунок 2-11. Концепция силы, применимой для пост-напряженного бетона.

Частичное или полное предварительное напряжение

Когда элемент спроектирован таким образом, что под рабочей нагрузкой не возникает растягивающее напряжение в элементе, такой бетон называется полностью предварительно напряженным. Теоретически такому элементу понадобится существенное количество предварительно напряженной стали. С другой стороны, если растягивающее напряжение позволительно в элементе под рабочей нагрузкой, в этом случае такой бетон называется частично предварительно напряженным (этот термин иногда используется при описании процесса применения определенного процента окончательной силы на каркас ранее, чем за 72 часа). Для частичного предварительного напряжения может использоваться дополнительный мягкий стальной профиль, чтобы регулировать появление трещин под давлением. В целях экономии частичное предварительное напряжение – самый распространенный вид предварительного напряжения, применяемый к структурам. В таком подходе используется предварительно напряженная сталь, чтобы возместить собственную массу большинства элементов и других устойчивых постоянных нагрузок. Время от времени также включается небольшая часть подвижной (рабочей) нагрузки. Давление, производимое остатками подвижной нагрузки, встречает сопротивление со стороны соединения напряженной и ненапряженной стали, которое встречается в экономных конструкциях. Скрепленная стальная арматура обеспечивает контроль ширины трещин и их распределение в случае, если вторичное действие или перегрузка спровоцирует появление трещин в элементе.

Сплошной элемент

Рисунок 2-12 и 2-14 изображают сплошной элемент из 4-х пролетов и 5-ти опор.

Рисунок 2-12 показывает зоны давления и сжатия, которые образуются в бетоне элемента под воздействием внешней равномерной нагрузки. (w применимая).

С – зона сжатия Т – зона давления

Рисунок 2-12. Зоны сжатия и давления под воздействием внешней равномерной нагрузки (w применимая).

Рисунок 2-13 показывает арматуру, помещенную в элементе в параболическом профиле. При давлении арматура будет внутри использовать балансирующую равномерную нагрузку (w балансирующая) в направлении вверх-вниз, показанном стрелочками вдоль частей арматуры между точками перегиба, то есть между точками перемены давления в продоьной кривизне арматуры.

Рисунок 2-13. Балансирующая равномерная нагрузка, применимая изнутри (w балансирующая).

Рисунок 2-14 изображает зона сжатия и давления, производимые балансирующей равномерной нагрузкой, применимой изнутри.

С – зона сжатия Т – зона давления

Рисунок 2-14. Зоны сжатия и давления под воздействием внутренней равномерной нагрузки (w балансирующая).

Сравнивая рисунки 2-12 и 2-14, мы видим, что подъемный компонент предварительного напряжения образует 2 зоны давления противоположные тем, которые производятся внешней нагрузкой, таким образом, аннулирование или уменьшение давления приводит к тому, что окончательное давление, производимое внешней нагрузкой, приобретает значения в рамках допустимых пределов.

В случае, если длины пролета значительно отличаются и/или отличается величина нагрузки, то можно применить несколько различных расчетных параметров. Либо уменьшить обшивку, сохраняя при этом одинаковое предварительное напряжение (давление) или же сохранить всю обшивку, но уменьшить силу предварительного напряжения, этим можно достичь желаемого выравнивания нагрузки.

Как Вы можете заметить по этим рисункам, очень важным моментом является правильное расположение арматуры в профилях, чтобы достичь соответствующий плану критерий.

Консольная балка

Консольная балка строительного элемента является критичной, так как ее проект зависит от ее длины, применимой нагрузки и влияния на примыкающий промежуточный пролет. На этапе проектировки критический баланс достигается между консольной балкой и ее анкерным пролетом, следовательно, арматурный профиль консольной балки должен быть под постоянным контролем.

Initial N.A. (neutral axis of concrete) – начальная нейтральная ось бетона

эффективный центр анкеров, расположенных над нейтральной осью бетона (слишком большая подъемная сила на

консольную балку от арматуры).

анкеры, расположенные ниже нейтральной оси (слишком маленькая подъемная сила на

консольную балку от арматуры).

арматурный профиль на опоре всегда должен быть над нейтральной осью.

РИСУНОК 2-15. Воздействие арматурного профиля на свойства консольной балки

Производство арматуры

В данном руководстве говорится и рекомендуется, чтобы изготовительный процесс раздельной арматуры отвечал требованиям «Спецификации Раздельной кабельной Арматуры» института Пост-напряжения (пост-давления), опубликованной в июле 1993 года.

Первый шагом в производственном процессе является нанесение покрытия на кабель (рисунок 3-1). Это выполняется методом сжатия пластмассы.

Рисунок 3-1. Обшитый и покрытый кабель

Неизолированный кабель поставляется производителем кабеля в стандартной упаковке (диаметром ½ дюйма (12,7 мм) диаметр кабеля представляет собой приблизительно 12, 000 фунтов (3660 м). см. рисунок 3-2.

Рисунок 3-2. Катушка неизолированного кабеля.

Рисунок 3-3. процесс сжатия

Неизолированный кабель покрывается П/Т покрытием, а затем сверху покрывается пластиковой обшивкой (рисунок 3-3). Процесс сжатия пластмассы начинается с пропускания неизолированного кабеля через аппликатор П/Т покрытия, который равномерно наносит определенное количество П/Т покрытия. Во время процесса нанесения покрытия, крестообразная головка контролирует и регулирует нанесение правильной толщины расплавленной пластмассы. Последним шагом процесса является помещение кабеля в желоб с водой для охлаждения перед тем, как накручивать кабель на катушку.

Армированный кабель (рисунок 3-4) затем перемещают на линию резки, где его разрезают на необходимые отрезки и отмечают цветом либо к нему крепят ярлычки для более надежной идентификации. После разрезания армированного кабеля на необходимые отрезки, его затем перемещают на место, где к пучкам арматуры крепится специальное наконечное закрепление.

Рисунок 3-4. Катушка арматурного кабеля.

Рисунок 3-5. Хранение изготовленных и смотанных арматур.

Необходимо следить за тем, чтобы прикрепленные закрепления были установлены в соответствии с системными нормами производства. Мотки изготовленной арматуры затем соединяются вместе с помощью стальной ленты с защитным материалом между мотками и связывая эти мотки таким образом, чтобы обшивочный материал не был поврежден (рисунок 3-5). Все мотки должны быть четко обозначены рабочими названиями, литьем, основой и т.д. Также на мотке дожжен быть информационный лист (см. приложение 15.5.), в котором описана информация по погрузке, способе эксплуатации и других инструкций по обслуживанию. Затем мотки арматуры погружаются на погрузочные машины и везутся к стройплощадке (рисунок 3-6). Уже после доставки, ответственность за хранение, эксплуатацию и размещение изготовленной арматуры немеет генеральный подрядчик или/и монтажник (см. главу 5).

Рисунок 3-6. Погрузка мотков арматуры на грузовики.

Обычный и предварительно напряженный железобетон. Положительные и отрицательные свойства железобетона.

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 Rbt, произойдет разрыв крайнего волокна, т.е. появится первая трещина. За этим последует хрупкое разрушение, т.е. излом балки. Напряжения в сжатой зоне бетона sbc в момент разрушения составят всего 1/10 ¸ 1/15 часть от предела прочности бетона при сжатии Rb, 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 sтек, 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 Rb. Так как уровень напряжений в бетоне и арматуре в этом состоянии гораздо выше, чем величина Rbt, 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 +50оС ¸ -70оС 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.

Напряженный бетон

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 Rbp 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 Rbp 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

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *