Понятие о предварительно напряженных железобетонных конструкциях. Предварительно напряжённый бетон Предварительно напряженных и обычных железобетонных
(преднапряжённый железобетон ) - это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям . Конструкции из преднапряженного железобетона по сравнению с ненапряженным имеют значительно меньшие прогибы и повышенную трещиностойкость, обладая одинаковой прочностью , что позволяет перекрывать бо́льшие пролёты при равном сечении элемента.
При изготовлении железобетона прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается специальным устройством и укладывается бетонная смесь. После схватывания сила предварительного натяжения освобождённой стальной проволоки или троса передаётся окружающему бетону, так что он оказывается сжатым. Такое создание напряжений сжатия позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки.
Способы натяжения арматуры:
Grants Pass, преднапряжённый железобетонный мост в ботаническом саду, Oregon, USA
По виду технологии устройства подразделяется на:
- натяжение на упоры (до укладки бетона в опалубку);
- натяжение на бетон (после укладки и набора прочности бетона).
Чаще второй метод применяется при строительстве мостов с большими пролётами, где один пролёт изготавливается в несколько этапов (захваток) . Материал из стали (трос или арматура) укладывается в форму для бетонирования в каналообразователи (гофрированная тонкостенная металлическая или пластиковая труба). После изготовления монолитной конструкции трос (арматуру) специальными механизмами (домкратами) натягивают до определённой степени. После чего в каналообразователь с тросом (арматурой) закачивается жидкий цементный (бетонный) раствор. Таким образом обеспечивается прочное соединение сегментов пролёта моста.
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. Например, в мостах арматурные элементы поднимаются внутри несущих железобетонных балок на участках над опорами-«быками», что позволяет более эффективно использовать их натяжение для предотвращения прогиба.
У истоков создания предварительно напряжённого железобетона стояли Эжен Фрейсине (Франция) и Виктор Васильевич Михайлов (Россия) .
Предварительно напряжённый железобетон является главным материалом междуэтажных перекрытий высотных зданий и защитных гермооболочек ядерных реакторов , а также колонн и стен зданий в зонах повышенной
1 Что такое предварительно напряженный железобетон и каковы его преимущества по сравнению с ненапряженным железобетоном?
Основной строительный материал XX века, железобетон, во всем мире заслуженно пользуется вниманием ученых отрасли. Создав искусственный камень - бетон, свойства которого можно регулировать по своему усмотрению, ученые нашли и способ борьбы с его основным недостатком - низкой прочностью при растяжении. При металлической арматуре бетон хоть и не разрушается при растяжении, но трескается. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах железобетонных конструкций и сооружений. Создание на стадии изготовления или строительства напряженного состояния в конструкции, когда знак напряжения в бетоне противоположен знаку напряжения от эксплуатационной нагрузки, является одним из крупнейших достижений инженерной мысли в XX столетии.
Некоторые виды предварительного напряжения по разным соображениям до сих пор находятся под сомнением. Например, в Германии запрещена сегментная сборка железобетонных мостов с помощью натяжения арматуры, и только совсем недавно было разрешено применять в мостовых конструкциях напрягаемую арматуру, расположенную вне сечения.
Развитие предварительного напряжения оказало серьезное влияние на прогресс в области технологии высокопрочных бетонов. В преднапряженных конструкциях появилась возможность максимально эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.
Ярким примером строительных возможностей преднапряженного железобетона являются морские платформы для добычи нефти. В мире таких грандиозных сооружений возведено более двух десятков.
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.
По виду армирования различают сборные железобетонные изделия с обычным армированием и предварительно напряженным.
Армирование бетона стальными стержнями, сетками и каркасами не предохраняет конструкции, работающие на изгиб или растяжение от образования трещин, так как предельная растяжимость бетона в 5-6 раз меньше, чем стали. Поэтому в обычном железобетоне задолго до разрушения появляются трещины, и возникает опасность коррозии арматуры под воздействием влаги и газов. Это часто не позволяет использовать полностью несущую способность арматуры, делает не рациональным применение арматуры из высокопрочной проволоки.
В предварительно напряженном железобетоне предварительно растягивают, а после изготовления конструкций и затвердения бетона ее освобождают от натяжения. При этом арматура сокращается и вызывает сжатие бетона. В результате предварительная растяжимость бетона в конструкции под действием эксплуатационной нагрузки как бы увеличивается, так как деформация от предварительного сжатия суммируется с деформациями растяжения. Предварительное напряжение арматуры не только предупреждает появление трещин в бетоне растянутой зоны конструкции, но позволяет сократить расход арматуры, используя высокопрочные сталь и бетон, снизить вес железобетонных конструкций, повысить стойкость к образованию трещин и долговечность.
Способы натяжения арматуры:
Механический способ - натяжение, как правило, с использованием гидравлических или винтовых домкратов;
Электротермический способ натяжения - натяжение с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений;
Электротермомеханический - способ, комбинирующий механический и электротермический.
Предварительное напряжение может производиться не только до, но и после схватывания бетонной смеси. Чаще этот метод применяется при строительстве мостов с большими пролётами, где один пролёт изготавливается в несколько этапов (захваток). Материал из стали (трос или арматура) укладывается в форму для бетонирования в чехле (гофрированная тонкостенная металлическая или пластиковая труба). После изготовления монолитной конструкции трос (арматуру) специальными механизмами (домкратами) натягивают до определённой степени. После чего в чехол с тросом (арматурой) закачивается жидкий цементный (бетонный) раствор. Таким образом обеспечивается прочное соединение сегментов пролёта моста.
Предварительное напряжение бетона в конструкции демонстрирует новые возможности и определяет перспективу развития железобетона в качестве материала для возведения современных зданий и сооружений.
В XXI столетии по всей стране должно развернуться массовое строительство автомобильных дорог, что потребует возведения большого количества мостов малых, средних и больших пролетов. Международный опыт говорит, что автодорожные мосты целесообразно строить из преднапряженного железобетона.
В производстве конструкций для зданий различного назначения целесообразно существенно увеличить долю механического натяжения арматуры, расширить выпуск непрерывно армированных и самонапряженных конструкций, увеличить применение зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.
Для крупных инженерных сооружений следует применять предварительно-напряженные железобетонные конструкции с натяжением арматуры на бетон, а для напрягаемой арматуры использовать канаты и высокопрочную стержневую арматуру больших диаметров, производство которых должно быть освоено металлургической промышленностью.
Широкое использование преднапряженного железобетона открывает значительные возможности для снижения расхода стали в строительстве. Это может быть достигнуто главным образом за счет уменьшения металлоемкости ряда железобетонных несущих и ограждающих конструкций, а также путем замены металлических конструкций железобетонными.
2 В каких трех сечениях изучается строение древесины и какие основные ее элементы можно различать в торцовом сечении с помощью лупы?
Древесиной называют освобожденную от коры ткань волокон, которая содержится в стволе дерева. Ствол дерева состоит из клеток, имеющих разное назначение в растущем дереве, а, следовательно, разную форму и величину. Макроструктуру ствола (видимую невооруженным глазом или через лупу) можно рассмотреть на трех основных разрезах: торцевом срезе, тангенциальном и радиальном срезе.
На торцевом срезе видна кора, камбий и древесина. Кора состоит из наружной кожицы, пробкового слоя под ней и внутреннего слоя - луба. Под слоем луба у растущего дерева находится тонкий камбиальный слой, состоящий из живых клеток размножающихся делением. Древесина состоит из вытянутых веретенообразных клеток – ячеек, стенки которых состоят в основном из целлюлозы. Эти пустотелые ячейки образуют волокна, воспринимающие механические нагрузки. Древесина ствола состоит из ряда концентрических годовых колец. В свою очередь каждое годовое кольцо включает внутренний слой ранней (или весенней) древесины и внешний слой поздней (или летний) древесины.
На поперечном разрезе ствола дерева видны сердцевина, ядро и заболонь. Сердцевина – рыхлая первичная ткань, которая состоит из тонкостенных клеток, имеет малую прочность и легко загнивает.
Ядро, или спелая древесина - внутренняя часть ствола дерева, состоящая из омертвевших клеток. Ядро выделяется темным цветом, так как стенки клеток древесины ядра постепенно изменяют свой состав: у хвойных пород они пропитываются смолой, а у лиственных - дубильными веществами. Движение влаги по этим клеткам прекращается, поэтому древесина ядровой части ствола обладает большой прочностью и стойкостью к загниванию по сравнению с древесиной заболони.
Заболонь состоит из колец более молодой древесины, окружающих ядро (или слепую древесину). По живым клеткам заболони растущего дерева перемещается влага с растворенными в ней питательными веществами. Древесина заболони имеет большую влажность, легко загнивает, вследствие значительной усушки усиливает коробление пиломатериалов.
3 Технология изготовления минеральной ваты.
Минеральная вата состоит из тонких стекловидных волокон диаметром 5-15мкм, получаемых из легкоплавких горных пород (мергелей, доломитов, базальта и др.), металлургических и топливных шлаков, золы ТЭС. Расплав обычно получают в вагранке либо в другом печном агрегате. Волокна образуются при воздействии подаваемого под давлением пара или воздуха непрерывно вытекающую из вагранки струю расплава либо путём подачи пара на валки или диск центрифуги. Полученное минеральное волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. В эту камеру вводят органические или минеральные связующие вещества. На основе минеральной ваты выпускают штучные, рулонные, шнуровые изделия и сыпучие (рыхлые, волокнистые) материалы.
4 Назовите основные звукоизоляционные материалы.
Звукоизоляционные материалы применяют в основном для ослабления звука, хотя нередко (например, в междуэтажном перекрытии) эти же материалы помогают изоляции воздушного шума. Звукоизоляционные материалы применяют в виде слоев, полосовых или штучных прокладок. Звукоизоляция перекрытия значительно улучшается при устройстве звукоизоляции по типу «плавающего» пола. Плавающий пол отделяется от несущей конструкции перекрытия и стен прокладками из звукоизоляционного материала, не имея с ними жестких контактов. С помощью упругих прокладок из звукоизоляционных материалов звук изолируют по внутренним стенам и перегородкам. Прокладки устанавливают в местах примыкания и сопряжения ограждающих конструкций и перекрытий.
В основном это пористо-волокнистые, резиновые и резиноподобные материалы с губчатой структурой. Прокладки с губчатой структурой - это упругие материалы с малым модулем упругости, имеющие большую сквозную пористость. Их изготовляют из пористой резины, эластичных полимеров: полиуретановых смол (поролонов), полихлорвинила обычного (ПВХ) и эластичного (ПВХЭ).
Звукоизоляционные двухслойные мягкие покрытия полов значительно улучшают изоляционные свойства перекрытий, в особенности линолеум на подоснове из пенополиуретана или ворсовая нейлоновая ткань на губчатой резине.
Из материалов с волокнистой структурой наибольшее значение имеют минераловатные плиты, изготовляемые из минерального, стеклянного или асбестового волокна.
Стекловолокнистые материалы изготовляют из непрерывного стеклянного волокна, имеющего диаметр 10-30 мкм (стеклянная вата, стекловолокнистые маты и полосы), которые прошиваются или проклеиваются. Из штапельного стеклянного волокна длиной 20-40 см и толщиной 8-20 мкм получают плиты на полимерных связующих. Повышение тонкости стеклянного волокна увеличивает звукоизоляционные свойства материалов.
Минераловатные материалы изготовляют в виде мягких и полужестких плит плотностью 50-150 кг/м3, используя связующее на основе полимеров.
Асбестовые материалы выпускают в виде матов из асбестового волокна с добавкой вяжущего (например, цемента, жидкого стекла). Толщина асбестовых плит 15-400мм, а асбестовых матов до 80 мм. Для звукоизоляции применяют древесноволокнистые плиты плотностью 150-250 кг/м3.
5 Чем отличаются строительные растворы от бетонов?
Строительный раствор - это искусственный материал, полученный в результате растворной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя и добавок, улучшающей свойства смеси и растворов. В отличие от бетонов крупный заполнитель отсутствует, так как раствор применяют в виде тонких слоев (швов каменной кладки, штукатурка и т.п.). Одним из важных свойств строительных растворов является хорошее сцепление с основанием.
Бетон - это также искусственный материал, получаемый в результате тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителя, взятых в определенных пропорциях. Бетон - это один из основных строительных материалов. Из него изготовляют сборные конструкции, изделия и монолитные сооружения различной формы и назначения.
Основным назначением строительных растворов является заполнение швов между крупными элементами (панелями, блоками и т.п.) при монтаже зданий и сооружений. А также строительные растворы применяют для каменной кладки стен, фундаментов столбов, сводов и др. Еще одно применение строительных растворов – это штукатурка внутренних стен, потолков фасадов зданий и др. Существуют также специальные растворы: декоративные, гидроизоляционные, тампонажные и другие.
Поэтому можно сказать, что основным отличием строительных растворов от бетонов является их назначение в строительстве, а также отсутствие в составе крупных заполнителей, что позволяет растворной смеси легко укладываться тонким и плотным слоем на пористое основание.
Список используемых источников
1 Горчаков Г.И. Баженов Ю.М. Строительные материалы: Учебник для вузов.–М.: Стройиздат, 1986.
2 Строительные материалы. Учебник для вузов/ под общ. ред. В.Г. Микульского.-М.: издательство АСВ, 1996.
3 Воробьев В.А. Лабораторный практикум по общему курсу строительных материалов: Учебное пособие для вузов - М., 1997.
4 Оценка качества строительных материалов: Учебное пособие/ К.Н. Попов, М.Б. Каддо, О.В. Кульков. - М: изд. АСВ, 1999.
5 Попов К.Н., Каддо М.Б. Строительные материалы и изделия: Учебник/ К.Н. Попов.- М.: Высшая школа, 2005
Предварительно напряженные железобетонные конструкции. ГУП "НИИЖБ". - М.: ФГУП... . Рис. П-2. Сравнительный анализ работы железобетонных элементов с предварительным напряжением арматуры и без него. а - ...
Расчет и конструирование элементов одноэтажного промышленного здания в сборном железобетоне
Курсовая работа >> СтроительствоКонструкции покрытия выбраны железобетонные арочные фермы пролетом 30 м с предварительно напряженным нижним растянутым... лампами дневного света. Плиты покрытия предварительно напряженные железобетонные ребристые размером м. Подкрановые балки металлические...
История железобетонных конструкций
Реферат >> СтроительствоПрименение в гражданском и промышленном строительстве предварительно напряженных железобетонных конструкций, особенно с появлением высокопрочных... пролеты зданий и сооружений. Из предварительно напряженного железобетона сооружаются мосты, оболочки, купола, ...
К атегория: Арматурные работы
О предварительно напряженном железобетоне
Железобетонные конструкции, применяемые в современном строительстве, отличаются некоторыми недостатками. Одним из них является большой собственный вес железобетона, равный 2500 кг/м3 (в том числе 100 кг/м3 составляет в среднем арматура). Особенно серьезно это отражается на горизонтальных конструкциях, работающих на изгиб, - плитах, балках, ригелях и др. Под действием нагрузки здесь появляется напряжение на растяжение. Поэтому в растянутой зоне сечения железобетонной конструкции приходится размещать большое количество арматуры, что увеличивает площадь сечения и вес конструкции.
Другим недостатком железобетонных конструкций является неполное использование свойств арматурной стали, в частности ее прочности на растяжение. При полном использовании прочности арматурных стержней бетон дает трещины в зоне растяжения конструкций, хотя напряжение в арматуре не превышает предела текучести. Это недопустимо при эксплуатации сооружений.
Упомянутые недостатки в значительной степени устраняются в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
Сущность предварительного напряжения (рис. 1) заключается в следующем. Рабочую арматуру конструкции перед бетонированием натягивают и в натянутом состоянии производят бетонирование. После того как бетон схватится, затвердеет и приобретет необходимую прочность, натягивающее усилие снимают. При этом арматурная сталь стремится опять сж‘аться (сократиться по длине) и часть сжимающих усилий передает окружающему бетону.
Таким образом, бетон в изготовленной предварительно напряженной конструкции еще до установки ее в сооружение и передачи на нее различных эксплуатационных нагрузок уже подвергнут напряжению на сжатие, или, как говорят, в конструкции искусственно создано внутреннее напряженное состояние, характеризующееся сжатием бетона и растяжением арматуры.
Прежде чем бетон в предварительно напряженной конструкции, воспринимая расчетную (эксплуатационную) нагрузку, начнет работать на растяжение, в нем должно быть сначала погашено предварительно созданное сжатие.
Наличие предварительного напряжения позволяет увеличивать нагрузку на конструкцию по сравнению с конструкцией, армированной обычным способом, или при прежней величине нагрузки уменьшать размеры конструкции, т. е. экономить бетон и сталь.
Впервые идея предварительного напряжения (обжатия) элементов, работающих на растяжение, была предложена в 1861 г. русским ученым, академиком А. В. Гадолиным для стволов пушек.
Преимущества предварительно напряженных железобетонных конструкций перед обычными заключаются в следующем.
1. Способность бетона хорошо работать на сжатие полностью используется во всем сечении. Это позволяет уменьшить сечения, а следовательно, объем и вес предварительно напряженных элементов на 20-30% и сократить расход материалов, в частности цемента.
2. Благодаря лучшему использованию свойств арматурной стали в предварительно напряженных конструкциях по сравнению с обычными сокращается расход арматуры. Экономия арматуры, особенно эффективная и нужная при применении сталей с высоким пределом прочности, достигает 40%.
3. Конструкции с предварительно напряженной арматурой (напряженно-армированные) отличаются высокой трещиностойкостью, что предохраняет арматуру от ржавления. Это имеет большое значение для сооружений, находящихся под постоянным давлением воды или каких-либо других жидкостей и газа (трубы, плотины, резервуары и т. п.).
4. Вследствие уменьшения объема и веса напряженно-армированных железобетонных элементов облегчается применение сборных конструкций.
Примерами наиболее распространенных сборных предварительно напряженных конструкций являются плиты для покрытий промышленных зданий, подкрановые балки, кровельные балки и др.
Использование предварительного напряжения эффективно не только в сборных, но и в монолитных и в сборно-монолитных железобетонных конструкциях. Сборно-монолитные конструкции состоят из сборных предварительно напряженных элементов, воспринимающих усилия совместно с бетоном и арматурой, дополнительно укладываемыми после установки сборных элементов в проектное положение.
При возведении сборно-монолитных конструкций отдельные сборные элементы соединяют таким образом, что в дальнейшем при эксплуатации они работают как одно целое. Это делают следующим образом.
При изготовлении сборных элементов будущей сборно-монолитной конструкции у них оставляют выпуски арматуры. Во время монтажа этих элементов в швы между ними укладывают и приваривают к выпускам дополнительные арматурные стержни так, чтобы арматура соседних элементов составляла одно целое. Затем армированные швы (или стыки) заполняют бетоном, или, как говорят, замоноличивают. После затвердения бетона в стыках и швах получается конструкция, называемая сборно-монолитной.
Этот метод часто используют в конструкциях многоэтажных зданий (рис. 1) и в пространственных конструкциях с криволинейными очертаниями - сводах и куполах.
Рис. 1. Стык арматуры сборных прогонов и плит многоэтажного промышленного здания с закладкой в колонны трехрядных арматурных коротышей: 1 - стык коротыша с выпусками арматуры прогонов, 2 - арматурный коротыш, 3 -арматура, закладываемая в швы между сборными плитами
Примером уникального монолитного железобетонного сооружения, впервые в мировой практике осуществленного советскими строителями, является Останкинская телевизионная башня (рис. 2, а) в Москве.
Общая высота башни 525 м. Нижний ярус до отметки 17,5 м представляет собой десять отдельных железобетонных опор. Выше этой отметки до отметки 63 м отдельные опоры объединены в железобетонный конус со сплошной стенкой. От отметки 63 до отметки 385 поднимается железобетонный ствол башни диаметром соответственно 18 и 8,2 м со стенками толщиной от 40 до 35 см (рис. 2, б). Стенки ствола армированы двойной сеткой из стали 35ГС периодического профиля с интенсивностью армирования до 230 кг/м3.
Между армированными сетками устанавливают специальные рамки (рис. 2, в). Взаимное положение металлических щитов внутренней и наружной опалубки и арматурных сеток, а следовательно, толщина защитного сдоя бетона фиксировались болтами 9 с надетыми на них пластмассовыми трубками (рис. 2, в).
Рис. 2. Останкинская телевизионная башня в Москве: а - общий вид, б - разрез ствола башни, в - деталь установки опалубки и арматуры в стенке ствола башии; г - опоры, 1 - конусная часть башни, 3 - железобетонный ствол, 4 - служебные помещения, 5 - ресторан, 6 - стальная антенна, 7 - щиты внутренней опалубки, 8 - щиты наружной опалубки, 9 - болт, 10 - арматурные сетки, 11 - рамка, 12 - пластмассовая трубка ствола башни
В качестве напрягаемой арматуры нижней части и ствола башни применены канаты диаметром 38 мм, расположенные в восемь ярусов от фундамента до отметки 385. Длина канатов, проходящих в каналах внутри стенок, колеблется от 154 до 344 м. Натяжение канатов выполнялось с помощью гидродомкратов; усилие натяжения достигало 69 тс. Всего в конструкции башни уложено 1040 т арматурной стали.
Рис. 3. Сечения проволочных арматурных пучков: а - незакрепленных по концам, б - закрепленных по концам, в - многорядных, г - из групп проволок; 1 - напрягаемые проволоки пучка, 2 - вязальная проволока, 3 - спираль, 4 - короткие проволоки, 5 - центральная проволока, 6 - трубка, 7 - раствор, 8 - группа проволок, 9 - дополнительные проволоки
В качестве напрягаемой арматуры для предварительно напряжен ных конструкций целесообразно применять арматурную сталь с более высокими механическими характеристиками; этим достигается наибольшая экономия арматуры, уменьшение сечения и веса конструкции.
Поэтому преднапряженные конструкции армируют, как правило, высокопрочной арматурной сталью и изделиями из нее следующих видов: – горячекатаная сталь периодического профиля класса А-Шв, упрочненная вытяжкой; – горячекатаная сталь периодического профиля классов Ат-V и. Ат-VI, термически упрочненная; – горячекатаная сталь периодического профиля классов А-IV и A-V; – высокопрочная арматурная проволока, гладкая и периодического профиля классов B-II и Вр-П; проволочные пряди; проволочные канаты; пучки (рис. 3) и пакеты из высокопрочной проволоки. Для предварительно напряженных конструкций очень важно обеспечение надежного сцепления поверхности арматуры с окружающим бетоном.
Этим объясняется применение в качестве напрягаемой арматуры прядей и канатов со сложной формой поверхности.
Семипроволочные пряди вырабатывают из проволок диаметром 1,5-5 мм. Многопрядные канаты изготовляют из проволок диаметром 1-3 мм. Пучок состоит из проволок, расположенных по окружности, в количестве от 8 до 48. Для сохранения взаимного расположения проволок внутри пучка через 1-1,5 м устанавливают отрезки проволочных спиралей. В этих же местах снаружи пучок стягивают вязальной проволокой (рис. 3, а, в, г). Пучки, закрепленные по концам (рис. 3, б), состоят из 8-24 проволок. В местах установки коротких проволок 4 по длине пучка остаются щели, через которые середина пучка заполняется раствором. Многорядные пучки из групп проволок диаметром до 8 мм (рис. 3, в) применяют в инженерных сооружениях, например мостах. Пакет представляет собой группу проволок или прядей, расположенных в несколько рядов по горизонтали и вертикали по правильной геометрической сетке.
Натяжение арматуры при армировании предварительно напряженных конструкций выполняют двумя способами - до или после бетонирования.
Натяжение на формы или упоры. При армировании по этому способу арматурные стержни натягивают перед укладкой бетонной смеси. Усилия натяжения, достигающие по величине иногда нескольких десятков тонн, воспринимаются мощной конструкцией стальной формы, в которой изготовляют изделие, или специальными упорами стенда, поэтому этот способ называют стендовым. Бетонируют конструкцию при натянутой арматуре. Когда после отвердения бетона натяжные приспособления снимают, сжатие бетона достигается за счет сцепления между стремящимися сжаться арматурными стержнями и окружающим их затвердевшим бетоном.
Уменьшение длины при сжатии показано в условном масштабе, гак как на глаз оно бывает незаметно.
При данном способе контроль натяжения (а следовательно, и напряжения) арматуры осуществляется до обжатия бетона.
Натяжение арматуры на бетон. В данном случае усилие натяжения арматуры воспринимается не формой, а затвердевшим бетоном. Этим способом пользуются главным образом для армирования конструкций, собираемых из отдельных блоков. Способ натяжения на бетон позволяет собирать крупноразмерные конструкции (длиной до 30 м и более) у места их установки из отдельных, легко перевозимых частей меньшего размера. Натяжение арматуры контролируют в процессе обжатия бетона. Обжатие можно производить только после накопления затвердевшим бетоном прочности, достаточной для восприятия усилий, создаваемых натяжными устройствами.
Применяют различные способы натяжения арматуры: механический - с помощью специальных домкратов; электротермический, при котором используют свойство стального прутка удлиняться при нагревании, и электротермомеха- нический, представляющий собой сочетание двух первых.
Различают способы укладки напрягаемой арматуры: линейный, при котором укладывают отдельные стержни, проволочные пучки или пакеты точно отмеренной длины, и способ непрерывной укладки (навивки) арматуры прямо из бухты на штыри вращающегося поддона или с помощью перемещающейся навивочной машины.
- О предварительно напряженном железобетоне
Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых до приложения нагрузок в процессе изготовления искусственно создаются здачительные сжимающие напряжения в бетоне nyтем натяжения высокопрочной арматуры. Начальный сжимающие напряжения создаются в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузок испытывают растяжение. При этом повышается трещиностойкость конструкции и создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции.
Удельная стоимость арматуры, равная отношению ее цены (руб/т) к расчетному сопротивлению Rs, снижается с увеличением прочности арматуры. Поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее горячекатаной. Однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях без предварительного напряжения нельзя, так как при высоких растягивающих напряжениях в арматуре и соответствующих деформациях удлинения в растянутых зонах бетона появляются трещины значительного раскрытия, лишающие конструкцию необходимых эксплуатационных качеств.
Сущность предварительно напряженного железобетона в экономическом эффекте, достигаемом благодаря применению высокопрочной арматуры. Кроме того, высокая трещиностойкость предварительно напряженного железобетона повышает его жесткость, сопротивление динамическим нагрузкам, коррозионную стойкость, долговечность.
В предварительно напряженной балке под нагрузкой бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила, вызывающая образование трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, превышает нагрузку, действующую при эксплуатации. С увеличением нагрузки на балку до предельного разрушающего значения напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений.
Таким образом, железобетонные предварительно напряженные элементы работают под нагрузкой без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием, в то время как конструкции без предварительного напряжения эксплуатируются при наличии трещин и при больших значениях прогибов. В этом различие конструкций предварительно напряженных и без предварительного напряжения с вытекающими отсюда особенностями их расчета, конструирования и изготовления.
В производстве предварительно напряженных элементов возможны два способа создания предварительного напряжения: натяжение на упоры и натяжение на бетон. При натяжении на упоры до бетонирования элемента арматуру заводят в форму, один конец ее закрепляют в упоре, другой натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируемого напряжения. После приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности перед обжатием арматуру отпускают с упоров. Арматура при восстановлении упругих деформаций в условиях сцепления с бетоном обжимает окружающий бетон. При так называемом непрерывном армировании форму укладывают на поддон, снабженный штырями, арматурную проволоку специальной навивочной машиной навивают на трубки, надетые на штыри поддона, с заданной величиной напряжения, и конец ее закрепляют плашечным зажимом. После того как бетон наберет необходимую прочность, изделие с трубками снимают со штырей поддона, при этом арматура обжимает бетон.
Стержневую арматуру можно натягивать на упоры электротермическим способом. Стержни с высаженными головками разогревают электрическим током до 300-350 °С, заводят в форму и закрепляют на концах в упорах форм. Арматура при восстановлении начальной длины в процессе остывания натягивается на упоры.
При натяжении на бетон сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент, затем при достижении бетоном прочности создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Напрягаемую арматуру заводят в каналы или в пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают на бетон. При этом способе напряжения в арматуре контролируются после окончания обжатия бетона. Каналы, превышающие диаметр арматуры на 5-15 мм, создают в бетоне укладкой извлекаемых пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых шлангов и т. п.) или оставляемых гофрированных стальных трубок и др. Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием - нагнетанием в каналы цементного теста или раствора под давлением. Инъецирование производится через заложенные при изготовлении элемента тройники - отводы. Если напрягаемая арматура располагается с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т. п.), то навивка ее с одновременным обжатием бетона производится специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием (под давлением) защитный слой бетона.
Натяжение на упоры как более индустриальное является основным способом в заводском производстве.
Современные методы карксного строительства используют технологию предварительного напряжения железобетонных конструкций. Преднапряженные конструкции - железобетонные конструкции, напряжение в которых искусственно создаётся во время изготовления, путём натяжения части или всей рабочей арматуры (обжатия части, или всего бетона).
Обжатие бетона в преднапряженных конструкциях на заданную величину осуществляется посредством натяжения арматурных элементов, стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние. При этом, проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, или без сцепления арматуры с бетоном – специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.
Трещиностойкость преднапряженных конструкций в 2 – 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона.
Преднапряженный бетон позволяет в среднем до 50% сокращать расход дефицитной стали в строительстве. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в растянутых зонах элементов, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.
Преимущества технологии преднапряжения железобетона
Преднапряженные конструкции оказываются экономичными для зданий и сооружений с такими пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно, или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций.
Предварительное напряжение, увеличивающее жесткость и сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки. Правильно запроектированные преднапряженные конструкции и здания безопасны в эксплуатации и более надежны, особенно в сейсмических зонах. С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается. Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения преднапряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а, следовательно, более гибкими и легкими.
В большинстве развитых зарубежных стран из предварительно напряженного железобетона во все возрастающих объемах изготавливают конструкции перекрытий и покрытий зданий различного назначения, значительную часть изделий, используемых в инженерных сооружениях и в транспортном строительстве; появились производства элементов наружного архитектурного оформления зданий.
Мировой опыт использования технологии преднапряжения
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.
 |
| Мост "Нормандия" |
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).
Технология преднапряжения монолитного железобетона в России
В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. За рубежом значительное распространение имеет безопалубочное формование плитных конструкций на длинных стендах. Там обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 500 кгс/м2. В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см с пролетом до 21 м, то есть применение предварительного напряжения позволяет выпускать сборные элементы качественно иного уровня. Натяжение канатной арматуры на таких стендах, как правило, групповое при мощности домкратов 300-600 т. Сегодня разработаны различные системы без-опалубочного формования на длинных стендах "Спайрол", "Спэнкрит", "Спандек", "Макс Рот", "Партек" и других, отличающиеся высокой производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м изготавливают плиту со скоростью до 4 м/мин, по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, при максимальном пролете 21 м. Только плит "Спэнкрит" применяют в США более 15 млн. м2 ежегодно.
В свое время длинные стенды для безопалубочного формования по технологии "Макс Рот" появились и в России. Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединение элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах, как правило, методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для сборно-монолитных зданий плиты без закладных деталей могут найти самое широкое распространение, что и имеет место за рубежом, особенно в Скандинавских странах и в США.
Позднее в России появились линии "Партек" (на заводе ЖБК-17 в Москве, Санкт-Петербурге, Барнауле), что свидетельствует о появлении спроса на такие плиты. Совершенствование конструктивных систем зданий, безусловно, даст толчок к развитию технологии производства плитных изделий.
Затянувшийся российский застой в области применения преднапряженного железобетона частично связан еще и с тем, что у нас не получили должного изучения и применения предварительно-напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон, в том числе в построечных условиях.
«Энерпром» начинает развивать это направление и предлагает ряд оборудования собственной разработки для реализации такой технологии.
