Железобетонные конструкции — основа современного строительства. Однако они имеют существенные изъяны, связанные, в первую очередь, с недостаточной нагрузочной способностью и образованием трещин в камне при эксплуатационных нагрузках. Усовершенствование технологии изготовления изделий из бетона и стальной арматуры привело к созданию преднапряженного железобетона, который обладает рядом преимуществ.
Определение
Предварительно напряженные железобетонные конструкции — строительные изделия, бетон которых на этапе создания принудительно получает начальную расчетную напряженность сжатия. Она создается за счет предварительного формирования напряжения растяжения в рабочей высокопрочной арматуре и обжатия ею бетона на тех участках, которым предстоит испытывать растяжение (прогиб) при эксплуатации. Сжимаясь, арматура не проскальзывает, так как сцеплена с материалом или удерживается анкерным закреплением арматуры на торцах изделий. Таким образом, напряжение растяжения, которое приобретает железобетонный состав с помощью армирования, уравновешивает напряженность заблаговременного обжатия камня.
Вернуться к оглавлению
Преимущества
Предварительно напряженный железобетон долгосрочно отодвигает время начала формирования расколов в изделиях, работающих на прогиб, сокращает глубину их раскрывания. Вместе с тем изделия приобретают повышенную жесткость, не снижая прочности.
Предварительно напряженным железобетонным балкам свойственно хорошо работать на сжатие и прогиб, имея одинаковую прочность по длине, что позволяет увеличивать ширину перекрываемых пролетов. В таких конструкциях уменьшаются размеры поперечного сечения, следовательно, сокращаются объем и вес комплектующих элементов (на 20 – 30%), а также расход цемента. Более рациональное использование свойств стали позволяет сокращать расход арматуры (стержневой и проволочной) до 50%, особенно из высокопрочных марок (A-IV и выше), имеющих значительный предел прочности. Химическая нейтральность бетона к стали способствует предохранению арматуры от коррозии. Вместе с тем повышенная трещиностойкость предохраняет напряженную арматуру от ржавления в сооружениях, которые находятся под постоянным давлением воды, иных жидкостей, газов.
Методы возведения зданий, используемые в строительстве каркаса, базируются на технологии предварительного напряжения конструкций из железобетона в процессе строительства.
Напряженная арматура, обжимающая бетон сборочных единиц, обеспечивает практичную их стыковку путем значительного сокращения расходования металла на стыках. Сборные и сборно-монолитные изделия из железобетонных напряженных конструкций могут состоять из стыкуемых частей с одинаковым поперечным сечением, которые по краям выполняются из ненапряженных облегченных (тяжелых) бетонов, а нагружаемый фрагмент — преднапряженный железобетон. Такая продукция имеет повышенную выносливость, компенсируя повторяющиеся динамические воздействия.
Данное свойство позволяет демпфировать изменения напряжений в бетоне и арматуре, вызываемые колебаниями внешних нагрузок. Повышенная сейсмическая стойкость зданий повышается за счет большой конструкционной устойчивости напряженного железобетона, обжимающего отдельные их фрагменты. Конструкция в предварительно напряженном виде обеспечивает большую безопасность, так как ее разрушению предшествует запредельный прогиб, сигнализирующий об исчерпании конструкцией прочности.
Вернуться к оглавлению
Важные преимущества и недостатки предварительно напряженного железобетона
Подробности Категория: Строительные материалы
Создано: 04 Ноябрь 2016
Преднапряжение бетона для повышения его прочности — это современный способ повышения прочности бетонных конструкций. В этой статье мы перечислим преимущества и недостатки предварительно напряженного железобетона.
Бетон используется в различных видах строительства. Имя ‘предварительно’ не означает, что данный вид бетона был поставлен под напряжение, прежде чем строится этаж над ним. Однако, вместо выпучивания под давлением, ему удается стать сильнее, и он приобретает способность выдерживать гораздо большие напряжения, чем обычный бетон.
Но как это сделать. Каковы преимущества и недостатки предварительно напряженного железобетона? Давайте узнаем ответы на эти вопросы, которые помогут лучше это понять.
Что такое предварительно напряженный железобетон?
Бетон в своем обычном состоянии имеет чрезвычайно высокий уровень прочности на сжатие. Это дает возможность использовать его для создания структур, которые должны нести сжимающие нагрузки. Например, он используется для создания колонн и опор для поддержки различных сооружений в больших зданиях.
Однако, по сравнению с его прочностью на сжатие, бетон почти не имеет целостной прочности. Поэтому, если обычный бетон используется для строительства перекрытий, он будет прогибаться под давлением при сжатии на нее, и в конце концов трескается и осыпается. Для устранения этого недостатка, применяется метод преднапряжение. В своей самой основной форме, преднапряжение осуществляется следующим образом.
Ряд стальных тросов приводят в напряжение путем применения оттягивающей силы на их концах, и располагают в бетонный блок. Затем, жидкий бетон заливается в формы и твердеет, что вызывает склеивание между ним и стальными тросами внутри. После этого, кабели пытаются восстановить свою первоначальную форму, они тянут с ними и бетон, создавая компрессию. Это вызывает стресс во внутренних частицах бетона, укрепляя его и делая его отличным материалом для использования в конструкциях. Поскольку напряжения бетона производится до его использования, это называется предварительно напряженный бетон.
Преднапряженный бетон имеет большой объем прочности, как на сжатие, так и на растяжение. Он используется для построения длинных мостов, строительных плит и др.
Недостатки
Состояние предварительного напряжения в материале достигается спецоборудованием, точными расчетами, трудоемким конструированием и затратным производством. Продукция требует бережного хранения, транспортировки и монтажа, которые не вызывают ее аварийного состояния еще до начала использования.
Сосредоточенные нагрузки могут способствовать возникновению продольных трещин, которые снижают несущую способность. Просчеты в проектировании и технологии производства могут вызывать полное разрушение создаваемого железобетонного изделия на стапеле. Предварительно напряженные конструкции требуют металлоемкой опалубки повышенной прочности, увеличенного расхода стали на закладные и арматуру.
Большие значения звуко– и теплопроводности требуют закладывания в тело камня компенсирующих материалов. Подобными железобетонными конструкциями обеспечивается более низкий порог огнестойкости (ввиду меньшей критической температуры нагрева преднапряженной арматурной стали) по сравнению с обычным железобетоном. На преднапряженную бетонную конструкцию критично воздействуют выщелачивание, растворы кислот и сульфатов, солей, приводящие к коррозии цементного камня, раскрытию трещин и коррозии арматуры. Это может приводить к резкому снижению несущей способности стали и внезапному хрупкому разрушению. Также к минусам стоит отнести значительный вес изделий.
Сейчас читают: Вибратор глубинный для бетона своими руками на основе дрели и перфоратора
Вернуться к оглавлению
Методы натяжения арматуры в предварительно-напряженных конструкциях
В конструкциях, работающих на изгиб (плитах, балках, прогонах, ригелях), под действием нагрузки появляются растягивающие напряжения. Для их восприятия в растянутой зоне приходится размещать большое количество арматуры. Кроме этого недостаточно используется прочность стали на растяжение, так как в бетоне появляются трещины в зоне растяжения, хотя напряжение в арматуре еще не превышает предела текучести, а эксплуатировать такую железобетонную конструкцию с шириной раскрытия трещин больше допустимой не разрешается.
Эти недостатки в значительной степени устраняются в предварительно-напряженных конструкциях. В таких конструкциях, еще до установки ее в сооружение и передачи на нее эксплуатационных нагрузок, предполагаемая растянутая зона уже подвержена сжатию. И прежде чем бетон в конструкции воспринимая эксплуатационную нагрузку, начнет работать на растяжение, в нем необходимо сначала погасить предварительно созданное сжатие.
Предварительное напряжение позволяет увеличивать нагрузку на конструкцию или при прежней нагрузки уменьшить габариты конструкции.
Достоинства предварительно-напряженных конструкций:
применение арматуры меньших диаметров из высокопрочной стали позволяет уменьшать размеры конструкции, а следовательно, и объем сборных элементов на 20…30%, что приводит к экономии материалов, в частности цемента;
благодаря лучшему использованию свойств арматурной стали, по сравнению с обычными железобетонными конструкциями, и при применении сталей с высоким пределом прочности достигается экономия металла до 40%;
конструкции с предварительно-напряженной арматурой отличаются высокой трещиностойкостью, что предохраняет арматуру от коррозии; это важно для сооружений, находящихся под постоянным давлением воды, других жидкостей и газов (трубы, плотины, резервуары).
Предварительное напряжение арматуры осуществляется в основном двумя способами:
натяжением арматуры до укладки бетонной смеси в конструкцию;
укладкой и натяжением арматуры вслед за укладкой бетона и приобретения им прочности не менее 70% проектной.
Первый метод заводской, он называется натяжением на формы и упоры, второй применяют в построечных условиях на площадках укрупнительной сборки и называют натяжением на бетон.
Натяжение на формы и упоры. При армировании по этому способу арматурные стержни натягивают перед укладкой бетонной смеси. Усилия натяжения, достигающие нескольких десятков и сотен тонн, воспринимаются конструкцией стальной формы, в которой изготавливают (формуют) изделие, или специальными упорами стенда. Бетонируют изделие при натянутой арматуре. Когда после затвердения бетона и набора им необходимой прочности натяжные приспособления снимают, сжатие бетона достигается за счет сцепления между стремящимися сжаться арматурными стержнями или прядями и окружающим их затвердевшим бетоном. При этом способе натяжение арматуры контролируют до обжатия бетона.
Стендовый способ натяжения применяют при изготовлении длинномерных (длиной 12 м и более) крупных и тяжелых конструкций – стропильных и подстропильных ферм, кровельных и подкрановых балок. Конструкцию армируют, осуществляют ее натяжение, производят бетонирование, бетон приобретает необходимую прочность в стационарном положении на стенде. Упоры воспринимают усилия натяжения и передают их на массивный фундамент стенда.
При натяжении на формы упоры отсутствуют, и усилия воспринимает сама форма, которая является силовой. В таких формах бетонируют плиты и панели перекрытий и покрытий. Достоинство форм в том, что они имеют модульные размеры, поэтому при смене бетонируемой конструкции ее легко переналадить на изготовление новых изделий.
Натяжение арматуры на бетон. Предварительное напряжение в монолитных и сборно-монолитных конструкциях можно создавать по методу натяжения арматуры на затвердевший бетон. При таком методе усилие натяжения воспринимается не формой и не упорами, а уже затвердевшим и набравшим необходимую прочность бетоном. Этот способ используется главным образом для армирования конструкций, собираемых из отдельных блоков.
По способу укладки напрягаемой арматуры имеются две разновидности – линейная и непрерывная. При линейном способе в напрягаемых конструкциях при их бетонировании оставляют открытые или закрытые каналы. При приобретении бетоном заданной прочности в каналы укладывают арматуру и производят ее натяжение с передачей усилия на напрягаемую конструкцию. Линейный способ применяют для создания напряжения в балках, колоннах, рамах, трубах, силосах и многих других линейных конструкциях. Непрерывный способ заключается в навивке с заданным натяжением бесконечной арматурной проволоки по контуру забетонированной конструкции. Этот способ применяют для предварительного напряжения стенок цилиндрических резервуаров, предварительно напряженных труб.
При линейном армировании напрягаемые элементы применяют в виде отдельных стержней, прядей, канатов и проволочных пучков. Линейное армирование включает в себя: заготовку напрягаемых арматурных элементов; образование каналов для укладки напрягаемых арматурных элементов; установку арматурных элементов с анкерными устройствами в каналы; напряжение арматуры с последующим инъецированием закрытых каналов или бетонированием открытых каналов.
Для стержневой арматуры используют горячекатаную сталь периодического профиля и высокопрочную проволоку. Заготовка стержневых элементов состоит из правки, чистки, резки, стыковой сварки и устройства анкеров, путем приварки стальных коротышей к концам стержней. Коротыши имеют резьбу, на которую навинчивают гайки, передающие через шайбы на бетон нагрузки натяжения.
Арматурные нераскручивающиеся пряди и канаты изготовляют из высокопрочной проволоки диаметром 1,5…5 мм. Из проволоки производят пряди, образуемые из трех, семи или девятнадцати совместно свитых проволок. При необходимости готовые пряди далее навивают в канаты. Пряди и канаты поступают с заводов намотанными на катушки. Их сматывают с катушек, пропускают через правильные устройства, одновременно очищают от грязи масла, режут на отрезки необходимой длины. Для анкеровки прядей и канатов применяют гильзовые наконечники. Гильзу надевают на заготовленный конец пряди или каната, запрессовывают прессом или домкратом, а затем на ее поверхности нарезают или накатывают резьбу, необходимую для передачи через шайбы усилий натяжения бетона на гайки крепления.
Проволочные пучки изготовляют из высокопрочной проволоки. Проволоку в пучке располагают или с заполнением ею всего сечения, или по окружности арматурного стержня. В первом случае пучок оборудуют гильзовым, а во втором – гильзостержневым анкером.
Способ натяжения на бетон позволяет собирать крупноразмерные конструкции длиной до 30 м и более у места их установки из отдельных, легкоперевозимых частей меньшего размера. При армировании конструкций, собираемых из отдельных блоков, в сборных железобетонных элементах при заводском изготовлении заранее оставляют каналы или борозды для размещения в них напрягаемой арматуры. Напрягаемую арматуру укладывают (протягивают) в эти заранее оставленные каналы,, диаметр которых обычно делают на 10…15 мм больше диаметра арматурного пучка или стержня.
Материалы для конструкций
Железобетон — многокомпонентный материал, основными составляющими которого являются бетон и стальная арматура. Параметры их качества определяются особыми требованиями при проектировании к элементам конструкций на месте применения.
Вернуться к оглавлению
Бетон
Формы для заливки бетона с прутьями для передачи предварительного напряжения.
Предварительное напряжение в железобетоне обеспечивается применением тяжелых составов средней плотности от 2200 до 2500 кг/м3, которые имеют классы по прочности на осевое растяжение выше Bt0,8, по прочности от В20 и больше, марки по водонепроницаемости от W2 и выше, по морозостойкости от F50. Требования к продукции гарантируют бетону нормативную прочность не ниже установленной с вероятностью 0,95 (в 95% случаев). Смесь должна набрать возраст не меньше 28 суток до получения материалом предварительных напряжений. На ранних стадиях эксплуатации бетонный камень способен частично утерять напряженное качество за счет общего снижения напряженности стали (до 16%). Коэффициент надежности материала на растяжение и сжатие в предельных состояниях установлен для эксплуатационной пригодности не ниже 1,0.
Вернуться к оглавлению
Арматура
Стальная начинка должна оставаться напряженной в железобетонном изделии на всем интервале эксплуатации, выдерживая без вытяжения длительно приложенные нагрузки. В преднапряженных изделиях из железобетона используется высокопрочная сталь с незначительной текучестью, соответствующей параметрам ползучести бетона.
С целью компенсирования эксплуатационной потери некоторой величины преднапряжения при изготовлении ее значение устанавливают чуть выше, чем предусмотрено строительными требованиями для конструкционного элемента. В продукции применяют горячекатаную упрочненную, холоднодеформированную арматуру, арматурную проволоку (пучки, пакеты, пряди), канаты, сварные каркасы и пр. Поперечное сечение арматуры может быть гладким, периодическим, а укладка проволоки и канатов серповидной и кольцевой.
Сталь должна гарантированно соответствовать установленному классу относительно прочности по преднапряженному растяжению (текучесть металла должна находиться в пределах 0,2% относительного удлинения) с вероятностью от 0,95 и выше. Арматуре необходимо быть пластичной, хладостойкой, свариваемой и пр. Надежное сцепление с бетонной смесью обеспечивается формированием арматурой сложных пространственных поверхностей.
Вернуться к оглавлению
Процесс производства
Существует несколько способов натяжения арматуры:
Производство материала может выполняться по электротермической методике.
- механический (домкраты винтового или гидравлического типа);
- электротермомеханический (комбинация первого и второго метода).
электротермический (стального пруток удлиняется до нужных значений с применением электротока;
Инструменты и материалы
К материалам ЖБИ с преднапряжением применяют требования согласно существующим нормативным документам:
Армируют ЖБИ конструкции преднапряженного типа следующими материалами:
- арматура периодического профиля класса А-Шв горячекатаная с вытяжкой в ее холодном состоянии;
- листовая сталь горячего катания класса Ат-V;
- арматурные проволочные пряди из свитых проволок.
Кавабанга! Тактильная тротуарная плитка
Для осуществления процесса необходимо подготовить следующие материалы и инструменты:
Для такой работы понадобятся монтажные прутки.
- прутки (монтажные, распределительные);
- вязальная проволока;
- инструмент для нарезания прутков;
- щиты для опалубки при заливки бетонной смесью.
Преднапряжение и этапы работ
При данном способе производства подготовленную арматуру нужно растянуть на торцах.
Арматурное напряжение производится механически, электротермически, комбинированно и физико-химически.
Области использования конструкций
Предварительно напряженный бетон позволяет сократить до 50% расхода арматурной стали.
Преднапряженные изделия используются, когда применение обычного железобетона нецелесообразно (перерасход материалов, рост веса и стоимости, невозможность обеспечить несущую прочность и пр.). Сферами их использования являются гражданское, промышленное, специальное и гидротехническое строительство. Объекты — каркасы и мосты с широкими пролетами, напорные трубопроводы, плотины, водонепроницаемые емкости и пр.
А также из них создают подпорные стены, ограждающие панели, лестничные марши, подкрановые балки, фундаменты, колонны, столбы ЛЭП, каркасы тоннелей, междуэтажные перекрытия и пр. Такая продукция незаменима и при возведении построек в условиях взрыво- и сейсмоопасности. Особенно эффективна она при формировании сборно-монолитных конструкций, когда отдельные преднапряженные сборные элементы соединяются в проектном положении арматурой так, что работают как одно целое.
Вернуться к оглавлению
