Предварительно напряженные железобетонные конструкции

Преднапряженные конструкции в каркасном строительстве

Преднапряжение железобетона

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

Телебашня в Торонто

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.

Платформа “Тролл”

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.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции

Сущность.

Под предварительно напряженными понимают железобетонные конструкции, элементы, изделия, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в части или во всей рабочей арматуре и обжатие всего или части бетона.

Обжатие бетона в предварительно напряженных конструкциях на заданную величину осуществляется предварительно натянутой арматурой, стремящейся после отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние (рис. 14). При этом проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, а при недостаточности естественного сцепления – специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне. Начальное предварительное напряжение арматуры, создаваемое в результате искусственного натяжения арматуры, после отпуска натяжных устройств снижается за счет относительного упругого обжатия бетона.

С течением длительного времени потери предварительного напряжения арматуры существенно увеличиваются за счет усадки и ползучести бетона и арматуры, релаксации напряжений арматуры и многих других факторов.

Сущность предварительно напряженных железобетонных конструкций нетрудно проследить, например, посредством сопоставления диаграмм, центральнорастянутых элементов соответственно с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой (рис. 15). Арматура, стараясь возвратиться в первоначальное положение, обжимает бетон с напряжением (рис, 15, б).

При этом образец (рис. 15, в) сожмется на величину упругого обжатия бетона (для большей наглядности принимаем, что потери предварительного напряжения арматуры от усадки и ползучести бетона, ползучести арматуры, релаксации напряжений стали еще не успели проявиться).

Установившееся предварительное напряжение растяжения в арматуре, (рис. 15, а, точка 2), будет уравновешиваться напряжением предварительного обжатия бетона (рис. 15, б и в).

С этими предварительными напряжениями в арматуре и в бетоне железобетонный элемент (см. рис. 15, в) поступает на строительную площадку.

Читайте также:  Газобетонные блоки - технические характеристики

Рассмотрим принципиальное отличие предварительно напряженных конструкций от конструкций без предварительного напряжения.

Еще до приложения внешней нагрузки в арматуре предварительно напряженных конструкций действуют значительные предварительные напряжения растяжения (см. рис. 15, а, точка 2), обжимающие бетон элементов (см. рис. 15, б и в).

Внешняя растягивающая сила N (рис. 15, г) вызывает относительное удлинение предварительно напряженного элемента. Вследствие этого предварительное обжатие бетона погасится.

С возрастанием внешней нагрузки N будет возрастать е вплоть до величины упругого обжатия бетона.

При величине внешней силы N, равной силе предварительного напряженияарматуры (рис. 15, д), происходит полное погашение предварительного обжатия бетона. С дальнейшим возрастанием внешней нагрузки в бетоне появятся растягивающие напряжения, которые будут возрастать вплоть до расчетного сопротивления (предела прочности бетона на растяжение) (рис 15, е), точно так же, как и в железобетонных элементах (см. рис. 15, а, кривая III), без предварительного напряжения. Как только относительное удлинение бетона достигнет предельной величины, в предварительно напряженном элементе, как и в железобетонном элементе без предварительного напряжения, появится трещина.

Следовательно, трещиностойкость предварительно напряженных 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. Точка 9 характеризует образование трещин в железобетонных конструкциях, а точка 11 — в предварительно напряженных конструкциях.

Чем выше натяжение арматуры и сильнее обжатие бетона, тем меньше участок 12. 13, на котором происходит образование и раскрытие трещин. При совпадении точек 12 и 13 трещины в предварительно напряженном элементе не образуются вплоть до разрыва арматуры. При растяжении железобетонного элемента бетон может деформироваться совместно с арматурой только в пределах участка 0. 9 (см. рис. 15, а), а на протяжении участка 9. 13 и далее в нем происходит образование новых трещин и раскрытие старых.

Прочность предварительно напряженных конструкций не зависит от величин предварительного напряжения арматуры. Вот почему расчет на прочность любых предварительно напряженных конструкций ничем не отличается от расчета на прочность железобетонных конструкций без предварительного напряжения.

Все сказанное позволяет заключить, что природа предварительно напряженных конструкций та же, что и железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Создание предварительных напряжений растяжения в арматуре и обжатия бетона до приложения эксплуатационных нагрузок не оказывает значительного влияния на основные физико-механические свойства железобетона.

Предварительно напряженные конструкции являются общим видом железобетонных конструкций, а железобетонные конструкции без предварительного напряжения являются всего лишь их частным случаем. При этом необходимо иметь в виду, что предварительное обжатие бетона существенно повышает трещиностойкость наклонных сечений и границу переармирования и заметно может понизить прочность сжатой зоны сечения.

Преимущества.

В предварительно напряженных конструкциях представляется возможность использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную арматуру, позволяющих 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.

Предварительно напряженные конструкции часто 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. Применение предварительного напряжения позволяет наиболее рационально выполнять стыки сборных элементов конструкций, обжимая их напрягаемой арматурой. При этом существенно сокращается расход дополнительного металла в стыках или совсем отпадает необходимость в его применении.

Предварительное напряжение позволяет расширить использование сборных и сборно-монолитных конструкций составного течения, в которых бетон повышенной прочности применяется только в заранее изготовленных предварительно напряженных элементах, а основная или значительная часть конструкций выполняется из тяжелого или легкого бетона, не подвергаемого предварительному напряжению.

Предварительное напряжение, увеличивающее 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 предварительно напряженные конструкции безопасны в эксплуатации, так как показывают перед разрушением значительные прогибы, предупреждающие об аварийном состоянии конструкций.

С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается (особенно при тавровых сечениях с полкой в сжатой зоне и легких бетонах). Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения предварительно напряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а следовательно, более гибкими и легкими. Повышению сейсмостойкости способствует также пространственная работа зданий и сооружений в целом, получаемая обжатием их отдельных частей предварительно напряженной арматурой. Наиболее сейсмостойкими являются напряженные конструкции, обладающие существенным превышением несущей способности над пределом трещиностойкости.

Недостатки.

Железобетонным конструкциям с предварительно напряженной арматурой присущи следующие основные недостатки.

Предварительно напряженные конструкции характеризуются повышенной трудоемкостью проектирования и изготовления. Они требуют большей тщательности в расчете и конструировании, при изготовлении, хранении, транспортировании и монтаже, так как еще до приложения внешних нагрузок в сечениях их элементов могут возникнуть недопустимые сжимающие или растягивающие напряжения, способные привести в аварийное состояние. Например, в торцах предварительно напряженных конструкций при сосредоточенном и неравномерном приложении усилий обжатия могут возникнуть продольные трещины, существенно снижающие их несущую способность. Если не учитывать специфические особенности создания предварительного напряжения, то условия работы под нагрузкой всей конструкции или отдельных ее частей могут ухудшаться.

Большие усилия, передаваемые напрягаемой арматурой на бетон конструкции в момент отпуска натяжных устройств, могут привести к полному разрушению ее в процессе обжатия или местному повреждению, к проскальзыванию напрягаемой арматуры вследствие нарушения ее сцепления с бетоном. Поэтому нормы требуют в обязательном порядке тщательно проверять прочность предварительно напряженных конструкций в стадии обжатия, при хранении, транспортировке и монтаже и выполнять предусмотренные конструктивные требования. Предварительно напряженные конструкции требуют усложнения и повышения металлоемкости опалубки, трудоемкости армирования, увеличения расхода металла на закладные детали и на монтажную арматуру.

За счет применения материалов повышенной прочности масса предварительно напряженных конструкций оказывается значительно меньше массы железобетонных конструкций без предварительного напряжения, однако она остается выше массы металлических и особенно деревянных конструкций. Широкое внедрение в практику строительства конструкций из легких и ячеистых бетонов, армоцемента, ажурных тонкостенных пространственных, сетчатых и висячих конструкций позволяет значительно приблизить массу предварительно напряженных конструкций к массе металлических конструкций.

Большая тепло- и звукопроводность железобетона требует усложнения конструкции и дополнительного применения прокладок из тепло- и звукоизолирующих материалов.

Усиление предварительно напряженных конструкций не сложнее усиления железобетонных конструкций, но значительно сложнее усиления стальных и особенно деревянных конструкций. Производство работ по усилению предварительно напряженных конструкций отличается большой сложностью, трудоемкостью и стоимостью.

Предварительно напряженные конструкции несгораемы, но их огнестойкость ниже огнестойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это связано с тем, что критические температуры, до которых возможно безопасное нагревание предварительно напряженной арматуры, ниже по сравнению с ненапрягаемой арматурой. Например, прочность высокопрочной проволоки, подвергнутой холодной обработке (имеющей наклеп), начиная с температуры 200°С, заметно понижается и при 600°С составляет около 2/3 первоначальной прочности. Стержневая арматура периодического профиля, упрочненная вытяжкой, теряет наклеп при температуре свыше 400 °С. Таким образом, при пожаре огнестойкость предварительно напряженных конструкций окажется обеспеченной, если не будет превышена критическая температура для данного типа арматуры. Достичь этого возможно только при увеличении защитного слоя бетона.

Нормы допускают применение предварительно напряженных конструкцийизтяжелого и легкого бетона на цементном вяжущем при систематическом периодическом воздействии повышенных (температура нагрева не должна изменяться более одного раза в сутки на 30°С и одного раза в неделю — на 100°) и стационарном воздействии технологических температур до 200°С. При больших температурах рекомендуется применение жаростойкого железобетона.

Предварительно напряженные конструкции отличаются недостаточной коррозийной стойкостью.

Коррозия цементного камня в бетоне может происходить за счет:

1) выщелачивания из него извести мягкими водами, обусловливающего образование на поверхности бетона белых подтеков («белая смерть» бетона);

2) образования растворимых и уносимых водой продуктов, связанных с обменными реакциями при действии на бетон растворов кислот и некоторых солей;

3) образования кристаллизующихся солей в порах и капиллярах бетонных элементов, например при действии растворов сульфатов, приводящих к растрескиванию элементов (цементная бацилла). Все три вида коррозии цементного камня снижают защитные свойства бетона по отношению к арматуре и могут вызвать опасную коррозию арматуры.

Коррозия арматуры может вознинуть также вследствие недостаточного содержания цемента в бетоне, наличия в нем вредных добавок (например, поваренной соли), раскрытия трещин более 0,4 мм, недостаточной толщины защитного слоя, малой плотности бетона. Коррозийные поражения резко снижают несущую способность и пластические свойства высокопрочной арматуры, вызывают растрескивание термически упрочненной арматуры, что вызывает внезапное хрупкое разрушение предварительно напряженных конструкций.

Основные мероприятия по защите железобетона от коррозии сводятся к следующему:

– предупреждение образования трещин или ограничение их раскрытия;

– ограничение степени агрессивности окружающей среды;

– применение плотных и водонепроницаемых бетонов на специальных сульфатостойких цементах;

– защита поверхностей разнообразными полимерными материалами, кислотоупорной штукатуркой, керамической облицовкой, оклеечной и обмазочной изоляцией;

– перерасход арматуры до 10. 20%; увеличение защитного слоя бетона до 25 мм.

Нефть и ее погоны уменьшают сопротивление бетона растяжению, сжатию и сцепление с арматурой, вследствие чего бетон становится проницаемым для жидкостей.

Растительные и животные масла и жиры, особенно прогорклые, содержат жирную кислоту, которая омыляет известь бетона и образует разрушающее бетон известковое мыло.

Сахар, сиропы, патока образуют с известью растворимые соли — сахараты, которые быстро разрушают свежий бетон.

Спирты сами по себе не вредны, но извлекая из бетона воду, высушивают его и прекращают процесс твердения. Перечисленные основные недостатки железобетонных конструкций незначительны по сравнению с их многочисленными крупными достоинствами. Отрицательное влияние многих недостатков может быть существенно снижено высококачественными проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией железобетонных конструкций.

Вот почему, несмотря на короткую историю развития (

135 лет), они получили массовое распространение при строительстве самых ответственных и уникальных зданий и сооружений. Нет ни одной области капитального строительства, в которой с успехом не могли бы быть использованы современные железобетонные конструкции и особенно предварительно напряженные. При правильной эксплуатации железобетонные конструкции могут служить длительное время без снижения несущей способности, потому что прочность бетона возрастает с течением времени и он надежно защищает арматуру от коррозии.

Читайте также:  Размер газоблока для строительства дома: стандарт, для перегородок

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9941 – | 7563 – или читать все.

Что такое преднапряженный железобетон и как его производят?

Конструкции из сборного железобетона и предварительно напряженные железобетонные конструкции получили массовое применение в строительной сфере. Это позволяет расширять архитектурно-планировочные характеристики и функциональность. Преднапряжение препятствует трещиностойкости, снижает показатели деформаций.

Что из себя представляет преднапряженное ЖБИ?

В целях борьбы с низкой прочностью при растяжении искусственного бетонного камня создают напряжение на этапе производства в бетоне противоположной к эксплуатационным характеристикам, что позволяет эффективно применять свойства бетона при его сжатии. Арматурную сталь в железобетонном изделии растягивают, а по полному затвердевании залитого бетонного раствора ее избавляют от натяжения. Стальные прутья сжимаются и оказывают непосредственное влияние на слой бетона. Предварительное напряжение увеличивает предел растяжимости бетона за счет суммирования 2-х деформаций: растяжения и предсжатия.

Сжатие и растяжение материала делает его более устойчивым к нагрузкам.

Преднапряженный железобетон не подвержен растрескиванию бетонного слоя зоне конструкции с растяжением, а также при его применении сокращается количество используемой арматуры. Если при этом применять высокопрочный металл и бетон, можно добиться снижения весовых показателей железобетонных конструкций, увеличить их срок эксплуатации. Основные характеристики для этого вида ЖБИ установлены ГОСТом 26633–91, а значения и размеры арматуры установлены СП 52—101—2003.

Преимущества и недостатки

Среди основных преимуществ выделяют следующие:

  • Высокие показатели растяжения и трещиностойкости, предохранение металла от образования коррозии. Это свойство необходимо для конструкции находящихся в постоянном контакте с водой, например, плотин, труб.
  • Уменьшение сечений и веса таких элементов до 30%, как следствие, меньший расход материала.
  • Лучшее сопротивление динамическим нагрузкам. Задействуют для строений, в которых типичные ЖБИ применять не рационально, например, за счет облегченной массы и объема, упрощения в сборке (подкрановые балки, плиты).
  • Сборно-монолитные блоки конструкции. С помощью таких блоков достигается более длительная эксплуатация. При возведении таких конструкций все отдельные части соединяют так, что в процессе эксплуатации они объединяются в целое и выполняют свои функции в одном направлении.
  • Уменьшение расхода арматуры до 40% вследствие более качественному применению свойств металла, помещенного в напряженное состояние.

Производство позволяет тратить гораздо меньше арматуры на данный материал.

Предварительно напряженный железобетон имеет и свои минусы:

  • Трудоемкость процесса изготовления.
  • Трудно проводимый контроль по проверке армирования изготовленного элемента.
  • Значительный вес ЖБИ. Только применяя легкие заполнители или пустотные конструкции с тонкими стенами достигают значительного уменьшения массы.
  • Необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов.

Процесс производства

Существует несколько способов натяжения арматуры:

Производство материала может выполняться по электротермической методике.

  • механический (домкраты винтового или гидравлического типа);
  • электротермический (стального пруток удлиняется до нужных значений с применением электротока;
  • электротермомеханический (комбинация первого и второго метода).

Напряженный бетон изготавливается с помощью прокладки металлических составляющих с высокой прочностью на растяжение, растягивая ее специальным аппаратом и сверху производят заливку бетона. Когда смесь затвердевает напряженность стальной проволоки переходит к бетону вокруг арматуры, что частично или целиком позволяет убрать напряжение от эксплуатационной нагрузки конструкции.

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.

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

Обжатие может происходить 2 методами: с натяжением стали на упоры и на бетон. При первом методе арматура растягивается на торцах и бетонируется, после освобождая элемент. Второй метод заключается в изготовлении формы с пазами. После заливки и набирания прочности вводится арматура в подготовленные пазы натягивая и заанкеривая ее. Далее заполняют каналы смесью. Этот процесс могут проводить специальные навивочные строительные аппараты.

При данном способе производства подготовленную арматуру нужно растянуть на торцах.

Арматурное напряжение производится механически, электротермически, комбинированно и физико-химически.

Применение бетона в предварительно напряженном состоянии

Преднапряженный бетон используется в разных отраслях строительства для сооружения:

Из материала можно возводить телебашни.

  • высотных башен (в т. ч. телевизионных);
  • большепролетных перекрытия без существенного увеличения расхода бетона и арматуры периодического профиля и жилые здания;
  • резервуаров в форме яйца для очистных городских сооружений (применяется техника за рубежом с использованием монолитного преднапряженного железобетона);
  • водных плотин;
  • корпусов атомных реакторов 1-го поколения и герметичного ограждения атомных электростанций;
  • мостов.

Из такого бетона создают стены, панели ограждения, лестничные марши, основу фундаментов, колонны, столбы линий электропередач, каркасы подземных тоннелей и прочее. Напрягающий цемент для производства изделий из железобетона обеспечит дополнительную водонепроницаемость и прочность конструкции.

Преднапряженные железобетонные конструкции

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.

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.

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.

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.

Бетон

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.

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.

Читайте также:  Литой асфальтобетон: укладка, ямочный ремонт

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.

Области использования конструкций

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.

Вывод

Преднапряженные изделия из железобетона имеют много достоинств. Их недостатки могут быть нивелированы качеством проектирования, производства и монтирования, способствующим длительной эксплуатации.

Что такое предварительно напряженные железобетонные конструкции: преимущества и недостатки

Преднапряженный бетон относится к категории строительных материалов, для производства которого применяется стальная арматура высокой прочности и бетонная смесь. Благодаря особой технологии производства он сопротивляется значительному растягивающему напряжению. Преднапряженный железобетон характеризуется прочностью и повышенной трещиностойкостью.

Определение

Предварительно напряженными железобетонными конструкциями называют стройматериал, во время производства которого бетон поддается начальной расчетной напряженностью сжатия. Во время изготовления материала предварительно формируется напряжение растяжения в стальной арматуре, которая характеризуется высоким уровнем прочности. Она используется для обжатия бетона на участках, которые будут поддаваться напряжению во время эксплуатации.

При сжатии не наблюдается проскальзывания арматуры, так как она скрепляется с материалом и в торце имеет анкерное закрепление. Железобетонный состав армируется, что позволяет уравновесить напряженность. Если в процессе эксплуатации на стройматериал воздействуют полезные нагрузки, то это не приводит к образованию трещин, что продляет срок его службы.

Преимущества

  • Железобетонные балки хорошо работают на сжатие и прогиб относительно центра тяжести. Они характеризуются высоким уровнем прочности по всей длине, что предоставляет возможность увеличения длины перекрываемых пролетов. Это обеспечивает уменьшение размеров поперечного сечения, а также сокращение веса и размеров комплектующих.
  • Бетон является химически нейтральным материалом, что исключает возможность коррозии и деформаций арматуры.
  • Арматура обжимает бетон сборочных единиц, что исключает сопротивление сцепления и позволяет сократить расход металла на стыке.
  • Железобетонные конструкции могут состоять из стыкуемых частей и иметь одинаковое поперечное сечение, что обеспечивает стойкость к внешней нагрузке. Конструкции характеризуются повышенной выносливостью, что обеспечивается компенсацией повторяющихся динамических воздействий.
  • Призменная прочность дает возможность демпфирирования изменений в арматуре и бетоне, которые появляются при колебаниях внешней нагрузке.
  • При использовании стройматериала исключается возможность деформаций бетона и арматуры, что гарантирует повышенную сейсмическую стойкость здания.

Недостатки

Для того чтобы обеспечить предварительное напряжение железобетонных конструкций, нужно использовать специальное оборудование. Продукция нуждается в бережном хранении, правильной транспортировке и профессиональном монтаже. Это не приведет к аварийному состоянию строительного материала еще до его эксплуатации.

Продольное растягивающее усилие приведет к появлению трещин, которые снизят несущую способность.

Для обеспечения прочности на осевое растяжение нужно использовать металлоемкую опалубку. Это увеличивает расход стали.

Для того чтобы обеспечить тепло- и звукопроводность, нужно использовать компенсирующие материалы. Такие конструкции характеризуются более низким порогом огнестойкости.

В соответствии с сущностью предварительно напряженного железобетона можно сделать выводы, что он не переносит воздействие щелочей, солей, кислот и т.д. При этом наблюдается снижение несущей способности изделий, а также их разрушение. Недостатком конструкции является их внушительный вес.

Материалы для конструкций

Железобетон относится к категории многокомпонентных строительных материалов. Он состоит из бетона и стальной арматуры. Во время проектирования железобетона определяются параметры качества материалов в соответствии со стандартами ГОСТ.

Бетон

Смесь настаивается не менее 28 дней, что позволит получить предварительное напряжение материала. На начальном этапе эксплуатации может наблюдаться частичная утрата напряженного качества бетоном, что объясняется снижением напряженности стальных элементов. Определение нормального сечения железобетонного элемента осуществляется в соответствии с проектом и требованиями дальнейшей эксплуатации.

Арматура

Стальная арматура должна быть напряженной и стойкой к растяжению в процессе всего срока эксплуатации. Она способна выдерживать нагрузки длительное время, что исключит возможность раскрытия трещин на бетоне. Для производства стройматериала применяют высокопрочную сталь, которая имеет незначительную текучесть. Расчетные характеристики стали должны полностью соответствовать ползучести бетона.

Изготовление железобетонных конструкций проводится с использованием арматурной проволоки:

Железобетонные конструкции изготавливаются с использованием холоднодеформированной, горячекатаной упрочненной арматуры, сварных каркасов, канатов. Площадь сечения арматуры напрямую зависит от размеров готового железобетонного изделия. Проволока и канаты имеют серповидное и кольцевое сечение, а арматура – гладкое и периодическое. Сталь должна иметь соответствующую поперечную силу. Текучесть металла по отношению к удлинению должна составлять 0,2 процента.

В соответствии с параметрами растянутого волокна класс прочности арматуры должен быть 0,95 и больше. Она должна характеризоваться холодостойкостью и пластичностью. Оптимальное усилие в напрягаемой арматуре обеспечивается благодаря формированию сложной пространственной поверхности. Именно поэтому материал должен поддаваться свариванию.

Напряжение арматуры во время производства обеспечивается механическими или электротермическими способами. В первом случае это достигается с применением грузов, домкратов и рычагов. Электротермический способ требует заготовить стержни нужной длины, на концах которых располагаются анкера. Их нагревают до 400 градусов, что приводит к их удлинению. В таком состоянии проводится закрепление арматуры на опорах. При охлаждении стержни укорачиваются, но анкера не дают это сделать, что приводит к появлению напряжения.

Области использования конструкций

Применение преднапряженных конструкций рекомендуется при нецелесообразности использования обычного железобетона. Они являются идеальным вариантом при необходимости обеспечения несущей прочности. Применение напряженных железобетонных конструкций осуществляется в различных сферах строительства – промышленной, гражданской, специальной, гидротехнической.

Железобетонные конструкции применяются для сооружения мостов, которые имеют широкие пролеты. Их рекомендовано использовать для строительства напорных трубопроводов и плотин. С помощью ЖБИ проводится монтаж водонепроницаемых емкостей.

Конструкции широко применяются для создания подпорных стен и ограждающих панелей. Если возникает необходимость в возведении фундамента или лестничного марша, то применяются железобетонные конструкции. Их используют для строительства помещений в сейсмо- и взрывоопасных районах. С помощью ЖБИ формируются сборно-монолитные конструкции. Они заключаются в соединении арматурой отдельных преднапряженных сборных элементов. С применением железобетонных конструкций возводятся колонны, а также столбы линий электропередач. С их применением создаются каркасы тоннелей.

Вывод

Преднапряженные ЖБИ характеризуются наличием большого количества преимуществ, поэтому их широко применяют в строительстве. Наличие недостатков объясняется недостаточным качеством проектирования, изготовления и монтажа. Благодаря положительным характеристикам конструкций они широко применяются в возведении разнообразных сооружений.

Преднапряжение бетона

Преднапряженный бетон относится к категории строительных материалов, которые предназначаются для преодоления неспособности обычных бетонов к сопротивлению усилиям растягивающего напряжения. Конструкции из него, по сравнению с ненапряженными, обладают значительно меньшими прогибами и повышенной устойчивостью к образованию трещин. При этом железобетон обладает одинаковой прочностью, за счет чего можно перекрывать большие пролеты при аналогичном сечении элементов.

При натяжении на бетон используется стальная арматура, обладающая высокой прочностью на растяжение. Она натягивается при помощи специальных устройств, а затем происходит укладка бетонной смеси. После схватывания усилия преднатяжения освобожденных арматурных элементов или канатов передаются окружающему бетону, который оказывается сжатым. Это дает возможность полностью или частично устранить растягивающие напряжения от различных эксплуатационных нагрузок.

Предварительно напряженный бетон изготавливается с натяжением арматуры следующими способами: механическим, электротермическим и электротермомеханическим (комбинированным).

Первый метод предполагает применение домкратов, как правило, гидравлического или винтового типа. Электротермический способ заключается в натяжении на бетон с использованием нагрева при помощи электрического тока, после чего арматура удлиняется до необходимых значений. Укорачиваясь, она обжимает бетон, армируя конструкцию. Комбинированный способ предполагает объединение первых двух методик.

Технологии создания преднапряженного бетона

Выделяют следующие технологии:

  • натяжение на упоры (до укладки в опалубочную систему);
  • натяжение на бетон (после укладки и набора марочной прочности).

Чаще всего второй вариант используется во время возведения большепролетных мостов, где один пролет изготавливается за несколько этапов (захваток). При натяжении на бетон материалы из стали (тросы или арматура) укладываются в форму для бетонирования в канатообразователи, которые представляют собой гофрированные тонкостенные трубы из пластика или металла.

После изготовления монолитной конструкции из железобетона трос при помощи специальных механизмов (домкратов) натягивается до достижения определенных значений. Затем в канатообразователи с тросами закачивают жидкий цементный раствор. Таким образом, создается высокопрочное соединение сегментов пролетов.

В то время как натяжение на упоры предполагает применение натянутой арматуры исключительно прямолинейной формы, натяжение на бетон позволяет работать с арматурами сложных форм. За счет этого существенно увеличивается технико-экономическая эффективность армирования. К примеру, в мостах такие элементы поднимаются внутри несущих балок из железобетона на участках, расположенных над опорами-«быками». Это дает возможность более эффективно предотвращать риски прогибов.

Преимущества и недостатки преднапряженного железобетона

Преднапряженный железобетон устанавливается в строительные конструкции уже в напряженном на сжатие состоянии. Он обладает рядом преимуществ:

  1. Более экономичен. Натяжение на бетон позволяет сокращать расход стали в среднем на 40-60 %. Используется меньше цемента, уменьшаются также сечение и масса.
  2. Имеет высокую стойкость к образованию трещин и их дальнейшему расширению, что позволяет предотвращать распространение коррозионных процессов.
  3. Может использоваться для специальных сооружений, в которых нельзя или нежелательно применять обычные ЖБИ.
  4. Натяжение на бетон позволяет задействовать материал для стыков сборных частей конструкций: подкрановых и кровельных балок, плит перекрытий и других.
  5. Со временем существенно увеличивается сейсмоустойчивость конструкций, что достигается за счет низкой массы материалов.

Среди недостатков натяжения на бетон можно выделить высокую трудоемкость и сложность работ, что обусловлено необходимостью особо тщательных расчетов. Также конструкции из преднапряженного железобетона обладают низкой огнестойкостью.

  • Объекты, реализованные с применением преднапряженного бетона

  • Добавить комментарий