Что такое предварительно напряженный железобетон

Предварительно напряжённый железобетон

Предварительно напряжённый железобетон (преднапряжённый железобетон) — это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям [1] . Конструкции из преднапряженного железобетона по сравнению с ненапряженным имеют значительно меньшие прогибы и повышенную трещиностойкость, обладая одинаковой прочностью, что позволяет перекрывать большие пролеты 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:

• Механический способ — натяжение, как правило, с использованием гидравлических или винтовых домкратов [2]
• Электротермический способ натяжения — натяжение с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений [3]
• Электротермомеханический — способ, комбинирующий механический и электротермический.

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) [4] . 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) [5]

Предварительно напряжённый железобетон является главным материалом междуэтажных перекрытий высотных зданий и защитных гермооболочек ядерных реакторов, а также колонн и стен зданий в зонах повышенной сейсмо- [6] и взрывоопасности [7] .

Придавленная, как прессом, весом высокого аттика стена Колизея в Риме является свидетельством того, что еще архитекторы в древнем Риме понимали преимущества преднапряжения каменных конструкций, предназначенных для работы в условиях возможных землетрясений. Из блоков предварительно напряжённого железобетона сделана скульптура «Родина-мать» в Волгограде.

Сущность предварительно напряженного железобетона;

Иногда образование трещин в конструкциях недопустимо по условиям эксплуатации (например, в резервуарах; трубах; конструкциях, эксплуатирующихся при воздействии агрессивных сред). Чтобы исключить этот недостаток железобетона, применяют предварительно напряженные конструкции. Таким образом, можно избежать появления трещин в бетоне и уменьшить деформации конструкции в стадии эксплуатации.

Предварительно напряженной называют такую железобетонную конструкцию, в процессе изготовления которой создают значительные сжимающие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры. Начальные напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузок испытывают растяжение (рис. 1.2).

Преимущества преднапряженных железобетонных конструкций:

— повышенная трещиностойкость, и как следствие, повышенная долговечность;

— экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры (удельная стоимость арматуры снижается с увеличением прочности арматуры, поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее обычной; однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях без преднапряжения не рекомендуется, т.к. при высоких растягивающих напряжениях в арматуре трещины в растянутых зонах бетона будут значительно раскрыты, снижая при этом необходимые эксплуатационные качества конструкции);

— меньший собственный вес по сравнению с обычным железобетоном за счет применения высокопрочных материалов.

Преднапряжение практически не влияет на прочность железобетонных конструкций.

Способы создания предварительного напряжения конструкций:

1. Натяжение арматуры на упоры.

2. Натяжение арматуры на бетон.

3. Самонапряжение конструкций.

Натяжение на упоры – наиболее индустриальный способ создания преднапряжения арматуры. Арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют на упоре, другой натягивают домкратом или иным приспособлением до контролируемого напряжения (рис. 1.3). Затем изделие бетонируется, пропаривается и после приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности для восприятия обжатия R_bp арматуру отпускают с упоров. Арматура, стремясь укоротиться в пределах упругих деформаций, при наличии сцепления с бетоном увлекает его за собой и обжимает.

Натяжение на бетон применяется главным образом при соединении на монтаже крупноразмерных конструкций (в мостостроении и др.), а также при возведении специальных сооружений (телебашни, защитные оболочки АЭС и др.), в которых необходимо поддерживать заданное напряжение. Сначала изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, затем по достижении бетоном прочности R_bp создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Это осуществляется следующим образом: напрягаемую арматуру заводят в каналы или пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают с помощью домкрата, упираясь прямо в торец изделия. При этом обжатие бетона происходит уже в процессе натяжения арматуры. При этом способе напряжения в арматуре контролируют после окончания обжатия бетона. Каналы в бетоне, превышающие диаметр арматуры на 5 ¸ 15 мм, создают укладкой извлекаемых впоследствии пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых трубок и т.д.). Сцепление арматуры с бетоном достигается за счет того, что после обжатия инъецируют (нагнетают в каналы цементное тесто или раствор под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники – отводы). Если напрягаемую арматуру располагают с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т.п.), то навивку ее с одновременным обжатием бетона выполняют специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием защитный слой бетона.

Самонапряжение конструкций осуществляется при использовании энергии напрягающих или расширяющихся цементов.

Способы создания натяжения арматуры:

1. Механический (гидравлические домкраты);

2. Электротермический (нагрев арматуры).

3. Электротермомеханический (арматуру нагревают и домкратами натягивают);

1.3. Физико-механические свойства бетона: деление бетона по ряду признаков, структура бетона, усадка бетона.

Требования, предъявляемые к бетонам:

— хорошее сцепление с арматурой и плотность,

Классификация бетонов осуществляется по следующим признакам:

1. По структуре бетона:

— плотная (все пространство между зернами заполнителями заполнено вяжущим);

— крупнопористая (беспесчаные или малоячеистые бетоны);

— поризованные (с искусственной или естественной пористостью заполнителя и цементного камня);

— ячеистые (с искусственными порами).

2. По средней плотности:

— особо тяжелые (ρ ≥ 2500 кг/м 3 );

— мелкозернистые (1800 ≤ ρ 3 );

3. По зерновому составу:

— крупнозернистые (содержащие зерна крупного и мелкого заполнителя);

— мелкозернистые (содержащие зерна только мелкого заполнителя).

4. По виду заполнителя:

— на плотных заполнителях;

— на пористых заполнителях;

— на специальных заполнителях.

5. По способу твердения:

— искусственного (термовлажностная обработка при атмосферном давлении);

— автоклавного (автоклавная обработка при высоком давлении).

Понятие о предварительно напряженных железобетонных конструкциях

Основными достоинствами железобетона являются: высокая проч­ность, огнестойкость, долговечность, простота формообразования. Бетонная балка (рис. ниже), испытывающая при изгибе растяжение ниже нейтральной оси и сжатие выше нее, имеет низкую несущую способность вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. При этом прочность бетона в сжатой зоне используется не полностью. В связи с этим неармированный бетон не рекомендуется применять в конструкциях, предназначенных для работы на изгиб или растяжение, так как размеры таких элементов были бы непомерно большими.

Бетонные конструкции применяют преимущественно при их работе на сжатие (стены, фундаменты, подпорные сооружения, ус­той и др.) и только иногда при работе на изгиб при малых растяги­вающих напряжениях, не превышающих предела прочности бето­на при растяжении.

Железобетонные конструкции, усиленные в растянутой зоне арматурой, обладают значительно более высокой несущей способ­ностью. Так, несущая способность железобетонной балки (рис. ниже) с уложенной внизу арматурой в 10-20 раз больше, чем несущая способность бетонной балки таких же размеров. При этом прочность бетона в сжатой зоне балки используется полностью.

Схемы работы элементов под нагрузкой

В качестве арматуры применяют стальные стержни, проволо­ки, прокатные профили, а также стекловолокно, синтетические ма­териалы, деревянные бруски, бамбуковые стволы.

Конструкции армируют не только при их работе на растяжение и изгиб, но и на сжатие (рис. выше). Поскольку сталь имеет высокое сопротивление растяжению и сжатию, включение ее в сжатые эле­менты значительно повышает их несущую способность. Совмест­ная работа таких различных по свойствам материалов, как бетон и сталь, обеспечивается следующими факторами:

1. сцеплением арматуры с бетоном, возникающим при твердении бетонной смеси; благодаря сцеплению оба материала деформи­руются совместно;
2. близкими по значению коэффициентами линейных температур­ных деформаций (для бетона 7·10 -6 -10·10 -6 1/град, для стали 12·10 -6 1/град), что исключает появление начальных напряже­ний в материалах и проскальзывание арматуры в бетоне при изменениях температуры до 100 °С;
3. надежной защитой стали, заключенной в плотный бетон, от кор­розии, непосредственного действия огня и механических по­вреждений.

Особенностью железобетонных конструкций является возмож­ность образования трещин в растянутой зоне при действии внешних нагрузок. Раскрытие этих трещин во многих конструкциях в стадии эксплуатации невелико (0,1-0,4 мм) и не вызывает коррозии арма­туры или нарушения нормальной работы конструкции. Однако име­ются конструкции и сооружения, в которых по эксплуатационным условиям образование трещин недопустимо (например, напорные трубопроводы, лотки, резервуары и т. п.) или ширина раскрытия должна быть уменьшена. В этом случае те зоны элемента, в кото­рых под действием эксплуатационных нагрузок появляются растя­гивающие усилия, заранее (до приложения внешних нагрузок) под­вергают интенсивному обжатию путем предварительного натяже­ния арматуры. Такие конструкции называют предварительно напряженными. Предварительное обжатие конструкций выполня­ют в основном двумя способами: натяжением арматуры на упоры (до бетонирования) и на бетон (после бетонирования).

В первом случае перед бетонированием конструкции арматуру натягивают и закрепляют на упорах или торцах формы (рис. ниже). Затем бетонируют элемент. После приобретения бетоном необхо­димой прочности для восприятия сил предварительного обжатия (передаточная прочность) арматуру освобождают от упоров и она, стремясь укоротиться, сжимает бетон. Передача усилия на бетон происходит благодаря сцеплению между арматурой и бетоном, а также посредством специальных анкерных устройств, находящих­ся в бетоне конструкции, если сцепления недостаточно.

Во втором случае сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент с каналами или пазами (рис. ниже). При дос­тижении бетоном требуемой передаточной прочности в каналы (пазы) заводят арматуру, натягивают ее с упором натяжного при­способления на торец элемента и заанкериваюг. Таким образом, бетон оказывается обжатым. Для создания сцепления арматуры с бетоном в каналы инъектируют цементный или цементно-песчаный раствор. Если напрягаемая арматура располагается на наружной поверхности элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резер­вуаров и т. п.), то навивка ее с одновременным обжатием бетона производится специальными навивочными машинами. После натя­жения арматуры на поверхность элемента наносят торкретирова­нием защитный слой бетона. Натяжение арматуры может произво­диться механическим, электротермическим, комбинированным и физико-химическим способами.

Способы создания предварительного напряжения

а — натяжение на упоры; б — натяжение на бетон; I — натяжение арматуры и бетонирование элемента; II, IV — готовый элемент; III — элемент во время натяжения арматуры; 1 — упор; 2 — домкрат; 3 — анкер

При механическом способе арматуру натяг ивают гидравличес­кими или винтовыми домкратами, намоточными машинами и дру­гими механизмами. При электротермическом способе арматуру нагревают электрическим током до 300-350 °С, заводят в форму и закрепляют на упорах. В процессе остывания арматура укорачива­ется и получает предварительные растягивающие напряжения. Ком­бинированный способ натяжения сочетает электротермический и механический способы натяжения арматуры, осуществляемые од­новременно. При физико-химическом способе натяжение арматуры достигается в результате расширения бетона, приготовленного на специальном напрягающем цементе (НЦ), в процессе его гидро­термической обработки.

Арматура, заложенная в бетоне, препятствует увеличению его объема и растягивается, а в бетоне возникают сжимающие напря­жения. Натяжение арматуры на упоры производится механическим, электротермическим или комбинированным способами, а на бе­тон — только механическим способом.

Основное достоинство предварительно напряженных конструк­ций — высокая трещиностойкость. При загружении предварительно напряженного элемента внешней нагрузкой в бетоне растянутой зоны погашаются предварительно созданные сжимающие напряжения и только после этого возникают растягивающие напряжения. Чем выше прочность бетона и стали, тем большее предварительное обжатие можно создать в элементе.

Применение высокопрочных материалов позволяет сократить рас­ход арматуры на 30-70% по сравнению с ненапрягаемым железобето­ном. Расход бетона и масса конструкции при этом также снижаются. Кроме того, высокая трещиностойкость предварительно напряженных конструкций повышает их жесткость, водонепроницаемость, морозо­стойкость, сопротивление динамическим нагрузкам, долговечность.

К недостаткам предварительно напряженного железобетона следует отнести то, что процесс составляет значительную трудоем­кость изготовления конструкций. Помимо этого создается необхо­димость в использовании специального оборудования и рабочих высокой квалификации.

Напряженно-деформированные состояния предварительно на­пряженных элементов после образования трещин в бетоне растяну­той зоны сходны с элементами без предварительного напряжения.

1. Что такое предварительно напряженный железобетон и каковы его преимущества по сравнению с обычным железобетоном?

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.

Делись добром 😉

Похожие главы из других работ:

1. Что такое Зелёная Архитектура

Зеленая архитектура известна под несколькими другими названиями, вроде зеленого строительства, экологически чистой архитектуры, экологически ориентированной архитектуры, природной архитектуры и экологической архитектуры.

Железобетон в России. А. Ф. Лолейт

Cоветская наука о железобетоне и практика его применения строились и развивались на надежной основе завоеваний, опыта и традиций научного подхода к решению инженерных задач, составляющего заслугу отечественных инженеров и среди них.

2 Что такое готика

Слово Готика происходит от названия германского племени готов. Готический стиль — это художественный стиль, явившийся завершающим этапом в развитии средних веков искусства стран Западной.

Предварительно напряжённый железобетон

Предварительно напряжённый железобетон (преднапряжённый железобетон) — это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

Воздействие температуры на железобетон

Под воздействием температуры в железобетоне возникают внутренние взаимно уравновешенные напряжения, вызванные некоторым различием в значениях коэффициента линейной температурной деформации цементного камня.

2.2 Преимущества инжиниринга

К числу важнейших преимуществ системы инжиниринга следует отнести: · повышение, при прочих равных условиях.

Преимущества

Главными преимуществами при возведении и эксплуатации деревянных каркасных конструкций являются следующие: Быстровозводимость и относительно низкая стоимость строительства.

Вопрос 5. Что такое термозит, каковы его свойства и для каких целей применяется в строительстве

ОТВЕТ. Термозит — шлаковая пемза. Шлаковая пемза является искусственным пористым материалом. Благодаря своим универсальным физико-механическим и теплотехническим свойствам шлаковая пемза применяется: Как заполнитель в лёгких бетонах.

4. Преимущества панелей

декоративный панель облицовка стена Основные преимущества панелей: — Малая трудоемкость при монтаже. Не нужно подготавливать поверхность (снимать краску, обои, выравнивать неровности). Установить панели можно своими руками.

Преимущества СОП

* Системы отопления попом (СОП) бурно развиваются в последние годы и смогли завоевать всеобщее признание как идеальные системы отопления.

Железобетон, как композиционный строительный материал. История, характеристики

Железобетомн — строительный композиционный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру. [1] Запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений.

5. Как ускоряют сушку древесины, что такое коэффициент усушки? С какой влажностью берут древесину в работу?

Можно ускорить процесс путём применения более разреженной укладки, размещения штабелей в соответствии с господствующим направлением ветра, или принудительной циркуляцией воздуха с помощью вентиляторов. Ускорение сушки, с одной стороны.

4.2 Сборный железобетон и кирпич

Надземную часть насосной станции монтируем из кирпича. Количество кирпича определяем как: Nк = Р*Нн.ч.*0,64 (11) Nк = 36*5*0,64 = 115 м3 Кровлю устраиваем мягкую, на плитах перекрытия ПТК шириной 1,5 м.

4. Вопрос №48. Что такое герметики? Цель применения герметиков, разновидность этих материалов

Герметизирующие материалы применяют для заделки наружных швов между элементами сборных конструкций зданий и сооружений.

3. Железобетон. Его основные свойства и характеристики

Железобетон — строительный композиционный материал, состоящий из бетона и стали [7]. Бетон, как показывают испытания, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению. Бетонная балка (без арматуры).

Предварительно напряженный железобетон в конструкциях мостов

Предварительно напряженный железобетон в конструкциях мостов

В железобетоне без предварительного напряжения при правильном проектировании и изготовлении конструкций можно предотвратить раскрытие трещин до предела, опасного с точки зрения коррозии арматуры и бетона, если применять арматуру из стали класса A–I – А–III. Целесообразное использование арматуры более высокой прочности в железобетоне без предварительного напряжения невозможно из–за возникновения уже при эксплуатационной нагрузке трещин недопустимого раскрытия, несмотря на повышение сцепления арматуры с бетоном путем применения стержней периодического профиля.

Для получения экономичной конструкции без трещин или с трещинами ограниченного раскрытия при использовании высокопрочной арматуры применяют предварительно напряженный железобетон.

Идея предварительно напряженного железобетона заключается в том, что при изготовлении в конструкции создают наиболее рациональное напряженное состояние. Применяют в основном два способа создания предварительного напряжения в конструкции: натяжение арматуры на бетон и натяжение арматуры на упоры.

Для изгибаемых элементов наиболее целесообразно создавать в сечении неравномерно распределенные предварительные напряжения так, чтобы максимальные сжимающие напряжения были в наиболее растянутых от внешних сил частях конструкции. Для этого напрягаемую арматуру располагают эксцентрично. От действия усилия преднапряжения в сечении возникает внецентренное сжатие, причем, кроме сжимающего усилия, в сечении действует изгибающий момент, обратный по знаку моменту от внешней нагрузки. При изготовлении элемент получает изгиб, обратный прогибу от внешней нагрузки, для чего предварительно напрягаемую арматуру располагают в сечении у наиболее растянутого волокна. Таким образом, преднапряженная арматура выполняет две функции: при эксплуатации сооружения создает сжимающие напряжения в бетоне, препятствуя появлению трещин, а при нагрузках, близких к разрушающим, когда растянутая зона бетона пересечена трещинами, воспринимает растягивающие усилия, как и арматура в ненапрягаемых элементах.

Предварительное напряжение создают для исключения или уменьшения не только основных растягивающих напряжений в сечениях, перпендикулярных к оси элемента, но и главных растягивающих напряжений, особенно при применении наряду с продольной арматурой также поперечной или наклонной преднапряженной арматуры. Предварительное напряжение препятствует и появлению местных растягивающих напряжений.

В бетоне может быть создано одноосное, двухосное или трехосное напряженное состояние. Размеры поперечного сечения сжатых элементов можно существенно уменьшить, если применить поперечное обжатие в двух направлениях, например, навивкой на бетонный сердечник спирали из высокопрочной проволоки под напряжением (косвенное напряженное армирование). В плите сборных пролетных строений можно создавать горизонтальное поперечное преднапряжение, одновременно объединяя балки в единую конструкцию.

Напряженное состояние элемента можно регулировать в широких пределах, создавая искусственные поля напряжений, благоприятные для конструкции, целесообразно назначая величину, направление и точки приложения усилий преднапряжения.

Таким образом, предварительно напряженный железобетон целесообразно применять в изгибаемых, растянутых и внецентренно растянутых элементах, а также во внецентренно сжатых элементах с большим эксцентриситетом сжимающей силы. В сжатых элементах предварительное напряжение можно создавать в косвенной арматуре.

Предварительно напряженные конструкции мостов имеют преимущества в сравнении с конструкциями из железобетона без предварительного напряжения. К ним относится прежде всего экономия металла (его требуется в 1,5–2,5 раза меньше), достигаемая в основном за счет применения высокопрочной арматуры. Наряду с экономией металла уменьшается расход бетона за счет снижения главных растягивающих напряжений. В результате в ряде случаев уменьшается вес частей сооружения и облегчаются перевозка и монтаж сборных конструкций.

Предварительно напряженная арматура позволяет применять обжатые стыки в сборных конструкциях, что дает экономию металла, идущего на закладные части, и повышает качество стыков. Только при использовании преднапряженной арматуры становится возможным применение таких прогрессивных способов сооружения железобетонных мостов, как навесное бетонирование и навесная сборка, обеспечивающих резкое снижение трудоемкости и сокращение сроков строительства. Однако в балочных конструкциях, проектируемых с исключением растяжения в бетоне под эксплуатационной нагрузкой, требуется увеличение размеров нижнего пояса для восприятия сил преднапряжения. Следует помнить, что высокие предварительные напряжения в бетоне может вызвать появление в нем трещин, направленных вдоль усилия обжатия. Поэтому предварительное напряжение следует применять осторожно, не перенапрягая без необходимости бетон.

Представляется целесообразным в ряде случаев не требовать исключения расчетных растягивающих напряжений в бетоне. Предварительное напряжение может быть задано таким, чтобы обеспечить отсутствие трещин, опасных в отношении коррозии арматуры (неполное обжатие бетона).

Технология изготовления преднапряженных мостовых конструкций сложнее, чем конструкций без предварительного напряжения, так как требует специальных обустройств для натяжения арматуры и квалифицированного обслуживающего персонала. Этот недостаток компенсируют развитием производственной базы для изготовления элементов мостовых конструкций с предварительным напряжением, созданием высокопроизводительного оборудования и совершенствованием технологии изготовления конструкций и монтажа преднапряженных железобетонных мостов.