22. Предварительно напряженные ж.Б. Конструкции. Способы создания предварительного напряжения.

Предв. напряж. ж/бк - в процессе изготовления искусственно создают значительные сжимаю­щие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры. Начальные сжимающие напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздейст­вием нагрузок испытывают растяжение. При этом повы­шается трещиностойкость конструкции и создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции. Удельная стоимость арматуры ц, характеризуемая отношением ее цены Ц (руб/т) к расчетному сопротивле­нию R_s (МГТа), снижается с увеличением прочности арматуры. Поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее обычной. Однако применять высо­копрочную арматуру в конструкциях без предваритель­ного напряжения нельзя, так как при высоких растяги­вающих напряжениях в арматуре и соответствующих деформациях удлинения в растянутых зонах бетона по­являются трещины значительного раскрытия, лишающие конструкцию необходимых эксплуатационных качеств. Суть использования предварительно напряженного железобетона в конструкциях — экономический эффект, достигаемой применением высокопрочной арматуры; вы­сокая трещиностойкость и как следствие повышенная жесткость, лучшее сопротивление динамическим нагруз­кам, коррозионная стойкость, долговечность. В предварительно напряженной балке под нагрузкой бетон испытывает растягивающие напря­жения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила F_crc, вызывающая образова­ние трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, превышает нагрузку, действующую при эксплуатации F_Ser- С увеличением нагрузки на балку до предельного разрушающего значения F_u напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений. В аналогичной балке без предварительного напряжения нагрузка F_crc<F_ser, но разрушающая нагрузка F_u для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы. Таким образом, железобетонные предварительно на­пряженные элементы работают под нагрузкой без тре­щин или с ограниченным по ширине их раскрытием F_ser<F_crc<F_u, а конструкции без предварительного на­пряжения— при наличии трещин (F_crc<F_Ser<F_u) и при больших значениях прогибов. В этом раз­личие конструкций предварительно напряженных и без предварительного напряжения с вытекающими отсюда особенностями их расчета, конструирования и изготов­ления. В производстве предварительно напряженных эле­ментов возможны два способа создания предварительно­го напряжения: натяжение арматуры на упор и натяже­ние ее на бетон. При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют в упоре, другой — натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируе­мого напряжения. После приобретения бе­тоном необходимой кубиковой прочности перед обжати­ем Rb_P арматуру отпускают с упоров. Арматура при восстановлении упругих деформаций в условиях сцепле­ния с бетоном обжимает окружающий бетон. При так называемом непрерывном армировании форму укладывают на поддон, снабженный штырями, арматурную проволоку специальной навивочной маши­ной с заданным усилием навивают на трубки, надетые на штыри поддона, и конец ее закрепляют плашечным зажимом. После того как бетон наберет необходимую прочность, изделие с трубками снимают со штырей поддона, при этом арматура обжимает бетон. Стержневую арматуру можно натягивать на упоры электротермическим способом. Стержни с высаженными головками разогревают электрическим током до 300... 350 °С, заводят в форму и закрепляют концами в упорах форм. При восстановлении начальной длины в процессе остывания арматура натягивается на упоры. Арматуру можно натягивать также электротермомеханическим способом. При натяжении на бетон сначала изготовляют бетон­ный или слабоармированиый элемент, за­тем при достижении бетоном прочности Rb_P создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Напря­гаемую арматуру заводят в каналы или в пазы, оставля-, емые при бетонировании элемента, и натягивают на бетон. 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 пустообразователей (стальных спиралей, резиновых тру­бок и т. п.) или оставляемых в бетоне гофрированных стальных трубок и др. Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием — нагнетани­ем в каналы цементного теста или раствора под давлени­ем через заложенные при изготовлении элемента трой­ники — отводы. Если напрягаемую арматуру располага­ют с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т. п.), то навивку ее с од­новременным обжатием бетона выполняют специальны­ми навивочными машинами. В этом случае на поверх­ность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием (под давлением) защитный слой бе­тона. Натяжение на упоры как более индустриальное яв­ляется основным способом в заводском производстве. Натяжение на бетон применяется главным образом для крупноразмерных конструкций и при соединении их на монтаже.

Особенности работы, конструирования и расчета.

Конструктивные требования по СП 52-101, а также дополнительные конструктивные требования, приведенные ниже.

Защитный слой бетона- толщину защитного слоя бетона арматуры предварительно напряженных элементов принимают не менее указанной в таблице 8.1 СП 52-101.

При этом у концов предварительно напряженных элементов на длине не менее 0,6 длины зоны передачи предварительного напряжения следует предусматривать установку дополнительной поперечной или косвенной арматуры, охватывающей напрягаемую арматуру.

Анкеровка арматуры: - в виде прямого окончания стержня (прямая анкеровка); - с применением специальных анкерных устройств на конце стержня.

Базовую (основную) длину анкеровки напрягаемой арматуры, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления на бетон, определяют по формуле

, где и - соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;

- расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле

- расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;

- коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:

1,7 - для холоднодеформированной арматуры периодического профиля класса Вр1500 диаметром 3 мм и арматурных канатов класса К1500 диаметром 6 мм;

1,8 - для холоднодеформированной арматуры класса Вр диаметром 4 мм и более;

2,2 - для арматурных канатов класса К диаметром 9 мм и более;

2,5 - для горячекатаной и термомеханически обработанной арматуры класса А.

Особенности работы:

• Еще до приложения внешней нагрузки в арматуре предварительно напряженных конструкций действуют значительные предварительные напряжения растяжения обжимающие бетон элементов

Внешняя растягивающая сила N 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 напряжения арматуры , 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), точно так же, как и в железобетонных элементах, 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 Чем выше натяжение арматуры и сильнее обжатие бетона, тем меньше участок, на котором происходит образование и раскрытие трещинПрочность 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.