Применение предварительно напряженных железобетонных конструкций

Арматура высокой прочности не может быть полностью использована в обычных железобетонных конструкциях вследствие чрезмерного развития трещин в бетоне при больших напряжениях в арматуре.

Этот недостаток исключается в предварительно напряжённых конструкциях. В таких конструкциях железобетон имеет предварительные (до действия эксплуатационной нагрузки) напряжения — растягиваюпще в арматуре и сжимающие в бетоне. Предварительно напряжённое состояние достигается в процессе изготовления конструкций, обычно искусственным натяжением арматуры до или после бетонирования.

Предварительно напряжённый железобетон

Применение высокопрочной арматуры в сочетании с предварительным, напряжением сокращает расход стали до 40—50% и бетона до 10—20%.

Предварительное напряжение не только повышает трещиноустойчивость железобетона при полном использовании высокой прочности стали, но и улучшает упругие свойства конструкций, увеличивает жёсткость и водонепроницаемость их.

В жилищно-гражданском строительстве имеют широкое применение предварительно напряженные железобетонные конструкции (балки и элементы настила перекрытий, прогоны, стеновые панели и панели перекрытий и др.).
Ниже указаны некоторые виды предварительно напряженных элементов для жилищно-гражданского строительства, применяемых в настоящее время.

• Сплошные двухслойные панели пролетом 4—6 м, высотой поперечного сечения 160 мм и шириной 395, 590, 790, 990, 1190 и 1595 мм.Нижний слой 35—45 мм. в котором располагается предварительно напряженная арматура, выполняется из бетона марки не ниже 400. Верхний слой выполняется из легкого бетона марки не менее 150 на шлаковых заполнителях В качестве предварительно напряженной арматуры применяется проволока диаметром 3 мм (гладкая) и 5 мм (периодического профиля) с пределом прочности, соответственно, 17 000 и 14 500 кг/см2.
• Настилы, фундаментные блоки, лестничные марши и площадки, армированные струнобетонными брусками.

Материалы для предварительно напряженных железобетонных конструкций

Для предварительно напряженных железобетонных конструкций применяются бетоны преимущественно высокомарочные, начиная от марка 200 до 600 и выше. Кубиковая прочность бетона к моменту предварительного напряжения должна составлять не менее 70% от его проектной марки.

Наиболее целесообразной арматурой является высокопрочной из твердой углеродистой стали. Специально для предварительно напряженных железобетонных конструкций выпуск каются высокопрочная гладкая проволока и высокопрочная проволока периодического профиля.

Нормативные сопротивления высокопрочной арматуры находятся в пределах от 12 000 до 20 000 кг/см2.
Высокопрочную проволоку применяют в изделиях массового назначения, изготовляемых непрерывным армированием (плиты и линейные конструкции, напорные трубы) в большепролетных покрытиях (фермы, балки, затяжки арок и др.), в пространственных конструкциях (оболочки, складки, купола и др.), в специальных конструкциях (мачты и опоры электропередачи, аэродромные покрытия и др.).

Горячекатаную повышенной прочности арматуру применяют в конструкциях настилов, панелях перекрытий, плитах и балках покрытий, при повышенных требованиях огнестойкости и при стендовом изготовлении подкрановых балок. Использование горячекатаной арматуры также целесообразно в железобетонных конструкциях, в которых допускается образование трещин.

Характеристика предварительно напряженных конструкций

Идея предварительно напряженных конструкций вызвана к жизни главным образом стремлением получить конструкции, безопасные в отношении: образования трещин.

Причина образования трещин в обычном железобетоне

кроется в малой растяжимости бетона. Первые трещины в бетоне появляются уже при удлинении 0,1—0,15 мм/м, тогда как растянутая арматура при эксплуатационной нагрузке (например, при qa = 1250 кг/см2) получает удлинение в 4—6 раз большее, т. е. при эксплуатационной нагрузке всегда в растянутой зоне бетона имеются волосные трещины (невидимые).
Вследствие малой растяжимости бетона нерационально применять высокопрочную сталь в обычных железобетонных конструкциях, работающих на изгиб; при почти одинаковой величине модуля упругости для разных
сталей из условия eа =ga/Ea, что если при обычной мягкой стали в бетоне наблюдаются волосные трещины, то при арматуре из высокопрочной (твердой) стали (Ra — 15 000 - 20 000 кг/см2) получаются недопустимые трещины.

Выгиб балки от предварительного напряжения и прогиб в стадии эксплуатации

В то же время применение материалов высокой прочности для железобетонных конструкций выгодно, так как стоимость бетона и стали с повышением их марок возрастает медленнее, чем их прочность. Использование высокопрочных материалов и создание конструкций, безопасных в отношении преждевременного образования трещин, стало возможным при условии предварительного обжатия бетона.

Все предварительно напряженные железобетонные конструкции в зависимости от порядка создания этого напряжения разделяются на два основных вида:

1. конструкции, характеризуемые натяжением арматуры на упоры (до бетонирования); реактивная сила от натяжения арматуры первоначально передается на специальные упоры, а после укладки и отвердения бетона натяжные приспособления освобождаются, и арматура, сокращаясь, передает сжимающие усилия на бетон;
2. конструкции, характеризуемые натяжением арматуры на бетон; здесь после отвердения бетона производится при помощи домкрата одновременное растяжение арматуры, уложенной в каналах, и обжатие бетона; такое уравновешенное состояние сохраняется закреплением арматуры по концам элемента особыми анкерными устройствами; путем последующей инъекции цементного раствора в канал элемента достигается сцепление арматуры с бетоном, а также и защита ее от коррозии.

Предварительно напряженные конструкции могут быть сборными, сборно-монолитными и монолитными

Сборно-монолитные конструкции обычно состоят из сборных предварительно напряженных элементов (бруски и доски) и из относительно большого объема бетона, укладываемого в конструкцию на месте (в построечных условиях).
Предварительно напряженные конструкции могут быть блочными, составленными из отдельных заранее изготовленных частей; при этом натяжение арматуры используется одновременно как средство для соединения отдельных частей. Применяется несколько методов натяжения арматуры — механический, электротермический и электротермомеханический.

Следует еще сказать о перспективных самонапряженных конструкциях, которых вся арматура подвергается предварительному растяжению за использования энергии особого расширяющегося цемента.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции характеризуют следующие преимущества перед обычными железобетонными

1. гарантированная (расчетом) безопасность против преждевременного образования трещин; трещиностойкость предварительно напряженных конcтрукций - это главнейшее преимущество их перед обычными железобетонными конструкциями;
2. возможность рационального использования высокой прочности стали и бетона и, как следствие, экономия металла (до 40—50%) и облегчение конструкций; уменьшение веса элементов (до 30%) существенно смягчает еще один недостаток обычного железобетона его большой собственный вес
3. возможность целесообразного и выгодного применения конструкций больших пролетов, что ведет к расширению области применения железобетона;
4. повышенная жесткость меньшие npoгибы из-за отсутствия волосных трещин и создания в элементах при их изготовлении обратных выгибов; это позволяет выполнять конструкции с меньшей высотой поперечного сечения;
5. большая долговечность конструкций (опять-таки благодаря трещиностойкости при эксплуатационных нагрузках); 6)более высокий предел выносливости, обусловленный незначительными колебаниями напряжений в растянутой арматуре при многократно повторяющейся нагрузке.

Изготовление предварительно напряженных конструкций требует особой тщательности. Например, некачественное заполнение канала цементным раствором при инъецировании может привести к коррозии арматуры, снижению прочности и долговечности конструкции.