Понятие, преимущества и область применения преднапряженных жбк

Иногда образование трещин в конструкциях, в которых недопустимо по условиям эксплуатации (например, в резервуарах; трубах; конструкциях, экспуатирующихся 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 напряженнойназывают такую железобетонную конструкцию, в которой в процессе изготовления которой создают значительные сжимающие напряжения в бетоне той зоны сечения конструкции, которая при эксплуатации испытывает растяжение (рис.2).

Как правило, начальные сжимающие напряжения в бетоне создают с использованием предварительно растягиваемой высокопрочной арматуры За счет этого повышается трещиностойкость и жесткость конструкции, а также создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции.

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.

Преимущества преднапряженного железобетона перед обычным – это, прежде всего, его высокая трещиностойкость; повышенная жесткость конструкции (за счет обратного выгиба, получаемого при обжатии конструкции); лучшее сопротивление динамическим нагрузкам; коррозионная стойкость; долговечность; а также определенный экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры.

В предварительно напряженной балке под нагрузкой (рис. 2) бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. На примере двух балок видно, что трещины в преднапряженной балке образуются при более высокой нагрузке, но разрушающая нагрузка для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы. Гораздо меньше также и прогиб преднапряженной балки.

Конструкция предварительно напряженной плиты по грунту была разработана в лаб. 7 ГУП НИИЖБ для применения в качестве основания промышленных покрытий промышленных полов и дорожной одежды при благоустройстве территорий в условиях, когда расчетные характеристики подстилающих грунтов снижены за по тем или иным причинам. Актуальность данной разработки зачастую определяется необходимостью производить работы по устройству плит по грунту в условиях зимы на промороженных или подрабатываемых грунтах. Возможность повышения жесткости плит по грунту за счет предварительного напряжения канатной арматуры в построечных условиях снижает требования к основанию и позволяет снизить в несколько раз затраты на его подготовку и сроки производства работ. В отличие от традиционных конструкций железобетонных плит по грунту сопоставимой жесткости, предварительно напряженные плиты по грунту имеют примерно в два раза меньший расход бетона и в четыре раза меньший расход арматуры. 26. Способы и методы создания предварительного напряжения

В производстве предварительно напряженных элементов возможны два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упоры и натяжение арматуры на затвердевший бетон. Натяжение арматуры на упоры производится механическим, электротермическим или электротермомеханическим способом, а натяжение арматуры на бетон, — как правило, механическим способом.

При натяжении на упоры до бетонирования элемента арматуру заводят в форму, один конец ее закрепляют в упоре, другой натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируемого напряжения. После приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности перед обжатием 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 навивают на трубки, надетые на штыри поддона, с заданной величиной напряжения, 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 на концах в упорах форм. Арматура при восстановлении начальной длины в процессе остывания натягивается на упоры. При натяжении на бетон сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент, затем при достижении бетоном прочности создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Напрягаемую арматуру заводят в каналы или в пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают на бетон. При этом способе напряжения в арматуре контролируются после окончания обжатия бетона. Каналы, превышающие диаметр арматуры на 5—15 мм, создают в бетоне укладкой извлекаемых пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых шлангов и т. п.) или оставляемых гофрированных стальных трубок и др. Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием — нагнетанием в каналы цементного теста или раствора под давлением. Инъецирование производится через заложенные при изготовлении элемента тройники — отводы. Если напрягаемая арматура располагается с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т. п.), то навивка ее с одновременным обжатием бетона производится специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием (под давлением) защитный слой бетона.

Большое распространение железобетона в современном строительстве вызвано прежде всего его значительными техническими и экономическими преимуществами в сравнении с другими строительными материалами.

До 70—80% массы железобетона составляют местные каменные материалы (песок, гравий или щебень). Замена стальных и деревянных конструкций железобетонными позволяет экономнее расходовать в строительстве сталь и древесину, незаменимые в других отраслях народного хозяйства.

Особенно значительный технико-экономический эффект достигается при применении сборного и предварительно напряженного железобетона, изготовляемого индустриальными методами на предприятиях и полигонах.

Железобетон обладает рядом важных технических преимуществ. Прежде всего он отличается исключительной долговечностью благодаря надежной сохранности арматуры, заключенной в бетон. Прочность же бетона со временем не только не уменьшается, но может даже увеличиться.

Железобетон хорошо сопротивляется атмосферным воздействиям, что особенно важно при строительстве открытых инженерных сооружений (эстакады, мачты, трубы, мосты и др.).

Конструкции из железобетона обладают высокой огнестойкостью. Практика показала, что защитный слой бетона толщиной 1,5-2 см достаточен для обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций при пожарах. В целях еще большего увеличения огне-, а также жаростойкости применяют специальные заполнители (базальт, диабаз, шамот, доменные шлаки и др.) и увеличивают толщину защитного слоя до 3-5 см.

Железобетонные конструкции, благодаря их монолитности и большей жесткости по сравнению с конструкциями из других материалов, отличаются весьма высокой сейсмостойкостью.

Железобетону легко могут быть приданы любые целесообразные конструктивные и архитектурные формы. Эксплуатационные расходы по содержанию сооружений и уходу за конструкциями весьма низки.

По затратам времени на изготовление и монтаж сборные железобетонные конструкции могут конкурировать со стальными, особенно при изготовлении железобетонных конструкций методом проката, кассетным способом, при монтаже с колес и применении других прогрессивных методов изготовления и монтажа.

К недостаткам железобетонных конструкций следует отнести:

1) относительно большой собственный вес;

2) сравнительно высокую тепло- и звукопроводность, требующую в некоторых случаях устройства специальной изоляции;

3) сложность производства работ, особенно в зимнее время, и при изготовлении предварительно напряженных конструкций, потребность в квалифицированных кадрах, специальном оборудовании, пропарочном хозяйстве; необходимость систематического контроля за правильностью расположения арматуры, дозировкой составляющих бетонной смеси, ее укладкой и другими операциями;

4) возможность появления трещин до приложения эксплуатационной нагрузки (от усадки и собственных напряжений в железобетоне по технологическим причинам), а также от действия внешних нагрузок из-за низкого сопротивления бетона растяжению.

По методу выполнения железобетонные конструкции могут быть сборными, монолитными и сборно-монолитными.

Сборныежелезобетонные конструкции больше распространены, так как их применение дает возможность индустриализации и максимальной механизации строительства. При изготовлении сборных конструкций в заводских условиях можно широко применять наиболее прогрессивную технологию приготовления, укладки и обработки бетонной смеси, автоматизировать производство, значительно упростить строительные работы.

Применение сборных унифицированных железобетонных изделий заводского изготовления позволяет значительно снизить расход лесоматериалов и затрат труда на дорогостоящие опалубку и леса, но требует тяжелых транспортных и подъемных механизмов, тщательного выполнения стыков и узлов сопряжений элементов, высокой культуры монтажных работ.

Монолитныежелезобетонные конструкции находят широкое применение в сооружениях, трудно поддающихся членению и унификации, например в некоторых гидротехнических сооружениях, тяжелых фундаментах, плавательных бассейнах, в сооружениях, выполняемых в передвижной или скользящей опалубке (оболочки покрытий, силосы и т.п.).

Сборно-монолитныежелезобетонные конструкции представляют собой сочетание сборных элементов и монолитного бетона, укладываемого на месте строительства.

Обычно сборные элементы образуют опалубку для монолитного бетона, что ведет к уменьшению расхода леса на опалубку. Сборно-монолитные конструкции по сравнению со сборными отличаются большей монолитностью и более простым устройством стыков.

Сборно-монолитный железобетон применяется в конструкциях покрытий и перекрытий зданий, в гидротехническом и транспортном строительстве и особенно, если сооружению необходимо придать неразрезность и жесткость.

По виду арматурыразличают железобетон с гибкой арматуройв виде стальных стержней круглого или периодического профиля сравнительно небольших диаметров (до 40 мм)и конструкции с несущей арматурой.В последних арматурой служит либо профильная прокатная сталь — уголковая, швеллерная, двутавровая (жесткая арматура), либо пространственные сварные каркасы из круглой стали больших диаметров, воспринимающих нагрузку от подвесной опалубки и веса свежеуложенной бетонной смеси.

При изготовлении конструкций с несущей арматурой не нужны поддерживающие леса, однако расход стали на эти конструкции увеличивается. Поэтому основным видом арматуры для железобетона, особенно в промышленном и гражданском строительстве, служит гибкая арматура из стержней диаметром до 40 мм, которая может быть распределена в сечении элемента более целесообразно. Для конструкций гидротехнических, транспортных и некоторых других видов сооружений применяется также круглая арматура больших диаметров.

БЕТОН

Бетоны — искусственные каменные материалы. Как известно, их получают в результате затвердения бетонной смеси, составляемой из крупного и мелкого заполнителя, вяжущего, воды и специальных добавок. Затвердевший бетон приобретает довольно сложную структуру (внутреннее строение) Структура бетона оказывает решающее влияние на свойства бетона. Она грубо неоднородна и зависит от многочисленных факторов: зернового состава, объемной концентрации цементного камня, вод о цементного отношения, способов уплотнения, условий твердения, степени гидратации цементного камня и пр.

Структура бетона формируется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами крупных и мелких заполнителей и пронизанной многочисленными микропорами и капиллярами, содержащими химически несвязанную воду, водяные пары и воздух (рис.1). Поэтому бетон представляет собой капиллярно-пористый каменный материал, в котором нарушена сплошность и присутствуют все три фазы — твердая, жидкая и газообразная.

Цементный камень состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля. Сочетание упругой и вязкой структурных составляющих цементного камня наделяют бетон свойствами упрутопластичноползучего тела. Эти свойства проявляются в поведении бетона под нагрузкой и в его взаимодействии с внешней средой.

Рис. 1 Структура бетона: 1 — окаменевший цементно-песчаный раствор; 2 — зерна крупного заполнителя; 3 — структурные трещины в матрице и на границе зерен заполнителя; 4 -крупные поры и капилляры; 5 — пустоты под зернами крупного заполнителя; 6 — разрыхленная порами структБетон для железобетонных конструкций должен обладать вполне определенными наперед заданными физико-механическими свойствами

Физические свойства бетона зависят от исходных материалов, способа изготовления и определяются его структурой. С этих позиций бетоны классифицируются по следующим признакам.

По структуре:

— плотный бетон, в котором пространство между зернами заполнителя занято затвердевшим вяжущим;

— крупнопористый бетон — пространство между зернами заполнителя заполнено частично;

— поризованный бетон — бетон, в котором пространство между зернами заполнителя поризовано посредством введения специальных добавок;

— ячеистый бетон — бетон с искусственно созданными порами.

Чем выше плотность бетона, тем выше его прочность. Чем выше марка цемента по отношению к требуемой прочности бетона, тем меньше его потребность.

По средней плотности:

— особо тяжелые ρ> 2500 кг/м³,

-тяжелые ρ = 2200… 2500 кг/м³,

— облегченные ρ =1800…2200 кг/м³,

-легкие ρ = 500… 1800 кг/м³.

Соответственно средней плотности устанавливается марка бетона по средней плотности- D, которая гарантирует собственную массу бетона в (кг/м³). Она устанавливается для конструкций, к которым предъявляются также и теплоизоляционные требования.

Тяжелый бетон в настоящее время во всем мире является основным видом бетона, применяемым в строительстве для изготовления изделий и конструкций массового производства для всех видов строительства.

Для конструкций, изготовляемых из бетона на напрягающем цементе, устанавливаются марки по самонапряжению(Sp 0,6…Sp 4). Марка характеризует величину предварительного напряжения в бетоне (МПа) на уровне оси, проходящей через центр тяжести арматуры. Такие бетоны применяются при изготовлении труб, покрытий дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов и т.п.

По виду вяжущего:

— цементные;

— полимерцементные;

— на известковом вяжущем (силикатные);

— на гипсовом;

— на специальных вяжущих.

Основное распространение в настоящее время получили бетоны на цементной основе. Чтобы увеличить сопротивление бетона агрессивной среде и повысить долговечность конструкций при особых условиях эксплуатации, применяют специальные виды цемента — сульфатостойкий, солестойкий, пуццолановый, быстротвердеющий, расширяющийся, самонапрягающийся.

По виду заполнителя:

— на плотных естественных заполнителях (гравий, щебень);

— на пористых природных заполнителях (перлит, пемза, ракушечник);

— на искусственных заполнителях (керамзит);

— на специальных заполнителях, которые удовлетворяют требованиям биологической защиты, жаростойкости, химической стойкости и т.д.

По зерновому составу:

— крупнозернистые;

— с крупным и мелким заполнителем;

— мелкозернистый (только с мелким заполнителем).

По способу твердения:

— естественного твердения;

— бетон, подвергнутый тепловлажностной обработке при атмосферном давлении;

— бетон, подвергнутый автоклавной обработке при повышенном давленииура цементного камня под отдельными зернами крупного заполнителя

К физическим свойствам бетона относятся: водонепроницаемость, морозостойкость, жаростойкость, огнестойкость, коррозионная стойкость и др.

Подводонепроницаемостью материала понимают его способность не пропускать воду. Для напорных сооружений (резервуары, напорные трубопроводы и т.п. сооружения) в зависимости от испытываемого гидростатического давления жидкости назначается марка по водонепроницаемости впределах от W 2 до W 12. Число характеризует давление воды в кг/см², при котором еще не наблюдается ее просачивания через испытываемый образец. Испытания выполняют на образцах из бетона диаметром и высотой 150 мм.

Под морозостойкостью понимают способность материала в увлажненном состоянии сопротивляться — разрушающему воздействию попеременного замораживания и оттаивания. Марка бетона по морозостойкости назначается для конструкций в пределах от F25 до F500. Число характеризует количество выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, при котором прочность бетона снижается не более чем на 15% или не наблюдается видимых его разрушений.

Под жаростойкостью понимают способность бетона сохранять прочность при длительном воздействии высоких температур (выше 200 С).

Под огнестойкостью, измеряемой в часах, понимают способность бетона сохранять прочность при воздействии открытого огня (1000…1100 °С).

Для конструкций, работающих при более высоких температурах, применяют бетоны, приготовляемые на термически стойких заполнителях с малым коэффициентом температурного расширения (шамот, металлургические шлаки, хромит и др.) и глиноземистом цементе или на портландцементе с тонкомолотыми добавками (шамот, кварц, вулканические породы и др.), или на жидком стекле с кремнефтористым натрием и тонкомолотой добавкой. Такие бетоны способны выдерживать длительное действие температуры до 1200 °С.

Под коррозионной стойкостью понимают способность бетона не вступать в химическую реакцию с окружающей средой.

Для повышения коррозионной стойкости эффективно применение армопластбетонов, изготовляемых на основе полимерных вяжущих (поливинилацетат, поливинилхлорид и др). Такие бетоны отличаются высокой химической стойкостью и используются преимущественно в сооружениях, подвергающихся воздействию агрессивных сред (газы, масла, кислоты, щелочи и др.)

По прочностным показателям качества различают следующие классы бетона;

В — по прочности на осевое сжатие;

B_t — по прочности на осевое растяжение.

Под классом бетона «В» по прочности на осевое сжатие понимают среднестатистическое значение временного сопротивления сжатию R_m в МПа эталонных образцов, изготовленных и испытанных через 28 суток хранения при температуре (20 ± 2) °С в соответствии с государственным стандартом с обеспеченностью 0,95.

Нормами установлены следующие классы бетона по прочности на осевое сжатие:

— для тяжелых и мелкозернистых бетонов: В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

-для легких бетонов: В7,5; B10; B12,5; В15; В20; В30; В35; В40.

Под классом бетона « B_t» no прочности на осевое растяжение понимают среднестатистическое значение временного сопротивления растяжению R_m{ в МПа эталонных образцов, испытанных через 28 суток хранения при температуре (20 ±2) С в соответствии с государственным стандартом с обеспеченностью 0,95.

Класс по прочности на осевое растяжение назначают при проектировании железобетонных конструкций, для которых прочность бетона на растяжение имеет принципиальное значение (резервуары, напорные трубопроводы, бетонные покрытия дорог и т.п. сооружения).

Нормами для тяжелых, легких и мелкозернистых бетонов установлены классы бетона по прочности на осевое растяжение В_t 0,8…3,2 с градацией через 0,4 МПа.

Нормативное сопротивление бетона

Нормативные и расчетные сопротивления бетона установлены для оценки прочности бетона при проектировании, изготовлении и эксплуатации железобетонных конструкций. Предел прочности бетона осевому сжатию определяют по эмпирическим кривым распределения временного сопротивления сжатию эталонных бетонных кубов.

Нормативными сопротивлениями бетона являются:

– класс бетона В (кубиковая прочность);

– временное сопротивление осевому сжатию призмы R_bn (призменная прочность);

– временное сопротивление осевому растяжению призмы R_btn (призменная прочность).

Нормативные сопротивления бетона R_bn и R_btn даны в СНиП.

Для предельных состояний первой груп­пы (R_b и R_bt) расчетное сопротивление получают посредством деления со­ответствующих нормативных сопротивлений на коэффициенты надежности по бетону при осевом сжатии γ_bc=1,3 и при осевом растяжении γ_bc= 1,5. Эти коэффициенты учитывают возможные отклонения норма­тивных сопротивлений в неблагоприятную сторону вследствие факторов, не поддающихся статистическому учету (замены вида цемента, крупных и мелких заполнителей, условий твердения). По мере возрастания класса бетона выше В40 увеличивается их хрупкость (уменьшаются деформа­ции ползучести), поэтому расчетные сопротивления сжатию тяжелого бе­тона классов В50, В55, В60 снижают умножением соответственно на ко­эффициенты 0,95; 0,925; 0,9.

При расчете элементов конструкций расчетные сопротивления бето­на для предельных состояний первой группы R_b и R_bt снижают (или повы­шают) посредством умножения на коэффициенты условий работы γ_bi учитывающие особенности свойств бетона, длительность действия на­грузки и ее многократную повторяемость, условия и стадию работы кон­струкции, способ ее изготовления, размеры сечения ( табл. 15 СНиП 2.03.01-84).

Расчетные сопротивления бетона для предельных состояний второй группы (R_b.ser и R_bt.ser) принимают равными нормативным сопротивлени­ям, т. е. вводят в расчет с коэффициентом надежности по бетону γ = 1. Это обусловлено тем, что снижение прочности бетона проис­ходит на одном напряженном участке, в то время как предельные состоя­ния второй группы определятся в основном деформациями бетона по всей длине элементов. Последнее выравнивает неоднородность деформи­рования и повышает надежность конструкции. Принимают коэффициент условий работы бетона γ_bi = 1, за исключением случаев расчета элементов по образованию трещин при многократном действии нагрузки, когда γ_bi= γ_b1 (табл. 16 СНиП 2.03.01-84).