История, применение, перспективы развития преднапряженного бетона

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 (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.

Читайте также: 5РС 41-75Панели наружных стен керамзитобетонные трехслойные

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.

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.

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

Формы для заливки бетона с прутьями для передачи предварительного напряжения.
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.

Напряженный бетон — это современный набирающий популярность строительный материал.

Напряженный значительно лучше сопротивляется значительным напряжениям.

Он позволяет преодолеть один из основных недостатков обычного — неспособность сопротивления значительным напряжениям. Конструкции из данного материала имеют ряд преимуществ перед конструкциями из обычного:

• обладают меньшим прогибом;
• имеют повышенную трещиностойкость;
• позволяют перекрывать большие участки при том же сечении элемента.

Предварительно напряженный материал имеет ряд преимуществ: обладает меньшим прогибом; имеет повышенную стойкость к трещинам; при том же сечении перекрывает гораздо большие участки.

Читайте также: Microlab M-800: обзор универсальной бюджетной аудиосистемы 2.1

В обычном железобетоне связанный с арматурой раствор подвергается сильному растяжению, которое может привести к разрушению слоя в силу его чувствительности к растяжению. На поверхности могут образовываться трещины еще до того, как элемент будет подвергнут предельной нагрузке. Появление трещин чревато определенными неприятными последствиями. Например, тем, что материал не будет выполнять свою защитную функцию и арматура, вступая во взаимодействие с окружающей средой, будет подвергаться коррозии, а затем и разрушению.

При изготовлении данного материала прокладывают стальную арматуру, обладающую высокой прочностью при растяжении. Арматура натягивается при помощи специального устройства, затем укладывают смесь. После того как смесь начнет застывать, сила натяжения арматурного каркаса передается раствору, который оказывается сжатым. Данные манипуляции позволяют уменьшить или вовсе устранить растягивающее напряжение от нагрузки на конструкцию, так как та сила, которая в обычном железобетоне вызывала появление трещин на поверхности, в преднапряженном все лишь уменьшает сжатие, создаваемое напряженной арматурой.

Различают несколько основных способов натяжения арматуры:

• электротермомеханический — совмещение двух следующих способов;
• электротермический — осуществляется при помощи электротока, который повышает температуру арматуры и благодаря этому растягивается до определенного размера;
• механический — осуществляется при помощи домкратов (гидравлических или винтовых).

Как правило, преднапряженный элемент проектируют так, чтобы в процессе эксплуатации не подвергался растягивающему напряжению. Если такой элемент будет подвержен напряжению большему, чем среднее, но меньшему, чем предел текучести арматуры, то после снятия нагрузки он может практически полностью восстановиться, то есть трещины в нем исчезнут.

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.

Посмотреть «ГОСТ 26633-91-3» или

Посмотреть «СП 52-101-2003» или

Требования к арматуре

Арматура для натяжения должна быть изготовлена из высокопрочной проволоки.

Арматура, используемая для создания с предварительным напряжением, должна обладать определенными характеристиками, которые позволят ей выдержать требуемые нагрузки. Стальная арматура должна быть способна выдержать высокое напряжение растяжения, то есть не вытягиваться при длительном напрягающем воздействии.

Если арматура не будет обладать этим свойством, то предварительное напряжение уменьшится, вследствие чего преднапряженный элемент будет обладать теми же свойствами, что и обычный. Таким образом, этот материал не сможет выдержать тех нагрузок, на которые он рассчитан. Для изготовления необходимо использовать не обычную сталь, а высокопрочную проволоку, которая изготавливается специальным способом, позволяющим значительно снизить ее текучесть.

Необходимые качества

1 — форма; 2 — арматура; 3- упоры.
Для получения наиболее высоких характеристик необходимо использовать тот, обладающий определенным набором свойств. Оптимальным решением станет применение высокопрочного раствора. Для его приготовления необходимо осуществлять контроль на протяжении всего процесса приготовления, чтобы исключить отклонения, которые могут привести к понижению его прочности.

Наиболее высокую прочность можно получить, используя жесткие и жирные смеси. Для укладки, как правило, применяют вибраторы.

Читайте также: Какой фундамент дешевле ленточный или свайный

Следует помнить о таких свойствах, как усадка из-за потери влаги и ползучесть под нагрузкой. Из-за этих свойств конструкция может сокращаться, из-за чего с течением времени с предварительно напряженным бетоном может произойти потеря его преимуществ перед обычным. Во избежание последствий данных свойств материала необходимо подвергнуть арматуру большему предварительному напряжению, чем изначально предусмотренное.

В начальный период эксплуатации потеря предварительного напряжения выше, чем в более поздний. В целом потеря напряжения может составить около 16%.

Предварительное натяжение арматуры

Для натяжения арматуры на производстве используются гидравлические упоры.

Метод, основанный на предварительном натяжении, заключается в том, что сначала прокладывают и натягивают арматуру, а после этого она обкладывается раствором. Натяжение сверхпрочной стальной армированной проволоки поддерживается до того момента, когда бетон станет достаточно прочным. После этого проволоку обрезают, а ее натяжение передается смеси из-за сцепления с ним. Благодаря этому бетон подвергается напряжению от сжатия, а производство на этом закончено.

Данный метод в основном не применяют для монолитных конструкций непосредственно на строительной площадке, основная область его применения — производство сборных элементов в промышленных условиях.

В заводских условиях наиболее эффективным способом производства предварительно напряженного бетона является так называемая система длинных линий. Применяя этот способ, армированную проволоку располагают между анкерными плитами, а затем натягивают. Поперечные стенки необходимо располагать на расстоянии, соответствующем планируемой длине изготавливаемых балок.

В процессе применения данного метода сила натяжения передается опалубке элемента.

Предварительное натяжение применяют для изготовления монолитных плит непосредственно на стройплощадке.

Применяя данный метод, лучше использовать индивидуальные формы. Это имеет следующие преимущества:

• появляется возможность варьировать размеры изделий;
• при штучном изготовлении, если арматура утратит напряжение, испортится только один элемент.

В процессе изготовления необходимо проводить проверку выбранных случайным образом изделий.

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:

• ГОСТ 5781–82;
• СП 52—102—2004.

Посмотреть «ГОСТ 5781-82» или

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.

Последующее натяжение

Данный способ отличается от предыдущего тем, что в процессе его применения арматура защищается от сцепления специальной оболочкой или помещается уже после его застывания в специальные отверстия или углубления. Арматурные элементы натягиваются на упоры, которые устанавливают на концах конструкции, а натяжение осуществляют непосредственно после застывания.

Для заливки применяют вибратор.

В применении данного метода есть свои особенности. Приложенную силу увеличивают до рассчитанной, а затем уменьшают до тех пор, пока она не достигнет нуля. Эту процедуру повторяют необходимое количество раз до того момента, пока не будет достигнуто нужное удлинение. Доведение арматуры до определенного удлинения, а не напряжения производится из-за того, что внутри конструкции происходит трение проволоки, которое уменьшает напряжение.

Преднапряженный железобетон

Будучи несущим элементом, бетон подвергается изгибу от расположенных на нем других элементов конструкции, а также при взаимодействии с другими элементами. При изгибе любого элемента в нем возникают сжатая и растянутая зона. В верхней части бетон подвергается сжимающим усилиям, а в нижней части — растягивающим.

Читайте также: Особенности и этапы организации подушки под ленточный фундамент

При действии растягивающих усилий, несмотря на наличие очевидных преимуществ, бетон демонстрирует главный недостаток — малую прочность при растяжении. Малая прочность бетона при растяжении объясняется неоднородностью его структуры и нарушением сплошности бетона, что способствует развитию концентраций напряжений, особенно при действии растягивающих усилий. Неоднородное строение бетона — одна из главных причин большого рассеивания результатов механических испытаний этого материала, что сказывается при экспериментальном определении величины растяжения гораздо сильнее, чем при определении прочности на сжатие. При растяжении в теле бетона образовываются трещины, которые неминуемо, пусть и медленно, приводят к обвалу конструкций. Именно в зону, подвергающуюся растяжению, и предполагается размещение арматуры из стали, которая может воспринять на себя значительно большую растягивающую силу, чем бетон. Бетон, усиленный стальной арматурой, называется железобетоном.

В некоторых случаях железобетонные изделия при эксплуатации подвергаются значительным растягивающим напряжениям, например балочные и другие опорные конструкции (ригели, железнодорожные шпалы и др.). Для того чтобы избежать разрушения конструкции, стальная арматура в этих случаях подвергается предварительному напряжению.

Напряженный железобетон – это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

Процесс предварительного напряжения арматуры выглядит следующим образом: сначала прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается специальным устройством и укладывается бетонная смесь. Натяжение проволоки поддерживается до тех пор, пока бетон не наберет достаточную прочность. После этого проволока отрезается от анкерных устройств, а ее натяжение благодаря сцеплению с бетоном передается последнему. В результате этого бетон подвергается сжимающим напряжениям. Такое создание внутренних напряжений сжатия позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки.

Существует несколько способов натяжения арматуры:

• механический способ. Как правило, натяжение происходит с использованием гидравлических или винтовых домкратов;
• электротермический способ натяжения. Натяжение происходит с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений;
• Электротермомеханический способ — комбинирующий механический и электротермический.

По виду технологии устройства предварительное напряжение подразделяется на:

• натяжение на упоры (до укладки бетона в опалубку);
• натяжение на бетон (после укладки и набора прочности бетона).

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.

Применение преднапряженного железобетона имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным железобетоном:

• преднапряженный бетон является более экономичным материалом: расход стали, которая используется для производства арматуры, сокращается в среднем на 40-60%. Также на изготовление изделий из преднапряженного бетона уходит меньше цемента, уменьшается сечение, следовательно, становится меньше объем и вес;
• преднапряженный железобетон имеет прекрасную стойкость к трещинообразованию и дальнейшему их расширению, что, как следствие, предохраняет металлическую арматуру от появления коррозии. В особенности это важно для сооружений, находящихся в постоянном взаимодействии с водой (труб, резервуаров, плотин);
• предварительно напряженные железобетонные изделия могут использоваться для специальных строений, в которых нельзя или нежелательно применять типичные ЖБИ. В том числе благодаря тому, что уменьшается масса и объем, железобетон напряженный легче и проще использовать для стыков сборных частей конструкции. Это могут быть: балки кровельные и подкрановые, плиты для покрытий в помещениях промышленного назначения;
• Расширяется сфера применения материала. Его можно использовать не только для сборных, но и для монолитно-сборных сооружений. В этом случае его применяют только в тех участках, где наблюдается напряжение конструкции. В остальных же частях используется типичный легкий пенобетон, тяжелый бетон или монолитный железобетон.
• С течением времени увеличивается сейсмостойкость напряженно-армированных конструкций. Объясняется это тем, что в процессе изготовления используются более легкие материалы для сечения.

Сопротивление внешним воздействиям у преднапряженного железобетона происходит следующим образом: когда к предварительно напряженному железобетонному изделию приложена нагрузка, силы, которые раньше вызывали растяжение и растрескивание бетона в нижней части балки, теперь только уменьшают сжатие, созданное напряженной арматурой. В то же время сжатие верхней части балки под нагрузкой складывается со сжатием, созданным предварительным напряжением. Эффективность этого принципа заключается в том, что потенциальную прочность на сжатие высококачественного бетона можно использовать полностью, а его низкая прочность на растяжение не имеет никакого значения.

Принцип предварительного напряжения позволяет применять более легкие конструкции, что имеет особое значение при сооружении мостов, перекрытий с большим пролетом и подобных конструкций, в которых собственный вес сооружения составляет значительную часть от общей нагрузки, на которую оно рассчитано.

Обычно предварительно напряженный железобетонный элемент проектируется таким образом, чтобы при полной рабочей нагрузке в бетоне не возникало растягивающих напряжений. Однако если этот элемент будет перегружен, то при условии, что напряжения в арматуре не достигли предела текучести, он имеет способность к почти полному восстановлению после снятия нагрузки. Возникшие при перегрузке трещины в бетоне практически полностью исчезают.

В строительстве различают два вида предварительного напряжения арматуры: до затвердения бетона и после приобретения бетоном определенной прочности. Если напряжение арматуры производится до бетонирования, то уложенная в форму арматура растягивается и в таком состоянии закрепляется в форме. После заполнения формы бетонной смесью и затвердения бетона арматура освобождается от натяжения, сокращается и “тянет” за собой окружающий ее бетон, обжимая железобетонный элемент в целом. Если же напряжение арматуры производится после затвердения бетона, то в этом случае арматуру располагают в специально оставленном в бетоне канале. После затвердения бетона арматуру натягивают и закрепляют на концах конструкции анкерными устройствами. Затем заполняют канал раствором, который после затвердения сцепляется с арматурой и с бетоном конструкции, обеспечивая монолитность железобетона.

В наши дни армированный предварительно напряженной сталью бетон широко применяется в ЖБИ строительстве в качестве опорного и несущего элемента конструкций. Такие характеристики, как долговечность, прочность, сопротивляемость различным воздействиям со стороны окружающей среды, позволяют назвать преднапряженный железобетон самым прочным материалом, пригодным даже для строительства как в районах, где царит агрессивный климат, так и в случаях возникновения значительных статических и динамических нагрузок. Ввиду того, что предварительное напряжение арматуры не только предупреждает и нейтрализует появление трещин в растянутом бетоне, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры, неудивительно, что дальнейшее развитие строительства направлено на значительное увеличение выпуска тонкостенных предварительно напряженных железобетонных конструкций.