Попередньо напружені залізобетонні конструкції - студопедія
Під попередньо напруженими розуміють залізобетонні конструкції, елементи, вироби, в яких попередньо, т. Е. В процесі виготовлення, штучно створені відповідно до розрахунку початкові напруги розтягнення в частині або в усій робочої арматури і обтиснення всього або частини бетону.
Обтиснення бетону в попередньо напружених конструкціях на задану величину здійснюється попередньо натягнутою арматурою, яка прагне після відпустки натяжних пристроїв повернутися в первісний стан (рис. 14). При цьому прослизання арматури в бетоні виключається їх взаємним природним зчепленням, а при недостатності природного зчеплення - спеціальної штучної анкеруванням торців арматури в бетоні. Початкове попереднє напруга арматури, створюване в результаті штучного натягу арматури, після відпустки натяжних пристроїв знижується за рахунок відносного пружного обтиснення бетону.
З плином тривалого часу втрати попереднього напруження арматури істотно збільшуються за рахунок усадки і повзучості бетону та арматури, релаксації напружень арматури і багатьох інших факторів.
Сутність попередньо напружених залізобетонних конструкцій неважко простежити, наприклад, за допомогою зіставлення діаграм, центральнорастянутих елементів відповідно з напруженої та ненапруженої арматурою (рис. 15). Арматура, намагаючись повернутися в початкове положення, обжимає бетон з напругою (рис, 15, б).
При цьому зразок (рис. 15, в) стиснеться на величину пружного обтиснення бетону (для більшої наочності приймаємо, що втрати попереднього напруження арматури від усадки і повзучості бетону, повзучості арматури, релаксації напружень стали ще не встигли проявитися).
Стале попереднє напруження розтягу в арматурі, (рис. 15, а, точка 2), буде врівноважуватися напругою попереднього обтиску бетону (рис. 15, б і в).
З цими попередніми напругою в арматурі і в бетоні залізобетонний елемент (див. Рис. 15, в) надходить на будівельний майданчик.
Розглянемо принципову відмінність попередньо напружених конструкцій від конструкцій без попереднього напруження.
Ще до додатка зовнішнього навантаження в арматурі попередньо напружених конструкцій діють значні попередні напруження розтягування (див. Рис. 15, а, точка 2), обжимають бетон елементів (див. Рис. 15, б і в).
Зовнішня сила, що розтягує N (рис. 15, г) викликає відносне подовження попередньо напруженого елемента. Внаслідок цього попереднє обтиснення бетону погаситься.
Із зростанням зовнішнього навантаження N зростатиме е аж до величини пружного обтиснення бетону.
При величині зовнішньої сили N, що дорівнює силі попереднього напряженіяарматури (рис. 15, д), відбувається повне погашення попереднього обтиску бетону. З подальшим зростанням зовнішнього навантаження в бетоні з'являться розтягують напруги, які будуть зростати аж до розрахункового опору (межі міцності бетону на розтяг) (рис 15, е), точно так же, як і в залізобетонних елементах (див. Рис. 15, а, крива III), без попереднього напруження. Як тільки відносне подовження бетону досягне граничної величини, в попередньо напруженому елементі, як і в залізобетонному елементі без попереднього напруження, з'явиться тріщина.
Отже, тріщиностійкість попередньо напружених конструкцій в 2 ... 3 рази більше тріщиностійкості залізобетонних конструкцій без попереднього напруження. Це обумовлено тим, що попереднє обтиснення арматурою бетону, значно перевершує граничну деформацію натягу бетону. Точка 9 характеризує утворення тріщин в залізобетонних конструкціях, а точка 11 - в попередньо напружених конструкціях.
Чим вище натяг арматури і сильніше обтиснення бетону, тим менше ділянка 12. 13, на якому відбувається утворення і розкриття тріщин. При збігу точок 12 і 13 тріщини в попередньо напруженому елементі не утворюються аж до розриву арматури. При розтягуванні залізобетонного елемента бетон може деформуватися спільно з арматурою тільки в межах ділянки 0. 9 (див. Рис. 15, а), а на протязі ділянки 9. 13 і далі в ньому відбувається утворення нових тріщин і розкриття старих.
Міцність попередньо напружених конструкцій не залежить від величин попереднього напруження арматури. Ось чому розрахунок на міцність будь-яких попередньо напружених конструкцій нічим не відрізняється від розрахунку на міцність залізобетонних конструкцій без попереднього напруження.
Все сказане дозволяє зробити висновок, що природа попередньо напружених конструкцій та ж, що і залізобетонних конструкцій без попереднього напруження. Створення попередніх напружень розтягу в арматурі і обтиску бетону до додатка експлуатаційних навантажень не має значного впливу на основні фізико-механічні властивості залізобетону.
Попередньо напружені конструкції є загальним видом залізобетонних конструкцій, а залізобетонні конструкції без попереднього напруження є всього лише їх окремим випадком. При цьому необхідно мати на увазі, що попереднє обтиснення бетону істотно підвищує тріщиностійкість похилих перерізів і кордон переармірованія і помітно може знизити міцність стиснутої зони перетину.
Переваги.
У попередньо напружених конструкціях трапляється нагода використати високоекономічних стрижневу арматуру підвищеної міцності і міцну дротяну арматуру, що дозволяють в середньому до 50% скорочувати витрати дефіцитної стали в будівництві. Попереднє обтиснення розтягнутих зон бетону значно віддаляє момент утворення тріщин у розтягнутих зонах елементів, обмежує ширину їх розкриття і підвищує жорсткість елементів, практично не впливаючи на їх міцність.
Попередньо напружені конструкції часто виявляються економічними для будівель і споруд з такими прольотами, навантаженнями і умовами роботи, при яких застосування залізобетонних конструкцій без попереднього напруження технічно неможливо або викликає надмірно великий перевитрата бетону і стали для забезпечення необхідної жорсткості і несучої здатності конструкцій. Застосування попереднього напруження дозволяє найбільш раціонально виконувати стики збірних елементів конструкцій, обтиску їх напруженою арматурою. При цьому істотно скорочується витрата додаткового металу в стиках або зовсім відпадає необхідність у його застосуванні.
Попереднє напруження дозволяє розширити використання збірних і збірно-монолітних конструкцій складеного течії, в яких бетон підвищеної міцності застосовується тільки в заздалегідь виготовлених попередньо напружених елементах, а основна або значна частина конструкцій виконується з важкого або легкого бетону, що не піддається попередньою напрузі.
Попереднє напруження, що збільшує опір конструкцій утворення тріщин, підвищує їх витривалість при роботі на вплив багаторазово повторюваного навантаження. Це пояснюється зменшенням перепаду напруги в арматурі і бетоні, що викликається зміною величини зовнішнього навантаження. Правильно запроектовані попередньо напружені конструкції безпечні в експлуатації, так як показують перед руйнуванням значні прогини, що попереджають про аварійний стан конструкцій.
Із зростанням відсотка армування сейсмостійкість попередньо напружених конструкцій в багатьох випадках підвищується (особливо при таврових перетинах з полицею в стислій зоні і легких бетонах). Це пояснюється тим, що завдяки застосуванню більш міцних і легких матеріалів перетину попередньо напружених конструкцій в більшості випадків виявляються меншими в порівнянні з залізобетонними конструкціями без попереднього напруження тієї ж несучої здатності, а отже, більш гнучкими і легкими. Підвищення сейсмостійкості сприяє також просторова робота будівель і споруд в цілому, що отримується обжатием їх окремих частин попередньо напруженою арматурою. Найбільш сейсмостійкими є напружені конструкції, що володіють істотним перевищенням несучої здатності над межею тріщиностійкості.
Недоліки.
Залізобетонних конструкцій з попередньо напруженою арматурою притаманні такі основні недоліки.
Попередньо напружені конструкції характеризуються підвищеною трудомісткістю проектування і виготовлення. Вони вимагають більшої ретельності в розрахунку і конструюванні, при виготовленні, зберіганні, транспортуванні та монтажі, так як ще до додатка зовнішніх навантажень в перетинах їх елементів можуть виникнути неприпустимі стискають або розтягують напруги, здатні привести в аварійний стан. Наприклад, в торцях попередньо напружених конструкцій при зосередженому і нерівномірному додатку зусиль обтиску можуть виникнути поздовжні тріщини, істотно знижують їх несучу здатність. Якщо не враховувати специфічні особливості створення попереднього напруження, то умови роботи під навантаженням всієї конструкції або окремих її частин можуть погіршуватися.
Великі зусилля, що передаються напруженою арматурою на бетон конструкції в момент відпустки натяжних пристроїв, можуть привести до повного руйнування її в процесі обтиску або місцевим пошкодження, до прослизання напруженої арматури внаслідок порушення її зчеплення з бетоном. Тому норми вимагають в обов'язковому порядку ретельно перевіряти міцність попередньо напружених конструкцій в стадії обтиснення, при зберіганні, транспортуванні та монтажі і виконувати передбачені конструктивні вимоги. Попередньо напружені конструкції вимагають ускладнення і підвищення металоємності опалубки, трудомісткості армування, збільшення витрати металу на закладні деталі і на монтажну арматуру.
За рахунок застосування матеріалів підвищеної міцності маса попередньо напружених конструкцій виявляється значно менше маси залізобетонних конструкцій без попереднього напруження, проте вона залишається вище маси металевих і особливо дерев'яних конструкцій. Широке впровадження в практику будівництва конструкцій з легких і пористих бетонів, армоцемента, ажурних тонкостінних просторових, сітчастих і висячих конструкцій дозволяє значно наблизити масу попередньо напружених конструкцій до маси металевих конструкцій.
Велика тепло- і звукопровідність залізобетону вимагає ускладнення конструкції і додаткового застосування прокладок з тепло- і звукоізолюючих матеріалів.
Підсилення попередньо напружених конструкцій не складніше посилення залізобетонних конструкцій, але значно складніше посилення сталевих і особливо дерев'яних конструкцій. Виробництво робіт по посиленню попередньо напружених конструкцій відрізняється великою складністю, трудомісткістю і вартістю.
Попередньо напружені конструкції не згорають, але їх вогнестійкість нижче вогнестійкості залізобетонних конструкцій без попереднього напруження. Це пов'язано з тим, що критичні температури, до яких можливо безпечне нагрівання попередньо напруженої арматури, нижче в порівнянні з ненапружуваною арматурою. Наприклад, міцність високоміцного дроту, підданої холодної обробки (що має наклеп), починаючи з температури 200 ° С, помітно знижується і при 600 ° С становить близько 2/3 початкової міцності. Стрижнева арматура періодичного профілю, зміцнена витяжкою, втрачає наклеп при температурі понад 400 ° С. Таким чином, під час пожежі вогнестійкість попередньо напружених конструкцій виявиться забезпеченої, якщо не буде перевищена критична температура для даного типу арматури. Досягти цього можливо тільки при збільшенні захисного шару бетону.
Норми допускають застосування попередньо напружених конструкційізтяжелого і легкого бетону на цементному в'язкому при систематичному періодичному впливі підвищених (температура нагріву не повинна змінюватися більш ніж один раз на добу на 30 ° С і одного разу в тиждень - на 100 °) і стаціонарному впливі технологічних температур до 200 ° С. При високих температурах рекомендується застосування жаростійкого залізобетону.
Попередньо напружені конструкції відрізняються недостатньою корозійну стійкість.
Корозія цементного каменю в бетоні може відбуватися за рахунок:
1) вилуговування з нього вапна м'якими водами, що обумовлює утворення на поверхні бетону білих патьоків ( «біла смерть» бетону);
2) утворення розчинних і буря водою продуктів, пов'язаних з обмінними реакціями при дії на бетон розчинів кислот і деяких солей;
3) утворення кристалізуються солей в порах і капілярах бетонних елементів, наприклад при дії розчинів сульфатів, що призводять до розтріскування елементів (цементна бацила). Всі три види корозії цементного каменю знижують захисні властивості бетону по відношенню до арматури і можуть викликати небезпечну корозію арматури.
Корозія арматури може вознінуть також внаслідок недостатнього вмісту цементу в бетоні, наявності в ньому шкідливих добавок (наприклад, кухонної солі), розкриття тріщин більше 0,4 мм, недостатньої товщини захисного шару, малої щільності бетону. Корозійні поразки різко знижують несучу здатність і пластичні властивості високоміцної арматури, викликають розтріскування термічно зміцненої арматури, що викликає раптове крихке руйнування попередньо напружених конструкцій.
Основні заходи щодо захисту залізобетону від корозії зводяться до наступного:
- попередження утворення тріщин або обмеження їх розкриття;
- обмеження ступеня агресивності навколишнього середовища;
- застосування щільних і водонепроникних бетонів на спеціальних сульфатостійких цементах;
- захист поверхонь різноманітними полімерними матеріалами, кислотоупорной штукатуркою, керамічним облицюванням, оклеечной і обмазувальної ізоляцією;
- перевитрата арматури до 10. 20%; збільшення захисного шару бетону до 25 мм.
Нафта і її погони зменшують опір бетону розтягування, стиснення і зчеплення з арматурою, внаслідок чого бетон стає проникним для рідин.
Рослинні і тваринні масла і жири, особливо прогірклі, містять жирну кислоту, яка обмилюють вапно бетону і утворює руйнівну бетон вапняне мило.
Цукор, сиропи, патока утворюють з вапном розчинні солі - сахарат, які швидко руйнують свіжий бетон.
Спирти самі по собі не шкідливі, але витягуючи з бетону воду, висушують його і припиняють процес твердіння. Перераховані основні недоліки залізобетонних конструкцій незначні в порівнянні з їх численними великими перевагами. Негативний вплив багатьох недоліків може бути істотно знижений високоякісними проектуванням, виготовленням, монтажем та експлуатацією залізобетонних конструкцій.
Ось чому, незважаючи на коротку історію розвитку (
135 років), вони набули масового поширення при будівництві найвідповідальніших і унікальних будівель і споруд. Немає жодної області капітального будівництва, в якій з успіхом не могли б бути використані сучасні залізобетонні конструкції і особливо попередньо напружені. При правильній експлуатації залізобетонні конструкції можуть служити тривалий час без зниження несучої здатності, тому що міцність бетону зростає з плином часу і він надійно захищає арматуру від корозії.