Сущность предварительно напряженного железобетона

1.

4. Сущность предварительно напряженного
железобетона. Сцепление, усадка и ползучесть
4.1. Основные недостатки железобетонных конструкций
без предварительного напряжения.
4.2. Сущность предварительно напряженных железобетонных
конструкций.
4.3. Способы и методы напряжения арматуры.
4.4. Сцепление арматуры с бетоном.
4.5. Усадка и ползучесть железобетона.
МГТУ
стр. 1
им. Г.И. Носова

2.

4.1. Основные недостатки железобетонных конструкций
без предварительного напряжения
Основные недостатки железобетонных конструкций без предварительного напряжения
несложно проследить на примере работы под нагрузкой однопролетной балки.
Работа под нагрузкой однопролетной балки, не имеющей
предварительного напряжения
За счет сцепления с арматурой бетон растянутой зоны балки работает под
воздействием внешней нагрузки вместе с арматурой.
Предельная растяжимость бетона εbtu=0,00015 в сотни раз ниже предельной растяжимости стальной арматуры, поэтому при совместном растяжении со сталью цельность
бетона сохраняется только в начальный период эксплуатации.
МГТУ
стр. 2
им. Г.И. Носова
К содержанию

3.

4.1. Основные недостатки железобетонных конструкций
без предварительного напряжения
Учитывая, что до появления трещин деформация бетона εbtu растянутой зоны балки на
уровне арматуры и самой арматуры εs в любой точке их соприкосновения равны между собой,
получим
btu s bt ( bt Eb ),
( 4.1)
где νbt=0,5 - коэффициент упруго-пластических деформаций бетона при растяжении (при σbt=Rbtn,
νbt≈0,5 ).
Напряжение в арматуре по закону Гука:
s s Es
bt
bt Eb
Es
bt ,
bt
(4.2)
где α = Es/Eb - коэффициент приведения арматуры к бетону.
Тогда к моменту появления трещин в растянутой зоне балки, изготовленной из
бетона класса В20:
s ,crc
Es
2 105
crc Es
R
2 Rbt
2 1,4
20,7 МПа.
3
bt bt ,ser
Eb
27 10
МГТУ
стр. 3
им. Г.И. Носова
( 4.3)
К содержанию

4.

4.1. Основные недостатки железобетонных конструкций
без предварительного напряжения
Отсюда видно, что значение σs,crc всегда остается небольшим по сравнению с
расчетной прочностью стальной арматуры (355 МПа для класса А400).
Значит, к моменту образования трещин в растянутой зоне балки (выход растянутого
бетона из работы) арматура слабо помогает работе растянутой зоны; вследствие этого в балке
образуются и раскрываются многочисленные трещины на ранних стадиях её нагружения, что
весьма нежелательно, так как в трещины может попасть влага и вызвать опасную коррозию
арматуры. Нагрузка в момент образования трещин обычно составляет 15…25% разрушающей.
С увеличением внешней нагрузки начинается активный процесс развития по высоте
сечения и раскрытия ранее образованных трещин по длине балки. Вследствие этого быстро
уменьшается высота сжатой зоны, что резко (до 5 раз) снижает приведенный момент инерции
сечения Ired, а, следовательно, и жесткость балки.
Это в свою очередь способствует резкому возрастанию прогиба балки f, находящемуся в обратной зависимости от приведенного момента инерции. Например, для шарнирно
опертой балки:
f Ml 2 /( 48Eb I red ).
(4.4)
Эксперименты показывают, что в момент максимально допустимой ширины раскрытия трещин ([ acrc ] = 0,4 мм) и величины прогиба, напряжение в гладкой арматуре не превышают 250...300 МПа.
МГТУ
стр. 4
им. Г.И. Носова
К содержанию

5.

4.1. Основные недостатки железобетонных конструкций
без предварительного напряжения
При переходе на арматуру периодического профиля, сцепления которой с бетоном в
2-3 раза выше по сравнению с гладкой арматурой, увеличивается число трещин, уменьшается
ширина их раскрытия, а напряжение в арматуре может достигнуть величины 550…590 МПа.
Вот почему в обычных железобетонных конструкциях невозможно рационально
использовать арматуру с пределом текучести больше 590 МПа, что примерно соответствует
пределу текучести арматуры класса А600.
Поэтому нормы запрещают применять для армирования железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуру класса А600 и выше.
Из-за низкой прочности применяемой арматуры, малой трещиностойкости и жесткости оказывается невыгодным применение в железобетонных конструкциях без предварительного напряжения современных бетонов повышенной и высокой прочности.
Поэтому масса таких конструкций оказывается высокой, что ограничивает величину
перекрываемых ими пролетов по сравнению с деревянными и особенно металлическими
конструкциями.
С ростом веса балки уменьшается полезная нагрузка, которую она способна выдержать.
При величине пролетов более 12 метров железобетон без предварительного напряжения начинает в основном «нести себя».
МГТУ
стр. 5
им. Г.И. Носова
К содержанию

6.

4.1. Основные недостатки железобетонных конструкций
без предварительного напряжения
Основные недостатки железобетонных
конструкций без предварительного
напряжения
низкая
трещиностойкость
высокая
деформативность
вследствие малой
жесткости
МГТУ
стр. 6
им. Г.И. Носова
невозможность
использовать
высокопрочную
арматуру и
высокопрочный бетон
К содержанию

7.

4.2. Сущность предварительно напряженных
железобетонных конструкций
Под предварительно напряженными понимают железобетонные конструкции, в
которых в процессе изготовления, искусственно созданы начальные напряжения растяжения в
части или во всей рабочей арматуре и обжатие всего или части бетона.
Обжатие бетона в предварительно напряженных конструкциях на заданную величину
σbp осуществляется предварительно натянутой арматурой, стремящейся после отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние.
При этом проскальзывании арматуры в бетоне исключаются их взаимным естественным сцеплением, а при недостаточности естественного сцепления – специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.
Начальное предварительное напряжение арматуры σsp=εsp·Es ≤ 0,95Rsn, создаваемое
в результате искусственного растяжения арматуры, после отпуска натяжных устройств снижается за счет относительного упругого обжатия бетона εb до напряжения σcon2 = σsp - Δσsp.
b sp ;
sp sp / s b bp / b ;
МГТУ
стр. 7
sp
им. Г.И. Носова
s
bp bp .
b
( 4.5)
(4.6)
К содержанию

8.

4.2. Сущность предварительно напряженных
железобетонных конструкций
Процесс создания
предварительного напряжения
1 – арматура первоначальной
длины ls;
2 – дополнительный анкер на
концах арматуры (при необходимости);
3 – заданное расчетом удлинение
арматуры Δls;
4 – сила Р, обуславливающая
заданное относительное удлинение арматуры;
5 – бетон, прочность которого в
момент отпуска натяжных
устройств не ниже R ≥ 15 МПа
(передаточная прочность);
6 – арматура, стремящаяся занять
первоначальное положение,
после отпуска натяжных
устройств
МГТУ
стр. 8
им. Г.И. Носова
К содержанию

9.

4.2. Сущность предварительно напряженных
железобетонных конструкций
Таким образом, еще до приложения внешней нагрузки в арматуре предварительно
напряженных конструкций действуют значительные предварительные напряжения растяжения
σcon2, обжимающие бетон элементов (σbp).
Внешняя растягивающая сила N1 вызовет относительное удлинение предварительно
напряженного элемента, равное ε. Вследствие этого предварительное обжатие бетона σbp
погасится на величину:
bp Eb ;
N1 Ab bp Ab Eb .
(4.7)
Обжатие бетона в предварительно
напряженных конструкциях
МГТУ
стр. 9
им. Г.И. Носова
К содержанию

10.

4.2. Сущность предварительно напряженных
железобетонных конструкций
С возрастанием внешней нагрузки будет возрастать ε вплоть до величины упругого
обжатия бетона εb. Для того, чтобы ε сравнялось εb необходимо, чтобы сила N возросла до
силы предварительно обжатия бетона:
N Ab b Eb Pcon, 2 Asp con, 2 .
( 4.8)
Как только это произойдет, предварительное обжатие бетона σbp будет полностью
погашено σbp- εb·Eb=0, а напряжение в арматуре достигнет σsp.
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
εbtu ≈ 0,00015, в предварительно напряженном элементе появится трещина.
Прирост напряжения в арматуре σs предварительно напряженного элемента, как и в
арматуре обычного железобетонного элемента, к моменту трещинообразования составляет:
s s ,crc 2 Rbt ,ser .
МГТУ
стр. 10
им. Г.И. Носова
(4.9)
К содержанию

11.

4.2. Сущность предварительно напряженных
железобетонных конструкций
За счет предварительного обжатия бетона предварительно напряженной арматурой
сила Np,crc, вызывающая появление первых трещин в предварительно напряженных конструкциях возрастает по сравнению с железобетонными конструкциями на силу предварительно
напряженной арматуры.
Сила Ncrc, вызывающая появление трещин в железобетонных конструкциях без
предварительного напряжения, равна
N crc Ab Rbt ,ser 2 As Rbt ,ser .
( 4.10)
Сила Np,crc, вызывающая появление трещин в железобетонных предварительно
напряженных конструкциях:
N p ,crc Ab Rbt ,ser 2 Asp Rbt ,ser Asp sp .
(4.11)
Следовательно, трещиностойкость предварительно напряженных конструкций существенно
больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения.
МГТУ
стр. 11
им. Г.И. Носова
К содержанию

12.

4.2. Сущность предварительно напряженных
железобетонных конструкций
Преимущества предварительно напряженных железобетонных конструкций:
1) В предварительно напряженных конструкциях представляется возможность
использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и
высокопрочную арматурную проволоку, позволяющих в среднем до 50% сокращать
расход дефицитной стали в строительстве.
2) Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент
образования трещин в этих зонах элементов, ограничивают ширину их раскрытия и
повышают жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.
3) Предварительное напряжение, увеличивающее сопротивление конструкций
образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие
многократно повторяющейся нагрузки.
4) Правильно запроектированные предварительно напряженные конструкции безопасны в
эксплуатации, так как показывают перед разрушением значительные прогибы,
предупреждающие об аварийном состоянии конструкций.
МГТУ
стр. 12
им. Г.И. Носова
К содержанию

13.

4.2. Сущность предварительно напряженных
железобетонных конструкций
Недостатки предварительно напряженных железобетонных конструкций:
1) Предварительно напряженные конструкции характеризуются повышенной
трудоемкостью проектирования и изготовления. Они требуют большей тщательности в
расчете и конструировании, при изготовлении, хранении, транспортировании и монтаже,
так как еще до приложения внешних нагрузок в сечениях их элементов могут возникнуть
недопустимые сжимающие или растягивающие напряжения, способные привести
конструкции в аварийное состояние.
2) Предварительно напряженные конструкции несгораемы, но их огнестойкость ниже огнестойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Приходится
принимать при проектировании таких конструкций увеличенный защитный слой бетона.
3) Предварительно напряженные конструкции отличаются недостаточной коррозионной
стойкостью.
МГТУ
стр. 13
им. Г.И. Носова
К содержанию

14.

4.3. Способы и методы напряжения арматуры
Предварительное обжатие конструкций выполняют в основном двумя способами:
• напряжением арматуры на упоры (до бетонирования)
• на бетон (после бетонирования и затвердевания бетона).
На выбор способа натяжения арматуры влияют многие условия:
• назначение конструкции;
• состав арматурных работ;
• вид оборудования для осуществления предварительного напряжения конструкции.
Наибольшее распространение получил способ натяжения арматуры на упоры.
В большинстве случаев он оказывается более экономичным при массовом заводском
производстве.
При использовании этого способа усилия натяжения арматуры временно (до
бетонирования) передают на специальные упоры жестких стендов матриц или на форму.
Отпуск натяжных устройств (передачу усилий с арматуры на бетон) осуществляют после
приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности (передаточной прочности бетона)
Rbp.
МГТУ
стр. 14
им. Г.И. Носова
К содержанию

15.

4.3. Способы и методы напряжения арматуры
Передаточная прочность назначается не менее 50% от класса бетона и не менее 15
МПа. Чтобы избежать разрушения бетона в торцах элементов, отпуск натяжения арматуры
производят посредством натяжной машины или специальных устройств. Сначала усилие
натяжения снижают на 50%, а затем до нуля. Надежная анкеровка арматуры в бетоне
происходит за счет сил сцепления профилированной арматуры с бетоном.
Способы натяжения арматуры
а – натяжение на упоры;
б – натяжение на бетон;
1 - форма;
2 – арматура;
3 – упор;
4 – домкрат;
5 – затвердевший бетон;
6 – канал
МГТУ
стр. 15
им. Г.И. Носова
К содержанию

16.

4.3. Способы и методы напряжения арматуры
При натяжении арматуры на бетон прочность бетона к моменту обжатия конструкции
принимают не менее передаточной прочности Rbp.
Натяжение арматуры на бетон возможно как в линейных элементах (балках, сваях), так
и в круглых конструкциях (напорные трубы, резервуары, силосы).
Армирование линейных элементов производят канатной или пучковой арматурой.
При натяжении арматуры на бетон линейных элементов сначала изготавливают
бетонный или слабо армированный элемент, в котором предусматривают каналы или пазы для
пропуска рабочей арматуры. Диаметр каната принимают на 5-15 мм больше диаметра
напрягаемой арматуры.
После приобретения бетоном передаточной прочности Rbp в каналы или пазы
пропускают рабочую арматуру и натягивают ее с упором натяжных приспособлений
непосредственно на бетон элемента.
После натяжения конец арматуры закрепляют специальными анкерами. Для
обеспечения сцепления арматуры с бетоном и защиты ее от коррозии, каналы и пазы заполняют
под давлением цементным раствором (мелкозернистым бетоном).
МГТУ
стр. 16
им. Г.И. Носова
К содержанию

17.

4.3. Способы и методы напряжения арматуры
Способ натяжения арматуры на бетон применяют в основном при изготовлении
длинномерных (длиной 24 м и более) и большемерных неразрезных конструкций, так как он
позволяет собирать:
• самые разнообразные конструкции из отдельных сборных железобетонных элементов без
сварки закладных деталей;
• регулировать деформации и напряжения;
• осуществлять предварительное напряжение в несколько этапов в процессе возведения
сооружения и роста нагрузок.
Однако по сравнению со способом натяжения арматуры на упоры он более трудоемок из-за:
• устройства каналов;
• инъекцирования раствора в них;
• сложности натяжения арматуры;
• анкеровки ее в бетоне.
При производстве предварительно напряженных конструкций наибольшее распространение
получили четыре метода предварительного напряжения арматуры: электротермический,
механический, электромеханический и физико-химический.
МГТУ
стр. 17
им. Г.И. Носова
К содержанию

18.

4.3. Способы и методы напряжения арматуры
Электротермический метод
Сущность его состоит в том, что необходимое относительное удлинение арматуры
εsp получают электрическим нагревом арматуры до соответствующей температуры t (εsp = α·t,
α=000012 град-1 - коэффициент температурного удлинения арматуры), но не более критической
(t = 400°С - для стержней; t = 300°С - для проволоки). Концы нагретой арматуры надежно
анкеруют в упорах формы или стенда, препятствующих ее укорочению при охлаждении, что
создает предварительное напряжение. Этот метод надежен в работе, экономичен и мало
трудоемок, поэтому получил наибольшее распространение в заводском производстве самых
разнообразных сборных элементов.
Механический метод
Сущность метода заключается в том, что необходимое относительное удлинение
арматуры, соответствующее заданному предварительному напряжению в ней, получают вытяжкой арматуры натяжными механизмами (гидравлические и винтовые домкраты, грузовые
устройства с системой блоков, рычагов и оттяжек, лебедки с полиспастами и динамометрами,
динамометрические тарировочные ключи, разнообразные намоточные машины). Он пригоден
при натяжении арматуры, как на упоры, так и на бетон. Механическим методом чаще всего
натягивают канаты, пучковую и проволочную арматуру, а также стержни при одновременном
натяжении всех арматурных стержней посредством траверс. Основные преимущества
механического метода натяжения заключаются в точности и быстроте получения заданных
предварительных напряжений в арматуре. Основные недостатки: достаточно дорогое
натяжное оборудование и сложность производства работ.
МГТУ
стр. 18
им. Г.И. Носова
К содержанию

19.

4.3. Способы и методы напряжения арматуры
Электромеханический или комбинированный метод
Он представляет собой совокупность механического и электротермического методов
натяжения арматуры. Усилия механического натяжения при этом принимают не более 25-30%
от общего усилия натяжения арматуры, что полностью исключает обрыв арматуры (особенно
на перегибах). В этом заключается главное преимущество комбинированного метода. Комбинированным методом целесообразно натягивать высокопрочную проволочную, канатную и
пучковую арматуру. Натяжение арматуры на упоры производят механическим, электротермическим или комбинированным методом, а на бетон – только механическим методом.
Физико-химический метод
Сущность его заключается в самонапряжении железобетонных конструкций вследствие использования энергии расширяющегося цемента. Регулируя дозировкой напрягающего
цемента и соотношением площадей сечения арматуры и бетона расширение железобетона,
получают широкий диапазон предварительного обжатия бетона (3…10 МПа). Самонапряженные железобетонные конструкции получают широкое распространение (например, в производстве напорных труб).
МГТУ
стр. 19
им. Г.И. Носова
К содержанию

20.

4.4. Сцепление арматуры с бетоном
В железобетонных конструкциях благодаря сцеплению материалов скольжения арматуры в бетоне под нагрузкой не происходит.
Надёжное сцепление арматуры с бетоном позволяет ему работать под нагрузкой как
единому монолитному телу.
Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивается сопротивлением выдёргиванию (или вдавливанию) арматурных стержней, заанкерованных в бетоне.
Согласно опытным данным, прочность сцепления зависит от ряда факторов:
1) зацепления в бетоне выступов на поверхности арматуры периодического профиля (срез и
смятие);
2) сил трения, развивающихся при контакте арматуры с бетоном под влиянием его усадки;
3) склеивания арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности цементного
геля.
Наибольшее влияние на прочность сцепления оказывает первый фактор – он обеспечивает около 75% общего сопротивления скольжению арматуры в бетоне.
Если арматура гладкая и круглая, сопротивление скольжению уменьшается в 2-3 раза.
МГТУ
стр. 20
им. Г.И. Носова
К содержанию

21.

4.4. Сцепление арматуры с бетоном
а)
б)
а – зацепление выступов арматуры за бетон; б – напряженное состояние арматуры
и бетона при выдергивании арматуры
МГТУ
стр. 21
им. Г.И. Носова
К содержанию

22.

4.4. Сцепление арматуры с бетоном
Вдоль арматурного стержня напряжения сцепления распределяются неравномерно,
и наибольшее напряжение сцепления τfr,max не зависит от длины анкеровки стержня lan.
Усилие, необходимое для выдергивания стержня, определяют по выражению:
lan
N x u dx, N m u lan ,
x
где
m
( 4.12)
0
- величина среднего напряжения сцепления в Н / мм2.
Длину заделки стержня в бетон, необходимую для полного использования его несущей
способности при N N s y As , определяют из равенства:
N y As m u lan ,
(4.13)
s
где
N
- предельное растягивающее усилие в арматурном стержне;
s
A
s
Откуда
- площадь поперечного сечения заделанного в бетон арматурного стержня.
y As y d 2 y d
lan
.
m u 4 m d 4 m
МГТУ
стр. 22
им. Г.И. Носова
( 4.14)
К содержанию

23.

4.4. Сцепление арматуры с бетоном
Длину заделки стержней ненапрягаемой сжатой или растянутой арматуры определяют по
выражению:
R
lan an s an d , но не менее lan an d ,
Rb
где an , an и an , а также допускаемые минимальные величины lan
(4.15)
определяются по СНиП.
Как видно из выражения (4.14), длина зоны анкеровки увеличивается с возрастанием
прочности и диаметра арматуры и уменьшается с возрастанием сцепления арматуры с бетоном.
Прочность сцепления возрастает:
• с увеличением класса бетона;
• уменьшением В/Ц;
• с увеличением возраста бетона.
При недостаточной заделке к концам стержней приваривают коротыши или шайбы, а
по концам стержней из гладкой стали класса А240 устраивают крюки.
С увеличением диаметра стержня и напряжения в нём прочность сцепления при
сжатии возрастает, а при растяжении уменьшается. Отсюда следует, что для лучшего сцепления
арматуры с бетоном при конструировании железобетонных элементов диаметр растянутых
стержней следует ограничивать.
МГТУ
стр. 23
им. Г.И. Носова
К содержанию

24.

4.5. Усадка и ползучесть железобетона
Усадка в железобетонных конструкциях протекает несколько иначе, чем в бетонных
конструкциях, вследствие влияния арматуры, которая при усадке бетона часть напряжений,
возникающих в бетоне, принимает на себя.
Усадка железобетона меньше, чем бетона, так как арматура препятствует его свободной
усадке. При этом от усадки бетона в арматуре возникают сжимающие напряжения, а в бетоне –
растягивающие. Их величина зависит от величины свободной усадки бетона, содержания
арматуры в бетоне и соотношения модулей упругости арматуры и бетона. С увеличением
содержания арматуры, растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, и, если они
достигают значений предела прочности бетона на растяжение (Rbt,ser), образуются усадочные
трещины.
В статически неопределимых железобетонных конструкциях (рамах, неразрезных
балках и т.п.) усадка вызывает дополнительные внутренние усилия, которые могут нарушить
целостность конструкции. Во избежание этого протяженные конструкции делят усадочными
швами на блоки. Так как внутренним усилиям от усадки эквивалентны усилия от понижения
температуры, усадочные швы совмещают, обычно, с температурными и называют их
температурно- усадочными.
Наибольшие расстояния между температурно-усадочными швами назначают в
следующих пределах:
- для монолитных железобетонных конструкций, работающих на открытом воздухе – до 25 м;
- для сборных железобетонных конструкций, находящихся внутри отапливаемых зданий – до 72 м.
МГТУ
стр. 24
им. Г.И. Носова
К содержанию

25.

4.5. Усадка и ползучесть железобетона
Армирование бетона приводит к уменьшению его ползучести вследствие того, что
арматура обладает модулем упругости, в 4,5 … 11,7 раз превышающим модуль деформации
бетона. В связи с этим, когда в бетоне проявляются пластические деформации, то в арматуре
при сохранившемся сцеплении, проявляются только упругие деформации.
Ползучесть бетона в железобетонных конструкциях при действии длительной
нагрузки приводит к перераспределению усилий, воспринимаемых бетоном и арматурой,
вследствие чего напряжения в бетоне постепенно уменьшаются, а в арматуре возрастают.
Ползучесть бетона в железобетонных конструкциях имеет весьма важное
практическое значение и учитывается при расчете и проектировании конструкций. Например,
в изгибаемых элементах ползучесть бетона увеличивает прогибы вследствие укорочения
сжатой зоны элементов. В предварительно напряженных элементах ползучесть, как и усадка,
вызывает потерю части предварительного напряжения арматуры.
В железобетонных конструкциях усадка и ползучесть железобетона действуют
одновременно и совместно влияют на их работу под нагрузкой; в сжатых элементах они
действуют в одном направлении – уменьшают напряжения в бетоне и увеличивают их в
арматуре.
МГТУ
стр. 25
им. Г.И. Носова
К содержанию