Предварительно напряженные ж/б конструкции (ПН ЖБК)

1. Лекция №11

Предварительно напряженные
ж/б конструкции (ПН ЖБК)

2.

Вопросы подлежащие изучению:
1.
2.
3.
4.
5.
Сущность ПН ЖБК. Основные положения по
изготовлению и конструированию.
Стадии напряженного состояния при изгибе.
Расчет прочности нормального сечения в
преднапряженном элементе при изгибе.
Расчет трещиностойкости при центральном
растяжении элемента.
Расчет ПН ЖБК по раскрытию трещин.

3.

1. Сущность предварительно напряженных ж/б конструкций
(ПН ЖБК). Основные положения по изготовлению и
конструированию
ПН ЖБК – это такие ж/б конструкции, в которых в процессе их
изготовления искусственно создают обжатие бетона путем натяжения высокопрочной арматуры. Начальные сжимающие напряжения создаются в тех зонах бетона, которые впоследствии под
действием нагрузок будут испытывать растяжение.
Преимущества ПН ЖБК перед ЖБК:
1). Повышается трещино- и коррозионностойкость.
2). Увеличивается жесткость, предел выносливости
(сопротивление конструкции динамическим нагрузкам).
3). Рационально используются высокопрочная арматура и
высокие классы бетона; при этом расход металла уменьшается
на 30–40%, вес конструкции уменьшается на 30%, снижается
стоимость конструкции.
4). Появляется возможность проектировать большепролетные
конструкции.

4.

Недостатки:
1. Большая трудоемкость изготовления.
2. Необходимость использования специального оборудования.
3. Высокая квалификация рабочих.
Натяжение арматуры создают (рис. 1):
- механическим способом с помощью домкратов;
- электротермическим способом.
Существуют 2 способа изготовления ПН ЖБК (рис. 2):
1) натяжение арматуры на упоры;
2) натяжение арматуры на бетон.
Большее распространение приобрел способ натяжения
арматуры на упоры. Он индустриален и проще в использовании,
чем натяжение на бетон. Последний применяется в нетиповых,
большепролетных конструкциях (мостовые строения, бортовые
элементы оболочек, покрытия спортивных сооружений).
Контролируемое напряжение в арматуре:
con(1, 2) (0,7 0,9) Rs , ser ;
con (1, 2) ( sp минус потери предв. напряжения )

5.

Домкрат одиночного действия
Б
цапфа
манометр
РИС. 1
масло
арматура
Механический метод
Малое напряжение (V), ток большой силы (I)
Электротермический способ натяжения.
Температура нагрева 300 - 450˚ С.

6.

1
РИС. 2
Asp
2
а
каналы
для ПНА
As
A300, A400
N
N
б
обычная арматура
условно не показана
Б
Принципиальные схемы способов натяжения арматуры
К рис. 2 (2): используются извлекаемые пустотообразователи: резиновые шланги,
стальные спирали или оставляемые в теле бетона гофрированные стальные трубки.

7.

В ПН ЖБК применяют стержневую горячекатаную
арматуру класса А600, А800, А1000; высокопрочную
проволоку Вр1200, Вр1500; применяют пряди, канаты
К1400, К1500 (рис. 3).
Бетон применяют, начиная с классов В25 В60.
Благодаря сцеплению бетона с арматурой, ее скольжение в бетоне под нагрузкой не происходит. Прочность
сцепления зависит от: а) зацепления в бетоне выступов на
арматуре; б) сил трения на контакте арматуры с бетоном
под влиянием его усадки; в) склеивания бетона с арматурой.
Для того, чтобы арматура не выдергивалась из бетона,
дополнительно применяется ее анкеровка (рис. 4).
Анкеровка не требуется при натяжении арматуры на
упоры, если диаметр рифленой арматуры ≤ 25мм, а бетон
класса В25 и выше.

8.

Рис.3.
РИС. 3.
Арматурные проволочные изделия:

9.

РИС. 4 a. Анкера (зажимы) стержневой арматуры:
а – высаженная головка; б – приварка коротышей; в – приварка кольца; г – нарезной
наконечник с гайкой; д – обжатая шайба; е – нарезной конец с гайкой; 1 – арматурные стержни; 2 – коротыши; 3 – сварка; 4 – кольцо; 5 – гайка; 6 – стальной штампованный наконечник с нарезкой, привариваемый к арматуре; 7 – обжатая шайба.

10.

заливается
свинцом
пряди
Рис. 4 б. Старый вариант анкеровки прядей

11.

Рис. 4 в. Анкеровка пучков проволоки:
а – колодочный анкер; б – гильзоклиновой анкер; 1 – стальная колодка;
2 – стальная коническая пробка; 3 – отверстие в пробке для инъецирования
раствора в канал; 4 – стальной патрубок; 5 – высокопрочная проволока;
6 – скрутки из отожженой (мягкой) проволоки диаметром 3 мм; 7 – трубка из
кровельной стали; 8 – сварные сетки; 9 – отрезок спирали из стальной проволоки диаметром 2 мм; 10 – гильза из мягкой стали; 11 – клин из стали 45.

12.

Рис. 4, г. Полуавтоматический зажим:
а – для канатной арматуры; б – для стержневой
арматуры; 1 – канат; 2 – зажимная губка; 3 – корпус;
4 – стержневая арматура.

13.

ПНА преимущественно располагают там, где бетон в стадии
эксплуатации работает на растяжение. По конструктивным или
технологическим соображениям в конструкцию добавляют обычную
арматуру.
Рис. 5. ПН ЖБК (схемы современных вариантов изготовления и армирования)

14.

Примеры армирования нижней полки балки (стропильной, подкрановой):
а – отдельными проволоками; б – стержнями; в – канатами (пучками); 1 – продольная монтажная ненапрягаемая арматура; 2 – ромбические хомуты; 3 – прямоугольные хомуты; 4 – высокопрочная проволока; 5 – отдельные стержни; 6 – канаты (пучки); 7 – конструктивная арматура

15.

Потери предварительного напряжения в арматуре
Натяжение в ПН арматуре не остается постоянным, оно
уменьшается по разным причинам:
- от деформации анкеров;
- от трения;
- от релаксации арматуры;
- усадки и ползучести бетона;
- от колебаний температуры.
Сумма потерь может достигать 200-300 Мпа и более.
Часть потерь (первые потери в арматуре) проявляется
еще при изготовлении элемента, другие потери (вторые
потери) – после обжатия (см. таблицу).
Эти потери определяются по формулам из СНиПа (СП).

16.

Таблица. Основные виды потерь предварительного
напряжения арматуры

17.

2. Стадии напряженного состояния при изгибе
ПН ЖБК рассчитываются по двум группам предельных
состояний, как и обычные ЖБК, вследствие достижения
состояния непригодности к дальнейшей эксплуатации:
1) По I-ой группе ПС – расчет по прочности.
2) По II-ой группе ПС – расчеты по раскрытию трещин и по
деформациям.
Расчет по ПС конструкции в целом, как правило, следует
производить для всех этапов – изготовления, транспортирования, возведения (монтажа) и эксплуатации. Расчетные
схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям.

18.

сжатие
растяжение
- установившееся
напряженное
состояние от ПН арматуры
(2 варианта)
ст. 0
con
N
ст. 1
b 0
b
b
N
- погашение обжатия бетона
при нагружении
Рис. 6, а. Стадии напряженного состояния элементов при изгибе

19.

b
N
N
- перед образованием трещин
ст. 1а
N
Rbt
Rb
N
- появились трещины
ст. 2
s
N
Rb
N
- разрушение
ст. 3
Rs

20.

3. Расчет прочности нормального сечения
в преднапряженном элементе при изгибе
Расчетное сечение

21.

Прочность сечения (для ц.т. нижней арматуры) будет обеспечена, если:
(h0 a p )
M Rbbx (h0 0,5 x) Rsc As (h0 a ) sc Asp
Выражение для определения положения н.л. запишется так:
X 0
0
Rs As s 6 Rs Asp Rbbx Rsc As sc Asp
Далее расчет, как правило, проводится по одному из двух путей:
1. Если R и m R As 0 назначается As Asp
2. а ) Если m R сечение, B; при достижении m R п. 1;
1
б ) назначаются минимальны е значения As , Asp , As Asp .
Rs As s 6 Rs Asp R Rbbh0 Rsc As sc Asp 0

22.

4. Расчет трещиностойкости при центральном
растяжении элемента
Трещины не образуются, если N N crc .
Для центрально-растянутого элемента, принимая
Asp 0; As As 0.
получим
N p, crc P Rbt,ser A 2 Rbt, ser Asp ;
P sp sp Asp усилие предварительного обжатия.
Np,сrс – внешняя сила, вызывающая появление трещин в ПН ЖБК.
s ,crc 2 Rbt ,ser прирост напряжения в арматуре
к моменту образования трещин .
Es
.
Eb

23. 5. Расчет ПН ЖБК по раскрытию трещин

Расчет любых ЖБ элементов по раскрытию трещин, к
которым не предъявляются требования водонепроницаемости, производится из условия:
acrc acrc, ult
Расчет ПН ЖБК по раскрытию трещин аналогичен расчету
обычных ЖБК, но с учетом наличия усилия обжатия силой Р.
Ширина раскрытия трещин нормируется в зависимости от
назначения конструкции, продолжительности действия
нагрузки, класса использованной арматуры и класса бетона.
acrc 0,1 0,4 мм.