9.Техническая и экономическая сущность предварительно напряженного железобетона. Два способа создания предварительно напряженных конструкций. Способы натяжения напрягаемой арматуры.
Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых до приложения нагрузок в процессе изготовления искусственно создаются значительные сжимающие напряжения в бетоне пyтем натяжения высокопрочной арматуры. Преимущества предварительно напряженных железобетонных конструкций:
- повышенная трещиностойкость, и как следствие, повышенная долговечность;
- повышенная жесткость;
- экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры (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);
- меньший собственный вес по сравнению с обычным железобетоном за счет применения высокопрочных материалов.Преднапряжение практически не влияет на прочность железобетонных конструкций.
Способы создания предварительного напряжения конструкций:
1. Натяжение арматуры на упоры.
2. Натяжение арматуры на бетон.
3. Самонапряжение конструкций.
Натяжение
на упоры – наиболее
индустриальный способ создания
преднапряжения арматуры. (рис1.) Арматуру
заводят в форму до бетонирования
элемента, один конец ее закрепляют на
упоре, другой натягивают домкратом или
иным приспособлением до контролируемого
напряжения Затем изделие бетонируется,
пропаривается и после приобретения
бетоном необходимой кубиковой прочности
для восприятия обжатия арматуру
отпускают с упоров. Арматура, стремясь
укоротиться в пределах упругих деформаций,
при наличии сцепления с бетоном увлекает
его за собой и обжимает.
Рис.1
Натяжение на бетон применяется главным образом при соединении на монтаже крупноразмерных конструкций (в мостостроении и др.), а также при возведении специальных сооружений (телебашни, защитные оболочки АЭС и др.), в которых необходимо поддерживать заданное напряжение. (рис.2) Сначала изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, затем по достижении бетоном прочности Rbp создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Это осуществляется следующим образом: напрягаемую арматуру заводят в каналы или пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают с помощью домкрата, упираясь прямо в торец изделия. При этом обжатие бетона происходит уже в процессе натяжения арматуры. При этом способе напряжения в арматуре контролируют после окончания обжатия бетона. Каналы в бетоне, превышающие диаметр арматуры на 5 ¸ 15 мм, создают укладкой извлекаемых впоследствии пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых трубок и т.д.). Сцепление арматуры с бетоном достигается за счет того, что после обжатия инъецируют (нагнетают в каналы цементное тесто или раствор под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники – отводы). Если напрягаемую арматуру располагают с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т.п.), то навивку ее с одновременным обжатием бетона выполняют специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием защитный слой бетона.
рис.2
Способы создания натяжения арматуры:
1. Механический (гидравлические домкраты);
2. Электротермический (нагрев арматуры).
3. Электротермомеханический (арматуру нагревают и домкратами натягивают);
10. Условия совместной работы бетона и арматуры. Коррозия железобетона. Защитный слой бетона. Анкеровка арматуры в бетоне. Сведения об усадке и ползучести железобетона. Воздействие температуры на железобетон.
Основными условиями, обеспечивающими надежную совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетонных конструкциях, являются: 1) сцепление арматуры с бетоном по площади их контакта, исключающее продергивание (сдвиг) арматуры в бетоне; 2) примерное равенство коэффициентов температурного удлинения (укорочения) бетона аЬ = 0, 000007…0, 00001 град-1 и стальной арматуры ast = 0, 000012 град-1. Материалы с разными коэффициентами линейных температурных деформаций независимо от надежного сцепления между ними работают в усложненных условиях, так как при перепадах температуры возникают собственные натяжения, снижающие сцепление между материалами; небольшая разница коэффициентов линейных температурных деформаций бетона и стали исключает появление собственных напряжений в них и надежное сцепление арматуры с бетоном сохраняется при изменениях температуры до 100 С; 3) способность бетона при соответствующей его плотности, достаточной толщине защитного слоя, кратковременном раскрытии трещин не более 0, 4 мм и содержании цемента более 250 кг/м3 надежно предохранять арматуру от коррозии и непосредственного действия огня.
Коррозионная стойкость элементов железобетонных конструкций зависит от плотности бетона и степени агрессивности среды. Коррозия бетона, имеющего недостаточную плотность, может происходить от воздействия фильтрующейся воды, которая растворяет составляющую часть цементного камня - гидрат окиси кальция. Наибольшей растворяющей способностью обладает мягкая вода. Внешним признаком такой коррозии бетона являются белые хлопья на его поверхности. Другой вид коррозии бетона возникает под влиянием газовой или жидкой агрессивной среды: кислых газов в сочетании с повышенной влажностью, растворов кислот, сернокислых солей и др. При взаимодействии кислоты с гидратом окиси кальция цементного камня бетон разрушается. Продукты химического взаимодействия агрессивной среды и бетона, кристаллизуясь, постепенно заполняют поры и каналы бетона. Рост кристаллов приводит к разрыву стенок пор, каналов и быстрому разрушению бетона. Наиболее вредны для бетона соли ряда кислот, особенно серной кислоты; они образуют в цементе сульфат кальция и алюминия. Сульфатоалюминат кальция, растворяясь, вытекает и образует белые подтеки на поверхности бетона. Весьма агрессивны грунтовые воды, содержащие сернокислотный кальций, а также воды с магнезиальными и аммиачными солями. Морская вода при систематическом воздействии оказывает вредное влияние на бетон, поскольку содержит сульфатомагнезит, хлористую магнезию и другие вредные соли. Коррозия арматуры (ржавление) происходит в результате химического и электролитического воздействия окружающей среды; обычно она протекает одновременно с коррозией бетона, но может протекать и независимо от коррозии бетона. Товар коррозии арматуры имеет в несколько раз больший объем, чем арматурная сталь, и создает значительное радиальное давление на окружающий слой. При этом вдоль арматурных стержней возникают трещины и отколы бетона с частичным обнажением арматуры. Мерами защиты от коррозии железобетонных конструкций, находящихся в условиях агрессивной среды, в зависимости от степени агрессии являются: снижение фильтрующей способности бетона введением специальных добавок, повышение плотности бетона, увеличение толщины защитного слоя бетона, а также применение лакокрасочных или мастичных покрытий, оклеечной изоляции, замена портландцемента глиноземистым цементом, применение специального кислотостойкого бетона.
Анкеровка — это закрепление арматуры в бетоне, которое достигается заведением арматуры за расчетное сечение на длину достаточную для включения стежня в работу, или выполнением специальных конструктивных мероприятий. В зоне анкеровки растянутый стержень работает на выдергивание из тела бетона через поверхность сцепления, а в сжатом стержне усилия передаются через поверхность сцепления в тело бетона.Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:
- в виде прямого окончания стержня (прямая анкеровка);
- с загибом на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли;
- с приваркой или установкой поперечных стержней;
- с применением специальных анкерных устройств на конце стержня.
а — сцеплением прямых
стержней с бетоном; б —
крюками; в — лапками; г —
петлями; д — приваркой поперечных
стержней
Ползучесть железобетона является следствием ползучести бетона. Стальная арматура, как и при усадке, становится внутренней связью, препятствующей свободным деформациям ползучести. В железобетонном элементе под нагрузкой стесненная ползучесть приводит к перераспределению усилий между арматурой и бетоном. Процесс перераспределения усилий интенсивно протекает в течение первых нескольких месяцев, а затем в течение длительного времени (более года) постепенно затухает. Продольные деформации арматуры и бетона центральнo-сжатой железобетонной призмы благодаря сцеплению материалов одинаковы. На работу коротких сжатых железобетонных элементов ползучесть бетона оказывает положительное влияние, обеспечивая полное использование прочности бетона и арматуры; в гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов, что может снижать их несущую способность; в изгибаемых элементах ползучесть вызывает увеличение прогибов; в предварительно напряженных конструкциях ползучесть приводит к потере предварительного напряжения. Ползучесть и усадка железобетона протекают одновременно и совместно влияют на работу конструкции.
Усадка железобетона. В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Согласно опытным данным, усадка и набухание железобетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и набухание бетона. Стесненная деформация усадки бетона приводит к появлению в железобетонном элементе начальных, внутренне уравновешенных напряжений растягивающих в бетоне и сжимающих в арматуре. Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента и стесне Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние усадки уменьшается. В стадии разрушения усадка не влияет на несущую способность статически определимого железобетонного элемента. В статически неопределимых железобетонных конструкциях (арках, рамах и т. п.) лишние связи препятствуют усадке железобетона и поэтому усадка вызывает появление дополнительных внутренних усилий. Влияние усадки эквивалентно понижению температуры на определенное число градусов. Для того чтобы уменьшить дополнительные усилия от усадки, железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий большой протяженности делят усадочными швами на блоки. нной усадки армированного элемента возникают средние растягивающие напряжения в бетоне.
Воздействие температуры на железобетон. Под воздействием температуры в железобетоне возникают внутренние взаимно уравновешенные напряжения, вызванные некоторым различием в значениях коэффициента линейной температурной деформации цементного камня, зерен заполнителей и стальной арматуры. При воздействии на конструкцию температуры до 50°С внутренние напряжения невелики и практически не приводят к снижению прочности бетона. В условиях систематического воздействия технологических температур (порядка 60-200°С) необходимо учитывать некоторое снижение механической прочности бетона (примерно на 30 %) При длительном нагреве до 500-600 °С и последующем охлаждении бетон разрушается. Основными причинами разрушения бетона при воздействии высоких технологических температур являются значительные внутренние растягивающие напряжения, возникающие вследствие разности температурных деформаций цементного камня и зерен заполнителей, а также вследствие увеличения в объеме свободной извести, которая выделяется при дегидратации минералов цемента и гасится влагой воздуха.