Лекция № 7

Определение напряжений в предварительно напряженных конструкциях

1. Общие сведения

Предварительно напряженные элементы– железобетонные элементы, в которых до приложения нагрузок, в процессе их изготовления, искусственно создается внутреннее напряженное состояние (самонапряжение), заключающееся в значительном обжатии бетона путем растяжения арматуры.

Предварительное напряжение применяют в целях снижения расхода стали (использование высокопрочной арматуры):

1. повышения трещиностойкости;

2. повышения жесткости и уменьшения деформаций;

3. обжатия стыков сборных конструкций;

4. повышения выносливости конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющейся нагрузки;

5. уменьшения расхода бетона, а, следовательно, и снижения массы конструкций.

Напомним, что предварительное напряжение создают натяжением арматуры на упоры и на затвердевший бетон. Натяжение арматуры на упоры выполняют 3 способами:

1. механическим;

2. электротермическим;

3. электротермомеханическим.

Натяжение на бетон осуществляют механическимспособом.

При натяжении на упоры применяют стержневую арматуру, высокопрочную проволоку и арматурные канаты; при натяжении на бетон – преимущественно высокопрочную проволоку и арматурные канаты. Арматурные канаты и проволоку небольшого диаметра можно натягивать на упоры форм или бетон непрерывной намоткой.

Натяжение на упоры применяют в заводских условиях. Натяжение на бетон более трудоемко. Поэтому раньше этот вид натяжения применялся редко, только в случаях, когда изготовляли монолитные конструкции или уникальные конструкции больших размеров, в основном в транспортном строительстве. В настоящее время натяжение на бетон получило распространение. Существует опыт в применении натяжения стержневой арматуры на бетон.

Помимо трех способов натяжения арматуры распространен также физико-механический способ натяжения, т.е. самонапряжение, при котором используется свойство бетонов, изготовленных на расширяющемся цементе. При расширении бетона в процессе твердения арматура удлиняется, и таким образом, создается предварительное напряжение. Такой способ технологически прост в применении.

Существуют оригинальные решения использования преднапряженных конструкций.

В Италии изготавливаются полузамкнутые объемные блоки, применяемые для строительства жилых зданий. Блоки выпускают двух типов: крайние и средние. Толщина вертикальных стен блоков 7 см, нижней плиты 12 см и верхней 8 см. Отличительной особенностью данного решения является сбор на заводе квартир целиком из изготовленных блоков. Квартиры могут быть однокомнатными, двух- или трех комнатными с санузлами. Стенки и плиты блоков армируют сварными сетками и отдельными стержнями. В толще стен и плит блоков размещают электроосветительную и сантехническую проводку. Изготовленные блоки при укрупнительной сборке склеивают по кромкам стенки и плит эпоксидной смолой, а затем стягивают с помощью канатной арматуры, проходящей сквозь каналы, предусмотренные в двух нижних и двух верхних углах каждого блока и натягиваемой на бетон. Прочность бетона в блоках в 28-дневном возрасте равна 22 МПа, что соответствует В 40. В каналы после закрепления натянутой арматуры нагнетается цементный раствор. Такое здание обладает повышенной сейсмостойкостью, несмотря на отсутствие свариваемых закладных деталей.

Применение напрягаемой арматуры с натяжением на бетон позволяет уменьшить прогибы и исключить появление трещин, максимально использовать прочностные свойства высокопрочных сталей, увеличить шаг колонн, т.е. пролет плит, и увеличить нагрузку на перекрытия.

В качестве оригинального решения применения напрягаемой арматуры в монолитном строительстве может быть решение перекрытия с полосовым расположением напрягаемой арматуры по линиям колонн. Обычно напрягаемая арматура в плитах располагается равномерно (с определенным шагом) в виде пучков или канатов по ширине плит. Плиты, расположенные между полосами напрягаемой арматуры, армируются обычной ненапрягаемой арматурой в виде сварных сеток, располагаемых в нижней зоне плит. В надколонных зонах и в зонах расположения полосовой напрягаемой арматуры ненапрягаемая арматура размещается в верхней зоне перпендикулярно к напрягаемой. Криволинейное очертание напрягаемой арматуры над колонной принимается таким, чтобы равнодействующая усилий от арматуры, идущая вниз, направлялась прямо противоположно действию реактивных сил в колонне, которые могут вызвать образование конуса продавливания в плите.

При проектировании таких безбалочных перекрытий рассматривают два основных предельных состояния: разрушение от действия изгибающих моментов по нормальным сечениям и разрушение от продавливания плиты над колонной. Проверка прочности сечений от действия момента ведется раздельно для сечений, где ее нет. Данные проведенных испытаний показали, что в плитах разрушение никогда не происходит от раздавливания бетона сжатой зоны, т.о. доказывая правомерность того, что в сжатой зоне в работу вовлекается большая ширина плиты.

Вертикальная составляющая от напрягаемой арматуры, расположенной над колонной, прямо пропорциональна подъему арматуры над колонной по сравнению с ее уровнем в середине пролета плит. Усилия определяют с учетом потери преднапряжения из-за трения в каналах от перегиба арматуры, усадки и ползучести бетона.

При действии на перекрытие эксплуатационных нагрузок проверке подвергается только трещиностойкость бетона и ширина раскрытия трещин. При этом раздельно рассматривают зоны, где имеется преднапряженная арматура, и зоны, где ее нет. Процент армирования напрягаемой арматуры в середине пролета плит, равный 0,1%, является наиболее оптимальным с точки зрения требований к трещиностойкости и жесткости.

Также для монолитных перекрытий возможно применение преднапряженной канатной арматуры, причем 50% от общего количества арматуры располагается в надколонных полосах, а остальная ее часть равномерно распределяется по пролетной части. Идущие во взаимно перпендикулярных направлениях канаты располагают в двух плоскостях по высоте сечения, но также возможно пересечение в четырех уровнях при большой насыщенности арматуры. Для обеспечения проектного расположения канатов по высоте сечения и придания им криволинейного очертания в зоне над колоннами применяют подставки, сваренные из стержневой арматуры.

2. Расчетные подходы

При расчете предварительно напряженных элементов в расчетные формулы вводят предварительно растягивающие напряжения напрягаемой арматуры , действующие до обжатия элемента либо при снижении до нуля напряжений в бетоне. Такое снижение напряжений (во всем сечении или только на уровне растянутой арматуры) может вызываться воздействием на элемент внешних фактических или условных сил. При указанных напряжениях напрягаемой арматуры и нулевом напряжении бетона всего поперечного сечения состояние этого сечения принимают за исходное.

Значения предварительного напряжения принимают с учетом механических свойств арматурной стали, при этом они не должны быть выше вполне определенных регламентируемых нормами значений, т.к. появление пластических деформаций сопровождается необратимыми потерями напряжений, соответствующими остаточным деформациям арматуры.

Значения предварительного напряжения напрягаемой арматуры , создаваемые в ней, или способные возникнуть в процессе ее натяжения, назначают таким образом, чтобы выполнялись условия:

где растягивающее напряжение напрягаемой арматуры

допустимые отклонения предварительного напряжения, МПа

При механическом способе натяжения арматуры , а при электротермическом или электротермомеханическом способах определяется по формуле:

где длина натягиваемого стержня (расстояние между наружными гранями упоров).

Максимальные предварительные напряжения арматуры ограничены в связи с опасностью обрыва при натяжении или развития недопустимых неупругих деформаций. Минимальные напряжения приняты из условия обеспечения проектного положения натягиваемой арматуры и ограничения чрезмерного раскрытия трещин в бетоне (в случае их образования).

При расчете предварительно напряженных элементов следует учитывать потери предварительного напряжения арматуры.