Сущность предварительно напряженного железобетона

Предварительно напряженными называют такие ж/б конструкции, в которых до приложения нагрузок в процессе изготовления искусственно создаются значительные сжимающие напряжения в бетоне пyтем натяжения высокопрочной арматуры. Сжимающие напряжения создаются в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузок испытывают растяжение. Сущность предв. напряженного ж/б в экономическом эффекте, благодаря применению высокопрочн. арматуры. Высокая трещиностойкость повышает его жесткость, сопротивление динам. нагрузкам, коррозионную стойкость, долговечность.

136. 1) Механический способ. Сущность его заключается в том, что необходимое относительное удли­нение арматуры (Ɛ_sp,₀ = ∆l/l₀), соответствующее заданному контролируемому напряжению в ней δ₀,_max?получают вытяжкой арматурного элемента натяжными механизмами (гидравлические и винтовые домкраты, грузовые устройства с системой блоков, рычагов и оттяжек, лебедки с по­лиспастами и динамометрами, динамометрические ключи, разнообразные намоточные машины - при непрерывном армировании) посредством технологических (для временного закрепления арматуры в натяжных механизмах) или комбинированных (конструктивных и технологических) зажимов.

Электротермический способ, заключающийся в том, что необходимое относительное удлине­ние напрягаемой арматуры Ɛ_sp,₀₁ соответствующее начальному контролируемому напряжению δ₀,_max получают электрическим нагревом арматуры до соответствующей температуры (но не более критической) с последующей фиксацией ее на упорах заданной длины, соответствующей требуемому удлинению для создания напряжения после ее остывания. Комбинированный способ, представляющий собой сово­купность электротермического и механического способов натяжения арматуры. Физико-химический способ, позволяющий осуществлять натяжение арматуры, располагаемой в конструк и имеющей обеспеченное сцепление с бетономции, за счет энергии расширения на­прягающего бетона в процессе твердения. В массовом строительстве при изготовлении сборных элементов по поточно-агрегатной тех­нологии наиболее распространен электротермический способ предварительного напряжения кон­струкций.

137. Педварительно напряжение конструкции с использованием арма­турных элементов может быть выполнено, главным образом, тремя основными методами: при предварительном напряжении арматуры на упоры; при натяжении арматуры на затвердевший бетон; посредством физико-химического натяжения (самонапряжения) при связанном расширении специальных (напрягающих) бетонов.

При выполнении предварительного напряжения конструкции по первому методу (с натяже­нием на упоры) технологические операции выполняют в следующей последовательности.

Напрягаемую арматуру до бетонирования заводят в форму или упоры стенда, один конец стержня закрепляют на неподвижном упоре, а другой натягивают с применением, например, домкра­та или другого устройства до получения величины заданного начального контролируемого напряже­ния. Величину напряжения в арматуре оценивают по достигнутому удлинению в процессе ее натяжения. Напрягаемый стержень фиксируют при помощи технологических анкеров и выполняют бетонирование конструкции. Арматура, которая до этого была натянута и удерживалась при помо­щи технологических захватов на упорах, стремится возвратиться в начальное (ненапряженное) со­стояние. При натяжении арматуры на бетон, предварительно изготавливают армированный либо бе­тонный элемент, а затем, после достижения бетоном требуемой передаточной прочности, выпол­няют его обжатие. В этом случае напрягаемую арматуру заводят в каналы или пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натяжение осуществляют на бетон при помощи специальных дом­кратов двойного действия. Диаметр канала или паза в бетоне должен превышать диаметр арматуры на 5..15 мм. Сцепление арматуры с бетоном создают при последующем инъеци­ровании каналов. В этом случае имеют место предварительно напряженные конструкции без сцепления арматуры с бетоном.

138. Усилие предварительного напряжения не остается постоянным во времени в результате по­терь, начинающихся практически с момента натяжения арматурных элементов и развивающихся в течение всего периода эксплуатации конструкции. Интенсивность потерь предварительного на­пряжения является максимальной в начальный период после передачи усилия обжатия.

Можно условно выделить две группы потерь предварительного напряжения в зависимости от этапов его создания в конструкции:

Группа А - П, происходящие в процессе изготовления конструкции и обу­словленные, главным образом, технологией натяжения арматурных элементов; Группа В - П, обусловленные, главным образом, с реологическими свойст­вами материалов, происходящие после передачи усилия обжатия и развивающиеся во времени в процессе эксплуатации конструкции. В общем случае рассматривают два вида первых потерь, которые проявляются при изготов­лении конструкции: -потери (П), обусловленные трением:

а) П от внутреннего трения в натяжных устройствах; б) П от трения в технологических захватах и об огибающие приспособления;

в) П от трения в бетонных каналах при натяжении арматуры на бетон; -технологические потери при натяжении арматуры на упоры:

г) П от проскальзывания арматуры в технологических захватах;

д) П от частичной релаксации напрягаемой арматуры;

е) П, вызванные температурными перепадами; ж) П, связанные с деформациями стальных форм или упоров.
Вторые П, развивающиеся после передачи усилия обжатия:

-кратковременные П; з) П от проскальзывания арматуры в анкерах (при натяжении на бетон); и) П, обусловленные упругими деформациями бетона; к) П от длительной релаксации напрягаемой арматуры; л) П от усадки бетона; м) П от ползучести бетона;

н) П от длительных деформаций стыковых соединения (например, в предварительно на­пряженных конструкциях, составленных из отдельных блоков), обмятая бетона под витками спиральной арматуры.

139. Изгибаемые железобетонные изделия применяются в виде плит и балок. Плитами называются ЖБИ, имеющие небольшую толщину по сравнению с двумя другими размерами. Балки — это линейные элементы, поперечные размеры которых значительно меньше длины.

Плиты и балки могут быть или самостоятельными ЖБИ, или входить в состав ребристого перекрытия. Они могут быть однопролетными или многопролетными, сборными или монолитными.

В однопролетной свободно опертой плите, загруженной равномерно распределенной нагрузкой, эпюра изгибающих моментов однозначна и вызывает растяжение внизу, поэтому вся рабочая арматура располагается в нижней растянутой зоне конструкции. Плиты являются простейшими железобетонными изделиями и в сочетании с железобетонными балками образуют структуру железобетонных перекрытий, и других более сложных составных частей строений.

Балки являются несущими элементами для железобетонных плит и служат их опорами: они являются основой железобетонных перекрытий, образуя систему пересекающихся балок, которая носит название балочной клетки.

Действующая напряженная арматура балок располагается в растянутой зоне, следуя в основном за эпюрой изгибающих моментов. В балках, наряду с продольной рабочей растянутой арматурой, имеется поперечная арматура, в виде вертикальных (поперечных) стержней — при армировании сварными каркасами или в виде хомутов — при армировании отдельными стержнями.

140. Расчет по прочности элементов железобетонных конструкций должен производиться для сечений, нормальных и наклонных к их продольной оси. При необходимости должен производиться расчет на местное смятие.

Предельные усилия в сечении, нормальном к продольной оси элемента, следует определять исходя из следующих предпосылок:

сопротивление бетона растяжению принимается равным нулю;

сопротивление бетона сжатию представляется напряжениями, равными R_b, равномерно распределенными по сжатой зоне бетона;

растягивающие напряжения в арматуре принимаются не более расчетного сопротивления растяжению R_s; сжимающие напряжения в арматуре принимаются не более расчетного сопрот. сжатию R_sc.

Расчет сечений, нормальных к продольной оси элемента, когда внешняя сила действует в плоскости оси симметрии сечения и арматура сосредоточена у перпендикулярных к указанной плоскости граней элемента, следует производить в зависимости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны бетона ξ = x/h_o, определяемой из соответствующих условий равновесия, и значением относительной высоты сжатой зоны бетона при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре напряжения, равного расчетному сопротивлению R_s, с учетом соответствующих коэффициентов условий работы арматуры

Значение x_R определяется по формуле x_R =ω/(1+σ_sR/400*(1-ω/1.1)), где ω = a - b R_b; a = 0,8; b = 0,008; R_b — принимается в МПа. σ_sR — напряжение в арматуре, МПа, R_s — расчетное сопротивление арматуры растяжению с учетом соответствующих коэффициентов усло­вий При этом x_R должно быть не более 0,6.

141. К сжатым элементам относятся колонны зданий, стойки эста­кад, элементы ферм, арок и т. п. Они бывают сборными и моно­литными, с ненапрягаемой и предварительно напряженной арма­турой.

Рис. 13.1. Сжатые элементы

Железобетонные элементы могут быть сжаты внешними про­дольными силами центрально, т. е. вдоль оси элемента (рис. 1, а), и внецентренно, если продольная сжимающая сила приложена с фиксированным эксцентриситетом e_0i (рис. 1, б), или при совместном действии центральной сжимающей силы и из­гибающего момента (рис. 1, в).. К центрально-сжатым элемен­там условно относят промежуточные колонны в зданиях и соору­жениях, верхние пояса ферм с узловой нагрузкой, элементы ре­шетки ферм и т. п. В условиях внецентренного сжатия находятся колонны одноэтажных производственных зданий с крановой на­грузкой (рис. 1, б), а также крайние колонны, стены подземных резервуаров, воспринимающие давления грунта или воды (рис. 1, в), стойки лотковых каналов, акведуков, водосбросов, элементы рамных конструкций и т. д.

В реальных условиях центральное сжатие в чистом виде не наблюдается, так как элементы всегда имеют небольшие конструк­тивные или случайные эксцентриситеты и, следовательно, проис­ходит их внецентренное сжатие. Причиной возникновения случай­ного эксцентриситета могут быть: начальное искривление элемен­та, неточная укладка арматуры, неоднородность свойств бетона по сечению (особенно при бетонировании элемента в горизонталь­ном положении), отклонения фактических размеров от проектных.

143. Усилие сечения что ближе к арматуре воспринимается самой арматурой и бетоном. Разрушение начинается с достижением в арматуре напряжений равных условию предельной текучести. Другая часть сечения которая наиболее удалена от силы- растянута и имеет трещины расположенные нормально к продольной оси элемента, растягивая усилия арматурой. ξ = х/h₀≤ξ_R

Положение границы зоны определяются: N=R_b*A_bs+R_s*A’-R_s*A_s

Условие несущей способности элемента устанавливается из сопоставления изгибающего момента: M=N*e, От действия величины расчётных нагрузок суммирования моментов указанных внутренних сил взятых относительно оси нормальной плоскости действия изгибающих моментов N*e≤R_b*A_bs*z+R_bc*A’*z_s

144. Разрушение элемента происходит вследствии предельного сопротивления в бетоне и арматуре в части сечения располагающейся ближе к силе: ξ = х/h₀≥ξ_R. h₀=h-a

Если выполняется условие ξ = х/h₀≥ξ_R и бетон выше чем В30 и не напрягаемая арматура не выше чем А3,высоту сжатой зоны определяем из условия N=R_b*A_bc+R_sc*A_s’-δ_s*A_s

,δ_s=(2*(1-ξ)/(1-ξ_R))*R_s

Гибкий внецентренно сжатый элемент под влиянием момента прогибается следовательно е увеличивается, при этом возрастает изгибающий момент и разрушение происходит при меньшей силе N. Гибкость учитывается введением коэфф. ŋ=1/1-(N/N_or); N_or=(6.4*E_b/l₀²)*[I/φ_c*(0.11/((0.01+ +δ_c/φ_p)+0.1)+αI_s].I-момент инерции бетона, I_s-момент инерции арматуры, α=E_s/E_b, φ_c-коэф. учитывающий длительность действия нагрузки.