ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

1. Сущность преднапряжения
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 применяется преимущественно в тех элементах, в которых при нагрузках возникают растягивающие напряжения. В отдельных случаях целесообразно применять преднапряжение в центрально и внецентренно сжатых элементах, в частности в гибких колоннах, где оно обеспечивает необходимую трещиностойкость на период транспортирования и монтажа, а также предотвращает потерю устойчивости элемента.

Рис. 6.1. Сущность преднапряжения

Рис. 6.2. Диаграммы для ненапрягаемой, напрягаемой сталей и растянутого бетона

Предварительное напряжение элементов повышает трещиностойкость, жесткость, выносливость конструкций при работе под воздействием многократно повторяющихся нагрузок, позволяет применять высокопрочную арматуру при полном использовании ее механических свойств.
Но само по себе преднапряжение НЕ повышает несущую способность.
Рис. 6.3. Зависимость стоимости
арматурной стали от ее прочности

Предварительное напряжение может создаваться 2-мя способами:
1. натяжением арматуры на упоры;
2. натяжением арматуры на бетон
Суть натяжения арматуры на упоры (рис. 4.4).
Арматура натягивается и закрепляется на особых упорах стендов, форм. После бетонирования и приобретения бетоном достаточной прочности арматура освобождается с удерживающих устройств и, стремясь восстановить свою первоначальную длину, обжимает бетон.
Напряжения в арматуре контролируются до обжатия бетона.

Рис. 6.4. Натяжение арматуры на упоры
1. до обжатия;
2. после обжатия

Суть натяжения арматуры на бетон (рис.4.5).
Сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент. Для укладки рабочей арматуры в нем предусматривают каналы или пазы. После отвердения бетона арматура натягивается с передачей реактивных усилий непосредственно на бетон и при помощи анкеров удерживается в напряженном состоянии. Для создания сцепления арматуры с бетоном и защиты арматуры от коррозии каналы и пазы заполняют под давлением цементным тестом или раствором. Напряжения в арматуре контролируют по окончанию обжатия бетона.

Рис. 6.5. Натяжение арматуры на бетон
1. до обжатия бетона;
2. после обжатия бетона

Натяжение арматуры может быть выполнено 3 способами:
1. механическим (домкратами, намоточными машинами и т.п.).
2. электротермическим.
Арматура, нагретая и удлиненная за счет пропуска электротока, закрепляется на упорах. Поскольку арматура при остывании свободно не сокращается, в ней возникают растягивающие напряжения.
Этот способ распространен в России. Он надежен, малотрудоемок и был экономичен при централизованной экономике.
3. электротермомеханическим (комбинированным).
Здесь полностью исключают обрыв арматуры, т.к. усилие механического натяжения не более 20-30% от общего усилия натяжения.

Помимо 3-х 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.
Натяжение на бетон осуществляют механическим способом.
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.

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 соответствует В 40. В каналы после закрепления натянутой арматуры нагнетается цементный раствор. Такое здание обладает повышенной сейсмостойкостью, несмотря на отсутствие свариваемых закладных деталей.

Рис. 6.6. Объемные железобетонные блоки
1 – канал для напрягаемой арматуры; 2 – концевой закрепление напрягаемой арматуры; 3 – соединение потолочных плит смежных блоков; 4 – соединение стеновых элементов блоков; 5 – блоки перед соединением; 6 – соединительные блоки

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.
Рис. 6.7. Армирование вертикальных
и горизонтальных элементов
а – стен с проемами;
б – стен сплошных;
в – плит потолка и перекрытия

Рис. 6.8. Размещение напрягаемой арматуры в монолитной плите перекрытия
1 – напрягаемая арматура; 2 – колонны

Рис. 6.9. Расположение напрягаемой арматуры над колонной
1 – канатная арматура; 2 – колонна; 3 – линия конуса продавливания; 4 – линия цилиндрической поверхности разрушения

Рис. 6.10. Кессонные углубления в плите перекрытия
1 – напрягаемая арматура; 2 – углубления в плите

Рис. 6.11. Изображение арматуры в двух направлениях

где растягивающее напряжение напрягаемой арматуры;
допустимые отклонения предварительного напряжения, МПа
При механическом способе натяжения арматуры
При электротермическом или электротермомеханическом способах
длина натягиваемого стержня (расстояние
между наружными гранями упоров).
2. Расчетные подходы

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.

Продолжение табл. 6.1

Продолжение табл. 6.1
Стадия обжатия Стадия эксплуатации

Полные значения первых потерь предварительного напряжения арматуры определяют по формуле:
где – номер потерь предварительного напряжения.
Полные значения первых и вторых потерь предварительного напряжения арматуры определяют по формуле:
При проектировании конструкций полные суммарные потери для арматуры, расположенной в растянутой при эксплуатации зоне сечения элемента, следует принимать не менее 100 МПа.

относится к IV группе коэффициентов надежности метода расчета сечений по предельным состояниям:
Знак «+» принимают для учета преднапряжения для стадий изготовления и монтажа элемента.
Знак «-» принимают для стадии эксплуатации.
- при механическом способе натяжения арматуры,
4. Коэффициент точности натяжения
- при электротермическом и электротермомеханическом способе
- при определении потерь предварительного напряжения арматуры, а также при расчете по раскрытию трещин и по деформациям

Начальное контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на упоры:
- потери от деформации анкеров,
- потери от трения об огибающие приспособления.
Рис. 6.13. Контролируемое напряжение в арматуре
при натяжении на упоры

Начальное контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на бетон:
если напрягаемая арматура ставится в сжатой зоне, то
где
Рис. 6.14. Контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на бетон

Для элементов с напрягаемой арматурой без анкеров на длине зоны передачи напряжений значения
снижают умножением их на отношение ,
где
расстояние от начала зоны передачи напряжений до рассматриваемого сечения;
длина зоны передачи напряжений, т.е. расстояние от торца образца до сечения, в котором деформации арматуры бетона вблизи арматурного стрежня становятся одинаковыми.
Длину рассчитывают по формуле 11 СНиП 2.03.01-84*:

5. Усилие предварительного обжатия бетона.
Рис. 6.15. Схема усилий предварительного напряжения в арматуре
в поперечном сечении железобетонного элемента

В упрощенной постановке напряжения в бетоне при обжатии определяют в предположении упругой работы сечения и линейной эпюры напряжений:
По СП 52-102-2004 напряжения в бетоне определяют
где – усилие предварительного обжатия с учетом первых потерь;
М – изгибающий момент от внешней нагрузки, действующей в стадии обжатия (собственный вес элемента);
– эксцентриситет усилия относительно центра тяжести приведенного поперечного сечения элемента;
у – расстояние от центра тяжести приведенного сечения до рассматриваемого волокна.

Длину зоны передачи предварительного напряжения на бетон для арматуры без дополнительных анкерующих устройств определяют по формуле:
где – предварительное напряжение в напрягаемой арматуре с учетом первых потерь;
– сопротивление сцепления напрягаемой арматуры с бетоном, отвечающее передаточной прочности бетона;
– коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры (1,7 ÷ 2,5);
– площадь и периметр стержня арматуры.

Стадии деформирования центрально растянутого элемента
при натяжении арматуры на упоры
Рис. 6.16. Последовательность изменения напряжений в предварительно напряженном центрально-растянутом элементе при натяжении на упоры

Стадии деформирования центрально растянутого элемента
при натяжении арматуры на бетон
Рис. 6.17. Последовательность изменения напряжений в предварительно напряженном центрально-растянутом элементе при натяжении на бетон

Стадии деформирования предварительно напряженного элемента при изгибе
Рис. 6.18. Последовательность изменения напряжений в предварительно напряженном элементе при натяжении на упоры

7. Анкеровка напрягаемой арматуры
а – цанговый захват для канатов и стержней;
б – коротыши и шайбы, приваренные к стержням;
в – гайка на нарезке конца стержня с накатом;
г – высаженная головка правильной формы;
д – высаженная головка с втулкой;
е – петли и коротыши для анкеровки гладкой высокопрочной проволоки.