Коэффициент точности натяжения

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 предварительно растянутой арматурой.

Рис. 6.1. Сущность преднапряжения

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. 6.2. 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. Как показывают опыты, в стадии разрушения эффект предварительного напряжения утрачивается, разрыв растянутой арматуры происходит при предельном напряжении и несущая способность предварительно напряженного элемента оказывается такой же, как и для железобетонного элемента без предварительного напряжения.

Экономику применения высокопрочной стали можно проиллюстрировать. С увеличением прочности стали ее удельная стоимость снижается (рис. 4.3).

Рис. 6.3. Зависимость стоимости арматурной стали от ее прочности

Предварительное напряжение может создаваться двумя способами:

1. натяжением арматуры на упоры;

2. натяжением арматуры на бетон

Суть натяжения арматуры на упоры. Арматура натягиваетсяи 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. 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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

Рис. 6.9. Расположение напрягаемой арматуры над колонной

1 – канатная арматура; 2 – колонна; 3 – линия конуса продавливания; 4 – линия цилиндрической поверхности разрушения

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.

Рис. 6.10. Кессонные углубления в плите перекрытия

1 – напрягаемая арматура; 2 – углубления в плите

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.

Рис. 6.11. Изображение арматуры в двух направлениях

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.

По СП 52-102-2004 «Предварительно напряженные железобетонные конструкции» передаточную прочность бетона (прочность бетона к моменту его обжатия) следует назначать не менее 15 МПа и не менее 50% принятого класса бетона по прочности на сжатие.

Предварительные напряжения арматуры принимают следующие значения:

- для горячекатанной и термомеханически упрочненной арматуры ;

- для холоднодеформированной арматуры и арматурных канатов

3. Потери предварительного напряжения

При расчете предварительно напряженных конструкций следует учитывать снижение предварительных напряжений вследствие потерь предварительного напряжения до передачи усилий натяжения на бетон (первые потери) и после передачи усилия натяжения на бетон (вторые потери).

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» следует учитывать следующие потери:

При натяжении арматуры на упоры

а) первые потери — от деформации анкеров, трения арматуры об огибающие приспособления, от релаксации напряжений в арматуре, температурного перепада, деформации форм (при натяжении арматуры на формы), от быстронатекающей ползучести бетона;

б) вторые потери — от усадки и ползучести бетона.

При натяжении арматуры на бетон:

в) первые потери — от деформации анкеров, трения арматуры о стенки каналов или поверхность бетона конструкции;

г) вторые потери — от релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона, смятия бетона под витками арматуры, деформации стыков между блоками (для конструкций, состоящих из блоков).

Потери предварительного напряжения арматуры следует определять по табл. 6.1, при этом суммарную величину потерь при проектировании конструкций необходимо принимать не менее 100 МПа.

При расчете самонапряженных элементов учитываются только потери предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона в зависимости от марки бетона по самонапряжению и влажности среды. Для самонапряженных конструкций, эксплуатируемых в условиях избытка влаги, потери от усадки не учитываются.

Таблица 6.1

№	Факторы, вызывающие потери предварительного напряжения	При натяжении арматуры на упоры	При натяжении арматуры на бетон
1	2	3	4
*Первые потери (до обжатия бетона)*
1	Релаксация напряжений арматуры ( меняется в зависимости от способа натяжения): при механическом способе натяжения арматуры: а) проволочной б) стержневой при электротермическом и электротермомеханическом способах натяжения арматуры: а) проволочной б) стержневой	принимается без учета потерь, МПа. Если вычисленные значения потерь окажутся отрицательными, их следует принимать равными нулю	–
2	Температурный перепад (разность температур натянутой арматуры в зоне нагрева и устройства, воспринимающего усилия натяжения при прогреве бетона)	При отсутствии точных данных принимается = 65 °С.	–
3	Деформации анкеров, расположенных у натяжных устройств * При электротермическом способе натяжения потери от деформаций анкеров в расчете не учитываются, т.к. они учтены при определении значения полного удлинения арматуры	где — обжатие опрессованных шайб, смятие высаженных головок и т. п.; смещение стержней в инвентарных зажимах определяемое по формуле d - диаметр стержня, мм; — длина натягиваемого стержня (расстояние между наружными гранями упоров формы или стенда), мм.	₊
1	2	3	4
4	Трение арматуры	об огибающие устройства	о стенки каналов
5	Деформации стальной формы при изготовлении преднапряженных железобетонных конструкций * При электротермическом способе натяжения потери от деформаций анкеров в расчете не учитываются, т.к. они учтены при определении значения полного удлинения арматуры		–
6	Быстронатекающая ползучесть (при снятии упоров, арматура стремится вернуться в исходное положение – в этом момент происходит быстронатекающая ползучесть)		–
*Вторые потери (после обжатия бетона)*
7	Релаксация арматуры	–
8	Усадка бетона
9	Ползучесть бетона для тяжелого и легкого бетона при плотном мелком заполнителе	при при принимается с учетом 1 ¸ 6 потерь, МПа – для бетона естественного твердения; – для бетона, подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении
10	Смятие бетона под витками спиральной или кольцевой арматуры (при диаметре конструкции до 3 м)	–
11	Деформация обжатия стыков между блоками (для конструкций, состоящих из блоков)	–

Все расчетные значения для находятся в табл. 5 СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»

Первые потери необходимы для проведения расчета на стадии обжатия бетона. Во всех остальных стадиях учитывают первые и вторые потери.

Стадия обжатия Стадия эксплуатации

, ,

где где ,

По СП 52-102-2004 «Предварительно напряженные железобетонные конструкции» следует учитывать следующие потери при натяжении на упоры:

а) первые потери — от деформации анкеров, от релаксации напряжений в арматуре, температурного перепада при термической обработке конструкций, деформации формы (упоров);

б) вторые потери — от усадки и ползучести бетона.

Потери предварительного напряжения арматуры указаны в табл. 6.2 (п.2.2.3.3 ÷ 2.2.3.8).

Таблица 6.2

№	Факторы, вызывающие потери предварительного напряжения		При натяжении арматуры на упоры
1	2		3
*Первые потери (до обжатия бетона)*
1	Релаксация напряжений арматуры: *для арматуры классов А600 ÷ А1000* при механическом способе натяжения при электротермическом способе натяжения *для арматуры классов Вр1200 ÷ Вр1500, К1400, К1500* при механическом способе натяжения при электротермическом способе натяжения		принимается без учета потерь, МПа. Если вычисленные значения потерь окажутся отрицательными, их следует принимать равными нулю
2	Температурный перепад (разность температур натянутой арматуры в зоне нагрева и устройства, воспринимающего усилия натяжения при нагреве бетона)
3	Деформации стальной формы (упоров) при неодновременном натяжении арматуры на форму * При электротермическом способе натяжения потери от деформаций анкеров в расчете не учитываются, т.к. они учтены при определении значения полного удлинения арматуры
4	Деформации анкеров натяжных устройств * При электротермическом способе натяжения потери от деформаций анкеров в расчете не учитываются, т.к. они учтены при определении значения полного удлинения арматуры		где — обжатие анкеров или смещение стержня в зажимах анкеров (при отсутствии данных допускается принимать ); — расстояние между наружными гранями упоров формы или стенда
1	2		3
*Вторые потери (после обжатия бетона)*
5	Усадка бетона
6	Ползучесть бетона	где – коэффициент ползучести бетона, определяемый согласно п. 2.1.2.7; – напряжения в бетоне на уровне центра тяжести рассматриваемой группы стержней напрягаемой арматуры; – расстояние между центрами тяжести сечения рассматриваемой группы стержней напрягаемой арматуры и приведенного поперечного сечения элемента; – площадь приведенного сечения элемента и ее момент инерции относительно центра тяжести приведенного сечения; – коэффициент армирования

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.

Рис. 6.12. стадия обжатия

Знак «-» принимают для стадии эксплуатации.

Значение принимают при механическом способе натяжения арматуры, при электротермическом и электротермомеханическом способе .

При определении потерь предварительного напряжения арматуры, а также при расчете по раскрытию трещин и по деформациям значение .

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» начальное контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на упоры с учетом потерь от деформации анкеров и трения об огибающие приспособления равно (рис. 6.13)

Рис. 6.13. Контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на упоры

Значение напряжения в напрягаемой арматуре , контролируемое в месте приложения натяжного усилия при натяжении арматуры на бетон, принимается равным :

(рис. 6.14);

Рис. 6.14. Контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на бетон

если напрягаемая арматура ставится в сжатой зоне, то

где

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. Напряжения в бетоне при обжатии.

Усилие предварительного обжатия бетона принимают равным равнодействующей усилий в напрягаемой и ненапрягаемой арматуре:

Эксцентриситет усилия относительно центра тяжести приведенного сечения определяют из условия равенства моментов равнодействующей и составляющей:

Чтобы определить напряжения в сечениях предварительно напряженных железобетонных элементов в стадии I до образования трещин, рассматривают приведенное бетонное сечение, в котором площадь сечения арматуры заменяют эквивалентной площадью сечения бетона. Исходя из равенства деформаций арматуры и бетона, приведение выполняют с использованием модулей упругости двух материалов . Площадь приведенного сечения элемента составит:

где А – площадь за вычетом площади сечения каналов и пазов.

Рис. 6.15. Схема усилий предварительного напряжения в арматуре