Что такое предварительно напряженный железобетон

Что такое преднапряженный железобетон и как его производят?

Конструкции из сборного железобетона и предварительно напряженные железобетонные конструкции получили массовое применение в строительной сфере. Это позволяет расширять архитектурно-планировочные характеристики и функциональность. Преднапряжение препятствует трещиностойкости, снижает показатели деформаций.

Что из себя представляет преднапряженное ЖБИ?

В целях борьбы с низкой прочностью при растяжении искусственного бетонного камня создают напряжение на этапе производства в бетоне противоположной к эксплуатационным характеристикам, что позволяет эффективно применять свойства бетона при его сжатии. Арматурную сталь в железобетонном изделии растягивают, а по полному затвердевании залитого бетонного раствора ее избавляют от натяжения. Стальные прутья сжимаются и оказывают непосредственное влияние на слой бетона. Предварительное напряжение увеличивает предел растяжимости бетона за счет суммирования 2-х деформаций: растяжения и предсжатия.

Сжатие и растяжение материала делает его более устойчивым к нагрузкам.

Преднапряженный железобетон не подвержен растрескиванию бетонного слоя зоне конструкции с растяжением, а также при его применении сокращается количество используемой арматуры. Если при этом применять высокопрочный металл и бетон, можно добиться снижения весовых показателей железобетонных конструкций, увеличить их срок эксплуатации. Основные характеристики для этого вида ЖБИ установлены ГОСТом 26633–91, а значения и размеры арматуры установлены СП 52—101—2003.

Преимущества и недостатки

Среди основных преимуществ выделяют следующие:

• Высокие показатели растяжения и трещиностойкости, предохранение металла от образования коррозии. Это свойство необходимо для конструкции находящихся в постоянном контакте с водой, например, плотин, труб.
• Уменьшение сечений и веса таких элементов до 30%, как следствие, меньший расход материала.
• Лучшее сопротивление динамическим нагрузкам. Задействуют для строений, в которых типичные ЖБИ применять не рационально, например, за счет облегченной массы и объема, упрощения в сборке (подкрановые балки, плиты).
• Сборно-монолитные блоки конструкции. С помощью таких блоков достигается более длительная эксплуатация. При возведении таких конструкций все отдельные части соединяют так, что в процессе эксплуатации они объединяются в целое и выполняют свои функции в одном направлении.
• Уменьшение расхода арматуры до 40% вследствие более качественному применению свойств металла, помещенного в напряженное состояние.

Производство позволяет тратить гораздо меньше арматуры на данный материал.

Предварительно напряженный железобетон имеет и свои минусы:

• Трудоемкость процесса изготовления.
• Трудно проводимый контроль по проверке армирования изготовленного элемента.
• Значительный вес ЖБИ. Только применяя легкие заполнители или пустотные конструкции с тонкими стенами достигают значительного уменьшения массы.
• Необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов.

Процесс производства

Существует несколько способов натяжения арматуры:

Производство материала может выполняться по электротермической методике.

• механический (домкраты винтового или гидравлического типа);
• электротермический (стального пруток удлиняется до нужных значений с применением электротока;
• электротермомеханический (комбинация первого и второго метода).

Напряженный бетон изготавливается с помощью прокладки металлических составляющих с высокой прочностью на растяжение, растягивая ее специальным аппаратом и сверху производят заливку бетона. Когда смесь затвердевает напряженность стальной проволоки переходит к бетону вокруг арматуры, что частично или целиком позволяет убрать напряжение от эксплуатационной нагрузки конструкции.

Инструменты и материалы

К материалам ЖБИ с преднапряжением применяют требования согласно существующим нормативным документам:

Армируют ЖБИ конструкции преднапряженного типа следующими материалами:

• арматура периодического профиля класса А-Шв горячекатаная с вытяжкой в ее холодном состоянии;
• листовая сталь горячего катания класса Ат-V;
• арматурные проволочные пряди из свитых проволок.

Для осуществления процесса необходимо подготовить следующие материалы и инструменты:

Для такой работы понадобятся монтажные прутки.

• прутки (монтажные, распределительные);
• вязальная проволока;
• инструмент для нарезания прутков;
• щиты для опалубки при заливки бетонной смесью.

Преднапряжение и этапы работ

Обжатие может происходить 2 методами: с натяжением стали на упоры и на бетон. При первом методе арматура растягивается на торцах и бетонируется, после освобождая элемент. Второй метод заключается в изготовлении формы с пазами. После заливки и набирания прочности вводится арматура в подготовленные пазы натягивая и заанкеривая ее. Далее заполняют каналы смесью. Этот процесс могут проводить специальные навивочные строительные аппараты.

При данном способе производства подготовленную арматуру нужно растянуть на торцах.

Арматурное напряжение производится механически, электротермически, комбинированно и физико-химически.

Применение бетона в предварительно напряженном состоянии

Преднапряженный бетон используется в разных отраслях строительства для сооружения:

Из материала можно возводить телебашни.

• высотных башен (в т. ч. телевизионных);
• большепролетных перекрытия без существенного увеличения расхода бетона и арматуры периодического профиля и жилые здания;
• резервуаров в форме яйца для очистных городских сооружений (применяется техника за рубежом с использованием монолитного преднапряженного железобетона);
• водных плотин;
• корпусов атомных реакторов 1-го поколения и герметичного ограждения атомных электростанций;
• мостов.

Из такого бетона создают стены, панели ограждения, лестничные марши, основу фундаментов, колонны, столбы линий электропередач, каркасы подземных тоннелей и прочее. Напрягающий цемент для производства изделий из железобетона обеспечит дополнительную водонепроницаемость и прочность конструкции.

Преднапряженные конструкции в каркасном строительстве

Современные методы карксного строительства используют технологию предварительного напряжения железобетонных конструкций. Преднапряженные конструкции — железобетонные конструкции, напряжение в которых искусственно создаётся во время изготовления, путём натяжения части или всей рабочей арматуры (обжатия части, или всего бетона).

Обжатие бетона в преднапряженных конструкциях на заданную величину осуществляется посредством натяжения арматурных элементов, стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние. При этом, проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, или без сцепления арматуры с бетоном – специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.

Трещиностойкость преднапряженных конструкций в 2 – 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона.

Преднапряженный бетон позволяет в среднем до 50% сокращать расход дефицитной стали в строительстве. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в растянутых зонах элементов, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.

Преимущества технологии преднапряжения железобетона

Преднапряженные конструкции оказываются экономичными для зданий и сооружений с такими пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно, или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций.

Предварительное напряжение, увеличивающее жесткость и сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки. Правильно запроектированные преднапряженные конструкции и здания безопасны в эксплуатации и более надежны, особенно в сейсмических зонах. С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается. Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения преднапряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а, следовательно, более гибкими и легкими.

В большинстве развитых зарубежных стран из предварительно напряженного железобетона во все возрастающих объемах изготавливают конструкции перекрытий и покрытий зданий различного назначения, значительную часть изделий, используемых в инженерных сооружениях и в транспортном строительстве; появились производства элементов наружного архитектурного оформления зданий.

Мировой опыт использования технологии преднапряжения

В мире монолитный железобетон большей частью является предварительно напряженным. В первую очередь, таким способом возводятся большепролетные сооружения, жилые здания, плотины, энергетические комплексы, телебашни и многое другое. Телебашни из монолитного преднапряженного железобетона выглядят особенно эффектно, став достопримечательностями многих стран и городов. Телебашня в Торонто является самым высоким в мире отдельно стоящим железобетонным сооружением. Ее высота 555 м.

Поперечное сечение башни в виде трилистника оказалось весьма удачным для размещения напрягаемой арматуры и бетонирования в скользящей опалубке. Ветровой опрокидывающий момент, на который рассчитана эта башня, составляет почти полмиллиона тоннометров при собственном весе наземной части башни чуть более 60 тыс. т.

В Германии и в Японии из монолитного преднапряженного железобетона широко строятся резервуары яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени такие резервуары возведены суммарной емкостью более 1,2 млн.куб.м. Отдельные сооружения этого типа имеют емкость от 1 до 12 тыс.куб.м.

За рубежом все более широкое применение находят монолитные перекрытия увеличенного пролета с натяжением арматуры на бетон. Только в США таких конструкций ежегодно возводится более 10 млн.куб.м. Значительный объем таких перекрытий сооружается в Канаде.

В последнее время напрягаемая арматура в монолитных конструкциях все чаще применяется без сцепления с бетоном, т.е. не производится инъецирование каналов, а арматуру от коррозии или защищают специальными защитными оболочками, или обрабатывают антикоррозионными составами. Таким образом возводятся мосты, большепролетные здания, высотные сооружения и другие подобные объекты.

Помимо традиционных строительных целей монолитный предварительно-напряженный железобетон нашел широкое применение для корпусов реакторов и защитных оболочек атомных электростанций. Суммарная мощность АЭС в мире превышает 150 млн. кВт, из них мощность станций, корпуса реакторов и защитные оболочки которых построены из монолитного преднапряженного железобетона, составляет почти 40 млн. кВт. Защитные оболочки для реакторов АЭС стали обязательными. Именно отсутствие такой оболочки явилось причиной чернобыльской катастрофы.

Ярким примером строительных возможностей преднапряженного железобетона являются морские платформы для добычи нефти. В мире таких грандиозных сооружений возведено более двух десятков.

Построенная в 1995 г. в Норвегии платформа «Тролл» имеет полную высоту 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с высотой волны 31,5 м. На ее изготовление было израсходовано 250 тыс.куб.м. высокопрочного бетона, 100 тыс. т обычной стали и 11 тыс. т напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок службы платформы 70 лет.

Традиционно обширной областью применения предварительно напряженного железобетона является мостостроение. В США, например, сооружено более 500 тысяч железобетонных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено более двух десятков вантовых мостов длиной 600-700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м. Из предварительно-напряженного железобетона сооружаются внеклассные мосты, которые строятся по индивидуальным проектам. Мосты пролетом до 50 м возводятся в сборном варианте из железобетонных преднапряженных балок.

Достижения в мостостроении из преднапряженного железобетона имеются и в других странах. В Австралии, в г. Брисбен, построен балочный мост с центральным пролетом 260 м, наибольшим среди мостов этого типа. Вантовый мост «Баррнос де Луна» в Испании имеет пролет 440, «Анасис» в Канаде — 465, мост в Гонконге — 475 м. Арочный мост в Южной Африке имеет наибольший пролет — 272 м. Мировой рекорд для вантовых мостов принадлежит мосту «Нормандия», где пролет 864 м. Ненамного уступает ему мост «Васко де Гама» в Лиссабоне, построенный к Всемирной выставке ЭКСПО-98. Общая протяженность этого мостового перехода превышает 18 км. Основные его несущие конструкции — пилоны и пролетные строения — выполнены из бетона с прочностью при сжатии более 60 МПа. Гарантированный срок службы моста 120 лет по критерию долговечности бетона (в России же в последнее время большепролетные мосты чаще строятся из стали).

Технология преднапряжения монолитного железобетона в России

В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. За рубежом значительное распространение имеет безопалубочное формование плитных конструкций на длинных стендах. Там обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 500 кгс/м2. В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см с пролетом до 21 м, то есть применение предварительного напряжения позволяет выпускать сборные элементы качественно иного уровня. Натяжение канатной арматуры на таких стендах, как правило, групповое при мощности домкратов 300-600 т. Сегодня разработаны различные системы без-опалубочного формования на длинных стендах «Спайрол», «Спэнкрит», «Спандек», «Макс Рот», «Партек» и других, отличающиеся высокой производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м изготавливают плиту со скоростью до 4 м/мин, по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, при максимальном пролете 21 м. Только плит «Спэнкрит» применяют в США более 15 млн. м2 ежегодно.

В свое время длинные стенды для безопалубочного формования по технологии «Макс Рот» появились и в России. Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединение элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах, как правило, методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для сборно-монолитных зданий плиты без закладных деталей могут найти самое широкое распространение, что и имеет место за рубежом, особенно в Скандинавских странах и в США.

Позднее в России появились линии «Партек» (на заводе ЖБК-17 в Москве, Санкт-Петербурге, Барнауле), что свидетельствует о появлении спроса на такие плиты. Совершенствование конструктивных систем зданий, безусловно, даст толчок к развитию технологии производства плитных изделий.

Затянувшийся российский застой в области применения преднапряженного железобетона частично связан еще и с тем, что у нас не получили должного изучения и применения предварительно-напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон, в том числе в построечных условиях.

«Энерпром» начинает развивать это направление и предлагает ряд оборудования собственной разработки для реализации такой технологии.

23. Сущность предварительного напряжения. Каковы преимущества предварительно напряжен­ных конструкций?

Предварительно-напряженной называется конструкция в которой создаются сжимающие напряжения в растянутой зоне бетона. Таким образом частично компенсируется недостаток бетона плохо работать на растяжение. Предварительно напряженные конструкции создаются путем напряжения арматуры. Первая попытка создать предварительно-напряженную конструкцию принадлежит Джексону (США) в 1886 году окончилась неудачей, т.к. уровень напряжений был невысок и полностью «съедался» усадкой и ползучестью бетона. Фрейсине (1928 г.) впервые создал методику расчета предварительно-напряженных конструкций.

При предварительном напряжении растянутой под нагрузкой арматуры возникает предварительно напряженное состояние. Растягивающие напряжения в сжатой от внешней нагрузки зоне достаточно велики. В нижней зоне возникают сжимающие напряжения большой величины, поэтому эпюра носит нелинейный характер.

В процессе приложения нагрузки, сжимающие напряжения гасятся растягивающими, от внешней нагрузки.

После того, как растягивающие напряжения от внешней нагрузки превысят сжимающие от предварительного напряжения элемент работает по 2-й стадии, как обычный, но с большей несущей способностью. Третья стадия аналогична обычному железобетонному элементу.(СМ РИС)

24. Какие технологические способы существуют для создания предварительного напряжения? в чем отличие схем натяжения напрягаемой арматуры на упоры и на бетон?

Существуют два основных способа создания предварительного напряжения: на упоры и на бетон. Для создания предварительного натяжения используют механический, электротермический и электротермомеханический способы. (СМ РИС)

Фактически усилие предварительного напряжения не соответствует исходному натяжению. Это объясняется возникающими потерями предварительного напряжения, которые обязательно должны учитываться при расчетах.

Потери предварительного напряжения в арматуре _losсостоят из потерь, происходящих при изготовлении конструкции до ее обжатия и в процессе обжатия – это первые потери_{los 1}и потерь, происходящих после обжатия и проявляющихся в течении длительного времени – это вторые потери_{los 2}.

Первые потери: От релаксации напряжений ₁арматуры; От температурного перепада₂; От деформации анкеров₃, расположенных у натяжных устройств; Потери от трения о возможные точки касания₄; От деформаций стальной формы₅; От быстро натекающей ползучести₆.

Обычно, чем выше предварительное натяжение арматуры, тем больше его положительное влияние на работу конструкции. Однако при этом должна быть исключена возможность развития микротрещин и разрушения бетона усилием обжатия.

25. Как устанавливается начальное предварительное напряжение в арматуре? как осуществляет­ся анкеровка напрягаемой арматуры?

При высоких напряжениях в арматуре, близких к нормативному сопротивлению, в ней возникает опасность разрыва при натяжении (проволочная арматура) и опасность развития значительных остаточных деформаций (горячекатаная). На основании исследований, опыта изготовления и эксплуатации предварительно напряженных элементов значения предварительного напряжения s_sp и s_sp‘ в арматуре, расположенной соответственно в растянутой и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормали с учетом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия: s_sp + р £ R_sn ; s_sp – р ³ 0,3R_sn ,

где p=0.05s_sp – при механическом способе натяжения, МПа;

30 + 360 / l, — при электротермическом и электротермомеханическом способе натяжения (l — длина натягиваемого стержня, принимаемая как расстояние между наружными гранями упоров, м). При натяжении арматуры электротермическим способом во избежание потери упрочнения температура нагрева не должна превышать 300. 350 °С.

Начальное контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на упоры с учетом потерь от деформации анкеров s₃ и трения об огибающие приспособления s₄ равно: s_con=s_sp— s₃ -s₄; s_con‘=s_sp‘- s₃ ‘-s₄‘;

Начальное контролируемое напряжение при натяжении на бетон (с учетом того, что часть усилия тратится на обжатие бетона): s_con=s_sp— αs_bp; s_con‘=s_sp‘- αs_bp‘; где s_bp, s_bp‘ —напряжение в бетоне при обжатии (с учетом первых потерь).

Возможные производственные отклонения от заданного значения предварительного напряжения арматуры учитывают в расчетах коэффициентом точности натяжения арматуры: γ_sp=1±Δγ_sp; Δγ_sp=0.5*(p/γ_sp)*(1+1/√n_p)≥0.1, где Δγ_sp — предельное отклонение предварительного напряжения в арматуре; знак плюс принимают при неблагоприятном влиянии предварительного напряжения, например в расчетах на прочность для арматуры, расположенной в зоне, сжатой при действии нагрузки, а также в расчетах для стадии изготовления и монтажа элемента; знак минус — при благоприятном; п_р — число напрягаемых стержней в сечении элемента.

Нормами допускается принимать р=0 при расчете потерь предварительного напряжения арматуры и при расчете по раскрытию трещин и по перемещениям. Передаточную (или кубиковую) прочность бетона к моменту обжатия R_bp устанавливают так, чтобы при обжатии не создавался слишком высокий уровень напряжения s_bp/R_bp, сопровождающийся значительными деформациями ползучести и потерей предварительного напряжения в арматуре. Рекомендуется принимать R_bp по расчету, но не менее 11 МПа (при стержневой арматуре класса Ат-VI и арматурных канатах — не менее 15,5 МПа), а также не менее 50 % прочности бетона.

Анкеровка напрягаемой арматуры в бетоне во многих случаях осуществляется за счёт сцепления арматуры с бетоном. При применении в качестве напрягаемой арматуры высокопрочной проволоки периодического профиля, арматурных канатов, стержневой арматуры периодического профиля, натягиваемой на упоры, установка постоянных анкеров не требуется. Установка анкеров обязательна для арматуры, натягиваемой на бетон, а также для арматуры, натягиваемой на упоры, при недостаточном сцеплении. Длину зоны передачи напряжений l_p для напрягаемой арматуры без анкеров следует опреде­лять по формуле : l_p = (w_p*s_sp/R_bp+λ_p)*d, где w_p и l_p принимаются по табл. 28. К значению R_bp при необходимости вводятся ко­эффициенты условий работы бетона, кроме g_s2. Величина s_sp в формуле принимается равной:

— при расчете элементов по прочности — большему из значений R_s и s_sp;

— при расчете элементов по трещиностойкости ¾ значению s_sp. Здесь s_sp принимается с учётом первых потерь по поз. 1—5 табл. 5 СНиП 2.03.01-84 . Тип анкера выбирают, исходя из производственных возможностей и вида арматуры.

Ненапрягаем армиз гладких стержнейА-I(А240) – на концах устраивают анкеры в виде полукруглых крючков.

Понятие о предварительно напряженных железобетонных конструкциях

Основными достоинствами железобетона являются: высокая проч­ность, огнестойкость, долговечность, простота формообразования. Бетонная балка (рис. ниже), испытывающая при изгибе растяжение ниже нейтральной оси и сжатие выше нее, имеет низкую несущую способность вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. При этом прочность бетона в сжатой зоне используется не полностью. В связи с этим неармированный бетон не рекомендуется применять в конструкциях, предназначенных для работы на изгиб или растяжение, так как размеры таких элементов были бы непомерно большими.

Бетонные конструкции применяют преимущественно при их работе на сжатие (стены, фундаменты, подпорные сооружения, ус­той и др.) и только иногда при работе на изгиб при малых растяги­вающих напряжениях, не превышающих предела прочности бето­на при растяжении.

Железобетонные конструкции, усиленные в растянутой зоне арматурой, обладают значительно более высокой несущей способ­ностью. Так, несущая способность железобетонной балки (рис. ниже) с уложенной внизу арматурой в 10-20 раз больше, чем несущая способность бетонной балки таких же размеров. При этом прочность бетона в сжатой зоне балки используется полностью.

Схемы работы элементов под нагрузкой

В качестве арматуры применяют стальные стержни, проволо­ки, прокатные профили, а также стекловолокно, синтетические ма­териалы, деревянные бруски, бамбуковые стволы.

Конструкции армируют не только при их работе на растяжение и изгиб, но и на сжатие (рис. выше). Поскольку сталь имеет высокое сопротивление растяжению и сжатию, включение ее в сжатые эле­менты значительно повышает их несущую способность. Совмест­ная работа таких различных по свойствам материалов, как бетон и сталь, обеспечивается следующими факторами:

1. сцеплением арматуры с бетоном, возникающим при твердении бетонной смеси; благодаря сцеплению оба материала деформи­руются совместно;
2. близкими по значению коэффициентами линейных температур­ных деформаций (для бетона 7·10 -6 -10·10 -6 1/град, для стали 12·10 -6 1/град), что исключает появление начальных напряже­ний в материалах и проскальзывание арматуры в бетоне при изменениях температуры до 100 °С;
3. надежной защитой стали, заключенной в плотный бетон, от кор­розии, непосредственного действия огня и механических по­вреждений.

Особенностью железобетонных конструкций является возмож­ность образования трещин в растянутой зоне при действии внешних нагрузок. Раскрытие этих трещин во многих конструкциях в стадии эксплуатации невелико (0,1-0,4 мм) и не вызывает коррозии арма­туры или нарушения нормальной работы конструкции. Однако име­ются конструкции и сооружения, в которых по эксплуатационным условиям образование трещин недопустимо (например, напорные трубопроводы, лотки, резервуары и т. п.) или ширина раскрытия должна быть уменьшена. В этом случае те зоны элемента, в кото­рых под действием эксплуатационных нагрузок появляются растя­гивающие усилия, заранее (до приложения внешних нагрузок) под­вергают интенсивному обжатию путем предварительного натяже­ния арматуры. Такие конструкции называют предварительно напряженными. Предварительное обжатие конструкций выполня­ют в основном двумя способами: натяжением арматуры на упоры (до бетонирования) и на бетон (после бетонирования).

В первом случае перед бетонированием конструкции арматуру натягивают и закрепляют на упорах или торцах формы (рис. ниже). Затем бетонируют элемент. После приобретения бетоном необхо­димой прочности для восприятия сил предварительного обжатия (передаточная прочность) арматуру освобождают от упоров и она, стремясь укоротиться, сжимает бетон. Передача усилия на бетон происходит благодаря сцеплению между арматурой и бетоном, а также посредством специальных анкерных устройств, находящих­ся в бетоне конструкции, если сцепления недостаточно.

Во втором случае сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент с каналами или пазами (рис. ниже). При дос­тижении бетоном требуемой передаточной прочности в каналы (пазы) заводят арматуру, натягивают ее с упором натяжного при­способления на торец элемента и заанкериваюг. Таким образом, бетон оказывается обжатым. Для создания сцепления арматуры с бетоном в каналы инъектируют цементный или цементно-песчаный раствор. Если напрягаемая арматура располагается на наружной поверхности элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резер­вуаров и т. п.), то навивка ее с одновременным обжатием бетона производится специальными навивочными машинами. После натя­жения арматуры на поверхность элемента наносят торкретирова­нием защитный слой бетона. Натяжение арматуры может произво­диться механическим, электротермическим, комбинированным и физико-химическим способами.

Способы создания предварительного напряжения

а — натяжение на упоры; б — натяжение на бетон; I — натяжение арматуры и бетонирование элемента; II, IV — готовый элемент; III — элемент во время натяжения арматуры; 1 — упор; 2 — домкрат; 3 — анкер

При механическом способе арматуру натяг ивают гидравличес­кими или винтовыми домкратами, намоточными машинами и дру­гими механизмами. При электротермическом способе арматуру нагревают электрическим током до 300-350 °С, заводят в форму и закрепляют на упорах. В процессе остывания арматура укорачива­ется и получает предварительные растягивающие напряжения. Ком­бинированный способ натяжения сочетает электротермический и механический способы натяжения арматуры, осуществляемые од­новременно. При физико-химическом способе натяжение арматуры достигается в результате расширения бетона, приготовленного на специальном напрягающем цементе (НЦ), в процессе его гидро­термической обработки.

Арматура, заложенная в бетоне, препятствует увеличению его объема и растягивается, а в бетоне возникают сжимающие напря­жения. Натяжение арматуры на упоры производится механическим, электротермическим или комбинированным способами, а на бе­тон — только механическим способом.

Основное достоинство предварительно напряженных конструк­ций — высокая трещиностойкость. При загружении предварительно напряженного элемента внешней нагрузкой в бетоне растянутой зоны погашаются предварительно созданные сжимающие напряжения и только после этого возникают растягивающие напряжения. Чем выше прочность бетона и стали, тем большее предварительное обжатие можно создать в элементе.

Применение высокопрочных материалов позволяет сократить рас­ход арматуры на 30-70% по сравнению с ненапрягаемым железобето­ном. Расход бетона и масса конструкции при этом также снижаются. Кроме того, высокая трещиностойкость предварительно напряженных конструкций повышает их жесткость, водонепроницаемость, морозо­стойкость, сопротивление динамическим нагрузкам, долговечность.

К недостаткам предварительно напряженного железобетона следует отнести то, что процесс составляет значительную трудоем­кость изготовления конструкций. Помимо этого создается необхо­димость в использовании специального оборудования и рабочих высокой квалификации.

Напряженно-деформированные состояния предварительно на­пряженных элементов после образования трещин в бетоне растяну­той зоны сходны с элементами без предварительного напряжения.