Потери напряжения в арматуре

Как создают преднапряжение?

Создают, в основном, за счет предварительного напряжения рабочей арматуры двумя способами. 1-й способ: вначале натягивают арматуру и закрепляют ее концы на упорах стенда или формы, затем бетонируют изделие, а после набора бетоном необходимой прочности отпускают с упоров арматуру. Упруго укорачиваясь, арматура обжимает бетон за счет сил сцепления. Этот способ называется «натяжением на упоры». Данный способ является наиболее распространенным в производстве сборного и мелкоштучного железобетона, а его доля в общем объеме производства преднапряженного бетона значительно превышает половину, составляя, по разным оценкам, от 70 до 90% в большинстве стран. Основными достоинствами этого способа являются простота и малая длительность технологического цикла - и, как следствие, низкая себестоимость ЖБИ, возможность применения различных поточных технологий. Недостатки: ограничения области применения из-за прямолинейности арматуры, при отсутствии дополнительных анкеров - втягивание арматуры, вызывающее потерю предварительного напряжения на концевых участках изделий и пониженную коррозионную стойкость из-за возможности доступа влаги в трещины, возникающие из-за Пуассонова расширения сокращающейся арматуры.

2-й способ: заранее бетонируют конструкцию, оставляют в ней каналы, в них пропускают арматуру - пучки из проволок, канаты, стержни - заранее либо после набора бетоном передаточной прочности; после набора бетоном необходимой прочности арматуру натягивают, а ее концы закрепляют на торцах конструкции. Одновременно с натяжением арматуры происходит сжатие (обжатие) бетона. Поскольку усилие натяжения Р передается на затвердевший бетон, способ называется «натяжением на бетон». Данный способ имеет два основных варианта исполнения:

2.1. Арматура закрепляется только на торцах изделия, при этом, как правило, каждый арматурный элемент имеет собственную оболочку из пластика, заполненную внутри смазкой, и закладывается в опалубку до бетонирования. Плюсами данного варианта являются равномерность натяжения даже при значительно изменяющемся по длине направлении арматуры (например - в резервуарах для сжиженного газа), потенциальная возможность подтягивания или даже замены арматуры, исчерпывающая защита арматуры от коррозии. Минусы - относительно высокая стоимость арматуры с оболочками, обусловленная отсутствием сцепления по длине повышенная вероятность образования магистральных трещин при перегрузке конструкции, невозможность использования в сборном и мелкоштучном железобетоне (ригели и плиты перекрытий, сваи, шпалы и т.д.).

2.2. Арматура без смазки прокладывается в каналообразователи (как правило, при возведении крупных сегментных и монолитных конструкций в канале находится несколько элементов, при изготовлении сборных и мелкоштучных ЖБИ каналы индивидуальные) и после натяжения осуществляется инъецирование каналов высокопрочным цементным раствором. Плюсы данного варианта: наиболее широкий диапазон возможностей применения, умеренная стоимость, высокая надежность конструкций. Минусы: отсутствие существующих в рассмотренном выше варианте потенциальных возможностей, теоретически худшая (однако более высокая, чем при армировании на упоры) защита от коррозии арматуры.

Преднапряжение можно создать и с помощью напрягающего цемента НЦ, при твердении которого бетон не уменьшается, а увеличивается в объеме, удлиняя за собой и арматуру: в ней возникают растягивающие напряжения, а сама она воздействует на бетон в виде сжимающих сил. Этот способ пока имеет очень ограниченное применение.

Целесообразность применения преднапряжения

Польза преднапряжения заключается в повышении трещиностойкости и жесткости конструкций, т.к. преднапряжение позволяет создать в железобетонной конструкции такие напряжения сжатия, что при приложении расчетной нагрузки к бетонной конструкции даже наиболее нагруженные на растяжение ее участки остаются в сжатом состоянии - это исключает образование трещин, образующихся из-за растяжения аналогично нагруженной ненапряженной конструкции. В свою очередь, это позволяет уменьшать поперечное сечение железобетонных конструкций без ухудшения их несущей способности, а рабочую нагрузку воспринимать высокопрочной арматурой, имеющей более выгодное соотношение стоимости и прочностных характеристик.

Закрепление арматуры при натяжении

Закрепляют с помощью специальных анкеров. Это могут быть инвентарные (многоразовые) зажимы клинового и цангового типа или анкера однократного использования: утолщения (головки) с шайбами, обжимные шайбы и т. д. При натяжении на бетон применяют стационарные анкера различных систем, которые обычно являются неотъемлемой частью железобетонного элемента.

Потери напряжения в арматуре

От момента натяжения арматуры до начала приложения внешней нагрузки на конструкцию часть величины предварительного напряжения s_sp безвозвратно теряется в результате релаксации напряжений стали, температурного перепада, деформации анкеров, трения отогнутой арматуры, деформации формы, ползучести и усадки бетона и т. д.

Заметим лишь, что ползучесть очень интенсивно проявляется в первые минуты после обжатия бетона, а затем постепенно затухает, поэтому ее разделяют на две части: быстронатекающую, которая проявляется уже в процессе обжатия, и длительную, которая продолжается вплоть до приложения эксплуатационной нагрузки.

Под деформациями анкеров следует понимать частичное проскальзывание арматуры в инвентарных зажимах, обмятие анкерных головок, шайб и т. д., в результате чего арматура укорачивается и часть напряжений теряется.

Потери в отогнутой арматуре тем больше, чем больше угол отгиба q: чем больше q, тем больше сила нормального давления V на огибающие приспособления, тем больше сила трения.

Потери от деформации формы возникают при неодновременном натяжении стержней на упоры формы. Чем больше стержней, тем больше потери в первом стержне. (Это явление хорошо известно музыкантам. Пока настраивают последнюю струну — например, гитары, — первая успевает расстроиться: сказалось укорочение грифа, которое привело к ослаблению первой струны.) Однако, если все стержни натягивать одновременно — т. н. «групповым» способом, то потерь не будет.

Потери от перепада температуры возникают при натяжении на упоры стенда в процессе термообработки изделий: вместе с уложенной в форму бетонной смесью нагревается и арматура, напряжения в ней падают. Во время прогрева бетон твердеет, набирает передаточную прочность и силами сцепления надежно захватывает ослабленную арматуру. Поэтому после остывания изделия арматура уже не может вернуть потерянные напряжения. Чем больше перепад между температурой изделия t₂ и температурой упоров (воздуха) t₁, тем больше потери. При натяжении на упоры формы изделие нагревается вместе с формой, одновременно удлиняются арматура и форма (то есть расстояние между упорами) и потери в арматуре не возникают.

Натяжение арматуры

Натягивают механическим (гидродомкраты, грузы, рычаги) или электротермическим методами. Сущность второго состоит в следующем: заготавливают стержни определенной, точно выверенной длины с анкерами по концам, нагревают их сильным током до температуры не выше 350…400^оС (иначе произойдет разупрочнение стали). При нагреве стержни удлиняются и в таком состоянии их закрепляют на упорах. В процессе охлаждения стержни стремятся укоротиться, то есть вернуться в исходное состояние, но упоры этому препятствуют — в результате, в арматуре возникают растягивающие напряжения. Канаты натягивать электротермическим методом нельзя, потому что невозможно обеспечить одинаковый нагрев всех проволок. Кроме того, и канаты, и другие упрочняемые холодной деформацией виды арматуры нецелесообразно натягивать данным методом, так как нагрев до 350…400^оС, при которых не происходит разупрочнение данных видов арматуры, позволяет достичь предварительного напряжения не выше 650…700 МПа, что значительно меньше технически и экономически оправданных 80-90% предела текучести данных видов арматуры. Для натяжения подобной арматуры разработан электротермомеханический метод, совмещающий электротермический и механический методы, однако широкого распространения он не получил. Поэтому арматуру перечисленных классов натягивают преимущественно механическим способом.

Нарушение технологии

Ни в коем случае нельзя к напрягаемой арматуре присоединять другую арматуру. Во-первых, это дополнительная нагрузка, которая оттягивает напрягаемую арматуру и увеличивает в ней усилие натяжения. Во-вторых, в случае приварки дополнительной арматуры, в месте сварки произойдет разупрочнение высокопрочной стали. Все это может привести к обрыву напрягаемой арматуры.