Увеличение трещиностойкости и повышение эксплуатационных качеств железобетонных изделий, посредством применения технологии предварительного напряжения различными методами.
Ключевые слова: предварительное напряжение, конструкция, натяжение арматуры, бетон, напрягаемая арматура, канатная арматура, раскрытие трещин, напряженно-деформированное состояние, образование трещин
Бетон — анизотропный материал, данное его свойство выражается в высокой прочности при сжатии и низкой при растяжении. Армирование бетона позволяет восполнить этот недостаток, однако не устраняет его полностью. Проектная прочность бетона на растяжение существенно меньше, чем на сжатие, она варьируется в пределах от 1/20 его нагрузочной способности у бетона до набора марочной прочности и до 1/8 после ее набора. Основная опасность недостаточной прочности на растяжение состоит в подверженности к образованию трещин, из-за чего возникает потребность в увеличении трещиностойкости материала.
Трещиностойкостью железобетонной конструкции называют ее сопротивление образованию трещин в стадии I напряженно-деформированного состояния или сопротивление раскрытию трещин в стадии II напряженно-деформированного состояния [1]. Трещины в бетоне являются концентраторами напряжений и могут значительно повлиять на срок службы изделия. Большое раскрытие трещин опасно с точки зрения коррозии арматуры, а попавшая в трещины вода при замерзании воды в зимнее время увеличивает дефект и ведет к отслаиванию прилегающего бетона и еще большему обнажению арматуры. Периодический профиль применяемой арматуры позволяет снизить раскрытие трещин, однако проблему это полностью не устраняет.
Следующим шагом в решении вопроса повышения трещиностойкости было применение бетонов повышенной прочности марок таких как 400–600 и выше, а также высококачественных арматурных сталей, со временным сопротивлением до 20 тыс. кгс/см2 и более. Экономически это оправдано, поскольку отношение стоимости к прочности высокопрочных материалов, применяемых для железобетона, значительно ниже, чем для материалов менее прочных.
Одним из наиболее эффективных способов увеличения трещиностойкости железобетонных конструкций является их предварительное напряжение (до приложения основных нагрузок). Его производят так, чтобы происходило предварительное обжатие тех зон бетона, в которых при основных нагрузках ожидаются растягивающие напряжения.
Предварительно напряженный железобетон не является особым видом материала. Идентичный по составу железобетону без предварительного напряжения, он, тем не менее, обладает дополнительными качествами, которые могут быть эффективно использованы, увеличивая срок эффективной эксплуатации конструкций.
Следует отметить: в прямом смысле, предварительное напряжение мало влияет на величину разрушающей нагрузки. Однако, ввиду улучшения качества железобетона, предварительное напряжение позволяет эффективно использовать высокопрочные материалы, экономить сталь, способствует снижению общего веса конструкций. То есть косвенно увеличивает сопротивляемость многократно повторяющимся динамическим воздействиям. Снижение общего веса так же уменьшает нагрузки на вертикальные конструкции и фундаменты
Кроме вышеперечисленных преимуществ, применяя предварительное напряжение в монолитных конструкциях возможно так же создание больших пролетов, в том числе свыше 12 метров. Ввиду возможности сокращения толщины перекрытия или балки, чистая высота помещения может быть выше.
Предварительное напряжение железобетонных элементов производят посредством натяжения арматуры и передачи ее реактивного давления на бетон с целью его обжатия. Различают два метода достижения предварительного напряжения: со сцеплением с бетоном и без него (рис. 2). Выбор метода создания предварительных напряжений в бетоне влияет на конструктивные решения железобетонных элементов, анкеровку арматуры, на расчеты в стадии обжатия, на определение потерь предварительных напряжений в напрягаемой арматуре. Далее мы рассмотрим каждый из них в отдельности.
Технология предварительного напряжения без сцепления с бетоном (рис. 1) состоит в армировании бетонных конструкций стальными арматурными канатами, покрытыми непрерывной полимерной оболочкой с прослойкой из специального антикоррозийного состава.
Рис. 1. Схема преднапряжения канатной арматуры без сцепления с бетоном
Раскладка арматуры представляет собой следующее: в пролетной части канатная арматура изгибается вниз, а над опорами вверх, иными словами, раскладка выполняется строго по эпюре момента в поперечных и продольных направлениях. Передача усилий от каната на бетон происходит через анкерные устройства, установленные на торцах конструкции. Анкеры разделяют на глухие и тяжные. Глухой анкер нужен для фиксации конца каната на торце конструкции (рис. 2), а тяжной анкер закрепляет канат после напряжения (рис. 3).
Рис. 2. Глухой анкер для систем без сцепления с бетоном
Рис. 3. Тяжной анкер для систем без сцепления с бетоном
Натяжение каждого каната можно производить отдельно от остальных, поэтому используются однопрядевые легкие. После натяжения в затвердевшем бетоне высокопрочный арматурный трос остается в полимерной оболочке. Она изолирует стальной канат от влияния бетона при его натяжении. Смазка каната приводит к минимальному коэффициенту трения каната об оболочку, а значит к наименьшим потерям от трения. При двойной антикоррозионной защите с оболочкой и смазкой, канат защищен от воздействия электрических токов и солей в течение всего эксплуатационного срока. Конструктивная схема системы без сцепления с бетоном имеет малые размеры, а значит, может применяться для тонких конструкций, обеспечивая максимальные эксцентриситеты напрягаемой арматуры в бетоне, обжатие и разгружающие моменты. Далее рассмотрим второй вариант преднапряжения.
При предварительном напряжении со сцеплением с бетоном основная задача в том, чтобы создать в готовой железобетонной конструкции усилия сжатия за счет натяжения стальных канатов, на концах которых располагаются анкерные устройства, обеспечивающие передачу усилия на бетон (рис. 4). Оболочка у канатов в данном методе отсутствует.
Рис. 4. Схема преднапряжения канатной арматуры со сцеплением с бетоном
Основное отличие системы преднапряжения со сцеплением напрягаемой арматуры с бетоном в том, что каналообразователь, после натяжения канатов, находящихся в нем, заполняется безусадочным цементным раствором. Каналообразователь обеспечивает в дальнейшем защиту и передачу усилия с канатов на бетон конструкции по всей длине каната. Как правило, используются каналообразователи овального или круглого сечения. Они входят в состав системы преднапряжения. Диаметр рассчитывается в соответствии с количеством канатов, их число может быть от 1 до 31. Нередко преднапряжение со сцеплением с бетоном используется совместно с обогревом бетона, что делает его значительно прочнее и уменьшает время строительных работ. Преднапряжение арматуры со сцеплением с бетоном, имеет большие размеры конструкции, чем описанная выше система без сцепления с бетоном. Такие системы целесообразнее применять при строительстве крупных объектов или с высоким классом ответственности, таких как АЭС, ГРЭС и других.
Литература:
1. Литвинов Р. Г. Трещиностойкость железобетонных элементов при изгибе// Бетон и железобетон. 1992.
2. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции.
3. Технология предварительного напряжения железобетонных конструкций в построечных условиях / С. Н. Леонович, И. И. Передков, А. И. Сидорова. — Минск: БНТУ, 2018.
4. Методическое пособие «Конструкции железобетонные монолитные с напрягаемой арматурой без сцепления с бетоном», — М.: НИИЖБ им. А. А. Гвоздева, 2017.
