Арматура попередньо напружена

Арматура, яку піддають попередньому напруженню перед або після виготовлення бетонного чи залізобетонного елемента називають попередньо напруженою.

Основна ідея попереднього напруження залізобетону полягає в створенні в процесі виготовлення елементу початкових напружень обтиснення бетону в зонах, де в процесі прикладання розрахункового навантеження (під час експлуатації) виникають розтягуючі напруження.

Попереднє напруження приймають з метою:

1. Зниження витрат сталі за рахунок використання високоміцної арматури;
2. Зменшення ваги конструкції за рахунок використання бетонів високих марок;
3. Створення конструкцій з меншою шириною розкриття тріщин;
4. Підвищення жосткості залізобетону (зменшення прогинів).

Для попередньо напружених залізобетонних конструкцій використовувують стрижні та канати класів А600, А600С, А600К, А800, А800К, А800СК, А1000, К-7 та проволоку класів В, Вр.

Таблиця 3.5[1] - Характеристичні значення опору та деформаційних характеристик попередньо напружуваної арматури

Клас арматури	Характеристики арматури
	fpk , (МПа)	fp0,1k , (МПа)	Ep , (МПа)	εuk
А600, А600С, А600К	630	575	190000	0,02
А800, 800К, А800СК	840	765	190000	0,018
А1000	1050	955	190000	0,018
Вр1200	1260	1145	190000	0,016
Вр1300	1365	1240	190000	0,016
Вр1400	1470	1335	190000	0,016
Вр1500	1575	1430	190000	0,016
К1400 (К-7)	1470	1335	180000	0,014
К1500 (К-7)	1575	1430	180000	0,014
К1500 (К-19)	1575	1430	180000	0,014

fpk - характеристичне значення опору арматури на розтяг;
fp0,1k - характеристичне значення умовної межі текучості 0,1%;
Ep - модуль пружності арматури;
ε_uk - гранична відносна деформація видовження арматури.

В звичайному (не напруженому) залізобетоні при відносно невеликих навантаженнях що відповідають напруженням в розтягнутій арматурі 200-400 МПа (в залежності від класу арматури), напруження в розтягнутій зоні бетону досягають граничних величин опору бетону на розтяг. При подальшому збільшенні навантаження в розтягнутій зоні бетону з'являються тріщини. Це обумовлено малою розтягуваністю бетону (малого відносного подовження) і порівняно великим відносним подовженням арматури (розтянута арматура в 4-6 разів більше подовжується за бетон). Крім того, зростає прогин елементу.

Попереднє напруження стиску в бетоні створюється шляхом попереднього напруженя робочої арматури - поздовжньої в затяжках, балках, плитах, стійках і поперечною (спіральною) в стінках резервуарів, напірних трубах і т.д.

Щоб краще зрозуміти суть попереднього напруження, розглянемо однопролітну балку, до якої прикладені зусиля попереднього обтиснення N та розрахункове навантаження q. (рис. 1).



Під впливом поздовжніх сил N проходить попереднє обтиснення балки і в нижній зоні виникають напруження стиску.
Під впливом експлуатаційного навантаження q в нижній зоні балки виникають розтягуючі напруження, які врівноважуються напруженнями від попереднього обтиснення. При цьому, якщо сумарні розтягуючі зусилля не перевищують за величиною розрахункового опору бетону на розтяг, тріщини в з/б елементі не виникнуть (застосовують для конструкцій, в яких за умовами експлуатації не повинні виникати тріщини). В іншому випадку з'являються тріщини але ширина їх розкриття буде невеликою.
Жосткість такого перерізу значно більша за аналогічний переріз з звичайного залізобетону. Це дозволяє при однакових зусиллях зменшити розміри поперечного перерізу елементу з попередньо напруженого залізобетону і тим самим зменшити витрати бетону, сталі та зменшити вагу конструкції.

Так як перерізи елементів із попередньо напруженого залізобетону мають більшу жосткість, при однакових перерізах можна збільшити розміри прольотів конструкцій і тим самим розширити сферу ефективного використання залізобетону.

Існує два основних способи попереднього напруження робочої арматури:

1. Натяг арматури на упори до бетонування елементу;
2. Натяг арматури безпосередньо на бетон після бетонування елементу і затвердіння бетону.

Перший спосіб полягає в тому, що до кінців робочої арматури до бетонування прикладають силу N, яка розтягує її в межах пружності. Під впливом сили N стрижні подовжуються на величину Δl. В такому натягнутому положенні арматури сила N передається на спеціальні упори або торці опалубки і елемент бетонується. Після затвердіння бетону, коли він досягне необхідної міцності, натягнута арматура звільняється від тримаючих її в натягнутому положенні пристроїв. Працюючи як пружина, арматура намагається скоротитися, але завдяки зчепленню з бетоном виявляється обтисненою силою N, прикладеній до арматури під час її натягу. Конструкція стає попередньо напруженою.

В залежності від виду профілю арматури зусилля N передається на бетон або через торці за допомогою анкерних пристроїв, або за рахунок сил зчеплення арматури з бетоном по всій довжині елементу. В останньому випадку в якості напруженої арматури використовують арматури періодичного профілю, що забезпечує самоанкерування арматури по довжині елементу і сумісну, монолітну роботу з бетоном.
Перший спосіб може бути рекомендовано при виготовленні елементів конструкцій, що вимагають відносно невеликого зусилля обтиснення N. До таких конструкцій належать елементи перекриття цивільних будівель (плити, балки, панелі звичайних прольотів).

Різновидом першого способу є електротермічний метод напруження арматури. Через укладену в форму арматуру пропускають електричний струм і нагрівають її до 300°С, внаслідок чого стрижні подовжуються. Кінці стрижнів закріплюють в формах або спеціальних упорах, що сприймають зусилля внаслідок охолодження стрижнів. Після проводять бетонування, і, коли бетон набере необхідну міцність, кінці стрижнів звільняють. При цьому відбувається обтиснення (напруження) бетону. Даний метод використовують звичайно для виготовлення малогабаритних виробів, армованих стрижневою арматурою.

Другий спосіб, коли арматуру натягують на бетон, проводять після бетонування і затвердіння бетону. В цьому випадку в якості упорів використовують торці залізобетонного елементу. Напружувану арматуру звичайно пропускають через поздовжні канали, що залишають в елементі під час бетонування або розміщують зовні елементу. По мірі натягування арматури реактивна сила передається на торці елементу, викликаючи в його перерізах напруження стиску. Для створення зчеплення між бетоном і арматурою і захисту стрижней від корозії зазори між арматурою і стінками каналу заповнюють під тиском цементним розчином.
Другий метод використовують при виготовленні елементів, які вимагають більших зусиль обтиснення. Такими елементами є перекриття та покриття великих прольотів, ферми, прольотні споруди мостів і ін.

Характер епюри попереднього напруження в бетоні залежить від величини ексцентриситету e₀ - відстані від точки прикладення сили N до центру ваги перерізу (нейтральної вісі).
Якщо сила N прикладена в вздовж нейтральної вісі (де e₀ = 0), то напруження розподіляться рівномірно по перерізу елементу (прямокутна епюра напружень). Якщо силу N прикласти на грані перерізу, то епюра напружень прийме форму трикутника. При більших ексцентриситетах прикладення сили N для забезпечення міцності елементу в процесі виготовлення і монтажу може знадобитися напружена арматура в верхній зоні балки.

При виготовленні елементів необхідно точно дотримуватись розрахунковим положенням арматури - величину e₀ і величину сили N попереднього обтиснення бетону. Невиконааня цих умов може призвести до руйнування елементу під час його виготовлення.

Перелік посилань

1. ДСТУ Б В.2.6-156:2010 "Бетонні та залізобетонні конструкції з важкого бетону. Правила проектування".

mqn.com.ua