Сцепление и анкеровка арматуры с бетоном.

В железобетонных конструкциях благодаря сцеплению материалов скольжения арматуры в бетоне под нагрузкой не происходит. Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивается сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заанкерованных в бетоне. Согласно опытным данным, прочность сцепления зависит от:

1) зацепления в бетоне выступов на поверхности арматуры периодического профиля;

2) сил трения, развивающихся при контакте арматуры с бетоном под влиянием его усадки;

3) склеивания арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеющей способности цементного геля.

Наибольшее влияние на прочность сцепления оказывает первый фактор. Если арматура гладкая и круглая, сопротивление скольжению уменьшается в 2—3 раза. Исследования показали, что распределение напряжений сцепления арматуры с бетоном по длине заделки стержня неравномерно, и наибольшее напряжение сцепления тстах не зависит от длины анкеровки стержня.

Прочность сцепления возрастает с повышением класса бетона, уменьшением водоцементного отношения, а также с увеличением возраста бетона. При недостаточной заделке к концам стержней приваривают коротыши или шайбы (по концам стержней из гладкой стали класса A-I устраивают крюки). При вдавливании арматурного стержня в бетон прочность сцепления больше, чем при его выдергивании, вследствие сопротивления окружающего слоя бетона поперечному расширению сжимаемого стержня. С увеличением диаметра стержня и напряжения в нем Os прочность сцепления при сжатии возрастает, а при растяжении уменьшается. Отсюда следует, что для лучшего сцепления арматуры с бетоном при конструировании железобетонных элементов диаметр растянутых стержней следует ограничивать. Анкеровка арматуры в бетоне В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне — анкеровка — достигается запуском арматуры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном), а также с помощью анкерных устройств.

τ = N/(LU) τ – наибольшее напряжение сцепления, L – длина анкеровки стержня, N – усилие в стержне. U – периметр сечения стержня

14. Сущность предварительного напряжения, способы натяжения арматуры.

Предварительно-напряженные конструкции – это конструкции или их элементы, в которых предварительно, т.е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в арматуре и обжатия в бетоне.

Обжатие бетона на величину σ_bp осуществляется предварительно натянутой арматурой, которая после отпуска натяжных устройств стремится возвратится в первоначальное состояние. Проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным сцеплением или специальной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.

Начальные сжимающие напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии испытывают растяжение.

Железобетонные элементы без предварительного напряжения работают при наличии трещин: ,

где - эксплуатационная нагрузка,

- нагрузка, при которой образуются трещины;

- разрушающая нагрузка.

Железобетонные предварительно-напряженные элементы работают под нагрузкой без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием: .

Таким образом, предварительное напряжение не повышает прочность конструкции, а увеличивает ее жесткость и трещиностойкость!

Преимущества предварительно-напряженных конструкций:

· повышенная жесткость и трещиностойкость конструкции;

· возможность использования высокопрочной арматуры (A-IV и выше);

· предварительное напряжение приводит к уменьшению сечения элемента

· возможность выполнения эффективных стыков сборных элементов;

· предварительное напряжение позволяет изготавливать комбинированные конструкции (например, обжимаемую зону выполнять из тяжелого бетона, а остальную – из легкого);

· повышенная выносливость при многократно повторяемых, динамических нагрузках;

· преднапряженные конструкции более безопасны, т.к. перед разрушением имеют большой прогиб и тем самым сигнализируют, что прочность конструкции почти исчерпана;

· повышенная сейсмостойкость;

· повышенная долговечность.

Недостатки предварительно-напряженных конструкций:

· повышенная трудоемкость и необходимость специального оборудования и классифицированных работников;

· большая масса;

· большая тепло- и звукопроводность;

· усиление преднапряженных конструкций всегда сложнее, чем без преднапряжения;

· меньшая огнестойкость;

· при коррозии высокопрочная арматура быстрее теряет пластические свойства, возникает опасность хрупкого разрушения.

15. Способы создания предварительного напряжения, способы натяжения арматуры.

Способы натяжения арматуры:

1. На упоры (до бетонирования). Арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец закрепляют в упоре, другой – натягивают домкратом до заданного напряжения σ_sp. Затем в форму заливают бетон. После достижения бетоном передаточной прочности R_bpарматуру отпускают с упоров, при этом она обжимает окружающий бетон. Чтобы избежать разрушения бетона в торцах элементов, отпуск натяжения арматуры производят постепенно, снижая сначала на 50%, а затем до 0.

2. На бетон. Сначала изготавливают бетонный элемент, в котором предусматривают каналы или пазы. После приобретения бетоном передаточной прочности Rbp, в каналы пропускают рабочую арматуру и натягивают ее на бетон. После натяжения концы арматуры закрепляют анкерами. Для обеспечения сцепления арматуры с бетоном каналы и пазы заполняют под давлением цементным раствором.

Методы натяжения арматуры:

1. Электротермический – необходимое относительное удлинение арматуры еsp получают электрическим нагревом арматуры до соответствующей температуры.

2. Механический – необходимое относительное удлинение арматуры получают вытяжкой арматуры натяжными механизмами (гидравлические и винтовые домкраты, лебедки, тарировочные ключи, намоточные машины и т.д.).

3. Электротермомеханический – совокупность механического и электротермического методов.

4. Физико-химический– заключается в самонапряжении конструкции вследствие использования энергии расширяющегося цемента.

16. Начальное предварительное напряжение в арматуре. Величина контролируемого натяжения. Потери ПН – первые и вторые потери.

Значения предварительных напряжений имеют существенное значение. При малых значениях эффект преднапряжения может быть утрачен вследствие потерь предварительного напряжения. При высоких значениях возникает опасность разрыва арматуры при натяжении.

Предварительные напряженияσ_sp и σ’_sp в арматуреSи S’ следует назначать с учетом допустимых отклонений р таким образом, чтобы выполнялись условия:

; ,

где - при механическом способе натяжения арматуры;

- при электротермическом способе натяжения арматуры, где l – длина натягиваемого стержня, p – в МПа.

Начальные предварительные напряжения в арматуре не остаются постоянными, с течением времени они уменьшаются. Различают первые потери предварительного напряжения в арматуре, происходящие при изготовлении элемента и обжатии бетона, и вторые потери, происходящие после обжатия бетона.

*Первые потери

σ1Потери от релаксации напряжений в арматуре при натяжении на упоры зависят от способа натяжения и вида арматуры:

при механическом способе натяжения, МПа: высокопрочной арматурной проволоки и канатов, стержневой арматуры; при электротермическом и электротермомеханическом способах натяжения: высокопрочной арматурной проволоки и канатов, стержневой арматуры.

σ2. Потери от температурного перепада, т. е. от разности температуры натянутой арматуры и устройств, воспринимающих усилие натяжения при пропаривании или прогреве бетона.

σ3. Потери от деформации анкеров, расположенных у натяжиых устройств вследствие обжатия шайб, смятия высаженных головок, смещения стержней в зажимах или в захватах при механическом натяжении на упоры.

σ4. Потери от трения арматуры:

а) о стенки каналов или поверхность конструкции при натяжении на бетон

б) об огибающие приспособления при натяжении на упоры

σ5.Потери от деформации стальных форм при

σ6. Потери от быстронатекающей ползучести бетона зависят от условий твердения, уровня напряжений и класса бетона; развиваются они при обжатии (и в первые 2—3 ч после обжатия).

*Вторые потери

σ7. Потери от релаксации напряжений в арматуре при натяжении на бетон высокопрочной арматурной проволоки и стержневой арматуры принимаются такими же, как и при натяжении на упоры. 8. Потери от усадки бетона и укорочения элемента зависят от вида бетона, способа натяжения арматуры, условий твердения.

σ8. Потери от усадки бетона и укорочения элемента зависят от вида бетона, способа натяжения арматуры, условий твердения.

σ9. Потери от ползучести бетона (следствие соответствующего укорочения элемента) зависят от вида бетона, условий твердения, уровня напряжений

σ10. Потери от смятия бетона под витками спиральной или кольцевой арматуры (при диаметре труб, резервуаров до 3 м)

σ11. Потери от деформаций обжатия стыков между блоками сборных конструкций.

*Для конструкций, эксплуатируемых при влажности воздуха окружающей среды ниже 40 %, потери от усадки и ползучести бетона увеличиваются на 25 %. Для конструкций, эксплуатируемых в районах с сухим жарким климатом, эти потери увеличиваются на 50 %.

При натяжении арматуры на упоры учитывают:

σlos1=σ1+σ2+σ3+σ4+σ5+σ6

σlos2=σ8+σ9

При натяжении арматуры на бетон учитывают:

σlos1=σ3+σ4

σlos1=σ7+σ8+σ9+σ10+σ11

σ=σlos1+σlos2

Суммарные потери при любом способе натяжения могут составлять около 30 % начального предварительного напряжения. В расчетах конструкций суммарные потери должны приниматься не менее 100 МПа.