Преднапряженный железобетон

29. ЧТО ТАКОЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН?

Это железобетон (элемент, конструкция), в котором до приложения внешней нагрузки искусственно создают внутренние напряжения, чаще всего, противоположные по знаку тем напряжениям, которые будут возникать при действии внешней нагрузки.

30. КАК СОЗДАЮТ ПРЕДНАПРЯЖЕНИЕ?

Создают, в основном, за счет предварительного напряжения рабочей арматуры двумя способами. 1-й способ: заранее бетонируют конструкцию, оставляют в ней каналы, в них пропускают арматуру (пучки из проволок, канаты, стержни); 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” (рис. 13,а).

2-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” (рис. 13,б).

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.

Рис. 13

31. КАКАЯ ПОЛЬЗА В ПРЕДНАПРЯЖЕНИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА?

Польза в повышении трещиностойкости и жесткости конструкций. Сравним, как ведут себя балки с обычной S и напрягаемой S_р арматурой (рис. 14). У первой балки (а) прогиб f начинается с нуля и растет по мере роста нагрузки F. У второй балки (б) до приложения нагрузки F от действия силы обжатия Р уже имеется выгиб (отрицательный прогиб) f_cp. Очевидно, что при одинаковом значении F прогиб второй балки будет меньше прогиба первой. Подобное же влияние оказывает преднапряжение и на трещиностойкость (см. вопрос 50). Кроме того, преднапряжение позволяет применять высокопрочные бетоны и арматуру, что дает снижение расхода материалов и собственной массы конструкции.

Рис. 14

32.ВЛИЯЕТ ЛИ ПРЕДНАПРЯЖЕНИЕ НА ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ?

Прямо, непосредственно – нет. Из рис. 15 видно, что после образования трещин вся растягивающая сила N воспринимается только арматурой. Ее несущая способность N_su = R_sA_s и определяет прочность элемента, независимо от того, был он преднапряженным или нет.

33. ПОЧЕМУ В КАЧЕСТВЕ НАПРЯГАЕМОЙ АРМАТУРЫ НЕ ПРИМЕНЯЮТ “МЯГКУЮ” СТАЛЬ?

Не потому, что она “мягкая“, а потому, что у нее низкая прочность. Если ее натянуть даже до предела текучести, то со временем от воздействия усадки, ползучести бетона и других причин (см. вопрос 40) от преднапряжения почти ничего не останется, арматура “потеряет” свои начальные напряжения почти полностью. Тем не менее “мягкую” сталь класса А-III можно использовать в качестве преднапряженной арматуры, если ее заранее натянуть (вытянуть) до напряжений 450…500 МПа, превышающих предел текучести, а затем отпустить. После такой процедуры прежняя площадка текучести исчезает, а новая, очень небольшая площадка находится примерно на 1/3 выше прежней (рис. 16). Такая сталь называется “сталью, упрочненной вытяжкой” и обозначается А-IIIв.

Рис. 15 Рис. 16 Рис. 17

34. ПОЧЕМУ В ОБЫЧНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ НЕ ПРИМЕНЯЮТ “ТВЕРДУЮ” СТАЛЬ?

У “твердых” (высокопрочных) сталей расчетные сопротивления достигают 1000 МПа и более, в то время как при допустимом раскрытии трещин на ширину 0,2...0,3 мм напряжения в арматуре составляют всего 250...350 МПа. Ясно, что при таких напряжениях прочностные возможности высокопрочной арматуры используются слабо, поэтому ее применение попросту неэффективно.

35. НЕ СНИЖАЕТСЯ ЛИ ПРОЧНОСТЬ НАПРЯГАЕМОЙ АРМАТУРЫ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЕЕ НАТЯЖЕНИЯ?

На первый взгляд, должна снижаться: ведь к началу приложения внешней нагрузки арматура уже натянута и часть своей прочности успела использовать. В действительности дело обстоит иначе. При передаче на бетон силы обжатия Р арматура и бетон совместно укорачиваются, поэтому в арматуре растягивающее усилие уменьшается на величину DР, а бетон обжимается силой N_b = P – DP. Чтобы восстановить исходное состояние, к железобетонному элементу нужно приложить внешнюю растягивающую силу N = N_b + DP, т.е. N = P (рис. 17). Следовательно, прочность арматуры сохраняется.

36. чем ограничивается величина преднапряжения арматуры s_sp?

Верхний предел s_sp ограничивается расчетным сопротивлением стали для 2-й группы предельных состояний R_s,ser (численно равным нормативному сопротивлению R_sn). При этом, чтобы избежать обрыва арматуры при случайном ее перенапряжении, учитывается возможное отклонение р проектной величины s_sp, поэтому s_sp £ R_s,ser - р. Другой предел ограничивается величиной 0,3R_s,ser + p, ниже которого преднапряжение бессмысленно. Значения р даны в Нормах проектирования.

37. КАК НАТЯГИВАЮТ АРМАТУРУ?

Натягивают механическим (гидродомкраты, грузы, рычаги) или электротермическим методами. Сущность второго состоит в следующем: заготавливают стержни определенной, точно выверенной длины с анкерами по концам (см. вопрос 39), 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, т.е. вернуться в исходное состояние, но упоры этому препятствуют – в результате, в арматуре возникают растягивающие напряжения.

38. МОЖНО ЛИ НАТЯГИВАТЬ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ АРМАТУРУ КЛАССОВ Ат-VII, B-II, Bp-II, K-7, K-19?

Канаты натягивать нельзя, потому что невозможно обеспечить одинаковый нагрев всех проволок. Все остальное можно, но не имеет смысла, так как нагрев до 350…400^оС позволяет достичь предварительного напряжения не выше 650...700 МПа, в то время как прочностные возможности этих классов стали намного выше. 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.

39. КАК ЗАКРЕПЛЯЮТ АРМАТУРУ ПРИ НАТЯЖЕНИИ?

Закрепляют с помощью специальных анкеров (рис. 18). Это могут быть инвентарные (многоразовые) зажимы клинового (а) и цангового (б) типа или анкера однократного использования: утолщения (головки) с шайбами (в), обжимные шайбы (г) и т.д. При натяжении на бетон применяют стационарные анкера различных систем, которые обычно являются неотъемлемой частью железобетонного элемента.

Рис. 18

40. ЧТО ТАКОЕ ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЙ 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.

Влияние релаксации, ползучести и усадки на напряжения в арматуре отражены соответственно в вопросах 14, 5 и 6. 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 (рис. 18) 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 Т (рис. 20).

Потери от деформации формы возникают при неодновременном натяжении стержней на упоры формы: если стержень “б” (рис. 21, вид сверху) натягивать после того, как натянут стержень “а”, произойдет дополнительное укорочение формы вместе с дополнительным укорочением стержня “а” – в нем и потеряется часть напряжений. 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 (рис. 19): 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 (т.е. расстояние между упорами) и потери в арматуре не возникают. Формулы для определения потерь приведены в Нормах.

Рис.19

Рис.20

Рис.21

41. ЧТО ТАКОЕ ПЕРЕДАТОЧНАЯ ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА?

Это кубиковая прочность бетона в момент обжатия R_bp. Как правило, она меньше проектной прочности (класса В). Ждать, когда бетон наберет 100 % проектной прочности, – расточительно, особенно в условиях заводского изготовления. Поэтому назначают такую минимальную величину R_bp, которая обеспечила бы прочность и трещиностойкость изделия при обжатии, подъеме и перевозке, полагая, что до приложения эксплуатационных нагрузок бетон наберет проектную прочность. В любом случае R_bp принимают не менее 50 % от класса В и не менее 11 МПа (а для канатов, проволоки классов В-II и В_р -II, стержней классов А-VI и выше – не менее 15,5 МПа). Следует помнить, что чем ниже R_bр, тем больше потери от ползучести, тем меньше сила обжатия; чем выше R_bp, тем больше продолжительность термообработки, тем дороже конструкция. Опыт показывает, что в большинстве случаев оптимальной является величина R_bp = =0,7B.

К сожалению, в Нормах проектирования отсутствует обозначение призменной передаточной прочности бетона, а именно она чаще всего и участвует в расчетах. Поэтому проектировщикам приходится вводить собственные буквенные обозначения для этой характеристики.

42. С КАКОЙ ЦЕЛЬЮ ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЙ РАЗДЕЛЯЮТ НА ПЕРВЫЕ И ВТОРЫЕ?

Первые потери проявляются в процессе изготовления, до окончания обжатия бетона. Вторые – после изготовления, до начала эксплуатации конструкции. Разделяют их потому, что преднапряженная конструкция в разные периоды испытывает разные нагрузки, на действие которых необходимо проверять прочность и трещиностойкость. Сразу после изготовления – силу обжатия и собственный вес при подъеме или перевозке. В это время в напрягаемой арматуре проявились только первые потери, сила обжатия еще велика, а прочность бетона мала. К началу эксплуатации проявились и первые, и вторые потери, сила обжатия уменьшилась, а прочность бетона выросла и достигла проектного значения.

43. ЗАВИСЯТ ЛИ ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЙ ОТ СПОСОБА НАТЯЖЕНИЯ АРМАТУРЫ?

Да, зависят. При натяжении на упоры к первым потерям относят потери от релаксации напряжений стали s₁, от перепада температуры s₂ (при натяжении на упоры стенда), от деформации анкеров s₃, от трения арматуры об огибающие приспособления s₄, от деформации формы s₅ (при неодновременном натяжении на упоры формы) и от быстронатекающей ползучести s₆, а ко вторым – потери от усадки s₈ и длительной ползучести бетона s₉.

При натяжении на затвердевший бетон релаксация напряжений стали и полная ползучесть бетона проявляются уже после обжатия, поэтому к первым потерям относят только потери от деформации анкеров s₃ и от трения о стенки каналов (или о поверхность бетона) s₄, а ко вторым – потери от релаксации s₇, от усадки s₈, от ползучести s₉ и некоторые другие, связанные с особенностью самой конструкции.

44. КАК УЧИТЫВАЕТСЯ УКОРОЧЕНИЕ БЕТОНА ПРИ ОБЖАТИИ?

При передаче усилия обжатия происходит укорочение бетона вместе с напрягаемой арматурой (см. также вопрос 35), причем укорочение бетона имеет две составляющие – упругую и пластическую. Пластическую составляющую (усадку и ползучесть) учитывают при подсчете потерь s₆, s₈ и s₉, а упругую в потери не включают, т.к. упругие деформации – обратимые, и напряжения, вызванные ими, арматура теряет временно, до приложения внешней нагрузки. Эти временные потери учитывают с помощью геометрических характеристик приведенных сечений (см. вопрос 49).

45. ЧТО ТАКОЕ КОНТРОЛИРУЕМОЕ НАПРЯЖЕНИЕ s_con?

Это напряжение в арматуре, которое контролируют приборами или инструментами в процессе изготовления преднапряженной конструкции и величина которого зависит от технологии изготовления. Например, при механическом натяжении на упоры (гидродомкратами, грузами, лебедками и т.п.) контроль осуществляется в ходе самого натяжения, потери от деформации анкеров и от трения арматуры при перегибах (если перегибы имеются) происходят также в ходе натяжения, поэтому s_con = s_sp – s₃ – s₄. При электротермическом натяжении заготовочную длину стержней назначают не только с учетом создания предварительного напряжения s_sp (см. вопрос 37), но и с учетом потерь напряжения от деформации анкеров s₃ и деформации формы s₅. В этом случае s_con = s_sp – s₄. При натяжении на бетон контроль осуществляют в ходе натяжения, когда одновременно с натяжением арматуры происходит упругое укорочение бетона, которое учитывают в назначении величины s_con.

Значение s_con должно быть указано в чертежах преднапряженной конструкции, а если технология заведомо неизвестна, то необходимо указать расчетное значение s_sp и поименные расчетные значения первых потерь (за исключением потерь от быстронатекающей ползучести).

46. ЧТО ОЗНАЧАЮТ 100 СУТОК ДЛЯ ПРЕДНАПРЯЖЕННОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА?

Это срок с момента изготовления конструкции, в течение которого она должна быть загружена проектной нагрузкой. Дело в том, что формулы для определения потерь напряжений от усадки и ползучести бетона выведены исходя из этого срока. Если конструкция загружена в более раннем возрасте, то это даже хорошо: меньше потери напряжений, больше сила обжатия, выше жесткость и трещиностойкость. Если конструкция пролежала на складе более 100 суток, то потери напряжений превысят расчетные значения. Такую конструкцию необходимо пересчитать (а иногда и испытать) и, возможно, придется использовать под более низкую нагрузку.

Перерасчет начинается с того, что проектные потери от усадки и длительной ползучести умножают на коэффициент j_l = 4t/(100+3t), где t – фактический возраст изделия в сутках. Далее с учетом измененной силы обжатия вновь проверяют жесткость и трещиностойкость.

47. ЧТО ТАКОЕ КОЭФФИЦИЕНТ ТОЧНОСТИ НАТЯЖЕНИЯ?

В производстве любых изделий могут быть неточности, которые заранее учитывают и допускают в ограниченных размерах. Одной из них при изготовлении преднапряженных изделий является погрешность в натяжении арматуры, что вызывает увеличение или уменьшение величины предварительного напряжения s_sp по сравнению с расчетной – это учитывается умножением s_sp на коэффициент точности натяжения g_sp. Если неблагоприятное влияние на работу конструкции оказывает пониженное значение s_sp (например, на образование трещин в зоне, растянутой при эксплуатации), то g_sp < 1; если повышенное (например, на прочность в стадии обжатия), то g_sp > 1. При подсчете потерь напряжений, ширины раскрытия трещин и прогибов допускается принимать g_sp = 1. Значения g_sp приведены в Нормах проектирования.

Не следует путать g_sp с допустимым отклонением p. Если p используют при назначении проектной величины предварительного напряжения, то g_sp – при расчете непосредственно самих сечений.

48. ПОЧЕМУ ПОЛОЖЕНИЕ СИЛЫ ОБЖАТИЯ Р НЕ ВСЕГДА СОВПАДАЕТ С ЦЕНТРОМ ТЯЖЕСТИ НАПРЯГАЕМОЙ АРМАТУРЫ?

Усадка и ползучесть бетона вызывают не только потери напряжений в напрягаемой арматуре, но и сжимающие напряжения в ненапрягаемой арматуре s_s и s_s¢ (рис. 22). В результате, после вторых потерь сила обжатия Р из усилия натяжения арматуры превращается в равнодействующую всех внутренних сил в сечении: Р = s_spA_sp - s_sA_s - s_s¢A_s¢, а ее эксцентриситет относительно центра тяжести (ц.т.) сечения равен

е_ор= (s_spA_spy_sp- s_sA_sy_s+ s_s¢A_s¢y_s¢) /P, т.е. не совпадает с y_sp. Напряжения s_s и s_s¢ в ненапрягаемой арматуре определяют по тем же формулам Норм, что и потери напряжений s₈ и s₉ в напрягаемой

Рис.22

Рис.23

49. ЧТО ТАКОЕ ПРИВЕДЕННЫЕ СЕЧЕНИЯ?

Бетон и арматура, хотя и работают совместно, но имеют разные модули упругости: при одинаковых деформациях в них возникают разные напряжения. Чтобы подсчитать их, сечения приводят к одному материалу (обычно к бетону) через коэффициент приведения a = Е_s / E_b, где Е_s и Е_b – модули упругости арматуры и бетона (начальный). Такие сечения называют приведенными. Поясним примером.

Требуется определить напряжения в бетоне преднапряженного элемента, обжатого осевой силой Р = s_spA_sp, где А_sp – площадь сечения напрягаемой арматуры. После обжатия элемент упруго укорачивается на величину Dl, или e_b = Dl/ l (рис. 23,а), причем вместе с бетоном укорачивается и напрягаемая арматура: De_sp = e_b. Усилие в ней падает на величину DР = Ds_spA_sp = De_spE_sA_sp.

Поскольку De_sp = e_b, а Е_s = aЕ_b, то Ds_sp= De_spE_s = e_baE_b = (s_bp/E_b)aE_b= =as_bp, где s_bp – установившееся напряжение в бетоне. Условие равновесия: Р – DР = N_bp, или Р = N_bp + DP, где N_bp=s_bpA_b - усилие, воспринимаемое бетоном, А_b – площадь бетонного сечения, DР = Ds_spA_sp =as_bpA_sp. Отсюда Р = s_bpА_b +as_bpA_sp = s_bpA_red, где А_red =А_b + aA_sp - площадь приведенного сечения. Тогда s_bp = P/A_red.

Следовательно, чтобы вычислить напряжения в бетоне при обжатии, вовсе не обязательно учитывать упругое укорочение арматуры и падение в ней усилия Р - достаточно первоначальное значение Р поделить на площадь приведенного сечения.

В более сложных случаях одной площади недостаточно. Например, чтобы вычислить s_bp в любой точке приведенного сечения при внецентренном обжатии (рис. 23,б) требуется знать статический момент S_red (для нахождения центра тяжести приведенного сечения) и момент инерции J_red. Тогда s_bp = Р/A_red ± Pe_opy/J_red, где y – расстояние от центра тяжести до интересующей точки.

50. ЧЕМ ОТЛИЧАЮТСЯ СТАДИИ РАБОТЫ ОБЫЧНЫХ И ПРЕДНАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ?

Рассмотрим работу центрально растянутого элемента (рис. 24) с обычной (а) и напрягаемой (б) арматурой. У элемента с обычной арматурой до приложения внешней нагрузки напряжения отсутствуют (если пренебречь влиянием усадки) – стадия 1. С приложением внешней силы N в бетоне и арматуре появились растягивающие напряжения (стадия 2), причем из условия совместности деформаций в арматуре напряжения в a раз больше, чем в бетоне: e_bt = e_s; s_bt = E_be_b; s_s = E_se_s, откуда s_s = s_btE_s/E_b= as_bt. По мере роста N бетон достигает предела прочности на растяжение (s_bt =R_bt), а напряжения в арматуре составляют s_s = 2aR_bt, где цифра 2 учитывает удвоение, по сравнению с упругой частью, деформаций в бетоне e_bt к моменту его разрыва (см. диа­грамму на рис.1). Внешняя сила N на момент образования трещин (раз­рыва бетона) составляет N_crc = = N_bt + N_s = R_btA_b + 2aR_btA_s = R_bt (A_b + 2aA_s), где А_b и A_s – площади сечения соответственно бетона и арматуры. После образования трещин вся нагрузка воспринимается арматурой (стадия 3): N = s_sA_s.

Рис. 34

У элемента с напрягаемой арматурой на стадии 1 арматура натянута и закреплена на упорах, в ней проявились первые потери (кроме потерь от быстронатекающей ползучести). Стадия 2 – натяжение отпущено, бетон обжат силой Р₁ = s_sp1A_sp, напряжения в нем s_bp1 = P₁ /A_red, напряжения в арматуре уменьшились за счет быстронатекающей ползучести и упругого укорочения бетона и составили s_sp1 – as_bp1. Стадия 3 – проявляются вторые потери, сила обжатия уменьшается до величины Р₂, напряжения в бетоне – до величины s_bp2 = P₂ /A_red, а напряжения в арматуре – до величины s_sp2 – as_bp2. Стадия 4 – приложена внешняя нагрузка N, по мере роста которой напряжения в бетоне s_bp2 падают до нуля, а напряжения в арматуре растут на величину as_bp2 – сила обжатия бетона Р₂ погашена, элемент возвращается в исходное положение на стадии 1, но с одной существенной оговоркой: в бетоне проявились деформации усадки и ползучести, а в арматуре безвозвратно потеряна часть напряжений. Условие равновесия: N = P₂ = s_sp2A_sp. Стадия 5 – бетон растягивается до напряжений s_bt = R_bt при нагрузке N_crc. Условие равновесия:

N_crc = N_bt + N_s, где N_bt = R_btA_b, N_s = P₂ + DN_sp = s_sp2A_sp + 2aR_btA_sp. Окончательно: N_crc= P₂ + R_bt (A_b+ 2aA_sp).Стадия 6 – после образования трещин бетон выключается из работы и всю нагрузку воспринимает одна арматура (так же, как элемент с обычной арматурой на стадии 3).

Таким образом, трещиностойкость (т.е. усилие образования трещин N_crc) преднапряженного элемента по сравнению с обычным выросла на величину силы обжатия Р₂ (рис. 24,в). Подобные же стадии работы и у изгибаемых элементов, только с более сложными эпюрами напряжений.

51. ПОЧЕМУ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ОБЖАТИИ ОПРЕДЕЛЯЮТ ИСХОДЯ ИЗ УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ БЕТОНА?

В первые мгновения после передачи усилия обжатия бетон работает практически упруго, а напряжение s_bp в нем можно определять по обычным формулам сопромата. От величин именно этих напряжений зависят в дальнейшем деформации ползучести, а от них – и потери напряжений в напрягаемой арматуре. Как видим, в этом случае никаких погрешностей в расчете нет. Для случая расчета по закрытию трещин объяснение дано в вопросе 162.

Для остальных случаев заведомо допускается некоторая погрешность, чтобы исключить неоправданное усложнение расчетов. Однако погрешность эта компенсируется поправочными коэффициентами, например, коэффициентом j при подсчете величины радиуса ядра сечения и коэффициентом g при подсчете величины упруго-пластического момента сопротивления (см. вопрос 152).

52. ЕСТЬ ЛИ СМЫСЛ СОЗДАВАТЬ ПРЕДНАПРЯЖЕНИЕ В ЭЛЕМЕНТАХ, СЖАТЫХ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКОЙ?

На первый взгляд, это кажется бессмысленным. Действительно, зачем к сжатию бетона внешней нагрузкой добавлять еще и предварительное обжатие? И все же такие случаи встречаются. Например, для многоэтажных зданий иногда изготавливают цельные, очень длинные колонны, что весьма удобно для монтажников – исключается трудоемкая стыковка коротких колонн. Но поднять и перевести длинную колонну невозможно: или она сломается, или в ней образуются недопустимо широкие трещины под воздействием изгибающего момента М_W от собственного веса q_W (рис. 25,а). Если колонну изготовить преднапряженной, то вместо работы только на изгиб она будет работать на сжатие (Р) с изгибом (М_W), т.е. на внецентренное сжатие. Причем силу обжатия Р можно подобрать таким образом, что растягивающих напряжений в бетоне вообще не будет. Аналогичное решение применяют и к длинным сваям.

Другой пример: в изгибаемых элементах в зоне, которая будет сжата от внешней нагрузки, могут образовываться недопустимо широкие трещины на стадии обжатия силой Р. Если нельзя уменьшить Р, то приходится ставить напрягаемую арматуру S¢_p в сжатой зоне и создавать еще одну силу обжатия Р¢ (рис. 25,б).

Разумеется, напрягаемая арматура в сжатой зоне играет положительную роль, пока конструкция не загружена внешней нагрузкой. Далее ее роль отрицательна, за исключением одного случая: если s_sc,u- s_sp2 > 0, то в напрягаемой арматуре растягивающие напряжения перейдут в сжимающие и она начнет работать как обычная сжатая арматура (здесь s_sp2 – величина преднапряжения с учетом всех потерь, а s_sc,u – предельные напряжения в стали, которые могут быть достигнуты в момент разрушения сжатого бетона; их принимают равными 500, 400 или 330 МПа в зависимости от длительности действия сжимающей нагрузки на бетон; см. также вопрос 27).

Рис. 25

Рис. 26

53. ЧТО ТАКОЕ САМОАНКЕРУЮЩАЯСЯ АРМАТУРА?

Силу натяжения арматуры можно передать на бетон двумя способами: через концевые анкера (рис. 26,а) или за счет сил сцепления (рис. 26,б). Первый способ применяют, преимущественно, при натяжении на бетон, второй - на упоры. При втором способе анкера не нужны, арматура сама заанкеривается в бетоне, поэтому и называется самоанкерующейся. Такой арматуре для уравновешивания силы обжатия Р необходимо иметь достаточную сумму сил сцепления (åТ_сц =Р), которые действуют в концевом участке – этот участок называется зоной передачи напряжений l_p. Длина l_p тем меньше, чем больше силы сцепления Т_сц, которые зависят от профиля арматуры, ее диаметра d, передаточной прочности бетона R_bp и, конечно же, от величины преднапряжения s_sp. Величину l_p определяют по формуле: l_p = (w s_sp/R_bp +l_p)d, где w и l_p – эмпирические коэффициенты, учитывающие профиль арматуры.

В соответствии с характером действия Т_сц меняется и усилие обжатия Р_x – от нуля в торце до Р в конце зоны l_p. Величина Р_x меняется по сложному закону (пунктирная линия на рис. 26,б), для простоты расчетов замененному линейным законом: Р_x = (l_x / l_p)Р £ Р. Очевидно, что по такому же закону меняются и напряжения обжатия в бетоне s_bp.

54. В КАКИХ РАСЧЕТАХ ИСПОЛЬЗУЮТ l_p?

Используют тогда, когда необходимо учесть уменьшение силы обжатия бетона и ослабление сцепления арматуры с бетоном в концевых участках, т.е. в расчете трещиностойкости опорных участков (наклонные сечения), в расчете прочности наклонных сечений на изгибающий момент, в расчете прочности и трещиностойкости нормальных сечений концевых участков при действии монтажных и транспортных нагрузок и т.п. Когда дело касается учета анкеровки напрягаемой арматуры, то составители Норм проектирования, упрощая задачу, предложили принимать большее из значений l_an (см. вопрос 17) и l_p.

В действительности же, природа сцепления при выдергивании арматуры и при передаче усилия ее натяжения на бетон совершенно различна: если в первом случае арматура максимально смещается относительно бетона вблизи опасной трещины, то во втором – в торце конструкции.

55. С КАКОЙ ЦЕЛЬЮ В КОНЦЕВЫХ УЧАСТКАХ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ УСТАНАВЛИВАЮТ КОСВЕННУЮ АРМАТУРУ?

Напрягаемые стержни, канаты, проволока представляют собой сосредоточенные силы, приложенные в торцах конструкций. Самоанкерующаяся арматура, кроме того, работает как клин, сужающийся по длине l_p (сужение происходит от поперечных деформаций, пропорциональных продольным). В итоге, в бетоне образуются продольные трещины, которые можно предотвратить или сдержать арматурой поперечного направления. Сдерживая поперечные деформации, она косвенно повышает прочность бетона (см. вопрос 8) – отсюда и название “косвенная арматура”. Косвенной арматурой могут служить сварные сетки, спирали, анкера закладной детали и т.п. Косвенная арматура должна устанавливаться с шагом 50…100 мм на длине не менее 0,6l_p.

56. МОЖНО ЛИ К НАПРЯГАЕМОЙ АРМАТУРЕ ПРИСОЕДИНЯТЬ ДРУГУЮ АРМАТУРУ?

Ни в коем случае. 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.