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 ssp 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…400оС (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…400оС, 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.