Напряженная и напрягаемая арматура в плитах: расчет, ГОСТ, анкеровка
Известно, что бетон прекрасно выдерживает сжимающие нагрузки, но разрушается уже при 10 % значений подобных нагрузок, действующих на растяжение. Именно для усиления способности противостоять растяжению бетон в плитах армируют каркасом со стальными рифлёными стержнями.
Для чего требуется предварительно напряжённое армирование
Арматура в изделиях может быть ненапрягаемой и напрягаемой. Первый вид выполняет функцию пассивного армирования — оно не работает, пока плита не изогнётся от собственного веса или от воздействия поперечной нагрузки. Только в этот момент нижние армирующие стержни будут противодействовать растяжению, но бетон уже получит свою долю растяжения и отреагирует сетью мелких трещин.
Чтобы избежать их появления и повысить прочность плиты при воздействии изгибающих нагрузок, армирующие конструкции при изготовлении бетонных плит предварительно напрягают. Железобетон с напряжённой арматурой находится постоянно в активном состоянии.
Силы напряжения, сжимающие плиту в осевом направлении, компенсируют эксплуатационные силы, вызванные собственным весом и нагрузкой. Растрескивания в напряжённой плите практически не происходят, она способна выдерживать более высокие, чем ненапряжённая плита, нагрузки. Кроме того, напряжённую плиту делают тоньше (140 мм вместо 170), что снижает расход бетона.
Натяжение напрягаемой арматуры
При изготовлении плит (дорожных, перекрытия, аэродромных) применяют метод, называемый натяжение на упоры. Он заключается в том, что арматурные стержни, уложенные в форму до заливки бетона, подвергают растяжению. Его осуществляют двумя способами:
- механическим;
- электротермическим;
- комбинированным, сочетающим оба предыдущих.
При механическом способе стержни анкеруют и растягивают гидравлическими домкратами. Заливают в форму бетон, уплотняют его и выдерживают до набора 70 %-й прочности. Затем зажимы снимают, и сила натяжения стержней через анкеры и рифление передаётся на бетон.
Изделие становится плитой с предварительно напряжённой арматурой.
Электротермический способ заключается в пропускании через стержни тока большой силы. От его действия они разогреваются и удлиняются по оси. В этот момент заливают бетон. После его схватывания и упрочнения ток выключают, стержни остывают, но укорачиваться им мешает сцепление с бетоном, поэтому арматура напрягается.
Анкеровка напряжённой арматуры
Анкеровку или установку на стержни анкерных элементов выполняют с помощью:
- опрессованных в холодном состоянии шайб;
- высаженных головок, получаемых разогревом и расплющиванием концов стержней;
- привариваемых цилиндрических коротышей;
- спиралей из проволоки;
- инвентарных зажимов.
Требования к предварительно напряжённой арматуре
Для изготовления напряжённых железобетонных конструкций применяют специальные виды арматурной стали, обладающие высокими значениями рабочих напряжений (от 5000 до 7200 кгс/см²).
В перечень этих материалов входят арматурные стали:
- А600, А600С и Ат600С — 5400 кгс/см²;
- А800 и Ат800 — 6000 кгс/см²;
- А800 и Ат800 — 7200 кгс/см² и другие.
Классы стали на напрягаемую арматуру устанавливают нормативные документы, по которым выпускаются изделия, в частности, ГОСТ 25912-2015 и другие. Расчет напряженной арматуры производится при проектировании изделия. Отклонения замеряемых напряжений от проектных значений не должно превышать 10 %.
Железобетонные изделия с предварительно напрягаемой арматурой являются основными конструктивными элементами, аэродромов, многоэтажных и высотных зданий, и масштабных сооружений. Например, в нашем ассортименте любые плиты перекрытия доступны для вашего выбора.
2. Виды и классы
Способ изготовления и форма поверхности определяет вид арматуры. Различают арматуру:
1. Стержневую: горячекатаную, термоупрочнённую и термомеханически упрочнённую;
Проволочную: холоднотянутую обыкновенную и высокопрочную.
По начальному напряженному состоянию: напрягаемую и ненапрягаемую.
Горячекатаная арматура – это стальная арматура в виде отдельных стержней круглого, эллиптического, квадратного и других сечений.
Предпочтение отдают круглому сечению, потому что такая арматура наиболее технологична в изготовлении и не имеет острых углов, врезающихся в бетон и способствующих образованию трещин. Класс такой арматуры обозначают буквой А и римской цифрой в старом СНиПе 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (чем больше цифра, тем выше прочность), а в еще не утвержденном пособию к СНиП 52-01-2003 обычными цифрами:
— А-I(А 240) – гладкая;
— А-II(А 300), А-III(А 400), А-IV, А-V,A-VI– периодический профиль. Такая сталь не подвергается после проката упрочняющей термической обработке.
Ат-III, Ат-IV, Ат-V, Ат-VI– термически и термомеханически упрочнённая, т.е. подвергаемая после проката упрочняющей термической обработке;
А-IIIв
– упрочнённая вытяжкой.
Холоднотянутая арматура– это стальная проволочная арматура. Обозначают буквой В от слова «волочение».
Вр-I(В500) – периодического профиля;
В-II– гладкая высокопрочная;
Вр-II– высокопрочная рифлёная;
К-7, К-19 – проволочные канаты соответственно семи- и девятнадцатипроволочные и др.
Арматура периодического профиля– это арматура, на поверхности которой имеются часто расположенные кольцевые выступы, обеспечивающие надёжное сцепление с бетоном без устройства анкерных крюков на концах стержней.
Ненапрягаемая арматура – арматура, укладываемая без предварительного натяжения (напряжения).
В качестве ненапрягаемой арматуры преимущественно применяют сталь классов А-III (А400), А-IVC, Вр-I (В500), А-I (А240), А-II (А300), допускается применение А-1V.
Ненапрягаемая арматура классов А-I (А240), А-II(А300) ,А-III (А400), Вр-I (В500), A-IVC – сваривают контактной и дуговой сваркой
Напрягаемая
арматура — преимущество сталь классов Ат-VI,
Ат-V
в элементах длиной до 12 м, допускается
также сталь классов А-IV
, А-V,
А-VI;
при большой длине – сталь классов В-II,
Вр-II,
К-7, К-19.
По способу производства стыки стержней делятся на сварные, несварные (внахлёстку), по месту изготовления – заводские и монтажные.
Несварные стыки менее экономичны, поэтому их применяют только для стыкования термически упрочнённой стержневой арматуры.
В зависимости от вида арматуры и условий изготовления применяют разные виды сварных стыков:
-контактные;
-ванные в инвентарной форме;-внахлёстку;
-тавровые и т.д.
Сварные стыки выполняются в соответствии с ГОСТ. Стыки с накладками и внахлёстку применяют, если не удаётся точно подогнать торцы стыкуемых стержней. Сварные стыки можно размещать в любом месте стержня, однако рабочие стержни не рекомендуют сваривать в зонах наибольших усилий. Стыки с накладками в местах им насыщения бетона арматурой, дабы не мешать бетонированию.
Предварительно напряженный бетон 101
Джордан Пелфри, ЧП
Предварительно напряженный бетон — это высокопрочный инженерный строительный материал, широко используемый в строительной отрасли.
Он имеет множество применений, в том числе в мостах, коммерческих зданиях, плотинах, дорогах, стадионах, больницах, гаражах, многоэтажных жилых домах и ряде других сооружений. Область применения этого строительного материала практически безгранична. Это отличный способ свести к минимуму растрескивание и воспользоваться невероятной прочностью железобетона.
Итак, что такое предварительно напряженный бетон?
Предварительно напряженный бетон представляет собой сочетание двух высокопрочных материалов: бетона и высокопрочной стальной арматуры, называемой предварительно напряженной сталью. Бетон отлично сжимается (сжимает его вместе) и плохо растягивается (раздвигает). На рисунке ниже показано, как ведет себя балка без армирования, со стандартным армированием и с высокопрочной предварительно напряженной сталью при движении по ней грузовика.
Предварительно напряженная сталь помогает бетону набрать прочность при растяжении, добавляя дополнительную «толкающую» силу на бетон после его затвердевания.
Традиционная аналогия, часто используемая для объяснения концепции предварительного напряжения, состоит в том, чтобы складывать книги рядом и прижимать их к обоим концам руками. Давление, оказываемое на книги, развивает такую силу, что книги можно было поднимать как единое целое, а также они могли выдерживать большие нагрузки сверху, не разваливаясь. Та же самая концепция реализована с предварительно напряженными бетонными изделиями. На фото ниже показан концепт с книгами.
Существует два типа предварительного напряжения. Первый называется предварительно натянутым, а второй — постнапряженным. Предварительно напряженный бетон — это когда высокопрочные стальные арматуры напрягаются (растягиваются или растягиваются) перед заливкой бетона. В части (а) на диаграмме ниже показана начальная установка литейного стола. Он имеет два концевых упора, которые закрепляют предварительно напряженный стальной трос, натянутый по всей длине станины. В части (b) показана заливочная площадка после того, как бетон был залит в форму, покрывая предварительно напряженные стальные тросы.
На двух фотографиях ниже показано, как выглядит приведенная выше диаграмма на типичном производственном предприятии. На первом фото показана заливочная площадка и напряженные стойки без опалубки, бетона или предварительно напряженной стали, а на втором фото показана установка опалубки, предварительно напряженный стальной трос и арматурные стальные стержни.
Бетон с последующим натяжением — это когда бетон заливается и затвердевает, а затем нагружаются высокопрочные стальные тросы. Полые трубы, называемые воздуховодами, используются для резервирования места для высокопрочных стальных тросов после заливки бетона. В части (а) на приведенной ниже схеме показана бетонная балка, отлитая на литейной платформе. Видно, что воздуховод проходит по всей длине балки. В части (b) показаны предварительно напряженные стальные тросы, протягиваемые в балке.
На фото ниже показано изготовление балки после натяжения. Видны воздуховоды, проходящие через арматурный каркас.
На фото ниже показаны изготовленные балки с фото выше с каналами после натяжения.
На приведенной ниже фотографии показано типичное соединение каналов после натяжения между двумя балками, которые соединяются в точке соединения.
На приведенной ниже фотографии показан высокопрочный гидравлический натяжной домкрат, который используется для натяжения (вытягивания или растяжения) предварительно напряженных прядей, протянутых через полые каналы.
Использование предварительно напряженного бетона имеет ряд преимуществ.
Некоторые из этих преимуществ включают следующее:
- Повышенная грузоподъемность
- Огнестойкий
- Контроль качества заводского изготовления
- Всепогодная конструкция
- Допуски
- Скорость строительства
- Контроль трещин
- Уменьшенная глубина элементов
Предварительно напряженный бетон имеет бесконечное множество применений. Если вы можете мечтать об этом, вы можете предварительно напрячь это!
Персонал компании Williams & Works имеет опыт проектирования, детализации, изготовления и применения изделий из предварительно напряженного бетона. Такие услуги включают в себя приложения для проектирования мостов, приложения для проектирования зданий/коммерческих объектов, разработку оборудования для предварительного напряжения (расчеты напряжения, анализ несущей способности станины и стойки и т. д.), составление и детализацию рабочих чертежей для производства предварительно напряженного бетона, разработку и рассмотрение спецификаций, контроль качества изготовления оборудования.
инспекционные услуги, услуги по выездной инспекции, услуги по подготовке к строительству (такие как первоначальный обзор проекта, расчеты количества, оценка, разработка предложений и т. д.). Если вы хотите узнать больше о предварительно напряженном бетоне или узнать, какую пользу он может принести вашему проекту, свяжитесь с нами, чтобы начать разговор.
Почему предварительное напряжение?
Типы, преимущества и история предварительно напряженного бетона.
Автор Abdul Khan
Чем больше, тем лучше, как сказали бы многие производители строительных материалов и мостов, и это, безусловно, верно для сборных железобетонных изделий. Стальные арматурные стержни придают большую прочность крупным бетонным изделиям, но сами по себе арматурные стержни не могут обеспечить прочность на растяжение, необходимую для сборных изделий, которые растягиваются на большие длины. Есть немного волшебства, которое придает достаточную прочность этим огромным изделиям, и оно называется предварительным напряжением.
Развертка
Чтобы понять, как работает предварительное напряжение, представьте себе бочку, сделанную из деревянных клепок и металлических лент. По крайней мере, так Т.Ю. Лин, профессор гражданского строительства Калифорнийского университета, описал это во вводной главе своей книги «Проектирование предварительно напряженных железобетонных конструкций».
Лин говорит, что основной принцип предварительного напряжения применялся в строительстве, возможно, несколько столетий назад, когда веревки или металлические ленты наматывались на деревянные брусья, образуя бочку (см. рис. 1). Когда ленты были натянуты, они находились под предварительным растягивающим напряжением, которое, в свою очередь, создавало сжимающее предварительное напряжение между планками и позволяло им противостоять кольцевому напряжению, создаваемому внутренним давлением жидкости. Другими словами, полосы и клепки были предварительно напряжены до того, как они подверглись каким-либо эксплуатационным нагрузкам.
В более формальном смысле предварительное напряжение означает преднамеренное создание постоянных напряжений в конструкции или узле для улучшения их поведения и прочности в различных условиях эксплуатации.
Предварительно напряженные арматуры (как правило, из высокопрочных стальных тросов или стержней) используются для создания сжимающей нагрузки, которая создает сжимающее напряжение, чтобы компенсировать растягивающее напряжение, которое в противном случае испытывал бы сжимающий бетонный элемент из-за изгибающей нагрузки (см. рисунок 2) .
Классификация и типы
Предварительно напряженные железобетонные конструкции можно классифицировать несколькими способами в зависимости от особенностей их конструкции и конструкции. Следующие типы предварительного напряжения могут быть выполнены тремя способами: предварительно напряженный бетон, а также связанный и несвязанный постнапряженный бетон.
Предварительно напряженный бетон.
Предварительно напряженный бетон заливается вокруг уже натянутых арматурных элементов. Этот метод обеспечивает хорошее сцепление между арматурой и бетоном, что одновременно защищает арматуру от коррозии и обеспечивает прямую передачу напряжения. Затвердевший бетон прилипает к стержням и при снятии напряжения передается бетону в виде сжатия за счет статического трения. Однако для этого требуются прочные точки крепления, между которыми должно быть натянуто сухожилие, поэтому сухожилие обычно образует прямую линию.
Большинство изделий из предварительно напряженного бетона изготавливаются на заводе и должны транспортироваться на строительную площадку, что ограничивает их размер. Примерами предварительно напряженных изделий являются элементы балконов, перемычки, колонны, сплошные плиты, многопустотные плиты, тройники, стены, сэндвич-панели, ригели, двутавровые балки, балки-тавры и фундаментные сваи.
Склеенный бетон с последующим натяжением. Связанный постнапряженный бетон — это описательный термин для метода применения сжатия после заливки бетона и процесса отверждения (на месте).
Бетон заливается вокруг изогнутых каналов из пластика, стали или алюминия, которые размещаются в зоне, где в бетонном элементе может возникнуть напряжение. Перед заливкой бетона через каналы протягивается набор сухожилий. Как только бетон затвердевает, арматура натягивается гидравлическими домкратами, которые воздействуют на бетонный элемент. Когда арматура достаточно растянута, в соответствии с проектными требованиями, они заклиниваются на месте и сохраняют натяжение после удаления домкратов, передавая давление на бетон. Отверстия воздуховодов затем залиты цементным раствором, чтобы защитить сухожилия от коррозии.
Этот метод обычно используется для создания монолитных плит для строительства домов в местах, где обширные грунты создают проблемы для типичного фундамента по периметру. Все напряжения от сезонного расширения и сжатия подстилающего грунта воспринимаются всей растянутой плитой, поддерживающей здание без значительных изгибов.
Последующее напряжение также используется при строительстве различных мостов, как после затвердевания бетона после поддержки опалубкой, так и при сборке сборных секций, как в сегментном мосту.
Преимущества этой системы по сравнению с несвязанным пост-натяжением:
- Значительное снижение традиционных требований к армированию
- Сухожилия можно легко «сплести», что позволяет использовать более эффективный подход к проектированию
- Более высокий предел прочности благодаря связи, образующейся между прядью и бетоном
- Отсутствие долгосрочных проблем с поддержанием целостности анкера/тупика
Несвязанный бетон с пост-напряжением. Несвязанный бетон с пост-напряжением отличается от связанного пост-натяжения тем, что обеспечивает постоянную свободу перемещения каждого отдельного троса относительно бетона. Для этого каждое отдельное сухожилие покрывается смазкой и пластиковой оболочкой, сформированной в процессе экструзии. Передача напряжения на бетон достигается за счет того, что стальной трос воздействует на стальные анкеры, заделанные по периметру плиты.
Недостатком клеевого пост-натяжения является тот факт, что кабель может разгрузиться и вырваться из плиты в случае повреждения (например, во время ремонта плиты).
Преимущества этой системы по сравнению с клеевым пост-натяжением:
- Возможность индивидуальной регулировки тросов в зависимости от плохих полевых условий
- Устранение постнапряженного цементирования
- Способность снять напряжение с сухожилий перед ремонтом
Материалы
Согласно AASHTO, предварительно напряженная арматура должна быть из высокопрочной семипроволочной проволоки, высокопрочной стальной проволоки или стержней из высокопрочного сплава той марки и типа, которые указаны инженером-проектировщиком. Непокрытая семипроволочная скрутка должна соответствовать требованиям AASHTO M 203 (ASTM A 416). Дополнение S1 (низкая релаксация) применяется, если указано.
Для предварительно напряженных конструкций обычно требуется более прочный бетон, чем для армированных. Существующая практика требует, чтобы минимальная 28-дневная прочность баллона составляла 5000 фунтов на квадратный дюйм. Высокая прочность необходима в предварительно напряженном бетоне по нескольким причинам.
Во-первых, в целях минимизации затрат коммерческие анкерные крепления для предварительно напряженной стали всегда проектируются для высокопрочного бетона. Следовательно, более слабый бетон либо потребует специальных креплений, либо может разрушиться под действием предварительного напряжения. Кроме того, бетон с высокой прочностью на сжатие обладает высокой устойчивостью к растяжению и сдвигу, а также к связям и подшипникам, и желателен для предварительно напряженных бетонных элементов, различные части которых испытывают более высокие напряжения, чем обычный железобетон.
Еще одним фактором является то, что высокопрочный бетон менее подвержен усадочным трещинам. Он также имеет более высокий модуль упругости и меньшую деформацию ползучести, что приводит к меньшим потерям предварительного напряжения в стали.
Преимущества предварительно напряженного бетона
Предварительно напряженный бетон является одним из самых надежных, долговечных и широко используемых строительных материалов в строительстве и строительстве мостов по всему миру.
Компания внесла значительный вклад в развитие строительной отрасли, производства сборных железобетонных изделий и цементной промышленности в целом. Это привело к огромному количеству структурных применений, включая здания, мосты, фундаменты, гаражи, водонапорные башни, ядерные реакторы, телебашни и морские буровые платформы.
Преимущества предварительно напряженного бетона:
- Более низкая стоимость строительства
- Более тонкие плиты, которые особенно важны в высотных зданиях, где экономия толщины пола может привести к дополнительным этажам по той же или более низкой цене
- Меньшее количество стыков, так как расстояние, на которое могут натягиваться плиты с последующим натяжением, превышает расстояние, на которое может быть уложена усиленная конструкция той же толщины
- Увеличение длины пролета увеличивает полезную незанятую площадь в зданиях и парковочных сооружениях
- Меньшее количество соединений приводит к снижению затрат на техническое обслуживание в течение расчетного срока службы конструкции, поскольку соединения являются основным уязвимым местом в бетонных зданиях.
История предварительного напряжения
Искусство предварительного напряжения бетона развивалось в течение многих десятилетий и из многих источников, но мы можем указать на несколько избранных случаев в истории, которые привели к использованию этой технологии.
В Соединенных Штатах инженер Джон Реблинг в 1841 году основал фабрику по производству канатов из железной проволоки, которую он первоначально продал для замены пенькового каната, используемого для подъема автомобилей по железной дороге в центральной Пенсильвании. Позже Роблинг использовал проволочные тросы в качестве подвесных тросов для мостов и разработал технику скручивания тросов на месте.
В 19 веке низкозатратное производство железа и стали, а также изобретение портландцемента в 1824 году привели к развитию железобетона. В 1867 году Жозеф Монье, французский садовник, запатентовал метод укрепления тонких бетонных цветочных горшков путем встраивания в бетон сетки из железной проволоки.