Предварительно напряженные железобетонные конструкции: преимущества и недостатки

27.07.2020

Конструкции из железобетона являются основой сегодняшнего строительства, но так как у них есть изъяны, проявляющиеся в недостаточной способности выдерживать нагрузки при эксплуатации, а также появлении трещин, это привело к появлению новых ЖБИ изделий.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции являются элементами, в процессе производства которых в бетон искусственно закладывается начальная расчетная напряженность сжатия: только в части или во всей рабочей арматуре.

Также идет обжатие бетоном тех частей арматуры, на которые и будет идти растяжение при использовании.

Преимущества и недостатки

• Преднапряженный железобетон, как и любой другой строительный материал, имеет свои плюсы и минусы. Так, к преимуществам данных конструкций относится, прежде всего:
• Отодвинутое на долгие срок время начала появления расколов в сооружениях, а также уменьшение их глубины в случае их раскалывания;
• Приобретение изделиями повышенной жесткости без потери ими прочности;
• Равномерная прочность по всей длине;
• Сокращение веса и объема составных деталей, а также расхода бетона за счет уменьшения поперечного сечения;
• Сокращение расхода арматуры и предохранение ее от коррозии и ржавления в тех постройках, которые находятся под воздействием разных жидкостей или газов;
• Практичная стыковка сборочных единиц за счет сокращения расхода металла на их стыках;
• Высокая сейсмическая стойкость сооружений с элементами из преднапряженного железобетона, так как разрушение станет предварять их запредельный прогиб.

Недостатки же у таких конструкций заключаются в следующем:

• Необходимость бережного транспортирования, хранения и монтажа, чтобы не вызвать аварийное состояние изделий еще перед началом их применения;
• Риск появления продольных трещин, снижающих общую несущую стойкость;
• Необходимость повышенного расхода стали на производство арматуры, а также использования металлоемкой опалубки с повышенной прочностью;
• Заниженный в сравнении с классическим железобетоном порог огнестойкости;
• Низкая устойчивость к растворам кислот, солей, сульфатов и щелочей;
• Риск разрушения всего изделия целиком вследствие просчетов в создании проекта;

Недостатки данных изделий могут быть устранены качеством их проектирования, а также производства и последующего монтажа – это будет способствовать долгой эксплуатации.

Области использования

Как правило, предварительно напряженные железобетонные конструкции используют тогда, когда использование обычного железобетона является нецелесообразным.

В числе таких причин находится перерасход строительных материалов, невозможность обеспечить необходимую несущую прочность здания, рост веса и итоговой цены конструкций. Сфера применения у предварительно напряженного железобетона – гражданское, специальное, промышленное и гидротехническое строительство. А объектами его применения являются мосты с большими пролетами, разные каркасы, плотины, трубопроводы (напорные) и т.п.

Пролетные балки — одни из самых распространенных предварительно напряженных железобетонных конструкций

Помимо этого, из преднапряженного железобетона делают ограждающие панели, столбы ЛЭП, подпорные стенки, марши лестниц, фундаменты, колонны, подкрановые балки и каркасы тоннелей, а также перекрытия между этажами и многое другое. Незаменимы эти конструкции при возведении зданий и разных построек в условиях повышенной сейсмо- и взрывоопасности. Максимальную эффективность они показывают тогда, когда отдельные преднапряженные железобетонные элементы соединяют так, чтобы они стали едиными.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции (теория, расчет и подбор сечений). Михайлов В.В. 1978 | Библиотека: книги по архитектуре и строительству

Предварительно напряженные железобетонные конструкции (теория, расчет и подбор сечений)

Михайлов В.В.

Стройиздат. Москва. 1978

383 страницы

Содержание: 

В книге изложены вопросы теории, расчета и подбора сечений предварительно-напряженных железобетонных конструкций. Даются современные представления о материалах для изготовления предварительно-напряженных железобетонных конструкций и о преимуществе сборных конструкции индустриального изготовления. Особое внимание уделено вопросу о размерах потерь предварительного напряжения в этих конструкциях, а также методам рационального и экономного проектирования железобетонных конструкций.

Книга предназначена для инженеров-проектировщиков проектных организаций, студентов и аспирантов строительных вузов.

Предисловие

Глава 1. Новые формы предварительно-напряженных конструкций и технология их изготовления

Глава 2. Теория предварительно-напряженного железобетона
2.1. Определения
2.1.1. Задачи предварительного напряжения
2.1.2. Основные виды и работа предварительно-напряженных конструкций
Классификация предварительно-напряженных конструкций
Центральное растяжение
Изгиб
2.2. Восприятие нагрузок и усилий материалами железобетона
2.2.1. Центральное растяжение предварительно-напряженных конструкций
2.2.2. Изгиб предварительно-напряженных конструкций

2.2.3. Центральное растяжение железобетонных конструкций, армированных предварительно-напряженными элементами (сборно-монолитные конструкции)
2.2.4. Изгиб железобетонных конструкций, армированных предварительно-напряженными элементами (сборно-монолитные конструкции)
2. 2.5. Растяжение и изгиб самонапряженных конструкций
2.3. Разделение предварительно-напряженных конструкций на категории сильно и слабо армированных по растянутой зоне

Глава 3. Материалы
3.1. Бетон
3.1.1. Классификация бетонов
3.1.2. Исходные материалы
3.1.3. Бетоны для изготовления предварительно-напряженных конструкций
3.1.4. Прочность и деформация бетона
3.1.5. Напрягающий цемент для самонапряженных конструкций
3.1.6. Ползучесть, сжимаемость и растяжимость бетона

3.2. Сталь
3.2.1. Классификация арматурных сталей
3.2.2. Нормативные и расчетные характеристики арматуры
3.2.3. Характеристики прочности бетона и арматуры при расчете по разрушающим нагрузкам

Глава 4. Потери напряжений в предварительно-напряженных конструкциях
4.1. Потери предварительного напряжения от усадки бетона
4.2. Потери предварительного напряжения от ползучести бетона
4.2.1. Влияние природы, зернового состава и крупности заполнителей на ползучесть
4. 2.2. Влияние условий и степени развития процесса твердения на ползучесть
4.2.3. Влияние прогрева бетона в процессе изготовления на ползучесть
4.2.4. Влияние меняющейся нагрузки на потери напряжений. Релаксация напряжения в бетоне
4.2.5. Расчет ползучести бетона
4.3. Потери предварительного напряжения от релаксации напряжений стали

4.4. Потери предварительного напряжения вследствие деформации анкеров, смятия бетона под витками спиральной арматуры и воздействия многократно повторяющейся нагрузки

Глава 5. Обобщенные представления о напряженном состоянии сечений статически определимых и неопределимых предварительно-напряженных конструкций и их расчет
5.1. Общие положения
5.2. Нагрузки и расчетные коэффициенты
5.3. Основы метода расчета предварительно-напряженных конструкций по предельным состояниям
5.3.1. Оценка трещиностойкости элементов предварительно-напряженных конструкций
5.3.2. Оценка прочности (несущей способности) элементов предварительно-напряженных конструкций
5. 4. Основы метода расчета элементов предварительно-напряженных конструкций по разрушающим усилиям
5.5. К расчету самонапряженных конструкций
5.6. Некоторые соображения о расчете долговечности предварительно-напряженных железобетонных конструкций

Глава 6. Сопротивление предварительно-напряженного железобетона действию поперечной силы при изгибе (сопротивление срезу)
6.1. Общие положения
6.2. Главные напряжения предварительно-напряженных балок при изгибе поперечной силой
6.3. Развитие наклонных трещин и методы расчета предварительно-напряженных балок на срез

Глава 7. Подбор сечений и расчет элементов предварительно-напряженных конструкций
7.1. Расчет по трещиностойкости
7.1.1. Изгиб, внецентренное растяжение и внецентренное сжатие
7.1.2. Изгиб от действия одной поперечной нагрузки
7.1.3. Внецентренное растяжение и внецентренное сжатие (включая центральное приложение нагрузки при несимметричном армировании)
7. 1.4. Центральное растяжение при центральном предварительно-напряженном армировании

7.1.5. Установление усилия в стадии образования трещин при нагружении конструкций двумя системами внешних нагрузок
7.2. Расчет по несущей способности
7.3. Определение статических характеристик и напряжений в сечениях предварительно-напряженных балок
7.3.1. Определение статических характеристик
7.3.2. Определение напряжений в сечении
7.3.3. Определение статических характеристик и касательных напряжений неполного сечения изгибаемой конструкции (для состояния 6)
7.4. Выбор относительных характеристик сечения
7.5. Порядок подбора сечения и расчета элементов предварительно-напряженных конструкций

Глава 8. Двухосно- и трехосно предварительно-напряженные трубобетонные и спирально-армированные конструкции
8.1. Теоретические основы
8.2. Экспериментальные исследования и перспективы развития

Глава 9. Устойчивость предварительно-напряженных центрально-сжатых конструкций
9.

1. Основные положения
9.2. Расчет несущей способности гибких предварительно-напряженных элементов
9.3. Экспериментальные исследования гибких предварительно-напряженных центрально- и внецентренно-сжатых колонн

Список литературы

Конструкции зданий и сооружений

Железобетонные конструкции

Михайлов В.В.

Скачать книгу: Предварительно напряженные железобетонные конструкции (теория, расчет и подбор сечений). Михайлов В.В. 1978

Что такое предварительно напряженный бетон? — Конструктор

🕑 Время чтения: 1 минута

Предварительно напряженный бетон представляет собой систему, в которой преднамеренно создаются внутренние напряжения без каких-либо внешних нагрузок для улучшения ее характеристик. Внутренние напряжения, возникающие в бетонной конструкции, используются для противодействия напряжениям, возникающим от приложения внешней нагрузки. Здесь кратко описаны концепция и методы в системе предварительно напряженного бетона.

В комплекте: 9 шт.0003

• Концепция предварительного напряжения 
• Необходимость предварительного напряжения в бетоне
• Методы предварительного напряжения
  • 1. Предварительное напряжение
  • 2. Последующее напряжение
9 0009 Преимущества предварительно напряженного бетона
• Недостатки предварительно напряженного бетона

Концепция предварительного напряжения Как упоминалось ранее, предварительное напряжение — это приложение начальной нагрузки к бетонной конструкции, чтобы конструкция могла противодействовать или выдерживать напряжения, возникающие из-за эксплуатационных нагрузок. Концепцию можно наглядно понять на примере бочки. Бочка, использовавшаяся в старину для перевозки жидкостей и зерна, туго обмотана металлическими лентами, как показано на рисунке 1. Эти металлические ленты установлены настолько плотно, что создают кольцевое сжатие вокруг ствола. Когда эта бочка заполнена жидкостью, она создает кольцевое натяжение. Кольцевое сжатие, создаваемое металлическими полосами, помогает противодействовать кольцевому напряжению, создаваемому жидкостью внутри. Это система предварительного напряжения.

Рис.1. Концепция предварительного напряжения в бочке

Точно так же эффективные внутренние напряжения создаются в бетоне с помощью натянутых стальных стержней до того, как бетонная конструкция будет подвергаться любым эксплуатационным нагрузкам. Этот стресс противодействует внешним стрессам.

Необходимость предварительного напряжения в бетоне Необходимость предварительного напряжения в бетоне может быть обоснована следующим вопросом:

1. Бетон слаб на растяжение и прочен на сжатие. Это слабое место бетона, которое приводит к ранним трещинам при изгибе, в основном в изгибаемых элементах, таких как балки и плиты. Чтобы предотвратить это, бетон намеренно вызывает сжимающее напряжение (предварительное напряжение), и это напряжение противодействует растягивающему напряжению, которому конструкция подвергается во время эксплуатации. Следовательно, шансы на изгибные трещины уменьшаются.
2. Предварительное сжатие, вызываемое как часть предварительного напряжения, помогает увеличить способность к изгибу, сдвигу и кручению изгибаемых элементов.
3. Сила предварительного напряжения сжатия может быть приложена концентрически или эксцентрично в продольном направлении элемента. Это предотвращает появление трещин в критических промежуточных пролетах и ​​поддерживает эксплуатационную нагрузку.
4. Предварительно напряженная бетонная секция ведет себя упруго.
5. В случае предварительно напряженного бетона можно использовать полную мощность сжимаемого бетона по всей глубине при полной нагрузке.

Методы предварительного напряжения Предварительное напряжение может быть выполнено двумя способами:

1. Преднатяжение
2. Пост-натяжение

1. Предварительное натяжение

В методе предварительного натяжения напряжение создается за счет первоначального натяжения стальных напрягающих элементов. Это проволока или пряди, натянутые между концевыми креплениями. После этого процесса натяжения выполняется заливка бетона. Как только залитый бетон достаточно затвердеет, установленные концевые анкеры освобождаются. Это освобождение передает усилие предварительного напряжения бетону. Связь между бетоном и стальными арматурами облегчает эту передачу напряжения. Как показано на рис. 2, торчащие на концах сухожилия обрезаются, и получается законченный вид. Чтобы вызвать силу предварительного напряжения в методе предварительного натяжения, используется большое количество арматуры и проволоки. Следовательно, такое расположение требует большой площади поверхностного контакта, чтобы сделать возможной связь и передачу напряжения.

Рис.2. Процесс предварительного натяжения

2. Последующее натяжение

Процедура пост-натяжения показана на рисунке 3 ниже. Здесь сталь подвергается предварительному напряжению только после того, как балка отлита, отверждена и наберет прочность, чтобы выдержать предварительное напряжение. Внутри обшивки заливают бетон. Для прохождения стальных тросов в бетоне формируются каналы.

Рис.3. Процесс пост-натяжения

После того, как залитый бетон полностью затвердеет, натягиваются сухожилия. Один конец сухожилия фиксируется, а другой конец натягивается. В некоторых случаях натяжение может быть выполнено с любой стороны и закреплено впоследствии. После завершения предварительного напряжения между арматурой и каналом остается пространство. Это ведет к:

1. Склеенная конструкция
2. Несвязанная конструкция

1. Склеенная конструкция В клеевой конструкции пространство между воздуховодом и арматурой заполняется цементным раствором. Процесс цементации помогает стали в значительной степени противостоять коррозии. Предел прочности увеличивается, так как этот метод увеличивает сопротивление действию временных нагрузок. Растворная смесь состоит из цемента и воды в сочетании с добавками или без них. В этой затирке не используется песок. 2. Несклеенная конструкция Если для заполнения пространства между воздуховодом и сухожилием не используется цементный раствор, это называется несвязанной конструкцией. Здесь сталь оцинкована для защиты от коррозии. Для оцинковки используется гидроизоляционный материал. Подробнее: Предварительное и последующее натяжение при проектировании предварительно напряженной бетонной смеси

Преимущества предварительно напряженного бетона Основные преимущества предварительно напряженного бетона:

1. Предварительное напряжение бетона с использованием высокопрочной стали повышает эффективность материалов
2. Система предварительного напряжения работает для пролетов более 35м.
3. Предварительное напряжение для повышения прочности на сдвиг и сопротивления усталости бетона
4. Плотность бетона обеспечивается системами предварительного напряжения, что повышает долговечность
5. Лучший выбор для строительства изящных и стройных конструкций.
6. Предварительное напряжение способствует снижению статической нагрузки бетонной конструкции
7. Предварительно напряженный бетон не растрескивается даже в условиях рабочей нагрузки, что доказывает эффективность конструкции
8. Композитная конструкция с использованием предварительно напряженного бетонного блока и монолитного блока обеспечивает экономичную конструкцию

Недостатки предварительно напряженного бетона

1. Более высокая стоимость материалов
2. Предварительное напряжение оплачивается отдельно
3. Опалубка более сложная, чем для ЖБ (полки, тонкие стенки) – таким образом, сборный железобетон не такой пластичный, как ЖБ

Как работает предварительно напряженный бетон — MT Copeland

Бетон является вторым наиболее широко используемым материалом на планете после воды. Мы используем бетон для строительства почти всего, но некоторые виды бетона прочнее других. Предварительно напряженный бетон — это тип бетона, в котором используется растянутая сталь для оказания давления на бетон по мере его затвердевания, что делает его более устойчивым к весу и движению.

Предварительно напряженный бетон — это тип бетона, к которому при производстве прикладывают начальные сжимающие напряжения. Этот дополнительный шаг делается для укрепления бетона против внешних сил, которые будут воздействовать на него в конечном итоге во время использования.

Прочность бетона на сжатие сама по себе очень высока, поэтому, когда на него что-то давит, он не ломается под действием сжимающей силы. В чем недостаток бетона, так это в области прочности на растяжение. Поэтому, если что-то изгибает бетон, он, скорее всего, будет поврежден. В стандартном железобетоне именно здесь проявляется высокая прочность стали на растяжение, которая уравновешивает бетон, делая его способным выдерживать сжимающие силы, приложенные сверху, а также растягивающие силы, тянущие и изгибающие его.

Предварительно напряженный бетон представляет собой еще один шаг вперед по сравнению с простым армированием бетона высокопрочными стальными арматурами. При производстве предварительно напряженного бетона стальные арматуры растягиваются по мере того, как бетон заливается и отверждается вокруг них, поскольку они все еще находятся в напряжении и имеют максимальную прочность. После того, как тросы отрезаны от их подвесок, к ним прижимается бетон, и они начинают возвращаться к исходной длине. В этот момент каждый материал прессуется со всех сторон и поэтому уравновешивает друг друга, укрепляя общую структуру со всех сторон.

Предварительно напряженный бетон идеально подходит для зданий, требующих предельной прочности и больших пролетов, таких как мосты, дамбы, эстакады и гаражи. Преимущества использования предварительно напряженного бетона включают:

Бетон является вторым наиболее широко используемым материалом на планете после воды. Мы используем бетон для строительства почти всего, но некоторые виды бетона прочнее других. Предварительно напряженный бетон — это тип бетона, в котором используется растянутая сталь для оказания давления на бетон по мере его затвердевания, что делает его более устойчивым к весу и движению.

Что такое предварительно напряженный бетон?

Предварительно напряженный бетон представляет собой тип бетона, к которому в процессе производства применяются начальные сжимающие напряжения. Этот дополнительный шаг делается для укрепления бетона против внешних сил, которые будут воздействовать на него в конечном итоге во время использования.

Прочность бетона на сжатие сама по себе очень высока, поэтому, когда на него что-то давит, он не ломается под действием сжимающей силы. В чем недостаток бетона, так это в области прочности на растяжение. Поэтому, если что-то изгибает бетон, он, скорее всего, будет поврежден. В стандартном железобетоне именно здесь проявляется высокая прочность стали на растяжение, которая уравновешивает бетон, делая его способным выдерживать сжимающие силы, приложенные сверху, а также растягивающие силы, тянущие и изгибающие его.

Предварительно напряженный бетон представляет собой еще один шаг вперед по сравнению с простым армированием бетона высокопрочными стальными арматурами. При производстве предварительно напряженного бетона стальные арматуры растягиваются по мере того, как бетон заливается и отверждается вокруг них, поскольку они все еще находятся в напряжении и имеют максимальную прочность. После того, как тросы отрезаны от их подвесок, к ним прижимается бетон, и они начинают возвращаться к исходной длине. В этот момент каждый материал прессуется со всех сторон и поэтому уравновешивает друг друга, укрепляя общую структуру со всех сторон.

Каковы характеристики предварительно напряженного бетона?

Предварительно напряженный бетон идеально подходит для зданий, требующих предельной прочности и больших пролетов, таких как мосты, дамбы, эстакады и гаражи. К преимуществам использования предварительно напряженного бетона относятся:

• Повышенная прочность, долговечность и защита от трещин. Предварительно напряженная бетонная конструкция, по сравнению с другими типами бетонных конструкций, настолько прочна, насколько это возможно. Метод предварительного напряжения также увеличивает долговечность и общую надежность бетона с течением времени, а также уменьшает растрескивание. Поэтому предварительно напряженный бетон используется в крупногабаритных конструкциях, где на него воздействуют большие нагрузки под разными углами.
• Может использоваться для более длинных пролетов. Поскольку бетон армирован и предварительно напряжен, фундаменты могут быть длиннее без риска поломки. Это полезно, например, в случае больших гаражей и других сооружений, где проносится много автомобилей.
• Возможны более тонкие бетонные плиты. Из предварительно напряженного бетона можно создавать более тонкие бетонные плиты из-за более высокой прочности на растяжение и сжатие. Это удобно для очень высоких зданий, таких как многоэтажки, — можно создать больше этажей с меньшим количеством бетона, что может предотвратить слишком высокий рост затрат и сохранить его экономичным.

Из каких материалов состоит предварительно напряженный бетон?

Материалы, из которых состоит предварительно напряженный бетон, следующие:

• Бетон. Основная роль бетона в предварительно напряженном бетоне заключается в обеспечении прочности конструкции на сжатие. В предварительно напряженном бетоне обычно используется высокопрочный бетон, который представляет собой тип бетона с большей прочностью на сжатие 6000 фунтов на квадратный дюйм (PSI) или выше. Он изготавливается с использованием прочных заполнителей, имеет высокое содержание цемента и более низкое отношение воды к цементу, а также часто использует суперпластификаторы для улучшения удобоукладываемости, возникающих из-за более цементного бетона. По сравнению с бетоном нормальной прочности высокопрочный бетон легче и более устойчив к коррозии и химическим веществам.
• Сталь. Другой материал, из которого состоит предварительно напряженный бетон, представляет собой своего рода стальную арматуру с высокой прочностью на растяжение. Это могут быть сухожилия, стержни, проволочные пряди или тросы. При предварительном напряжении в процессе производства эти стальные арматуры придают предварительно напряженному бетону прочность на растяжение. Они растягиваются или натягиваются по мере того, как вокруг них заливают бетон, в результате чего бетон способен выдерживать растяжение или сгибание, а не просто давление.

Как изготавливается предварительно напряженный бетон?

Существует два распространенных способа предварительного напряжения бетона: предварительное натяжение и последующее натяжение.

• При предварительном натяжении , стальные арматуры натягиваются путем их натяжения между двумя отдельными креплениями перед укладкой бетона. После заливки бетона сухожилия начинают сцепляться с бетоном. Когда бетон затвердевает и укрепляется, сухожилия в точках крепления обрезаются и освобождаются, а растягивающие напряжения стали создают в бетоне прочность на сжатие.
• В последующем натяжении стальные арматуры растягиваются и закрепляются в бетоне после его затвердевания. Это делается путем заливки бетона вокруг стали, фактически не касаясь ее. Напряжения можно либо поместить в пластиковые втулки, когда вокруг них будет заливаться бетон, либо сформировать каналы с использованием стальных форм, куда в конечном итоге напрягают после затвердевания бетона.