Конструкции из предварительно напряженного сборного железобетона пользуются заслуженной популярностью в индустрии современного строительства. Благодаря набору высоких качественных характеристик изделий, ныне существует потенциал для решения сложных архитектурных задач, позволяя расширять функциональность зданий и сооружений. С появлением высокопрочных бетонов и сталей в значительной мере увеличились возможности в области строительства крупных объектов с большими пролетами, этажами и высокими нагрузками.
Определение и назначение
Предварительно напряженные железобетонные изделия представляют собой унифицированные модули конструкций, на этапе изготовления которых бетон обретает начальную напряженность сжатия. Она формируется посредством создания предварительного напряжения в высокопрочной рабочей арматуре и обжатия с ее помощью рабочих участков, которым в процессе эксплуатации предстоит испытывать нагрузки на изгиб и растяжение. Сжатая арматура плотно сцеплена с бетоном, уравновешивая с помощью расчетного значения напряжение, появляющееся, вследствие воздействия возникающих усилий.
При армировании обычных железобетонных изделий находят применение стержни, сетки или металлическая арматура. Для того чтобы бетон обладал высокой прочностью не только на сжатие, но и на растяжение, его подвергают стандартному и предварительно напряженному армированию. Строительные железобетонные изделия с предварительным напряжением конструкций имеют показатель прочности в 5-6 раз выше, чем у изделий без напряжения. Как правило, такие блоки, плиты, лотки, опоры и прочие элементы отличаются высоким показателем трещиностойкости, от которой зависит прочность и долговечность зданий и сооружений. При растрескивании бетон подвергается деформации, проседанию и коррозионным процессам вследствие попадания внутрь изделий влаги, что приводит к потере прочности разрушению любой строительной конструкции. Технология предварительного напряжения позволяет избежать негативных факторов. Разрушение блоков с предварительным напряжением возможно лишь в том случае, если силы действующего изгиба или растяжения превышают показатель предварительного сжатия.
Технология изготовления ЖБИ с предварительным напряжением арматуры
В настоящее время при изготовлении железобетонных изделий с предварительным напряжением находят применение два способа:
- Метод натяжения на бетон преимущественно задействуется в условиях производства на заводах-изготовителях ЖБИ. В ходе технологического процесса в формах для заливки производится установка арматуры. При этом один край стального стержня прочно фиксируется, а при помощи другого стальному пруту придают необходимое напряжение. После достижения заданной величины производится фиксация и бетонирование форм. Стальная арматура освобождается от упоров по достижению раствором передаточной прочности, которой достаточно для восприятия усилия сформированного натяжения. Чтобы железобетонные изделия имели максимальную прочность, в процессе из изготовления применяют высокопрочные бетоны и периодический профиль, обеспечивающий максимальную величину сцепления стального каркаса с раствором. После снятия упоров за счет сил натяжения арматура стремится восстановить свой габарит, обжимая, таким образом, бетон. В том случае, если сцепление арматуры с раствором является недостаточным, могут использоваться специальные анкера. Для формирования натяжения на заводах изготовителях применяются специальные стенды или обустроенные для этого поддонов. В связи с этим по данной технологии изготавливаются типовые стержневые и плоские ЖБИ в виде балок, плит, ригелей, ферм, рам.
- Техника натяжения на бетон имеет место в тех случаях, когда применение упоров является невозможным. Примером тому могут служить возведение зданий на стройплощадке с большими пролетами, укрупнительная сборка отдельных составных конструкций и т. д. По данной технологии изначально производится слабоармированный элемент, в конструкции которого предусматриваются для установки арматуры специальные пазы и каналы. После того как бетон наберет передаточную прочность, с помощью домкратов осуществляется воздействие на каркас с торцов железобетонного изделия. Для того чтобы защитить от пагубного коррозионного воздействия арматуру, пазы подлежат заполнению цементным строительным раствором. В случае натяжения арматуры на бетон чаще всего задействуют, так называемую, прядевую или пучковую арматуру или канаты из проволоки высокой прочности. Для натяжения арматуры также могут использоваться несколько технологических приемов, а именно: физико-химический, электротермический, механический и электромеханический способы. При использовании механического воздействия на арматуре создается усилие за счет использования гидравлических домкратов, с помощью которых можно довольно точно выставить необходимую силу натяжения. По достижению заданного значения арматура крепится и домкрат снимается.
Техника электротермического воздействия широко используется при производстве ЖБИ с предварительным напряжением, которое достигается за счет свойства стали расширяться пари повышении температуры. Для нагревания через арматурные стержни пропускают электрический ток, после чего стержни достигшие температуры 300-400 ºС отключаются и крепятся в специальных упорах. Электромеханическая техника производства сочетает в себе воздействие механических усилий и электронагреве одновременно. Способ физико-химического натяжения применим при изготовлении самонапрягающихся изделий, где усилие достигается за сет свойств расширения твердеющего раствора, полученого с использованием напрягающего цемента.
Классификация
В настоящее время предварительно напряженные железобетонные изделия по особенностям конструктивного исполнения разделяются на следующие категории:
- сборные элементы, для производства которых используются легкие, мелкозернистые, а также тяжелые бетоны с классом не менее чем В15-В30 в зависимости от класса и вида применяемых арматурных стержней, их сечения и наличия анкеров. За счет использования высокопрочных бетонных растворов повышается эффективность, за счет которой снижается объем используемого материала и уменьшается масса самого блока. При этом появляется возможность сократить расход стали. Как следствие, эти факторы приводят к сокращению материалоемкости и стоимости изделий;
- монолитные ЖБИ, для изготовления которых подходит бетон с меньшими показателями прочности. Как правило, в качестве раствора задействуют бетоны класса В15-В30;
- сборно-монолитные строительные элементы. С применением бетонов высокой прочности в настоящее время изготавливаются предварительно напряженные плиты, балки, бруски и прочие виды конструкций.
Помимо этого ЖБИ, выполненные с предварительным напряжением могут представлять собой элементы с одно-, двух-, а также трехосевым напряжением, для которых характерны следующие параметры:
- в железобетонных элементах с одноосным напряжением силы предварительного напряжения воздействуют исключительно на продольно расположенные арматурные стержни. Следовательно, данный вид растяжения является актуальным для строительных конструкций, которые в ходе эксплуатации подвергаются осевому растяжению, что свойственно балочным и плитным видам изделий;
- напряжение по двум осям используют при изготовлении железобетонных изделий, которые при работе несут нагрузку в двух направлениях. К данной категории относятся подкрановые балки, напорные трубы, плиты с контурным опиранием, пролеты мостовых конструкций и т. д. Для таких ЖБИ производится предварительное напряжение арматуры, имеющей как поперечное, так и продольное направление. Допускается изготовление строительных конструкций с использованием продольно напрягаемой арматуры, которая размещается внутри изделия по ломанной или кривой линии;
- конструкции с трехосным напряжением являются востребованными для сложных и ответственных зданий и сооружений с различными векторами воздействующих нагрузок. К таким объектам относятся высотные сооружения, производственные цеха, станины оборудования, корпуса гидросооружений, реакторов и т. д.
Достоинства преднапряженных ЖБИ
Железобетонные изделия, выполненные на основе предварительно напряженных конструкций, пользуются высоким спросом и являются наиболее перспективными для строительства целого ряда объектов, благодаря наличию преимуществ, среди которых:
- повышенная прочность изделий по сравнению со стандартным армированием, которая открывает широкий потенциал для строительства сложных архитектурных сооружений;
- способность изделий работать без разрушений на изгиб и растяжение, благодаря которой появляется возможность для строительства объектов с повышенной длиной пролетов;
- различные варианты изготовления позволяют не только упрочнить конструкцию строительных элементов, но и облегчить ее, сократив стоимость ЖБИ;
- строительные изделия с предварительным напряжением имеют высокую трещиностойкость, которая в конечном счет отражается на высокой долговечности зданий и сооружений, их надежности в целом;
- железобетонные изделия, исходя из свойств бетона, являются химически нейтральными, что исключает такие нежелательные процессы как гниение и коррозия, которые могут повлиять на прочность элементов и вывести из строя стальную арматуру;
- современный рынок железобетонных изделий, выполненных с предварительным напряжением, имеет богатую номенклатуру и отличается разнообразием конструкций, которые могут использоваться для типового гражданского и промышленного строительства. Высокий ассортимент видов ЖБИ с различными габаритами и функциями упрощает процесс строительства, позволяя снизить затраты на возведение и проектирование объектов;
- железобетонные изделия обладают высокой степенью устойчивости к воздействию внешней среды, влаге, перепадами температур;
- предварительное напряжение повышает показатель призменной прочности, благодаря которой появляется возможность для демпфирования нагрузок на бетон, возникающих вследствие возникновения статических и динамических нагрузок в процессе эксплуатации;
- наличие изделий с одно-, двух- и трехосевым напряжением, которые могут быть задействованы при решении архитектурных задач различной сложности;
- использование ЖБИ с предварительным напряжением позволяет повысить сейсмическую устойчивость возводимых на их основе зданий и сооружений.
Сфера практического использования изделий с предварительным напряжением
В настоящее время предварительное натяжение арматуры находит активное применение в элементах и строительных конструкциях, которые при эксплуатации испытывают растягивающие, а также изгибающие нагрузки. К таким объектам относятся крупные строения с большими пролетами, а именно: высотные здания, мостовые конструкции, промышленные сооружения, функционирующие с высоким значением эксцентриситета. Помимо этого с использованием преднапряженных ЖБИ осуществляют строительство силосов и резервуаров, напорных труб и гидравлических сооружений, отдельных элементов ответственных конструкций в виде ферм, перекрытий, ригелей, колонн и пролетов, опор линий электропередач и т. д.