теория пост-напряжения бетона

ТЕОРИЯ ПОСТ-НАПРЯЖЕНИЯ БЕТОНА
УСЛОВИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО БЕТОНА И ПОСТ-НАПРЯЖЕНИЯ
Чтобы дать ответ на вопрос «Что такое предварительно напряженный бетон?»,
объясним, что это просто конструкции бетона, такие как балки и железобетонные
плиты, в которых внутреннее напряжение (давление) вызвано напряжением
арматуры.
Для того чтобы понять принципы предварительно напряженной железобетонной
конструкции, очень важно осознавать структурные возможности стали и бетона.
Бетон – очень крепкий при сжатии, но относительно непрочен при растяжении.
Обыкновенная железобетонная балка поддерживает груз, производя сжимающее
напряжение наверху, но так как бетон неспособен выдерживать растяжение внизу, он
трескается, как показано на рисунке 2-1. Арматурные стальные стержни
располагаются как раз в этих зонах растяжения (напряжения), чтобы предотвратить
растяжение и контролировать образование трещин.
СЖАТИЕ
НАПРЯЖЕНИЕ
Рисунок 2-1. СТАНДАРТНАЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ БАЛКА
Рассматривая поперечное сечение данной железобетонной балки, верхняя часть балки
находятся в состоянии сжатия, а нижняя часть, так как она трескается, выполняет не более
того, как сохраняет арматурные стержни в положении, изображенном на рисунке 2-2.
Стрежни достаточно велики и очень часто определяют ширину балки. Диаграмма
напряжений на рисунке 2-2 изображает процесс, что именно происходит с этой балкой. Бетон
на нетрескающейся верхушке балки находится в состоянии сжатия, которое имеет диапазон
от ноля в месте, где начинается образование трещин, до …
Рисунок 2-2. Поперечное сечение и диаграмма напряжений стандартной железобетонной
балки.
Принимая во внимание стальную стойку повышенной прочности (критическое напряжение
270, 000 фунтов на квадратный дюйм (1860 МПа), мы растянем ее в пределах ее
максимальной упругости, скажем, до 216, 00 фунтов на квадратный дюйм (1490 МПа), как
изображено на рисунке 2-3. И если мы применим это давление, сталь возвратилась бы к своей
исходной длине, так как мы растягивали бы ее эластично.
Рисунок 2-3. Давление в 270, 000 фунтов на квадратный дюйм (270 ksi) (1860 МПа) на стадии
низкого напряжения семитросной стойки.
Давлении (растяжение) напрягаемого арматурного элемента до 216, 000 фунтов на
квадратный дюйм (= приблизительно 33 кип для стойки диаметром ½ дюйма) (1490 МПа =
147 кН на стойку диаметром 12.7 мм) является пределом его эластичности. Сейчас арматура в
напряжении и бетон в состоянии сжатия (рисунок 2-4.2).
Затем клинья сжимают арматуру, как только подъемное устройство отпускает их. При этом
перемещении первоначальное удлинение арматуры частично теряется из-за размещения
клиньев (это положение называется «Размещение-потеря»), так это – часть первоначально
применимой силы, которая затем теряется в силу эластического сокращения бетона и из-за
трения арматуры. Этот процесс уменьшает давление на арматуру до приблизительно 189, 000
фунтов на квадратный дюйм (=28.9 кип на диаметр стойки в ½ дюйма) (1305 МПА = 128 кН
на стойку диаметром 12.7 мм) (рисунок 2-4.3).
Затем, по истечении более длительного периода (от одного года до пяти лет) другие
изменения объема имеют место в бетонной конструкции. Сталь понемножку смягчается, что
приводит к предварительному напряжению с учетом всех потерь до приблизительно 173, 000
фунтов на квадратный дюйм (=26.5 кип на диаметр стойки в ½ дюйма) (1195 МПА = 118 кН
на стойку диаметром 12.7 мм) (рисунок 2-4.4).
РИС. 2-4 Сила и давление на различных стадиях напряжения.
Где PSI - фунтов на квадратный дюйм.
Диаграмма напряжений будет иметь форму эскиза, изображенного на верхней диаграмме на
рисунке 2-5. Мы применили силу на центральную часть, что привело к равномерному
сжимающему напряжению на поперечное сечение. Каждый квадратный дюйм (квадратный
мм) железобетона выдерживает давление в 100 фунтов (445 Н).
Заметьте, что в отличие от распределения давления по железобетону, предварительно
напряженная балка занимает всю толщину секции.
В нижней диаграмме сила предварительного напряжения перемещается вниз к нижней
третьей точке. В результате мы получаем нулевое напряжение на верхушке и двукратное
изначальное давление в основании. Таким образом, нам удалось создать значительный резерв
сжимающего напряжения в основании балки, что может быть использовано для
предотвращения растягивающего напряжения, которое может появиться при нагрузке.
РИС 2-5 Диаграмма напряжений предварительной силы давлений
Рисунок 2-6 показывает ту же самую балку с нагрузкой, примененной к центральной части.
Распределение давления по бетону в связи с предварительным напряжением остается тем же,
как показано на рисунке 2-5. На средней точке пролета внизу поддерживаемой балки,
примененная нагрузка и вес балки вырабатывают сжимающее напряжение вверху и
растягивающее напряжение у основания в приблизительно 200 фунтов на квадратный дюйм
(1,4 МПа). Теперь, добавляя давление, вызванное силой предварительного напряжения, мы
имеем нулевое давление у основания балки. Как утверждает наше определение, мы
применили силу предварительного напряжения, чтобы воспрепятствовать различному
давлению, возникающему при нагрузке. На практике инженер-строитель имеет значительную
свободу в регулировании давления в любой части балки.
РИСУНОК 2-6. РЕЗУЛЬТАТНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Существует два основных метода предварительного напряжения бетона … постнапряжение бетона и предварительное напряжение. Как определено здесь,
предварительно напряженный бетон обычно изготавливается на заводах вдали от конечного
местоположения конструкции. Стальные элементы подвергаются давлению до размещения
бетона.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ БЕТОН
СТАЛЬНАЯ АРМАТУРА ПОДВЕРГАЮТСЯ НАПРЯЖЕНИЮ ДО ТОГО, КАК
БЕТОН РАЗМЕЩЕН, ИЗГОТОВЛЕН НА ЗАВОДЕ, ВДАЛИ ОТ КОНЕЧНОГО
МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ. ЭЛЕМЕНТЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО
НАПРЯЖЕННОГО БУТОНА, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ЗАВОДСКИМ СПОСОБОМ,
ТРАНСПОРТИРУЮТСЯ НА МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ.
Балки или элементы сооружаются в напряженный фундамент (под давлением). Этот процесс
схематически показан на диаграмме на рисунке 2-7. Во-первых, предварительно
напряженный арматурный кабель зажимается между двумя подпорками, прикрепленными к
напряженному фундаменту, который удерживает давление в растянутом арматурном кабеле.
После растяжения стальных элементов при помощи гидравлических зажимов, бетон
помещают в формы вокруг арматурного кабеля и ожидают его затвердевания. Когда бетон
достиг достаточной прочности, на бетон направляют силу предварительного напряжения
посредством сцепления, когда стальная арматура, по краям балки освобождена от подпорки.
Рисунок 2-7. Предварительно напряженный бетон
Пост-напряжение предварительно напряженного бетона, который мы изначально
рассматривали в данном руководстве, является методом применения предварительного
напряжения структур или иногда других материалов на месте проведения работ.
Способность предварительно оказывать напряжение на стройплощадке уменьшает стоимость
транспортировки сборных бетонных элементов, и позволяет использовать выгоду
предварительного напряжения больших структур, заводское изготовление которых
невозможно. Другие преимущества пост-напряжения включают непрерывную конструкцию
пролета и профилирование силы предварительного напряжения. Пост-напряжение позволяет
широкую эластичность в конструктивных параметрах, а также это часто используется на
стройплощадке для подсоединения и предварительного напряжения меньших элементов,
изготовленных заранее на заводе для производства больших или длинных спиновых
структур.
ПОСТ-НАПРЯЖЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО
НАПРЯЖЕННОГО БЕТОНА.
Стальная арматура подвергается давлению после того, как
бетон был размещен и достиг значительной плотности на
стройплощадке.
Порядок построения для пост-напряжения также отличается от порядка, используемого для
предварительного напряжения. Во-первых, как показано на рисунке 2-8, формы воздвигаются
и ненагруженная пост-напряженная арматура помещается в формы в соответствующем
положении. Соединенная арматурная сталь помещается также в соответствующее положение,
и вся сталь надежно скрепляется в положении, указанном инженером-строителем. На данном
этапе, арматурный кабель уже покрыт полиэтиленом и полностью упакован в
высокопрочную полиэтиленовую обшивку.
РИСУНОК 2-8. Связанная и распределенная арматура на настиле.
Далее бетон помещают в формы вокруг арматуры и оставляют его застывать до нужной
прочности (например, бетон положили в пятницу, а поддали давлению в понедельник).
(рисунок 2-9).
РИСУНОК 2-9. Размещение бетона
После того, как бетон затвердел, напрягаемая арматура, которая отделена от бетона
посредством полиэтиленовой обшивки, поддается давлению гидравлическим зажимом,
который направляет давление непосредственно на арматурный анкер, встроенный в
затвердевший бетон (см. рисунок 2-10). Сила в стальной арматуре затем постепенно
переходит к бетону через крепежные (анкерные) приспособления на конце структурного
элемента.
РИСУНОК 2-10. Подача напряжения на арматуру.
Некоторые привилегии пост-напряженного предварительно напряженного бетона:
- Эффективное и рациональное применение материалов повышенной прочности;
- тонкие, маленькие элементы, которые обуславливают большую аккуратность и
привлекательность структуры
- уменьшение высоты здания (экономия на внешней отделке и других услугах/материалах)
- уменьшение веса здания или элементов здания приводят к снижению стоимости
фундамента
- уменьшение колон и стен, таким образом, экономия материалов
- меньший вес позволяет уменьшить сейсмическое воздействие
- длинный экономный пролет
- улучшение контроля за отклонением
- уменьшение возможности образования трещин
- водонепроницаемая конструкция
- уменьшение затрат на обслуживание объекта
- уменьшение затрат во время всего срока службы
Пост-напряженный предварительно напряженный бетон имеет следующие привилегии перед
предварительно напряженным бетоном:
- структурная целостность элементов
- пошаговое напряжение
- подача давления по областям
- уменьшение потерь от предварительного напряжения
- присоединение заводских элементов по частям (по областям)
- возможность возведения конструкции на территориях с ограниченным пространством
- использование местного труда и материалов.
Теория
Существует в основном два вида каркасных бетонных структур:
1)
железобетонная плита, армированная в одном направлении или опертая на балку,
поддерживаемую колонами/стенами.
2)
железобетонная плита, армированная в двух направлениях с или без надкапительной
плиты, поддерживаемой колонами/стенами.
Элементы или компоненты этой структуры, то есть плиты/балки/брусья/колоны/стены
поддерживают нагрузку, подаваемую на них, или при этом они получают напряжение при
поперечной силе, растяжении или сжатии.
Бетон в этих элементах эффективно выдерживает сжимающее напряжение в то время, как
пост-напряженная арматура и арматурные профили эффективно выдерживают
растягивающее напряжение (см. рисунок 2-2). Таким образом, использование этих двух
материалов вместе позволяет создать экономичные и безопасные структуры, которые
являются конкурентоспособными с другими видами материалов.
Предварительное напряжение для выравнивания нагрузки.
Следуя одной из важных концепций, необходимо рассматривать предварительное
напряжение как попытку выровнять (сбалансировать) нагрузку на элементы (см. рисунок 211). Элементы, такие как балки и плиты, поддерживая свой собственный вес или
поддерживая свой собственный вес и равномерную нагрузку (w применимый), наклоняют
или прогибают вниз. Когда арматура размещена в таком элементе в параболической кривой и
арматура растянута, они оказывают давление наверх равномерно распределенной нагрузки,
(w равновесия) на элемент. Величина растяжения или количество арматуры, необходимой
для уравновешивания всей или части силы тяжести на один элемент можно вычислить.
Рисунок 2-11. Концепция силы, применимой для пост-напряженного бетона.
Частичное или полное предварительное напряжение
Когда элемент спроектирован таким образом, что под рабочей нагрузкой не возникает
растягивающее напряжение в элементе, такой бетон называется полностью предварительно
напряженным. Теоретически такому элементу понадобится существенное количество
предварительно напряженной стали. С другой стороны, если растягивающее напряжение
позволительно в элементе под рабочей нагрузкой, в этом случае такой бетон называется
частично предварительно напряженным (этот термин иногда используется при описании
процесса применения определенного процента окончательной силы на каркас ранее, чем за
72 часа). Для частичного предварительного напряжения может использоваться
дополнительный мягкий стальной профиль, чтобы регулировать появление трещин под
давлением. В целях экономии частичное предварительное напряжение – самый
распространенный вид предварительного напряжения, применяемый к структурам. В таком
подходе используется предварительно напряженная сталь, чтобы возместить собственную
массу большинства элементов и других устойчивых постоянных нагрузок. Время от времени
также включается небольшая часть подвижной (рабочей) нагрузки. Давление, производимое
остатками подвижной нагрузки, встречает сопротивление со стороны соединения
напряженной и ненапряженной стали, которое встречается в экономных конструкциях.
Скрепленная стальная арматура обеспечивает контроль ширины трещин и их распределение
в случае, если вторичное действие или перегрузка спровоцирует появление трещин в
элементе.
Сплошной элемент
Рисунок 2-12 и 2-14 изображают сплошной элемент из 4-х пролетов и 5-ти опор.
Рисунок 2-12 показывает зоны давления и сжатия, которые образуются в бетоне элемента
под воздействием внешней равномерной нагрузки. (w применимая).
С – зона сжатия
Т – зона давления
Рисунок 2-12. Зоны сжатия и давления под воздействием внешней равномерной
нагрузки (w применимая).
Рисунок 2-13 показывает арматуру, помещенную в элементе в параболическом профиле. При
давлении арматура будет внутри использовать балансирующую равномерную нагрузку (w
балансирующая) в направлении вверх-вниз, показанном стрелочками вдоль частей арматуры
между точками перегиба, то есть между точками перемены давления в продоьной кривизне
арматуры.
Рисунок 2-13. Балансирующая равномерная нагрузка, применимая изнутри (w
балансирующая).
Рисунок 2-14 изображает зона сжатия и давления, производимые балансирующей
равномерной нагрузкой, применимой изнутри.
С – зона сжатия
Т – зона давления
Рисунок 2-14. Зоны сжатия и давления под воздействием внутренней равномерной
нагрузки (w балансирующая).
Сравнивая рисунки 2-12 и 2-14, мы видим, что подъемный компонент предварительного
напряжения образует 2 зоны давления противоположные тем, которые производятся внешней
нагрузкой, таким образом, аннулирование или уменьшение давления приводит к тому, что
окончательное давление, производимое внешней нагрузкой, приобретает значения в рамках
допустимых пределов.
В случае, если длины пролета значительно отличаются и/или отличается величина нагрузки,
то можно применить несколько различных расчетных параметров. Либо уменьшить обшивку,
сохраняя при этом одинаковое предварительное напряжение (давление) или же сохранить
всю обшивку, но уменьшить силу предварительного напряжения, этим можно достичь
желаемого выравнивания нагрузки.
Как Вы можете заметить по этим рисункам, очень важным моментом является правильное
расположение арматуры в профилях, чтобы достичь соответствующий плану критерий.
Консольная балка
Консольная балка строительного элемента является критичной, так как ее проект зависит от
ее длины, применимой нагрузки и влияния на примыкающий промежуточный пролет. На
этапе проектировки критический баланс достигается между консольной балкой и ее
анкерным пролетом, следовательно, арматурный профиль консольной балки должен быть под
постоянным контролем.
Initial N.A. (neutral axis of concrete) – начальная нейтральная ось бетона
эффективный центр анкеров, расположенных над
нейтральной осью бетона (слишком большая подъемная сила на
консольную балку от арматуры).
анкеры, расположенные ниже нейтральной оси
(слишком маленькая подъемная сила на
консольную балку от арматуры).
арматурный профиль на опоре всегда должен быть
над нейтральной осью.
РИСУНОК 2-15. Воздействие арматурного профиля на свойства консольной балки
Производство арматуры
В данном руководстве говорится и рекомендуется, чтобы изготовительный процесс
раздельной арматуры отвечал требованиям «Спецификации Раздельной кабельной
Арматуры» института Пост-напряжения (пост-давления), опубликованной в июле 1993 года.
Первый шагом в производственном процессе является нанесение покрытия на кабель
(рисунок 3-1). Это выполняется методом сжатия пластмассы.
Рисунок 3-1. Обшитый и покрытый кабель
Неизолированный кабель поставляется производителем кабеля в стандартной упаковке
(диаметром ½ дюйма (12,7 мм) диаметр кабеля представляет собой приблизительно 12, 000
фунтов (3660 м). см. рисунок 3-2.
Рисунок 3-2. Катушка неизолированного кабеля.
Рисунок 3-3. процесс сжатия
Неизолированный кабель покрывается П/Т покрытием, а затем сверху покрывается
пластиковой обшивкой (рисунок 3-3). Процесс сжатия пластмассы начинается с пропускания
неизолированного кабеля через аппликатор П/Т покрытия, который равномерно наносит
определенное количество П/Т покрытия. Во время процесса нанесения покрытия,
крестообразная головка контролирует и регулирует нанесение правильной толщины
расплавленной пластмассы. Последним шагом процесса является помещение кабеля в желоб
с водой для охлаждения перед тем, как накручивать кабель на катушку.
Армированный кабель (рисунок 3-4) затем перемещают на линию резки, где его разрезают на
необходимые отрезки и отмечают цветом либо к нему крепят ярлычки для более надежной
идентификации. После разрезания армированного кабеля на необходимые отрезки, его затем
перемещают на место, где к пучкам арматуры крепится специальное наконечное закрепление.
Рисунок 3-4. Катушка арматурного кабеля.
Рисунок 3-5. Хранение изготовленных и смотанных арматур.
Необходимо следить за тем, чтобы прикрепленные закрепления были установлены в
соответствии с системными нормами производства. Мотки изготовленной арматуры затем
соединяются вместе с помощью стальной ленты с защитным материалом между мотками и
связывая эти мотки таким образом, чтобы обшивочный материал не был поврежден (рисунок
3-5). Все мотки должны быть четко обозначены рабочими названиями, литьем, основой и т.д.
Также на мотке дожжен быть информационный лист (см. приложение 15.5.), в котором
описана информация по погрузке, способе эксплуатации и других инструкций по
обслуживанию. Затем мотки арматуры погружаются на погрузочные машины и везутся к
стройплощадке (рисунок 3-6). Уже после доставки, ответственность за хранение,
эксплуатацию и размещение изготовленной арматуры немеет генеральный подрядчик или/и
монтажник (см. главу 5).
Рисунок 3-6. Погрузка мотков арматуры на грузовики.