Сущность предварительного напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сущность предварительного напряжения

Предварительно напряженные элементы - железобетонные элементы, в которых до приложения нагрузок, в процессе их изготовления, искусственно создается внутреннее напряженное состояние (самонапряжение), заключающееся в значительном обжатии бетона предварительно растянутой арматурой.

Предварительное напряжение применяется преимущественно в тех элементах, в которых при нагрузках возникают растягивающие напряжения. В отдельных случаях целесообразно применять преднапряжение в центрально и внецентренно сжатых элементах, в частности в гибких колоннах, где оно обеспечивает необходимую трещиностойкость на период транспортирования и монтажа, а также предотвращает потерю устойчивости элемента.

Предварительное напряжение элементов повышает трещиностойкость, жесткость, выносливость конструкций при работе под воздействием многократно повторяющихся нагрузок, позволяет применять высокопрочную арматуру при полном использовании ее механических свойств. Но само по себе преднапряжение НЕ повышает несущую способность. Как показывают опыты, в стадии разрушения эффект предварительного напряжения утрачивается, разрыв растянутой арматуры происходит при предельном напряжении и несущая способность предварительно напряженного элемента оказывается такой же, как и для железобетонного элемента без предварительного напряжения.

Экономику применения высокопрочной стали можно проиллюстрировать. С увеличением прочности стали ее удельная стоимость снижается.

Предварительное напряжение может создаваться двумя способами:

1. натяжением арматуры на упоры;

2. натяжением арматуры на бетон

Суть натяжения арматуры на упоры. Арматура натягивается и закрепляется на особых упорах стендов, форм. После бетонирования и приобретения бетоном достаточной прочности арматура освобождается с удерживающих устройств и, стремясь восстановить свою первоначальную длину, обжимает бетон. Напряжения в арматуре контролируются до обжатия бетона.

Суть натяжения арматуры на бетон. Сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент. Для укладки рабочей арматуры в нем предусматривают каналы или пазы. После отвердения бетона арматура натягивается с передачей реактивных усилий непосредственно на бетон и при помощи анкеров удерживается в напряженном состоянии. Для создания сцепления арматуры с бетоном и защиты арматуры от коррозии каналы и пазы заполняют под давлением цементным тестом или раствором. Напряжения в арматуре контролируют по окончанию обжатия бетона.

Натяжение арматуры может быть выполнено 3 способами:

1. механическим (домкратами, намоточными машинами и т.п.).

2. электротермическим. Арматура, нагретая и удлиненная за счет пропуска электротока, закрепляется на упорах. Поскольку арматура при остывании свободно не сокращается, в ней возникают растягивающие напряжения. Этот способ распространен в России. Он надежен, малотрудоемок и был экономичен при централизованной экономике.

3. электротермомеханическим (комбинированным). Здесь полностью исключают обрыв арматуры, т.к. усилие механического натяжения не более 20-30% от общего усилия натяжения.

Стадии напряженного состояния при изгибе

1. Стадии напряженного состояния при изгибе

Стадия I - до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно.

При малых нагрузках на элемент напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят преимущественно упругий характер; зависимость между напряжениями и деформациями - линейная, эпюра нормальных напряжений в бетоне сжатой зоны сечения - треугольная.

Арматура в верхней зоне

высота сжатой зоны.

рабочая высота сечения.

Если арматуры не один ряд, то сначала находится центр тяжести всех стержней, и это расстояние от наиболее сжатого волокна до центра тяжести всех стержней.

Стадия Iа - конец стадии I.

С увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, наступает новое качественное состояние.

Растянутый бетон полностью исчерпывает свои свойства - он находится в предельном состоянии.

Стадия Iа характеризует состояние перед образованием трещин.

максимальное значение напряжения.

Стадия Iа необходима для расчета по определению момента образования трещин. Достаточно приложить как угодно малую нагрузку, чтобы появилась трещина.

арматура напряженный бетон

Стадия II - это стадия эксплуатации, необходимая для определения прогибов и ширины раскрытия трещин .

В том месте растянутой зоны, где образовались трещины, растягивающее усилие воспринимается арматурой и участком бетона растянутой зоны над трещиной. В интервалах между трещинами в растянутой зоне сцепление арматуры с бетоном сохраняется, и по мере удаления от краев трещин растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре уменьшаются. С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется, а ордината максимального напряжения перемещается в края сечения в его глубину.

С этого момента растянутый бетон практически не участвует в работе, в сжатом бетоне появляются пластические деформации.

Конец этой стадии - стадия IIа.

Стадия IIа (стадия предразрушения).

Стадия IIа характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре.

Стадия III (стадия разрушения).

По продолжительности это самая короткая стадия. Напряжения в арматуре достигают физического или условного предела текучести, а в бетоне - временного сопротивления осевому сжатию. Криволинейность эпюры нормальных напряжений сжатия становится ярко выраженной. Бетон растянутой зоны из работы элемента почти исключается.

Различают два характерных случая разрушения элемента.

Случай 1.

Случай I - случай пластического разрушения вследствие замедленного развития местных пластических деформаций арматуры. Разрушение начинается с проявления текучести арматуры, вследствие чего быстро растет прогиб и интенсивно уменьшается высота сжатой зоны сечения за счет развития трещин по высоте элемента и появления неупругих деформаций в бетоне сжатой зоны над трещиной. Участок элемента, на котором наблюдается текучесть арматуры и пластические деформации сжатого бетона, деформируется практически при постоянном предельном моменте. Поэтому такие участки носят название пластических шарниров.

При слабом армировании трещина растет при небольших нагрузках, нулевая линия поднимается кверху сечения; при сильном армировании положение нулевой линии не меняется. Напряжения в сжатой зоне сечения достигают временного сопротивления осевому сжатию и может произойти раздробление бетона.

К случаю I относят также хрупкое разрушение элементов, армированных высокопрочной проволокой, так как разрыв последней из-за малого относительного удлинения при растяжении () происходит одновременно с раздроблением бетона сжатой зоны элемента.

Случай 2.

Этот случай наблюдают при разрушении элементов с избыточным содержанием растянутой арматуры. Разрушение таких элементов всегда происходит внезапно (хрупкое разрушение) от полного исчерпания несущей способности бетона сжатой зоны, при неполном использовании прочности растянутой арматуры. В этом случае прогибы и ширина раскрытия трещин незначительны. Несущая способность такого элемента практически перестает быть зависимой от площади продольной арматуры, а является функцией прочности бетона, формы и размеров сечения.

Нормально армированные элементы - элементы, в которых полностью используется несущая способность арматуры.

Переармирование элементов допускают, когда площадь сечения рабочей арматуры недостаточна по расчету по второй группе предельных состояний или когда арматура принята по конструктивным соображениям.

Нормы рекомендуют расчет прочности выполнять по I случаю.

2. Трещиностойкость железобетонных конструкций

Под трещиностойкостью конструкций понимают их сопротивление образованию трещин в конце стадии I НДС или сопротивление раскрытию трещин в стадии II.

Раннее образование и чрезмерное раскрытие трещин в растянутых зонах является существенным недостатком железобетонных конструкций, так как снижает их долговечность из-за коррозии арматуры и повышает деформативность из-за уменьшения момента инерции сечений элементов.

Железобетонные конструкции рассчитывают по:

образованию трещин;

раскрытию (непродолжительному и продолжительному) трещин;

закрытию (для непродолжительного раскрытия) трещин.

3. Граничная высота сжатой зоны.

Рассмотрим начальные деформации - работает гипотеза плоских сечений.

- - - еще один слой арматуры

Если арматура расположена близко к нейтральному слою, то расход арматуры неэкономичен, т.к. .

Исходя из величины армирования и учитывая, что при любом заданном значении прочности бетона и ширины сечения N=f(x), положение нейтрального слоя, в соответствии с принятыми гипотезами, может меняться от 0<x<h₀, необходимо ограничить рациональный диапазон высоты сжатой зоны.

Наибольшая высота сжатой зоны, при которой удается полностью использовать прочностные свойства арматурной стали в сечении, называется граничной высотой сжатой зоны ().

относительная граничная высота сжатой зоны.

относительная высота сжатой зоны.

Условие, когда арматурная сталь полностью использована в сечении - граничное условие между 1 и 2 случаем стадии III (стадии разрушения).

Опыты показывают, что при разрушение элементов происходит по случаю 1, а при по случаю 2.

С ростом прочности бетона снижается его деформативность, а, следовательно, и способность к перераспределению напряжений по высоте сечения. Поэтому граничная высота сжатой зоны для высокопрочных бетонов получается меньшей по сравнению с менее прочными бетонами.

Размещено на Allbest.ru