Определение напряжений в предварительно напряженных конструкциях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Определение напряжений в предварительно напряженных конструкциях

1. Общие сведения

обжатие бетон арматура

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 путем растяжения арматуры.

Предварительное напряжение применяют в целях снижения расхода стали (использование высокопрочной арматуры):

повышения трещиностойкости;

повышения жесткости и уменьшения деформаций;

обжатия стыков сборных конструкций;

повышения выносливости конструкций, работающих под воздействием многократно повторяющейся нагрузки;

уменьшения расхода бетона, а, следовательно, и снижения массы конструкций.

Напомним, что предварительное напряжение создают натяжением арматуры на упоры и на затвердевший бетон. Натяжение арматуры на упоры выполняют 3 способами:

механическим;

электротермическим;

электротермомеханическим.

Натяжение на бетон осуществляют механическим способом.

При натяжении на упоры применяют стержневую арматуру, высокопрочную проволоку и арматурные канаты; при натяжении на бетон - преимущественно высокопрочную проволоку и арматурные канаты. Арматурные канаты и проволоку небольшого диаметра можно натягивать на упоры форм или бетон непрерывной намоткой.

Натяжение на упоры применяют в заводских условиях. Натяжение на бетон более трудоемко. Поэтому раньше этот вид натяжения применялся редко, только в случаях, когда изготовляли монолитные конструкции или уникальные конструкции больших размеров, в основном в транспортном строительстве. В настоящее время натяжение на бетон получило распространение. Существует опыт в применении натяжения стержневой арматуры на бетон.

Помимо трех способов натяжения арматуры распространен также физико-механический способ натяжения, т.е. самонапряжение, при котором используется свойство бетонов, изготовленных на расширяющемся цементе. При расширении бетона в процессе твердения арматура удлиняется, и таким образом, создается предварительное напряжение. Такой способ технологически прост в применении.

Существуют оригинальные решения использования преднапряженных конструкций.

В Италии изготавливаются полузамкнутые объемные блоки, применяемые для строительства жилых зданий. Блоки выпускают двух типов: крайние и средние. Толщина вертикальных стен блоков 7 см, нижней плиты 12 см и верхней 8 см. Отличительной особенностью данного решения является сбор на заводе квартир целиком из изготовленных блоков. Квартиры могут быть однокомнатными, двух- или трех комнатными с санузлами. Стенки и плиты блоков армируют сварными сетками и отдельными стержнями. В толще стен и плит блоков размещают электроосветительную и сантехническую проводку. Изготовленные блоки при укрупнительной сборке склеивают по кромкам стенки и плит эпоксидной смолой, а затем стягивают с помощью канатной арматуры, проходящей сквозь каналы, предусмотренные в двух нижних и двух верхних углах каждого блока и натягиваемой на бетон. Прочность бетона в блоках в 28-дневном возрасте равна 22 МПа, что соответствует В 40. В каналы после закрепления натянутой арматуры нагнетается цементный раствор. Такое здание обладает повышенной сейсмостойкостью, несмотря на отсутствие свариваемых закладных деталей.

Применение напрягаемой арматуры с натяжением на бетон позволяет уменьшить прогибы и исключить появление трещин, максимально использовать прочностные свойства высокопрочных сталей, увеличить шаг колонн, т.е. пролет плит, и увеличить нагрузку на перекрытия.

В качестве оригинального решения применения напрягаемой арматуры в монолитном строительстве может быть решение перекрытия с полосовым расположением напрягаемой арматуры по линиям колонн. Обычно напрягаемая арматура в плитах располагается равномерно (с определенным шагом) в виде пучков или канатов по ширине плит. Плиты, расположенные между полосами напрягаемой арматуры, армируются обычной ненапрягаемой арматурой в виде сварных сеток, располагаемых в нижней зоне плит. В надколонных зонах и в зонах расположения полосовой напрягаемой арматуры ненапрягаемая арматура размещается в верхней зоне перпендикулярно к напрягаемой. Криволинейное очертание напрягаемой арматуры над колонной принимается таким, чтобы равнодействующая усилий от арматуры, идущая вниз, направлялась прямо противоположно действию реактивных сил в колонне, которые могут вызвать образование конуса продавливания в плите.

При проектировании таких безбалочных перекрытий рассматривают два основных предельных состояния: разрушение от действия изгибающих моментов по нормальным сечениям и разрушение от продавливания плиты над колонной. Проверка прочности сечений от действия момента ведется раздельно для сечений, где ее нет. Данные проведенных испытаний показали, что в плитах разрушение никогда не происходит от раздавливания бетона сжатой зоны, т.о. доказывая правомерность того, что в сжатой зоне в работу вовлекается большая ширина плиты.

Вертикальная составляющая от напрягаемой арматуры, расположенной над колонной, прямо пропорциональна подъему арматуры над колонной по сравнению с ее уровнем в середине пролета плит. Усилия определяют с учетом потери преднапряжения из-за трения в каналах от перегиба арматуры, усадки и ползучести бетона.

При действии на перекрытие эксплуатационных нагрузок проверке подвергается только трещиностойкость бетона и ширина раскрытия трещин. При этом раздельно рассматривают зоны, где имеется преднапряженная арматура, и зоны, где ее нет. Процент армирования напрягаемой арматуры в середине пролета плит, равный 0,1%, является наиболее оптимальным с точки зрения требований к трещиностойкости и жесткости.

Также для монолитных перекрытий возможно применение преднапряженной канатной арматуры, причем 50% от общего количества арматуры располагается в надколонных полосах, а остальная ее часть равномерно распределяется по пролетной части. Идущие во взаимно перпендикулярных направлениях канаты располагают в двух плоскостях по высоте сечения, но также возможно пересечение в четырех уровнях при большой насыщенности арматуры. Для обеспечения проектного расположения канатов по высоте сечения и придания им криволинейного очертания в зоне над колоннами применяют подставки, сваренные из стержневой арматуры.

2. Расчетные подходы

При расчете предварительно напряженных элементов в расчетные формулы вводят предварительно растягивающие напряжения напрягаемой арматуры , действующие до обжатия элемента либо при снижении до нуля напряжений в бетоне. Такое снижение напряжений (во всем сечении или только на уровне растянутой арматуры) может вызываться воздействием на элемент внешних фактических или условных сил. При указанных напряжениях напрягаемой арматуры и нулевом напряжении бетона всего поперечного сечения состояние этого сечения принимают за исходное.

Значения предварительного напряжения принимают с учетом механических свойств арматурной стали, при этом они не должны быть выше вполне определенных регламентируемых нормами значений, т.к. появление пластических деформаций сопровождается необратимыми потерями напряжений, соответствующими остаточным деформациям арматуры.

Значения предварительного напряжения напрягаемой арматуры , создаваемые в ней, или способные возникнуть в процессе ее натяжения, назначают таким образом, чтобы выполнялись условия:

где растягивающее напряжение напрягаемой арматуры

допустимые отклонения предварительного напряжения, МПа

При механическом способе натяжения арматуры , а при электротермическом или электротермомеханическом способах определяется по формуле:

где длина натягиваемого стержня (расстояние между наружными гранями упоров).

Максимальные предварительные напряжения арматуры ограничены в связи с опасностью обрыва при натяжении или развития недопустимых неупругих деформаций. Минимальные напряжения приняты из условия обеспечения проектного положения натягиваемой арматуры и ограничения чрезмерного раскрытия трещин в бетоне (в случае их образования).

При расчете предварительно напряженных элементов следует учитывать потери предварительного напряжения арматуры.

3. Потери предварительного напряжения

Таблица 1

Суммарные потери при проектировании конструкций принимают не менее 100 МПа

Расчетные значения для находятся в таблице 5 СНиП 2.03.01-84*.

Первые потери необходимы для проведения расчета на стадии обжатия бетона. Во всех остальных стадиях учитывают первые и вторые потери.

Стадия обжатия, стадия эксплуатации

, ,

где ,

4. Коэффициент точности натяжения

Предварительное напряжение в арматуре вводят в расчет с коэффициентом точности натяжения арматуры, который относится к IV группе коэффициентов надежности метода расчета сечений по предельным состояниям:

Знак «+» принимают для учета преднапряжения для стадий изготовления и монтажа элемента.

Знак «-» принимают для стадии эксплуатации.

Значение принимают при механическом способе натяжения арматуры, при электротермическом и электротермомеханическом способе .

При определении потерь предварительного напряжения арматуры, а также при расчете по раскрытию трещин и по деформациям значение .

Начальное контролируемое напряжение в арматуре при натяжении на упоры с учетом потерь от деформации анкеров и трения об огибающие приспособления равно

Значение напряжения в напрягаемой арматуре , контролируемое в месте приложения натяжного усилия при натяжении арматуры на бетон, принимается равным :

;

Если напрягаемая арматура ставится в сжатой зоне, то

,

 (см. п.2, стр. 9)

Для элементов с напрягаемой арматурой без анкеров на длине зоны передачи напряжений значения снижают умножением их на отношение , где расстояние от начала зоны передачи напряжений до рассматриваемого сечения; длина зоны передачи напряжений, т.е. расстояние от торца образца до сечения, в котором деформации арматуры бетона вблизи арматурного стрежня становятся одинаковыми. Длину рассчитывают по формуле 11 СНиП 2.03.01-84*.

5. Усилие предварительного обжатия бетона. Напряжения в бетоне при обжатии

Усилие предварительного обжатия бетона принимают равным равнодействующей усилий в напрягаемой и ненапрягаемой арматуре:

Эксцентриситет усилия относительно центра тяжести приведенного сечения определяют из условия равенства моментов равнодействующей и составляющей:

Чтобы определить напряжения в сечениях предварительно напряженных железобетонных элементов в стадии I до образования трещин, рассматривают приведенное бетонное сечение, в котором площадь сечения арматуры заменяют эквивалентной площадью сечения бетона. Исходя из равенства деформаций арматуры и бетона, приведение выполняют с использованием модулей упругости двух материалов . Площадь приведенного сечения элемента составит:

,

где А - площадь за вычетом площади сечения каналов и пазов.

При обжатиии в бетоне развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений приобретает криволинейное очертание. В упрощенной постановке напряжения в бетоне при обжатии определяют в предположении упругой работы сечения и линейной эпюры напряжений:

6. Стадии деформирования предварительно напряженного элемента при центральном растяжении

В условиях центрального растяжения находятся такие элементы, как нижний пояс фермы, напорные трубопроводы, стенки цилиндрических резервуаров и др.

В центрально растянутых элементах используется натяжение как на бетон, так и на упоры и применяются все виды армирования: непрерывное, проволочное, прядями, пучками, стержнями.

Как и обычные железобетонные элементы, предварительно напряженные центрально растянутые элементы при растяжении испытывают III стадии НДС: стадия I - до появления трещин в бетоне, стадия II - после появления трещин, стадия III - стадия разрушения.

При испытании предварительно напряженных элементов трещины наблюдаются незадолго перед разрушением, и интервал между в стадии II и в стадии III во много раз меньше, чем в обычном железобетонном элементе.

Стадии деформирования при натяжении арматуры на упоры.

Сначала арматуру укладывают в форму (состояние 1) и натягивают на величину начального контролируемого напряжения (состояние 2). Затем элемент бетонируют и выдерживают в форме до приобретения бетоном необходимой прочности; в это время вследствие релаксации стали и податливости зажимов начальное напряжение в арматуре падает (состояние 3).

При освобождении с упоров арматура стремится восстановить свою первоначальную длину и благодаря сцеплению с бетоном, сокращаясь, обжимает бетон; при этом происходит падение напряжения в арматуре (состояние 4).

Вследствие усадки и ползучести бетона происходят последующие потери напряжений арматуры и соответствующие им потери напряжений в бетоне (состояние 5). Установившееся напряжение в арматуре до загружения элемента с учетом полных потерь равно:

После загружения постепенно возрастающей нагрузкой предварительное обжатие бетона погашается (состояние 6), и при напряжении бетона, равном нулю, напряжение арматуры равно . Последняя составляющая получилась из условия совместности арматуры и бетона, т.е.

Для состояния Iа НДС , т.е.

Напряжение в напрягаемой арматуре перед образованием трещин равно (состояние 7).

Следовательно, по сравнению с обычным железобетоном напряжение в арматуре увеличилось на . Этим и обуславливается значительно более высокая трещиностойкость.

После образования трещин в бетоне (стадия II НДС) в сечении с трещиной все усилие воспринимается арматурой, и по мере увеличения нагрузки трещины раскрываются.

При дальнейшем увеличении нагрузки напряжение арматуры доходит до предельного (состояние 8), наступают разрыв арматуры и разрушение (стадия III НДС). Следовательно, преднапряжение повышает жесткость и трещиностойкость, а на несущую способность влияния не оказывает.

Стадии деформирования при натяжении арматуры на бетон.

Последовательность напряженных состояний аналогичная. Отличие заключается только в период изготовления - до загружения элемента нагрузкой; оно заключается в том, что, согласно нормам, величина контролируемого напряжения арматуры для сечения, по которому назначено , определяется с учетом обжатия, т.е. .

Тогда с учетом первичных потерь в конце обжатия бетона напряжение в арматуре равно

.

7. Стадии деформирования предварительно напряженного элемента при изгибе

Напрягаемая арматура изгибаемых элементов располагается в соответствии с эпюрой изгибающих моментов и поперечных сил.

Как и обычные железобетонные элементы, предварительно напряженные изгибаемые элементы при изгибе испытывают III стадии НДС: стадия I - до появления трещин в бетоне, стадия II - после появления трещин, стадия III - стадия разрушения.

При испытании предварительно напряженных элементов трещины наблюдаются незадолго перед разрушением, и интервал между в стадии II и в стадии III во много раз меньше, чем в обычном железобетонном сечении ().

8. Стадии деформирования при натяжении арматуры на упоры

При натяжении на упоры (как и в центрально растянутых элементах) верхнюю и нижнюю арматуры сначала укладывают в форму (состояние 1) и натягивают до заданных начальных контролируемых напряжений и (состояние 2). В период бетонирования происходят первые потери напряжений арматуры и (состояние 3).

После приобретения бетоном необходимой прочности арматура освобождается с упоров и обжимает бетон; напряжения в арматуре уменьшаются за счет быстронатекающей ползучести в процессе обжатия бетона (состояние 4). При этом вследствие несимметричного армирования () элемент получает выгиб.

С течением времени вследствие усадки и ползучести бетона происходят последующие потери напряжений арматуры и (состояние 5).

Состояния 1-5 имеют место в стадии изготовления до загружения элемента. После загружения нагрузкой, погашающей обжатие бетона (состояние 6), напряжения в напрягаемых арматурах равны и .

При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в бетоне растянутой достигают предела прочности при растяжении (состояние 7). Это и будет концом стадии I НДС при изгибе. При этом напряжение в напрягаемой арматуре равно , а в напрягаемой арматуре равно .

Следовательно, в предварительно напряженных сечениях при изгибе (как и при растяжении) перед образованием трещин напряжение в растянутой арматуре превышает соответствующее напряжение арматуры в обычных железобетонных сечениях, что и объясняет значительно более высокое сопротивление сечения образованию трещин при изгибе.

При увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны появляются трещины, и наступает стадия II НДС.

С дальнейшим увеличением нагрузки растягивающие напряжения в арматуре достигают предела прочности (состояние 8) и происходит разрушение сечения - стадия III.

Следовательно, при изгибе (как и при центральном растяжении) к моменту исчерпания несущей способности в стадии III эффект преднапряжения утрачивается.

При натяжении на бетон последовательность напряженных состояний до и после приложения нагрузки аналогичная. Здесь будет лишь другое начальное контролируемое напряжение.

Размещено на Allbest.ru