Попередньо напружений залізобетон
У звичайній залізобетонній балці арматура, розташована в нижній зоні, сприймає розтягуючі зусилля і таким чином разом з верхньою зоною бетону, сприймаючої стискаючі зусилля, чинить опір вигину балки, викликуваному прикладеної навантаженням. Коли арматура відчуває розтяг, разом з нею його відчувають і пов’язані з нею шари бетону. А так як бетон володіє малою міцністю на розтяг, то в нижній частині балки, ще до досягнення граничного навантаження, виникають тонкі тріщини. Після зняття навантаження відбувається лише часткове відновлення первісного стану бетону; можна сказати, що раз з’явилися тріщини не зникають. Ці тріщини не тільки псують зовнішній вигляд бетону, але і порушують його зовнішній шар, що захищає арматуру від корозії. При перевищенні робочого навантаження, але до такої міри, що напруження в арматурі ще не досягають межі текучості, залишкова деформація бетону і поступове розширення тріщин стануть все більш помітними, хоча конструкція все ще буде в змозі витримувати робочі навантаження.Якщо арматурний стержень попередньо напружений (тобто напружений до того, як буде прикладена робоче навантаження), то в загальному випадку весь елемент буде в змозі стиснення. В одній з найбільш ранніх конструкцій бетонних попередньо напружених балок попереднє стиснення балки здійснювалося шляхом підпирання домкратами обох її кінців з використанням міцних анкерів, розташованих у обох торцевих кінців балки. В даний час, хоча принцип попередньої напруги не змінився, практично стиск бетону здійснюється за допомогою натягнутих проволікав, зчеплених з бетоном по всій довжині балки або ж закріплених між завзятими плитами, забитими в протилежні її кінці. Коли до такої попередньо напруженої залізобетонної балки прикладена навантаження, сили, які раніше викликали розтягнення і розтріскування бетону в нижній частині балки, тепер тільки зменшують стиск, створене напруженою арматурою. У той же час стиснення верхньої частини балки під навантаженням складається із стисненням, створеним попередніми напругою. Ефективність цього принципу полягає в тому, що потенційну міцність на стиск високоякісного бетону можна використовувати повністю, а його низька міцність на розтяг не має ніякого Значення. Крім того, сильно збільшується опірність бетону перерізала силам, тому необхідність установки хомутів, що сприймають зусилля зсуву, у попередньо напружених залізобетонних конструкціях майже виключається. ‘Принцип попередньої напруги дозволяє застосовувати більш легкі конструкції, що має особливе значення при спорудженні мостів, перекриттів з великою прольотом і подібних конструкцій, в яких власна вага споруди становить значну частину від загального навантаження, на яку воно розраховане.Зазвичай попередньо напружений залізобетонний елемент проектується таким чином, щоб при повній робочому навантаженні в бетоні не виникало розтягуючих напруг. Однак якщо цей елемент буде перевантажений, то за умови, що напруження в арматурі не досягли границі текучості, він має здатність до майже повного відновлення після зняття навантаження. Виниклі при перевантаженні тріщини в бетоні практично повністю зникають.АрматураСталева арматура для попередньо напруженого залізобетону повинна мати здатність витримувати високі розтягують напруги без явища повзучості, тобто без витягування під довгостроково прикладеної навантаженням. Будь відчутне витягування стали під навантаженням зменшить величину попереднього напруження, і в результаті цього балка буде вести себе, як балка із звичайною арматурою. У такому стані вона буде значно слабше і не зможе витримувати навантажень, на які була спочатку розрахована. Звичайна м’яка сталь не відповідає вимогам попередньо напруженого залізобетону, тому для нього використовується спеціальна високоміцний дріт, яка на противагу м’якої сталі має незначну плинність. При постійній напрузі повзучість її близька до повзучості бетону. Втрата напруги внаслідок повзучості стали відносно невелика. Іноді для попередньо напруженого залізобетону застосовуються арматурні стрижні зі спеціальної сталі, подібні за розмірами з арматурою для звичайного залізобетону.Вартість підготовки комплекту арматури, встановлення її і натягу на місці приблизно у 3-4 рази перевищує вартість матеріалу (арматури), що надійшов на майданчик.Якість бетонуДля того щоб максимально використовувати ‘переваги попередньої напруги, необхідно застосовувати високоміцний бетон міцністю у віці 28 днів порядку 420 кг/см2 і більше. Приготування такого бетону вимагає особливого контролю, з тим щоб знизити до мінімуму відхилення в його міцності.З відомостей про проектування сумішей слід, що для отримання достатньої міцності необхідно застосовувати жирні жорсткі бетонні суміші. Укладання зазвичай проводиться із застосуванням вібраторів.У разі застосування методів попередньої напруги слід мати на увазі дві властивості бетону, описані в розділі 2, а саме: усадку при втраті вологи, яка може тривати досить довго, і повзучість під навантаженням. Ці властивості обумовлюють скорочення бетонної конструкції, в результаті чого з часом слабшає ефект попередньої напруги арматурних дротів або стрижнів. Для того щоб компенсувати цю втрату попереднього напруження, необхідно створити напругу в арматурі трохи вище величини, передбаченої проектом.Втрата попередньої напруги особливо велика в ранньому віці бетону, з часом темп падіння напруги поступово зменшується, За результатами випробувань, що проводилися протягом більше двох років, встановлено, що загальна втрата напруги арматури становить близько 16%.Попереднє натягМетод попереднього натягу полягає в тому, що спочатку проводиться натяг встановленої на місці арматури, зазвичай із спеціальної високоміцної дроту, а потім навколо неї укладається бетон. Натяг дроту підтримується до тих пір, поки бетон не набере достатню міцність. Після цього дріт відрізається від анкерних пристроїв, а її натяг завдяки зчепленню з бетоном передається останньому. В результаті цього бетон піддається стискуючою напруженням.Попереднє натяг рідко застосовується при виготовленні монолітних конструкцій на будівельному майданчику, воно придатне в основному при виробництві елементів збірного залізобетону заводським способом (від невеликих балок перекриттів і бетонних залізничних шпал до порожнистих паль довжиною до 30 м і вище). У заводських умовах найбільш придатним є метод попереднього натягу, відомий під назвою системи довгих ліній. За цим методом дріт арматури натягується між двома анкерними плитами, розташованими на протилежних кінцях стенда. По всій довжині стенда, встановлюються форми для бетонованих деталей. Поперечні стінки ставляться на таких відстанях, які відповідають необхідній довжині окремих балок. Дріт пропускається через ці поперечні стінки, причому між стінками двох суміжних балок залишають невеликі проміжки.Часто стенд виготовляється зі сталі, в ньому влаштовуються трубопроводи гарячого повітря, призначені для підігріву бетону і прискорення його твердіння з тим, щоб якомога раніше обрізати дріт і встановити нову партію деталей.При виготовленні окремих деталей методом попереднього натягу зусилля від розтягнутих арматурних дротів сприймається самої опалубкою.Застосування індивідуальних форм для виготовлення окремих деталей має дві переваги. По-перше, є велика можливість зміни розмірів виготовлених деталей. По-друге, в результаті втрати напруги арматурою при штучному виготовленні може зіпсуватися тільки одна деталь, тоді як при стендовому виготовленні партії деталей порушення натягу арматури призводить до псування всієї партії. Може статися ослаблення однієї або декількох дротів і неоднакове напруга, причому це важко виявити в попередньо напружених елементах. У таких випадках доводиться робити вибіркову перевірку виготовлених деталей.Подальше натягНа відміну від способу попереднього, до бетонування, натягу арматури, при способі подальшого натягу 9на захищається від зчеплення з бетоном за допомогою оболонок тієї, чи іншої форми або ж вставляється в бетон після його приготування в спеціально залишені отвори. Дріт або стрижні арматури натягаються безпосередньо на упори, встановлені в кінцях конструкції, відразу ж після того, як бетон досить затвердіє. Для анкерування (закріплення) арматури після її натягу за допомогою гідравлічного домкрата застосовують різні патентовані способи, кожен з яких заснований на закріпленні арматури тим чи іншим клинчастим пристроєм. Слід зауважити, що попереднє напруження бетону в значній мірі залежить від ефективності таких анкерних пристроїв, незважаючи на те, що відразу ж після повного натягу арматури проводиться заливання цементним розчином отворів, через які вона проходить. З одного кінця цього отвору розчин нагнітається до тих пір, поки не почне виходити із протилежного. Однак були випадки, коли раптове ослаблення закріпленої дроту призводило до порушення зчеплення між бетоном і арматурою, створеного цементним розчином, і, отже, до пошкодження деталей.При подальшому натягу арматури прикладена сила поступово збільшується до проектної навантаження, а потім знижується майже до нуля. Після цього дроту маркуються, і натяг знову збільшується, поки не буде досягнуто необхідне подовження, для чого може знадобитися зусилля, більшу проектного. Натяг дротів до певного подовження, а не до певної напруги на домкраті, проводиться у зв’язку з тим, що всередині конструкції завжди є втрата напруги внаслідок тертя дроту.Перевага подальшого натягу арматури в порівнянні з попередніми полягає в тому, що при цьому методі реакція від натягу дротів сприймається бетоном і тому немає втрат напруги, зумовлених пружними деформаціями, як це має місце при попередньому натягу. Крім того, оскільки бетон затвердів, в ньому відбулася деяка усадка, хоча втрати напруги від повзучості бетону і сталі ще залишаються.Про заливці арматури цементним розчином при методі подальшого натягу вже говорилося. Після заливки розчину необхідно закрити западини на торцях конструкції в місцях кріплення арматури. Ці місця можуть бути причиною ослаблення напруги в тому випадку, якщо волога знайде доступ до кінців дротів. Для запобігання такій можливості слід вжити особливих заходів, так як звичайна латка з цементного розчину в цьому випадку мало придатна; при корозії дроту вона легко відділяється.