1.4.1. Напряженное армирование конструкций. Предварительное напряжение в монолитных и сборно-монолитных конструкциях создается по методу натяжения арматуры на затвердевший бетон. В свою очередь, по способу укладки напрягаемой арматуры метод подразделяют на линейный и непрерывный. При линейном способе в напрягаемых конструкциях при их бетонировании оставляют каналы (открытые или закрытые). По приобретении бетоном заданной прочности в каналы укладывают арматурные элементы и производят их натяжение с передачей усилий на напрягаемую конструкцию. Линейный способ применяют для создания предварительного напряжения в балках, колоннах, рамах, трубах, силосах и многих других конструкциях. Непрерывный способ заключается в навивке с заданным натяжением бесконечной арматурной проволоки по контуру забетонированной конструкции. В отечественном строительстве способ применяют для предварительного напряжения стенок цилиндрических резервуаров.

1.4.2. При линейном армировании напрягаемые элементы применяют в виде отдельных стержней, прядей, канатов и проволочных пучков. Линейное армирование включает: заготовку напрягаемых арматурных элементов; образование каналов для напрягаемых арматурных элементов; установку напрягаемых арматурных элементов с анкерными устройствами; напряжение арматуры с последующим инъецированием закрытых каналов или забетонированием открытых каналов.

1.4.3. Для стержневой арматуры используют горячекатаную сталь периодического профиля классов А-II, А-IIIв, A-IV4, Ат-IV, A-V, At-V, и At-VI и высопрочную проволоку B-II и Вр-Н.

1.4.4. Заготовка стержневых элементов (рис. 1.4.1. а) состоит из правки, чистки, резки, стыковой сварки и устройства анкеров. Для устройства анкеров к концам стержней приваривают коротыши из стали (рис. 1.4.1. б). Коротыши имеют резьбу, на которую навинчивают гайки, передающие через шайбы на бетон нагрузки натяжения.

1.4.5. Арматурные нераскручивающиеся пряди и канаты изготовляют из высокопрочной проволоки диаметром 1,5...5 мм. Промышленность выпускает пряди трех-, семи- и девятнадцатипроволочные (классов П-3, П-7 и П-19) диаметром 4,5... 15 мм (рис. 1.4.1. в). Из прядей делают канаты (рис 1.4.1. г, д).

Рис. 1.4.1. Напрягаемые линейные арматурные элементы:
а - стержневой элемент; б - стержневой анкер; в - прядь семи- и девятнадцатипроволочная; г - канат двух- и трехпрядевый (прядь из 7 проволок); д - канат двухпрядевый (прядь из 19 проволок); е - гильзовый анкер; ж - гильзостержневой анкер;
1 - стержневая арматура; 2 - коротыш с резьбой на конце; 3 - плита; 4 - гайка; 5 - хвостовик; 6 - пучковая арматура; 7 - гильза

1.4.6. Пряди и канаты поступают с заводов намотанными на металлические катушки. Их сматывают с катушек, пропускают через правильные устройства, одновременно очищая от грязи и масла, и режут на необходимую длину. Для анкеровки прядей (канатов) применяют гильзовые наконечники (рис. 1.4.1. е). Гильзу надевают на заготовленный конец пряди (каната), запрессовывают прессом или домкратом и затем на ее поверхности нарезают или накатывают резьбу для крепления муфты домкрата, с помощью которого натягивается прядь (канат).

1.4.7. Проволочные пучки изготовляют из высокопрочной проволоки. Проволоку располагают с заполнением всего сечения или по окружности. В первом случае пучок оборудуют гильзовым, а в втором - гильзостержневым анкером (рис. 1.4.1. ж).

1.4.8. Готовые элементы прядевой и канатной арматуры наматывают на контейнеры барабанного типа, а анкеры смазывают солидолом и обматывают мешковиной.

1.4.9. Для образования каналов для напрягаемых арматурных элементов в подготовленную к бетонированию конструкцию устанавливают каналообразователи, диаметр которых на 10... 15 мм больше диаметра стержня или арматурного пучка. Для этого применяются стальные трубы, стержни, резиновые рукава с проволочным сердечником и др. Так как каналообразователи извлекают через 2...3 ч после того, как конструкция забетонирована, то их, за исключением рукавов, во избежание сцепления с бетоном через каждые 15...20 мин поворачивают вокруг оси.

1.4.10. При напряженном армировании крупноразмерных конструкций каналы устраивают путем закладки стальных тонкостенных гофрированных трубок, которые остаются в конструкции. После того как бетон набрал проектную прочность, в каналы устанавливают (протягивают) арматуру.

1.4.11. Затем производят натяжение арматуры гидравлическими домкратами одиночного действия. Эти домкраты состоят (рис. 1.4.2. а) из цилиндра, поршня со штоком, захвата со сменными гайками, позволяющими натягивать арматуру с различными диаметрами анкерующих устройств, и упора. После присоединения арматуры к захвату и подачи масла в правую полость цилиндра арматуру натягивают до заданного усилия. Затем подвертывают анкерную гайку до упора в конструкцию, переключают правую полость на слив и подают масло в левую часть. На этом натяжение заканчивается и домкрат отсоединяют.

1.4.12. Для привода гидродомкратов применяют передвижные масляные насосные станции, смонтированные на тележке со стрелой для подвешивания домкратов (рис. 1.4.2. б).

1.4.13. Натяжению арматуры и передаче усилия на бетон, как правило, сопутствуют: выпрямление арматурного элемента (пучка или стержня); обжатие бетона под опорными прокладками; трение между арматурой и стенками канала и пр.

Рис. 1.4.2. Предварительное напряжение конструкций:
а - схема гидравлического домкрата одиночного действия; б - насосная станция;
1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - захват; 5 - упоры домкрата; 6 - стойка с кронштейном; 7 - ручная лебедка; 8 - маслобак; 9 - пульт управления; 10 - электродвигатель; 11 - масляный насос; 12 - манометр

1.4.14. Для устранения этих явлений, вызывающих неравномерное натяжение по длине арматурного элемента, выполняют следующие операции. Вначале арматуру натягивают с усилием, не превышающим 0,1 необходимого усилия натяжения пучка (стержня). При этом арматурные стержни выпрямляются и плотно прилегают к стенкам канала. Опорные прокладки также плотно прилегают к поверхности напрягаемой конструкции. Усилие, равное 0,1 от расчетного, принимают за нуль отсчета при дальнейшем контроле натяжения по манометру и деформациям.

1.4.15. В конструкциях с длиной прямолинейного канала не более 18 м арматуру ввиду небольших сил трения напрягают с одной стороны. Выравнивать напряжения вдоль арматуры можно также путем продольного вибрирования в процессе натяжения. Вибрировать можно с помощью специального приспособления на глухом анкере.

1.4.16. При длине прямолинейных каналов свыше 18 м и криволинейных каналах арматуру натягивают с двух сторон конструкций. Вначале одним домкратом арматуру натягивают до усилия, равного 0,5 от расчетного, и закрепляют с той стороны конструкции, с которой она напрягалась. Затем с другой стороны конструкции другим домкратом арматуру натягивают до 1,1 от расчетного усилия (1,1 - коэффициент технологической перетяжки арматуры). Выдержав ее в таком состоянии 8... 10 мин, величину натяжения уменьшают до заданной и закрепляют второй конец напрягаемой арматуры. Для устранения перепада напряжений вдоль арматуры иногда применяют пульсирующее натяжение, т.е.несколько раз кратковременно повторяют этот процесс, последовательно увеличивая величину натяжного усилия, а затем сбрасывают излишнее усилие.

1.4.17. Если в сечении конструкции имеется несколько арматурных элементов, то натяжение начинают с элемента, расположенного ближе к середине сечения. При наличии только двух элементов, расположенных у граней, натяжение производят ступенями или одновременно двумя домкратами. При большом числе элементов в первых натяжение будет постепенно снижаться по мере натяжения последующих в результате возрастающего укорочения бетона от сжатия. Эти элементы затем вновь подтягивают.

1.4.18. Заключительной операцией является инъецирование каналов, к которому приступают сразу после натяжения арматуры. Для этого применяют раствор не ниже М300 на цементе М400... 500 и чистом песке. Нагнетают раствор растворонасосом или пневмонагнетателем с одной стороны канала. Инъецирование ведут непрерывно с начальным давлением с 0,1 МПа и последующим повышением до 0,4 МПа. Прекращают нагнетание, когда раствор начнет вытекать с другой стороны канала.

1.4.19. В последнее время применяют способ без устройства каналов; в этом случае исключаются операции по их инъецированию. Арматурные канаты или стержни перед укладкой покрывают антикоррозийным составом, а затем фторопластом (тефлоном), имеющим почти нулевой коэффициент трения. При натяжении канат относительно легко скользит в теле бетона.

Лекция № 3

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЖБК.

АРМАТУРА.

2. Виды и классы

Способ изготовления и форма поверхности определяет вид арматуры. Различают арматуру:

1. Стержневую: горячекатаную, термоупрочнённую и термомеханически упрочнённую;

Проволочную: холоднотянутую обыкновенную и высокопрочную.

По начальному напряженному состоянию: напрягаемую и ненапрягаемую.

Горячекатаная арматура – это стальная арматура в виде отдельных стержней круглого, эллиптического, квадратного и других сечений.

Предпочтение отдают круглому сечению, потому что такая арматура наиболее технологична в изготовлении и не имеет острых углов, врезающихся в бетон и способствующих образованию трещин. Класс такой арматуры обозначают буквой А и римской цифрой в СНиПе 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (чем больше цифра, тем выше прочность), в СП 52-01-2003 – обычными цифрами:

А-I(А 240) – гладкая;

А-II(А 300), А-III(А 400), А-IV(А600), А-V(А800),A-VI(А1000)– периодический профиль. Такая сталь не подвергается после проката упрочняющей термической обработке.

Ат-III(Ат 400), Ат-IV(Ат 600), Ат-V(Ат 800), Ат-VI(Ат 1000) – термически и термомеханически упрочнённая, т.е. подвергаемая после проката упрочняющей термической обработке;

А-IIIв (А 400в)– упрочнённая вытяжкой.

Холоднотянутая арматура – это стальная проволочная арматура. Обозначают буквой В от слова «волочение».

Вр-I(Вр500) – периодического профиля;

В-II– гладкая высокопрочная;

Вр-II– высокопрочная рифлёная;

К-7, К-19 – проволочные канаты соответственно семи- и девятнадцатипроволочные и др.

Арматура периодического профиля – это арматура, на поверхности которой имеются часто расположенные кольцевые выступы, обеспечивающие надёжное сцепление с бетоном без устройства анкерных крюков на концах стержней.

Рис. 3.3. Виды арматуры периодического профиля

а – стержневая класса А300;

б – стержневая класса А500

Ненапрягаемая арматура – арматура, укладываемая без предварительного натяжения (напряжения).

В качестве ненапрягаемой арматуры преимущественно применяют сталь классов А400, А-600C, Вр 500, А240, А300, допускается применение А-600.

Ненапрягаемая арматура классов А240, А300, А400, Вр500, A-600С– сваривают контактной и дуговой сваркой

Напрягаемая арматура - преимущество сталь классов Ат-800, Ат-1000 в элементах длиной до 12 м, допускается также сталь классов А-600 , А-800, А-1000; при большой длине – сталь классов К-7, К-19.

3. Стыкование ненапрягаемой арматуры

По способу производства стыки стержней делятся на сварные, несварные (внахлёстку) , по месту изготовления – заводские и монтажные.

Несварные стыки менее экономичны, поэтому их применяют только для стыкования термически упрочнённой стержневой арматуры.

В зависимости от вида арматуры и условий изготовления применяют разные виды сварных стыков:

Контактные;

Ванные в инвентарной форме;

Внахлёстку;

Тавровые и т.д.

Сварные стыки выполняются в соответствии с ГОСТ. Стыки с накладками и внахлёстку применяют, если не удаётся точно подогнать торцы стыкуемых стержней. Сварные стыки можно размещать в любом месте стержня, однако рабочие стержни не рекомендуют сваривать в зонах наибольших усилий. Стыки с накладками в местах им насыщения бетона арматурой, дабы не мешать бетонированию.

4. Арматурные изделия

1. Арматурные сетки (обычно с перпендикулярным расположением рабочих стержней).

2. Каркасы – плоские и пространственные.

Сварные плоские сетки изготавливают шириной до 3800мм с продольной и поперечной рабочей арматурой. Расстояние между осями продольных и поперечных стержней обычно принимают кратным 50 мм. Плоские каркасы применяют для армирования изгибаемых элементов. Продольные рабочие и монтажные стержни размещают с одной стороны поперечных стержней, так как это исключает трудоемкое переворачивание стержней при изготовлении каркасов. Допускается размещение рабочих стержней в два и более рядов, если это оправдано экономически. Пространственные каркасы собирают из плоских каркасов или сваривают целиком, что позволяет снизить трудоёмкость работ.

5. Деформативность.

Деформативность – это характеристика пластичности стали, определяет величину угла изгиба, ползучесть стали.

Удлинение стали при разрыве оценивают величиной равномерного относительного удлинения при разрыве (без учёта длины шейки) эталонного образца. Этой величиной характеризуется разрушение конструкции. Конструкции, армированные напрягаемой высокопрочной проволокой, могут терять прочность внезапно из-за хрупкого разрыва без явных признаков разрушения, поэтому необходим более высокий запас надёжности. Это связано с тем, что при недостаточных пластических деформациях стали и увеличения предварительных напряжений, напряжения не полностью погашаются, а суммируются с напряжениями от внешней нагрузки. Именно поэтому в преднапряжении запрещено применять хрупкие стали.

6. Реологические свойства арматуры

Ползучесть - увеличение деформаций под сжимающей нагрузкой во времени. Ползучесть нарастает с повышением напряжений и ростом температуры.

Релаксация - снижение напряжения в арматуре при жёстком закреплении её концов, стесняющих свободное деформирование. Наиболее интенсивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время.

Релаксация зависит от прочности, химического состава, технологии изготовления, температуры и т.д. Это обуславливает потерю арматурой части заданного преднапряжения, поэтому снижается трещиностойкость и жёсткость.

СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

1. Сцепление арматуры с бетоном

Скольжению арматуры в бетоне препятствует сцепление между ними (сопротивление сдвигу). Надежное сцепление является основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в железобетоне и позволяющим ему работать под нагрузкой как единому монолитному телу. При отсутствии сцепления образование первой трещины влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжении растянутой арматуры, что приводит к резкому раскрытию образовавшейся трещины, сокращению высоты сжатой зоны, снижению несущей способности.

В различных опытах сила сцепления арматуры с бетоном определялась сопротивлением скольжению забетонированного стержня при его выдергивании или выталкивании. Как показали опыты, сила сцепления меняется в широких пределах и в основном зависит от трех факторов:

склеивания арматуры с бетоном, благодаря клеящей способности цементного теста (адгезия);

сил трения, возникающих на поверхности арматуры благодаря зажатию стержней в бетоне при его усадке;

сопротивления бетона усилиям среза, возникающим из-за наличия неровностей и выступов на поверхности арматуры.

Наибольшее влияние на сцепление оказывает третий фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления. Первый фактор оказывает наименьшее влияние – до 25% всей силы сцепления.

Арматура периодического профиля с сильно шероховатой поверхностью обладает более высоким и надежным сопротивлением скольжению благодаря зацеплению и заклиниванию ее выступов в бетоне. По сравнению с гладкими стержнями арматура периодического профиля обладает в 2-3 раза большей силой сцепления с бетоном.

Рис. 3.8. Зацепление выступов арматуры за бетон

Напряжение в бетоне под выступами арматуры при ее выдергивании может превосходить в 5-7 раз кубиковую прочность бетона, поэтому недопустимо снижение плотности бетона в зоне контакта его с арматурой. Наиболее надежное повышение сопротивления скольжению арматуры в бетоне достигается соответствующим конструированием арматуры: устройством крюков на концах гладких стержней, применением анкеров.

Сопротивление сдвигу растет с увеличением марки цемента, уменьшением В/Ц, с увеличением возраста бетона (влияние усадки).

По длине заделки стрежня напряжения сцепления распределяются неравномерно, при этом наибольшее напряжение
не зависит от длины заделки.

Сопротивление скольжению растянутой арматуры (на выдергивание) меньше, чем сопротивление скольжению сжатой арматуры (на выталкивание), что объясняется поперечными деформациями самого стержня. С увеличением диаметра стального стержня и повышением нормального напряжения в нем сила сцепления его с бетоном при растяжении уменьшается, а при сжатии – увеличивается.

Рис. 3.10. Влияние диаметра арматуры на напряжение

Напрягаемая арматура отличается от прутковой арматуры своей значительно более высокой прочностью. Она составляет от St 835/1030 до St 1570/1770. Напрягаемая арматура изготавливается в виде проволоки и стержней диаметром от 5 до 36 мм. Вся напрягаемая арматура требует допуска Стройнадзора.

Проволока и стержни имеют круглое сечение, поверхность может быть гладкой, с резьбовидными ребрами или профилированной. Напрягаемая проволока может применяться в отдельности или связанной в пряди канатов. Пряди канатов изготавливаются из 2, 3, 5 или 7 напрягаемых проволок с максимальным диаметром 15,7мм. Приэтом проволоки сплетаются друг с другом в канат. Пряди поставляются в прутках или в бухтах. Отдельные проволоки могут быть обычными, оцинкованными или в пластмассовой (ПЭ) оплетке. Внутри полиэтиленовой оплетки (ПЭ) можно поместить защитный слой от коррозии в форме слоя жира или масла. При применении таких прядей можно исключить запрессовку каналов цементным раствором.

В строительстве при изготовлении железобетонных конструкций широко применяется предварительно напряженная арматура. Предварительное напряжение заключается в том, что рабочая арматура перед бетонированием натягивается электротермическим способом или специальными домкратами. После затвердения бетона натяжение арматуры снимается. Она при этом стремится занять свое первоначальное состояние и передает окружающему бетону часть сжимающих усилий.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции по сравнению с обычными могут выдерживать более значительные нагрузки. Это позволяет уменьшить сечение самой конструкции, а, следовательно, сократить расход арматуры и бетона.
Железобетонные брусья, при изготовлении которых была использована преднапряженная арматура, широко применяются при производстве сборных железобетонных конструкций, которые используются в жилищном и гражданском строительстве (плиты междуэтажных перекрытий, элементы лестниц, балконов), а также для сооружения водонапорных башен, железнодорожных шпал, цилиндрических резервуаров, силосов, сводов оболочек и пр.Плоские или пространственные арматурные каркасы и сетки изготавливаются на арматурно-сварочных заводах или в специальных арматурных мастерских, оснащенных высокопроизводительным современным оборудованием. На этих предприятиях рационально производить укрупненную сборку элементов арматуры, но при этом необходимо учитывать допускаемые габариты транспорта и грузоподъемность монтажных механизмов.
При изготовлении предварительно напряженного изделия в бетоне необходимо создать предварительное обжатие по всему сечению конструкции или только в той зоне, где действуют растягивающие напряжения. Величина этого обжатия должна превышать значение напряжений растяжения, возникающих в бетоне во время его эксплуатации и обычно составляет 50 – 60 кГс/ кв. см. Обжатие бетона осуществляют с помощью сил упругого последействия, которые создает напряжение арматуры.В качестве напрягаемой арматуры обычно применяют высокопрочную проволоку, прутковую или горячекатанную арматурную сталь. Выбор арматуры зависит от типа изделия и оборудования, которое используется для натяжения арматуры.При изготовлении преднапряженных железобетонных изделий применяют одноосное или объемное обжатие бетона. Одноосное обжатие выполняется пучками проволок или отдельными стержнями, которые располагаются вдоль продольной оси будущего изделия. Для объемного обжатия используют навивку напряженной проволоки в нескольких направлениях. Проволоку еще можно навивать на готовое изделие, но с последующей защитой арматуры определенным слоем бетона.Многих людей может заинтересовать вопрос, как сделать преднапряженную арматуру? Для этого существуют различные способы: механический, электротермический, электромеханический, химический.При механическом способе арматуру растягивают осевой нагрузкой, которую создают домкратами или натяжными устройствами. Арматуру сначала натягивают до усилия, составляющего пятьдесят процентов проектного напряжения. Затем это натяжение доводят до величины на десять процентов большей, чем проектное напряжение и выдерживают арматуру в таком состоянии пять минут. Затем натяжение уменьшают до проектной величины.Электротермический способ натяжения состоит в том, что арматуру удлиняют за счет электрического нагрева до определенной температуры. Затем нагретый стержень закрепляется в специальных упорах, препятствующих укорочению стержня после его охлаждения. Арматурные стержни освобождаются от упоров после отвердения бетона, а усилие натяжения передается от арматуры на бетон. Для электротермического натяжения арматурных элементов используют установки с одновременным или последовательным натяжением сразу нескольких стержней. По сравнению с механическим способом, этот метод обладает преимуществами и по простоте оборудования, и по трудоемкости.Передача предварительного напряжения от арматуры на бетон происходит тремя способами:
С помощью сцепления арматурных стержней диаметром 2,5 – 3 миллиметра с бетоном. Если используется арматура большего диаметра, то сцепление обеспечивается за счет устройства вмятин на поверхности арматуры, свивкой специальных прядей, состоящих из двух – трех проволок или использованием арматуры переменного профиля.
С помощью сцепления арматурных прутьев с бетоном, усиленного еще дополнительными анкерными устройствами.
С помощью передачи на бетон усилий натяжения посредством анкерных устройств, расположенных на концах арматурных элементов и без учета сцепления бетона и арматуры.

Бетон это достаточно прочный и стойкий строительный материал, но и он имеет ряд недостатков и слабых сторон. А чтобы бетон был лишен таких минусов и стал более прочным и долговечным его усиливают арматурой. Арматура в железобетонной строительной конструкции может быть напрягаемой и ненапрягаемой, поперечной и продольной, также она бывает конструктивной, рабочей, монтажной или анкерной. Арматурные изделия в бетонной конструкции бывают двух основных видов, то есть в виде арматурной плоской сетки или в виде арматурного пространственного каркаса.

Напрягаемая арматура

При изготовлении железобетонного изделия применяется специальная напрягаемая арматура, которая отличается от прутковой обычной арматуры большей прочностью и стойкостью. Изготавливается такая арматура в виде специальной проволоки или стержня, который имеет диаметр от 5 мм до 36 мм. Арматура должна иметь обязательный допуск от Стройнадзора, так как напрягаемая арматура выполняет очень ответственную роль и от нее зависит прочность и долговечность всей конструкции. А именно напрягаемая арматура помогает бетону выдерживать достаточно сильные растягивающие нагрузки и для этого она натягивается различным методом.

Методы напряжения арматуры

Напряжение бетонной конструкции арматурой устраняет растягивающие эксплуатационные нагрузки. Существует ряд способов натяжения такой арматуры, при механическом способе натяжение осуществляется винтовым или гидравлическим домкратом. Также есть электротермический способ, при котором такое натяжение осуществляется воздействием электротока, благодаря которому арматура разогревается и затем удлиняется до требуемого размера. Третий способ натяжения это электротермомеханический, который совмещает в себе и электротермический и механический способы.

Где применяется напрягаемая арматура

Предварительно напряжённый бетон представляет собой основной материал для устройства перекрытий между этажами в высотном строительстве. Также напряженная арматура устраивается при возведении стен и колонн, расположенных в зоне повышенной сейсмоопасности и взрывоопасности. Используется она также при строительстве различных зданий и сооружений, подвергаемых повышенной различной нагрузке. Бетон с напряженной арматурой используется и при устройстве защитной оболочки ядерного реактора, а также активно применяется в судостроении и при строительстве мостов.

Технологии устройства бетона с напряженной арматурой

Существующие технологии устройства напряженной арматуры разделяются на два основных вида. Первый вид технологии заключается в натяжении на упоры, которое проводится еще до укладки бетонной смеси в опалубку. Вторая технология это натяжение арматуры на бетон и такое натяжение проводится уже после того как бетон уже уложен и набрал определенную прочность. При второй технологии арматура или стальной трос укладывается в специальном чехле в форму до процесса бетонирования, где чехол может быть в виде пластиковой или металлической гофрированной трубы.