Урок "Тема: Попередньо-напружені залізобетонні конструкції. "

План – конспект теоретичного заняття

з дисципліни « Будівельні конструкції»

Тема: Попередньо-напружені залізобетонні конструкції.

Мета: навчальна: ознайомити учнів   з видами попередньо - напружених конструкцій та їх призначенням в будівлі .

розвиваюча: вдосконалювати навички учнів працювати  з навчальними посібниками, виділяти головне;розвити в учнів систему знань про особливості попередньо - напружені залізо - бетонні конструкції, стимулювати інтерес до вивченого предмету.

виховна: виховувати любов  почуття гідності до праці та обраної спеціальності, розвивати пізнавальну активність учнів.

Учні повинні знати:

• Способи попереднього напруження;
• Призначення попереднього напруження;
• Властивості .

     Учні повинні вміти:

- підбирати попереднє напруження залежно від умов використання конструкції.

Дидактичні засоби: роздатковий матеріал, плакати

    Тип уроку:  вивчення нового матеріалу матеріалу.

 Форма проведення заняття: групова.

 Методи заняття: пояснювально-ілюстративний.

 Матеріально – технічне забезпечення: підручник « Залізо-бетонні конструкції» П. Ф. Вахненко Київ – « Урожай» - 1995-368с., ілюстрації, додаткова література.

План заняття

1. Організаційна частина --------------------------------5хв.
2. Оголошення теми і мети заняття--------------------3хв.
3. Повідомлення нового матеріалу--------------------- 40хв.
4. Закріплення нових знань------------------------------25хв.
5. Підведення підсумків----------------------------------10хв.
6. Домашнє завдання--------------------------------------7хв.

                                Хід заняття

1. Організаційна частина.

1. Перевірка присутності учнів .
2. Перевірка готовності учнів до заняття.

        2. Оголошення теми і мети заняття.

Тема нашого сьогоднішнього заняття « Попереднє напруження в залізобетонних конструкціях» На сьогоднішньому ми ознайомимось з способами попереднього напруження, поміркуємо з вами навіщо потрібне попереднє напруження в залізобетонних конструкціях, визначимо в чому саме полягає головна мета попереднього напруження.

       3. Повідомлення нового матеріалу.

План уроку.

1. Поняття про попередньо напружені конструкції.

2. Перевага попередньо напружених залізобетонних конструкцій.

3. Конструктивні рішення попередньо-напружених елементів

1. Поняття про попередньо - напружені конструкції

Через дуже малу міцність бетону на розтягнення в кон­струкціях, що мають розтягнуту зону, при навантаженнях, менших за експлуатаційні, можуть виникати тріщини. Пер­ші з них з'являються при видовженні конструкцій ε_bt=0,0001 ...0,00015. Розтягнута арматура в цьому стані за­знає напруження σ_st = 20...30 МПа. Отже, в момент появи перших тріщин напруження в арматурі в багато разів мен­ше межі її текучості, або рівня напруження при експлуа­таційному навантаженні σ_s. Для звичайних сталей σ_s = 170...250 МПа і відношення σ_s/σ_st = 8... 10. До моменту, коли напруження в арматурі досягне величини а_$, тріщина матиме ширину біля 0,2 мм. Таке розкриття тріщини в конструкції, до якої не ставиться вимога вологонепроникненості, допускається: воно не призведе ні до корозії, ні до порушення нормальних умов експлуатації. Для високоміц­ної ж арматурної сталі σ_s = 800... 1200 МПа, а σ_s/σ_st = 30... 50. При досягненні арматурою цього напруження тріщини в бетоні розтягнутої зони які зявилися ще при   σ_st = 20...30 МПа, стануть такими, що конструкція втратить свої екс­плуатаційні якості навіть і у тих випадках, коли в них до­пускаються обмежені по ширині тріщини.

Тому в звичайних залізобетонних конструкціях високо­міцну арматуру застосовувати не можна. Це дуже велика вада, якщо: врахувати, що питома, вартість С, яка являє собою відношення ціни сталі Ц до характеристики її міц­ності Rs(С = Ц/Rs), для високоміцної арматури нижча, ніж для звичайної.

На перших порах застосування залізобетону (кінець ми­нулого — початок нинішнього сторіччя) цю ваду не помі­чали, бо в ті часи високоміцної арматури не було. У наш час випуск цієї ефективної і економічної арматури постійно збільшується, тому виникла потреба більш широкого її ви­користання.

Таким чином, виникло протиріччя: з одного боку для залізобетонних конструкцій доцільно застосовувати більш міцну арматуру, а з другого — її застосування у великих залізобетонних конструкціях неприпустиме.

До цього слід додати ще одну обставину. При зведенні таких споруд як резервуари, труби тощо взагалі неприпус­тимі тріщини. Це обумовило постановку перед будівельни­ками дуже важливого завдання-дилеми:' або повністю за­побігти появі тріщин у залізобетонних конструкціях (чи об­межити ширину їх розкриття), або не використовувати ці конструкції для зведення споруд, до яких ставиться вимога водонепроникнення.

               Наукові й інженерні пошуки в цьому напрямку, тобто в прагненні усунути одну з основних вад звичайного залі­зо бетону — появу і надмірне розкриття тріщин, призвело до створення більш досконалих у технічному відношенні попередньо напружених конструкцій.

Основна ідея попереднього напруження полягає у тому, щоб шляхом штучного попереднього обтиснення бетону в тих місцях (зонах) конструкції, де експлуатаційне наван­таження викличе розтягуючі зусилля, перенести появу цих зусиль на більш пізній етап завантаження або навіть виключити зовсім. Отже, принципова відміна попередньо напружених конструкцій від звичайних полягає у тому, що ще до установки цих конструкцій в експлуатаційне поло­ження, тобто при відсутності зовнішнього навантаження

1.2. Схема   виготовлення   попередньо   напружених  залізобетонних  кон­струкцій:

а   —  при   натягненні   арматури   на   упори;   б  —  те   ж,   на   бетон;   1   —  упори;   2  —  форма; З — арматура;  4 — домкрат;   5 — бетон;    6 — канал;  7 — анкер;  8 — розчин  у каналі

в них будуть мати місце вигідні з точки зору експлуатації початкові (попередні) напруження.

Попереднє обтиснення бетону найчастіше забезпечуєть­ся шляхом попереднього натягування арматури і наступної надійної її анкеровки в бетоні. Після вивільнення натягу-вальних пристроїв заанкерована в бетоні арматура, праг­нучи повернутися у попередній стан (скоротитись), обтисне бетон у призначеному місці і з призначеною силою.

Попереднє натягування арматури може здійснюватись на упори (рис. 1.2.а) або безпосередньо на бетон елементу (рис. 1.2.6). При натягуванні на упори ар­матуру попередньо натягують і закріпляють у спеціальних упорах стендів, форм чи різних піддонів за допомогою від­повідних пристроїв. Ці пристрої відпускають після бетону­вання, твердіння бетону і набуття ним необхідної міцності. Анкеровка арматури при цьому способі здійснюється за рахунок зчеплення з бетоном. Інколи для цього використо­вують спеціальні анкери.

При натягуванні арматури на бетон спочатку виготовляють бетонний або малоармований елементу якому пе­редбачають канали або пази, через які проходитиме робоча арматура. Після набуття бетоном достатньої міцності в канали чи пази протягують чи укладають арматуру і натя­гують її з упором натягувальних пристроїв безпосередньо на затверділий бетон елементу.

          Анкеровку арматури в бетоні при такому способі здій­снюють за допомогою спеціальних анкерів. Для забезпе­чення зчеплення арматури з бетоном по всій її довжині, а також для захисту її від корозії канали і пази заповню­ють цементним розчином.

Арматуру натягують механічним, електротермічним (на­грів арматури до розрахункової температури за допомогою електричного   струму)   чи   електромеханічним   (одночасне електронагрівання і механічне натягування)  способами.

               2.  Перевага попередньо напружених залізобетонних конструкцій

            Основна перевага попередньо напружених залізобетон­них конструкцій порівняно із звичайними — це підвищена тріщиностійкість. Вона визначена самою ідеєю попередньо­го напруження. Відповідним розрахунком і конструктивним вирішенням попередньо напружених залізобетонних кон­струкцій можна не тільки обмежити ширину розкриття тріщин у них, але і при необхідності виключити їх появу. Ця обставина в свою чергу обумовлює цілий ряд дуже цінних додаткових позитивних якостей попередньо напру­жених залізобетонних конструкцій. До них слід віднести:

1.   Можливість раціонального використання високоміц­ної сталі і бетону підвищеної міцності, що призводить до економії матеріалів і полегшення конструкцій.

2.   Збільшена жорсткість і зменшена деформативність, що є наслідком відсутності або обмеження ширини роз­криття тріщин.

3.  Можливість доцільного і вигідного застосування по­передньо напружених залізобетонних конструкцій для пе­рекриття великих прольотів.

4.  Підвищена витривалість конструкцій при дії багато­разового повторювального навантаження, оскільки поперед­нє напруження дещо вирівнює мінімальні і максимальні напруження і збільшує характеристику циклу.

5.  Збільшення строку служби конструкції при роботі в умовах агресивного середовища, оскільки тріщин у поперед­ньо напружених конструкціях або зовсім не буває, або во­ни мають невелику ширину розкриття.

При цьому слід зазначити, що попереднє напруження розтягнутої при експлуатації арматури само по собі не під­вищує і не знижує несучу здатність залізобетонного еле­менту. Як показують досліди, в стадії руйнування ефект попереднього напруження втрачається, розрив чи текучість розтягнутої арматури відбувається при граничному напру­женні (для даної арматурної сталі) і несуча здатність по­передньо напруженого елементу виявляється такою ж, як залізобетонного елементу без попереднього напруження.

Поділ залізобетонних конструкцій на звичайні і по­передньо напружені, є дещо умовним, оскільки початкове (попереднє) напруження має місце і в звичайному залізо­бетоні. Різниця лише в тому, що причиною його появи є деякі фактори (наприклад усадка), які мають місце і в попередньо напружених конструкціях. По суті, звичайні залізобетонні конструкції — це окремий випадок попередньо напружених конструкцій. Для переходу до цього ви­падку досить прийняти попереднє напруження в арматурі рівним нулю.

У наш час у будівництві застосовують як звичайні, так і попередньо напружені залізобетонні конструкції. Але оскільки останні мають багато суттєвих переваг, то їх за­стосування розширюється. Внаслідок високої тріщиностійкості попередньо напружені конструкції широко застосо­вують у циліндричних резервуарах, напірних трубопрово­дах, силосах, тонкостінних покриттях тощо.

           3. Конструктивні рішення попередньо-напружених елементів

У попередньо-напружених елементах напруженою арматурою, як правило, є їх поздовжня робоча арматура. Рівнодійна розтягуючих напружень в напруженій арматурі  розглядається як зовнішня сила, яка обжимає перетин елемента.

Якщо напружена арматура розташовується в центрі ваги перерізу, то елемент отримує центральне обтиснення, якщо арматура зміщена відносно центра ваги перерізу, елемент обжимається позацентрово.

У згинальних елементах напружувана поздовжня арматура Ан розташована у розтягнутої грані перерізу, а тому завжди має значний ексцентриситет щодо центра ваги. При обтисненні елементи отримують вигин, і в майбутній стиснутій зоні (рис. XXII.3, а) можуть виникати тріщини. При подальшій роботі під навантаженням ці тріщини закриваються і, як показують експериментальні дослідження, не впливають на несучу здатність елемента, але дещо знижують його жорсткість і тріщиностійкість. Щоб виключити утворення тріщин при стисненні (або обмежити ширину їх розкриття), додатково встановлюють напружену арматуру Ан в стислій (від навантаження) зоні. Площа перерізів цієї арматури Р_H приймають зазвичай рівної 20-25% площі перетину Рн основний розтягнутій (від навантаження) арматури А . У цьому випадку рівнодіюча сил обтиснення наближається до центру ваги перерізу і вигин елемента зменшується (рис. XXII.3, 6).

При натягу арматури на бетон це можна забезпечити відгином частини напружуваних пучків .

Відстань між стрижнями напруженої арматури повинно бути не менше діаметра стрижнів і не менше 25 мм; якщо арматура розміщена в каналах - не менше діаметра каналу і не менше 50 мм. Дротяна арматура при натягу на упори може бути розташована рядами (пакетами) без зазорів між окремими дротами. Для забезпечення надійного зчеплення з бетоном відстань між рядами приймається не менш 15 мм. Якщо дроту розміщені в лавах попарно, то зазор між кожною парою повинен бути не менше 5 мм, а відстань між рядами - не менше 10 мм. При розміщенні напруженої арматури в елементі необхідно також враховувати технологію його виготовлення: габарити натяжного устаткування, розміри технологічних анкерів на стрижнях та ін..,

Рис. ХХІ.З. Напружений стан згинального попередньо-напруженого елемента при його виготовленні

Рис. ХХП.4. Розташування арматури в попередньо-напружених центрально-розтягнутих елементах

а - напружувана дротяна арматура у вигляді окремих дротів (натяг на упори), б-то ж, з попарним розташуванням дротів; о - те ж, з розташуванням дротів рядами (пакетами); г - напружувані стрижні або канати (натяг на упори); й - напружена арматура в каналах (зі стрижнів, пучків, канатів); е - те ж, у пазах; ж - те ж, із зовнішнього боку елемента; / - напружувана поздовжня робоча арматура; 2 - хомути (поперечні стрижні) або розподільна арматура сітки; 3 - ненапружена поздовжня арматура; 4-канал (після натягу арматури ін'еціруют);б - торкрет-бетон

Напружуємо арматуру по довжині елемента звичайно обхоплюють хомутами. У місцях перегину хомутів встановлюють поздовжні ненапруженим стрижні. У кінців напружених елементів ставлять додаткову поперечну або непряму арматуру у вигляді хомутів або сіток з кроком 5-10 см на довжині рівної 0,6 / "." (див. § 4 цієї глави), але не менше 20 см. На ділянці елементу довжиною 1 ", п його геометричні розміри повинні бути прийняті такими, щоб напружена арматура мала підвищений захисний шар: 2d - для арматури класів А-IV, Ат-IV і арматурних канатів; 3d - для арматури класів А-V, Ат-V, Ат-VI, але не менше 40 мм для стержневої арматури і 20 мм для канатів .

Попередньо-напружені балки прольотом 12 - 24 м мають переважно двотавровий перетин.

1 - напружена арматура; 2 – ненапружена  арматура; 3 - сітки; 4 - частина елемента з потовщенням на опорі.

Товщину стінки приймають рівною 6-10 см з розширенням до опорної частини балки, яка має звичайно ту ж ширину, що і нижня полку.

У покриттях промислових будівель балки застосовують при прольотах 12-24 м. У залежності від профілю покрівлі вони можуть бути двосхилими або мати постійну висоту по всій довжині прольоту .

У скатних покрівлях балки постійної висоти укладається з ухилом.

Виготовляють попередньо-напружені балки, як правило, з натягом на упори з бетону проект ¬ них марок М 300-М 500. Напруженою арматурою A_H служать стрижні періодичного профілю класу А-IV і вище або високоміцний дріт (у вигляді окремих дротів або канатів). Розміщують напружуємося арматуру у нижній полиці. Площа перерізу цієї арматур F_H визначають у результаті розрахунку балки на міцність по нормальному перерізу. При великій висоті перерізу, як вже зазначалося вище, у стиснуту зону ставлять напружену  арматуру A_H . Цю арматуру при постійній висоті перерізу балки розташовують у верхній стислій полиці, а в двосхилих балках - на рівні верху опорної частини. Дротяна арматура А_H в двосхилих балках може бути розташована і за обрисами верхньої полиці, для цього при виготовленні балок використовують спеціальні відтяжки. Стінку балки армують ненапруженими плоскими зварними каркасами (одним або двома), поперечні стрижні яких розраховують з умови міцності балки на поперечну силу по похилому перерізу. При опорних ділянки балок для запобігання утворення поздовжніх тріщин при стисненні посилюють додатковими поперечними стрижнями, приваренимb до опорної закладної деталі. Площа перетину цих стержнів призначають з таким розрахунком, щоб вони могли сприйняти не менше 20% від зусилля, яке може витримати арматура A_H.

У верхній стислій полиці мають плоский зварний  каркас, поперечні стрижні якого забезпечують міцність консольних звисів полиці, а поздовжні стер ¬ жни можуть сприймати розтягуючі зусилля, які виникають  при монтажі, коли балка працює за двоконсольною схемою, (рис. ХХП. 6).

Конструкція попередньо-напруженої балки покриття показана на рис. XXII.7.

Попередньо-напружені ферми покриттів промислових будинків мають прольоти 18, 24, 30 м. При скатної покрівлі зазвичай застосовують сегментні ферми з ламаним (полігональним) верхнім поясом (рис. XXII. 8, а) або ферми з криволінійним (арочним) верхнім поясом (рис. XXII.8, б); при плоскій покрівлі - ферми з паралельними поясами (рис. XXII. 8, в).

Рис. ХХП.6. Робота балки при монтажі

а-схема захоплення балки;б - розрахункова схема;в - епюра моментів

Рис. XXII.8. Залізобетонні ферми покриттів

а-сегментна, б- арочна, в-з паралельними поясами; г - моменти у верхньому поясі аркової ферми від поза вузлове навантаження; д - те ж, від поздовжнього зусилля; 1 - напружена арматура; 2 - плити покриття; 3 - монтажні стики; 4 - місця прикладання поза вузлових  навантажень

Рис. ХХП.7. Конструкція попередньо-напруженої балки, виготовленої з натягом па упори

I - перерізу балки зі стрижневою напруженою арматурою; II - те ж, з дротяною арматурою; 1 - отвори d= 40; 2 - опорний лист, 3 - каркас К-3;; 4 - каркас К-4; 5-окремі стержні ; 6 - каркас К-2; 7 - зварні сітки, по-каркас К-1, 9 - стрижні, приварені до опорного листа; 10 - напружуємо травня арматура стрижнева; 11 - те ж, дротяна

У аркових фермах довжина панелі зазвичай дорівнює 6 м, тому плити шириною 3 м створюють позаузлове  навантаження, що викликає місцевий вигин пояси між вузлами (див. рис. XXII.8, б, г). Внаслідок кривизни пояса згинальний момент від позаузлове  навантаження незначний, так як він погашається моментом зворотного знаку, створюваним поздовжньої стискає силою в поясі (див. рис. XXII.8, д). Від спільної дії поздовжньої стискає сили N і згинального моменту М верхній пояс аркових ферм відчуває відцентровий стиск з ексцентриситетом . Елементи решітки залізобетонних ферм працюють на стиск або розтяг. Верхні пояси, стійки і розкоси армують зварними каркасами. Нижній пояс ферм працює на осьовий (центральне) розтяг і виконується попередньо-напруженим з натягом арматури на упори або на бетон. При натягу арматури на упори її розташовують рівномірно по перетину пояса і обхоплюють хомутами. При натягу на бетон напружена арматура знаходиться в каналах (або пазах). Після натягу і анкерування арматури канали ін'єціюють розчином.

При натягу арматури на упори напруга АІ для всіх стрижнів, дротів і канатів однакове, і послідовність їх натягу не має значення. При натягу арматури на бетон необхідно враховувати напружений стан пояса при стисненні і зменшення напружень в раніше натягнутих стрижнях (пучках, канатах) при натягу наступних. При визначенні зусиль в стержнях залізобетонних ферм жорсткість вузлів не враховують. Зусилля визначають звичайними способами (графічно або аналітично), приймаючи шарнірне з'єднання стержнів у вузлах. Вузли створюють деякий защемлення елементів решітки, тому при деформації ферми під навантаженням стрижні решітки близько вузлів будуть відчувати вплив невеликих згинальних моментів. У зв'язку з цим елементи решітки, армовані одним плоским каркасом, постачають близько вузлів конструктивними сітками.

4. Закріплення нових занянь.

Питання для самоперевірки

1. Яка основна ідея попередньо – напружених конструкцій?

2. В чому полягає відмінність попередньо – напружених конструкцій від звичайних?

3. Чим саме забезпечується попереднє обтиснення бетону?

4. Які способи попереднього напруження арматури вам відомі ?

5. Перечисліть позитивні якості попередньо – напружених залізобетонних конструкцій.

6. Яка саме арматура є попередньо – напруженою?

7. Яка повинна бути відстань між стрижнями напруженої арматури?

5. Підведення підсумків .

Отже, на сьогоднішньому занятті ми з вами ознайомились зі способами напруження арматури, дізналися навіщо потрібне попереднє напруження залізобетонних конструкцій, а також чим попередньо – напружені конструкції відрізняються від звичайних і чи доцільно взагалі проводити попереднє напруження залізобетонних конструкцій.

6. Домашнє завдання.

1. Опрацювати підручник « Залізобетонні конструкції» П. Ф. Вахненко Київ – « Урожай» на ст. 8-12.
2.  Опрацювати підручник Строительные конструкции: Учебник для техни-С86 кумов/С. Т. Стронгин, Г. А. Шестак, 10. С. Тимян-ский, П. П.,Сербинович.—2-е изд., псрераб. — М.: Стройиздат, 1979.—520 с.,*ил..на ст.435-449
3. Замалювати схеми з підручників
4. * Підготувати повідомлення на тему « Переваги попередньо – напружених залізобетонних конструкцій»