Преднапряженная арматура в монолитном строительстве
СТРОИТЕЛЬСТВО запись закреплена
Что такое предварительно напряженная арматура
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.
Будущее монолитного строительства за преднапряженным железобетоном
Способность компании активно развиваться в условиях рыночной экономики во многом определяется возможностью предложить клиенту более качественный товар или услугу за меньшую плату. В долгосрочной перспективе преуспевают компании, отличающиеся высокой гибкостью в условиях меняющегося рынка. В первую очередь, это предприятия, способные предлагать принципиально новые подходы и решения, используя инновации и опыт передовых компаний мира.
Любой строительный объект, будь то многоэтажное здание или небольшой частный дом, является продуктом, обладающим вполне определенными качественными характеристиками. В современном мире именно они формируют спрос и цену реализации объекта строительства.
Качество объекта строительства – это его надежность (долговечность конструкций, обеспеченная безопасность проживания, длительный срок службы) и современность (широкий выбор планировочных решений, комфортабельность проживания, нетривиальный архитектурный облик). Качество конечной продукции и ее цена – взаимозависимые показатели. Зачастую повышение качества объекта влечет за собой увеличение его стоимости, что неминуемо снижает его конкурентоспособность по цене. Для сохранения лидерства на рынке, строительная компания обязана стремиться к повышению качества своих объектов, обеспечивая при этом доступность для потребителя – конкурентоспособную цену. Получается, что любая, в т.ч. и высококачественная продукция, должна быть экономичной в производстве. Отсюда логично вытекает, что снижение себестоимости производства продукции при сохранении ее надлежащего качества – одна из основных задач строительной компании.
Практика показывает, что наиболее эффективно данная задача решается путем внедрения инновационных разработок и решений. Предварительно напряженный железобетон – одна из таких инноваций, которая все чаще применяется в строительной отрасли России и стран СНГ. Суть данного метода сводится к использованию высокопрочных арматурных канатов, более чем в четыре раза превышающих по своим прочностным характеристикам стержневую арматуру. При натяжении арматурных канатов происходит обжатие бетона, наделяющего конструкцию принципиально иными свойствами. В мировой практике строительной индустрии преднапряженный железобетон занимает лидирующее положение. При этом в течение последних десятилетий его доля в общем объеме строительства продолжает неуклонно расти.
Технология возведения преднапряженных конструкций не имеет принципиальных отличий от традиционного монолитного строительства и не требует специальной квалификации основного рабочего персонала. На строительной площадке необходимо лишь присутствие одного-двух специалистов, выполняющих функцию авторского надзора при укладке арматурных канатов, и последующее натяжение с занесением данных в протоколы, предусмотренные технологическим регламентом.
Наиболее ощутимый эффект от преднапряжения достигается в плитах перекрытий, что наглядно представлено на рис. 1. Сокращение высоты плит перекрытий и покрытия позволяет существенно снизить общую высоту здания, включая и его подземную часть, где стоимость строительства намного дороже. В итоге мы имеем сокращение расхода бетона (до 30%) и стержневой арматуры (до 70%) в перекрытиях и вертикальных конструкциях (стены, перегородки, пи-лоны, колонны и т.п.). В свою очередь, уменьшение общей площади поверхности фасада здания позволяет существенно сэкономить на фасадных материалах и работах. Высокий экономический эффект от применения преднапряженного железобетона во многом обусловлен значительным снижением материалоемкости практически всех конструкций здания.
Не менее важным обстоятельством является возможность устройства плоских безбалочных перекрытий, а также существенное уменьшение количества и высоты балок на площадях с большими нагрузками. Наиболее очевиден эффект от преднапряжения в случаях с большими пролетами, которые часто встречаются как в транспортном строительстве, так и в зданиях и сооружениях коммерческого назначения, где эффективность во многом определяется свободой внутреннего пространства. В частности, преимущество преднапряженного бетона можно наглядно продемонстрировать на примере паркингов и стоянок, где небольшая сетка колонн существенно сокращает количество машино-мест (см. рис. 2.). Применение преднапряжения позволяет зна чительно увеличить шаг колонн (пролетов) без перерасхода материалов в конструкциях. Экономический эффект от преднапряжения здесь может достигать 35%.
Существует прямая зависимость между увеличением пролетов и расходом бетона и стержневой арматуры в железобетонных конструкциях. Следует также отметить, что сокращение расхода материалов ведет к уменьшению объемов работ по объекту и увеличению темпов строительства.
Дополнительным ресурсом увеличения коммерческой привлекательности технологии является возможность возведения консольных элементов с большим вылетом. Данное обстоятельство позволяет разнообразить архитектурные решения, а также увеличить площадь здания до семи метров по всему периметру (см. рис. 3).
Железобетон известен своей высокой прочностью на сжатие, а на растяжение этот показатель, к сожалению, относительно невелик. В связи с этим стойкость бетона к образованию трещин мала. Соответственно, риск образования коррозии арматурных элементов внутри бетона возрастает. За счет применения преднапряжения (обжатия) подверженность бетона к образованию трещин сводится к минимуму, прогибы плит сокращаются, а срок службы арматуры повышается в разы.
Особенно актуально использование преднапряжения в фундаментных плитах, промышленных полах, при строительстве автомобильных дорог.
Во-первых, данные конструкции подвержены большим нагрузкам и интенсивному воздействию грунтовых вод. Гидроизоляция решает проблему лишь частично. А применение высоко-прочных арматурных канатов в смазке и полиэтиленовой оболочке полностью предотвращает образование трещин и защищает саму арматуру от воздействия агрессивной среды.
Во-вторых, толщина преднапряженной плиты по сравнению с обычной сокращается пропорционально увеличению нагрузки, снижая расход стержневой арматуры и бетона до 80% и 40% со-ответственно.
В-третьих, уменьшение толщины бетонной плиты предполагает и снижение объема работ по разработке, вывозу и подготовке грунта, повышая тем самым производительность труда и стимулируя сокращение строительного цикла.
В-четвертых, за счет преднапряжения железобетонная плита более устойчива и неприхотлива в эксплуатации. Она не требует работ по стабилизации грунта, как обычная фундаментная плита. А ее устройство можно осуществлять также в зимнее время на мерзлом грунте.
Несмотря на все вышеперечисленные преимущества, темпы развития предварительно напряженного железо-бетона в России не так высоки, как могли бы быть. Основной причиной является низкая осведомленность и неумение проектировать преднапряженные конструкции большинством проектировщиков. Но развитие не стоит на месте, и постепенно российские строители перенимают опыт зарубежных коллег, где принято все работы, связанные с преднапряжением, заказывать специализированным компаниям. Расчет преднапряженных конструкций требует соответствующего опыта в узкой сфере, а имеет его, как правило, ограниченный круг специалистов, посвятивших этому вопросу не один десяток лет.
На сегодняшний день технология применяется в строительстве зданий и сооружений различного назначения: жилых, офисных, производственных, складских и торговых. География применения преднапряженного железобетона также широка. За рубежом технология предварительного напряжения железобетона широко применяется и в дорожном строительстве. Кроме того, имеются примеры предварительного напряжения при реставрации исторических памятников.
Оценив преимущества технологии и практику ее эффективного внедрения на объектах различного назначения по всему миру, становится очевидным, что повсеместный переход на преднапряженные конструкции в России и странах СНГ – лишь вопрос времени. А будущее за теми строительными компаниями, которые своевременно это осознают.
Преднапряженные конструкции в каркасном строительстве
Обжатие бетона в преднапряженных конструкциях на заданную величину осуществляется посредством натяжения арматурных элементов, стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние. При этом, проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, или без сцепления арматуры с бетоном – специальной искусственной анкеровкой торцов арматуры в бетоне.
Трещиностойкость преднапряженных конструкций в 2 – 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона.
Преднапряженный бетон позволяет в среднем до 50% сокращать расход дефицитной стали в строительстве. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в растянутых зонах элементов, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.
Преимущества технологии преднапряжения железобетона
Преднапряженные конструкции оказываются экономичными для зданий и сооружений с такими пролетами, нагрузками и условиями работы, при которых применение железобетонных конструкций без предварительного напряжения технически невозможно, или вызывает чрезмерно большой перерасход бетона и стали для обеспечения требуемой жесткости и несущей способности конструкций.
Предварительное напряжение, увеличивающее жесткость и сопротивление конструкций образованию трещин, повышает их выносливость при работе на воздействие многократно повторяющейся нагрузки. Это объясняется уменьшением перепада напряжений в арматуре и бетоне, вызываемого изменением величины внешней нагрузки. Правильно запроектированные преднапряженные конструкции и здания безопасны в эксплуатации и более надежны, особенно в сейсмических зонах. С возрастанием процента армирования сейсмостойкость предварительно напряженных конструкций во многих случаях повышается. Это объясняется тем, что благодаря применению более прочных и легких материалов сечения преднапряженных конструкций в большинстве случаев оказываются меньшими по сравнению с железобетонными конструкциями без предварительного напряжения той же несущей способности, а, следовательно, более гибкими и легкими.
В большинстве развитых зарубежных стран из предварительно напряженного железобетона во все возрастающих объемах изготавливают конструкции перекрытий и покрытий зданий различного назначения, значительную часть изделий, используемых в инженерных сооружениях и в транспортном строительстве; появились производства элементов наружного архитектурного оформления зданий.
Мировой опыт использования технологии преднапряжения
 |
| Телебашня в Торонто |
В мире монолитный железобетон большей частью является предварительно напряженным. В первую очередь, таким способом возводятся большепролетные сооружения, жилые здания, плотины, энергетические комплексы, телебашни и многое другое. Телебашни из монолитного преднапряженного железобетона выглядят особенно эффектно, став достопримечательностями многих стран и городов. Телебашня в Торонто является самым высоким в мире отдельно стоящим железобетонным сооружением. Ее высота 555 м.
Поперечное сечение башни в виде трилистника оказалось весьма удачным для размещения напрягаемой арматуры и бетонирования в скользящей опалубке. Ветровой опрокидывающий момент, на который рассчитана эта башня, составляет почти полмиллиона тоннометров при собственном весе наземной части башни чуть более 60 тыс. т.
В Германии и в Японии из монолитного преднапряженного железобетона широко строятся резервуары яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени такие резервуары возведены суммарной емкостью более 1,2 млн.куб.м. Отдельные сооружения этого типа имеют емкость от 1 до 12 тыс.куб.м.
За рубежом все более широкое применение находят монолитные перекрытия увеличенного пролета с натяжением арматуры на бетон. Только в США таких конструкций ежегодно возводится более 10 млн.куб.м. Значительный объем таких перекрытий сооружается в Канаде.
В последнее время напрягаемая арматура в монолитных конструкциях все чаще применяется без сцепления с бетоном, т.е. не производится инъецирование каналов, а арматуру от коррозии или защищают специальными защитными оболочками, или обрабатывают антикоррозионными составами. Таким образом возводятся мосты, большепролетные здания, высотные сооружения и другие подобные объекты.
Помимо традиционных строительных целей монолитный предварительно-напряженный железобетон нашел широкое применение для корпусов реакторов и защитных оболочек атомных электростанций. Суммарная мощность АЭС в мире превышает 150 млн. кВт, из них мощность станций, корпуса реакторов и защитные оболочки которых построены из монолитного преднапряженного железобетона, составляет почти 40 млн. кВт. Защитные оболочки для реакторов АЭС стали обязательными. Именно отсутствие такой оболочки явилось причиной чернобыльской катастрофы.
Ярким примером строительных возможностей преднапряженного железобетона являются морские платформы для добычи нефти. В мире таких грандиозных сооружений возведено более двух десятков.
Построенная в 1995 г. в Норвегии платформа «Тролл» имеет полную высоту 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с высотой волны 31,5 м. На ее изготовление было израсходовано 250 тыс.куб.м. высокопрочного бетона, 100 тыс. т обычной стали и 11 тыс. т напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок службы платформы 70 лет.
Традиционно обширной областью применения предварительно напряженного железобетона является мостостроение. В США, например, сооружено более 500 тысяч железобетонных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено более двух десятков вантовых мостов длиной 600-700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м. Из предварительно-напряженного железобетона сооружаются внеклассные мосты, которые строятся по индивидуальным проектам. Мосты пролетом до 50 м возводятся в сборном варианте из железобетонных преднапряженных балок.
Технология преднапряжения монолитного железобетона в России
В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. За рубежом значительное распространение имеет безопалубочное формование плитных конструкций на длинных стендах. Там обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 500 кгс/м2. В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см с пролетом до 21 м, то есть применение предварительного напряжения позволяет выпускать сборные элементы качественно иного уровня. Натяжение канатной арматуры на таких стендах, как правило, групповое при мощности домкратов 300-600 т. Сегодня разработаны различные системы без-опалубочного формования на длинных стендах «Спайрол», «Спэнкрит», «Спандек», «Макс Рот», «Партек» и других, отличающиеся высокой производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м изготавливают плиту со скоростью до 4 м/мин, по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, при максимальном пролете 21 м. Только плит «Спэнкрит» применяют в США более 15 млн. м2 ежегодно.
В свое время длинные стенды для безопалубочного формования по технологии «Макс Рот» появились и в России. Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединение элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах, как правило, методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для сборно-монолитных зданий плиты без закладных деталей могут найти самое широкое распространение, что и имеет место за рубежом, особенно в Скандинавских странах и в США.
Позднее в России появились линии «Партек» (на заводе ЖБК-17 в Москве, Санкт-Петербурге, Барнауле), что свидетельствует о появлении спроса на такие плиты. Совершенствование конструктивных систем зданий, безусловно, даст толчок к развитию технологии производства плитных изделий.
Затянувшийся российский застой в области применения преднапряженного железобетона частично связан еще и с тем, что у нас не получили должного изучения и применения предварительно-напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон, в том числе в построечных условиях.
«Энерпром» начинает развивать это направление и предлагает ряд оборудования собственной разработки для реализации такой технологии.