Предварительное натяжение назначают в зависимости от вида стали, способа натяжения и т. п. Обычно, чем выше предварительное напряжение арматуры, тем больше его положительное влияние на работу конструкций. Однако при этом должна быть исключена возможность развития микротрещин и разрушения бетона усилием обжатия. Максимальное предварительное напряжение арматуры ограничено опасностью ее обрыва и возможным развитием неупругих деформаций. Вместе с тем значение предварительного натяжения не должно быть слишком низким, поскольку при малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения невысок и будет утрачен с течением времени вследствие потерь предварительного напряжения в арматуре, что вызовет чрезмерное раскрытие трещин.
В связи с этим на основании опыта изготовления и эксплуатации конструкций нормы рекомендуют назначать предварительное напряжение стержневой и проволочной арматуры σsp в следующих пределах [1]:
σsp ≤ Rs,ser – p и σsp ≥ 0,3 Rs,ser + p
где p — допустимое отклонение предварительного напряжения арматуры, принимаемое: при механическом способе натяжения 0,05 σsp; при электротермическом 30 + 360/l, МПа; l — длина стержня, м.
Начальное напряжение в арматуре рекомендуется назначить таким, чтобы сжимающие напряжения в бетоне от обжатия σbp не превышали (0,85...0,95) Rbp — когда напряжения обжатия уменьшаются при действии внешней нагрузки, и (0,65...0,70) Rbp — когда напряжения обжатия увеличиваются при действии внешней нагрузки. При более высоком обжатии бетона значительно возрастают деформации ползучести, что приводит к большим потерям предварительного напряжения.
Вследствие погрешностей, вызванных различными производственными факторами, фактическое предварительное напряжение может отличаться от расчетного σsp. Это учитывается с помощью коэффициента точности натяжения [1]
Коэффициент γsp зависит от величины и способа натяжения, числа напрягаемых стержней и других факторов. Знак «+» принимают, когда увеличение усилия обжатия сверх проектного неблагоприятно сказывается на работе конструкции (при расчете прочности в стадии обжатия и т. п.), знак «—» — когда снижение предварительного напряжения отрицательно влияет на работу конструкций (например, при расчете по закрытию трещин).
Потери предварительного напряжения. Опыты показывают, что начальное предварительное напряжение арматуры не остается постоянным, с течением времени оно уменьшается вследствие потерь, обусловленных физико-механическими свойствами материалов, технологией изготовления и конструкцией элементов. Различают следующие виды потерь предварительного напряжения [1]:
· 1. Потери σ1 от релаксации напряжений происходят в натянутой на упоры арматуре при неизменной ее длине. Эти потери зависят от вида арматуры и способа натяжения. Например, в стержневой арматуре при механическом способе натяжения σ1 = 0,l σsp — 20, при электротермическом и электротермомеханическом σ1 = 0,03 σsp.
· 2. Потери σ2 от температурного перепада происходят при изготовлении предварительно напряженных элементов c натяжением на упоры в результате тепловой обработки железобетонных изделий, вследствие чего напрягаемая арматура стремится увеличить свою длину. Поскольку расстояние между упорами остается неизменным, это ведет к снижению напряжений (МПа) в арматуре σ2 = 1,25 Δt для бетонов классов ниже В40, σ2 = 1,0 Δt для бетонов классов В45 и выше, где Δt — разность между температурой арматуры и упоров, воспринимающих усилия натяжения; при отсутствии фактических принимают Δt = 65°С.
· 3. Потери σ3 от деформаций анкеров, расположенных у натяжных устройств, вследствие обжатия шайб, смятия высаженных головок, смещения стержней в зажимах σ3 = EsΔl/l, где Δl = 2 мм — при обжатии опрессованных шайб или смятии высаженных головок; l — расстояние между точками закрепления натягиваемого стержня, мм. При электротермическом способе натяжения арматуры потери от деформаций анкеров в расчете не принимают во внимание, так как они учтены при определении удлинения арматуры при разогреве.
· 4. Потери σ4 напряжений в арматуре от трения ее о стенки каналов или поверхность конструкций (при натяжении на бетон), об огибающие приспособления (при натяжении на упоры).
· 5. Потери σ5 от деформации стальных форм зависят от конструкции, длины формы и т. п. При отсутствии данных о технологии изготовления и конструкции формы принимают σ5 = 30 МПа.
· 6. Потери σ6 от быстронатекающей ползучести развиваются в процессе обжатия бетона напрягаемой арматурой. Величина этих потерь зависит от прочности бетона к моменту обжатия, уровня напряжений (соотношений σbp/Rbp) и условий твердения.
При естественном твердении бетона
где α и β — коэффициенты, определяемые по формулам α = 0,25+0,025 Rbp ≤ 0,8; β = 5,25—0,185 Rbp (1,1 ≤ β ≤ 2,5); σbp — напряжения обжатия в бетоне на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры. Для бетонов, подвергнутых тепловой обработке, указанные значения σ6 снижаются на 15 %.
· 7. Потери σ7 от релаксации напряжений в арматуре при натяжении ее на бетон принимают такими же, как и при натяжении на упоры σ1.
· 8. Потери σ8 от усадки бетона связаны с укорочением элемента и зависят от вида и класса бетона, условий твердения и способа натяжения арматуры. Для тяжелых бетонов естественного твердения классов В35 и ниже, В40 и В45 и выше потери от усадки будут соответственно: при натяжении на упоры — σ8 = 4О, 50, 60 МПа, а при натяжении на бетон — σ8 =30, 35, 40 МПа. Меньшие потери от усадки при натяжении на бетон приняты вследствие того, что бетон к моменту обжатия в этом случае имеет, как правило, более зрелый возраст. При повышении класса бетона увеличивается расход вяжущего, что вызывает рост усадочных деформаций и потерь предварительного напряжения. При тепловой обработке потери σ8 будут меньше, а для бетона на пористых заполнителях — больше указанных значений.
· 9. Потери σ9 от ползучести бетона обусловлены укорочением элемента от длительно действующей силы предварительного обжатия и зависят от вида бетона, условий его твердения, напряжений в бетоне.
Если σbp / Rbp ≤ 0,75, то бетон испытывает линейную ползучесть (см. гл. 1). Тогда
Если σbp / Rbp > 0,75, то имеет место нелинейная ползучесть
где α =1 для тяжелого бетона естественного твердения, α = 0,85 для бетона, подвергнутого тепловой обработке.
· 10. Потери σ10 от смятия бетона под витками спиральной или кольцевой арматуры учитывают только в элементах с натяжением ее на бетон путем навивки (в трубах, резервуарах наружным диаметром dext до 300 см):
· 11. Потери σ11 от обжатия швов между отдельными блоками составной конструкции (при натяжении на бетон) вычисляют по формуле
где n — число швов по длине натягиваемой арматуры; Δl — деформация швов, равная 0,3 мм на каждый шов, заполненный бетоном, и 0,5 мм при стыковании насухо; l — длина натягиваемой арматуры, мм.
Потери предварительного натяжения от усадки σ8 и ползучести σ9 бетона зависят от времени твердения и влажности среды. Если известен срок загружения конструкции, то потери σ8 и σ9 умножают на коэффициент φ1:
где t — время, отсчитываемое
где t — время, отсчитываемое со дня окончания бетонирования элемента (для σ8) или со дня обжатия бетона (для σ9), до момента загружения, сут. При расчете железобетонных конструкций различают первые потери σloss1, происходящие до и во время обжатия бетона арматурой, и вторые потери σloss2, происходящие после обжатия.
При натяжении арматуры на упоры
При натяжении арматуры на бетон
Суммарные потери σloss = σloss1 + σloss2 могут достигать 200...300 МПа и более. Согласно нормам их принимают не менее 100 МПа.
