Хотя железобетон давно и не инновационный материал, но он до сих пор остается самым популярным при возведении зданий и сооружений. Секрет его успеха заключается в сочетании экономических и технологических преимуществ по сравнению с другими материалами. Он недорогой, доступный, при должной эксплуатации конструкции могут прослужить очень долго, при этом оставаясь прочными и надежными.
Очень впечатляет история применения этого материала — если в начале из него изготавливались обычные садовые горшки, то на сегодняшний день — это основной «инструмент» для строительства объектов транспортной, промышленной, гражданской и энергетической инфраструктуры. Но к этому пришли далеко не сразу: самой острой проблемой было создание длинных и высоконагружаемых пролетов — их поперечные сечения получались слишком большими, что приводило к повышенному расходу арматуры и бетона, увеличению собственного веса и усложнению оснований и фундаментов, что негативно сказывалось на сроке и стоимости строительства. Инженерное сообщество довольно быстро решило эту задачу — появилась технология предварительного напряжения.
Предварительное напряжение — это просто!
Бетон — тот материал, который хорошо работает на сжатие, но плохо на растяжение. Для компенсации этого недостатка в тело конструкции начали вводить арматурные стержни, отлично воспринимающие растягивающие и изгибающие усилия. Благодаря такой синергии, появился прочный композиционный материал — напряженный железобетон. Однако при этом он не был лишен своего главного минуса — появление трещин в зонах растягивающих напряжений. Как только ширина их раскрытия достигает значений больше нормативных, то начинается коррозия рабочей арматуры, что негативно сказывается на несущей способности. Именно тут появилась идея «обжимать» изделия, что создавало в них напряжения противоположные напряжениям от прикладываемых впоследствии эксплуатационных нагрузок. Основа такой мысли строилась на способности стальных стержней возвращаться в исходные геометрические размеры при снятии с них внешнего воздействия. Такое свойство называется упругостью, а деформации, исчезающие после прекращения действия на тело внешних сил — упругими.
Показательным примером служат мостовые балки: они бывают двух видов — без предварительного напряжения и с таковым. Обычная, расположенная на опорах, помимо прогиба от собственного веса будет еще вдобавок деформироваться от приложенной нагрузки, тогда как предварительно напряженная, уже имеющая изначальный выгиб, при загружении станет прямолинейной. При равных значениях несущей способности вторая будет обладать меньшим поперечным сечением, жесткость ее будет выше, а сопротивляемость образованию трещин куда лучше. Следовательно, она долговечнее. Но как же такое возможно? На каких законах работает эта технология? Ответ прост: высокопрочная арматура, устанавливаемая в конструкции, закрепляется на ее торцах с помощью специальных устройств называемых анкерами. В процессе натяжения арматуры на определенное усилие связи между атомами в решетке удлиняются, при этом создаются внутренние напряжения. Как только такое воздействие убирается, несущий элемент пытается принять изначальную длину, но этому мешают зажимы, фиксирующие его в анкерах. В свою очередь эти устройства создают сжимающие напряжения на торцах и происходит обжатие конструкции с выгибом вверх в срединном сечении.
Методы
В зависимости от того, в каких условиях производится изготовление предварительно напряженных конструкций, выделяют два основных метода:
1. Натяжение на бетон. В данном случае высокопрочная арматура монтируется, натягивается и закрепляется с помощью специальных устройств непосредственно после достижения бетоном необходимой прочности. Этот метод широко используется, в основном, для изготовления конструкций на строительной площадке.
2. Для массового заводского изготовления балок и плит зачастую применяют другую технологию — натяжение на упоры. Одновременно с формированием арматурного каркаса происходит монтаж и натяжение высокопрочной арматуры, при этом обжатие будущего изделия будет осуществляться не через опорные стаканы, как в первом методе, а через внутренние анкеры. Временное закрепление происходит на упорах. После набора бетоном передаточной прочности концы на торцах обрезают; несущий элемент, пытаясь вернуться в первоначальные геометрические размеры, обжимает конструкцию, и происходит обратный выгиб.
По сравнению с пассивным армированием применение активного приводит к следующим эффектам:
-
увеличению долговечности и надежности объекта при активной эксплуатации;
-
повышению прочности и жесткости конструкций, которое обеспечивает стабильность сооружений даже в сейсмоопасных зонах;
-
повышению трещиностойкости;
-
снижению общего веса изделий, что упрощает их транспортировку и монтаж;
-
сокращению расходов на материалы за счет более эффективного использования стали и бетона.
Строительная сфера никогда не стоит на месте: человечество пытается строить здания все выше, а мосты все длиннее. Каждый день мы узнаем, что еще один недавно установленный рекорд побит, но эти достижения даются нам все труднее и реже. Технология предварительного напряжения зачастую становится эффективным инструментом для таких побед; инженерная мысль находит для нее самые неожиданные применения. Эпоха металла подходит к концу — начинается эра строительства из композитных материалов.
