Преднапряженный железобетон: история, применение, перспективы развития

Статья посвящена истории разработки, внедрения, практике применения и перспективам развития технологии предварительного напряжения железобетона в России.

Под преднапряженными понимают железобетонные конструкции, напряжение в которых искусственно создаётся в процессе изготовления путём натяжения части или всей рабочей арматуры (обжатия части или всего бетона).

Со времен создания основного строительного материала современности железобетона, едва ли не главным его недостатком являлась низкая прочность при растяжении. Армирование конструкций позволило преодолеть разрушение бетона, однако трещиностойкость оставляла желать лучшего.

Преднапряжение железобетона на стадии изготовления или строительства конструкций, когда направление напряжения в бетоне противоположно направлению напряжения от эксплуатационной нагрузки, позволило преодолеть этот недостаток. Высокий уровень трещиностойкости, полученный в результате предварительного напряжения, исключительно положительно отражается на эксплуатационных свойствах железобетонных конструкций.

В СССР 60-е и 70-е годы ХХ столетия ознаменованы бурным развитием промышленности сборного железобетона, в том числе преднапряженного. В этот период ученые и специалисты отрасли разработали значительный объем нормативно-технической литературы по расчету, проектированию и технологии изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций. В то время был широко распространён электротермический способ натяжения стержневой арматуры. Годовой выпуск преднапряженных железобетонных конструкций составлял порядка 30 млн куб. м.

Прогресс в области технологии высокопрочных бетонов во многом достигнут благодаря применению предварительного напряжения, так как появилась возможность максимально эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.

Параллельно с развалом СССР был прерван процесс интенсивного использования преднапряженного железобетона. Выпуск таких конструкций упал более чем в 10 раз. Этому способствовал ряд причин, в том числе и сильно подорожавшая электроэнергия, что сделало электротермический способ натяжения арматуры экономически невыгодным.

Разработка и внедрение механического способа предварительного натяжения железобетонных конструкций позволяет преодолеть этот недостаток. Причём применение данного метода возможно как в производстве сборного железобетона, так и в построечных условиях.

Фрагмент монолитного железобетонного каркаса с преднапрягаемой арматурой

Обжатие бетона на заданную величину осуществляется посредством предварительного натяжения арматурных элементов, стремящихся после их фиксации и отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние.

В предварительно напряженных конструкциях можно использовать высокоэкономичную стержневую арматуру повышенной прочности и высокопрочную проволочную арматуру, позволяющую сокращать расход дефицитной стали в строительстве в среднем до 50%. Предварительное обжатие растянутых зон бетона значительно отдаляет момент образования трещин в этих местах, ограничивает ширину их раскрытия и повышает жесткость элементов, практически не влияя на их прочность.

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 спроектированные конструкции и здания в целом безопасны в эксплуатации и более надежны, особенно в сейсмических зонах.

В результате применения преднапряженного железобетона в некоторых случаях удаётся снизить общий вес зданий до 40%, что свидетельствует о существенном снижении материалоёмкости строительства (в первую очередь расхода арматуры и бетона) при одновременном сохранении высокого уровня показателей надёжности конструкций. Как следствие, себестоимость строительства зданий сокращается до 30%.

Наряду с экономическим эффектом строительство зданий и сооружений с использованием технологии предварительного напряжения арматурных элементов при возведении зданий из монолитного железобетона позволяет существенно расширить архитектурно-планировочные возможности проектируемых зданий.

В первую очередь, это обусловлено получением практически неограниченных возможностей планирования внутреннего пространства в связи с увеличением пролётов между несущими колоннами до 18 м, получением плоских безбалочных перекрытий, соответственно открывающимися широкими возможностями расстановки внутренних стен и перегородок. Появляется возможность проектирования и возведения зданий с разнообразным архитектурным обликом за счёт достаточно широких пределов варьирования формой контуров здания в горизонтальном разрезе.

Заливка перекрытия легким бетоном класса В40

Несмотря на то, что в развитых зарубежных странах технология предварительного напряжения монолитных железобетонных конструкций в построечных условиях успешно практикуется на протяжении последних десятилетий, в России этот метод строительства на практике получил импульс к развитию и активному применению только в наши дни.

Благодаря многолетним совместным усилиям специалистов ГУП «НИИЖБ» и АО «СТЭФС», к настоящему времени удалось успешно внедрить в строительство технологию преднапряжения железобетона в построечных условиях.

На сегодняшний день технология применяется в строительстве зданий и сооружений различного назначения: жилых, офисных, производственных, складских и торговых. География применения преднапряженного железобетона также широка. Наряду со столицей подобным образом активно застраиваются города Подмосковья, Санкт-Петербург, Великий Новгород, Ярославль, Воронеж, Саратов.

За последние два года на территории России с применением технологии предварительного напряжения монолитного железобетона АО «СТЭФС» построено около 375 000 кв.м зданий и сооружений различного назначения. Из них новое строительство – 367 000 кв.м, реконструкция – 8 000 кв.м.

Обобщение результатов системной оценки показателей строительства с применением преднапряженного железобетона позволяют количественно оценить (в процентном соотношении) изменения того или иного показателя относительно значений тех же показателей, получаемых при применении традиционных методов строительства без предварительного напряжения железобетона (см. таблицу).

Важное значение имеет расширение области применения технологии преднапряжения. Как показывает практика за рубежом, она широко применяется в дорожном строительстве. Высокий уровень жёсткости и трещиностойкости предварительно напряженного железобетона определяет эффективность его использования при возведении автомагистралей и взлётно-посадочных полос.

На базе этой технологии может быть сделан существенный шаг вперед в области высотного строительства, где основная проблема связана с тем, что верхние этажи чрезвычайно нагружают нижние. В предлагаемом варианте этажность здания может быть увеличена вдвое без повышения нагрузки на нижний этаж и основание.

Зарубежный опыт показывает высокую эффективность применения высокую эффективность применения предварительного напряжения в монолитных плитных фундаментах большой протяженности, в монолитных безбалочных перекрытиях, в опорных устройствах и постаментах под тяжелое оборудование, в несущих монолитных конструкциях подземных сооружений, в том числе многоэтажных. Имеются примеры предварительного напряжения при реставрации исторических памятников.

Как показывает практика, предварительное напряжение железобетона демонстрирует новые возможности и определяет перспективу развития железобетона в качестве материала для возведения современных зданий и сооружений.