Потери в предварительном напряжении предварительно напряженного бетона
Для предотвращения сжатия стали необходимо, чтобы сила, которая используется для растяжения проволоки до требуемой длины, была постоянно доступна в качестве силы предварительного напряжения. Сжатие стальной проволоки происходит по нескольким причинам, влияющим на уменьшение предварительного напряжения. Это уменьшение силы предварительного напряжения называется потерей предварительного напряжения.
В предварительно напряженной бетонной балке потери происходят по следующим причинам:
Таблица: Виды потерь предварительного напряжения
S.No.
Виды потерь
Предварительное натяжение
Пост-натяжение
1
Упругая деформация бетона
Да
При одновременном натяжении всех проволок потери из-за упругой деформации отсутствуют. Если проволоки натягиваются последовательно, будет потеря предварительного напряжения из-за упругой деформации бетона.
2
Релаксация напряжения в стали
3
Усадка бетона
4
Ползучесть бетона
5
Трение
Нет
6
Захват анкерного крепления
1. Потери из-за упругого укорочения
Когда предварительное напряжение передается на бетонный элемент, происходит сжатие из-за предварительного напряжения. Это сжатие вызывает потерю растяжения в проволоке. Когда часть растяжения теряется, предварительное напряжение уменьшается. Пусть 
сжимающее напряжение на уровне стали.
Удельное сжатие в бетоне, 
Удельное сжатие в стали также равно 
Сжимающее напряжение в стали = 
= 
Следовательно, потеря предварительного напряжения, 
= сжимающее напряжение в стали
вычисляется следующим образом для различных случаев:
a) Если прямое сухожилие имеет эксцентриситет “e” по всей длине (рис. ниже).
b) Если параболический трос имеет эксцентриситет e1 на концах и e2 в центре,
Напряжение сдвига на концевом участке =
Напряжение в центре = 
Среднее напряжение= 
В балке со столбовым натяжением имеется несколько тросов. Тросы натягиваются последовательно. Когда кабель натягивается, он не несет потерь, но кабель, натянутый раньше, несет потери из-за предварительного напряжения в натягиваемом кабеле.
Таким образом, кабель, который растягивается первым, будет нести максимальные потери из-за растяжения (n – 1) кабелей, где n – общее количество кабелей. Кабель, растянутый последним, не понесет никаких потерь. Для расчета потерь из-за упругого укорочения вычисляются потери в первом кабеле и половина этого значения принимается за средние потери для всех кабелей.
2. Потери из-за усадки бетона
В результате высыхания бетона происходит сжатие, и в бетоне возникает усадочная деформация. Усадочная деформация вызывает потерю растяжения стали, что приводит к потере предварительного напряжения.
Потеря растяжения = усадочная деформация 
.
Следовательно, потеря предварительного напряжения = 
= 0,0003 для предварительно напряженных элементов, и
для посленапряженных балок
Где “t” – возраст бетона.
3. Потери вследствие ползучести бетона
Ползучесть – это зависящая от времени деформация под действием постоянной силы. В предварительно напряженном бетоне предварительное напряжение является постоянной силой в конструкции, вызывающей сжимающее напряжение на уровне стали. Следовательно, в конструкции возникает деформация ползучести.
Деформация ползучести = Ce x Упругая деформация
Упругая деформация = (fc/Ec)
fe – напряжение в бетоне на уровне стали.
Потеря предварительного напряжения = деформация ползучести x Es
4. Потери из-за ползучести стали (релаксация стали)
Когда напряжение в стали превышает половину предела текучести, в стали возникает ползучесть. Сила предварительного напряжения падает в результате ползучести стали. Затем происходит потеря предварительного напряжения. Процент ползучести варьируется от 1 до 5%. Ползучесть в стали также называется релаксацией стали. Потери на релаксацию можно оценить по таблице ниже:
Начальное напряжение
Потери на релаксацию (Н/мм2)
0,5fp
0,6fp
35
0,7fp
70
0.8fp
90
fp – характерная прочность стали.
Существует несколько способов уменьшить или сбалансировать потерю предварительного напряжения из-за ползучести.
Выбор подходящей стали помогает уменьшить эту потерю. Предварительно напряженные провода имеют меньшую ползучесть. Оцинкованные провода также не имеют ползучести. Следовательно, выбор подходящей стали поможет уменьшить потерю предварительного напряжения из-за ползучести. Кроме того, ползучесть в стали происходит в основном в течение нескольких дней. При постоянной деформации ползучесть полностью прекращается примерно через 15 дней. Поэтому ползучесть стали может быть значительно снижена путем перенапряжения стали примерно на 10% выше ее начального напряжения и последующего сброса ее до начального напряжения.
5. Потери из-за трения
Потери из-за трения возникают только в балках с натяжением после натяжения. Когда трос находится под напряжением, трение между сторонами канала и тросом не позволяет передать полное напряжение. Поэтому в точке, удаленной от конца домкрата, предварительное напряжение меньше.
Потери на трение обусловлены:
Трение между сухожилием и окружающим материалом является эффектом длины и иногда описывается как эффект шатания. Трение из-за эффекта длины зависит от длины, напряжения в сухожилии (тросе) и коэффициента трения между контактирующими материалами.
Эффект кривизны вызван трением из-за проектной кривизны кабеля. Потери из-за этих эффектов оцениваются следующим образом:
Рассмотрим кабель небольшой длины. Пусть ds – его длина, а R – радиус кривизны. (Рисунок ниже).
Пусть 
угол, под которым длина ds подчинена центру.
Пусть F – предварительное напряжение на одном конце, а F – dF – предварительное напряжение на другом конце.
Если N – нормальная составляющая F, то имеем
Если 
коэффициент трения, потери на трение = dF=. 
Потери на трение из-за эффекта шатания рассчитываются как
dF = -KFds
где K – коэффициент волнового эффекта.
Таким образом, общие потери на трение = dF = 
или 
если F – предварительное напряжение на расстоянии S под углом 
Интегрируя вышеприведенное уравнение между пределами F и Fx, имеем
Значение 
и K могут быть приняты следующим образом:
Материал в контакте
Для стали и бетона
0.55
Для стали и стали
0.30
Для стали и свинца
0.25
Потеря силы = F – Fx
Потери на трение могут быть уменьшены путем принятия следующих мер:
Полная потеря предварительного напряжения в предварительно напряженном бетоне
Если предварительное напряжение измеряется в момент натяжения троса, то напряжение называется напряжением домкрата. Вычитая потери, связанные с вырывом анкера и трением, получают начальное предварительное напряжение. Эффективное напряжение обычно равно начальному напряжению за вычетом четырех других потерь, а именно:
потери из-за
если напряжение в оболочке рассматривается как начальное напряжение, то эффективное напряжение равно напряжению в оболочке минус все потери. Поскольку в большинстве случаев потери на трение и вынос анкера могут быть компенсированы за счет перенапряжения, общие потери обусловлены упругим укорочением, усадкой бетона, ползучестью бетона и релаксацией стали. Общие потери для предварительно напряженных и постнапряженных балок следующие:
Потери из-за
Предварительное натяжение
Постнатяжение
1. Упругое укорочение
2. Ползучесть бетона
3. Усадка бетона
7
4. Ползучесть стали
Всего
18%
15%
Потери могут быть выражены в процентах или в терминах напряжения, или в терминах полной деформации, или в терминах деформации.
- Проектирование преднапряженного железобетона – концепция.
- Крах туннеля Big Dig: Самый дорогой тоннельный проект в истории США.
- Передовые композиционные материалы (ACM).
- ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОМ БЕТОНЕ.
- Виды систем предварительного напряжения и анкерных креплений в преднапряженном бетоне.
- Предварительное и последующее натяжение в конструкции из преднапряженного бетона.
- Плита с постнатяжением – принцип работы, компоненты и конструкция.