При действии растягивающих усилий, несмотря на наличие очевидных преимуществ, бетон демонстрирует главный недостаток - малую прочность при растяжении. Малая прочность бетона при растяжении объясняется неоднородностью его структуры и нарушением сплошности бетона, что способствует развитию концентраций напряжений, особенно при действии растягивающих усилий. Неоднородное строение бетона - одна из главных причин большого рассеивания результатов механических испытаний этого материала, что сказывается при экспериментальном определении величины растяжения гораздо сильнее, чем при определении прочности на сжатие. При растяжении в теле бетона образовываются трещины, которые неминуемо, пусть и медленно, приводят к обвалу конструкций. Именно в зону, подвергающуюся растяжению, и предполагается размещение арматуры из стали, которая может воспринять на себя значительно большую растягивающую силу, чем бетон. Бетон, усиленный стальной арматурой, называется железобетоном.

В некоторых случаях железобетонные изделия при эксплуатации подвергаются значительным растягивающим напряжениям, например балочные и другие опорные конструкции (ригели, железнодорожные шпалы и др.). Для того чтобы избежать разрушения конструкции, стальная арматура в этих случаях подвергается предварительному напряжению.

Напряженный железобетон – это строительный материал, предназначенный для преодоления неспособности бетона сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

Процесс предварительного напряжения арматуры выглядит следующим образом: сначала прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается специальным устройством и укладывается бетонная смесь. Натяжение проволоки поддерживается до тех пор, пока бетон не наберет достаточную прочность. После этого проволока отрезается от анкерных устройств, а ее натяжение благодаря сцеплению с бетоном передается последнему. В результате этого бетон подвергается сжимающим напряжениям. Такое создание внутренних напряжений сжатия позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от эксплуатационной нагрузки.

Существует несколько способов натяжения арматуры:

• механический способ. Как правило, натяжение происходит с использованием гидравлических или винтовых домкратов;
• электротермический способ натяжения. Натяжение происходит с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений;
• Электротермомеханический способ - комбинирующий механический и электротермический.

По виду технологии устройства предварительное напряжение подразделяется на:

• натяжение на упоры (до укладки бетона в опалубку);
• натяжение на бетон (после укладки и набора прочности бетона).

В то время как натяжение на упоры подразумевает только прямолинейную форму натянутой арматуры, важной отличительной особенностью натяжения на бетон является возможность натяжения арматуры сложной формы, что повышает эффективность армирования.

Применение преднапряженного железобетона имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным железобетоном:

• преднапряженный бетон является более экономичным материалом: расход стали, которая используется для производства арматуры, сокращается в среднем на 40-60%. Также на изготовление изделий из преднапряженного бетона уходит меньше цемента, уменьшается сечение, следовательно, становится меньше объем и вес;
• преднапряженный железобетон имеет прекрасную стойкость к трещинообразованию и дальнейшему их расширению, что, как следствие, предохраняет металлическую арматуру от появления коррозии. В особенности это важно для сооружений, находящихся в постоянном взаимодействии с водой (труб, резервуаров, плотин);
• предварительно напряженные железобетонные изделия могут использоваться для специальных строений, в которых нельзя или нежелательно применять типичные ЖБИ. В том числе благодаря тому, что уменьшается масса и объем, железобетон напряженный легче и проще использовать для стыков сборных частей конструкции. Это могут быть: балки кровельные и подкрановые, плиты для покрытий в помещениях промышленного назначения;
• Расширяется сфера применения материала. Его можно использовать не только для сборных, но и для монолитно-сборных сооружений. В этом случае его применяют только в тех участках, где наблюдается напряжение конструкции. В остальных же частях используется типичный легкий пенобетон, тяжелый бетон или монолитный железобетон.
• С течением времени увеличивается сейсмостойкость напряженно-армированных конструкций. Объясняется это тем, что в процессе изготовления используются более легкие материалы для сечения.

Сопротивление внешним воздействиям у преднапряженного железобетона происходит следующим образом: когда к предварительно напряженному железобетонному изделию приложена нагрузка, силы, которые раньше вызывали растяжение и растрескивание бетона в нижней части балки, теперь только уменьшают сжатие, созданное напряженной арматурой. В то же время сжатие верхней части балки под нагрузкой складывается со сжатием, созданным предварительным напряжением. Эффективность этого принципа заключается в том, что потенциальную прочность на сжатие высококачественного бетона можно использовать полностью, а его низкая прочность на растяжение не имеет никакого значения.

Принцип предварительного напряжения позволяет применять более легкие конструкции, что имеет особое значение при сооружении мостов, перекрытий с большим пролетом и подобных конструкций, в которых собственный вес сооружения составляет значительную часть от общей нагрузки, на которую оно рассчитано.

Обычно предварительно напряженный железобетонный элемент проектируется таким образом, чтобы при полной рабочей нагрузке в бетоне не возникало растягивающих напряжений. Однако если этот элемент будет перегружен, то при условии, что напряжения в арматуре не достигли предела текучести, он имеет способность к почти полному восстановлению после снятия нагрузки. Возникшие при перегрузке трещины в бетоне практически полностью исчезают.

В строительстве различают два вида предварительного напряжения арматуры: до затвердения бетона и после приобретения бетоном определенной прочности. Если напряжение арматуры производится до бетонирования, то уложенная в форму арматура растягивается и в таком состоянии закрепляется в форме. После заполнения формы бетонной смесью и затвердения бетона арматура освобождается от натяжения, сокращается и “тянет” за собой окружающий ее бетон, обжимая железобетонный элемент в целом. Если же напряжение арматуры производится после затвердения бетона, то в этом случае арматуру располагают в специально оставленном в бетоне канале. После затвердения бетона арматуру натягивают и закрепляют на концах конструкции анкерными устройствами. Затем заполняют канал раствором, который после затвердения сцепляется с арматурой и с бетоном конструкции, обеспечивая монолитность железобетона.

В наши дни армированный предварительно напряженной сталью бетон широко применяется в ЖБИ строительстве в качестве опорного и несущего элемента конструкций. Такие характеристики, как долговечность, прочность, сопротивляемость различным воздействиям со стороны окружающей среды, позволяют назвать преднапряженный железобетон самым прочным материалом, пригодным даже для строительства как в районах, где царит агрессивный климат, так и в случаях возникновения значительных статических и динамических нагрузок. Ввиду того, что предварительное напряжение арматуры не только предупреждает и нейтрализует появление трещин в растянутом бетоне, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры, неудивительно, что дальнейшее развитие строительства направлено на значительное увеличение выпуска тонкостенных предварительно напряженных железобетонных конструкций.