Преднапряжение: Преднапряжение

Конструктив — Системы снятия предварительного напряжения

Системы снятия предварительного напряжения входят в состав технологических линий. Их назначение — плавное снятие напряжения с технологического стенда, которое выполняется с пассивной стороны формовочной линии. Обязательными элементами системы снятия предварительного напряжения являются оснащенные опорными кольцами синхронизированные гидроцилиндры.  В действие цилиндры приводятся с помощью управляющей гидростанции.

Как правило, оборудование снятия напряжения PAUL, изначально интегрируется в силовую конструкцию формовочного стенда. Эта конструкция также изготавливается и монтируется компанией PAUL. Системы снятия предварительного напряжения могут быть также установлены и синхронизированы на технологических линиях других конструкций.

В зависимости от типа формовочного стенда, компанией PAUL поставляются синхронизированные цилиндры различной силы: от 200 до 10000 кН, и ходом поршня до 400 мм.

Для изготовления корпуса и днища стационарного гидроцилиндра одностороннего действия обычно используется единая заготовка (чан). Поверхность поршней проходит двойную обработку: изначально осуществляется высокого качества механическая обработка, а затем термическая, обеспечивающая жесткость 60-65 HRc. Процесс изготовления завершается хромированием.

Гидравлические цилиндры одностороннего действия устанавливаются с упором на поперечную перфорированную плиту стенда. Крепление простых цилиндров к формовочной линии производится с помощью стяжных замков или резьбовых штанг. Для стравливания давления в корпусе каждого цилиндра есть клапан.

Цилиндры оснащаются узкими — 40 мм, или широкими — 110-120 мм, разъемными опорными кольцами (оболочками). Они устанавливаются на гидроцилиндры при полном отсутствии давления. Части опорных колец соединяются друг с другом с помощью шарнира и быстродействующего затвора.

При формовке ЖБИ установленные на синхронизированные цилиндры разъемные кольца опираются на поперечную плиту.

При этом давление в цилиндрах отсутствует. По окончании формовки в систему подается давление, оболочки снимаются. Затем поршни с анкерной плитой перемещаются к цилиндру, тем самым обеспечивая плавное снятие напряжения с армирования.

Цилиндры снятия напряжения приводятся в действие управляющими насосными агрегатами PAUL с одиночными или двойными маслобаками объемом 50, 80, 100 или 160 л.

32.Влияет ли преднапряжение на прочность конструкций?

Прямо, непосредственно – нет. Из рис. 15 видно, что после образования трещин вся растягивающая сила N воспринимается только арматурой. Ее несущая способностьN_su = R_sA_sи определяет прочность элемента, независимо от того, был он преднапряженным или нет.

33. Почему в качестве напрягаемой арматуры не применяют “мягкую” сталь?

Не потому, что она “мягкая“, а потому, что у нее низкая прочность. Если ее натянуть даже до предела текучести, то со временем от воздействия усадки, ползучести бетона и других причин (см. вопрос 40) от преднапряжения почти ничего не останется, арматура “потеряет” свои начальные напряжения почти полностью. Тем не менее “мягкую” сталь класса А-III можно использовать в качестве преднапряженной арматуры, если ее заранее натянуть (вытянуть) до напряжений 450…500 МПа, превышающих предел текучести, а затем отпустить. После такой процедуры прежняя площадка текучести исчезает, а новая, очень небольшая площадка находится примерно на 1/3 выше прежней (рис. 16). Такая сталь называется “сталью, упрочненной вытяжкой” и обозначается А-IIIв.

Рис. 15 Рис. 16 Рис. 17

34. Почему в обычных конструкциях не применяют “твердую” сталь?

У “твердых” (высокопрочных) сталей расчетные сопротивления достигают 1000 МПа и более, в то время как при допустимом раскрытии трещин на ширину 0,2.

..0,3 мм напряжения в арматуре составляют всего 250…350 МПа. Ясно, что при таких напряжениях прочностные возможности высокопрочной арматуры используются слабо, поэтому ее применение попросту неэффективно.

35. Не снижается ли прочность напрягаемой арматуры в результате ее натяжения?

На первый взгляд, должна снижаться: ведь к началу приложения внешней нагрузки арматура уже натянута и часть своей прочности успела использовать. В действительности дело обстоит иначе. При передаче на бетон силы обжатия Р арматура и бетон совместно укорачиваются, поэтому в арматуре растягивающее усилие уменьшается на величинуР, а бетон обжимается силойN_b = P – P. Чтобы восстановить исходное состояние, к железобетонному элементу нужно приложить внешнюю растягивающую силуN = N_b

+ P, т.е.N = P(рис. 17). Следовательно, прочность арматуры сохраняется.

36. Чем ограничивается величина преднапряжения арматурыsp?

Верхний предел _spограничивается расчетным сопротивлением стали для 2-й группы предельных состоянийR_s,ser(численно равным нормативному сопротивлениюR_sn). При этом, чтобы избежать обрыва арматуры при случайном ее перенапряжении, учитывается возможное отклонениерпроектной величины_sp, поэтому_sp  R_s,ser  р. Другой предел ограничивается величиной 0,3R_s,ser + p, ниже которого преднапряжение бессмысленно. Значениярданы в Нормах проектирования.

37. Как натягивают арматуру?

Натягивают механическим (гидродомкраты, грузы, рычаги) или электротермическим методами. Сущность второго состоит в следующем: заготавливают стержни определенной, точно выверенной длины с анкерами по концам (см.

вопрос 39), нагревают их сильным током до температуры не выше 350…400^оС (иначе произойдет разупрочнение стали). При нагреве стержни удлиняются и в таком состоянии их закрепляют на упорах. В процессе охлаждения стержни стремятся укоротиться, т.е. вернуться в исходное состояние, но упоры этому препятствуют – в результате, в арматуре возникают растягивающие напряжения.

Технология преднапряжения в современном строительстве

Современные технологии строительства должны гарантировать многофункциональность строений, а также соответствовать новым и более жестким требованиям и стандартам. Благодаря технологии постнапряжения для предварительного напряжения железобетонных конструкций (перекрытий) в построечных условиях, после бетонирования и набора бетоном достаточной передаточной прочности появилась возможность строить здания с меньшим количеством опор, с более просторными помещениями и проемами и уменьшить толщину перекрытий. В особенности жесткие нормативы проектировки с учетом разделения помещений по количеству опор ограничивали возможности создания просторных секций.

Важным преимуществом применения арматурных прядей в пластиковой оболочке является гарантия эффективности проверки на наличие деформации и образования трещин, что было невозможно при использовании традиционной технологии. Технология постнапряжения перекрытий с использованием арматуры без сцепления была применена в строительстве конструкций и строений различного назначения. Данная система предусматривает использование натяжных арматурных прядей, размещаемых в каналообразующих трубах и фиксируемых посредством специальных анкерных устройств.

Постнатяжение прядей в трубе

Часть строительной промышленности, ориентированной на строительство коммерческих центров, супермаркетов, жилых или коммерческих помещений, гостиниц, несомненно, извлекает выгоду с точки зрения облегчения конструкций строений за счет уменьшения толщины перекрытий.

В то же время технология постнапряжения дает возможность сократить время на возведение опор (и отбивки их опалубки), что значительно сокращает время строительства.

Облегчение конструкции строения за счет натяжной арматуры в оболочке является значительным преимуществом при строении многоэтажных парковок по сравнению со сборными конструкциями. Кроме того, арматурные пряди в оболочке для конструкции фундамента дают возможность контролировать и ограничить образование трещин, что гарантирует герметичность конструкции и ее устойчивость к любым коррозийным агентам, которые обычно присутствуют в почве и поражают обычную арматуру бетона (подземные загрязненные воды). Перекрытия, реализованные по технологии постнапряжения с использованием арматурных прядей в оболочке, являются более устойчивыми и надежными при землетрясениях. Равномерное обжатие по всей поверхности, создаваемое при использовании этой технологии при строительстве резервуаров и силосов, гарантирует отсутствие трещин и герметичность.

Диаметр используемой пряди T15 — 15,2 мм, компактное сечение — 165 мм2. Пряди защищены смазкой, в качестве внешней оболочки используется полиэтиленовая труба (называемая также «канал»), изготовленная экструзионным методом. Данные покрытия из смазочного материала и полиэтилена являются двойным защитным антикоррозийным слоем и неотъемлемой частью системы постнапряжения без сцепления с бетоном. Толщина полиэтиленовой трубы голубого цвета составляет около 1,5 мм. Стыки соединения труб и анкеров защищены специальными соединительными элементами, а каждый анкер имеет защитный колпачок, что гарантирует надежную защиту от коррозии даже в агрессивной среде.

Технология постнапряжения с использованием арматурных прядей в пластиковой оболочке представляет собой антикоррозийную систему на стадии строительства и гарантирует низкую потерю на трение.Экономичность строительства гарантируют быстрота и простота позиционирования и крепления легких и гибких прядей в трубе.

Преимущества технологии преднапряжения

Преднапряжение со сцеплением или без сцепления

Последовательность выполнения строительных работ

Детали проектирования

Данные для расчёта потерь и расчёт удлинения

Основы расчета железобетона.

200 вопросов и ответов, стр. №9

Условие равновесия: Ncrc = Nbt + Ns, где Nbt = RbtAb, Ns = P2 + DNsp = ssp2Asp + 2aRbtAsp. Окончательно: Ncrc= P2 + Rbt (Ab+ 2aAsp).Стадия 6 – после образования трещин бетон выключается из работы и всю нагрузку воспринимает одна арматура (так же, как элемент с обычной арматурой на стадии 3).

Таким образом, трещиностойкость (т.е. усилие образования трещин Ncrc) преднапряженного элемента по сравнению с обычным выросла на величину силы обжатия Р2 (рис. 24,в). Подобные же стадии работы и у изгибаемых элементов, только с более сложными эпюрами напряжений.

51. Почему напряжения при обжатии определяют исходя из упругих деформаций бетона?

В первые мгновения после передачи усилия обжатия бетон работает практически упруго, а напряжение sbp в нем можно определять по обычным формулам сопромата. От величин именно этих напряжений зависят в дальнейшем деформации ползучести, а от них – и потери напряжений в напрягаемой арматуре. Как видим, в этом случае никаких погрешностей в расчете нет. Для случая расчета по закрытию трещин объяснение дано в вопросе 162.

Для остальных случаев заведомо допускается некоторая погрешность, чтобы исключить неоправданное усложнение расчетов. Однако погрешность эта компенсируется поправочными коэффициентами, например, коэффициентом j при подсчете величины радиуса ядра сечения и коэффициентом g при подсчете величины упруго-пластического момента сопротивления (см. вопрос 152).

52. Есть ли смысл создавать преднапряжение в элементах, сжатых внешней нагрузкой?      

На первый взгляд, это кажется бессмысленным. Действительно, зачем к сжатию бетона внешней нагрузкой добавлять еще и предварительное обжатие? И все же такие случаи встречаются. Например, для многоэтажных зданий иногда изготавливают цельные, очень длинные колонны, что весьма удобно для монтажников – исключается трудоемкая стыковка коротких колонн. Но поднять и перевести длинную колонну невозможно: или она сломается, или в ней образуются недопустимо широкие трещины под воздействием изгибающего момента МW от собственного веса qW (рис. 25,а). Если колонну изготовить преднапряженной, то вместо работы только на изгиб она будет работать на сжатие (Р) с изгибом (МW), т.е. на внецентренное сжатие. Причем силу обжатия Р можно подобрать таким образом, что растягивающих напряжений в бетоне вообще не будет. Аналогичное решение применяют и к длинным сваям.

Другой пример: в изгибаемых элементах в зоне, которая будет сжата от внешней нагрузки, могут образовываться недопустимо широкие трещины на стадии обжатия силой Р. Если нельзя уменьшить Р, то приходится ставить напрягаемую арматуру S´p в сжатой зоне и создавать еще одну силу обжатия Р´ (рис. 25,б).

Разумеется, напрягаемая арматура в сжатой зоне играет положительную роль, пока конструкция не загружена внешней нагрузкой. Далее ее роль отрицательна, за исключением одного случая: если ssc,u— ssp2 > 0, то в напрягаемой арматуре растягивающие напряжения перейдут в сжимающие и она начнет работать как обычная сжатая арматура (здесь ssp2 – величина преднапряжения с учетом всех потерь, а ssc,u – предельные напряжения в стали, которые могут быть достигнуты в момент разрушения сжатого бетона; их принимают равными 500, 400 или 330 МПа в зависимости от длительности действия сжимающей нагрузки на бетон; см. также вопрос 27).

Рис. 25, Рис. 26

53. Что такое самоанкерующаяся арматура?

Силу натяжения арматуры можно передать на бетон двумя способами: через концевые анкера (рис. 26,а) или за счет сил сцепления (рис. 26,б). Первый способ применяют, преимущественно, при натяжении на бетон, второй — на упоры. При втором способе анкера не нужны, арматура сама заанкеривается в бетоне, поэтому и называется самоанкерующейся. Такой арматуре для уравновешивания силы обжатия Р необходимо иметь достаточную сумму сил сцепления (∑Тсц =Р), которые действуют в концевом участке – этот участок называется зоной передачи напряжений lp. Длина lp тем меньше, чем больше силы сцепления Тсц, которые зависят от профиля арматуры, ее диаметра d, передаточной прочности бетона Rbp и, конечно же, от величины преднапряжения ssp. Величину lp определяют по формуле: lp = (w ssp/Rbp +lp)d, где w и lp – эмпирические коэффициенты, учитывающие профиль арматуры.

В соответствии с характером действия Тсц меняется и усилие обжатия Рx – от нуля в торце до Р в конце зоны lp. Величина Рx меняется по сложному закону (пунктирная линия на рис. 26,б), для простоты расчетов замененному линейным законом: Рx = (lx / lp)Р ≤ Р. Очевидно, что по такому же закону меняются и напряжения обжатия в бетоне sbp.

54. В каких расчетах используют lp?

Используют тогда, когда необходимо учесть уменьшение силы обжатия бетона и ослабление сцепления арматуры с бетоном в концевых участках, т.е. в расчете трещиностойкости опорных участков (наклонные сечения), в расчете прочности наклонных сечений на изгибающий момент, в расчете прочности и трещиностойкости нормальных сечений концевых участков при действии монтажных и транспортных нагрузок и т.п. Когда дело касается учета анкеровки напрягаемой арматуры, то составители Норм проектирования, упрощая задачу, предложили принимать большее из значений lan (см. вопрос 17) иlp.

В действительности же, природа сцепления при выдергивании арматуры и при передаче усилия ее натяжения на бетон совершенно различна: если в первом случае арматура максимально смещается относительно бетона вблизи опасной трещины, то во втором – в торце конструкции.

55. С какой целью в концевых участках преднапряженных конструкций устанавливают косвенную арматуру?

Напрягаемые стержни, канаты, проволока представляют собой сосредоточенные силы, приложенные в торцах конструкций. Самоанкерующаяся арматура, кроме того, работает как клин, сужающийся по длине lp (сужение происходит от поперечных деформаций, пропорциональных продольным). В итоге, в бетоне образуются продольные трещины, которые можно предотвратить или сдержать арматурой поперечного направления. Сдерживая поперечные деформации, она косвенно повышает прочность бетона (см. вопрос 8) – отсюда и название “косвенная арматура”. Косвенной арматурой могут служить сварные сетки, спирали, анкера закладной детали и т.п. Косвенная арматура должна устанавливаться с шагом 50…100 мм на длине не менее 0,6lp.

Страницы:

%d1%81%d0%bf%d0%be%d1%81%d0%be%d0%b1%20%d0%bf%d1%80%d0%b5%d0%b4%d0%b2%d0%b0%d1%80%d0%b8%d1%82%d0%b5%d0%bb%d1%8c%d0%bd%d0%be%d0%b3%d0%be%20%d0%bd%d0%b0%d0%bf%d1%80%d1%8f%d0%b6%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d1%8f%20%28%d0%b0%d1%80%d0%bc%d0%b0%d1%82%d1%83%d1%80%d1%8b%20 — со всех языков на все языки

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАканАлтайскийАрагонскийАрабскийАстурийскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБагобоБелорусскийБолгарскийТибетскийБурятскийКаталанскийЧеченскийШорскийЧерокиШайенскогоКриЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийВаллийскийДатскийНемецкийДолганскийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГэльскийГуараниКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийВерхнелужицкийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнупиакИнгушскийИсландскийИтальянскийЯпонскийГрузинскийКарачаевскийЧеркесскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийКомиКиргизскийЛатинскийЛюксембургскийСефардскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМаньчжурскийМикенскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийКомиМонгольскийМалайскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийНауатльОрокскийНогайскийОсетинскийОсманскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийАрумынскийРусскийСанскритСеверносаамскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиШумерскийСилезскийТофаларскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийТувинскийТвиУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВьетнамскийВепсскийВарайскийЮпийскийИдишЙорубаКитайский

 

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАлтайскийАрабскийАварскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБелорусскийБолгарскийКаталанскийЧеченскийЧаморроШорскийЧерокиЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийДатскийНемецкийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГалисийскийКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнгушскийИсландскийИтальянскийИжорскийЯпонскийЛожбанГрузинскийКарачаевскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийЛатинскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийМонгольскийМалайскийМальтийскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийОсетинскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПуштуПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийРусскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиТамильскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВодскийВьетнамскийВепсскийИдишЙорубаКитайский

Предварительно-напряженный бетон — Как сделать ремонт квартиры самостоятельно?

 Предварительно-напряженный бетон получается при совместном действии бетона и высокопрочной стали, которая предварительно напрягается. Применяемая для этого сталь называется преднапрягаемой сталью, а предназначенный для преднапряжения арматурный элемент называется напрягающим элементом. Предварительное напряжение возникает, когда напрягаемые элементы натягиваются и в напряженном состоянии связываются с бетоном. При этом внутри конструкции получается сжатие, которое обеспечивает жатое состояние всего сечения конструкции. Конструкции предварительно напрягаются преимущественно в продольном направлении. В предварительно-напряженных бетонных конструкциях кроме напрягаемой арматуры требуется еще и арматура из обычной прутковой стали, которая называется ненапрягаемой или вспомогательной арматурой.

В преднапряженном бетоне согласно DIN 1045 различаются несколько видов. Различие заключается в степени преднапряжения, по времени напряжения и по виду связи между напрягающим элементом и бетоном. Различаемыми признаками являются величина напрягающего усилия и техника преднапряжения.

Принцип предварительно-напряженного бетона

Принцип предварительно-напряженного бетона основан на том, чтобы в бетоне под нагрузкой создать сжатие там, где под нагрузкой должно было бы возникнуть растяжение. При этом прочности строительных материалов могут быть использованы полностью. Это позволяет применять меньшие сечения элементов и иметь меньшие нагрузки от собственного веса, чем при обычном железобетоне, в котором на основе связи между арматурой и бетоном в растянутой зоне сечения при увеличивающемся прогибе могут возникнуть трещины (рис. 1).

 

Рис. 94. Поведение железобетонных и пред-варительно-напряженных бетонных конструкций под нагрузкой

Под полезной нагрузкой все сечение будет работать на сжатие. Поэтому в растянутой зоне конструкции в бетоне не будет образовываться трещин. Путем установки напрягаемого элемента в сечении можно по-разному влиять на собственное напряженное состояние конструкции.

По виду установки напрягаемых элементов различают внецентренное и центральное предварительное напряжение. При внецентренном пред-напряжении в растянутой зоне конструкции, работающей, например, на изгиб, возникает такое большое предварительное напряжение, которое будет равно тому растягивающему напряжению, которое могло бы иметь место в будущем при действии полезной нагрузки (рис. 2). Таким образом, под действием этой полезной нагрузки не будет возникать растяжение, а произойдет снижение сжимающей нагрузки. При центральном преднапряжении напрягаемые элементы располагаются по оси центра тяжести сечения (рис. 3). При этом по всему сечению возникает равномерное усилие сжатия. Под действием полезной нагрузки в растянутой зоне балки сжимающее усилие снижается полностью или частично, а в сжатой зоне образуется дополнительное сжимающее усилие.

Рис. 2. Внецентренное предварительное напряжение

Рис. 3. Центральное преднапряжение

Внецентренное преднапряжение требует, в противоположность центральному, меньшее усилие напряжения и применяется, как правило, в изгибаемых элементах. Положение напряженных элементов должно соответствовать эпюре изгибающих моментов (рис. 4).

Рис. 4. Расположение напрягающего элемента в двухпролетной балке

Центральное преднапряжение ограничивается конструкциями, у которых моменты не имеют определенного направления, как, например, в железобетонных мачтах вследствие переменной по направлению нагрузки.

Виды предварительно напряженного бетона

По виду связи и по времени напряжения напрягающего элемента согласно DIN 1045 различают между преднапряжением с немедленной связью, преднапряжением с последующей связью, преднапряжением перед твердением бетона на натяжном стенде и преднапряжением после твердения бетона с последующей связью. (В российской практике различаются два вида предварительного напряжения, которые называются преднапряжением на бетон и преднапряжением на упоры).

Напряжение перед твердением бетона (напряжение на упоры).

Этот метод требует особых приспособлений, таких, как, например, натяжной стенд. Натяжным стендом называется установка, которая состоит из двух несдвигаемых упоров и напрягающего домкрата (рис. 5). Напрягаемые элементы или напрягаемая проволока вместе с ненапрягаемой арматурой устанавливаются в опалубку и напрягаются. Они располагаются, как правило, прямолинейно. После этого можно производить бетонирование, причем между бетоном и напрягаемым элементом возникает непосредственная связь. Бетон должен соответствовать классу прочности не менее С30/37. После твердения бетона и набора расчетной прочности анкеровка напрягаемых элементов освобождается, при этом напрягающее усилие передается бетону. Этот метод применяется на бетонных заводах для серийного производства балок. Он называется также напряжением на стенде с немедленной связью.

Рис. 5. Предварительное напряжение на стенде

Напряжение после твердения бетона с последующей связью (напряжение на бетон).

Этот метод применяется, как правило, для изготовления предварительно напряженных конструкций на строительной площадке. Напрягающие элементы прокладываются в специальных трубах, служащих каналами скольжения (рис. 6). После этого можно бетонировать, причем бетон должен соответствовать классу прочности не менее С25/30. Способ работы при установке напрягающих элементов зависит от условий на стройплощадке и от положения напрягающего элемента. Более короткие напрягающие элементы могут устанавливаться вместе с ненапрягаемой арматурой, а длинные напрягающие элементы устанавливаются после установки ненапрягаемой арматуры.

Рис. 6. Предварительное напряжение с последующей связью (на бетон)

Кроме того, имеется возможность напрягаемую арматуру заводить в забетонированные каналы после твердения бетона (рис. 7). При этом говорят о подключении напрягаемой арматуры. Когда бетон достигнет определенной прочности, напрягающие элементы с помощью гидравлических прессов натягиваются и затем закрепляются (табл. 1). После напряжения и закрепления на бетоне кожуховая труба канала запрессовывается раствором. При этом возникает связь между бетоном и напрягающим элементом. Для изображения напрягающих элементов в арматурных чертежах применяются символы согласно DIN 1356-10 (рис. 8).

Рис. 7. Предварительно изготовленные каналы — кожуховые трубы

Рис. 8. Изображение напрягающих элементов

Таблица 1. Минимальные прочности бетона fcmj [МН/м2] при предварительном напряжении
Класс прочности бетона	С25/30	С30/37	С35/45	С40/45
Цилиндрическая прочность на сжатие при частичном преднапряжении	13	15	17	19
Цилиндрическая прочность на сжатие при окончательном преднапряжении	26	30	34	38

Строительные материалы

Использование свойств бетона и стали до допустимого предела напряжений требует применения высококачественных строительных материалов.

Для изготовления бетона могут применяться все нормальные цементы классов прочности 42,5 и 52,5, а также портланд- и доменный портландцемент класса прочности 32,5. Состав и гранулометрический состав заполнителя должны быть определены при испытаниях на соответствие. Зерна заполнителя и вода затворения должны быть свободны от вредных примесей. Значение w/z необходимо держать как можно ниже. Добавки к бетону могут применяться только тогда, когда они допущены к применению для преднапряженного бетона в испытательном сертификате.

При применении преднапряженного бетона особые требования предъявляются к твердению бетона. Ими являются высокая прочность на сжатие и малая склонность к усадкам и ползучести. Причиной усадки является высыхание молодого бетона. Величина усадки в значительной степени зависит от водосодержания бетона, от влажности воздуха и от размеров конструкции. Ползучесть бетона наступает под длительно действующей нагрузкой. Величина ползучести в особенности зависит от размеров конструкции, от степени твердения бетона и от нагрузки. Усадка и ползучесть являются причиной укорочения конструкции, которая должна учитываться при напряжении конструкции.

В качестве напрягаемой стали для напрягающих элементов (рис. 9) может применяться только сталь, для которой имеется допуск строительного надзора. Так как напрягающие элементы служат для создания предварительного напряжения в бетоне, то напрягаемые стали должны иметь особые свойства, как, например, очень высокую прочность на растяжение и хорошее сцепление с бетоном.

Рис. 9. Напрягающие элементы

Раствор для запрессовки служит при преднапряжении с последующей связью для обеспечения связи и в качестве коррозионной защиты.

Он запрессовывается в трубы каналов таким образом, чтобы пустоты между преднапрягаемой арматурой и между преднапрягаемой арматурой и стенкой канала были полностью заполнены. Это требует применения раствора, который обладает достаточной текучестью и не осаждается при запрессовывании. Затвердевший раствор должен иметь прочность не менее 30 МН/м2, а также быть плотным и, кроме того, морозостойким. В качестве раствора для запрессовки применяется водоцементная смесь со значением w/z ≤ 0,4, с допущенными для предварительно напряженного бетона добавками, например ЕН.

Напрягающий элемент

Стальные элементы, которые служат для создания предварительного напряжения в конструкции, называются напрягающими элементами. Напрягаемая сталь со связью, которая обеспечивается сразу, забетонируется без кожуховых каналов.

При предварительном напряжении с последующей связью напрягаемая сталь должна заводиться в кожуховые каналы. Различают напрягающие элементы из отдельных стержней и из пучков. Пучки могут приготавливаться из гладких или из ребристых проволок или из прядей. Напрягаемая сталь должна быть чистой и свободной от вредящей ржавчины и не должна быть мокрой. Поэтому изготовление готовых напрягающих элементов должно производиться в крытых цехах.

Кожуховые каналы изготавливаются из волнистой стальной жести. Из-за волнообразной формы поверхности обеспечивается хорошая жесткость трубы и хорошая связь с бетоном конструкции, а также возможность на стыках навинчивать соединительные муфты. Кожуховые трубы должны быть плотными, чтобы внутрь не могло попасть цементное молоко при бетонировании конструкции. Они не должны сгибаться или получать другие повреждения при заполнении опалубки бетоном. Для того чтобы при последующем запрессовывании канала раствором из него мог выходить воздух, в длинные напрягающие элементы должны встраиваться трубочки для воздухоотведения.

Заанкеривания служат как для закрепления напрягаемых проволок, так и для передачи напрягающих усилий на бетон конструкции. Различают напрягающие анкеры и прочные (глухие) анкеры. Тогда как глухие анкеры просто держат напрягаемую сталь на бетоне (рис. 11), напрягающие анкеры используют для напряжения и анкеровки напрягаемой арматуры. Напрягающие анкеры, называемые также напрягающими головками, состоят, как правило, из анкерной плиты и тела анкера (рис. 10). Анкерная плита закрывает со стороны бетона через переходный штуцер кожуховую трубу канала. Тело анкера устроено таким образом, что концы напрягаемой арматуры после натяжения могут удерживаться. В случае пучковых напрягающих элементов анкерная плита имеет приспособление для распирания напрягаемой стали. Часто применяемые приспособления для заанкеривания — это резьбовое заанкеривание, заанкеривание расклиниванием и петлевое заанкеривание. Заанкеривание при больших усилиях напряжения требует применение спиральнонавивной арматуры в районе передачи усилий. При этом усилия распределяются и повышается связь арматуры с бетоном.

Рис. 10. Напрягаемй анкер

Рис. 11. Прочный (глухой) анкер

Предварительное напряжение

Под предварительным напряжением понимают передачу напрягающего усилия и заанкеривание концов стержней через напрягающий анкер на затвердевшем бетоне. Предварительное напряжение в преднапряженном бетоне с последующей связью может происходить только тогда, когда бетон приобретет определенную прочность (см. табл. 1). Преднапряжение передается по определенной программе. О процессе преднапряжения составляется протокол предварительного напряжения.

Приспособления для преднапряжения Для натяжения напрягаемой арматуры применяются почти исключительно гидравлические напрягающие прессы (рис. 12). При натяжении напрягающее усилие и путь натяжения должны быть точно измеряемыми. В качестве плоскостисопротивления для прессов служат анкерные плиты напрягающих элементов. Усилие пресса должно быть согласовано с напрягающим усилием напрягающего элемента, видом передачи усилия на его поперечное сечение и видом его заанкеривания.

Рис. 12. Гидравлический пресс для натяжения арматуры

Процесс натяжения

Предварительное напряжение должно происходить таким образом, чтобы усилия сжатия по всему сечению бетона равномерно увеличивались. Поэтому напрягающие элементы напрягаются один за другим в последовательности, указанной в программе напряжения.

Преднапряжение производится ступенчато. Если достигнуто полное усилие преднапряжения, то концы стержней удерживаются на местах анкеровки, и после этого кожуховые трубы запрессовываются раствором.

Запрессовка должна происходить как можно быстрее по условиям защиты от коррозии. Необходимо следить за тем, чтобы температура в кожуховой трубе и в окружающем бетоне конструкции не была ниже +5 °С. Процесс запрессовки должен проводиться с одной стороны непрерывно и без перерывов. Перед запрессовкой канал напрягаемой арматуры промывается водой и продувается сжатым воздухом. С помощью запрессовывающего насоса раствор под небольшим давлением медленно и равномерно подается прямо из миксера или растворомешалки по насосному шлангу через запрессовочное отверстие в кожуховый канал. Запрессовочное отверстие, как правило, находится в анкерной плите напрягающего элемента. Через трубочки для удаления воздуха, которые в большинстве расположены в верхней части напрягающего элемента, можно наблюдать процесс запрессовки. Отверстия для удаления воздуха будут закрываться, когда раствор продвинулся достаточно далеко. Если раствор выходит из отверстий для удаления воздуха на противоположном конце напрягающего элемента при одинаково остающейся консистенции, то процесс запрессовки может быть окончен.

Преимущества предварительно-напряженного бетона

Предварительно-напряженный бетон представляет собой дальнейшее развитие железобетона. В железобетоне вследствие малой прочности бетона на растяжение могут быть только частично использованы свойства бетона и стали. В то же время в преднапряженном бетоне они используются полностью. Если сравнивать между собой железобетон и преднапряженный бетон, то преднапряженный бетон более предпочтителен для конструкций больших пролетов. Экономичность предварительно-напряженного бетона основана на более высокой несущей способности его при одновременной экономии материалов. Его преимущество в строительно-технической области — это малые деформации строительных конструкций, отсутствие трещин в бетонных поверхностях и связанная с этим защита от коррозии. Без предварительного напряжения нельзя изготовить экономичные стройные большепролетные конструкции и сооружения, например, в строительстве мостов (рис. 13) и в сборном строительстве.

Рис. 13. Пролетное строение и плита проезжей части

Система преднапряжения при помощи стержней PSK-DSI

Область применения:

• Мостостроение – поперечное преднапряжение плит пролетных строений, преднапряжение ригелей опор, крепление металлических аванбеков к железобетону, преднапряжение коротких конструкций, реализация стыков металл-бетон, устройство вант и подвесок для небольших мостов
• Гражданское строительство преднапряжение коротких бетонных элементов, устройство затяжек ферм (металлических и деревянных)
• Промышленное строительство – крепление оборудования к фундаментам

Принцип работы системы:

Преднапряжение осуществляется за счет натяжения высокопрочных стержней, имеющих резьбу по всей длине. Наличие резьбы позволяет осуществлять стыковку стержня по длине в любой точки при помощи муфты, а также его анкеровку при помощи закручивания анкерной гайки.

Системы преднапряжения на основе стержневой арматуры наиболее эффективны при использовании в коротких элементах, так как обеспечивают наименьшие потери натяжения при небольшой длине.

Стержневая арматура винтового профиля может быть использована как при преднапряжении железобетонных, так и стальных и деревянных конструкций, а также для реализации стыков бетон-металл и вант. Анкеровка осуществляется при помощи анкерных плит и гаек, стержень может быть состыкован в любом месте при помощи винтовых муфт.

На данный момент нашей компанией предлагается система преднапряжения на основе стержневой арматуры винтового профиля диаметров 26.5, 32, 36, 40 мм из стали марки 950/1050 Н/мм² со сцеплением с бетоном и без.

Отличительные особенности

• Анкеровка преднапрягаемого элемента при помощи резьбы позволяет минимизировать проскальзывание и соответственно потери натяжения при преднапряжении коротких элементов. Стержневая арматура имеет более высокую жесткость, чем канатная;
• Система может быть использованна и как система со сцеплением с использованием металлического каналлообразователя, так и как система без сцепления с использованием пластиковой или металлической гладкой трубы.

Почему Prestress? — Национальная ассоциация сборного железобетона

Типы, преимущества и история предварительно напряженного бетона.

Абдул Хан

Чем больше, тем лучше, как сказали бы многие представители строительной и мостовой промышленности, и это, безусловно, верно в отношении сборных железобетонных изделий. Стальные арматурные стержни добавляют большую прочность крупным бетонным изделиям, но сама по себе арматура не может обеспечить прочность на разрыв, необходимую для сборных железобетонных изделий, которые растягиваются на большую длину.Есть немного волшебства, которое придает достаточную силу этим огромным изделиям, и это называется предварительным напряжением.

Развитие

Чтобы передать представление о том, как работает предварительное напряжение, представьте себе бочку, сделанную из деревянных клепок и металлических лент. По крайней мере, так Т.Ю. Лин, профессор гражданского строительства Калифорнийского университета, описал это во вступительной главе своей книги «Проектирование предварительно напряженных бетонных конструкций».

Лин говорит, что основной принцип предварительного напряжения применялся в строительстве, возможно, столетия назад, когда веревки или металлические ленты наматывались на деревянные посохи, образуя бочку (см. Рис. 1).Когда ленты были затянуты, они находились под предварительным напряжением растяжения, которое, в свою очередь, создавало предварительное напряжение сжатия между стойками и позволяло им противостоять кольцевому натяжению, создаваемому внутренним давлением жидкости. Другими словами, ленты и стойки были предварительно напряжены до того, как они подверглись какой-либо служебной нагрузке.

Говоря более формально, предварительное напряжение означает преднамеренное создание постоянных напряжений в конструкции или сборке для улучшения ее поведения и прочности в различных условиях эксплуатации.

Предварительно напряженные арматуры (обычно из высокопрочных стальных тросов или стержней) используются для создания зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение для компенсации растягивающего напряжения, которое бетонный сжимающий элемент в противном случае испытал бы из-за изгибающей нагрузки (см. Рисунок 2).

Классификация и типы

Конструкции из предварительно напряженного железобетона можно классифицировать по ряду направлений в зависимости от их особенностей конструкции и конструкции. Следующие типы предварительного напряжения могут быть выполнены тремя способами: предварительно напряженный бетон и связанный и несвязанный предварительно напряженный бетон.

Бетон с предварительным напряжением. Предварительно натянутый бетон заливается вокруг уже натянутых арматурных элементов. Этот метод обеспечивает хорошее сцепление между арматурой и бетоном, которое защищает арматуру от коррозии и обеспечивает прямую передачу напряжения. Затвердевший бетон прилипает к стержням и сцепляется с ними, а когда напряжение снимается, оно передается бетону в виде сжатия за счет статического трения. Однако для этого требуются прочные точки крепления, между которыми должно быть растянуто сухожилие, и поэтому сухожилие обычно образует прямую линию.

Большинство предварительно напряженных железобетонных изделий изготавливаются на заводе и должны быть доставлены на строительную площадку, что ограничивает их размер. Примерами изделий с предварительным натяжением являются элементы балконов, перемычки, колонны, массивные плиты, пустотелые плиты, тройники, стены, сэндвич-панели, балки ригелей, двутавровые балки, балки с тавровыми балками и фундаментные сваи.

Связанный бетон после растяжения. Связанный после растяжения бетон — это описательный термин, обозначающий метод сжатия после заливки бетона и процесса отверждения (на месте).Бетон заливается вокруг изогнутых каналов из пластика, стали или алюминия, которые размещаются в области, где в бетонном элементе может возникнуть напряжение. Перед заливкой бетона через воздуховоды вылавливают связки. После затвердевания бетона арматура натягивается гидравлическими домкратами, которые воздействуют на бетонный элемент. Когда сухожилия достаточно растянуты, в соответствии с проектными спецификациями, они закрепляются в нужном положении и сохраняют натяжение после снятия домкратов, передавая давление на бетон.Затем отверстия воздуховодов заливаются раствором для защиты жилы от коррозии.

Этот метод обычно используется для создания монолитных плит для строительства домов в местах, где обширные почвы создают проблемы для типичного фундамента по периметру. Все напряжения от сезонного расширения и сжатия нижележащего грунта принимаются на всю напряженную плиту, которая поддерживает здание без значительного прогиба.

Пост-напряжение также используется при строительстве различных мостов, как после затвердевания бетона после опоры с помощью опалубки, так и при сборке сборных секций, как в сегментном мосту.Преимущества этой системы перед постнатяжением без скрепления:

• Значительное снижение требований к традиционной арматуре
• Сухожилия можно легко «сплести», что обеспечивает более эффективный подход к проектированию.
• Более высокий предел прочности за счет связи между прядью и бетоном
• Нет долгосрочных проблем с сохранением целостности анкера / тупика

Бетон без сцепления с последующим напряжением. Бетон с последующим натяжением без сцепления отличается от бетона с последующим натяжением со связующим тем, что каждому кабелю предоставляется постоянная свобода движения относительно бетона.Для этого каждое отдельное сухожилие покрывается консистентной смазкой и покрывается пластиковой оболочкой, сформированной в процессе экструзии. Передача напряжения на бетон достигается за счет воздействия стального троса на стальные анкеры, встроенные по периметру плиты.

Недостатком по сравнению с последующим натяжением со связующим является тот факт, что кабель может разрушиться и вырваться из плиты в случае повреждения (например, во время ремонта плиты). Преимущества этой системы по сравнению со склеенным дополнительным натяжением:

• Возможность индивидуальной регулировки тросов в зависимости от плохих полевых условий
• Устранение пост-напряжения цементного раствора
• Способность разрушать сухожилия перед попыткой ремонта

Материалы

Согласно AASHTO, предварительно напряженная арматура должна быть высокопрочной семипроволочной прядью, высокопрочной стальной проволокой или прутками из высокопрочного сплава той марки и типа, которые указаны инженером-проектировщиком.Семипроводная прядь без покрытия должна соответствовать требованиям AASHTO M 203 (ASTM A 416). Дополнение S1 (низкая релаксация) применяется, если указано.

Для предварительно напряженных работ обычно требуется более прочный бетон, чем для армированных работ. Современная практика требует минимальной 28-дневной прочности цилиндра 5 000 фунтов на квадратный дюйм. Предварительно напряженный бетон требует высокой прочности по нескольким причинам. Во-первых, с целью минимизации затрат коммерческие анкерные крепления для предварительно напряженной стали всегда проектируются для высокопрочного бетона.Следовательно, более слабый бетон либо потребует специальных анкеровок, либо может разрушиться под действием предварительного напряжения. Кроме того, бетон с высокой прочностью на сжатие обеспечивает высокое сопротивление растяжению и сдвигу, а также сцепление и опору, и желателен для предварительно напряженных бетонных элементов, различные части которых подвергаются более высоким напряжениям, чем обычный железобетон.

Еще одним фактором является то, что высокопрочный бетон менее склонен к образованию усадочных трещин. Он также имеет более высокий модуль упругости и меньшую деформацию ползучести, что приводит к меньшим потерям предварительного напряжения в стали.

Преимущества предварительно напряженного бетона

Предварительно напряженный бетон — один из самых надежных, долговечных и широко используемых строительных материалов в строительстве и строительстве мостов во всем мире. Компания внесла значительный вклад в строительную отрасль, промышленность по производству сборного железобетона и цементную промышленность в целом. Это привело к огромному количеству структурных применений, включая здания, мосты, фундаменты, гаражи, водонапорные башни, ядерные реакторы, телебашни и морские буровые платформы.

К преимуществам предварительно напряженного бетона можно отнести:

• Меньшая стоимость строительства
• Более тонкие плиты, которые особенно важны в многоэтажных зданиях, где снижение толщины пола может привести к созданию дополнительных этажей по той же или меньшей цене
• Меньшее количество стыков, так как расстояние, на которое могут быть натянуты плиты после натяжения, превышает расстояние для армированной конструкции той же толщины
• Увеличение длины пролета увеличивает полезную свободную площадь пола в зданиях и парковочных сооружениях
• Меньшее количество стыков ведет к снижению затрат на техническое обслуживание в течение расчетного срока службы конструкции, поскольку стыки являются основным источником слабых мест в бетонных зданиях.

История предварительного напряжения

Искусство предварительного напряжения бетона развивалось на протяжении многих десятилетий и из многих источников, но мы можем указать на несколько избранных примеров в истории, которые привели к появлению этой технологии.

В Соединенных Штатах инженер Джон Роблинг основал в 1841 году фабрику по производству канатов из железной проволоки, которую он первоначально продал, чтобы заменить канат из конопли, используемый для подъема автомобилей по железной дороге в центральной Пенсильвании. Позже Роблинг использовал стальные тросы в качестве подвесных тросов для мостов и разработал технику скручивания тросов на месте.

В 19 веке дешевое производство чугуна и стали, в сочетании с изобретением портландцемента в 1824 году, привело к развитию железобетона. В 1867 году французский садовник Жозеф Монье запатентовал метод укрепления тонких бетонных цветочных горшков путем встраивания в бетон металлической проволочной сетки. Позже Монье применил свои идеи к патентам на здания и мосты.

Использование швейцарским инженером Робертом Майяром железобетона с 1901 года произвело революцию в строительном искусстве.Майяр, все главные мосты которого расположены в Швейцарии, был первым дизайнером, который полностью нарушил традицию каменной кладки, придав бетону формы, технически соответствующие его свойствам, но при этом удивительные визуально. Его радикальное использование железобетона произвело революцию в конструкции арочного моста из каменной кладки.

Идея предварительного напряжения бетона была впервые применена Эженом Фрейссине, французским инженером-строителем, в 1928 году в качестве метода преодоления естественной слабости бетона при растяжении.Предварительно напряженный бетон теперь можно использовать для изготовления балок, перекрытий или мостов с более длинным пролетом, чем это практично для обычного железобетона.

Абдул Кан — директор отдела технических услуг NPCA и бывший президент ASCE — Illinois Section 2006.

Предварительно напряженный бетон

Хотя предварительно напряженный бетон был запатентован инженером из Сан-Франциско в 1886 году, он стал общепринятым строительным материалом лишь полвека спустя. Дефицит стали в Европе после Второй мировой войны в сочетании с технологическими достижениями в области высокопрочного бетона и стали сделали предварительно напряженный бетон предпочтительным строительным материалом во время послевоенного восстановления Европы.Однако первая в Северной Америке конструкция из предварительно напряженного бетона, Мемориальный мост Уолнат-Лейн в Филадельфии, штат Пенсильвания, была построена только в 1951 году.

В обычном железобетоне высокая прочность на растяжение стали в сочетании с высокой прочностью бетона на сжатие образует конструкционный материал, устойчивый как на сжатие, так и на растяжение. Принцип, лежащий в основе предварительно напряженного бетона, заключается в том, что сжимающие напряжения, создаваемые арматурой из высокопрочной стали в бетонном элементе до приложения нагрузок, уравновешивают растягивающие напряжения, возникающие в элементе во время эксплуатации.

Предварительное напряжение устраняет ряд конструктивных ограничений, накладываемых обычным бетоном на пролет и нагрузку, и позволяет строить крыши, перекрытия, мосты и стены с более длинными пролетами без опоры. Это позволяет архитекторам и инженерам проектировать и строить более легкие и мелкие бетонные конструкции без ущерба для прочности.

Принцип предварительного напряжения применяется, когда ряд книг перемещается с места на место. Вместо того, чтобы складывать книги вертикально и переносить их, книги можно перемещать в горизонтальном положении, оказывая давление на книги в конце ряда.Когда прикладывается достаточное давление, сжимающие напряжения возникают во всем ряду, и весь ряд может быть поднят и перенесен в горизонтальном направлении одновременно.

Прочность на сжатие добавлена ​​

Напряжения сжатия возникают в предварительно напряженном бетоне в результате предварительного или последующего напряжения стальной арматуры.

При предварительном натяжении сталь растягивается перед укладкой бетона. Стальные арматуры из высокопрочной стали помещают между двумя упорами и растягивают до 70-80 процентов от их предельной прочности.Бетон заливают в формы вокруг сухожилий и дают застыть. Когда бетон достигает необходимой прочности, растягивающие силы снимаются. По мере того как сталь восстанавливает свою первоначальную длину, растягивающие напряжения преобразуются в сжимающее напряжение в бетоне. Типичными изделиями для предварительно натянутого бетона являются плиты крыши, сваи, столбы, мостовые балки, стеновые панели и железнодорожные шпалы.

При последующем напряжении сталь растягивается после затвердевания бетона. Бетон заливается по периметру, но не соприкасается с нерастянутой сталью.Во многих случаях воздуховоды в бетонном блоке формируются с использованием тонкостенных стальных форм. Как только бетон затвердеет до требуемой прочности, стальные стержни вставляются и растягиваются по концам блока и закрепляются снаружи, что приводит к сжатию бетона. Пост-напряженный бетон используется для монолитного бетона и мостов, больших балок, плит перекрытий, кожухов, крыш и тротуаров.

Предварительно напряженный бетон получил наибольший рост в области коммерческих зданий.Для таких зданий, как торговые центры, преднапряженный бетон является идеальным выбором, поскольку он обеспечивает длину пролета, необходимую для гибкости и изменения внутренней конструкции. Предварительно напряженный бетон также используется в школьных аудиториях, гимназиях и кафетериях из-за его акустических свойств и его способности создавать длинные открытые пространства. Одно из самых распространенных применений предварительно напряженного бетона — гаражи.

Для получения дополнительной информации о предварительно напряженном бетоне щелкните здесь.

Gulf Coast Prestress Partners Ltd.

Пожалуйста, посетите нашу аффилированную компанию по ссылке ниже: Texas Concrete Partners, L. P. Расположение: Элм Мотт, Техас и Виктория, Техас.

Gulf Coast Prestress Partners, LTD является работодателем с предоставлением равных возможностей. «Заказчик EEO / AAP, M / F / D / V»

Gulf Coast Prestress Partners, LTD была первоначально основана в 1967 году для поставки качественных сборных железобетонных изделий / предварительно напряженных железобетонных изделий для мостовой, морской и строительной промышленности. С тех пор мы расширили нашу продуктовую линейку, включив в нее бетонные платформы для нефтехимической промышленности, сборные сегментные секции для длиннопролетных мостов и цилиндрические сваи большого диаметра для крупных проектов фундаментов.

Собственная программа комплексного контроля качества и инженерный отдел GCP гарантируют клиентам высококачественную единообразную продукцию, созданную с учетом требований клиентов. GCP полностью сертифицирован Институтом сборного и предварительно напряженного бетона (PCI), что дает GCP подтвержденную возможность производства бетонных изделий, измеряемую PCI три раза в год.

В GCP мы гордимся своей отличной командной работой и прилагаем дополнительные усилия для удовлетворения ваших сложных требований.Мы предлагаем разнообразные продукты, как вы увидите на нашей странице «Продукты», а также имеем средства для различных потребностей в доставке. Это гарантирует, что Вместе мы достигнем выдающегося . Мы постоянно решаем задачи из предварительно напряженного бетона во всем регионе Персидского залива. Наша выдающаяся история работы на рынках мостов, шоссе и промышленных предприятий говорит сама за себя, а наша репутация производителя качественных свай и балок хорошо известна на всем Юге. Наша миссия всегда заключалась в том, чтобы соответствовать вашим требованиям в срок и в рамках бюджета.Наше мастерство говорит само за себя: «Ценность в сумке».

Мы надеемся, что этот сайт окажется для вас полезным, и мы с нетерпением ждем возможности удовлетворить ваши потребности в качественных бетонных изделиях. В следующий раз, когда вашему бизнесу потребуется закупить предварительно напряженный или сборный железобетон, задайте себе вопрос: «КАКОЙ ПОСТАВЩИК ДАЕТ МНЕ НАИЛУЧШИЙ ШАНС НА УСПЕХ?»

Каролина Престресс Корп | Производитель бетонных блоков

Carolina Prestress Corp. — это независимый производитель бетонных блоков , которым владеют и управляют американцы. со штаб-квартирой в Лейк-Сити, Южная Каролина. Мы производим как стандартные (серые), так и архитектурные (цветные) бетонные блоки (CMU), которые мы поставляем как на коммерческий, так и на жилой рынок в Южно-Казахстанской области, Северной Каролине и Джорджии. Carolina Prestress Corp. производит блоки и обеспечивает превосходное обслуживание клиентов более 56 лет. В настоящее время у нас есть два завода по производству бетонных блоков для стандартных серых оттенков, а также новый завод, который начал работу в начале 2008 года для производства архитектурных изделий.В дополнение к блочным продуктам Carolina Prestress предлагает полную линейку из кирпичных продуктов , строительного песка и услуг по переработке бетонного мусора. Мы используем технологию производства GREEN для производства экологически чистого зеленого блока стандарта . Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о нашей компании, наших продуктах и ​​нашем желании быть производителем и поставщиком бетонных блоков №1 в Каролинах и Джорджии. Как один из крупнейших производителей бетонных блоков в этом районе, Carolina Prestress Corp.с гордостью работает над удовлетворением потребностей каждого клиента. К каждому клиенту относятся индивидуально, и ни одна работа не бывает слишком большой или слишком маленькой. Лучше всего то, что в дополнение к экологически чистому переработанному блоку Carolina Prestress Corp. , Carolina Prestress Corp. также имеет архитектурный цветной блок , который добавит последний штрих к вашему проекту. Мы с нетерпением ждем возможности заработать на вашем бизнесе. Поэтому, когда пришло время приступить к следующему проекту, стройте свое будущее с компанией, имеющей проверенное прошлое.

Границы | Повышенный стресс-индуцированный стресс в динамически культивируемых микротканях

1.Введение

Сердечно-сосудистые ткани демонстрируют значительное предварительное напряжение. Это предварительное напряжение является внутренним стрессом, который снимается, когда определенные ткани изолированы от окружающей их среды in vivo . Наличие предварительного напряжения имеет глубокие последствия для функционирования in vivo сердечно-сосудистых тканей. Во-первых, предварительное напряжение напрямую влияет на кажущиеся механические свойства in vivo сердечных клапанов (Amini et al., 2012; Rausch and Kuhl, 2013) и артерий (Dobrin et al., 1975; Чуонг и Фунг, 1986; Cardamone et al., 2009), например. Следовательно, он во многом определяет функционирование этих сердечно-сосудистых тканей. Во-вторых, развитие предварительного стресса показало, что увеличивает выравнивание тканевого внеклеточного матрикса (ЕСМ) и увеличивает отложение матрикса в тканевых тканях (TE) (Grenier et al., 2005) и сердечных клапанах (Mol et al., 2005), соответственно, что влияет на структурная адаптация в долгосрочной перспективе. Наконец, аномальные уровни предварительного напряжения могут привести к серьезным патологиям, которые, среди прочего, включают сосудистую гипертензию, вызванную чрезмерным сужением сосудов, вызванным предварительным напряжением (Fagan et al., 2004), а также образование аневризмы, вызванное недостаточным уровнем предварительного напряжения в тканеинженерных сосудистых трансплантатах (Tara et al. , 2015). В этом контексте первостепенное значение имеет понимание факторов, влияющих на развитие предварительного напряжения тканей.

Развитие предварительного напряжения в сердечно-сосудистых тканях обычно возникает из-за сложных феноменов роста и ремоделирования, которые понятны лишь частично (Ambrosi et al., 2011). Один особенно интересный механизм развития предварительного напряжения — это способность клеток прикладывать тяговые силы к своему окружению.Эти силы генерируются сокращением клеточных актиновых стрессовых волокон. Впоследствии эти активно генерируемые силы передаются окружающему ВКМ посредством фокальных спаек, что приводит к развитию предварительного напряжения ткани. Ван Влиммерен и др. (2012) показали, что эти опосредованные клетками силы растяжения являются причиной примерно 40% предварительного напряжения, присутствующего в статически культивируемых тканевых полосках.

Многие предыдущие исследования изучали влияние сил клеточного натяжения на развитие предварительного напряжения тканей.Например, ван Лосдрегт и др. (2018) изучили взаимосвязь между внутренне генерируемым клеточным стрессом и клеточной организацией в 2D и обнаружили, что эти два фактора не зависят друг от друга. Кроме того, Legant et al. (2009) разработали платформу, в которой кантилеверы микрометрового размера использовались для одновременного культивирования трехмерных микротканей и измерения создаваемого напряжения. Это напряжение увеличивалось с увеличением жесткости кантилевера, но уменьшалось с увеличением концентрации коллагена. Kural и Billiar (2014) использовали аналогичные микроткани для изучения эффекта жесткости границ и воздействия на TGF-β сил, генерируемых развитыми клетками.Наконец, Boudou et al. (2012) также создали микротканую платформу для измерения динамического сокращения сердечных микротканей, которая позже была адаптирована van Spreeuwel et al. (2014), которые исследовали влияние изотропии матрицы (ан) на это внутреннее сжатие. Основными преимуществами этих установок с микрометрической шкалой по сравнению с обычными платформами являются относительно короткое время культивирования и возможность размещения большого количества образцов. Однако эти конкретные установки использовались только для изучения стресса, создаваемого клетками, при статической внешней нагрузке, которая не является физиологической для сердечно-сосудистых тканей, поскольку они постоянно подвергаются условиям динамической нагрузки.

Имеются данные о том, что внешняя динамическая нагрузка может изменить (микро) организацию ткани и, возможно, степень развитого предварительного напряжения. Как Легант и др. (2009) и Foolen et al. (2012) также использовали подвешенные на кантилевере ткани, но в этом конкретном случае кантилеверы были установлены поверх растягиваемой мембраны, что позволило динамически нагружать конструкции. Они обнаружили, что одноосное и двухосное циклическое растяжение по-разному влияет на активную (ре) организацию актина и коллагена в 3D.Однако, поскольку кантилеверы были относительно жесткими, предварительное напряжение ткани не могло быть определено количественно. Похожее исследование Gould et al. (2012) обнаружили, что динамическая нагрузка гидрогелей коллагена, помимо регулирования выравнивания коллагеновых волокон и ориентации клеток, является мощным регулятором клеточного фенотипа. Наконец, Zhao et al. (2013) циклически нагружали микроткани в течение 15 минут с помощью электромагнитного пинцета и обнаружили повышенную жесткость тканей из-за увеличения силы клеточного натяжения. Однако остается неясным, вызывает ли длительное воздействие динамических механических стимулов также увеличение предварительного напряжения, обусловленное растяжением клеток.Это может быть особенно важно при терапии сердечно-сосудистой тканевой инженерии, при которой ранее выгруженная конструкция вводится в непрерывно динамически нагружаемую среду in vivo . В этом случае изменения механических свойств конструкции ТЕ, вызванные предварительным напряжением, могут изменить ее функциональность in vivo , в конечном итоге определяя успех или неудачу терапии.

Delvoye et al. (1991) показали, что в гелях с ограниченным коллагеном засеянные фибробласты будут уплотнять ЕСМ до тех пор, пока растягивающее напряжение не достигнет устойчивого состояния.После последующих возмущений в геле клетки снова будут стремиться восстановить то же механическое устойчивое состояние. По аналогии с этим феноменом мы предполагаем, что клетки также будут опосредовать предварительное напряжение ткани в ответ на динамическую стимуляцию, увеличивая свои силы тяги клеток, генерируемые актином.

Чтобы исследовать обоснованность этой гипотезы, в данном исследовании трехмерные микроткани подвергались длительной динамической нагрузке, после чего было определено предварительное напряжение, вызванное растяжением клеток.С этой целью платформа микротканевого датчика (μTUG) (van Spreeuwel et al., 2014) была объединена с коммерчески доступной системой Flexcell для создания установки μFlex-TUG и облегчения 24-часового циклического растяжения микротканей. Во-первых, установка была проверена путем измерения растяжения микротканей во время динамического культивирования с использованием корреляции цифрового изображения. Впоследствии микроткани динамически культивировали в течение 24 часов, что увеличивало предварительное напряжение ткани, вызванное тракцией клеток, почти в два раза. Затем было исследовано происхождение повышенных уровней предварительного напряжения.Во-первых, ингибитор ROCK, временно подавляющий сократимость стрессовых волокон, был добавлен через 48 часов как в динамически, так и в статически культивируемые экспериментальные группы. В обеих группах уровни предварительного напряжения были сопоставимы и почти полностью снизились после ингибирования ROCK, показывая, что повышенные уровни предварительного напряжения после 24-часового динамического культивирования могут быть связаны исключительно с повышенным сокращением стрессовых волокон. Во-вторых, после последующего удаления ингибитора РОК, величины предварительного напряжения вернулись к статическим контрольным уровням.Кроме того, в другой динамически культивируемой группе повышенные уровни предварительного напряжения вернулись к значениям, сравнимым со статическим контролем, после удаления динамического сигнала. Эти данные показывают, что внутреннее предварительное напряжение ткани является строго регулируемым параметром, в котором актиновые стрессовые волокна служат в качестве механостата, чтобы контролировать это предварительное напряжение.

Поскольку сердечно-сосудистые ткани испытывают постоянную гемодинамическую нагрузку и тот факт, что предварительное напряжение влияет на механическое поведение ткани, эти результаты имеют важное значение для точного определения ( in vivo ) механических свойств.Кроме того, в тканевой инженерной терапии, направленной на замену таких сердечно-сосудистых тканей, часто используются клетки со сократительным фенотипом. Полученные данные свидетельствуют о том, что динамическая стимуляция после имплантации конструкций TE может изменить их функцию in vivo и последующий успех терапии.

2. Методы

2.1. Производство μFlex-TUG и μTUG

Установка состоит из восьмидесяти микропроцессорных датчиков ткани (μTUG), где каждый из этих μTUG содержит четыре соответствующих полидиметилсилоксановых (PDMS) микропоста, встроенных в микролунку (рис. 1A, B).Изготовление μTUG выполняли согласно van Spreeuwel et al. (2014). Вкратце, положительные мастера были созданы путем центрифугирования фоторезиста SU-8 (Microchem, Берлин, Германия) на кремниевой пластине, которая впоследствии подвергалась УФ-облучению. Выравнивание различных слоев выполняли с помощью выравнивателя маски Suss MJB3 (Suss Microtec, Гархинг, Германия). Затем мастеры были сделаны неклейкими путем силанизации в течение ночи с (тридекафтор-1,1,2,2-тетрагидрооктил) -1-трихлорсиланом (Abcr, Карлсруэ, Германия) в вакууме.Отрицательные шаблоны PDMS были изготовлены путем отливки PDMS с соотношением форполимера и отвердителя 10: 1 (Sylgard 184; Dow-Corning, Midland, USA) на мастерах с последующей инкубацией в течение ночи при 65 ° C. Эти негативные шаблоны PDMS затем обрабатывали в плазменном оксидизаторе (1 мин при 100 Вт) и снова делали неадгезивными путем силанизации в течение ночи. Впоследствии на эти шаблоны был отлит ПДМС, который затем дегазировали в вакуумной печи. Негативные матрицы, покрытые PDMS, были штампованы на планшетах Flexcell BioFlex (Flexcell International Corporation, Берлингтон, Северная Каролина, США) для создания μFlex-TUG для динамического культивирования или в обычных чашках Петри для создания статических μTUG.Наконец, обе установки были отверждены в течение ночи при 65 ° C с последующим осторожным удалением отрицательного шаблона.

Рис. 1. (A) Конструкция микролунки, содержащей четыре микросхемы PDMS (любезно предоставлено Алексом Бастиаенсом). (B) μTUG созданы на планшете Flexcell для создания μFlex-TUG. (C) Применение одноосной динамической нагрузки к μFlex-TUG.

2.2. Культура клеток и микротканей

Клетки подкожной вены человека (HVSC) культивировали до 7 пассажа с использованием культуральной среды, содержащей усовершенствованную среду Игла, модифицированную Дульбекко (DMEM, Invitrogen, Carlsbac, CA, USA), с добавлением 10% фетальной бычьей сыворотки (FBS, Greiner Bio One, Frinckenhausen, США). Германия), 1% глутамакс (Invitrogen) и 1% пенициллин / стрептомицин (Lonza, Базель, Швейцария).Эти клетки ранее были охарактеризованы как миофибробласты (Mol et al., 2006) и обнаруживают сократительный фенотип. Микроткани были созданы в соответствии с протоколом, описанным van Spreeuwel et al. (2014). Короче говоря, сначала μFlex-TUG и μTUG стерилизовали погружением в 70% этанол на 15 минут, а затем 15 минут УФ-излучением. Для нарушения адгезии клеток PDMS обрабатывали 0,2% Pluronic F127 (BASF, Людвигсхафен-на-Рейне, Германия) в PBS в течение 15 мин. Гелевая смесь, содержащая 50% коллагена (коллаген крысиного хвоста типа 1, BD biosciences, Нью-Джерси, США, 3.2 мг / мл ^-1 ), 39% культуральной среды, 8% восстановленного фактора роста Matrigel (BD Biosciences) и 3% 0,25 M NaOH готовили и центрифугировали в микролунках (1 мин, 2000 об / мин). Остаточный гель, которого не было в микролунках, использовали для ресуспендирования собранных HVSC, после чего эту суспензию снова центрифугировали в микролунках (1 мин, 1000 об / мин) (рис. 2A). Избыток геля удаляли, а оставшейся в микролунках суспензии клеток / геля позволяли полимеризоваться в течение 10 мин при 37 ° C. Наконец, 0.Стандартную культуральную среду с добавлением 25 мг / мл L-аскорбиновой 2-фосфатной кислоты (Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) добавляли поверх микролунок. После посева установки были помещены в инкубатор на 24 часа при 37 ° C, влажности 100% и 5% CO ₂ , чтобы обеспечить начальное образование микротканей (рис. 2B).

Рисунок 2. (A) Посев суспензии клеток / геля в микролунку. (B) Формирование микроткани. (C) Динамическое растяжение микроткани. (D) Измерение предварительного напряжения путем отслеживания смещения микроштампа.

2.3. Валидация деформации микротканей в μFlex-TUG

Для циклического растяжения микротканей засеянные μFlex-TUG были помещены в систему Flexcell FX-4000, поддерживаемую прямоугольными штырями (рис. 1B). Эта система позволяет применять условия одноосной динамической нагрузки, создавая вакуум на гибкой мембране пластин Flexcell и растягивая ее над стойками (рис. 1C). Микропосты PDMS, соединенные с мембраной, переводят эти растяжки на соединенную микроткань (рис. 2C).Неизвестно, как растяжение мембраны Flexcell переводится в фактическое растяжение микротканей. В связи с этим Colombo et al. (2008) показали, что точная калибровка и измерения деформаций Flexcell рекомендуются с учетом вязкоупругой природы системы Flexcell. Таким образом, деформации микротканей в μFlex-TUG были подтверждены с помощью корреляции цифровых изображений (ДИК). С этой целью микроткани высевали в систему μFlex-TUG и 5,10,15 и 20% штаммы Flexcell с частотой 0.Было приложено 5 Гц. Видео с растянутыми микротканями записывали с помощью камеры, установленной на Zeiss Stereo Discovery v8 (Оберкохен, Германия), и анализировали с использованием ранее разработанного программного обеспечения DIC Neggers et al. (2012), чтобы получить деформации Грина-Лагранжа (в направлении ограниченной ткани) в одном прямоугольном среднем сечении микроткани для каждой из примененных деформаций Flexcell.

2.4. Конфокальная микроскопия

Для визуализации структуры микротканей в конце экспериментов микроткани инкубировали с коллаген-специфическим зондом CNA35 (Boerboom et al., 2007) в течение 30 мин, после чего изображения Z-стека были сделаны с использованием конфокального лазерного сканирующего микроскопа (TCS SP5X; Leica Microsystems, Wetzlar, Германия, возбуждение 488 нм, эмиссия 520 нм, увеличение 10x, Z-шаг = 3 мкм) . Затем микроткани фиксировали в течение 10 минут с использованием 10% формалина с последующей пермеабилизацией 0,5% Triton X-100 в PBS. Ядра клеток и актиновую сеть окрашивали красителями DAPI и Atto 488 Phalloidin (Sigma-Aldrich) соответственно и отображали с помощью конфокального микроскопа.

2.5. Измерения предварительного напряжения

Для того, чтобы количественно оценить предварительное напряжение ткани (рис. 2D), сначала были определены силы, возникающие на четырех микросопях PDMS. С этой целью в каждый момент времени на микроскопе EVOS XL Core (Thermo Fisher, Уолтем, Массачусетс, США) получали светлопольные изображения микротканей. Используя полуавтоматический, специально созданный сценарий Matlab (Mathworks, Натик, США), четыре самых ярких круга на каждом изображении были обнаружены с помощью функции Matlab imfindcircles . Положение этих кругов соответствовало вершине четырех микросообщений.Смещение центра каждого круга относительно его исходного положения использовалось для определения смещения вершины этих столбов ( и ). Затем с помощью моделирования методом конечных элементов (Abaqus, Dassault Systèmes Simulia Corp., Провиденс, Род-Айленд, США, версия 6.14-1) была определена жесткость пружины K [= 1,22 Н · м ⁻¹ ] одного микрошеста. . Сначала сила была приложена к той части одиночного микроштаба, где прикрепляется ткань, которая находится чуть ниже относительно большого колпачка штифта.Затем было определено смещение верхнего среднего узла в направлении силы (дополнительную информацию см. В дополнительном материале). Во-вторых, с использованием этой жесткости пружины и смещения микропоста была определена сила, действующая на один микрошпиль (Fposti):

Fposti = Kupost и Ftissue = ∑n = 14 Fposti2 (1)

Поскольку сила, создаваемая микротканью, одинакова и противоположна на микроштифтах на обеих сторонах ткани, общая микротканевая сила F _ткань представляет собой сумму отдельных сил на каждой из четырех опор, деленную на два. .Следует отметить, что учитывалась только составляющая полной силы в ограниченном направлении. Чтобы получить предварительное напряжение в микротканях, измеренные силы необходимо преобразовать в напряжения. С этой целью была получена площадь поперечного сечения (ППС) каждой микроткани. Сначала из всех изображений, сделанных во время измерения силы, функция Matlab imdistline использовалась для получения ширины в средней части микроткани, которую мы определяем как «Длина поперечного сечения» ( A _CSL ).Во-вторых, в конце эксперимента определялась «настоящая» CSA ( A _CSA ) из окрашенных коллагеном микротканей (секция конфокальной микроскопии). Все срезы Z-стека были импортированы в Matlab, и из среднего изображения была получена основная ориентация самого большого связного компонента (который является микротканями) с использованием функции Matlab regionprops . Эта основная ориентация использовалась для поворота всех отдельных срезов так, чтобы изображения выровнялись в горизонтальном направлении (рис. 3A).Затем каждый боковой срез трехмерного изображения был преобразован в двоичную форму. Выпуклая оболочка была обернута вокруг изображений, где пиксели внутри этой выпуклой оболочки составляют CSA (рис. 3B). Боковой срез с наименьшей выпуклой оболочкой был получен и использован вместе с данными о размерах от каждого вокселя для получения CSA микроткани в мкм ² . Этот реальный CSA был нанесен на график в зависимости от ширины микроткани в конце эксперимента, для которого при подборе линейной модели была обнаружена сильная корреляция ( R ² = 0,91) (рис. 4).Наконец, реальная CSA была определена путем применения полученной линейной модели к измеренной ширине микротканей в каждый предыдущий момент времени эксперимента. Все силы ( F _ткань , мкН) были разделены на CSA ( A _CSA , мкм ² ), чтобы получить предварительное напряжение микроткани (σ) в кПа, то есть

σ = FtissueACSA. (2)

Рис. 3. (A) Средний срез трехмерного изображения представляет собой окрашенную коллагеном микроткань. (B) Определение площади поперечного сечения с использованием выпуклой оболочки на среднем боковом срезе для формирования трехмерного изображения. (C) DAPI окрашивал микроткань. (D) Водоразделная фильтрация ядер клеток. (E) Сегментирование и подсчет ядер клеток в 3D, где каждое отдельное ядро ​​имеет свой цвет.

Рисунок 4 . Длина поперечного сечения ( A _CSL ) в зависимости от фактической микроткани CSA A _CSA .Черная линия представляет собой подобранную линейную модель с уравнением: A _CSA = 90,09 * A _CSL -10323,41 ( R ² = 0,91).

2,6. Количество ячеек

Для определения величины предварительного напряжения на ячейку подсчитывали количество ячеек на микроткань. Это было сделано путем импорта Z-стеков канала DAPI из конфокальных изображений в ImageJ (NIH, Bethesda, MD, USA) (рис. 3C). Сначала стеки были отфильтрованы с помощью алгоритма 3D-водораздела (Ollion et al., 2013) (Рисунок 3D). Затем количество ячеек в бинаризованных изображениях было подсчитано с помощью плагина счетчика трехмерных объектов (Bolte and Cordelières, 2006) (рис. 3E).

2.7. Экспериментальный план

Микроткани были засеяны в два μTUG в качестве статического контроля, и дополнительно две лунки в μFlex-TUG были засеяны как динамическая группа. Обзор дизайна эксперимента можно найти на рисунке 5. Первоначально все четыре группы культивировали в статических условиях в течение 24 часов, чтобы обеспечить образование микротканей, после чего определяли силу и CSA.Чтобы определить влияние динамической нагрузки на созданное предварительное напряжение, впоследствии две динамические группы были переведены в динамические условия культивирования путем приложения 10% напряжения к пластине Flexcell с частотой 0,5 Гц (Foolen et al., 2012). Еще через 24 часа снова определяли силу и CSA для всех групп. Для анализа фракции общего предварительного напряжения, опосредованной растяжением клеток, ингибитор ROCK (Y-27632, Sigma-Aldrich) был добавлен к одной статической и одной динамической группе, и силы и CSA были измерены снова через 30 минут.Наконец, чтобы определить, были ли различия в предварительном напряжении обратимыми, ингибитор ROCK был удален путем добавления свежей культуральной среды и переключения всех динамических групп обратно в статические условия культивирования. Через последние 24 часа предварительное напряжение было измерено снова для всех групп.

Рисунок 5 . План эксперимента: в левом столбце указаны три экспериментальные группы и контрольная группа. Каждый момент времени указан в верхнем ряду.

2,8. Статистический анализ

Только микроткани, которые все еще были прикреплены ко всем четырем штифтам в конце эксперимента (72 часа), были включены в анализ.Для группы статического контроля и статической группы с ингибированием ROCK номера образцов составляли 21 и 24 соответственно, в то время как для динамической группы и группы с ингибированием ROCK размеры образцов составляли 10 и 13 соответственно. Все данные были представлены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего. Статистический анализ данных был выполнен с помощью теста Даннета « многие к одному », в котором все условия сравнивались с одной контрольной группой, с учетом неоднородных дисперсий и неравных размеров выборок с использованием методов и внедрения в статистический программный пакет R (R Core Team, Вена , Австрия), описанный в Herberich et al.(2010). Для анализа количества клеток на микроткань в MATLAB выполняли статистический тест со знаковым рангом Вилкоксона.

3. Результаты

3.1. Штаммы микротканей составляют одну треть от применяемых штаммов Flexcell

Примененные штаммы Flexcell четко транслировались в деформацию микротканей (Фигуры 6A, B). В течение одного цикла (2 с) эти деформации микротканей следовали гомогенному обратному параболическому профилю (рис. 6С), достигая максимального значения в середине цикла.При количественной оценке максимальных штаммов Грина-Лагранжа микротканей было обнаружено, что они увеличивались с примененными штаммами Flexcell (Фигуры 6C, D). Однако применяемые штаммы Flexcell не соответствовали штаммам микротканей. Как показывает опыт, фактическая деформация микроткани была оценена как одна треть от приложенной деформации Flexcell.

Рис. 6. (A) Микроткань без внешних механических реплик. (B) Динамически культивируемая микроткань при 10% штамме Flexcell. (C) Средние фактические штаммы Грина-Лагранжа микротканей в течение одного цикла (2 с) для различных примененных штаммов Flexcell (легенда). Пунктирными линиями обозначены максимальные деформации во время циклов. (D) Максимальные деформации Грина-Лагранжа (усредненные по средней части микротканей в B ) для увеличения применяемых деформаций Flexcell.

3.2. Микроткани имеют равномерное распределение клеток, а коллагеновые и стрессовые волокна выровнены в ограниченном направлении

Клетки равномерно расположены внутри микротканей (рис. 7А).Также коллаген (рис. 7B) и актин (рис. 7C) однородно распределены в микротканях, где волокна ориентированы в продольном направлении.

Рисунок 7 . Общая организация ткани изображена на этих конфокальных изображениях DAPI (A) , коллагена (B) и окрашенных актином микротканей (C) после 72 часов культивирования.

3.3. Повышенный стресс в динамически культивируемых микротканях

Предварительное напряжение в статической контрольной группе оставалось постоянным в течение 72 часов культивирования (рис. 8А, синий).Хотя первоначально предварительное напряжение было аналогичным через 24 часа, после динамической стимуляции предварительное напряжение микроткани значительно увеличилось до уровней, более чем в два раза превышающих уровни статически культивируемых контролей после 48 часов культивирования (Рисунок 8A, красный). После удаления динамического механического сигнала уровни предварительного напряжения вернулись к таким же величинам, что и статические контроли через 72 часа культивирования.

Рисунок 8. (A) Статическая контрольная группа (синий) и динамически культивируемые микроткани (красный). (B) Группа статического контроля (синий) и ROCK-ингибированные (RI, красный, через 48 часов) микроткани в течение 72 часов. (C) Статическая контрольная группа (синий) и динамически растянутые микроткани (красный). ROCK-ингибитор добавляли к динамически культивируемым микротканям через 48 часов (RI), которые снова удаляли через 30 минут. Значительные изменения ( p <0,05) между двумя группами обозначены *. Обратите внимание, что синие контроли в (A – C) — это одна и та же экспериментальная группа на всех рисунках. Символы на рисунках (A – C) соответствуют символам, использованным на Рисунке 5.

3.4. Повышение предварительного напряжения вызывается стрессовыми волокнами и является обратимым

Статически культивируемые микроткани, которые подвергались воздействию ингибитора ROCK, показали аналогичную величину предварительного напряжения через 24 и 48 часов культивирования. Однако после добавления ингибитора предварительное напряжение значительно снизилось (рис. 8В, красный цвет), оставив лишь небольшое количество остаточного напряжения. После последующего удаления ROCK-ингибитора в течение 24 ч предварительное напряжение снова достигло сопоставимых уровней по сравнению с контрольной группой.

Аналогичное явление наблюдалось в динамически культивируемых микротканях, ингибированных ROCK. После динамического культивирования предварительное напряжение растянутой микроткани снова значительно увеличилось до уровней, более чем в два раза превышающих уровни статически культивируемых контролей через 48 часов культивирования (фигура 8C, синий цвет). Добавление ингибитора ROCK почти полностью уменьшило это более высокое предварительное напряжение, что привело к уровням остаточных напряжений, сравнимых со статически ингибируемыми ROCK микротканями (рис. 8B). В соответствии с более ранними наблюдениями, удаление ингибитора ROCK и последующее статическое культивирование привело к аналогичным уровням предварительного стресса, как и у статически культивированных контролей, через 72 часа.

3,5. Престресс на клетку сходен в статически и динамически культивируемых группах в конце культивирования

Число клеток на индивидуальную микроткань определяли с использованием окрашивания DAPI (количество клеток в разделе) в конце культивирования. Количество клеток существенно различалось в экспериментальных группах для обоих условий (рис. 9). Однако не было обнаружено никаких статистических различий между статически и динамически культивированными группами ( p = 0,5614).

Рисунок 9 .Коробчатая диаграмма количества клеток на микроткань для статически (слева) и динамически (справа) культивируемых групп в конце эксперимента.

При построении графика зависимости напряжения каждой микроткани от количества клеток была обнаружена возрастающая линейная зависимость как для статически ( R ² = 0,55), так и для динамически ( R ² = 0,62) групп культивирования (рис. 10).

Рисунок 10 . График зависимости стресса от количества клеток ( N _клеток ) на микроткань для статически (слева) и динамически (справа) культивируемых групп через 72 часа культивирования (после восстановления).Каждая точка соответствует одной микроткани. Черные линии указывают на линейное соответствие всех точек данных. Уравнения для этих линий: σ = 0,0009 * N _ячейки +0,5957 и σ = 0,00085 * N _ячейки +0,7825 для статического ( R ² = 0,55) и динамического ( R ² = 0,62) культивированных микротканей соответственно.

4. Обсуждение

В этом исследовании было изучено, как длительное воздействие динамической нагрузки повлияет на предварительное напряжение, вызванное растяжением клеток, в трехмерных микротканях.Чтобы облегчить это, микротканевая платформа была объединена с коммерчески доступной системой Flexcell, чтобы обеспечить 24-часовое циклическое растяжение микротканей.

4.1. Настройка проверки

Сначала разработанная система была проверена путем измерения фактических деформаций микротканей с помощью ДИК. Как уже указывалось Colombo et al. (2008), применяемые штаммы Flexcell не обязательно однозначно трансформируют фактические деформации микротканей. В среднем фактическая деформация микротканей составляла одну треть от применяемых деформаций Flexcell.Возможные причины этого двоякие: во-первых, добавление слоя PDMS к мембране Flexcell делает всю основу μFlex-TUG более жесткой, и, таким образом, при той же величине вакуума мембрана дает меньшее смещение. Во-вторых, микроткани соединены с эластичными микропостами, что в отличие, например, от Foolen et al. (2012), изгибаются при применении циклического растяжения, делая напряжение в микротканях еще меньше.

4.2. Силы сцепления клеток — это механостат для тканевого натяжения

После проверки установки были проведены эксперименты по определению влияния динамической нагрузки на предварительное напряжение, обусловленное растяжением клеток.В первые 24 часа все группы культивировали статически, чтобы гарантировать образование микротканей. Предварительное напряжение через 24 часа было одинаковым для всех четырех групп. Это подтверждает, что простое культивирование микротканей в другой установке (μFlex-TUG или статические μTUG) без применения циклического растяжения не повлияло на предварительное напряжение. Для статического контроля предварительное напряжение остается постоянным на протяжении всего эксперимента. После динамического культивирования предварительное напряжение увеличилось примерно в два раза по сравнению со статическим контролем. Это увеличение предварительного напряжения полностью вызвано силами клеточной тяги, поскольку ингибирование ROCK почти полностью снижает предварительное напряжение.Фактически, как статически, так и динамически культивируемые микроткани возвращались к аналогичным значениям предварительного напряжения (0,25 и 0,34 кПа, соответственно) после ингибирования ROCK. Это пассивное остаточное напряжение в статической группе составляет 19% от общего предварительного напряжения и 14% в динамической группе. При сравнении процентного вклада в статической группе со статически культивированными ТЕ-полосками Ван Влиммерен и соавт. (2012) этот процент значительно ниже (60%). Однако в этом конкретном исследовании время культивирования было значительно короче, поэтому могло произойти очень небольшое производство матрицы.Следовательно, это несоответствие можно объяснить тем фактом, что единственное остаточное предварительное напряжение матрицы вызвано относительно податливым коллагеновым гелем, который намного менее жесткий по сравнению с волокнистым коллагеновым матриксом в ТЕ полосах.

После перевода динамически культивируемых микротканей обратно в статические условия или после удаления ингибитора ROCK предварительное напряжение во всех группах снова нормализуется и сравнимо с контрольной группой через 72 часа. Типичные временные рамки (менее 24 ч), при которых увеличение и уменьшение предварительного напряжения лежат в пределах типичной скорости оборота актинового стрессового волокна, которая составляет приблизительно минуты (Peterson et al., 2004; Mbikou et al., 2006; Ливне и Гейгер, 2016). Эти результаты показывают, что повышенные уровни предварительного напряжения, вызванные циклической нагрузкой, и восстановление до исходного уровня после удаления ингибитора ROCK или динамического сигнала регулируются только силами клеточной тяги, генерируемыми стрессовым волокном актина. Похоже, что в этих относительно незрелых микротканях актиновые стрессовые волокна служат механостатом для регулирования предварительного напряжения в ответ на возмущения в окружающей среде.

4.3. Структура микротканей и увеличение напряжения с клеточным номером

В экспериментальные моменты времени как статически, так и динамически культивируемые микроткани окрашивали на актиновые стрессовые волокна, коллаген и ядра клеток.Фигуры 7B, C показывают, что волокна коллагена и клеточного актина непрерывно присутствуют между четырьмя микросостями. Это означает, что все силы, генерируемые клетками, могут транслироваться внутри ткани. И актиновые, и коллагеновые волокна выровнены в продольном направлении микротканей. Это явление неудивительно, поскольку это единственное ограниченное направление конструкций.

Микроткани, окрашенные DAPI, подтверждают однородное распределение клеток с микротканями (рис. 7A).Однако количество клеток среди микротканей варьировалось до 10 раз (± 150–1 500). Возможно, это связано с тем, что при посеве клетки центрифугируются сразу в 80 различных лунках. Это делает невозможным контролировать количество клеток, приходящихся на одну микроткань. Независимо от этого факта, успешное формирование микротканей, прикрепленных ко всем четырем стойкам, могло происходить с таким изменяющимся числом клеток на конструкцию. Влияние различного количества клеток на микроткань также заметно при предварительном напряжении микроткани.Поскольку различия в предварительном напряжении в этом исследовании в основном вызваны силами растяжения клеток, большее количество клеток в микротканях вызывает более высокие величины предварительного напряжения. Однако, например, двукратное увеличение количества ячеек не дает предварительного напряжения двойной величины. Похоже, что клетки кооперативно регулируют предварительное напряжение ткани в ответ на изменение числа клеток. Это совпадает с выводами Canovi et al. (2016), которые показали, что силы клеточной тяги в 2D-культуре уменьшаются с увеличением слияния.Опять же в этом случае силы клеточного натяжения служат в качестве механостата для общего предварительного напряжения ткани в ответ на изменение количества клеток.

4.4. Проблемы и направления на будущее

В этих экспериментах микроткани нагружали одноосно. Поскольку многие сердечно-сосудистые ткани нагружаются в нескольких направлениях, режим двухосной нагрузки, используемый Foolen et al. (2012) будет более точно имитировать ситуацию in vivo с . Более того, эта установка может позволить тестировать развитие предварительного напряжения в анизотропно организованных тканях.Кроме того, в настоящее время не исследовано, как динамическая нагрузка может влиять на морфологию и фенотип клеток. Несмотря на относительно короткое время экспериментов, такие морфологические и фенотипические изменения, как известно, происходят, например, под влиянием жесткости микропоста Kural and Billiar (2016). С помощью этой платформы можно провести тщательное исследование морфологии и / или фенотипа с использованием этой платформы. Более того, хотя большой диапазон клеток на ткань сначала может быть воспринят как недостаток текущего метода, его можно использовать для более тщательного исследования влияния количества клеток на создаваемое тканевое усилие и предварительное напряжение.Например, всесторонний анализ силы или стресса на клетку может помочь определить кооперативное поведение клеток для достижения гомеостаза напряжения. Кроме того, в текущих экспериментах применяемые деформации микротканей были относительно низкими (3,01% ± 0,26), тогда как более высокие уровни деформации были бы более реалистичными для естественной ситуации многих сердечно-сосудистых тканей. Кроме того, отслеживание уровней предварительного напряжения в реальном времени, а не в дискретные моменты времени, может дать больше информации о скорости изменения предварительного напряжения.В настоящее время неизвестно, как изменяется предварительное напряжение между дискретными временными точками (отсюда пунктирные линии на рисунке 8). Наконец, микроткани были созданы с использованием коллагенового геля с добавлением матригеля. Такие коллагеновые гели подвержены значительной деградации и ремоделированию, что может изменять механические свойства и, следовательно, клеточный ответ (Allison et al., 2009; Smithmyer et al., 2014). Однако, поскольку коллагеновые гели обычно стабильны в течение культивирования менее 1 недели (Smithmyer et al., 2014), степень деградации, вероятно, незначительна в текущих экспериментах, которые длятся всего 72 часа. В связи с этим во время этих экспериментов не могло произойти практически никакого образования матрицы, что объясняет относительно небольшой вклад остаточного напряжения в общее предварительное напряжение ткани. Тем не менее, известно, что длительная динамическая нагрузка вызывает повышенные уровни образования ECM и перекрестных связей (Boerboom et al., 2008; van Geemen et al., 2013), что, как ожидается, приведет к увеличению предварительного напряжения. Поэтому было бы интересно увеличить время культивирования в экспериментах для изучения эффекта предварительного напряжения, вызванного ЕСМ.

4,5. Последствия

Последствия повышенного предварительного напряжения, вызванного растяжением клеток, в условиях динамической нагрузки и последующего относительно быстрого восстановления многочисленны. Это явление следует учитывать, например, при механическом тестировании сердечно-сосудистых тканей. Рауш и Кул (2013) уже сообщили, что пренебрежение предварительным напряжением ткани объясняет различия в значениях жесткости в литературе до четырех порядков величины для одних и тех же типов тканей, что свидетельствует о важности точной количественной оценки предварительного напряжения.Обычно эти измерения предварительного напряжения включают изоляцию рассматриваемой ткани от ее естественного положения и определение ретракции (Chuong and Fung, 1986; Amini et al., 2012; Horny et al., 2013). Однако, поскольку это исследование показывает, что предварительное напряжение снижается относительно быстро после удаления динамических сигналов, измерения предварительного напряжения в этих динамически нагруженных сердечно-сосудистых тканях могут давать разные результаты в зависимости от времени измерения после иссечения.

Повышенный предварительный стресс, вызванный клетками, также может влиять на терапию тканевой инженерии.Поскольку эти методы лечения основаны на засеянных клетками каркасах, где эти клетки часто обладают сократительным фенотипом (Mol et al., 2006; Tara et al., 2015), следует ожидать значительных величин предварительного напряжения. Введение такой конструкции из ранее выгруженной среды в постоянно динамически нагружаемую среду in vivo может привести к вызванным предварительным напряжением изменениям в механическом поведении конструкции. Это может привести к последующим изменениям в его функциональности in vivo , определяя успех или неудачу терапии.

Несколько факторов, связанных со стратегиями тканевой инженерии, могут влиять на эти генерируемые клетками уровни предварительного напряжения. Например, механические свойства каркаса диктуют биомеханическое поведение конструкции, таким образом, также влияют на механические напряжения, испытываемые клетками. Относительно податливый каркас может вызывать большие клеточные деформации и последующее более высокое предварительное напряжение ткани, тогда как жесткий каркас может защищать клетки от динамических нагрузок, обеспечивая более низкое предварительное напряжение.Более того, временные изменения в деградации каркаса, накоплении и организации ECM будут влиять на динамические сигналы, воспринимаемые клетками, и, следовательно, на предварительное напряжение ткани, которое затем снова изменяет функционирование конструкции TE.

4.6. Выводы

В этом исследовании изучалось, как 24-часовая динамическая нагрузка влияет на предварительное напряжение, вызванное растяжением клеток, в трехмерных микротканях. С этой целью установка для культивирования микротканей была объединена с коммерчески доступной системой Flexcell для облегчения динамического культивирования конструкций.Во-первых, установка была проверена для определения пикового растяжения микротканей во время эксперимента, после чего было количественно оценено влияние применяемого динамического растяжения микротканей на создаваемое предварительное напряжение. Через 24 часа предварительное напряжение значительно увеличилось по сравнению со статическим контролем. Однако после последующего удаления динамического сигнала предварительное напряжение снова упало до уровней, сравнимых со статическим контролем. С добавлением ингибитора ROCK предварительное напряжение в этих микротканях почти полностью исчезло, подтверждая, что предварительное напряжение в этих микротканях может быть полностью связано с клеточными силами тяги.Наконец, после удаления ингибитора ROCK, величины предварительного напряжения восстановились до исходного уровня. В заключение, в этом исследовании систематически и количественно изучалось влияние динамической нагрузки на предварительное напряжение ткани, опосредованное растяжением клеток. Результаты показывают, что внутреннее предварительное напряжение ткани является строго контролируемым параметром, где актиновые стрессовые волокна служат механостатом, регулируя уровни предварительного напряжения ткани в ответ на возмущения в окружающей среде. Эти результаты могут иметь важное значение для механических испытаний естественных сердечно-сосудистых тканей и методов тканевой инженерии.

Доступность данных

Все данные и числовой код хранятся в SURFdrive, персональном облачном хранилище для голландского образовательного и исследовательского сообщества, и доступны по запросу.

Доступность данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Взносы авторов

MvK, NK, SL и CB концептуализировали идею, лежащую в основе этого исследования. MvK и NK провели эксперименты и численное моделирование и проанализировали данные.MvK написал рукопись. JF принимал участие в разработке экспериментальной установки. SL и CB курировали проект. Все авторы рецензировали рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы выражаем признательность за финансирование со стороны Нидерландской инициативы по исследованию сердечно-сосудистых заболеваний (CVON 2012-01): Голландского фонда сердца, Голландской федерации университетских медицинских центров, Нидерландской организации исследований и разработок в области здравоохранения и Королевской академии наук Нидерландов.Кроме того, мы благодарим Майке Вернер за ее помощь в экспериментах с ингибиторами ROCK.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2019.00041/full#supplementary-material

Список литературы

Эллисон Д. Д., Браун К. Р., Уайт Т. Н. и Гранд-Аллен К. Дж. (2009). Различное влияние экзогенного и эндогенного гиалуронана на сокращение и прочность коллагеновых гелей. Acta Biomater. 5, 1019–1026. DOI: 10.1016 / j.actbio.2008.11.013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Амбрози, Д., Атешян, Г., Арруда, Э., Коуин, С., Дюмэ, Дж., Гориели, А. и др. (2011). Перспективы биологического роста и ремоделирования. J. Mech. Phys. Твердые тела 59, 863–883. DOI: 10.1016 / j.jmps.2010.12.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Амини, Р., Эккерт, К. Э., Коомалсинг, К., МакГарви, Дж., Минакава, М., Горман, Дж. Х. и др. (2012). На in vivo деформация передней створки митрального клапана: эффекты кольцевой геометрии и референтной конфигурации. Ann. Биомед. Англ. 40, 1455–1467. DOI: 10.1007 / s10439-012-0524-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бурбум, Р. А., Кран, К. Н., Мегенс, Р. Т. А., ван Зандвоорт, М. А., Мерккс, М., и Бутен, К. В. К. (2007). Визуализация с высоким разрешением организации и синтеза коллагена с помощью универсального зонда, специфичного для коллагена. J. Struct. Биол. 159, 392–399. DOI: 10.1016 / j.jsb.2007.04.008

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бурбум, Р. А., Руббенс, М. П., Дриссен, Н. Дж. Б., Бутен, К. В. К. и Баайенс, Ф. П. Т. (2008). Влияние величины деформации на тканевые свойства созданных сердечно-сосудистых конструкций. Ann. Биомед. Англ. 36, 244–253. DOI: 10.1007 / s10439-007-9413-8

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Болте, С., и Кордельер, Ф. (2006). Экскурсия по анализу субклеточной колокализации в световой микроскопии. J. Microsc. 224, 213–232. DOI: 10.1111 / j.1365-2818.2006.01706.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Буду Т., Легант В. Р., Му А., Борочин М. А., Тавандиран Н., Радишич М. и др. (2012). Платформа из микроткани для измерения и манипулирования механикой инженерных микротканей сердца. Tissue Eng. Часть A 18, 910–919.DOI: 10.1089 / ten.tea.2011.0341

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Канови, Э. П., Золлингер, А. Дж., Там, С. Н., Смит, М. Л., и Стаменови, Д. (2016). Гомеостаз напряжения в эндотелиальных клетках — многоклеточное явление. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 311, 528–535. DOI: 10.1152 / ajpcell.00037.2016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кардамон, Л., Валентин, А., Эберт, Дж. Ф. и Хамфри, Дж. Д. (2009).Происхождение осевого предварительного растяжения и остаточного напряжения в артериях. Biomech. Модель. Механобиол. 8, 431–446. DOI: 10.1007 / s10237-008-0146-x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chuong, C.J. и Fung, Y.C. (1986). Об остаточных напряжениях в артериях. J. Biomech. Англ. 108, 189–192. DOI: 10.1115 / 1.3138600

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст

Коломбо А., Кэхилл П. А. и Лалли К. (2008). Анализ поля деформации в двухосных мембранах Flexcell для различных форм волны и частот. Proc. Inst. Мех. Англ. Часть H J. Eng. Med. 222, 1234–1245. DOI: 10.1243 / 09544119JEIM428

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дельвуа П., Вилике П., Левек Ж. Л., Нусгенс Б. В. и Лапьер К. М. (1991). Измерение механических сил, создаваемых фибробластами кожи, заключенными в трехмерный коллагеновый гель. J. Invest. Дерматол. 97, 898–902. DOI: 10.1111 / 1523-1747.ep12491651

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фэган, К.А., Ока, М., Бауэр, Н. Р., Гебб, С. А., Айви, Д. Д., Моррис, К. Г. и др. (2004). Ослабление острой гипоксической легочной вазоконстрикции и гипоксической легочной гипертензии у мышей путем ингибирования Rho-киназы. Am. J. Physiol. Клетка. Мол. Physiol. 287, L656 – L664. DOI: 10.1152 / ajplung.00090.2003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фулен, Дж., Дешпанде, В. С., Кантерс, Ф. М. У., и Баайдженс, Ф. П. Т. (2012). Влияние целостности матрицы на ремоделирование стресс-волокна в 3D. Биоматериалы 33, 7508–7518. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2012.06.103

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гулд Р. А., Чин К., Сантисакултарм Т. П., Дропкин А., Ричардс Дж. М., Шаффер К. Б. и др. (2012). Анизотропия циклической деформации регулирует фенотип межклеточных клеток клапана и ремоделирование ткани в трехмерной культуре. Acta Biomater. 8, 1710–1719. DOI: 10.1016 / j.actbio.2012.01.006

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гренье, Г., Rémy-Zolghadri, M., Larouche, D., Gauvin, R., Baker, K., Bergeron, F., et al. (2005). Реорганизация тканей в ответ на механическую нагрузку увеличивает функциональность. Tissue Eng. 11, 90–100. DOI: 10.1089 / ten.2005.11.90

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Herberich, E., Sikorski, J., and Hothorn, T. (2010). Надежная процедура для сравнения нескольких средних при гетероскедастичности в несбалансированных планах. PLoS ONE 5: e9788. DOI: 10.1371 / journal.pone.0009788

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хорни, Л., Адамек, Т., и Зитны, Р. (2013). Возрастные изменения продольного предварительного напряжения в брюшной аорте человека. Arch. Прил. Мех. 83, 875–888. DOI: 10.1007 / s00419-012-0723-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Курал М. Х., Биллиар К. Л. (2014). Механорегуляция фенотипа клапанных интерстициальных клеток в третьем измерении. Биоматериалы 35, 1128–1137.DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2013.10.047

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Легант, В. Р., Патак, А., Янг, М. Т., Дешпанде, В. С., МакМикинг, Р. М., и Чен, С. С. (2009). Микропроцессорные манометры для измерения и управления силами трехмерных микротканей. Proc. Natl. Акад. Sci. США 106, 10097–10102. DOI: 10.1073 / pnas.0

4106

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ливне А., Гейгер Б.(2016). Внутренняя работа нервных волокон, от сократительных механизмов до фокальных спаек и спины. J. Cell Sci. 129, 1293–1304. DOI: 10.1242 / jcs.180927

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мбику П., Файмут А., Брумен М. и Ру Э. (2006). Теоретическое и экспериментальное исследование связи между кальцием и сокращением в гладких мышцах дыхательных путей. Cell Biochem. Биофиз. 46, 233–252. DOI: 10.1385 / CBB: 46: 3: 233

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мол, А., Дриссен, Н. Дж., Руттен, М. К. М., Хёрструп, С. П., Бутен, К. В., и Баайдженс, Ф. П. (2005). Тканевая инженерия створок клапана сердца человека: новый биореактор для подхода к кондиционированию на основе напряжения. Ann. Биомед. Англ. 33, 1778–1788. DOI: 10.1007 / s10439-005-8025-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мол, А., Руттен, М. К., Дриссен, Н. Дж., Бутен, К. В., Цюнд, Г., Баайенс, Ф. П. и др. (2006). Аутологичные тканевые клапаны сердца человека: перспективы системного применения. Тираж 114, 152–158. DOI: 10.1161 / CIRCULATIONAHA.105.001123

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст

Neggers, J., Hoefnagels, J., Roux, S., and Geers, M. (2012). Глобальная корреляция цифровых изображений улучшила метод тестирования выпуклости во всем поле. Proc. IUTAM 4, 73–81. DOI: 10.1016 / j.piutam.2012.05.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оллион Дж., Коченнек Дж., Лолль Ф., Эскуде К. и Будье Т. (2013). TANGO: универсальный инструмент для высокопроизводительного анализа трехмерных изображений для изучения ядерной организации. Биоинформатика 29, 1840–1841. DOI: 10.1093 / биоинформатика / btt276

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петерсон, Л. Дж., Райфур, З., Мэддокс, А. С., Фрил, К. Д., Чен, Ю., Эдлунд, М., и др. (2004). Одновременное растяжение и сокращение стрессовых волокон in vivo . Мол. Биол. Cell 15, 3497–3508. DOI: 10.1091 / mbc.e03-09-0696

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рауш, М.К., и Кул, Э. (2013). О влиянии преднапряжения и остаточного напряжения на тонкие биологические мембраны. J. Mech. Phys. Solids 61, 1955–1969. DOI: 10.1016 / j.jmps.2013.04.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смитмайер, М. Э., Савицкий, Л. А., и Клоксин, А. М. (2014). Гидрогелевые каркасы в качестве моделей in vitro для изучения активации фибробластов при заживлении ран и болезнях. Biomater. Sci. 2, 634–650. DOI: 10.1039 / C3BM60319A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тара, с., Куробе, Х., Максфилд, М. В., Рокко, К. А., Йи, Т., Наито, Ю. и др. (2015). Оценка процесса ремоделирования в бесклеточном тканевом артериальном трансплантате малого диаметра. J. Vasc. Surg. 62, 734–743. DOI: 10.1016 / j.jvs.2014.03.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

van Geemen, D., Driessen-Mol, A., Baaijens, F. P. T., and Bouten, C. V. C. (2013). Понимание индуцированного деформацией развития коллагеновой матрицы в сконструированных сердечно-сосудистых тканях на основе профилей экспрессии генов Cell Tissue Res. 352, 727–737. DOI: 10.1007 / s00441-013-1573-2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

ван Лосдрегт, И. А. Э. У., Деккер, С., Алфорд, П. В., Ооменс, К. В., Лоэраккер, С., и Бутен, К. В. (2018). Внутреннее напряжение клетки не зависит от организации в сконструированных клеточных листах. Cardiovasc. Англ. Technol. 9, 181–192. DOI: 10.1007 / s13239-016-0283-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

van Spreeuwel, A.C., Bax, N.A., Bastiaens, A.J., Foolen, J., Loerakker, S., Borochin, M., et al. (2014). Влияние изотропии матрикса (ан) на сокращение кардиомиоцитов в сконструированных сердечных микротканях. Integr. Биол. 6, 422–429. DOI: 10.1039 / C3IB40219C

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Влиммерен, М.А., Дриссен-Мол, А., Ооменс, К.В., и Баайдженс, Ф.П. (2012). Пассивный и активный вклад в генерируемую силу и ретракцию в тканевой инженерии сердечного клапана. Biomech. Модель. Механобиол. 11, 1015–1027. DOI: 10.1007 / s10237-011-0370-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжао, Р., Буду, Т., Ван, В. Г., Чен, К. С., и Райх, Д. Х. (2013). Разделение клеточной и матричной механики в сконструированных микротканях с помощью микрокантилеверов с магнитным приводом. Adv. Матер. 25, 1699–1705. DOI: 10.1002 / adma.201203585

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мосты из предварительно напряженного бетона

Мосты из предварительно напряженного бетона

Как построить мостовую балку из предварительно напряженного бетона? Сделайте краткий обзор процесса сборного железобетона.

Что такое предварительно напряженный бетон?

Основные марки бетона

Существует множество технических разновидностей современного бетона, но в исторических зданиях и мостах обычно используются три основных типа: простой или неармированный бетон, железобетон и предварительно напряженный бетон.

Бетона, как камень, является очень сильным при сжатии и хорошо работает при использовании в качестве вертикальной колонны или подпорки, например.При использовании в горизонтальном положении в качестве плиты или балки бетон, как правило, может преодолевать лишь небольшие расстояния, прежде чем он начнет трескаться и разрушаться, если его не сделать толще. Глубина и вес простой бетонной балки вскоре становятся слишком большими и непрактичными для более длинных горизонтальных пролетов, необходимых в зданиях и мостах.

Строители узнали, что добавление металлических арматурных стержней в бетонную балку или плиту позволит перекрывать большие расстояния до образования трещин. В результате железобетон стал важным конструкционным материалом для строительства мостов после 1900 года.Практически весь современный бетон армируют металлом.

Вот несколько объяснений преднапряженного бетона и того, как он работает:

Предварительно напряженный бетон

Даже железобетон имеет ограниченную способность преодолевать расстояния до образования трещин и разрушения под нагрузкой. В годы перед Второй мировой войной европейские инженеры экспериментировали с новой системой обработки бетона, чтобы еще больше увеличить длину пролета при меньшем весе.Эта система стала известна как «предварительно напряженный» бетон, потому что к бетонной балке было приложено напряжение или напряжение до того, как она была помещена на место.

Один из первых инженеров, Гюстав Магнель, сравнил эту систему с удержанием ряда книг, плотно прижимая их с каждого конца и поднимая в воздух. Подобным образом бетонную балку можно было плотно удерживать с каждого конца с помощью стального стержня или троса. Бетонная балка является «предварительно напряженной», потому что напряжение создается до или «до» фактического использования балки при приложении рабочего напряжения.

Правильно спроектированная балка из предварительно напряженного бетона может охватывать большие расстояния, чем железобетонная балка, и она тоньше, легче по весу и требует меньше бетона без трещин и разрывов.

Рис. 1. Вот рисунок бельгийского инженера Густава Магнеля, который объясняет предварительное напряжение, показывая, как ряд книг, плотно прижатых друг к другу, превращается в балку, способную выдержать большее количество книг.

Рис. 2 — В апреле 1960 года журнал «Minnesota Highways» опубликовал этот рисунок, чтобы проиллюстрировать преимущества предварительного натяжения бетонной балки для предотвращения растрескивания под нагрузкой.

Виды преднапряженного бетона

Предварительно напряженный бетон создается с помощью одного из двух процессов: предварительного напряжения и предварительного напряжения.

Последующее натяжение

Самый простой тип балок из предварительно напряженного бетона — это стальные тросы, которые плотно связывают ряд бетонных блоков встык. Это похоже на поднятие ряда книг, прижимая их вместе с каждого конца. Это называется «пост-натяжением», потому что бетонные блоки растягиваются после того, как они были произведены с помощью обычного процесса заливки бетонных блоков.Переносной гидравлический домкрат натягивает тросы, создавая необходимое натяжение.

Вместо использования отдельных блоков, можно было бы отлить один бетонный блок с трубами или кабелепроводом внутри для добавления натяжных тросов позже. Этот метод использовался на нескольких ранних мостах Миннесоты.
Система пост-натяжения требовала простого оборудования и могла быть выполнена практически в любом месте, в том числе на площадке моста. Фактически, первый мост из предварительно напряженного бетона в Миннесоте был подвергнут последующему напряжению.
Поскольку последующее натяжение ограничивалось меньшими балками и плитами, альтернативный метод предварительного натяжения стал отраслевым стандартом с первых лет.

Рис. 3 — Это деталь из первоначального инженерного плана 1957 года для проекта перекрытия с последующим напряжением для моста 9065, первоначально расположенного на шоссе 61 к югу от Вайноны, но теперь замененного. Показаны пары поперечных сечений двух плит: нижняя пара относится к одной из двух плит на внешней стороне пролета и называется «фасцией» или внешними плитами.В правом нижнем углу показан разрез конца плиты, а в левом нижнем углу — центр плиты, показывающий центры цилиндрических полостей каждой плиты, что позволяет сэкономить бетон и вес. Верхняя пара от одной из внутренних плит, снова показывая конец вверху справа и центр вверху слева. Горизонтальный ряд точек чуть выше нижней части балки представляет собой местоположения стальных нитей, которые протягиваются через плиту после того, как бетон затвердеет, а затем растянут.

Предварительное натяжение

Предварительное напряжение — еще один способ предварительного напряжения бетона.При предварительном натяжении бетон заливается вокруг уже натянутых тросов и дает возможность затвердеть и удерживать тросы на месте. Когда бетон затвердеет и затвердеет, концы натянутых тросов обрезаются, и напряжение снимается с балки или плиты.

Все предварительно напряженные мостовые балки сегодня изготавливаются с использованием процесса предварительного натяжения, который более сложен, чем процесс последующего натяжения. Предварительное натяжение требует строительства больших «литейных площадок», чтобы удерживать стальные тросы, называемые «пряди», в сильно натянутом состоянии, пока бетон заливается вокруг них в формах.

С предварительным натяжением производители создали балки и плиты гораздо большего размера. Литейные станины были построены в длинных зданиях заводского типа, что позволяло производить круглогодичное производство в контролируемых условиях. Длина предварительно натянутых балок была ограничена транспортными ограничениями между заводом и площадкой моста, а также наличием кранов, способных поднимать балки на место. В отличие от стальных балок, которые можно было транспортировать более короткими секциями и скреплять болтами на площадке моста, предварительно напряженные бетонные балки приходилось перевозить на грузовиках с готовой длиной и не могли быть собраны из более коротких единиц.

Рис. 4 — Это деталь из первоначального инженерного плана 1958 года для конструкции предварительно натянутой балки для моста 6579 в Сент-Поле (теперь заменена). На нем показаны три поперечных сечения одной балки или балки. Слева (A-A) — вид с торца, а в центре и справа — два вида посередине. На чертежах показано, что балка имеет форму двутавра, за исключением концов, где она толще, чтобы предотвратить растрескивание. Точки на секциях обозначают расположение стальных прядей предварительного напряжения, которые проходят от одного конца до другого.Эти пряди залиты внутрь бетонной балки.

Первые мосты из предварительно напряженного бетона

Впервые в США: мост Уолнат-Лейн, Филадельфия, 1950 год

Мост Walnut Lane в Филадельфии, построенный в конце 1950 года, считается первым крупным мостом из предварительно напряженного бетона в США. Мост спроектировали бельгийский инженер Гюстав Магнель и его ученик Чарльз Цольман. Каждая из предварительно напряженных бетонных балок была отлита на месте моста в виде единой детали.После того, как бетон затвердел и затвердел, кабель продлили конец в конец через предусмотренное отверстие. Подъемное устройство прикладывало натяжение к кабелю, который затем фиксировался на месте. В 1989-90 гг. Были заменены оригинальные балки и надстройка.

Рисунок 5 — Мост Уолнат-Лейн, Филадельфия, фотография из Исторического американского инженерного рекорда (HAER). На этой документальной фотографии, сделанной в 1968 году, показан пролет моста Уолнат-Лейн, состоящий из параллельной серии предварительно напряженных и предварительно напряженных бетонных балок, тесно выровненных друг с другом.Изображение получено из Библиотеки Конгресса США.

Первый в Миннесоте: мост Лейк-Сити, Лейк-Сити, Миннесота, 1953 год

В 1952 году братья Норберт и Леонард Сукуп основали компанию Northern States Prestressed Concrete Co., чтобы построить первый мост из предварительно напряженного бетона любого типа в Миннесоте с использованием метода последующего натяжения. Они собрали ряды специально разработанных бетонных блоков, стянули их вместе в длинный ряд тросами и создали серию предварительно напряженных бетонных блоков-балок.Балки создали пролет для моста, по которому местное движение проходит от шоссе 61 США до лагеря бойскаутов за пределами Лейк-Сити. С тех пор мост был заменен.

Рисунок 6 — Строительство моста в Лейк-Сити в серии пронумерованных видов: (1) Балки из блоков, подвергнутых последующему натяжению, были собраны на заводе компании Northern States Prestressed Concrete Co. в Миннеаполисе и доставлены на строительную площадку моста возле Лейк-Сити. , недалеко от шоссе. 61. (2) Крупным планом вид трех блочных балок, лежащих на земле рядом с работным домом.Натяжной трос виден сбоку от ближайшей балки. (3) Вид одной блочной балки на месте от центральной опоры до дальнего упора, идущей от камеры, при этом вторая балка опускается краном. (4) Все блочные балки на месте. (5) Рабочие на пролете блочной балки, готовятся к установке поперечных тросов, связывающих балки, бок о бок.

Рисунок 7 — Это реклама компании Northern States Prestressed Concrete Co., с иллюстрацией их блочных балок, используемых для пролетов моста в Лейк-Сити. Сравните этот вид с фотографией балок на Рисунке 6 (см. Вид 2 вверху справа), на котором показана сторона блочной балки с прядью после натяжения на внешней стороне балки. Объявление из «Строительного бюллетеня» от 6 августа 1953 г.

Первый в Миннесоте: мост 9053, Блумингтон, 1957 год

После моста в Лейк-Сити братья Соукуп построили завод для своей новой компании Prestressed Concrete, Inc.в растущем пригороде Розвилля, штат Миннесота, для изготовления предварительно напряженных бетонных балок. Чарльз Цоллман, работавший на мосту в Уолнат-Лейн, консультировал братьев при проектировании отливок для нового завода. На литейном заводе в Розвилле Soukups изготовили предварительно напряженные бетонные балки для зданий и мостов, включая первый в Миннесоте крупный мост из предварительно напряженного бетона, который соединит 94-ю улицу с новой автомагистралью Interstate 35W. Мост с оригинальными балками до сих пор ведет к 94-й улице и внесен в Национальный реестр исторических мест.

Рис. 8. Первый крупный мост из предварительно напряженного бетона в Миннесоте, Мост 9053, несущий 94-ю улицу над межштатной автомагистралью 35W в Блумингтоне, штат Миннесота.

Рис. 9. Реклама нового литейно-производственного завода братьев Соукуп, Prestressed Concrete, Inc., в послевоенном послевоенном поселке городов-побратимов Розвилля. Здесь изготовили предварительно напряженные бетонные балки для моста 9053.Разработанный для ограждения линейных литейных платформ, он состоял из длинного корпуса с вертикальным блоком для размещения бетоносмесительной установки, что позволяло круглогодично работать в условиях с контролируемым микроклиматом. Northwest Architect, май — июнь 1957 г.

Предварительно напряженные мосты и автомагистраль между штатами в 1950-е годы

Созданная в соответствии с Законом о федеральных автомагистралях 1956 года, новая система межгосударственных автомагистралей потребовала строительства тысяч новых мостов по всей стране.Новые шоссе, спроектированные как автострады, не будут иметь никаких транспортных развязок. Все автомагистрали и железные дороги будут проходить над новыми автомагистралями между штатами или под ними. Поскольку дизайн новой автомагистрали между штатами был настолько единообразным и соответствовал оригинальной четырехполосной системе, большинство мостов были аналогичными по форме и длине. Эти требования идеально подходили для новой системы из предварительно напряженного бетона, которая с готовностью производила большое количество однородных балок, отлитых на удаленных заводах, в контролируемых заводских условиях, независимо от погодных и строительных условий.Кроме того, новые балки из предварительно напряженного бетона оказались конкурентоспособными со стальными балками по размеру и стоимости, особенно когда в 1950-х годах сталь была дефицитной и дорогой.

Система Interstate System помогла создать крупную промышленность по производству предварительно напряженного бетона практически в одночасье. Те же самые заводы часто производили балки, плиты и доски для крыш и полов, чтобы построить множество новых торговых центров, школ, стадионов, офисов и других структур в пригородах, к которым ведет межштатная автомагистраль.

Рис. 10. Эти эскизы межштатной автомагистрали демонстрируют согласованную конструкцию и размеры моста для пересечения четырех полос движения в различных ситуациях.Длина пролетов остается неизменной для моста за мостом.

Мосты из предварительно напряженного бетона в Миннесоте

Исторические мосты предварительно напряженные

Мост №	Год постройки	Расположение
9053	1957	Округ Хеннепин, Блумингтон (также обсуждалось выше )
9082	1958	Округ Хеннепин, Блумингтон
9108	1958	Dakota County, Inver Grove Heights
9109	1958	Dakota County, Inver Grove Heights
9232	1958	ул.Округ Луи, Хиббинг
9407	1958	Округ Олмстед, Рочестер
27547	1970	Округ Хеннепин, Миннеаполис (пример с последующим натяжением )

Как правильно затянуть преобразователи

Предварительное напряжение или предварительная нагрузка — это давление смещения, прикладываемое к пьезокерамике мощных ультразвуковых преобразователей во время сборки.Его цель — одновременно максимизировать рабочую мощность и сцепление керамики с металлическими массами, а также избежать смещения во время вибрации.

Таблица 1 — Оптимальное предварительное напряжение

Материал	Оптимальное предварительное напряжение
PZT-8	45 МПа
PZT-4	35 МПа

Максимальное механическое напряжение, поддерживаемое материалом пьезоэлектрика, по существу, зависит от максимального механического напряжения, поддерживаемого материалом в отличие от момента затяжки, который варьируется в зависимости от площади керамических деталей и коэффициента трения болта с металлическими массами.Типичные значения составляют 45 МПа для PZT-8 и 35 МПа для PZT-4, как показано в таблице выше (значения для керамики среднего качества).

Предварительное напряжение и крутящий момент пропорциональны; однако пропорциональность сильно варьируется в зависимости от отделки поверхности, чистоты и смазки.

Prestress — ключевой фактор, определяющий срок службы, максимальную рабочую мощность и эффективность преобразователей. Тем не менее, превышение предварительного напряжения изменяет свойства керамики и может вызвать раздавливание; в то время как его отсутствие вызывает боковое смещение керамики при большой мощности, что приводит к трещинам, электрическим дугам и коротким замыканиям.

Оптимальный контроль и применение предварительного напряжения

PiezoClamping ^® использует новую технологию, в которой предварительное напряжение измеряется во время процесса затяжки точно, стабильно и без изменений.

Традиционно управление предварительным напряжением ограничивается попыткой стандартизации посредством управления моментом затяжки или измерения электрического заряда, генерируемого пьезокерамикой, без учета применяемого абсолютного значения.

Крутящий момент отличается от предварительного напряжения.Момент затяжки — это приложенная сила (F) x расстояние (d), а предварительное напряжение (P) — это напряжение (T), создаваемое на болте, деленное на площадь керамики (S).

Управление предварительным напряжением на основе управления моментом затяжки является практичным. Однако он является косвенным и имеет низкую точность, поскольку корреляция с предварительным напряжением зависит от нескольких факторов и сильно зависит от коэффициента трения материалов и смазки. Кроме того, когда болт застревает, это может привести к приложению более низкого предварительного напряжения, чем ожидалось, даже при достижении целевого крутящего момента.

Оптимальное предварительное напряжение с использованием PiezoClamping

^® Преобразователь в сборе с контролем предварительного напряжения с помощью PiezoClamping ^®

Подсоедините PiezoClamping ^® к преобразователю, удерживая болт ослабленным, введите параметры керамики и затяните преобразователь до достижения желаемого предварительного напряжения, как показано на рисунках выше.