ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ И КАМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА И АРМАТУРЫ

Железобетон — это составной материал, в котором бетон и стальная арматура совместно воспринимают действующие нагрузки и воздействия.

Бетон как искусственный камень хорошо работает на сжатие и значительно хуже сопротивляется растяжению. Прочность бетона на растяжение в 10—15 раз меньше прочности на сжатие. Поэтому при нагружении изгибаемого, внецентренно-сжатого и внецентренно- растянутого бетонных элементов в растянутой зоне сечения быстро появляются трещины и элемент разрушается, а прочность бетона на сжатие недоиспользуется.

Стальная арматура для железобетона имеет прочность от 400 до 1700 МПа, что примерно в 100 раз выше прочности бетона на растяжение Rs > Rbt. Однако недостатком металла является низкая коррозионная стойкость и слабая сопротивляемость высокой температуре при пожаре. Следовательно, металлические конструкции и арматуру необходимо защищать от негативного воздействия внешней среды.

Объединение бетона и арматуры в железобетоне основано на рациональном использовании свойств материалов: бетон воспринимает сжатие, арматура — растяжение. Бетон также защищает арматуру от негативного воздействия внешней среды.

Стальная арматура применяется также и в сжатых элементах, например, в колоннах, отчего их несущая способность увеличивается на 50% и более.

Железобетон — это конструкционный материал, в котором бетон и арматура рационально объединены для совместной работы.

Для установки арматуры в железобетонной конструкции необходимо знать величину и направление растягивающих напряжений в бетоне. Когда напряжение в растянутой зоне бетона достигает предела прочности бетона на растяжение, образуются трещины (рис. 8.1а). В изгибаемой балке у ее нижней грани устанавливают продольную рабочую арматуру для восприятия растягивающих усилий от изгибающего момента (рис. 8.16). На приопорных участках должна быть поставлена поперечная (вертикальная или наклонная) арматура, пересекающая наклонную трещину и воспринимающая поперечную силу. В сжатой зоне бетона устанавливают монтажные арматурные стержни, служащие для образования арматурного каркаса. В процессе эксплуатации обеспечивается совместная работа арматуры с бетоном и необходимая долговечность железобетонных конструкций. Это достигается благодаря возникновению между затвердевшим бетоном и арматурой значительных сил сцепления, наличием защитного слоя бетона, защищающего арматуру от коррозии, и примерным равенством коэффициентов температурного расширения бетона и арматуры.

Железобетонная балка

Рис. 8.1. Железобетонная балка:

  • а) схема образования трещин; б) армирование балки;
  • 1 — вертикальная трещина; 2 — наклонная трещина; 3 — сжатая зона;
  • 4 — растянутая зона; 5 — продольная рабочая арматура;
  • 6 — поперечные стержни; 7 — стержни монтажной арматуры

По функциональному назначению арматуры различают:

  • ? рабочую арматуру — это арматура, площадь сечения которой определяется из расчета на действие нагрузок:
    • — продольная рабочая арматура (рис. 8.1—5) воспринимает нормальные растягивающие напряжения и устанавливается из расчета прочности нормального сечения на действие Мтах,
    • — поперечная рабочая арматура (рис. 8.1—6) воспринимает главные растягивающие напряжения и устанавливается из расчета прочности по наклонному сечению на действие (2тах;
  • ? конструктивную арматуру — это арматура, диаметр и шаг которой назначаются по конструктивным требованиям норм или исходя из инженерного опыта конструктора.

Функции конструктивной арматуры многообразны — восприятие неучтенных в расчете усилий (от усадки и ползучести бетона, случайных напряжений), распределение усилий между стержнями рабочей арматуры сеток, обеспечение проектного положения рабочей арматуры при бетонировании и др.

Продольная конструктивная арматура в сжатой зоне (рис. 8.1—7) устанавливается в основном без расчета и необходима для крепления поперечной арматуры.

В 1867 году садовником Монье во Франции был заявлен первый патент на железобетонную конструкцию. В 1873 году был построен первый железобетонный мост во Франции, пролетом 16 м. С этого началась история строительства из железобетона. В настоящее время железобетон остается и будет основным конструкционным материалом в строительстве XXI в.

Железобетон применяется в виде сборных, сборно-монолитных и монолитных конструкций, из которых возводят промышленные одноэтажные и многоэтажные здания, гражданские здания различного назначения, уникальные и высотные здания и сооружения.

Долговечность железобетона определяется следующими факторами.

  • 1. Значительная сила сцепления между арматурой и бетоном, которая обеспечивает совместную работу бетона и арматуры в железобетонных конструкциях. Силы сцепления возникают за счет:
    • ? сил трения, которые возникают по контакту бетона и арматуры,
    • ? склеивания арматуры с гелиевой составляющей бетона,
    • ? сил зацепления, возникающих между бетоном и выступами арматуры периодического профиля.
  • 2. Окружающий стальную арматуру бетон с содержанием цемента более 225 кг/м3 надежно защищает ее от огневого воздействия и от воздействий окружающей среды.

Температурные деформации бетона и арматуры примерно одинаковы, поэтому они работают совместно.

У бетона

у арматуры.

Из-за этого при температуре от -40 до +40 °С не развиваются высокие внутренние напряжения в железобетонной конструкции.

Достоинствами железобетонных конструкций являются:

  • ? достаточно высокая долговечность, сейсмостойкость и огнестойкость;
  • ? достаточная прочность и перекрывающая способность;
  • ? из железобетона можно изготовлять конструкции произвольной формы и сечения;
  • ? рациональное использование местных материалов (песка, щебня, цемента);
  • ? малые эксплуатационные расходы.

К недостаткам железобетона следует отнести:

  • ? низкая трещиностойкость обычных железобетонных конструкций (ОЖБК). Для обеспечения трещиностойкости и жесткости железобетонных элементов создают предварительно напряженные железобетонные конструкции;
  • ? большой собственный вес;
  • ? трудности усиления железобетонных конструкций. Классификация железобетонных конструкций:
  • ? по виду бетона:
  • — из тяжелого бетона,
  • — легких конструкционных бетонов,
  • — мелкозернистых бетонов,
  • — армополимербетона;
  • ? по способу изготовления:
    • — сборные,
    • — монолитные,
    • — сборно-монолитные;
  • ? по виду арматуры:
  • — с гибкой стержневой арматурой,
  • — несущей профильной арматурой,
  • — дисперсной арматурой в виде волокон;
  • ? по предварительному напряжению арматуры:
    • — без предварительного напряжения,
    • — предварительно напряженные;
  • ? по внешнему воздействию:
  • — изгибаемые,
  • — внецентренно сжатые,
  • — центрально растянутые и др.

Материалы для железобетонных конструкций. Бетон представляет собой неоднородный искусственный материал, в котором инертные заполнители (щебень, песок) скреплены в единый монолит с помощью цементного камня.

Прочность бетона зависит от его состава, качества цемента и заполнителей, водоцементного отношения, характера напряженного состояния. Для конструкций бетоны классифицируются по показателям качества бетона, которые обеспечиваются соответствующим составом бетонной смеси, технологией приготовления и производства бетонных работ. Основными показателями качества бетона, устанавливаемыми при проектировании, являются марка по средней плотности бетона (Д), класс по прочности на сжатие (В), класс по прочности на осевое растяжение (Bt), марка по морозостойкости (F), марка по водонепроницаемости (W).

Маркой бетона по средней плотности (Д) является характеристика бетона, равная отношению его массы к объему. По средней плотности бетоны различаются на:

  • ? тяжелый бетон — бетон плотной структуры на цементном вяжущем и плотных крупных и мелких заполнителях средней плотности от 2200 до 2500 кг/м3;
  • ? мелкозернистый бетон (пескобетон) — бетон плотной структуры на цементном вяжущем и плотных мелких заполнителях средней плотности от 1800 до 2200 кг/м3;
  • ? легкий бетон — бетон на цементном вяжущем и пористом круп-

о

ном заполнителе средней плотности Д800 — Д2000кг/м ;

  • ? ячеистый бетон средней плотности Д500 — Д1200 кг/м3;
  • ? полимербетоны — специальные бетоны на основе полимерного вяжущего, химически стойких минеральных заполнителей, наполнителей и добавок.

Классом бетона по прочности на сжатие В называется временное сопротивление бетонного куба с ребром 150 мм, хранимого в стандартных условиях в возрасте 28 дней с гарантированной обеспеченностью, равной 0,95:

где — средняя кубиковая прочность;

— число стандартов; что составляет обеспеченность 0,95;

— коэффициент вариации:

Для несущих конструкций применяются бетоны классов по прочности на сжатие (В): В15, В20, В25, ВЗО, В35, В40, В45, В50, В55, В60, В80, В100.

Класс бетона по прочности на осевое растяжение Bt представляет собой величину временного сопротивления осевому растяжению эталонных образцов, изготовленных и испытанных в соответствии с государственным стандартом. Его определяют по формуле, аналогияной (8.1) при коэффициенте вариации, равном 0,165, средней прочности бетона на растяжение Rbl и обеспеченностью 0,95. Прочность бетона на растяжение зависит от прочности цементного камня на растяжение и его сцепления с зернами заполнителя. Класс бетона по прочности на осевое растяжение Bt0,8—Bc4,0 устанавливают для конструкций, преимущественно работающих на растяжение (резервуары, водонапорные трубы). Bt0,8; Btl,2; Btl,6; Bt2,0; Bt2,4; Bt2,8; Bt3,2.

Призменную прочность получают по результатам испытаний на сжатие образцов-призм. Она равна примерно 0,72—0,75 от Кубиковой прочности. Железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, поэтому в расчетах их несущей способности не может быть непосредственно использована кубиковая прочность. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность, на основе которого устанавливаются расчетные сопротивления бетона сжатию.

Выносливость бетона, т. е. его сопротивление воздействию многократно повторных нагрузок (железнодорожный подвижной состав, грузоподъемные краны, машины с неуравновешенными массами), снижается по сравнению со статической прочностью. В результате накопления повреждений структуры материала возможно усталостное разрушение таких конструкций, как пролетные строения мостов, подкрановые балки, железобетонные шпалы.

Марки по морозостойкости F50—F1000 характеризуют количество циклов замораживания и оттаивания, которые выдерживает бетон в насыщенном водой состоянии при снижении прочности не более чем на 5%.

Марки по водонепроницаемости W2—W20 назначают для конструкции, к которым предъявляются требования непроницаемости. Они характеризуют давление воды, при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытуемый стандартный образец.

Деформативность бетона определяется его физико-механическими свойствами. Бетон является упруго пластическим материалом, т. е. после снятия нагрузки в нем возникают остаточные деформации. Различают объемные и силовые деформации: объемные развиваются во всех направлениях вследствие усадки, колебания температуры и влажности воздуха; силовые деформации проявляются главным образом вдоль направления действия сил от кратковременных, длительно действующих и многократно повторных нагрузок.

При однократном приложении кратковременной нагрузки полная относительная деформация бетона ?„ при сжатии равна сумме упругой ?е/ и неупругой пластической ^деформации (рис. 8.2).

Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне при кратковременном загружении

Рис. 8.2. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне при кратковременном загружении:

  • 1 — при разгрузке; 2 — при нагружении; 3 — зона упругих деформаций;
  • 4 — зона пластических деформаций

Основными деформационными характеристиками являются значения:

? предельных относительных деформаций бетона при осевом сжатии и осевом растяжении при непродолжительном действии нагрузки

при продолжительном действии нагрузки они принимаются согласно своду правил СП 63.13330.2012 в пределах

в зависимости от

относительной влажности воздуха окружающей среды;

? начального модуля упругости Ев

я характеристики (коэффициента) ползучести фвсг; значения коэффициента ползучести принимается согласно своду правил СП 63.13330.2012 Ф„,сг = 1,0...5,6 в зависимости от класса бетона на сжатие и относительной влажности воздуха. Характеристикой ползучести бетона называется отношение его неупругих пластических деформаций к упругим:

? коэффициента поперечной деформации бетона (коэффициента Пуассона)

? коэффициента линейной температурной деформации бетона

При продолжительном действии нагрузки значение начального модуля деформации бетона определяется по формуле:

Для бетона характерно протекание с течением времени процессов ползучести и усадки.

Ползучесть — свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии нагрузки. Деформации ползучести могут в 3—5 раз превышать упругие деформации.

Усадкой бетона называют уменьшение его объема при твердении в воздушной среде. Деформации ?sA, вызванные усадкой бетона, изменяются в широких пределах и для тяжелых бетонов ?jA = (0,2 -0,4) х10_3. Ползучесть и усадка оказывают существенное влияние на напряженное состояние эксплуатационных конструкций, вызывая перераспределение усилий в конструкции и образование трещин.

Арматура в железобетонных конструкциях применяется главным образом в виде стальных стержней и стальной проволоки, но возможно применение и стеклопластиковой арматуры. Арматурные стержни могут быть гладкими или периодического профиля (с выступами), что повышает сцепление арматуры с бетоном.

По своим механическим свойствам арматурные стали подразделяются на мягкие, которые имеют ярко выраженную площадку текучести, упрочненные и твердые стали, которые деформируются вплоть до разрушения без значительных пластических деформаций. Упрочненные стали по характеристикам прочности и деформаций занимают промежуточное значение между твердыми и мягкими сталями.

Для железобетонных конструкций применяют следующие виды арматуры:

  • ? горячекатаную гладкую и периодического профиля с постоянной и переменной высотой выступов диаметром 6—50 мм. Постоянную высоту выступов имеет арматура периодического профиля с кольцевидными выступами, переменную — арматура с серповидным периодическим профилем (рис. 8.3);
  • ? термомеханически упрочненную периодического профиля с постоянной и переменной высотой выступов диаметром 6—50 мм;
  • ? механически упрочненную в холодном состоянии (холодно- деформированная) периодического профиля или гладкая диаметром 3—16 мм;
  • ? арматурные канаты диаметром 6— 18 мм.
Периодический профиль арматурных стержней

Рис. 8.3. Периодический профиль арматурных стержней:

а) кольцевой; б) серповидный; a, b,h,t— параметры выступов

В арматуре с серповидным периодическим профилем поперечные ребра не пересекаются с продольными и за счет этого снижается концентрация напряжений, прочность стали увеличивается на 4—7%, предел выносливости почти вдвое.

Основным нормируемым и контролируемым показателем качества стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение и обозначаемый:

А — горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры;

В — для холоднодеформированной арматуры;

К — для арматурных канатов.

Классы арматуры А, В, К отвечают гарантированному значению предела текучести (физического или условного) в МПа (с округлением) с обеспеченностью 0,95.

Для обычных железобетонных конструкций — железобетонных конструкций без предварительного напряжения применяют:

Для продольного армирования:

? арматура периодического профиля классов А400, А500, А600, а также классов В500, Вр500 в сварных сетках и каркасах.

Для поперечного и косвенного армирования:

? гладкая класса А240 (A-I), а также А400, А500, В500, Вр500. Для предварительно напряженных железобетонных конструкций

применяют:

в качестве напрягаемой арматуры:

  • ? горячекатаную и термомеханически упрочненную периодического профиля классов А600, А800, А1000,
  • ? холоднодеформированную периодического профиля классов Вр1200 - Вр1600,
  • ? канатную 7-проволочную (К7) классов К1400 — К1700; в качестве ненапрягаемой арматуры:
  • ? гладкая класса А240, а также классов А400, А500, А600, В500, Вр500.

Как видно из диаграмм напряжения, относительные деформации (рис. 8.4) с повышением прочности арматурных сталей снижаются относительные деформации при разрыве. Основные прочностные характеристики арматурных сталей: физический предел текучести аг для мягких сталей, условный предел текучести а0 2, равный напряжению, при котором остаточные деформации составляют 0,2%, для упрочненных сталей; временное сопротивление о„, при котором происходит разрыв арматуры.

Диаграммы a — e для арматурных сталей

Рис. 8.4. Диаграммы as — es для арматурных сталей:

1 — А240, А400; 2 — А600, А800, А1 ООО; 3 — Вр1000 — Вр1500

Значение модуля упругости арматуры принимают одинаковыми при растяжении и сжатии и равными: МПа в зависимости от класса арматуры.

При проектировании железобетонных конструкций необходимо учитывать такие свойства арматурных сталей, как свариваемость, хладноломкость, релаксация, выносливость при действии многократно повторных нагрузок и др.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >