Железобетонные и каменные конструкции

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

 

 

Кафедра «Железобетонных конструкций»

 

 

 

 

 

К О Н С П Е  К Т 

 

лекций по дисциплине «Железобетонные  и каменные конструкции»

 

для студентов заочной  формы обучения специальности П  Г С , начитываемых в 9-ом семестре на установочной сессии

 

 

 

 

 

 

Авторы конспекта:

Доцент О.Э. Брыжатый

Доцент Т.Н. Виноградова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Макеевка – 2001г.

 

 

Вашему вниманию предлагается конспект лекций по дисциплине «ЖБК», которые преподаватели кафедры  начитывают в период установочной сессии в 9-м семестре (так называемая первая часть курса).

Изучение приведенного материала  позволит студенту понять сущность нового для него конструкционного материала=железобетона= и приступить к выполнению курсового  проекта №1.

Следует иметь в виду, что  при изучении дисциплины не следует  ограничиваться только данным конспектом, а обязательно воспользоваться  рекомендуемой литературой, список которой приведен в конце конспекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

стр.

1. Лекция 1. Тема: Сущность обычного и преднапряженного железобетона………..4

2. Лекция 2. Тема: Основные физико-механические свойства бетона и арматуры. .10

3. Лекция 3. Тема: Основы расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям. Принципы конструирования изгибаемых железобетонных элементов………………………………………………………………………………………..15

4. Лекция 4. Тема: Изгибаемые железобетонные элементы…………………………….20

5. Лекция 5. Тема: Расчет прочности по нормальным сечениям изгибаемых железобетонных элементов прямоугольного профиля………………………………...23

6. Лекция 6. Тема: Расчет прочности тавровых изгибаемых элементов по нормальным сечениям………………………………………………………………………....29

7. Лекция 7. Тема: Расчет прочности изгибаемых элементов по наклонным

    сечениям…………………………………………………………………………………………..33

8. Лекция 8. Тема: Конструирование и расчет прочности сжатых и растянутых железобетонных элементов…………………………………………………………………37

 

 

ЛЕКЦИЯ  № 1

 

Тема: СУЩНОСТЬ ОБЫЧНОГО И ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

 

План:

1.1. История развития железобетона (краткие сведения).

1.2. Сущность железобетона. Его достоинства и недостатки.

     1.3. Преднапряженный  железобетон: его сущность и  способы создания    предварительного  напряжения.

1.4.  Области применения железобетона.

1.1.История  развития железобетона.

 

Железобетонные конструкции впервые  появились в 1850 году во Франции (инж. Ламбо) - была построена лодка, каркас которой состоял из металлической  сетки, которая была оштукатурена с  двух сторон цементным раствором. В 1861 году во Франции (инж. Куанье) издает первую книгу по железобетону, в которой описывает возможные конструкции из железобетона. В 1867 году зафиксирован первый патент на изготовление железобетонных конструкций - им стал французский садовник Монье, применивший железобетонные кадки для цветов.

Конец ХIХ века считается первым этапом развития железобетона. В это  время появляется конструкция ребристого монолитного перекрытия, предложенная французским инженером Геннебиком.

В 30¸40 годы ХХ столетия широко применялись монолитные рамные конструкции, тонкостенные пространственные конструкции - цилиндрические оболочки купола. Этот период считается вторым этапом в развитии железобетона.

Идея создания предварительного напряжения конструкций возникла в 1910 году в Германии (инж. Бах). Была произведена серия опытов с преднапряженными балками. В 1928 году во Франции Фрейсине обосновал необходимость использования в качестве арматуры высокопрочной стали и высоких начальных напряжений.

Третий этап развития железобетонных конструкций сопровождался процессом индустриализации и развития теоретических основ железобетона.

1.2. Сущность  железобетона. Его достоинства и  недостатки

 

Бетон и сталь имеют  различные физико - механические свойства. Бетон является  искусственным  камнем и он, как и все естественные камни, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению. Прочность бетона при растяжении в 10¸15 раз ниже, чем при сжатии. Сталь имеет существенно бо¢льшую прочность, и одинаково хорошо сопротивляется как сжатию, так и растяжению.

Сущность железобетона состоит в том, что он представляет рациональное  сочетание этих двух материалов - бетона и стали, которые работают совместно вплоть до разрушения.

Ниже приведено стандартное  определение железобетона, в котором  кратко отражается его сущность.

Железобетон - это комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стальной арматуры, деформирующихся совместно вплоть до разрушения конструкции.

В приведенном определении выделены ключевые слова, отражающие сущность  материала. Для выявления роли каждого из выделенных понятий рассмотрим более подробно суть каждого из них.

Бетон - это искусственный камень, который, как и любой каменный материал, имеет достаточно высокое сопротивление сжатию, а сопротивление растяжению у него в 10¸20 раз меньше.

Стальная арматура имеет достаточно высокое сопротивление как при сжатии, так и при растяжении.

Объединение этих двух материалов в  одном позволяет рационально  использовать достоинства каждого  из них.

 

 

Рис. 1. Сопоставление поведения под нагрузкой бетонной (а) и железобетонной (б) балок:

      F  - предельная нагрузка (несущая способность), которую воспримет бетонная балка ;

      N  - то же, для железобетонной балки.

 

На примере бетонной балки рассмотрим, как используется  прочность бетона в изгибаемом элементе (рис. 1а). При изгибе балки выше нейтрального слоя возникают сжимающие напряжения, а нижняя зона растянута. Максимальные напряжения в сечениях будут в крайних верхних и нижних волокнах сечения Как только при загружении балки напряжения в растянутой зоне достигнут предела прочности бетона при растяжении R_bt, произойдет разрыв крайнего волокна, т.е. появится первая трещина. За этим последует хрупкое разрушение, т.е. излом балки. Напряжения в сжатой зоне бетона s_bc в момент разрушения составят всего 1/10 ¸ 1/15 часть от предела прочности бетона при сжатии R_b, т.е. прочность бетона в сжатой зоне будет использована на 10% и меньше.

На примере железобетонной балки с арматурой рассмотрим, как здесь используется прочность бетона и арматуры. Первые трещины в растянутой зоне бетона появятся практически при той же нагрузке, что и в бетонной балке. Но, в отличие от бетонной балки, появление трещины не приводит к разрушению железобетонной балки. После появления трещин растягивающее усилие в сечении с трещиной будет восприниматься арматурой, и балка будет способна воспринимать возрастающую нагрузку. Разрушение железобетонной балки произойдет только тогда, когда напряжения в арматуре достигнут предела текучести, а напряжения в сжатой зоне - предела прочности бетона при сжатии. При этом, вначале, когда в арматуре достигается предел текучести s_тек, балка начинает интенсивно прогибаться за счет развития в арматуре пластических деформаций. Этот процесс продолжается до тех пор , пока раздавится бетон сжатой зоны при достижении в нем предела прочности при сжатии R_b. Так как уровень напряжений в бетоне и арматуре в этом состоянии гораздо выше, чем величина R_bt, то это означает, что оно должно быть вызвано большей нагрузкой (N на рис. 1-б). Вывод - целесообразность железобетона состоит в том, что растягивающие усилия воспринимает арматура, а сжимающие - бетон. Следовательно, основное назначение арматуры в железобетоне состоит в том, что именно она должна воспринимать растяжение ввиду незначительной прочности бетона растяжению. Путем армирования несущая способность изгибаемого элемента, по сравнению с бетонным, можно повысить более чем в 20 раз.

Совместное деформирование бетона и арматуры, установленной в нем, обеспечивается за счет сил сцепления, которые возникают при твердении бетонной смеси. При этом сцепление формируется за счет нескольких факторов, а именно: во-первых, благодаря адгезии (приклеивания) цементного теста к арматуре (очевидно, что доля этой составляющей сцепления невелика); во-вторых, за счет обжатия арматуры бетоном вследствие усадки его при твердении; в-третьих, за счет механического зацепления бетона о периодическую (рифленую) поверхность арматуры. Естественно, что для арматуры периодического профиля эта составляющая сцепления наиболее существенна, поэтому сцепление арматуры периодического профиля с бетоном в несколько раз превышает таковую для арматуры с гладкой поверхностью.

Само существование железобетона и его хорошая долговечность  оказались возможными благодаря выгодному сочетанию некоторых важных физико - механических свойств бетона и стальной арматуры, а именно:

1. бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и под нагрузкой оба этих материала деформируются совместно;
2. бетон и сталь имеют близкие значения коэффициентов линейного температурного расширения. Именно поэтому при изменениях температуры окружающей среды в пределах +50^оС ¸ -70^оС не происходит нарушения сцепления между ними, так как они деформируются на одинаковую величину;
3. бетон защищает арматуру от коррозии и непосредственного действия огня. Первое их этих обстоятельств обеспечивает долговечность железобетона, а второе – огнестойкость его при возникновении пожара. Толщина защитного слоя бетона и назначается именно из условий обеспечения необходимой долговечности и огнестойкости железобетона.

При использовании железобетона в  качестве материала для строительных конструкций очень важно понимать достоинства и недостатки материала, что позволит применять его рационально, уменьшая неблагоприятное влияние его недостатков на эксплуатационные качества конструкции.

К достоинствам (положительным свойствам) железобетона относят:

1. Долговечность - при правильной  эксплуатации железобетонные конструкции  могут служить неопределенно  долгое время без снижения несущей способности.

2. Хорошая сопротивляемость статическим  и динамическим нагрузкам.

3. Огнестойкость.
4. Малые эксплуатационные расходы.
5. Дешевизна и хорошие эксплуатационные качества.

К основным недостаткам железобетона относятся:

1. Значительный собственный вес. Этот недостаток в некоторой степени устраняется при использовании легких заполнителей, а также при применении прогрессивных пустотных и тонкостенных конструкций (то есть за счет выбора рациональной формы сечений и очертания конструкций).
2. Низкая трещиностойкость железобетона (из рассмотренного выше примера следует, что в растянутом бетоне должны быть трещины при эксплуатации конструкции, что не снижает несущей способности конструкции). Указанный недостаток может быть снижен с применением преднапряженного железобетона, которое служит радикальным средством повышения его трещиностойкости (сущность преднапряженного железобетона рассмотрена в теме 1.3 ниже.
3. Повышенная звуко- и теплопроводность бетона в отдельных случаях требуют дополнительных затрат на тепло- или звукоизоляцию зданий.
4. Невозможность простого контроля по проверке армирования изготовленного элемента.
5. Трудности усиления существующих железобетонных конструкций при реконструкции зданий, когда увеличиваются нагрузки на них.

 

 

1.3. Преднапряженный железобетон: его сущность и способы создания предварительного напряжения

 

Иногда образование трещин в  конструкциях, в которых недопустимо  по условиям эксплуатации (например, в  резервуарах; трубах; конструкциях, экспуатирующихся при воздействии агрессивных сред). Чтобы исключить этот недостаток железобетона, применяют предварительно напряженные конструкции. Таким образом, можно избежать появления трещин в бетоне и уменьшить деформации конструкции в стадии эксплуатации.

Рассмотрим краткое определение предварительно напряженного железобетона.

 

 

Предварительно напряженной называют такую железобетонную конструкцию, в которой в процессе изготовления которой создают значительные сжимающие напряжения в бетоне той зоны сечения конструкции, которая при эксплуатации испытывает растяжение (рис.2).

Как правило, начальные сжимающие  напряжения в бетоне создают с  использованием предварительно растягиваемой  высокопрочной арматуры

За счет этого повышается трещиностойкость и жесткость конструкции, а также  создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции.

Удельная стоимость арматуры снижается  с увеличением прочности арматуры. Поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее обычной. Однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях без преднапряжения не рекомендуется, т. к. при высоких растягивающих напряжениях в арматуре трещины в растянутых зонах бетона будут значительно раскрыты, снижая при этом необходимые эксплуатационные качества конструкции.