Железобетонные и каменные конструкции

 

 

Рис. 2. К сущности преднапряженного железобетона:

а – конструкция в стадии обжатия  бетона напрягаемой арматурой;

б – в стадии эксплуатации (N – внешняя нагрузка на конструкцию; Р – усилие предварительного обжатия в арматуре):

 

 

Преимущества преднапряженного железобетона перед обычным – это, прежде всего, его высокая трещиностойкость; повышенная жесткость конструкции (за счет обратного выгиба, получаемого при обжатии конструкции); лучшее сопротивление динамическим нагрузкам; коррозионная стойкость; долговечность; а также определенный экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры.

В предварительно напряженной балке  под нагрузкой (рис. 2) бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. На примере двух балок видно, что трещины в преднапряженной балке образуются при более высокой нагрузке, но разрушающая нагрузка для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы. Гораздо меньше также и прогиб преднапряженной балки.

 

При производстве преднапряженных  железобетонных конструкций в заводских  условиях возможны две принципиальные схемы создания преднапряжения в  железобетоне :

преднапряжение с натяжением арматуры на упоры и на бетон.

При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют на упоре, другой натягивают домкратом или иным приспособлением до контролируемого напряжения. Затем изделие бетонируется, пропаривается и после приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности для восприятия обжатия R_bp арматуру отпускают с упоров. Арматура, стремясь укоротиться в пределах упругих деформаций, при наличии сцепления с бетоном увлекает его за собой и обжимает его (рис. 3-а).

При натяжении арматуры на бетон(рис. 3-б) сначала изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, затем по достижении бетоном прочности R_bp создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Это осуществляется следующим образом: напрягаемую арматуру заводят в каналы или пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают с помощью домкрата, упираясь прямо в торец изделия. При этом обжатие бетона происходит уже в процессе натяжения арматуры. При этом способе напряжения в арматуре контролируют после окончания обжатия бетона. Каналы в бетоне, превышающие диаметр арматуры на  (5¸15)мм создают укладкой извлекаемых впоследствии пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых трубок и т.д.). Сцепление арматуры с бетоном достигается за счет того, что после обжатия инъецируют (нагнетают в каналы цементное тесто или раствора под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники – отводы). Если напрягаемую арматуру располагают с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т.п.), то навивку ее с одновременным обжатием бетона выполняют специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием защитный слой бетона.

Натяжение на упоры является более индустриальным способом в заводском производстве. Натяжение на бетон применяется главным образом для крупноразмерных конструкций, создаваемых непосредственно на месте их возведения.

 

Натяжение арматуры на упоры можно осуществлять не только с помощью домкрата, но и электротермическим способом. Для этого стержни с высаженными головками разогревают электротоком до 300 - 350°С, заводят в форму и закрепляют в упорах форм. При восстановлении начальной длины в процессе остывания арматура оказывается растянутой. Арматуру можно также натягивать электротермомеханическим способом (представляет собой комбинацию первых двух способов).

 

 

Рис. 3. Способы создания предварительного напряжения в железобетоне:

а – с натяжением арматуры на упоры;

б – с натяжением на бетон.

 

 

4. Области применения железобетона.

 

Железобетон находит применение практически  во всех областях промышленного и  гражданского строительства:

• В промышленных и гражданских зданиях из железобетона выполняют: фундаменты, колонны, плиты покрытий и перекрытий, стеновые панели, балки и фермы, подкрановые балки, т.е. практически все элементы каркасов одно- и многоэтажных зданий.
• Специальные сооружения при строительстве промышленных  и гражданских комплексов - подпорные стены, бункеры, силосы, резервуары, трубопроводы, опоры линий электропередач и т.д.
• В гидротехническом и дорожном строительстве из железобетона выполняют плотины, набережные, мосты, дороги, взлетные полосы и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ № 2

 

Тема: ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА И АРМАТУРЫ

 

План:

2.1. Прочность бетона при сжатии  и растяжении.

2.2. Арматура для железобетонных  конструкций.

 

 

 

 

 

 

2.1. Прочность  бетона при сжатии и растяжении.

 

Структура бетона, обусловленная неоднородностью состава и различием способов приготовления, оказывает существенное влияние на все физико-механические свойства.

Прочность бетона зависит от ряда факторов:

        - технологические факторы: состав, водоцементное отношение, свойства исходных материалов;

            - возраст и условия твердения;

            - форма и размеры образца;

             - вид напряженного состояния и длительность воздействия.

 

Бетон имеет разное временное сопротивление  при сжатии, растяжении и срезе.

Прочность бетона на осевое сжатие.

Различают кубиковую (R) и призменную (R_b) прочность бетона на осевое сжатие. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. При этом наблюдается явно выраженный эффект обоймы - в кубе у поверхностей, соприкасающихся с плитами пресса (зоны передачи усилий), возникают силы трения, направленные внутрь куба, которые препятствуют свободным поперечным деформациям. Если этот эффект устранить, то временное сопротивление сжатию куба уменьшится примерно вдвое. Опытами установлено, что прочность бетона также зависит от размера образца. Это объясняется изменением влияния эффекта обоймы на деформации бетона с изменением размеров и формы образца (рис. 4).

Поскольку реальные железобетонные конструкции  по форме отличаются от кубов, в расчете их прочности основной характеристикой бетона при сжатии является призменная прочность R_b- временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Опыты на бетонных призмах со стороной основания а и высотой h показали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой и она уменьшается с увеличением отношения h/a. Влияние сил трения на торцах призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при отношении h/a = 4 значение R_b становится почти стабильным и равным примерно 0.75R.

Прочность бетона на осевое растяжение.

Зависит от прочности цементного камня  на растяжение и сцепления его  с зернами заполнителя. Согласно опытным данным, прочность бетона на растяжение в 10 ¸ 20 раз меньше, чем при сжатии. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением W/C, применением щебня с шероховатой поверхностью.

Временное сопротивление  бетона осевому растяжению (МПа) можно  определить по эмпирической формуле:

                                    ₃___

R_bt = 0.233 ÖR²

Вследствие неоднородности бетона эта формула дает лишь приблизительные  значения R_bt, точные значения получают путем испытания на разрыв образцов в виде восьмерки.

Прочность бетона на срез и скалывание.

Срез представляет собой разделение элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. При этом основное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающих, как шпонки. Временное сопротивление срезу можно определить по эмпирической формуле R_sh @ 2R_bt;

Сопротивление бетона скалыванию возникает при изгибе железобетонных балок до появления в них наклонных трещин. Скалывающие напряжения по высоте сечения изменяются по квадратной параболе. Временное сопротивление скалыванию при изгибе, согласно опытным данным, в 1.5 ¸ 2 раза больше R_bt.

Классы и марки бетона.

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации устанавливают показатели качества бетона, основными из которых являются:

• класс по прочности на осевое сжатие В; указывают в проектах во всех случаях, как основную характеристику;

для тяжелых бетонов Нормы устанавливают  такой ряд классов - В7.5, В10, В12.5, В15, В20, В25, В30, В35, В40, В45, В50, В55, В60.

для мелкозернистых в зависимости  от группы в диапазоне от В7.5 до В60.

для легких бетонов в зависимости от средней плотности В3.5 - В40.

• класс по прочности на осевое растяжение В_t, назначается в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве; В_t0.8; В_t1.2; В_t1.6; В_t2; В_t2.4; В_t2.8; В_t3.2;
• марка по морозостойкости F; назначают для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременных замораживаний и оттаиваний; Характеризует число выдерживаемых бетоном циклов попеременного замораживания - оттаивания в насыщенном водой состоянии при условии, что снижение прочности составляет не более, чем 15%. Для тяжелого и мелкозернистого бетона - F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500. Для легкого бетона - F25 - F500. Для ячеистых - F15 - F100.
• марка по водонепроницаемости W; назначают для конструкций, к которым предъявляются требования ограниченной проницаемости (резервуары и т.п.); W2, W4, W6, W8, W10, W12. Она характеризует предельное давление воды (кг/см²), при котором не происходит ее просачивание через испытуемый образец в пределах требований Норм.
• марка по средней плотности D; назначают для конструкций, к которым кроме требований прочности предъявляются требования теплоизоляции, и контролируют на производстве. Тяжелый бетон от D2200 до D2500; легкий бетон от D800 до D2000; поризованный бетон от D800 до D1400.

Заданные класс и марку бетона получают соответствующим подбором состава бетонной смеси с последующим  испытанием контрольных образцов.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом в возрасте 28 суток при хранении в стандартных условиях (при температуре 20 ± 2°С  и влажности не менее 60% ) и принятое с обеспеченностью 0.95.

 

 

2.2. Арматура для железобетонных конструкций

Назначение и виды арматуры.

 

Как было показано в лекции № 1, арматуру в железобетонных конструкциях устанавливают  преимущественно для восприятия растягивающих усилий. Необходимое  количество арматуры определяют расчетом элементов конструкций на нагрузки и воздействия.

Арматура, устанавливаемая по расчету, называется рабочей; устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям - монтажной. Монтажная арматура обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерного распределения усилий между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, монтажная арматура может воспринимать обычно не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, температурных перепадов и т.д.

Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия - сварные и вязаные сетки и каркасы, которые размещают в железобетонных конструкциях в соответствии с характером их работы под нагрузкой.

Арматура классифицирована по 4 признакам:

1. в зависимости от технологии изготовления - стержневая и проволочная. Под стержневой подразумевают арматуру любого диаметра в пределах 6 ¸ 40мм, причем независимо от того, как она поставляется промышленностью - в прутках (D>12мм, длина до 13м) или в мотках (массой до 1300кг).
2. в зависимости от способа последующего упрочнения - горячекатанная арматура может быть термически упрочненной, или упрочненной в холодном состоянии - вытяжкой, волочением.
3. По форме поверхности - бывает периодического профиля или гладкой. Выступы в виде ребер на поверхности стержневой арматуры периодического профиля, рифы или вмятины на поверхности проволочной арматуры значительно улучшают сцепление с бетоном.
4. по способу применения - напрягаемая и ненапрягаемая арматура.

Механические свойства арматурных сталей.

 

Характеристики прочности и  деформаций арматурных сталей устанавливают  по диаграмме напряжения - деформации. Горячекатанная арматурная сталь, имеющая  на диаграмме площадку текучести, обладает значительным удлинением после разрыва - до 25% (мягкая сталь). Напряжение, при котором деформации развиваются без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести арматурной стали, напряжение, предшествующее разрыву, носит название временного сопротивления арматурной стали. Повышение прочности горячекатаной стали и уменьшение удлинения при разрыве достигается введением в ее состав углерода и различных легирующих добавок. Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали достигают термическим упрочнением или холодным деформированием.