  Экзамен ЖБК
Сущность железобетона. Краткая историческая справка развития ЖБК
Сущность железобетона
Железобетон - комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стали, соединенных взаимным сцеплением , работающих под нагрузкой как единое монолитное тело вплоть до разрушения.
Железобетонные конструкции-несущие элементы зданий и сооружений, изготавливаемые из железобетона, и различные сочетания этих элементов.
Арматура - стальные стержни в ж/б конструкции. Работая совместно с бетоном, хорошо сопротивляются как растяжению, так и сжатию
(Основной недостаток бетона) высокая прочность на сжатие , но в 10 — 20 раз хуже сопротивляется растяжению, что не позволяет использовать его как конструктивный материал для растянутых и изгибаемых элементов несущих
Идея железобетона
в ж/б конструкциях использовать бетон преимущественно в работе на сжатие, а арматуру — в работе на растяжение
Бетонная балка
|
Железобетонная балка
|
|
|
- испытывает растяж-е продольных волокон в зоне, ниже нейтрального слоя
- малая несущ. способность из-за слабого сопротивления бетона растяжению
- разрушается внезапно (хрупко) при возникновении первой же трещины
в бетоне растянутой зоны.
- Прочн. бетона на сжатие в момент,
предшествующий разрушению, в бетонной балке сильно недоиспользуется
(напряж. в нормальных сечениях в сжатой зоне в этот момент едва достигают 5… 10 % от прочности бетона на сжат)
|
- несущ. способ-ть до 20 раз выше чем у бетонной балки
- Характер разрушения плавный, постепенный (пластичный)
- может быть полностью использована прочность бетона на сжат, а арматуры на растяж.
- Относительное удлинение стальной арматуры при растяжении в тысячу раз превышает относительное удлинение бетона.
К рис.
|
Основой совместной работы бетона и арматуры (одинаковые деформации их смежных волокон) является выгодное природное сочетание физико-механических свойств материалов:
при твердении бетона между ним и пов-ью стальной арматуры возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в ж/б элементах под нагрузкой оба материала деформируются совместно;
плотный бетон (с достаточным содержанием цемента от 200…250 до 300…400 кг/м3 и более) защищает арматуру от коррозии, предохраняет от непосредственного воздействия огня и от механич. повреждений;
сталь и бетон обладают близкими по величине коэффициентами температурного (линейного) расширения: αst, αbt, поэтому при изменении температуры в пределах до 100 °С (от −50 °С до 50 °С) в обоих материалах возникают несущественные начальные (внутренние) напряжения и скольжения арматуры в бетоне не наблюдается; 
Достоинства железобетона
огнестойкость
долговечность
высокая прочность
хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям
возможность возводить конструкции любой формы
малые эксплуатационные расходы на содержание зданий и сооружений (по сравнению с металлическими и деревянными конструкциями)
хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, температур и агрес. сред
высокая гигиеничность
способность задерживать радиоактивные излучения
экономичность ввиду повсеместной доступности сырья
затраты электроэнергии на производство ж/б конструкций значительно ниже по сравнению с затратами на металлические и каменные.
Способность твердеть и наращивать прочность под водой
Конструкции разнообразной формы, малые эксплуатационные расходы
Ж/б конструкции более долговечны и огнестойки, поэтому замена металлических конструкций на Ж/б (там, где это возможно) позволяет экономить дефицитный металл и имеет важное экономическое значение.
Недостатки ж/б (без предварительного напряжения)
За счет сцепления с арматурой бетон работает под нагрузкой совместно с арматурой. Предельная растяжимость бетона в тысячу раз меньше предельной растяжимости стальной арматуры, поэтому при совместном растяжении цельность бетона сохраняется только в начальный период эксплуатации (см. рис. 1, б). Напряжения в арматуре в период образования трещин всегда незначительны по сравнению с предельной прочностью арматуры.
С увеличением внешней нагрузки в изгибаемых балках происходит развитие по высоте сечения балки трещин, резко уменьшается высота сжатой зоны, снижается жесткость балки, что приводит к возрастанию прогиба.
низкая трещиностойкость вследствие слабого включения в работу арматуры в период образования трещин, быстрое их раскрытие и быстрый рост прогибов;
большая плотность
нерациональность использования в железобетонных конструкциях без предварительного напряжения высокопрочной арматуры;
невыгодность использования бетонов повышенной и высокой прочности, поэтому железобетонные конструкции без предварительного напряжения обладают большой массой, что ограничивает величину перекрываемых пролетов;
большая трудоемкость при изготовлении
высокая звуко и теплопроводность,
трудоемкость переделок и усилений;
необходимость выдержки конструкции в опалубке до приобретения ею требуемой прочности,
*Многие недостатки могут быть полностью или частично устранены путем применения бетонов на пористых заполнителях, специальной обработки(пропаривания, вакуумирования и т.п.), широкого использования различных добавок для бетона, предварительного напряжения.
Рис. 1. Схема разрушения балки:
а – бетонной; б – железобетонной; 1 – нулевая (нейтральная линия), 2 – сжатая зона балки; 3 – растянутая зона балки; 4 – нормальные трещины; 5 – наклонные трещины; 6 – стальная арматура; 7 – разрушение бетона сжатой зоны.
Краткая историческая справка
Занял доминирующее положение в строительстве за исторически короткий промежуток времени (160 лет в 2009 году)
вторая половина XIX в. (период ускоренного развития промышленности, торговли и транспорта)
потребность в строительстве большого числа фабрик,заводов, мостов, портов и других сооружений
увеличение потребности в строительных материалах
острая потребность в новых огнестойких, дешевых и надежных в эксплуатации строительных конструкциях
появление нового строительного материала — железобетона( сочетание лучших качества каменных материалов и стали)
Родина - Франция ( претендуют Великобритания и США)
Историю развития ж/б конструкций можно условно разделить на четыре периода:
Период возникновения железобетона (1849 — 1885 гг.)
появление первых конструкций из армированного бетона (ж/б практически одновременно в нескольких высокоразвитых странах: Франции, Великобритании, США и Германии).
1849г. –Жан Луи Ламбо (Фр) ж/б лодка, первое официально зафиксир. изделие
конструкция огнестойкого перектытия 1854 (Уилкинсон- понял принцип рационального армирования)
в России признается что первый – садовник Жозеф Монье 1867г- ж/б кадки для цветов
Франсуа Генебик (Великобритания) –мельницы, силосы, водонап. башни, портовые сооруж.
Франсуа Куанье 1864 – перв. церковь из ж/б; брошюра, указал на соединение бетона и стал. стержней
1879г. стены здания в Батуми – первое использование в России (Жаринцев)
(однако в Царском селе с 1802 армир.бетон)
1885- Германия первые науч опыты по определению прочности и огнестойк, сил сцепления стали и армат. Кенен – арматура где ожидаем растяг. усилие
2. Период освоения железобетона в строительстве (1886 —1917 гг.)
В России с 1886 г. стал применяться для устройства междуэтаж перекрытий по стальным балкам (СПб зданиях старой постройки)
Начало широкому использованию – 1891. СПб Институт путей сообщения публичные испытания ж/б (проф. Белелюбский)
1904г г. Николаев – первый в мире ж/б морской маяк выс. 40.2м ( при уч. проф. Белелюбского)
1900 Ж/б- офиц. призн. надежным стройматер. Парижская Всемирная выстав.
1902 — 1903 гг - начало применения ж/б шпал в России и за рубежом
1908 г. Лолейт- Москва 4этаж склад с безбалочными перекрытиями, начало ветеснения стали и дерева в несущ конструкциях.
конец XIX в. и начало XX в. в Германии- крупные исследования несущ.способ. и трещиностойкости; результаты в основу разработки теории ж/б-на и норматив. документов по проектированию
Второй период широкого применения железобетона в нашей стране (1946г.- наст. время)
основа не только промышленного и гидротехнического строительства, но и жилищного, теплоэнергетического, транспортного, дорожного, сельскохоз.
Резкий рост потребности в новом строит-ве после Второй мировой войны – положение ж/б доминирующее
постановление ЦК КПСС «О развитии производства сборных ж/б конструкций» 19 авг 1954г
заводские технологии ж/б констр.
переход на полносборное строительство
создана обширная номенклатура типовых сборных изделий массового применения ( балки, фермы, панели, фунд блоки, дорож плиты покрытий и др)
сборный ж/б – стро-во круглогодично, в огромн. масштабах
за 30 лет увеличение объема применения сборного вырос в 25 раз
создан применяемый в России с 1955г. единый метод расчета всех стр. конструк. по предельным состоян.( Стрелецкий, Келдышев, Гвоздев)
скульптура Родина –мать в Волгограде
-Башня Останкино 537м
действующие в настоящее время нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций СНиП 52-01-2003 и допол. их нормативныедокументы.
Сегодня – основной конструктивный материал
Первый период широкого применения железобетона в нашей стране (1918 — 1945 гг.)
большое распространение в промышленном и гидротехническом строительстве
задачи восстановления разрушенного хозяйства (после гражданской войны, рев 1917) и выполнения планов кап. стр-ва.
первые пятилетки, большие объемы строи-ва и тенденции экономии стали, необходимой для нужд машиностр., железобетон доминирующее положение в кап.стр-ве.
Широкое распространение -монолитные неразрезные балочные перекрытия, многопролетные и многоярусные рамы (этажерки), арки, элеваторы, силосы, бункеры.
стр-во крупных электростанций (Волховская, Свирская, Днепровская ГЭС)
1928 – первые ж/б сборные констр. в России
1930- первый дом из сборного ж/б Москва
тонкостенные пространственные конструкции: купола (Москва планетарий, Новосибирск Оперный театр), складки, шатры
начало проектирования и стр-ва Московского метро
1928 —30-е гг создание предварит. напряж. ж/б конструк (Фр Эжен Фрейссин)
Совершенствование теории расчета ж/б констркукций ( теория расчета по разруш. усилиям Лолейта, методы расч по предел состояния, теория статич неопред констр, теория трещиностой-ти и жесткости , теория ползучести и др.
в США и во многих других странах построены сотни небоскребов с монолитным каркасом (Миглин Вайтер 610 м )
тоннель под проливом Ла-Манш (сборный ж/б)
дымовые трубы высотой до 420 м
 
Бетон. Структура и прочностные свойства (сжатие, растяжение, срез, смятие)
Бетон должен обладать опр. физико-мех. свойствами:
-необходимой прочностью
-хорошим сцепл. с арматурой
-достаточн. плотностью (непроницаем-тью для защиты арм от коррозии)
-не слишком большой деформативностью
-спец требования: морозостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.
Виды бетонов:
• тяжелый - ср.плотности 2 200 до 2 500 кг/м3-на плотных заполнителях( щебень из дробленных горных пород: песчаника, гранита, диабаза и др и кварц. песок
• мелкозернистый( > 800 кг/м3, на мелких заполнителях);
• легкий, плотной и поризованной структуры (на пористых заполнителях: естественные (перлит, пемза, ракушечник) и искусст (керамзит, шлак);
• ячеистый автоклавного и неавтоклавного твердения
Структура (строение) бетона
Для несущ констр – в основном тяж. бетон
Структура- большое влияние на прочность и деформативность
Существенным фактором является количество воды, применяемой для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением В/Ц. Для химического соединения воды с цементом необходимо, чтобы В/Ц ≈ 0,2; однако для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси В/Ц=0,5…0,6 (подвижные бетонные смеси); В/Ц=0,3…0,4 (жесткие бетонные смеси). Избыточная химически несвязанная вода образует поры и капилляры в цементом камне, а затем, испаряясь, освобождает их. Таким образом, с уменьшением В/Ц уменьшается пористость цементного камня и прочность бетона увеличивается. Бетон – неоднородный искусственный каменный материал;
Структура: пространственная решетка из цементного камня (включающего в себя кристаллический сросток, гель и большое количество пор и капилляров, содержащих воздух, водяной пар и химически несвяз. воду (давление на стенки )), хаотично заполненная зернами песка и щебня различной крупности и формы.
Общий объем пор в затвердевшем цементном камне составляет при обычных условиях твердения бетона примерно 25 …40 % от его видимого объема. Размеры поперечн. сечения пор малы: не превышают 0,001 мм
Прочностные свойства:
Прочность – определяется сопротивлением силовым воздействиям: сжатию, растяжению, изгибу, срезу.
Прочность бетона зависит от факторов (2 группы):
возраст, условия приготовления и твердения, форма и размеры образцов( сечения), напряженное состояние, длительность действия нагрузки;
(при испытаниях влияние исключают стандартизацией условий)
состав бетона, структура, марка цемента, водоцементное отношение, свойства заполнителей (влияние фиксируется, изменяя изменяют прочность)
Прочность бетона на осевое сжатие
основная характеристика бетона (т.к. высокая прочн на сжат)
предельная сжимаемость  (2 мм на 1 м).
Из бетона- конструкции, воспринимающие сжимающие усилия: стены, фундаменты, колонны, подпорные стенки и др.
для оценки- преимущественно кубы (определяют средний предел прочности на ос. сжат.  партии кубов (т.к. неоднородн. матер.) с ребром 150мм и  ср. пр. проч. эталонных образцов- призм 150x150x600
Прочность бетона на осевое растяжение
Прочность бетона на растяжение в 15…20 раз меньше, чем при сжатии. Предельная растяжимость бетона (0,15 мм на 1 м) 
Причины низкой прочности:
- неоднородность структуры
-наличие начальных напряжений
-слабое сцепление цементного камня с крупным заполнителем
Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто
-увеличением расхода цемента
- уменьшением В/Ц
- применением вместо гравия щебня с шероховатой поверхностью
-промывкой заполнителя
Временное сопротивление бетона осевому растяжению Rbt определяют испытаниями:
1) на разрыв – образцов в виде восьмерки (рис. 4, а);
2) на раскалывание – образцов в виде цилиндров (рис. 4, б);
3) на изгиб – бетонных балок (рис. 4, в):  , ,
где χ – учитывает криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны. 
При испытаниях- большой разброс прочности в сравнении с испыт на сжатие, т.к. трудно центрировать образцы- иногда определяет теоритически по зависимости от прочн на сжат.
Прочность бетона на срез и скалывание
Срез – разделение элемента на 2 части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы (рис. 5, а). Временное сопротивление бетона на срез:  .
Сопротивление бетона скалыванию (рис. 5, б) возникает при изгибе балок до появления в них наклонных трещин:  .
Прочность бетона при длительном действии нагрузки
Предел длительного сопротивления бетона осевому сжатию составляет Rbl ≈ 0,9Rb (0.75) (разница до 25 %) т.к. при длительном действии нагрузки под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем Rb( временное сопротивл сжат при однократном кратковременном нагружении).
Прочность бетона при многократно повторяемых нагрузках
При действии многократно повторяемых нагрузок прочность бетона сжатию под влиянием развития структурных микротрещин уменьшается.
Предел прочности бетона при многократно повт нагр (предел выносливости) Rf зависит от числа циклов нагрузки – разгрузки n и отношения попеременно возникающих минимальных и максимальных напряжений .
При n 107 Rf ≈ 0,5÷0,7 Rb.
|
Скачать 1.23 Mb.