7. Общая характеристика железобетонных конструкций.
7.1. Сущность железобетона. Основы конструирования.
Железобетон представляет собой комплексный строительный материал, состоящий из бетона и арматуры. Арматура предназначена для повышения сопротивляемости бетона растяжению. Она может быть распределена по объему (дисперсно - армированный бетон) или сосредоточена в определенных зонах сечений (обычный железобетон). Наиболее рационально концентрировать арматуру в растянутых зонах сечений (см. рис. 7.1), передавая все усилия в сжатых зонах исключительно на бетон.
 
1
2
Рис. 7.1. Растрескивание балок под нагрузкой:
а) балки без арматуры, б) балки с арматурой; 1- арматура, 2- трещины.
Введение арматуры позволяет исключить хрупкие разрушения бетонных конструкций, повысить их несущую способность, сполна использовать прочностные свойства бетона при работе его на сжатие и растяжение.
Основу совместной работы бетона и стальной арматуры составляет благоприятное природное сочетание физико-механических свойств этих материалов, а именно:
близкие по значению коэффициенты линейного расширения бетона и арматуры,
наличие сцепления между арматурой и бетоном,
хорошие защитные свойства бетона по отношению к арматуре,
разность модулей упругости.
Основные требования норм проектирования следующие:
Сечения железобетонных элементов должны иметь рациональную форму (рис. 7.2), определяемую характером загружения, технологичностью изготовления и др.;
Размещение продольной рабочей арматуры в сечениях должно быть таким, чтобы она как можно дальше располагалась от нейтральной оси сечения (рис. 7.3);
Количество (т.е. сечение) рабочей и конструктивной арматуры должно быть минимально необходимым и определяться расчетом;
Разрешается (но не рекомендуется) располагать рабочую арматуру в сжатой зоне сечения у изгибаемых элементов;
Армировать конструкции рекомендуется сварными каркасами и сетками (рис. 7.3). Диаметры поперечной арматуры каркасов должны назначаться в зависимости от диаметров рабочей арматуры (по условиям свариваемости);
Количество арматуры (т.е. площадь сечения её) не должно превосходить максимально и минимально допустимых значений (в зависимости от назначения конструкции) и во всех случаях принимается не менее 0,05% от площади бетонного сечения.
Наибольший допустимый диаметр продольной арматуры определяется прочностными свойствами бетона и назначением конструкции;
Толщина защитного слоя определяется в зависимости от плотности бетона, условий эксплуатации конструкций, назначения ее (плита, балка, колонна, фундамент) и виде арматуры. Для плит толщиной менее 100мм защитный слой назначается равным 10мм, более 100мм -15мм, для балок высотой до 250мм - 15мм, более 250мм - 20мм, в колоннах - 20мм, в фундаментах заводского изготовления - 30мм. В производствах с выделением в атмосферу агрессивных газов, пылевидных частиц или гидрозолей - толщина защитного слоя у всех несущих конструкций увеличивается (на 5-10мм).
Расстояние в свету между стержнями должно быть не менее диаметра арматуры и не менее 25мм.
Рис. 7.2. Типы поперечных сечений железобетонных конструкций.
Рис. 7.3. Армирование железобетонных элементов.
7.2. Классификация и основные физико-механические свойства бетона.
Бетоны классифицируются по следующим признакам:
- основному назначению - конструкционные и специальные;
- по виду вяжущего - на основе цементных, силикатных, шлаковых и других вяжущих;
- по виду заполнителей - на плотных, пористых, и специальных заполнителях;
- по структуре - плотный, поризованный, ячеистый, крупнопористый.
Для удобства введены сокращенные наименования основных видов бетона: тяжелый бетон - плотный на цементном вяжущем и плотных заполнителях (щебне, песке) и легкий бетон - на цементном вяжущем, пористом крупном или мелком заполнителе.
Существуют специальные виды бетонов: жаростойкие, химически стойкие, напрягающие, радиационно-защитные, бетонополимеры (пропитанные полимерами), полимербетоны (на полимерном вяжущем).
Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях.
Кубиковая прочностьR- временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Однако наличие трения по опорным граням препятствует свободному перемещению бетона вблизи торцов и раскалывание кубов идет по наклонным поверхностям (рис. 7.4,а).
Если устранить трение, то кубы будут раскалываться по плоскостям, параллельным действию осевых сил (рис. 7.4,б).
Согласно ГОСТ кубы испытывают без смазки. Стандартный размер стороны куба - 15см. Кубы с меньшей стороной, например, 10см будут иметь в среднем на 12% большую прочность, а с большей стороной меньшую прочность, чем кубы со стороной 15см.
Поскольку реальные конструкции по форме отличаются от кубов, кубиковая прочность врасчетах не используется, а служит только для контроля качества, определения класса бетона.
а) б)
Рис.7.4. Характер разрушения бетонных кубов:
а) при наличии сил трения; б) при снижении трения за счет смазки;
1 – силы трения, 2 – смазка.
Призменная прочностьRb - временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. За стандартную высоту призм принята h
4a. При таком соотношении влияние сил трения по торцевым поверхностям практически не ощущается и Rb примерно равно 0,75R, т.е. 75% от кубиковой прочности. Призменная прочность (Rb) применяется в расчетах прочности сжатых и изгибаемых элементов.
Прочность при местном сжатииRb,loc, учитывается, когда нагрузка действует не на всю площадь элемента, а на ее часть. В этом случае загруженная часть площади обладает большей прочностью, чем Rbввиду того, что в работе участвует бетон, окружающий площадку смятия и создающий эффект обоймы
 (7.4)
где 
 - площадь смятия,
 - расчетная площадь, включающая площадку смятия и дополнительный участок вокруг нее.
Прочность при растяженииRbt зависит от прочности цементного камня и сцепления его с заполнителем. Она меньше прочности на сжатие в 10...20 раз.
Определяют Rbtиспытанием образцов в виде восьмерок (рис.7.4а), на раскалывание образцов в виде цилиндров (рис. 7.4,б) или на изгиб бетонных балок (рис. 7.4,в)
а) б) в)
  
Рис. 7.4. Определение прочности бетона при растяжении Rbt.
Прочность бетона на срез и скалывание Rb,sh
В реальных конструкциях срез в чистом виде обычно не встречается, поэтому в нормах Rb,sh не приводится. Однако при необходимости Rb,sh можно вычислить по эмпирической формуле
 (7.5)
Бетону свойственны объемные деформации (усадка и набухание), развивающиеся в результате взаимодействия его с внешней средой, и силовые, развивающиеся под действием внешней нагрузки.
Деформация усадки в тяжелых бетонах составляют примерно εsl=3х10-4, а в легких - εsl =4,5х10-4. Деформации бетона при набухании в 2-5 раз меньше, чем при усадке.
Общая продольная деформация εb складывается из упругой и неупругой (пластической) εpl деформаций (рис. 7.5):
 (7.6)
Начальный модуль упругости бетона:
 при  (7.7)
Модуль полных деформаций бетона при сжатии:
 (7.8)
Но так как  , то
 (7.9)
здесь ν - коэффициент упруго-пластичности бетона, изменяющийся в пределах1 до 0,15.
При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшие деформации проявляются в первые 3-4 месяца.
Свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии нагрузки называется ползучестью. Деформации ползучести с течением времени затухают. Независимо от скорости нагружения деформации ползучести при одном и том же уровне нагружения одинаковы.
С повышением прочности бетона ползучесть уменьшается.
Деформации ползучести увеличиваются при повышении В/Ц, количестве цемента в бетоне, уменьшении влажности среды.
Рис.7.5. Диаграммы σ-ε для бетона при сжатии и растяжении
Для облегчения подбора бетона с требуемыми свойствами все бетона разбиты на классы и марки по тем или иным показателям качества. Нормами проектирования установлены: классы бетона по прочности на сжатие и растяжение и марки по морозостойкости, водонепроницаемости, плотности.
Для тяжелого бетона установлены классы:
по прочности на сжатие В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60: это прочность на сжатие (МПа) кубов со стороной 15см;
по прочности на растяжение В0,8; В1,2; В1,6; В2; В2,4; В2,8; В3,2.
Для каждого класса бетона определены по выше приводимым формулам нормативные и расчетные сопротивления. Результаты включены в главу СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции». При проектировании пользуются табличными значениями расчетных сопротивлений, а не вычисляют их каждый раз. Исключения составляют лишь те случаи, когда необходимо провести расчеты сооружений, эксплуатируемых в специфических условиях.
Марки бетона по морозостойкости установлены для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию в увлажненном состоянии (гидротехнические сооружения, опоры мостов, и др). Марка (F50…F500) характеризуется количеством циклов замораживания и оттаивания, которые выдерживает бетон при снижении прочности не более чем на 15%.
Марки по водонепроницаемости (W2…W12) назначают для конструкций, к которым предъявляют требования непроницаемости. Они характеризуют давление воды, при котором еще не наблюдается просачивания ее через испытываемый стандартный образец.
Марки по средней плотности (для тяжелых бетоновD2300...D2500, для мелкозернистых бетоновD1800... D2400, для легких бетонов D800 и более) назначают для бетонов, к которым предъявляются требования теплоизоляции.
|
Скачать 1.5 Mb.