ЖБК. Курс лекций. Курс лекций по дисциплине Железобетонные конструкции для специальностей Архитектура иПромышленное и гражданское строительство

• Название: Курс лекций по дисциплине Железобетонные конструкции для специальностей Архитектура иПромышленное и гражданское строительство
• Анкор: ЖБК. Курс лекций.doc
• Дата: 18.07.2018
• Размер: 1.89 Mb.
• Имя файла: ЖБК. Курс лекций.doc
• Тип: Курс лекций; #21660
• страница: 2 из 9

Лекция №2. Общие положения
2.1. Сущность железобетона

Прочность бетона на растяжение в 15-20 раз ниже, чем прочность на сжатие. Предельная растяжимость бетона (0,15 мм на 1 м), а предельная сжимаемость (2 мм на 1 м). Низкая прочность на растяжение не позволяет использовать неармированный бетон в конструкциях, испытывающих растяжение. Поэтому из бетона выполняют конструкции, воспринимающие сжимающие усилия: стены, фундаменты, колонны, подпорные стенки и др.

Разрушение бетонных балок происходит от разрыва нижних наиболее растянутых волокон (рис. 1, а). При этом несущая способность сжатой зоны балки используется не более чем на 5…7%. Поэтому растянутую зону балки усиливают путем введения упрочняющих элементов, чаще всего, в виде стальной арматуры. Относительное удлинение стальной арматуры при растяжении в тысячу раз превышает относительное удлинение бетона.

При достаточном армировании железобетонная балка разрушится при полном исчерпании несущей способности сжатой зоны бетона (рис. 1, б).




а)


б)


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.
Железобетон – это комплексный строительный материал, в котором бетон и арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой как единое монолитное тело. Бетон предназначается для восприятия преимущественно сжимающих усилий, а арматура – растягивающих.

2.2. Достоинства и недостатки железобетонных конструкций

К достоинствам железобетонных конструкций относятся:

• 
  высокая прочность:
  
• 
  большая долговечность;
  
• 
  высокая степень огнестойкости;
  
• 
  стойкость против атмосферных воздействий;
  
• 
  малые эксплуатационные расходы на содержание;
  
• 
  гигиеничность;
  
• 
  экономичность ввиду повсеместной доступности сырья.
  

Недостатки железобетонных конструкций.

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.

С учетом вышеизложенного к недостаткам железобетонных конструкций без предварительного напряжения относятся:

• 
  низкая трещиностойкость вследствие слабого включения в работу арматуры в период образования трещин, быстрое их раскрытие и быстрый рост прогибов;
  
• 
  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;
  
• 
  большая звуко- и теплопроводность.
  

2.3. Виды железобетонных конструкций

1. 
   Сборные конструкции – конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных элементов.
   
2. 
   Монолитные конструкции – конструкции, возведение которых осуществляют непосредственно на строительной площадке.
   
3. 
   Сборно–монолитные конструкции – комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон, укладываемый на месте строительства, работает под нагрузкой как одно целое.
   

Лекция №3. Бетон

3.1. Общие сведения

Для обеспечения долговечной и нормальной эксплуатации бетон для железобетонных конструкций должен иметь необходимые для этого физико-механические свойства:

• 
  прочность;
  
• 
  хорошее сцепление с арматурой;
  
• 
  непроницаемость для защиты арматуры от коррозии;
  
• 
  специальные требования: морозостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.
  

3.2. Классификация бетонов

1. 
   По структуре:
   
   1. 
      плотные;
      
   2. 
      крупнопористые;
      
   3. 
      поризованные;
      
   4. 
      ячеистые.
      
2. 
   По плотности:
   
   1. 
      особо тяжелые (ρ > 2500 кг/м³);
      
   2. 
      тяжелые (ρ = 2200 ÷ 2500 кг/м³);
      
   3. 
      облегченные (чаще мелкозернистые) (ρ = 1800 ÷ 2200 кг/м³);
      
   4. 
      легкие (ρ = 800 ÷ 1800 кг/м³).
      
3. 
   По виду заполнителей:
   
   1. 
      на плотных заполнителях (щебень, песок, гравий);
      
   2. 
      на пористых заполнителях (естественных – пемза, перлит, ракушечник; искусственных – керамзит, шлак);
      
   3. 
      на специальных заполнителях.
      
4. 
   По зерновому составу:
   
   1. 
      крупнозернистые;
      
   2. 
      мелкозернистые.
      
5. 
   По условиям твердения:
   
   1. 
      бетоны естественного твердения;
      
   2. 
      бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при атмосферном давлении;
      
   3. 
      бетоны, подвергнутые автоклавной обработке при высоком давлении и температуре.
      

3.3. Структура бетона

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. 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.

Структура бетона представляет собой пространственную решетку из цементного камня, заполненную зернами песка и щебня различной крупности и формы, пронизанную большим числом микропор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.
3.4. Собственные деформации бетона

Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде – усадка бетона. Она связана с физико-механическими процессами твердения и уменьшением объема цементного геля, потерей избыточной воды в результате испарения и гидратации с непрореагировавшими частицами цемента.

Усадке бетона препятствуют заполнители, которые становятся внутренними связями, вызывающими в цементном камне начальные растягивающие напряжения.

Неравномерное высыхание бетона, снаружи больше, а внутри меньше, приводит к неравномерной усадке, что ведет к возникновению начальных усадочных напряжений. Открытые, быстро высыхающие слои бетона испытывают растяжение; внутренние более влажные оказываются сжатыми. В бетоне появляются усадочные трещины.

Уменьшить начальные усадочные напряжения можно:

• 
  конструктивными мерами (армирование, устройство усадочных швов);
  
• 
  технологическими мерами (подбор состава, увлажнение среды, увлажнение поверхности бетона).
  

3.5. Прочность бетона

Прочность бетона зависит от многих факторов, как-то:

• 
  структура бетона;
  
• 
  марка цемента;
  
• 
  водоцементное отношение В/Ц;
  
• 
  вид мелкого и крупного заполнителя;
  
• 
  условия твердения;
  
• 
  вид напряженного состояния;
  
• 
  форма и размеры сечения;
  
• 
  длительность действия нагрузки.
  

3.5.1. Кубиковая прочность

Для определения прочности бетона на осевое сжатие обычно испытывают в прессе бетонные кубы с размером ребра 150 мм, характер разрушения которых обусловлен наличием или отсутствием сил трения, возникающих на контактных поверхностях между подушками пресса и гранями куба.

1. 
   Несмазанный куб (рис. 2, а).
   

Силы трения между подушками пресса и гранями куба препятствуют свободным поперечным деформациям куба и соответственно упрочняют бетон сверху и снизу. По мере удаления от торцевых граней куба влияние сил трения уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму 2-х пирамид сверху и снизу.

2. 
   Смазанный куб (рис. 2, б).
   

Если устранить силы трения смазкой контактных поверхностей, прочность бетонного куба будет меньше, поперечные деформации проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными. Временное сопротивление сжатию бетона для куба с ребром 150 мм равно R, с ребром 200 мм - 0,93 R, с ребром 100 мм – 1,1R. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба.
а) б)

Рис. 2. Характер разрушения бетонных кубов:

а – несмазанный куб; б – смазанный куб;

Δ – поперечные деформации бетона.

3.5.2. Призменная прочность

Так как железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность R_b – временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Призменная прочность меньше кубиковой, и она уменьшается с увеличением отношения h/a. Влияние сил трения на среднюю часть призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при h/a=4 значение R_b становится стабильным и равно приблизительно 0,75R.

Рис. 3. Характер разрушения бетонной призмы.
3.5.3. Прочность бетона на осевое растяжение

Прочность бетона на растяжение в 15…20 раз меньше, чем при сжатии. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением В/Ц, применением щебня с шероховатой поверхностью. Временное сопротивление бетона осевому растяжению R_bt 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.




а) б)

в)

Рис. 4. Схемы испытания образцов для определения прочности бетона

при осевом растяжении: а - на разрыв; б – на раскалывание; в – на изгиб.

3.5.4. 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: .

а) б)


Рис. 5. Схемы испытания образцов на срез (а) и скалывание (б).
3.5.5. Классы и марки бетона

Качество конструкционного бетона характеризуется классами и марками в зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации. Строительные нормы устанавливают следующие показатели качества бетона:

• 
  класс бетона по прочности на осевое сжатие B;
  
• 
  класс бетона по прочности на осевое растяжение B_t;
  
• 
  марка по морозостойкости F;
  
• 
  марка по водонепроницаемостиW;
  
• 
  марка по средней плотности D;
  
• 
  марка по самонапряжению S_p.
  

Классом бетона по прочности на осевое сжатие B (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при температуре 20±2^оС с учетом статистической изменчивости прочности (рис. 6).

Рис. 6. Кривые распределения прочности,

как случайной величины:

n и R – соответственно количество кубов, имеющих одинаковую прочность, и величина прочности; 1 – опытные значения n и R; 2 – теоретическая кривая, характеризующая разброс прочности с учетом статистической изменчивости (кривая Гаусса)



Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию, установленное при испытании партии стандартных кубов:

,

где n₁, n₂, …, n_k – число случаев, в которых было установлено временное сопротивление соответственно R₁, R₂, …, R_k, n – общее число испытаний.
Среднее квадратичное отклонение прочности бетона в партии, характеризующее изменчивость прочности:

,

где Δ₁=R₁-R_m; Δ₂=R₂-R_m; …;Δ_k=R_k-R_m – отклонения.
Коэффициент вариации прочности бетона в партии:

.

Наименьшее контролируемое значение – временное сопротивление B – расположено на расстоянии χS_mвлево от значения R_m, т.е.:

,

где χ – число, показатель надежности.
Исходя из значения χV_mоценивают обеспеченность гарантируемых значений прочности бетона не менее B. В нормах на проектирование установлена обеспеченность (доверительная вероятность) 0,95. Это имеет место при χ=1,64.



Для тяжелых бетонов установлены классы B7,5 ÷ B60.
Аналогичным образом определяют класс бетона по прочности на осевое растяжение.

Класс бетона по прочности на осевое растяжение: B_t 0,8 ÷ B_t 3,2
Марка бетона по морозостойкости – характеризуется числом выдерживаемых бетоном циклов попеременных замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. После определенного числа циклов производят испытания бетонных кубов на сжатие. Снижение прочности на 15 % при таком количестве циклов определяет марку бетона по морозостойкости. F 50 ÷ F 500.
Марка бетона по водонепроницаемости – характеризуется предельным давлением воды (кг/см²), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый стандартный образец. W 2 ÷ W 12.
Марка бетона по средней плотности – гарантированная собственная масса бетона (кг/м³): тяжелый бетон D 2200 ÷ D 2500.
Марка бетона по самонапряжению - значение предварительного напряжения в бетоне, МПа, создаваемого в результате его расширения при коэффициенте продольного армирования μ = 0,01, и контролируется на образцах-призмах размером 10×10×40см.

S_p0,6 ÷ S_p 4.
Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. При благоприятных условиях твердения прочность бетона может нарастать годами. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедляется или прекращается.
3.5.6. Прочность бетона при длительном действии нагрузки

Предел длительного сопротивления бетона осевому сжатию составляет R_bl≈ 0,9R_b, т.к. при длительном действии нагрузки под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем R_b.