васильев. Модуль 1. Физикомеханические свойства материалов бетонных и железобетонных конструкций. Сущность железобетона
 Скачать 24.66 Mb.
|
|
Модуль №1. Физико-механические свойства материалов бетонных и железобетонных конструкций. 1.Сущность железобетона Железобетон состоит из бетона и стальной арматуры. Может быть и другой тип армирования, например, полимерные волокна различного состава, углепластик. Поскольку бетон хорошо работает на сжатие и в 10 и более раз хуже работает на растяжение, арматура в железобетонных конструкциях, в обязательном порядке располагается там, где возникают растягивающие напряжения. Неармированная балка, загруженная распределенной нагрузкой, разрушится при появлении первых трещин в растянутой зоне. При этом сжатая зона бетона будет использована только на 5-7%. Армированная балка при появлении трещин не разрушится, поскольку растягивающие усилия будут восприниматься арматурой, и она несет во много раз большую нагрузку, чем бетонная. Арматуру располагают так же в сжатых зонах изгибаемых, внецентренно и центрально сжатых элементах, что существенно повышает их несущую способность, поскольку расчетное сопротивление стали на много превышает прочность бетона. Железобетон стал возможен и получил широкое распространение благодаря благоприятному сочетанию физико-механических свойств бетона и стальной арматуры: 1-при твердении между бетоном и арматурой возникают значительные силы сцепления, что обеспечивает их совместную работу; 2-плотный бетон хорошо защищает арматуру от внешних воздействий; 3-близкое значение коэффициента температурного расширения в пределах до bt= 1х10-5oC-1. Положительные свойства железобетона: 1 – прочность и долговечность; 2 – огнестойкость; 3 -стойкость к атмосферным воздействиям; 4 - высокая сопротивляемость статическим и динамическим воздействиям; 5 - малые эксплуатационные расходы; 6 – доступность в исходных материалах по использованию практически во всех регионах страны; 7 - невысокая стоимость. Недостатки железобетона: 1 - большая плотность; 2 - высокая звуко- и теплопроводность; 3 - трудоемкость переделок и усилений; 4 - необходимость выдержки для приобретения прочности; 5 – низкая трещиностойкость при силовых и не силовых воздействиях – усадка, температурные деформации и т.д. По способу изготовления различают ж/бетонные конструкции монолитные, сборные и сборно-монолитные. Монолитные конструкции - изготовляются непосредственно на строительной площадке, т.е. в специально приготовленную опалубку устанавливается арматура и затем заливается бетон. Преимущество монолитных конструкций – малые сечения, высокая прочность, экономный расход материалов, эстетически более привлекательны. Отрицательные свойства – трудоемкость изготовления, в зимний период – соблюдения необходимого тепловлажностного режима, например, прогрев, большой расход материалов на опалубку и подмости. Сборный железобетон – конструкции в большинстве своем унифицированы, изготавливаются на заводах и доставляются на стройплощадку. Преимущества – технологичность изготовления, независимость от времени года, рациональные конструктивные формы, низкая трудоемкость монтажных работ, отсутствие опалубки, высокое качество, преимущественные условия для создания предварительного напряжения. Недостатки – больший расход материалов по сравнению с монолитным бетоном, необходимость расходов материалов по стыкованию сборных элементов, жесткие требования по унификации, более низкая эстетическая привлекательность, транспортные расходы, обязательные выполнения части работ по омоноличиванию и т.д. Сборно-монолитные конструкции – комбинированная система; сначала укладываются сборные конструкции, являющиеся опалубкой, а затем сборные элементы обетонируются. Преимущества – отказ от опалубки и ускорение при производстве работ, большая гибкость в достижении оптимальных форм по сравнению со сборным железобетоном, широкие возможности в достижении требуемой несущей способности. Недостатки – доставка кроме сборных конструкций и монолитного бетона, усложняется технология производства работ. Железобетон является основным материалом для современного индустриального строительства. Из него возводятся все виды зданий и сооружений - промышленные и жилые, одноэтажные и многоэтажные здания, общественные здания различного назначения, тонкостенные покрытия промышленных и общественных зданий больших пролетов, инженерные сооружения – силосы, бункера, резервуары, дымовые трубы, тоннели метрополитенов, мосты, гидроэлектростанции, защитные оболочки АЭС, ирригационные конструкции и т.д. 2.Основные физико-механические свойства бетона Бетон как материал для железобетонных конструкций должен обладать необходимыми свойствами: прочностью, сцеплением, плотностью для защиты арматуры от коррозии. В зависимости от назначения ж/бетонные конструкций бетон должен отвечать и специальным требованиям: -морозостойкостью – наружные конструкции; -жаростойкостью – при воздействии высоких температур; -коррозионной стойкостью – при эксплуатации в агрессивных средах. Бетоны подразделяются по следующим признакам: а) структуре: - плотные, на основе цементного вяжущего с заполнением всех пустоты; - крупнопористые, пространство между заполнителем не полностью занято вяжущим – малопесчаные и беспесчаные; - поризованные –пористость образованная искусственными пено- или газообразующими добавками; - ячеистые – с искусственными замкнутыми порами. б) по средней плотности: особо тяжелые - 2500 кгс/м3 ; тяжелые - = 22002500 кгс/м3; облегченные - = 18002200 кгс/м3; легкие - = 5001800 кгс/м3. в) по виду заполнителя: - плотные заполнители; - пористые заполнители; - специальные заполнители для биологической защиты от излучений, химически стойкие. г) по зерновому составу: - крупнозернистый; - мелкозернистый. д) по условиям твердения: - естественного твердения; - тепловлажностной обработки; - автоклавной обработки. Сокращенно для несущих конструкций принята следующая градация: -тяжелый бетон – бетон плотной структуры на плотных заполнителях, крупнозернистый на цементном вяжущем, при любых условиях твердения; -мелкозернистый бетон – бетон плотной структуры и т.д. - легкий бетон – бетон плотной структуры на пористых заполнителях, крупнозернистый, цементном вяжущем, любые условия твердения. Плотные заполнители: щебень, гранит и т.д. Пористые заполнители: керамзит, шлак и т.п. Структура бетона. Структура бетона – это пространственная решетка из цементного камня, заполненная зернами песка и щебня, пронизанная большим числом пор и капилляров. В бетоне присутствуют все три среды – твердая, жидкая и газообразная. Цементный камень в свою очередь состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы – геля. Это наделяет бетон упруго пластическими свойствами. Прочность бетона. Основными расчетными показателями прочности бетона, которые используются в расчетах, являются расчетные значения сопротивления бетона осевому сжатию и осевому растяжению. Бетон – неоднородный материал и прочность его зависит от многих факторов, наиболее важными являются: -время и условия твердения; -вид напряженного состояния; -технологические факторы; -форма и размеры образцов. Прочность нарастает с течением времени – наиболее интенсивные первые 28 дней, далее процесс замедляется. Ускоряют твердение бетона – температура, влажность, давление. Кубиковая прочность бетона R – напряжения сжатия при которых разрушаются бетонные кубы размером 15х15х15см. Призменная прочность бетона Rb – величина непосредственно используемая в расчетах - напряжения сжатия при которых разрушается бетонная призма стандартных размеров15 х 15 х 60см (Rb 0,75 R). Прочность на растяжение Rbt получают при испытании на растяжение. Прочность бетона при длительном действии нагрузки – бетон разрушается при напряжениях меньших чемRb. Предел Rb,l0,9Rb . Прочность бетона при многократно повторных нагрузках - в результате накопления повреждений при многократно повторных нагрузках прочность бетона снижается. Предел выносливости Rr зависит от числа циклов, от асимметрии цикла – соотношения максимальных и минимальных напряжений. При изменении температуры до 1000С свойства бетона практически не изменяются. При изменении температуры 250-3000С происходит заметное снижение прочности. Особенно это сказывается при водонасыщенных бетонах – интенсивно происходит высыхание, образование микротрещин и разрушение. При температуре выше 3000С – меняются объемные деформации заполнителя и цементного камня по их контакту возникают напряжения, происходит разрыв цементного камня. При замораживании бетона его прочность повышается, при оттаивании снижается Показатели качества бетона Основными показателями качества бетона являются: -класс по прочности на сжатие В; -класс по прочности на осевое растяжение Bt; -марка по морозостойкости F; -марка по водонепроницаемости W; -марка по средней плотности D. 3.Деформативность бетона Деформации различают: не силовые – усадка, температурно-влажностные и силовые – вызванные силовым воздействием на конструкцию. Свойство бетона уменьшаться в объеме при твердении называется усадкой, а увеличиваться при твердении в воде – набуханием. Усадка связана с физико-химическим процессом: уменьшением объема цементного геля – потеря избыточной воды на испарение. Усадка наиболее интенсивно происходит в начальный период твердения, затем затухает. Чем меньше влажность, тем быстрее усадка. При сжатии усадка ускоряется. При неравномерном высыхании происходит неравномерная усадка, тогда возникают начальные напряжения. Уменьшить усадку: - конструктивные меры: устройство усадочных швов – снижение размеров единовременно заливаемых конструкций; установка дополнительной арматуры; - технологические меры: подбор состава бетона; использование специальных цементов; увлажнение поверхности. Температурные деформации характеризуются коэффициентом температурного расширения: при изменении температуры от -50 до + 50  .Силовые деформации бетона. Силовые деформации при однократном кратковременном нагружении состоят из упругих и неупругих деформаций  Предельные деформации бетона перед разрушением: - при кратковременном действии нагрузки-  ,- при длительном действии нагрузки-  ,При растяжении также деформации состоят из упругой и неупругой частей  .Неупругие деформации с течением времени увеличиваются (максимум прироста первые 3-4 месяца и до нескольких лет). Свойство бетона деформироваться при b=const и длительном действии нагрузки называется ползучестью:  .Ползучесть объясняется структурой бетона – перераспределение с гелевой составляющей на кристаллический сросток. Если имеются связи в бетоне, например арматура, которая стесняет деформации, то b const. Свойство бетона, характеризующееся уменьшением напряжения, при = const называется релаксацией. Начальный модуль упругости бетона соответствует только упругим деформациям, определяемый на участке ≤ Rb  , - масштабный коэффициент. Начальные модуль упругости при растяжении и сжатии принимаются одинаковыми Eb= Ebt . 4.Арматура для железобетонных конструкций Арматура устанавливается в основном для восприятия растягивающих усилий и для усиления сжатой зоны бетона конструкций. Арматура, устанавливаемая по расчету, называется рабочей. Арматура устанавливается из конструктивных и технологических требований – монтажная или конструктивная: она обеспечивает проектное положение рабочей арматуры, распределяет равномерно усилия от усадки и температурные, возможные непроектные механические воздействия. Рабочая и монтажная арматура объединяется в каркасы и сетки. Арматуру разделяют по следующим признакам: 1.По технологии изготовления – стержневая, проволочная и канаты. Стержневая – 6-40мм. 2.По способу поставки - при d ≤ 10 – бухтах, d 10 – прутки. 3.По способу упрочнения горячекатаная разделяется: на термически упрочненную; упрочненная холодным деформированием - вытяжкой или волочением. 4.По форме поверхности - периодического профиля или гладкая. 5.По способу применения - напрягаемая и ненапрягаемая. 6.Жесткая арматура из металлопрофилей – двутавры, швеллера и уголки. Механические свойства арматурных сталей. Прочностные и деформационные характеристики сталей устанавливают по диаграмме - , получаемой при испытании на растяжение. Горячекатаная мягкая сталь обладает площадкой текучести и характеризуется: y - пределом текучести; u - временным сопротивлением и значительным удлинением после разрыва – 25%. Высоколегированные стали и термически упрочненные не имеют площадку текучести, для них установлен условный предел текучести 0,2 , условный предел упругости 0,02. Пластические свойства арматуры характеризуются остаточным удлинением после разрыва – это характеризует возможность работы арматуры в конструкции (разрыв или плавный характер разрушения, возможность изготавливать арматурные изделия - механизация работ). Наряду с прочностными и деформационными характеристиками часто требуется учитывать и ряд других свойств: свариваемость, хладноломкость. Для армирования железобетонных конструкций с предварительным напряжением и без предварительного напряжения применяются следующие виды арматуры: -горячекатанная гладкая (А240) или периодического профиля индекс (А300); -термомеханически упрочненная периодического профиля; -холоднодеформированная периодического профиля 3-12мм, индекс В (Вр); -арматурные канаты диаметром 6-15мм, индекс К. Дополнительные индексы буква «с» указывает на свариваемость, «к» - на повышенную коррозионную стойкость. Модуль упругости для всех видов арматуры кроме канатной принимается 200000МПа; для канатной - 180000МПа. Для ненапрягаемых конструкций используется А240 – А500. В качестве продольной А300 – А400. Поперечная и монтажная А240 – А240. Сетки изготавливают В500. Для напрягаемых конструкций – А500 и выше, все виды Вр и К. Ненапрягаемую арматуру изготавливают в виде сварных (иногда вязаных) каркасов (плоских или пространственных) и сеток. Стержни обычно по углам соединяются контактной или дуговой сваркой. Плоские сварные каркасы изготавливают из двух или более продольных стержней с привариваемых к ним поперечной арматурой. Соотношение диаметров продольной и поперечной арматуры должен быть не менее 1/3 – ¼. Расстояние между стержнями регламентируется нормами и зависит от диаметров стержней и размеров фракций заполнителя. Арматурные проволочные изделия - к ним относятся арматурные канаты и пучки. Канаты и пучки используются в предварительно напряженных длинномерных конструкциях 5.Железобетон Одним из основных факторов, обеспечивающих совместную работу бетона и стальной арматуры, является сцепление материалов. Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают по результатам испытаний на выдергивание или вдавливания арматурного стержня, заанкеренного в бетоне. Прочность сцепления зависит от следующих факторов: -зацепления за выступы на поверхности арматуры -75% ; -сил трения по контакту поверхности арматуры и бетона ; -склеивания арматуры с бетоном. С увеличением прочности бетона сцепление возрастает. Анкеровка арматуры это закрепление концов арматуры для передачи усилий с арматуры на бетон за рассматриваемое расчетное сечение. Анкеровка осуществляется за счет сил сцепления, а также с помощью специальных устройств. Анкеровка ненапрягаемой арматуры осуществляют следующим образом: -ввиде прямого окончания стержня; -устройством на концах загибов или крюков; -приваркой или установкой поперечных стержней; -установка специальных анкерных устройств. Анкеровка напрягаемой арматуры осуществляют следующим образом: -ввиде прямого окончания стержня; -установка специальных анкерных устройств. Базовая длина анкеровки необходимая для передачи усилия в арматуре с полным расчетным сопротивлением RS на бетон определяется по формуле  где AS и uS –соответственно площадь поперечного сечения стержня и периметр его сечения;  - расчетное сопротивление сцепления арматуры (при равномерном распеределении напряжений сцепления по длине анкеровки);1 – коэффициент учитывающий влияние поверхности арматуры; 1,5-гладкая; 2-холоднодеформированная периодического профиля; 2.5-горячекатанная и термомеханически обработанная периодического профиля; 2.2- для арматурных канатов и т.д. 2 – коэффициент учитывающий величину диаметра арматуры (1 при d<32мм, и 0,9 при d=36-40мм). Расчетная длина анкеровки с учетом конструктивного решения зоны анкеровки  где AS,cal и AS,ef – требуемая по расчету и фактическая площадь арматуры; -коэффициент учитывающий напряженное состояние арматуры и бетона и конструктивное решение зоны анкеровки (1- при прямой анкеровке периодического профиля и гладкой с крюками для растянутых стержней; 0,75 – для сжатых). По конструктивным требованиям длину анкеровки принимают не менее lan>0,3 l0,an ; 15d и 200мм. |