Область применения.

Железобетонные конструкции, работающие на изгиб, сжатие, растяжение и срез, являются несущей основой большого числа зданий и сооружений различного назначения. Железобетон является одним из основных строительных материалов, используемых при возведении различных объектов.

Железобетонные конструкции без предварительного напряжения

Бетон является хрупким материалом и сопротивляется растяжению в 10…20 раз слабее, чем сжатию. Средняя растяжимость бетона составляет 0,20 мм/м, средняя сжимаемость – 2,0 мм/м.

Схемы напряженного состояния бетонной и железобетонной балок под нагрузкой в стадии разрушения показаны на рис. 1.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции

Предварительно напряженнымижелезобетонными конструкциями (ПН ЖБК) называют конструкции, в которых на стадии изготовления создают внутренние напряжения, противоположные по знаку напряжениям, возникающим в стадии эксплуатации.

Предварительное напряжение в бетоне и арматуре создают двумя способами: а – натяжением арматуры на затвердевший бетон; б –натяжением арматуры на упоры стенда до бетонирования изделия.

Рис. 4. Схемы создания предварительного напряжения: а – натяжение на бетон; б – натяжение на упоры

Достоинства ПН ЖБК:

- повышение жесткости и трещиностойкости изгибаемых элементов;

- использование высокопрочного бетона и арматуры, что снижает расход стали и бетона на изготовление изделий.

История развития ЖБК:

1849 г. Жан Луи Ламбо – первое изделие из железобетона (лодка);

1886 г. Железобетон в России (А.Ф. Лолейт, Н.А. Белелюбский, А.А. Гвоздев, В.И. Мурашов, В.Н. Байков и многие другие);

1928 – 1930 г,г. – начало практического применения железобетонных конструкций с предварительно напряженным армированием (Э. Фрейсине – Франция, Дишингер – Германия, В.В. Михайлов – Россия).

Лекция 2. Материалы для железобетонных конструкций

Бетон

Структура бетона

Затвердевший бетон имеет сложную структуру (внутреннее строение), которая формируется в виде пространственной решетки, состоящей из цементного камня, заполненного зернами крупного и мелкого заполнителей, и пронизанной многочисленными капиллярами, заполненными водой, парами воды и воздухом. Схематическое изображение структуры бетона показано на рис. 5.

Рис. 5. Схематический разрез бетона; 1 – щебень; 2 – песок; 3 – кристаллическая структура; 4, 5 – поры, заполненные водой и воздухом; 6 – зерна цемента, 7 – гелевая (коллоидная) структура

Прочность бетона

Главное требование к бетону – его прочность, или способность бетона, не разрушаясь, сопротивляться внешним воздействиям. Прочность бетона зависит от вида напряженного состояния, условий и времени твердения, формы и размеров образцов, длительности приложения нагрузки, условий эксплуатации. Прочность бетона нарастает с течением времени, что связано с постепенным переходом гелевой составляющей структуры в кристаллическое состояние.

Прочность бетона на сжатиеопределяется путем испытания бетонных кубов на сжатие до разрушения.

Кубиковая прочность (R) – временное сопротивление сжатию стандартных бетонных кубов размером 150х150х150 мм, твердеющих во влажных условиях при температуре 20^оС, которые разрушаются при действии нагрузки от бокового расширения, при этом на характер разрушения образцов существенно влияют силы трения между плитами пресса и бетонным образцом.

Призменная прочность(R_b). Влияние сил трения на прочность бетонного образца практически не сказывается, если он имеет форму призмы с соотношением сторон более 4:1. Призменная прочность определяют испытанием призм или вычисляют по формуле

R_b = φ_b R,

где φ_b – коэффициент, равный 0,72…0,75.

Призменная прочность является основной прочностной характеристикой бетона, применяемой при расчете железобетонных конструкций. Схема работы бетонных кубов и призм при сжатии представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема работы бетонных кубов и призм при сжатии

Прочность на растяжение(R_bt) – вторая основная характеристика бетона, которая в 10…20 раз меньше, чем при сжатии. Временное сопротивление бетона осевому растяжению определяют либо опытным путем (см. рис. 7), или рассчитывают по формуле Фере

R_bt = 0,5 ³Ö R²

Рис. 7. Схемы испытания бетона на растяжение

Прочность на срез и скалывание– под прочностью бетона на срез и скалывание понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы (рис. 8). Прочность бетона на срез и скалывание принимают равной

R_среза = 2 R_bt.

Рис. 8. Схемы испытания бетона на срез

Прочность на местное сжатие (смятие)(R_{b, loc}) повышается вследствие влияния незагруженного бетона, который создает «эффект обоймы» (рис. 9).

Рис. 9. Схемы работы бетона на местное сжатие (смятие)

Прочность бетона на местное смятие определяют по формуле

R_{b, loc} = φ_b R_b,

где φ_b = ³Ö А _loc / А ;

А _loc – общая площадь смятия; А – площадь загруженной части бетона.

Длительная прочность бетона уменьшается по сравнению с прочностью бетона при кратковременном действии нагрузки. Это связано с изменением структуры бетона и развитием пластических деформаций. При длительном действии нагрузки прочность бетона уменьшается на 10…15%. В расчетах конструкций длительную прочность бетона рассчитывают по формуле

R_l = φ_b2 R,

где φ_b2 – коэффициент, равный 0,9.

Нормируемые показатели бетона(классы и марки) устанавливаются нормативными документами.

Классом бетона на осевое сжатие называют прочность кубов (в МПа) с размерами сторон 15 см, испытанных по государственным стандартам в возрасте 28 суток. Тяжелый бетон по прочности на сжатие разделяют на классы от В3,5 до В60.

Классом бетона на осевое растяжение называют прочность бетонных образцов (в МПа), испытанных до разрушения. Тяжелый бетон по прочности на растяжение разделяют на классы от В_t0,8 до В_t2,0.

Марка бетона по морозостойкости характеризуется количеством циклов замораживания – оттаивания, после которых прочность бетона снижается более чем на 15%. Тяжелый бетон по морозостойкости имеет марки F50, F75, F100. F150.

Марка бетона по водонепроницаемости – определяется наибольшим давлением воды (в МПа), при котором не наблюдается ее просачивание через стандартный образец. Для тяжелого бетона установлены марки по водонепроницаемости W2…W12.

Марка бетона по средней плотности – гарантированная удельная собственная масса бетона (в кг/м³), контролируемая на базовых образцах, согласно государственным стандартам.