Конструкционные качества бетона и арматуры.

Бетон

По своей структуре бетон представляет собой неоднородное тело, в котором бессистемно расположены зерна заполнителей различной крупности и формы, скрепленные цементным камнем, поры и пустоты, заполненные воздухом и водой. Такая структура определяет его основные физико-механические свойства.

Прочность бетона. Классы бетона.

Отсутствие закономерности в расположении частиц затвердевшего бетона, а также в размещении и размерах пор приводит к тому, что при испытании образцов из одного и того же бетона наблюдается разброс показателей его прочности.

Прочность бетона с течением времени возрастает, при этом существенное влияние имеет изменение температуры и влажности среды, в которой происходит твердение (набор прочности бетона).

Различают несколько характеристик прочности бетона.

Кубиковая прочность (R_n, МПа) – временное сопротивление (предел прочности) на сжатие образца, имеющего форму куба.

Кубиковая прочность образца с размерами ребра 15 см, изготовленного и испытанного по стандарту, называется классом бетона по прочности на сжатие (В, МПа).

СНиП 52-01-2003 устанавливает следующие классы бетонов по прочности на сжатие (гарантированная прочность, МПа, с обеспеченностью 0,95) в целом в пределах от В0,5 до В120, а по СП 52-101-2003 для конструкций без предварительного напряжения В10; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60.

Призменная прочность (R_b,n, МПа).

Образцы, имеющие форму призм, при испытании на сжатие показывают меньшую прочность, чем кубики того же поперечного сечения, т.к. с увеличением высоты образца снижается влияние сил трения, возникающих по опорным поверхностям. При отношении высоты призмы h к стороне а ее основания > 4 трение практически не оказывает влияния на временное сопротивление и оно составляет 0,7 – 0,8 от кубиковой прочности.

Призменная прочность является основной прочностной характеристикой бетона при расчете конструкций, работающих на сжатие и изгиб. По ее значению установлены принятые в СНиП нормативные и расчетные сопротивления бетона на сжатие.

Прочность на растяжение.

Временное сопротивление бетона на растяжение (R_bt,n, МПа) устанавливается путем испытания на разрыв стандартных образцов в виде восьмерок.

Между величиной R_bt,n и кубиковой прочностью установлена эмпирическая зависимость:

,

(15)

Для конструкций, работающих на растяжение дополнительно к классу бетона на сжатие (В) устанавливается класс бетона на растяжение (B_t, МПа).

СНиП предусматривает следующие классы бетона на растяжение в целом от B_t0,4 до B_t6, а по СП 52-101-2003 B_t0,8; B_t1,2; B_t1,6; B_t2,0; B_t2,4; B_t2,8; B_t3,2.

По прочности бетона на растяжение СНиП устанавливает нормативные и расчетные сопротивления, принимаемые при расчете конструкций по прочности на растяжение, а также по трещиностойкости.

Марки бетона.

Марка бетона по морозостойкости F соответствует минимальному числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдерживаемых образцом при стандартных испытаниях, и принимается по СНиП от F15 до F1000.

Марка бетона по водонепроницаемости W соответствует максимальному значению давления воды (МПа·10^-1), выдерживаемому образцом при испытании и принимается в пределах от W2 до W30.

Марка по средней плотности Д соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м³ и принимается в пределах от Д200 до Д5000.

При необходимости устанавливают дополнительные качества бетона, обусловленные требованиями к конструкции.

Таблица 3. Нормативные и расчетные сопротивления бетона (СП 52-101-2003)

Нормативное сопротивление бетона на сжатие (R_b,n ) и растяжение (R_bt,n) устанавливается по временному сопротивлению (прочности).

Расчетное сопротивление получают делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по бетону_.

.

(16)

.

Значение коэффициентов надежности по бетону принимают равными:

при сжатии - γ_bc

1,3 - для предельных состояний по несущей способности (первая группа);

1,0 – для предельных состояний по эксплуатационной пригодности (вторая группа);

при растяжении - γ_bt

1,5 - для предельных состояний первой группы;

1,0 – для предельных состояний второй группы.

Для предельных состояний второй группы расчетные сопротивления равны нормативным их значениям.

.

(17)

Учет условий работы конструкции.

В необходимых случаях расчетные значения прочностных характеристик бетонов умножают на коэффициенты работы γ_bi , учитывающие особенности работы бетона в конструкции (характер нагрузки, условия окружающей среды и т. д.):

а) γ_b1=0,9 при длительном действии нагрузки; его вводят к расчетным сопротивлениям бетона R_b и R_bt;

б) γ_b1=1,0 при кратковременном действии нагрузки.

Другие значения коэффициентов условий работы приводятся в СНиП.

Деформативность бетона и модуль деформаций.

В бетоне различают объемные и силовые деформации. Объемные деформации вызываются усадкой бетона и изменениям температуры; силовые деформации – это деформации под нагрузкой. Они носят направленный характер.

Между напряжениями и деформациями бетона наблюдается нелинейная зависимость, т.е. бетон не укладывается в закон Гука.

Такой характер (рис. 6) носят деформации материала, свойства которого отвечают закону Гука.

Для бетона диаграмма σ – ε имеет другой вид (рис.7).

 

 

Начальный модуль упругости бетона – это нормируемая характеристика, она приводится в СНиП в зависимости от вида и класса бетона.

Упругие деформации характеризуются начальным модулем упругости

.

(18)

Полные деформации – модулем упруго-пластичности (модуль деформаций)

.

(19)

Из условий:

,	(20)
	(21)

определяем

,

(22)

где - коэффициент упруго-пластичности бетона.

Ползучесть бетона

Ползучесть бетона проявляется при длительном действии нагрузки – это возрастание пластических деформаций при постоянном длительном напряжении.

При расчете железобетонных конструкций ползучесть бетона учитывается введением специальных коэффициентов в расчетные формулы. При этом принимаются во внимание класс бетона, возраст бетона, длительность действия нагрузки, характер окружающей среды и др.

Предельные деформации бетона

Е_bо – деформации бетона при достижении предела прочности. Значения предельных относительных деформаций бетона согласно СНиП-52-01-2003 принимаются:

а) непродолжительное действие нагрузки при осевом сжатии Е_bо=0,002

при осевом растяжении Е_btо=0,0001

б) продолжительное действие нагрузки в зависимости от влажности окружающей среды:

при сжатии Е_bо=0,003 - 0,004

при растяжении Е_btо=0,00021 – 0,00028

Арматура.

Для железобетонных конструкций применяют стержневую (А) арматуру и проволочную (В). Как та, так и другая выпускаются круглой, гладкой или периодического профиля.

Согласно СНиП-52-01 и СП-52-101 к применению рекомендуются:

1) горячекатаная гладкая и периодического профиля с постоянной и переменной высотой выступов (кольцевой и серповидный профиль) диаметром 6-80мм; (А)

2) термомеханически упроченная периодического профиля (кольцевого и серповидного) диаметром 6-40мм; (А)

3) холоднодеформированная периодического профиля или гладкая диаметром 3-12мм; (В)

4) арматурные канаты диаметром 6-15мм (К)

СНиП также предусматривает применение неметаллической композитной арматуры, фибровой арматуры для дисперсного армирования, а также профильную из листовой стали в качестве жесткой арматуры.

Вид арматуры следует принимать в зависимости от назначения конструкции, характера нагрузок и воздействий окружающей среды.