Железобетонные и каменные конструкции (стр. 4 )

Железобетон – комплексный строительный материал, состоящий из арматурной стали и бетона, объединенных для совместной работы в конструкциях.

Бетон, как известно, хорошо работает на сжатие, его прочность при растяжении в 15-20 раз ниже. Бетонная балка (рис. 1, а) разрушается, когда напряжения в бетоне растянутой зоны достигают предела прочности бетона при растяжении; в это время напряжения в сжатом и растянутом бетоне близки по величине, высокая прочность бетона при сжатии остается недоиспользованной.

б)

а)

Рис. 1. Схема разрушения балки

Если в растянутую зону балки (рис. 1, б) ввести небольшое количество – 1-2% арматуры (при изображении железобетонных элементов условно считается, что бетон является прозрачным материалом, а арматура – непрозрачным), при появлении трещин в растянутой зоне балки растягивающие напряжения будут восприниматься арматурой. Разрушение произойдет, когда напряжения в сжатом бетоне или растянутой арматуре будут равны предельным. Прочность балки повышается в 15-20 раз. Основная идея железобетона заключается в том, чтобы в конструкциях использовать работу бетона на сжатие, а арматуры – на растяжение. Армирование также используют для усиления сжатого бетона, и по конструктивным требованиям.

2.  Факторы, обеспечивающие совместную работу бетона и арматуры

Совместная работа бетона и арматуры обеспечивается за счет выгодного сочетания физико-механических свойств этих материалов.

При твердении бетона происходит прочное сцепление с арматурой и оба материала работают совместно вплоть до разрушения. Для повышения сцепления поверхность арматуры делают рифленой (периодического профиля), в необходимых случаях устраивают анкера.

Бетон является долговечным и огнестойким материалом, защищающим арматуру от коррозии и непосредственного воздействия огня.

Сталь и бетон обладают близким по величине коэффициентом температурного расширения; при изменении температуры в контактном слое не возникают начальные напряжения и деформации скольжения.

3.  Преимущества и недостатки железобетона

Железобетон получил широкое распространение в строительстве благодаря ряду преимуществ, основными из которых являются следующие:

Долговечность. С течением времени прочность бетона нарастает, арматура в бетоне защищена от неблагоприятного влияния внешней среды.

Высокая механическая прочность. Железобетонные конструкции хорошо сопротивляются действию как статических, так и динамических нагрузок.

Огнестойкость. Сталь не огнестойка, но защищена бетоном. Бетон практически не снижает прочности в течение нескольких часов при пожарах средней интенсивности.

Сейсмостойкость. Опыт строительства в сейсмических районах показал, что железобетонные конструкции меньше других подвержены повреждениям при землетрясениях.

Индустриальность. Железобетонные конструкции хорошо подвергаются членению, в виде отдельных деталей могут изготавливаться на заводах и собираться на стройплощадках.

Приспособляемость к архитектурным формам. Конструкции можно изготовлять любой конфигурации.

Применение для конструкций местных строительных материалов.

Незначительные эксплуатационные расходы при содержании зданий и сооружений.

Надежность. Задолго до разрушения в конструкции появляются трещины, что позволяет своевременно выполнить их усиление.

Недефицитность. Запасы основных материалов для производства бетона не ограничены, расход стали не велик.

Относительно невысокая стоимость конструкций.

При приготовлении бетона возможна утилизация отходов промышленности.

4.  Основные недостатки железобетонных конструкций

Большой собственный вес. Недостаток устраняется применением бетонов на пористых заполнителях и тонкостенных конструкций, легких и прочных бетонов.

Повышенная звуко - и теплопроводность. Устраняется применением бетонов на пористых заполнителях, ячеистых бетонов, конструкций с тепловой и звукоизоляцией.

Работа под нагрузкой с трещинами. Устраняется предварительным напряжением конструкций, когда в растянутом бетоне создается искусственное обжатие путем натяжения арматуры.

5.  Виды железобетонных конструкций

По способу выполнения различают конструкции:

Монолитные. Полностью возводятся непосредственно на строительной площадке, когда конструкции здания плохо поддаются членению, включают много нетиповых деталей, при строительстве в районах, где отсутствуют заводы железобетонных конструкций.

Преимущества: выше жесткость конструкций и здания, меньше расход стали, ниже стоимость.

Недостатки: выше трудоемкость, необходимость устройства лесов, подмостей и опалубки, ниже качество.

Сборные. Конструкции изготавливают на заводах стройиндустрии и монтируют на стройплощадке из типовых деталей

Преимущества: Индустриальность, возведение в зимних условиях без удорожания, ниже трудоемкость, сокращение сроков строительства, отпадает необходимость в лесах и подмостях, выше качество.

Недостатки: ниже жесткость конструкций и здания, выше стоимость и расход стали, необходима защита закладных деталей от коррозии.

Сборно-монолитные. Выполняют из сборных конструкций и монолитного бетона. Обычно сборные типовые элементы являются несъемной опалубкой. Имеют высокую жесткость и надежность, но увеличенную по сравнению со сборными трудоемкость. Применяют при строительстве в особых условиях, например в сейсмических районах.

6.  Область применения железобетонных конструкций

В XX веке железобетон был основным строительным материалом, таким же остается и на ближайшую перспективу. В большинстве случаев железобетонные конструкции эффективнее каменных, стальных и деревянных.

Основные области применения железобетона: промышленное строительство (все виды конструкций одноэтажных и многоэтажных зданий, эстакады, опоры ЛЭП, различные инженерные сооружения: резервуары, бункера, силосы, трубы, подпорные стены и др.); гражданское строительство (фундаменты, каркасы, перекрытия, панели стен, каналы теплотрасс, колодцы, тонкостенные конструкции покрытий); транспортное строительство (мосты, покрытия автодорог и аэродромов, тоннели, станции метро, опоры контактных сетей, шпалы); гидротехническое строительство (плотины, шлюзы, доки, каналы, лотки, трубопроводы); сельскохозяйственное и оборонное строительство (различные здания и сооружения).

7.  Краткие исторические сведения о развитии железобетона

1824 г. Изобретен портландцемент, что дало толчок к широкому применению бетона.

1850 – 1880 г. г. Появились первые железобетонные конструкции в виде плит, балок, колонн. Они представляли собой несущий стальной каркас, где бетон был ограждающим материалом. Из-за неизученности к железобетону было недоверие.

1891 г. В Петербурге профессор Белелюбский провел испытание железобетонных плит, балок, арок, и других конструкций. В этот период исследованиями железобетона также занимались Консидер, Геннебик (Франция), Кённен, Мерш (Германия), и другие ученые.

1904-1908 г. г. В России, Франции и Германии приняты первые технические условия на проектирование железобетонных конструкций. Метод расчета – по допускаемым напряжениям.

1921-1932 г. г. Построены с применением железобетона Волховская ГЭС, Днепро ГЭС, уникальные для того времени здания: центральный телеграф и Дом Известий в Москве, Госпром в г. Харькове, Дом Советов в Ленинграде, купол театра в Новосибирске диаметром 56м и другие.

1928 г. Начало применения сборного железобетона.

1931 г. Советский профессор Лолейт предложил теорию расчета железобетона по разрушающим усилиям. Разработка этого метода принадлежит Гвоздеву и его школе.

1938 г. Метод расчета по разрушающим усилиям введен в нормы.

1955 г. В СССР введен в нормы единый метод расчета по предельным состояниям, в разработке которого принимали участие Гвоздев, Столетов, Мурашев и другие ученые. Их исследования позволили совершенствовать расчет железобетона; последние нормы приняты в 2003 году.

Основными направлениями развития и совершенствования железобетонных конструкций являются: снижение стоимости и массы, повышение качества, применение местных материалов, высокопрочных и легких бетонов, бетонов на основе полимеров, высокопрочной арматуры, альтернативных видов армирования, совершенствование методов расчета, технологии изготовления и монтажа конструкций, повышение стойкости конструкций к внешним воздействиям, их надежности и долговечности.

ЧАСТЬ 1. СОПРОТИВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА И ЭЛЕМЕНТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Глава 1. Основные физико-механические свойства бетона, арматурной стали и железобетона

§1.1. Бетон

1. Виды бетона для железобетонных конструкций

Как материал для железобетонных конструкций бетон должен обладать следующими качествами:

−  необходимой механической прочностью для восприятия напряжений в несущих конструкциях;

−  высоким сцеплением с арматурой для обеспечения их совместной работы;

−  достаточной плотностью для лучшего сопротивления коррозии и защиты от нее арматуры.

Виды бетонов подразделяются по ряду признаков:

а) по структуре: плотной структуры, крупнопористые и поризованые, ячеистые (с замкнутыми искусственными порами);

б) по средней плотности: особотяжелые (γ>2500кг/м3); тяжелые (γ=2200-2500кг/м3); облегченные (γ=1800-2200кг/м3); легкие (γ=500-1800кг/м3);