Назначение арматуры

Лекция № 3 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЖБК. АРМАТУРА. 1. Общие сведения Под арматурой понимают гибкие или жёсткие стержни, преимущественно из стали, размещённые в массе бетона в соответствии с эпюрами изгибающих моментов, поперечными и продольными силами, действующими на конструкцию на протяжении всего периода существования конструкции. Назначение арматуры - воспринимать растягивающие усилия, а так же усадочные и температурные напряжения в элементах конструкций. Реже арматуру используют для усиления бетона сжатой зоны изгибаемых элементов, однако она эффективна для армирования колонн. Являясь важной составной частью железобетона, арматура должна отвечать специальным требованиям: ­надёжно работать совместно с бетоном на всех стадиях эксплуатации конструкции; -использоваться до физического или условного предела текучести при исчерпании несущей способности; -обеспечивать удобство арматурных работ и возможность их механизации. По функциональному назначению различают рабочую и монтажную арматуру. Под рабочей понимают арматуру, площадь сечения Аs которой определяют расчётом на действие внешних нагрузок. Продольная рабочая арматура воспринимает продольные усилия. Располагают её параллельно нагруженным граням элементов. Поперечная арматура направлена перпендикулярно продольной. Она воспринимает поперечные усилия. Поперечная арматура включает в себя хомуты и отгибы. Арматура устанавливается на растянутых волокнах конструкции. При этом расчёт необходимо выполнять на всех стадиях - изготовления, транспортировки, хранения, монтажа и эксплуатации. Содержание рабочей продольной арматуры в элементах железобетонных конструкций определяют отношением общей площади сечения As рабочих стержней к сечению Аb бетона. – коэффициент армирования (%). Под монтажной (поперечной и продольной) понимают арматуру, устанавливаемую без расчёта (по конструктивным и технологическим соображениям). Она предназначена для более равномерного распределения усилий между отдельными стержнями рабочей продольной арматуры и для сохранения проектного положения рабочей продольной и поперечной арматуры в конструкции при бетонировании. Монтажную арматуру устанавливают так же для частичного восприятия не учитываемых расчётом усилий от усадки и ползучести бетона. В зависимости от вида поперечного сечения различают стальную арматуру: гибкую – из стержней круглого сечения (или периодического профиля) и жесткую – из фасонного проката (двутавров, швеллеров, уголков). Последний вид арматуры применяется редко. В железобетонных конструкциях при наличии агрессивной среды имеется большая опасность коррозии стальной арматуры. Для таких конструкций возможно применение неметаллической арматуры (стеклопластики). Рис.3.1.Армирование плиты 1 – рабочая арматура; 2 – конструктивная арматура Гибкая арматура - обладает пластичностью, хорошей свариваемостью, высокими прочностью и пределом выносливости, достаточным порогом хладноломкости. Свариваемость – равнопрочное соединение стальных арматурных стержней. Прочность характеризуется пределом текучести – это предел, при котором растут пластические деформации стали без увеличения внешней нагрузки. Условный предел текучести – это напряжение, соответствующее остаточным деформациям 0,2%. Условный предел упругости – это напряжение, соответствующее остаточным деформациям 0,02%. При действии многократно повторяющейся нагрузки уменьшается, а разрушение становится хрупким. За предел выносливости принимают прочность, когда нет хрупкого разрушения при числе циклов n=1*105. Временное сопротивление – предельное сопротивление, когда происходит сужение образца (образование шейки) и разрыв. Если в стальном стержне создать растягивающие напряжения , попадающие на диаграмме за площадкой текучести в область упрочнения материала, а затем стержень разгрузить, то диаграмма разгрузки получает вид прямой линии и стержень получает остаточные пластические деформации. При повторном загружении, поскольку пластические деформации стали уже выбраны, новая линия диаграммы сольется с линией разгрузки, оставаясь параллельной участку, характеризующему упругую работу материала. Однако перегиб линии диаграммы – начало новой площадки текучести – наступит уже при более высоком напряжении . Такие стали называют холоднодеформированными. Рис. 3.2. Диаграммы при растяжении арматурной стали а – с площадкой текучести («мягкая» сталь); б – с условным пределом текучести («твердая» сталь) Предел выносливости – это способность арматуры воспринимать длительное время знакопеременные напряжения. Хладноломкость – это хрупкое разрушение при температуре ниже -30˚. При высоких температурах (~350º) снижается прочность. Наибольшее внимание уделяется стержневой гибкой арматуре, что обусловлено её относительно высокими пластическими свойствами, обеспечивающих снижение в расчётных сечениях элементов опасной концентрации напряжений, вследствие их перераспределения. Малоуглеродистая стержневая арматура хорошо сваривается контактной стыковой или ручной дуговой сваркой, экономична, обладает наименьшей трудоёмкостью при армировании железобетонных конструкций 2. Виды и классы Способ изготовления и форма поверхности определяет вид арматуры. Различают арматуру: 1. Стержневую: горячекатаную, термоупрочнённую и термомеханически упрочнённую; 2. Проволочную: холоднотянутую обыкновенную и высокопрочную. 3. По начальному напряженному состоянию: напрягаемую и ненапрягаемую. Горячекатаная арматура – это стальная арматура в виде отдельных стержней круглого, эллиптического, квадратного и других сечений. Предпочтение отдают круглому сечению, потому что такая арматура наиболее технологична в изготовлении и не имеет острых углов, врезающихся в бетон и способствующих образованию трещин. Класс такой арматуры обозначают буквой А и римской цифрой в СНиПе 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (чем больше цифра, тем выше прочность), в СП 52-01-2003 – обычными цифрами: - А-I (А 240) – гладкая; - А-II (А 300), А-III (А 400), А-IV (А600), А-V (А800), A-VI (А1000)– периодический профиль. Такая сталь не подвергается после проката упрочняющей термической обработке. Ат-III (Ат 400), Ат-IV (Ат 600), Ат-V (Ат 800), Ат-VI (Ат 1000) – термически и термомеханически упрочнённая, т.е. подвергаемая после проката упрочняющей термической обработке; А-IIIв (А 400в)– упрочнённая вытяжкой. Холоднотянутая арматура – это стальная проволочная арматура. Обозначают буквой В от слова «волочение». Вр-I (Вр500) – периодического профиля; В-II – гладкая высокопрочная; Вр-II – высокопрочная рифлёная; К-7, К-19 – проволочные канаты соответственно семи- и девятнадцатипроволочные и др. Арматура периодического профиля – это арматура, на поверхности которой имеются часто расположенные кольцевые выступы, обеспечивающие надёжное сцепление с бетоном без устройства анкерных крюков на концах стержней. Рис. 3.3. Виды арматуры периодического профиля а – стержневая класса А300; б – стержневая класса А500 Ненапрягаемая арматура – арматура, укладываемая без предварительного натяжения (напряжения). В качестве ненапрягаемой арматуры преимущественно применяют сталь классов А400, А-600C, Вр 500, А240, А300, допускается применение А-600. Ненапрягаемая арматура классов А240, А300, А400, Вр500, A-600С– сваривают контактной и дуговой сваркой Напрягаемая арматура - преимущество сталь классов Ат-800, Ат-1000 в элементах длиной до 12 м, допускается также сталь классов А-600 , А-800, А-1000; при большой длине – сталь классов К-7, К-19. 3. Стыкование ненапрягаемой арматуры По способу производства стыки стержней делятся на сварные, несварные (внахлёстку), по месту изготовления – заводские и монтажные. Несварные стыки менее экономичны, поэтому их применяют только для стыкования термически упрочнённой стержневой арматуры. В зависимости от вида арматуры и условий изготовления применяют разные виды сварных стыков: -контактные; -ванные в инвентарной форме; -внахлёстку; -тавровые и т.д. Сварные стыки выполняются в соответствии с ГОСТ. Стыки с накладками и внахлёстку применяют, если не удаётся точно подогнать торцы стыкуемых стержней. Сварные стыки можно размещать в любом месте стержня, однако рабочие стержни не рекомендуют сваривать в зонах наибольших усилий. Стыки с накладками в местах им насыщения бетона арматурой, дабы не мешать бетонированию. 4. Арматурные изделия 1. Арматурные сетки (обычно с перпендикулярным расположением рабочих стержней). 2. Каркасы – плоские и пространственные. Сварные плоские сетки изготавливают шириной до 3800мм с продольной и поперечной рабочей арматурой. Расстояние между осями продольных и поперечных стержней обычно принимают кратным 50 мм. Плоские каркасы применяют для армирования изгибаемых элементов. Продольные рабочие и монтажные стержни размещают с одной стороны поперечных стержней, так как это исключает трудоемкое переворачивание стержней при изготовлении каркасов. Допускается размещение рабочих стержней в два и более рядов, если это оправдано экономически. Пространственные каркасы собирают из плоских каркасов или сваривают целиком, что позволяет снизить трудоёмкость работ. 5. Деформативность. Деформативность – это характеристика пластичности стали, определяет величину угла изгиба, ползучесть стали. Удлинение стали при разрыве оценивают величиной равномерного относительного удлинения при разрыве (без учёта длины шейки) эталонного образца. Этой величиной характеризуется разрушение конструкции. Конструкции, армированные напрягаемой высокопрочной проволокой, могут терять прочность внезапно из-за хрупкого разрыва без явных признаков разрушения, поэтому необходим более высокий запас надёжности. Это связано с тем, что при недостаточных пластических деформациях стали и увеличения предварительных напряжений, напряжения не полностью погашаются, а суммируются с напряжениями от внешней нагрузки. Именно поэтому в преднапряжении запрещено применять хрупкие стали. 6. Реологические свойства арматуры Ползучесть - увеличение деформаций под сжимающей нагрузкой во времени. Ползучесть нарастает с повышением напряжений и ростом температуры. Релаксация - снижение напряжения в арматуре при жёстком закреплении её концов, стесняющих свободное деформирование. Наиболее интенсивно релаксация развивается в течение первых часов, однако она может продолжаться длительное время. Релаксация зависит от прочности, химического состава, технологии изготовления, температуры и т.д. Это обуславливает потерю арматурой части заданного преднапряжения, поэтому снижается трещиностойкость и жёсткость. 7. Нормативные и расчётные сопротивления Основной прочностной характеристикой арматуры является нормативное значение сопротивления растяжению Rsn, принимаемое в зависимости от класса арматуры по таблицам норм. Расчётное значение сопротивления арматуры растяжению для предельных состояний первой группы определяются: , где - коэффициент надежности по арматуре, принимаемый равным: 1,1 – для арматуры классов А240, А300, А400; 1,15 – для арматуры класса А500; 1,2 – для арматуры класса В500. Расчетные значения сопротивления арматуры растяжению для предельных состояний второй группы принимают равными соответствующим нормативным сопротивлениям . Значения модуля упругости арматуры принимают одинаковыми при растяжении и сжатии и равными . СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОНА 1. Сцепление арматуры с бетоном Скольжению арматуры в бетоне препятствует сцепление между ними (сопротивление сдвигу). Надежное сцепление является основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в железобетоне и позволяющим ему работать под нагрузкой как единому монолитному телу. При отсутствии сцепления образование первой трещины влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжении растянутой арматуры, что приводит к резкому раскрытию образовавшейся трещины, сокращению высоты сжатой зоны, снижению несущей способности. В различных опытах сила сцепления арматуры с бетоном определялась сопротивлением скольжению забетонированного стержня при его выдергивании или выталкивании. Как показали опыты, сила сцепления меняется в широких пределах и в основном зависит от трех факторов: • склеивания арматуры с бетоном, благодаря клеящей способности цементного теста (адгезия); • сил трения, возникающих на поверхности арматуры благодаря зажатию стержней в бетоне при его усадке; • сопротивления бетона усилиям среза, возникающим из-за наличия неровностей и выступов на поверхности арматуры. Наибольшее влияние на сцепление оказывает третий фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления. Первый фактор оказывает наименьшее влияние – до 25% всей силы сцепления. Арматура периодического профиля с сильно шероховатой поверхностью обладает более высоким и надежным сопротивлением скольжению благодаря зацеплению и заклиниванию ее выступов в бетоне. По сравнению с гладкими стержнями арматура периодического профиля обладает в 2-3 раза большей силой сцепления с бетоном. Рис. 3.8. Зацепление выступов арматуры за бетон Напряжение в бетоне под выступами арматуры при ее выдергивании может превосходить в 5-7 раз кубиковую прочность бетона, поэтому недопустимо снижение плотности бетона в зоне контакта его с арматурой. Наиболее надежное повышение сопротивления скольжению арматуры в бетоне достигается соответствующим конструированием арматуры: устройством крюков на концах гладких стержней, применением анкеров. Сопротивление сдвигу растет с увеличением марки цемента, уменьшением В/Ц, с увеличением возраста бетона (влияние усадки). По длине заделки стрежня напряжения сцепления распределяются неравномерно, при этом наибольшее напряжение не зависит от длины заделки. Рис.3.9. Напряженное состояние арматуры и бетона при выдергивании арматуры Сопротивление скольжению растянутой арматуры (на выдергивание) меньше, чем сопротивление скольжению сжатой арматуры (на выталкивание), что объясняется поперечными деформациями самого стержня. С увеличением диаметра стального стержня и повышением нормального напряжения в нем сила сцепления его с бетоном при растяжении уменьшается, а при сжатии – увеличивается. Рис. 3.10. Влияние диаметра арматуры на напряжение 2. Усадка железобетона В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Опыты показывают, что усадка железобетона примерно вдвое меньше усадки бетона. Усадка железобетона, как и бетона, получает наибольшее развитие в первый год твердения и значительно превышает деформацию набухания. Рис. 3.11. Кривые усадки и набухания бетонных и железобетонных образцов а – набухание в воде; б – усадка на воздухе Это объясняется тем, что арматура, обладающая значительно большим модулем упругости, вовлекается в совместную работу с бетоном за счет сил сцепления и тем самым препятствует свободным усадочным деформациям бетона. Вследствие этого в бетоне возникают начальные растягивающие напряжения, а в арматуре – сжимающие. Растягивающее усилие в бетоне равно сжимающему усилию в арматуре, т.к. процесс усадки происходит самоуравновешенно без внешней нагрузки. Растягивающие напряжения бетона в железобетонном образце зависят от величины свободной усадки бетона, количества арматуры и класса бетона. При мощной арматуре растягивающие напряжения в бетоне возрастают и возможно появление усадочных трещин. Несимметричное расположение арматуры в сечении железобетонного образца повышает начальные усадочные напряжения, т.к. влияние такой арматуры при усадке скажется как действие продольной силы и изгибающего момента. Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки будут складываться с напряжениями в растянутой зоне изгибаемого элемента и способствовать более раннему появлению трещин в бетоне. Но с появлением трещин влияние усадки уменьшается, а в стадии разрушения исчезает и не оказывает влияние на предельную несущую способность элемента. При проектировании промышленных и гражданских зданий и сооружений большой протяженности предусматривают устройством деформационных швов, которые уменьшают неблагоприятное влияние усадки. 3. Ползучесть железобетона Ползучесть железобетона является следствием ползучести бетона. Стальная арматура, как и при усадке, является внутренней связью, препятствующей свободным деформациям ползучести бетона. В железобетонном элементе при продолжительном действии нагрузки стесненная деформация ползучести приводит к перераспределению усилий в сечении между бетоном и арматурой. Процесс перераспределения напряжений происходит в течение длительного времени сначала интенсивно, а затем затухает. Ползучесть и усадка протекают одновременно и совместно влияют на работу конструкций. В железобетонной колонне они действуют в одном направлении: уменьшают напряжения в бетоне и увеличивают их в арматуре. В изгибаемых элементах усадка и ползучесть оказывают противоположное влияние: под действием усадки напряжения в бетоне сжатой зоны увеличиваются, а в растянутой арматуре уменьшаются; а под действием ползучести, наоборот, напряжения в бетоне сжатой зоны уменьшаются, а в растянутой арматуре увеличиваются. Это приводит к увеличению прогибов. 4. Влияние высоких температур на железобетон В железобетонных конструкциях, подверженных воздействию температуры до 100 0С, дополнительные напряжения невелики и не приводят к снижению прочности. При более высоких температурах прочность железобетона уменьшается (200-250 0С), при температуре 500-600 0С происходит полное разрушение бетона. При проектировании железобетонных конструкций здания большой протяженности делят температурными швами на отдельные блоки, которые обычно совмещают с усадочными швами. 5. Коррозия железобетона и меры защиты Характер коррозии бетона и арматуры в железобетонных конструкциях зависит от агрессивности среды, состава и плотности бетона. Коррозия бетона происходит при недостаточно плотных бетонах под действием фильтрующейся воды. При этом на поверхности бетона образуются белые хлопья, свидетельствующие о разрушении бетона. Наиболее опасны мягкие воды. Другой вид разрушения может происходить под влиянием агрессивной среды (кислоты). Коррозия арматуры обычно протекает одновременно с коррозией бетона. При неплотном бетоне, а также при большом раскрытии трещин агрессивная среда может вызвать коррозию арматуры и без разрушения арматуры. Рис.3.13. Коррозия арматуры Меры защиты от коррозии: снижение фильтрующей способности бетона (специальные добавки); повышение плотности бетона; увеличение толщины защитного слоя; применение специальных видов бетона; защита поверхности (штукатурка кислотоупорная, облицовка керамическая и др.)