Сущность железобетона

2Лекция №1 СУЩНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА 1. Сущность железобетона Как и любой другой искусственный или естественный каменный материал, бетон сопротивляется разрыву приблизительно в 15-20 раз слабее, чем сжатию. Кроме того, он – хрупкий материал, рассмотрим зависимость напряжений и деформаций в бетоне (рис.1.1). Рис. 1.1. Диаграмма зависимости Средняя относительная предельная растяжимость бетона (или 0,00015), а средняя относительная предельная сжимаемость (или 0,002), т.е. средняя относительная предельная сжимаемость бетона в 13 раз больше относительной предельной растяжимости. Именно хрупкость бетона не позволяет во многих случаях использовать прочность бетона при растяжении, даже когда напряжения, вызываемые внешними силами, невелики. Это объясняется тем, что в период строительства возникают трещины из-за колебаний температур, неравномерного высыхания, случайных динамических воздействий. Непосредственно бетонными конструкциями бывают: колонны, фундаменты, подпорные стенки и прочие конструкции, воспринимающие только сжимающие усилия. Исследования показали, что разрушение бетонных балок происходит от разрыва нижних (наиболее растянутых) волокон (рис. 1.2). 1 Рис. 1.2. Схема разрушения бетонной балки 1 – нейтральный слой (ось); 2 – сжатая зона балки; 3 – растянутая зона балки; 4 – трещина в нормальном сечении ширина прямоугольного сечения или ребра таврового и двутаврового сечений; высота прямоугольного, таврового, двутаврового сечений; высота сжатой зоны. При этом несущая способность сжатой зоны балок используется не более чем на 5 – 7 %. Если усилить растянутую зону балки так, чтобы она могла воспринимать необходимые растягивающие усилия, то, соответственно, будет возрастать несущая способность всей балки, вплоть до полного исчерпания прочности ее сжатой зоны. Наиболее подходящим материалом, позволяющим в широких пределах повышать сопротивляемость растянутых зон бетонных балок, оказалась стальная арматура, одинаково хорошо сопротивляющая растяжению и сжатию. Относительное удлинение стали при разрыве в сотни раз превышает предельное удлинение бетона. Как известно, в отличие от бетона сталь более прочный и одновременно более пластичный материал. Если судить по диаграмме зависимости стали упругопластический материал. (рис. 1.3), сталь – это 2 Рис. 1.3. Диаграмма зависимости При достаточном армировании железобетонная балка разрушится при полном исчерпании несущей способности сжатой зоны, следовательно, прочность ее по сравнению с бетонной (неармированной) балкой в зависимости от класса бетона возрастает в 15-20 раз (рис. 1.4). Рис. 1.4. Схема разрушения железобетонной балки 1 – нейтральный слой (ось); 2 – сжатая зона балки; 3 – растянутая зона балки; 4 – трещины в нормальных сечениях; 5 – трещины в наклонных сечениях; 6 – стальная арматура; 7 – раздробление бетона сжатой зоны 3 Железобетон – это комплексный конструктивный материал, в котором бетон и арматура деформируются под нагрузкой как единое монолитное целое. Пользуясь терминологией механики твёрдого тела, можно сформулировать понятие железобетона как армированного композитного материала. При этом предполагается, что бетон в основном предназначен для восприятия сжимающих усилий, а стальная арматура – растягивающих. Рис. 1.5. Диаграммы зависимости для бетона и арматуры ––––– – диаграмма растянутого бетона; ––––– – диаграмма растяжения стали класса А400 При таком распределении функций между бетоном и арматурой железобетон способен воспринимать растягивающие усилия вплоть до полного исчерпания несущей способности сжатой зоны изгибающих, внецентренно сжатых или растянутых элементов (рис. 1.5). Железобетон обладает анизотропией – зависимостью механических и деформативных свойств от направления действия внешних нагрузок, обусловленной армированием и нелинейностью деформирования, т.е. анизотропия связана с трещиностойкостью, пластическими свойствами бетона и стали. Особенность железобетона: способность воспринимать нагрузку с видимыми трещинами в растянутой зоне. 4 2. Условия существования железобетона 1. Обеспечение совместных деформаций бетона и арматуры Способ обеспечения совместности при этом не имеет значения – нагрузка прикладывается на бетон. Необходимо обеспечить передачу возникающих от нагрузки усилий с бетона растянутой зоны на арматуру. В принципе возможны два технологических приема передачи: за счет сцепления арматуры и бетона вдоль всей конструкции (рис. 1.6, а) ▪ за счет анкеров, устраиваемых по торцам балки (рис. 1.6, б) ▪ а) б) Рис. 1.6. Технологические приемы передачи усилий с бетона на арматуру а) – передача внешней нагрузки за счет сцепления арматуры с бетоном; б) – анкеровка арматуры путем устройства на концах специальных анкеров Для случая сцепления арматуры и бетона до образования трещин в любом сечении действует условие (1.1): 5 (1.1) При отсутствии сил сцепления образование первой трещины влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжении растянутой арматуры, таким образом, происходит резкое раскрытие образовавшейся трещины, уменьшение высоты сжатой зоны, уменьшение жесткости при изгибе EI. Таким образом, исключается сдвиг (продергивание) арматуры в бетоне. Для случая передачи внешней нагрузки за счет анкеров действует условие (1.2): (1.2) 2. Примерное равенство коэффициентов температурного расширения ≈ (1.3) ; Материалы с разными коэффициентами температурного расширения независимо от надежного сцепления между ними работают в усложненных условиях, т.к. при перепадах температур возникают собственные напряжения, влияющие на сцепление между материалами. 3. Наличие защиты арматуры от воздействий окружающей среды В железобетонных конструкциях арматура должна быть защищена от коррозии, а также от быстрого нагревания при действии высоких температур. С этой целью арматуру располагают в удалении от наружной поверхности конструкции – на толщину защитного слоя бетона (рис. 1.7). Защитный слой необходим также для лучшего сцепления арматуры с бетоном. Толщина защитного слоя для арматуры должна быть: (1.4) Рис. 1.7. Защитный слой бетона 3. Достоинства и недостатки железобетона Достоинства: 1. Высокая прочность. 2. Долговечность (при правильной эксплуатации железобетонные конструкции могут служить неопределенно длительное время без уменьшения несущей способности, т.к. прочность бетона с течением времени увеличивается, а арматура защищена от коррозии). 6 3. Огнестойкость (выдерживает до 2 часов при снижении несущей способности на 10-20 %). При пожарах средней интенсивности продолжительностью до нескольких часов железобетонные конструкции начинают повреждение с поверхности, и уменьшение несущей способности происходит постепенно. 4. Стойкость против атмосферных явлений. 5. Доступность составляющих железобетонных компонентов. 6. Экономичность при изготовлении и эксплуатации. 7. Эстетичность, архитектурная выразительность Недостатки: 1. Раннее образование трещин в растянутой зоне и быстрое их раскрытие. 2. Большой вес. При проектировании недостатки стараются уменьшить. Раскрытие трещин при действии эксплуатационных нагрузок во многих конструкциях невелико и не мешает нормальной эксплуатации. На практике (особенно при применении высокопрочной арматуры) возникает необходимость предотвращать образование трещин или ограничивать ширину их раскрытия, тогда бетон до приложения внешней нагрузки подвергают интенсивному обжатию посредством натяжении арматуры (т.е. предварительного натяжения). Это повышает жесткость и трещиностойкость железобетонных конструкций. Вес же снижают применением тонкостенных, пустотных конструкций, а также конструкций на пористых и лёгких заполнителях. 4. Виды ЖБК По технологии возведения зданий и сооружений железобетонные конструкции бывают: - сборными; - монолитными; - сборно-монолитными Сборные конструкции – конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных в заводских условиях элементов (рис.1.8) а) б) 7 Рис.1.8. Конструктивные элементы в сборном исполнении а) – конструктивные элементы завода по изготовлению железобетонных изделий; б) – конструкции жилого дома со связевым каркасом (серия ИИ – 04) 1 – колонны; 2 –ригели; 3 – плиты перекрытия (панели); 4 – диафрагмы жесткости Существует 3 типа технологий изготовления сборных конструкций: - конвейерная технология - принудительное движение конструкций по конвейеру. Такая технология применяется для изготовления элементов небольшой массы. Технологический процесс включает в себя: А. подготовку формы; Б. установку арматуры; В. формование; Г. термовлажную обработку; 8 Д. распалубку; Е. складирование - поточно-агрегатная технология – технологический ритм перемещения не установлен, т.е. свободный. Форма с изделиями передвигается от одного агрегата (технологического поста) к другому, как правило, с помощью мостового крана. Технологически мероприятия выполняют отдельные звенья рабочих или бригада переходит от одного поста к другому. - стендовая технология – стационарное изготовление конструкций на одном месте. Бригада рабочих, выполнив очередную операцию, переходит от одного изделия к другому. Изготавливают крупноразмерные и предварительно напрягаемые элементы (15÷100 м). Достоинство сборных конструкций: 1. индустриализация и технологичность; 2. в зимний период работы не требуют дополнительных затрат; 3. снижение расхода материалов на устройство подмостей и опалубки Недостатки сборных конструкций: 1. трудоемкость сопряжения стыков; 2. высокая стоимость и металлоемкость стыков; 3. уменьшение жесткости элементов вследствие нарушения общей пространственной неразрезности (статическая неопределимость); 4. транспортировка массивных габаритных изделий Монолитные конструкции – конструкции, возведение которых осуществляется на строительной площадке укладкой бетонной смеси в заранее приготовленную опалубку (рис.1.9) Достоинство: 1. пространственная неразрезность зданий и сооружений; 2. повышенная огнестойкость и надёжность зданий и сооружений; 3. хорошая сопротивляемость сейсмическим воздействиям. Недостатки: 1. сезонность работ - при низких температурах возрастает стоимость возведения; 2. затраты на устройство опалубки; 3. зависимость от твердения бетона в нормальных условиях (дополнительные затраты в зимний период работы); 4. более тяжелые условия труда – на открытых площадках а) б) 9 в) Рис. 1.9. Конструктивные элементы в монолитном исполнении а) – конструктивные элементы безригельного каркаса; б) – наружная стена в опалубке; в) – модель жилого дома в монолитном исполнении Сборно-монолитные конструкции – комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон работает под нагрузкой как единое целое (рис.1.10) Сборный железобетон одновременно является несъемной опалубкой и до омоноличивания воспринимает нагрузки, действующие в монтажный период. 10 Такие конструкции сочетают положительные стороны сборного и монолитного вариантов. а) в) б) г) 11 Рис. 1.10. Конструктивные элементы в сборно-монолитном исполнении а) – сборно-монолитный каркас «Чебоксарской серии» (французский аналог); б) – схема конструкций сборно-монолитного исполнения; в) – замоноличивание монолитных плит перекрытий «Чебоксарской серии»; г) – сборно-монолитный безригельный каркас 5. Область применения Спектр применения железобетонных конструкций широкий: - гидростроительство (ГЭС, плотины); - транспортное строительство (кроме железнодорожных мостов); - промышленное, сельскохозяйственное, гражданское (в том числе жилищное) строительство. - горная промышленность и т. д. 6. Историческая справка Железобетон появился не так давно одновременно в Европе и Америке. Правда, исследования показали, что из железобетона построены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской стены (III век до н.э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах, а русские мастера еще в 1802 году при строительстве Царскосельского Дворца применяли армированный бетон, но не считали его новым материалом. 12 На роль родины железобетона претендовали Англия и США, но приоритет отдан Франции. В 1849 году Ж. Монье изготовил кадку для садовых растений, обмазав проволочный каркас цементным раствором. Именно сочетание таких двух материалов стало называться железобетоном. В России Ж. Монье был получен патент на железобетон в 1880 году, а сам способ строительства из железобетона долгие годы назывался «Системой Монье». Если же подходить строже к истории, то оказывается еще в 1848 году адвокат по профессии Ж.-Л. Ламбо первым соорудил лодку из железобетона. Показанная в 1855 году на Парижской выставке лодка Ламбо произвела настоящую сенсацию. История железобетона начала свой отсчет. Штукатур из Ньюкасла У. Уилкинсон в 1854 году получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на расстоянии 2 фута друг от друга и заливаемых бетоном. Причем для повышения прочности перекрытия полосы следует укладывать в нижней части сечения, а над опорами отгибать их в верхнюю часть. У. Уилкинсон был первым, кто понял принцип рационального армирования железобетона. Идеи его в самой Англии особого внимания в это время не привлекли, но в элементах конструкции, работающих на сжатие, применение бетона продолжало расширяться. В 1864 году Ф. Куанье во Франции построил первую церковь из железобетона. Спустя почти 20 лет из железобетона появилась первая церковь в Лондоне. Вклад Ф. Куанье в развитие железобетона огромен. В 1855 году он получил патент, фактически повторявший патент У. Уилкинсона, а в 1861 году опубликовал брошюру «Применение бетона в строительном искусстве», где впервые указал на то, что бетон и стальные стержни в нем работают совместно. Около 20 лет Ф. Куанье строил железобетонные сооружения во Франции и других странах. Появление железобетонных конструкций связано с ростом промышленности, транспорта и торговли во второй половине XIX века, когда необходимо было строительство новых фабрик, заводов, портов. В 1892 г. французский инженер Ф. Геннебик предложил монолитное железобетонное ребристое покрытие (рис. 1.11). Рис. 1.11. Монолитное ребристое перекрытие 13 1 – колонна; 2 – главная балка; 3 – второстепенная балка; 4 – плита; 5 – рабочая арматура плиты; 6, 7, 8 – то же, соответственно для второстепенной и главной балок и колонн В России железобетон стали применять с 1886 года для перекрытий по металлическим балкам. В 1885 году проведены опыты, было предложение располагать арматуру в тех частях, где можно ожидать растягивающие усилия. В 1891 году Н.А. Белелюбский первым произвел серию испытаний железобетонных конструкций: плит, балок, арок и прочее, которые по методике испытаний и полученным результатам во многом превосходили работы зарубежных ученых и послужили базой для широкого распространения железобетона в строительстве. В 1908 г. были введены в действие первые в России технические условия и нормы на железобетонные сооружения, разработанные при участии Н. А. Белелюбского. В России существует три этапа развития железобетона. Первый этап – конец XIX века. С этого времени вошел в практику метод расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, основанный на законах сопротивления упругих материалов. На развитие железобетона большое влияние оказали труды таких ученых как Н.М. Абрамова, И.Г. Малюги, А.А. Байкова и др. В 1904 году в Николаеве был построен железнодорожный маяк по проекту Н. К. Пятницкого и А. Н. Барышникова, экспертом которого был Н. А. Белелюбский. Это было уникальное сооружение высотой 40,2 м с толщиной стенок от 7,5 до 10 см (рис. 1.12). а) б) 14 Рис. 1.12. Железобетонный маяк в г. Николаеве а) – фотография; б) – схема В том же году по проектам и под руководством А.Ф. Лолейта были построены в Москве своды пролетов в 8,5 м в Музее изобразительных искусств и железобетонное перекрытие над цехом ткацкой фабрики в 6400 - первое большое железобетонное перекрытие в России. В 1905 А.Ф. Лолейт приступил к разработке теории железобетонных тавровых сечений и безбалочных перекрытий, а в 1908 соорудил в Москве, впервые в мире, ряд таких перекрытий, существующих и поныне. Второй этап – 1917-1950 годы XX века. В 1928 г. поставлен вопрос о применении предварительного напряжения (первая идея принадлежала А.В. Гадолину, который в 1861 году осуществил ее к стальным стволам орудий). После 1917 г. строительство получило невиданный размах: были построены Центральный телеграф в Москве, Дом Советов в Ленинграде, Волховская ГЭС – крупнейшая ГЭС к тому времени (рис. 1.13). а) б) 15 Рис. 1.13. Волховская ГЭС а) – фотография; б) – схема С 1928 г. железобетон стал широко использоваться в строительстве тонкостенных пространственных конструкций: разнообразные оболочки, склады, шатры, куполы. В.З. Власов первым разработал общий практический метод расчета оболочек. В 1934 г. в г. Новосибирске над зрительным залом оперного театра был сооружен уникальный купол диаметра 55,54 м, разработанный инженерами Б.Ф. Матери Б.Ф. и П.Л. Пастернаком (рис. 1.14). а) б) в) 16 г) Рис. 1.14. Новосибирский государственный академический театр Оперы и Балета а) – общий вид (1945 год); б) – совмещенный план зала и фойе; в) – вид сверху; г) – купол театра В 1932 году на заседании Всесоюзного научного инженерно-технического общества бетонщиков А.Ф. Лолейт выступил с докладом «Пересмотр теории железобетона», где показал, что существующие методы подбора сечений железобетонных конструкций не позволяют эффективно применять высококачественные цементы и сталь повышенной прочности. А.Ф. Лолейт выдвинул новую теорию железобетона – гипотезу о предельном равновесии, в основу которой был положен отказ от методов расчета по допустимым напряжениям и переход на расчет по критическим усилиям, с введением определенного коэффициента запаса прочности. Эта гипотеза стала основой строительных норм. Начиная с 1940 года В.И. Мурашев создает теорию трещиностойкости и жесткости железобетона. В 1950 году опубликована его монография «Трещиноусточивость, жесткость и прочность железобетона». Третий этап – конец 50-х годов XX века. Этот этап характеризуется широкой индустриализацией железобетонного строительства, развитием предварительно напряженных конструкций, внедрением высокопрочных материалов. Выдающимся примером третьего этапа может служить построенная в 1967 году Останкинская телебашня – выдающееся творение строительной техники XX века (рис. 1.15). а) б) 17 Рис. 1.15. Останкинская башня а) – фото; б) – схема Останкинская телебашня, высота которой в момент окончания ее строительства составила 533,3 м, построена в Москве по проекту инженера-конструктора Н. В. Никитина. Допустимое отклонение вершины под действием ветра составляет 11, 65 м. Сегодня высота башни – 540 м, что почти на 300 м выше здания Московского университета на Ленинских горах и на 215 м выше знаменитой Эйфелевой башни в Париже. Несмотря на такую высоту, опрокинуться бетонная башня не может. Ее центр тяжести не выходит за площадь опоры. Эта площадь ограничена кольцом-фундаментом диаметром в 60 метров, а центр тяжести находится на высоте 110 метров по оси башни. Внутри по окружности ствола Останкинской телевизионной башни сверху донизу, как струны, натянуты стальные канаты. Каждый из 150 канатов растянут с силой в 70 тонн. В целом тело Останкинской башни сжато с силой в десять с половиной тысяч тонн. Поэтому внешние нагрузки не могут разрушительно воздействовать на сжатый металлическими канатами ствол телебашни. В этом была новизна инженерной мысли того времени. В 1984 – 95 годы – это годы становление нового направления в теории железобетона на основе диаграммно – энергетического подхода, предложенного В.М. Митасовым, которую впоследствии поддержал В.В. Адищев. 18 В 1989 году В.М. Митасов выступил с докладом «Основы энергетической теории сопротивления железобетона». Плеяда выдающихся советских ученых: 1. Н.А. Белелюбский; 2. А.Ф. Лолейт; 3. С.А. Дмитриев; 4. А.А. Гвоздев; 5. П.Л. Пастернак; 6. В.И. Мурашев; 7. Н.В. Никитин; 8. В.Н. Байков; 9. В.М. Бондаренко; 10. Н.И. Карпенко и др. 19