Сущность железобетона. Его достоинства и недостатки

Бетон и сталь имеют различные физико - механические свойства. Бетон является искусственным камнем и он, как и все естественные камни, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению. Прочность бетона при растяжении в 10¸15 раз ниже, чем при сжатии. Сталь имеет существенно бо¢льшую прочность, и одинаково хорошо сопротивляется как сжатию, так и растяжению.

Сущность железобетона состоит в том, что он представляет рациональное сочетание этих двух материалов - бетона и стали, которые работают совместно вплоть до разрушения.

Ниже приведено стандартное определение железобетона, в котором кратко отражается его сущность.

Железобетон - это комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стальной арматуры, деформирующихся совместно вплоть до разрушения конструкции.

В приведенном определении выделены ключевые слова, отражающие сущность материала. Для выявления роли каждого из выделенных понятий рассмотрим более подробно суть каждого из них.

Бетон - это искусственный камень, который, как и любой каменный материал, имеет достаточно высокое сопротивление сжатию, а сопротивление растяжению у него в 10¸20 раз меньше.

^ Стальная арматура имеет достаточно высокое сопротивление как при сжатии, так и при растяжении.

Объединение этих двух материалов в одном позволяет рационально использовать достоинства каждого из них.

^ Рис. 1. Сопоставление поведения под нагрузкой бетонной (а) и железобетонной (б) балок:

F - предельная нагрузка (несущая способность), которую воспримет бетонная балка ;

N - то же, для железобетонной балки.
На примере бетонной балки рассмотрим, как используется прочность бетона в изгибаемом элементе (рис. 1а). При изгибе балки выше нейтрального слоя возникают сжимающие напряжения, а нижняя зона растянута. Максимальные напряжения в сечениях будут в крайних верхних и нижних волокнах сечения Как только при загружении балки напряжения в растянутой зоне достигнут предела прочности бетона при растяжении R_bt, произойдет разрыв крайнего волокна, т.е. появится первая трещина. За этим последует хрупкое разрушение, т.е. излом балки. Напряжения в сжатой зоне бетона s_bcв момент разрушения составят всего 1/10 ¸ 1/15 часть от предела прочности бетона при сжатии R_b, т.е. прочность бетона в сжатой зоне будет использована на 10% и меньше.

На примере железобетонной балки с арматурой рассмотрим, как здесь используется прочность бетона и арматуры. Первые трещины в растянутой зоне бетона появятся практически при той же нагрузке, что и в бетонной балке. Но, в отличие от бетонной балки, появление трещины не приводит к разрушению железобетонной балки. После появления трещин растягивающее усилие в сечении с трещиной будет восприниматься арматурой, и балка будет способна воспринимать возрастающую нагрузку. Разрушение железобетонной балки произойдет только тогда, когда напряжения в арматуре достигнут предела текучести, а напряжения в сжатой зоне - предела прочности бетона при сжатии. При этом, вначале, когда в арматуре достигается предел текучести s_тек, балка начинает интенсивно прогибаться за счет развития в арматуре пластических деформаций. Этот процесс продолжается до тех пор , пока раздавится бетон сжатой зоны при достижении в нем предела прочности при сжатии R_b. Так как уровень напряжений в бетоне и арматуре в этом состоянии гораздо выше, чем величина R_bt, то это означает, что оно должно быть вызвано большей нагрузкой (N на рис. 1-б). Вывод - целесообразность железобетона состоит в том, что растягивающие усилия воспринимает арматура, а сжимающие - бетон. Следовательно, основное назначение арматуры в железобетоне состоит в том, что именно она должна воспринимать растяжение ввиду незначительной прочности бетона растяжению. Путем армирования несущая способность изгибаемого элемента, по сравнению с бетонным, можно повысить более чем в 20 раз.

^ Совместное деформирование бетона и арматуры, установленной в нем, обеспечивается за счет сил сцепления, которые возникают при твердении бетонной смеси. При этом сцепление формируется за счет нескольких факторов, а именно: во-первых, благодаря адгезии (приклеивания) цементного теста к арматуре (очевидно, что доля этой составляющей сцепления невелика); во-вторых, за счет обжатия арматуры бетоном вследствие усадки его при твердении; в-третьих, за счет механического зацепления бетона о периодическую (рифленую) поверхность арматуры. Естественно, что для арматуры периодического профиля эта составляющая сцепления наиболее существенна, поэтому сцепление арматуры периодического профиля с бетоном в несколько раз превышает таковую для арматуры с гладкой поверхностью.

Само существование железобетона и его хорошая долговечность оказались возможными благодаря выгодному сочетанию некоторых важных физико - механических свойств бетона и стальной арматуры, а именно:

1.
бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и под нагрузкой оба этих материала деформируются совместно;

2.
бетон и сталь имеют близкие значения коэффициентов линейного температурного расширения. Именно поэтому при изменениях температуры окружающей среды в пределах +50^оС ¸ -70^оС не происходит нарушения сцепления между ними, так как они деформируются на одинаковую величину;

3.
бетон защищает арматуру от коррозии и непосредственного действия огня. Первое их этих обстоятельств обеспечивает долговечность железобетона, а второе – огнестойкость его при возникновении пожара. Толщина защитного слоя бетона и назначается именно из условий обеспечения необходимой долговечности и огнестойкости железобетона.

При использовании железобетона в качестве материала для строительных конструкций очень важно понимать достоинства и недостатки материала, что позволит применять его рационально, уменьшая неблагоприятное влияние его недостатков на эксплуатационные качества конструкции.

К достоинствам (положительным свойствам) железобетона относят:

1. Долговечность - при правильной эксплуатации железобетонные конструкции могут служить неопределенно долгое время без снижения несущей способности.

2. Хорошая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам.

3.
Огнестойкость.

4.
Малые эксплуатационные расходы.

5.
Дешевизна и хорошие эксплуатационные качества.

К основным недостаткам железобетона относятся:

1.
Значительный собственный вес. Этот недостаток в некоторой степени устраняется при использовании легких заполнителей, а также при применении прогрессивных пустотных и тонкостенных конструкций (то есть за счет выбора рациональной формы сечений и очертания конструкций).

2.
Низкая трещиностойкость железобетона (из рассмотренного выше примера следует, что в растянутом бетоне должны быть трещины при эксплуатации конструкции, что не снижает несущей способности конструкции). Указанный недостаток может быть снижен с применением преднапряженного железобетона, которое служит радикальным средством повышения его трещиностойкости (сущность преднапряженного железобетона рассмотрена в теме 1.3 ниже.

3.
Повышенная звуко- и теплопроводность бетона в отдельных случаях требуют дополнительных затрат на тепло- или звукоизоляцию зданий.

4.
Невозможность простого контроля по проверке армирования изготовленного элемента.

5.
Трудности усиления существующих железобетонных конструкций при реконструкции зданий, когда увеличиваются нагрузки на них.

1.3. Преднапряженный железобетон: его сущность и способы создания предварительного напряжения
Иногда образование трещин в конструкциях, в которых недопустимо по условиям эксплуатации (например, в резервуарах; трубах; конструкциях, экспуатирующихся при воздействии агрессивных сред). Чтобы исключить этот недостаток железобетона, применяют предварительно напряженные конструкции. Таким образом, можно избежать появления трещин в бетоне и уменьшить деформации конструкции в стадии эксплуатации.

Рассмотрим краткое определение предварительно напряженного железобетона.

^ Предварительно напряженной называют такую железобетонную конструкцию, в которой в процессе изготовления которой создают значительные сжимающие напряжения в бетоне той зоны сечения конструкции, которая при эксплуатации испытывает растяжение (рис.2).

Как правило, начальные сжимающие напряжения в бетоне создают с использованием предварительно растягиваемой высокопрочной арматуры

За счет этого повышается трещиностойкость и жесткость конструкции, а также создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции.

Удельная стоимость арматуры снижается с увеличением прочности арматуры. Поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее обычной. Однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях без преднапряжения не рекомендуется, т. к. при высоких растягивающих напряжениях в арматуре трещины в растянутых зонах бетона будут значительно раскрыты, снижая при этом необходимые эксплуатационные качества конструкции.

Рис. 2. К сущности преднапряженного железобетона:

а – конструкция в стадии обжатия бетона напрягаемой арматурой;

б – в стадии эксплуатации (^ N – внешняя нагрузка на конструкцию; Р – усилие предварительного обжатия в арматуре):

Преимущества преднапряженного железобетона перед обычным – это, прежде всего, его высокая трещиностойкость; повышенная жесткость конструкции (за счет обратного выгиба, получаемого при обжатии конструкции); лучшее сопротивление динамическим нагрузкам; коррозионная стойкость; долговечность; а также определенный экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры.

В предварительно напряженной балке под нагрузкой (рис. 2) бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. На примере двух балок видно, что трещины в преднапряженной балке образуются при более высокой нагрузке, но разрушающая нагрузка для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы. Гораздо меньше также и прогиб преднапряженной балки.
При производстве преднапряженных железобетонных конструкций в заводских условиях возможны две принципиальные схемы создания преднапряжения в железобетоне :

преднапряжение с натяжением арматуры на упоры и на бетон.

^ При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют на упоре, другой натягивают домкратом или иным приспособлением до контролируемого напряжения. Затем изделие бетонируется, пропаривается и после приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности для восприятия обжатия R_bp арматуру отпускают с упоров. Арматура, стремясь укоротиться в пределах упругих деформаций, при наличии сцепления с бетоном увлекает его за собой и обжимает его (рис. 3-а).

^ При натяжении арматуры на бетон(рис. 3-б) сначала изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, затем по достижении бетоном прочности R_bp создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Это осуществляется следующим образом: напрягаемую арматуру заводят в каналы или пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают с помощью домкрата, упираясь прямо в торец изделия. При этом обжатие бетона происходит уже в процессе натяжения арматуры. При этом способе напряжения в арматуре контролируют после окончания обжатия бетона. Каналы в бетоне, превышающие диаметр арматуры на (5¸15)мм создают укладкой извлекаемых впоследствии пустотообразователей (стальных спиралей, резиновых трубок и т.д.). Сцепление арматуры с бетоном достигается за счет того, что после обжатия инъецируют (нагнетают в каналы цементное тесто или раствора под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники – отводы). Если напрягаемую арматуру располагают с внешней стороны элемента (кольцевая арматура трубопроводов, резервуаров и т.п.), то навивку ее с одновременным обжатием бетона выполняют специальными навивочными машинами. В этом случае на поверхность элемента после натяжения арматуры наносят торкретированием защитный слой бетона.

Натяжение на упоры является более индустриальным способом в заводском производстве. Натяжение на бетон применяется главным образом для крупноразмерных конструкций, создаваемых непосредственно на месте их возведения.
Натяжение арматуры на упоры можно осуществлять не только с помощью домкрата, но и электротермическим способом. Для этого стержни с высаженными головками разогревают электротоком до 300 - 350°С, заводят в форму и закрепляют в упорах форм. При восстановлении начальной длины в процессе остывания арматура оказывается растянутой. Арматуру можно также натягивать электротермомеханическим способом (представляет собой комбинацию первых двух способов).

Рис. 3. Способы создания предварительного напряжения в железобетоне:

а – с натяжением арматуры на упоры;

б – с натяжением на бетон.

4.
Области применения железобетона.

Железобетон находит применение практически во всех областях промышленного и гражданского строительства:

• 
  В промышленных и гражданских зданиях из железобетона выполняют: фундаменты, колонны, плиты покрытий и перекрытий, стеновые панели, балки и фермы, подкрановые балки, т.е. практически все элементы каркасов одно- и многоэтажных зданий.
• 
  Специальные сооружения при строительстве промышленных и гражданских комплексов - подпорные стены, бункеры, силосы, резервуары, трубопроводы, опоры линий электропередач и т.д.
• 
  В гидротехническом и дорожном строительстве из железобетона выполняют плотины, набережные, мосты, дороги, взлетные полосы и т.д.

2Совместная работа бетона и арматуры

Для частей зданий и сооружений, подвергающихся изгибу (например, для балок и плит), при котором нижняя часть конструкции работает на растяжение, бетон применять нельзя. На рис. 32 показана схема работы балки при изгибе под действием нагрузки.

Рис. 32- Схема работы балки при изгибе: а — бетонной; б — железобетонной

В нижней зоне балки возникает растяжение, в связи с чем необходим материал, хорошо сопротивляющийся растягивающим усилиям. Таким материалом является сталь, хорошо работающая совместно с бетоном. Строительный материал, представляющий собой сочетание стали и бетона, называется железобетоном.
Совместная работа бетона и стали эффективна благодаря наличию следующих условий: бетонная смесь при затвердевании прочно сцепляется со стальными прутками; бетон защищает стальную арматуру от воздействия воды, предохраняет ее от ржавления, а также от огня; сталь и бетон практически одинаково удлиняются при нагревании и сжимаются при охлаждении, поэтому при изменении температуры не нарушается сцепление между этими материалами.
Стальные стержни различной формы, заделанные в толщу бетона, называются арматурой железобетона. Вся нагрузка, воспринимаемая конструкцией или сооружением, распределяется между бетоном и арматурой. Бетон принимает на себя сжимающие усилия, а арматура — главным образом растягивающие.
В настоящее время невозможно представить себе ни одного более или менее крупного здания или сооружения любого назначения, при строительстве которых не применялся бы железобетон.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: