Арматуру применяют также и в сжатых элементах. В результате эти элементы приобретают более высокую несущую способность (например, колонны).
Затвердевший бетон имеет довольно хорошее сцепление со стальной арматурой (рис. 64). В результате этого оба материала деформируются совместно.
Железобетон обладает большой долговечностью, высокой огнестойкостью, хорошей сопротивляемостью атмосферным воздействиям, статическим и динамическим нагрузкам, слабой проницаемостью влаги, газов и радиации.
По способу изготовления железобетонные конструкции бывают сборные, монолитные, и сборно-монолитные.
Бетон представляет собой неоднородный материал, который состоит из крупного заполнителя (щебня или гравия), мелкого заполнителя (песка), цемента и воды.
Сопротивление сжатию -- важная характеристика механических свойств бетона. Оно зависит от прочности цементного камня, качества заполнителя и плотности бетона.
Сопротивление бетона сжатию оценивается классом бетона, т.е. временным сопротивлением сжатию бетонного куба с ребром 150 мм.
СНиП установлены классы бетона на сжатие от В-10 до В-60 с градацией через 5 классов и диапазоном прочности от 7,5 мПа для бетона класса В-10, до 43,0 мПа для бетона класса В-60.
Прочность бетона определяется испытанием на сжатие контрольных образцов.
Разрушение сжатого образца происходит вследствие поперечного расширения образца, вызывающего образование трещин.
Прочность бетона при осевом растяжении составляет 1/10--1/15 прочности на сжатие (класс бетона на растяжение Bt 0.8 Вt 3,2).
При изгибе прочность бетона на растяжение на 70% выше его
прочности при осевом растяжении, которая, однако, также является крайне незначительной.
Кроме классов бетона существуют и марки бетона по водонепроницаемости, по морозостойкости, по плотности и т.д.
Бетон -- неупругий материал и с течением времени деформации в нем увеличиваются при той же нагрузке, т.е. имеет место процесс «ползучести бетона». Ползучесть бетона -- это самопроизвольное возрастание деформаций при постоянном длительном напряжении.
Ползучесть бетона обусловлена природой цементного камня: она тем выше, чем больше количество цемента и начальное содержание воды.
Арматура в железобетоне предназначается в основном для восприятия растягивающих усилий в изгибаемых и растянутых элементах и для усиления сжатых элементов. Ее количество определяется расчетом. Эта арматура называется рабочей. Для обеспечения восприятия монтажных и других неэксплуатационных нагрузок применяют монтажную арматуру. Рабочую и конструктивную арматуру объединяют в арматурные изделия: сварные или вязаные каркасы или арматурные сетки (рис. 65). Кроме этого существует также конструктивная арматура, которая используется, в частности, для повышения трещиностойкости железобетона в виде так называемых «хомутов».
Стальная арматура подразделяется на горячекатаную, стержневую и холоднокатаную проволочную. Стержневая арматура в зависимости от характера поверхности бывает гладкой и периодического профиля (для лучшего сцепления с бетоном) (рис. 66.).
Стержневая арматура подразделяется на классы от А-240 до А-1000 в зависимости от ее механических свойств, с нормативными сопротивлением растяжению от 240 до 1000 мПа (2400 10000 кг/см2) соответственно.
Стержневая арматура имеет диаметр от 6 до 40 мм, проволочная -- диаметр от 3 до 15 мм.
Соединение стержней арматуры по длине осуществляют сваркой или путем их «перепуска» без сварки (внахлестку).
Арматура и бетон в железобетоне оказывают положительное влияние друг на друга, как при силовых, так и при несиловых воздействиях. Бетон надежно предохраняет арматуру от коррозии и от огня. Активное взаимодействие бетона и арматуры обеспечивается высоким сцеплением их по поверхности контакта.
B изгибаемых элементах, до образования трещин в бетоне, арматура и бетон работают и деформируются совместно.
После образования трещин в бетоне растянутой зоны все усилия в этой зоне передаются на арматуру. Арматура также воспринимает усилия, возникающие при усадке или ползучести бетона.
При проектировании железобетонных элементов необходимо соблюдать правила конструирования, установленные нормами.
Следует иметь ввиду, что большинство повреждений и аварий железобетонных конструкций происходит не от ошибок в расчетах, а из-за нарушения правил конструирования, а также из-за низкого качества работ и несоответствия эксплуатационного режима расчетному.
Размеры поперечных сечений железобетонных элементов следует назначать, соблюдая правила унификации и модульности.
Например, размеры сторон подошвы фундаментов, ступеней и высоты ступеней кратны 100 мм, а высота нижней ступени 200 мм.
Размеры поперечного сечения колонн кратны 50 мм и не менее 250х250 мм.
Толщина плит монолитных балочных перекрытий кратна 10 мм и она в основном изменяется в пределах 50-100 мм, в зависимости от расстояния между балками.
Сборные плиты перекрытий (сплошные и пустотные) кратны 20 мм по толщине (от 140 до 220 мм). Ребристые плиты имеют высоту ребра З00, 450, 600 мм в зависимости от проекта.
Для устройства швов и удобства монтажа конструктивную длину и ширину сборных плит принимают на 10--20 мм меньше номинальной (или модульной).
Размеры поперечных сечений балок кратны 50 мм, а отношение сторон их сечений b/h = 1/2--1/3.
Ширину сечений нижнего и верхнего пояса, а также всех элементов решетки ферм принимают одинаковой для удобства формирования фермы -- 200--240 мм при шаге ферм 6 м и 320--400 мм при шаге 12 м. Высота фермы равна 1/8--1/10 пролета.
Толщина защитного слоя бетона (а) обычно близка к большему диаметру защищаемых стержней и принимается от 20 до 30 мм. Для жесткой арматуры (из стального проката) а 50мм; под арматурной сеткой подошвы фундамента а = 35--70 мм.
Предварительно-напряженными железобетонными конструкциями называются такие конструкции, в которых предварительно (т.е. в процессе изготовления) искусственно создается напряжение сжатия бетона при растяжении арматуры. Способами создания предварительного напряжения служат способы натяжения арматуры на упоры и натяжения арматуры на бетон.
В конструкциях, где предварительное напряжение достигается натяжением арматуры на упоры, после укладки и отвердения бетона, натяжные приспособления освобождаются и арматура, сокращаясь, передает сжимающие усилия на бетон.
В конструкциях, где предварительное напряжение достигается натяжением арматуры на бетон, после затвердевания бетона производится одновременное натяжение арматуры и обжатия бетона. Арматура при этом располагается в специальных каналах. Это уравновешенное состояние сохраняется путем закрепления арматуры по концам железобетонных элементов специальными анкерными устройствами и нагнетанием в каналы, где располагается арматура, цементного раствора.
Монолитный железобетон применяется для возведения массивных конструкций, изготовления сложных по конфигурации элементов и т.д.
При возведении монолитных конструкций на месте постройки устанавливается опалубка с поддерживающими лесами, и укладываются арматура и бетон. Бетон в процессе его твердения выдерживается в опалубке; в зимних условиях его необходимо утеплять и подогревать, а в летних -- увлажнять.
Монолитный железобетон используется для возведения, как отдельных частей здания, так и зданий в целом. Из него делают стены, элементы каркаса и каркас целиком в виде рам, конструкции перекрытий и покрытий, и т.д. Наиболее распространены монолитные перекрытия и покрытия балочные, часторебристые, перекрестно-ребристые (кессонные) и безбалочные.
Монолитный железобетон часто используют совместно со сборным, а конструкции называются сборно-монолитными.
Лекция 12 Сжатые и изгибаемые железобетонные элементы
К железобетонным элементам, рассчитываемым на сжатие продольной осевой силой, относятся: промежуточные колонны зданий; верхние пояса ферм, загруженных по узлам; восходящие раскосы и стойки ферм.
В реальных условиях продольная сжимающая сила вследствие ряда причин всегда воздействует на элемент с некоторым эксцентриситетом относительно оси. Это так называемый «случайный эксцентриситет» принимается, как правило, равным 1 см.
Основным типом железобетонных центрально-сжатых элементов являются колонны. По форме поперечного сечения колонны бывают квадратные, прямоугольные, двутавровые и двухветвевые.
Размеры поперечного сечения колонн и других сжатых элементов определяются соответствующим расчетом. Колонны армируют продольными стержнями диаметром от 12 до 40 мм из стали классов A-300 и A-400 и поперечными стержнями из горячекатаной стали класса A-240 или из холоднотянутой проволоки.
Насыщение поперечных сечений продольной рабочей арматурой оценивают коэффициентом армирования « » (или процентом армирования).
Обычно в практике принимают 0,3 3,0%.
Рабочие продольные стержни арматуры в поперечном сечении элемента размещают по периметру, как можно ближе к поверхности элемента, но с обязательным соблюдением толщины защитного слоя а.
Колонны сечением 30х30 или 40х40 см обычно армируют 4 продольными стержнями по углам элементов, что соответствует допустимому расстоянию между стержнями рабочей арматуры.
Поперечные стержни называются «хомутами» и расстояние между ними принимается не более 500 мм. Диаметр хомутов dхом 5мм. Размеры сечения колонн: bкол = 250, 300, 400 и далее через 100 мм;
hкол = 250, 300, 400, 600 и далее через 200 мм. Защитный слой зависит от диаметра рабочей арматуры и колеблется от 20 до 30 мм. Зазоры между стержнями должны быть не менее 50 мм. Применяются обычно классы бетона В-20 В-40 и классы арматуры A-240, A-300 и A-400.
Сопротивление коротких ценрально-сжатых элементов внешним усилиям складывается из сопротивления бетона и сопротивления продольной арматуры. При этом бетон достигает предела прочности, а арматура предела текучести (рис. 67).
Длинные (гибкие) сжатые элементы рассчитывают как внецентренносжатые с учетом показателя гибкости элемента.
Элементы, испытывающие воздействие продольной сжимающей силы N и изгибающего момента М, находятся в условиях внецентренного сжатия (рис. 68).
К этим элементам относятся, например, крайние колонны зданий, стены прямоугольных в плане подземных резервуаров и т.д.
Поперечные сечения внецентренно-сжатых элементов делают развитыми в плоскости действия момента. По форме они бывают прямоугольные, двутавровые, тавровые. Армирование производится рабочими стержнями, размещаемыми вдоль коротких сторон элемента и поперечными хомутами.
Сечение рабочих стержней определяется расчетом и эти стержни объединяют в сварные или вязаные каркасы (рис. 69).
Оптимальный процент армирования для внецентренно-сжатых эле ментов 0,5--1,5%. Количество арматуры по обеим сторонам элемента может быть одинаковым (симметричное армирование) или неодинаковым (несимметричное армирование). Симметричное армирование проще, но имеет небольшой перерасход арматуры.
Балки и плиты являются наиболее распространенными железобетонными изгибаемыми элементами.
Плитами называются плоские горизонтальные конструкции, толщина которых (hП) значительно меньше длины (LП) и ширины (ВП).
Балками называются линейные горизонтальные конструкции, у которых длина (Lб) значительно больше их поперечных размеров (hб и bб)
Из плит и балок устраивают перекрытия и покрытия, которые бывают сборными, монолитными и сборно-монолитными.
Плиты и балки бывают однопролетными и многопролетными. Балки имеют различные формы поперечного сечения, а именно: прямоугольное, тавровое, двутавровое или трапецеидальное (рис. 70).
Высота балки принимается 1/10--1/20 пролета в зависимости от конструкции балки, нагрузки и способа закрепления балок на опорах.
Ширина балок принимается от 1/2 до 1/3 высоты балки. Размеры сечения балки кратны 50мм. Ширина 100, 150, 200, 250 мм и т.д. Высота 450, 600, 800 мм и т.д.
Для рабочей арматуры балок принимают стержни периодического профиля диаметром 12 32 мм.
В балках одновременно с изгибающим моментом действуют поперечные силы, которые воспринимаются хомутами.
Продольная и поперечная арматуры объединяются в сварные или вязаные каркасы.
Защитный слой бетона для арматурных сеток (расстояние от арматурных стержней до поверхности элемента) обычно принимают как а = 10--20 мм.
В зависимости от количества арматуры в растянутой зоне железобетонной балки возможны два случая разрушения:
1. случай -- при достижении в растянутой арматуре предела текучести, а в сжатом бетоне -- предела прочности на сжатие (так называемое «нехрупкое разрушение»);
2. случай -- при достижении предела прочности в сжатом бетоне и напряжении в арматуре ниже предела текучести (в переармированном элементе) происходит «хрупкое разрушение».
Коэффициент армирования для балок составляет 1 2%, а для плит В практике часто применяются тавровые сечения железобетонных элементов (рис. 71), которые имеют некоторые особенности расчета. Тавровые сечения используются как в отдельных изделиях (балки), так и в составе конструкций (монолитные ребристые перекрытия и сборные ребристые панельные перекрытия). Тавровое сечение состоит из полки и ребра (стенки).