Железобетонные конструкции. Основные понятия и общие сведения

Лекция №1.

Железобетонные конструкции являются основными строительными конструкциями, применяемые для возведения зданий и сооружений (около 2/3 строящихся зданий и сооружений выполняются из бетона и железобетона).

Достоинства и недостатки железобетона. К основным достоинствам железобетонных конструкций можно отнести: высокую прочность, долговечность, огнестойкость, стойкость против атмосферных воздействий, возможность использования местных строительных материалов, простоту формообразования, небольшие эксплуатационные расходы.

Недостатками являются: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, возможность появления трещин вследствие усадки и силовых воздействий, трудности утилизации.

Сущность железобетона. Железобетоном называется комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стали.

Идея образования железобетона из двух различных по своим механическим характеристикам материалов заключается в том, что бетон используется для работы на сжатие, а сталь на растяжение. В совокупности же появляется материал, способный воспринимать сжимающие и растягивающие усилия.

Рассмотрим работу железобетонной балки перекрытия (см. рис.1.1) под действием приложенной нагрузки (g+V).

Постоянная составляющая нагрузки g включает в себя вес опирающихся на балку плит перекрытия и пола по плитам. Временная составляющая нагрузки V определяется назначением помещения, расположенного над перекрытием, в состав которого входит балка.

Железобетонная балка является изгибаемым элементом, в котором под действием приложенной нагрузки возникают усилия М и Q. Расчетной схемой балки является однопролетная статически определимая балка, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой (g+V). Расчетный пролет l₀ балки считается между серединами площадок ее опирания на стены. Максимальное значение изгибающий момент достигает в середине пролета, а поперечная сила – у опор. Поэтому ожидать разрушение балки можно именно в середине пролета - от действия изгибающего момента M и вблизи опор - от действия поперечной силы Q.

Разрушение в середине пролета происходит по нормальному сечению (см. рис.1.1). Изгиб приводит к сжатию бетона выше нейтральной оси нормального поперечного сечения балки и растяжению ниже этой оси. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и надежно работает вплоть до разрушения балки. Растягивающие усилия воспринимаются нижней продольной арматурой балки, которая вместе со сжатым бетоном обеспечивает ее несущую способность. При этом можно говорить, что растянутый бетон в балке исключается из работы.

Разрушение от действия поперечной силы происходит по наклонному сечению. Противостоят разрушению балки по наклонному сечению бетон и арматурные стержни поперечной арматуры, совместно работающие на растяжение.

Однако сталь хорошо сопротивляется и сжатию. Если ввести в центрально сжатый элемент стальную арматуру, поперечное сечение такой колонны по сравнению с бетонной при одной и той же нагрузке будет значительно меньше, конструкция легче и экономичнее.

В многоэтажном здании наиболее нагруженными являются колонны первого этажа. На рисунке 1.2 показано, что на колонну первого этажа нагрузка собирается с покрытия Р₁ и трех перекрытий 3´Р₂. Кроме того, учитывается собственный вес колонн всех этажей. Колонна верхнего этажа испытывает сжатие от нагрузки Р₁ и собственного веса. Между тем, поперечное сечение колонн всех этажей принято одинаковым 400´400 мм. Разная несущая способность колонн обеспечивается за счет постановки арматурных стержней с увеличивающейся площадью поперечного сечения (A_s) от верхнего к нижнему этажу здания.

Соединить бетон и сталь для совместной работы как единое целое, значит получить качественно новый материал – железобетон.

Совместная работа бетона и стальной арматуры в железобетонных конструкциях оказалась возможной благодаря следующим их свойствам:

· бетон при твердении прочно сцепляется с арматурой, поэтому в конструкциях оба материала деформируются совместно;

· сталь и бетон обладают близкими по величине коэффициентами линейного расширения, поэтому при изменении температуры от минус 40⁰С до плюс 50⁰С в железобетоне возникают небольшие начальные напряжения;

· защищенная бетоном арматура практически не подвергается коррозии.

Армирование железобетонных конструкций. Особенностью расчета железобетонных конструкций является то обстоятельство, что при его выполнении задаются линейные размеры бетонного поперечного сечения (h, b) и прочностные характеристики материалов (бетона и арматуры). Целью расчета железобетонных конструкций является определение площади поперечного сечения продольной A_s и поперечной A_sw арматуры, а целью конструирования – выполнение армирования конструкций.

Арматура, устанавливая в железобетонных конструкциях, подразделяется на рабочую и конструктивную.

На рисунке 1.1 показано армирование балки. Балка армируется объемным каркасом, составленным из двух плоских каркасов К1, соединенных отдельными стержнями ОС1. В состав каркаса К1 входят нижняя продольная рабочая арматура, поперечная рабочая арматура, а также верхняя продольная арматура, необходимая для формирования плоского каркаса К1. Верхняя продольная арматура каркасов К1, а также отдельные стержни ОС1, соединяющие каркасы между собой относятся к конструктивной арматуре.

На рисунке 1.2 показано армирование колонн многоэтажного здания. Каждая колонна армируется объемным каркасом, в состав которого входят четыре стержня продольной рабочей арматуры и поперечные хомуты, объединяющие продольные стержни. Хомуты (конструктивная арматура) не только объединяют продольные стержни в объемный каркас, но также удерживают сжатые стержни от деформаций, связанных с продольным изгибом.

Мера содержания арматуры в бетоне. Содержание арматуры в железобетонных конструкциях оценивается посредством коэффициента (процента) армирования m_s (m_s%), определяемого как отношение площади сечения арматуры (А_s) к площади поперечного сечения бетонного элемента (А).

Процент армирования колонн, показанных на рисунке 1.2, составляет: для верхней колонны ; для нижней колонны

Расчетные усилия в железобетонных конструкцияхдолжны быть восприняты бетоном и рабочей арматурой. Расчетные усилия в бетонных конструкциях воспринимаются только бетоном. В бетонных конструкциях арматура может устанавливаться по конструктивным соображениям, но она не учитывается в расчете. К бетонным конструкциям также относят железобетонные конструкции, процент армирования которых меньше минимального (=0,1%)

Сборный, монолитный и сборно-монолитный железобетон. Сборный железобетон в середине прошлого столетия в России получил бурное развитие. Были построены мощные домостроительные комбинаты и заводы железобетонных конструкций. Отличительные особенности сборного железобетона: изготовление в заводских условиях и монтаж на строительной площадке - позволяли:

· избежать сезонности строительных работ; что важно для климатических условий России;

· получать качественные (надежные) бетонные и железобетонные конструкции, обладающие большей прочностью (за счет использования высокопрочных материалов), высокой трещиностойкостью и жесткостью (за счет широкого применения предварительного напряжения арматуры);

· уменьшить трудоемкость работ на строительной площадке и, следовательно, сроков возведения зданий и сооружений;

· создать общероссийский и региональные строительные каталоги, в том числе, железобетонных (бетонных) конструкций и изделий.

Таким образом, для сборных железобетонных конструкций были реализованы требования надежности, индустриальности и унификации.

Рис.1.1. Работа железобетонной балки перекрытия под действием приложенной нагрузки. Расчетная схема, усилия и армирование железобетонной балки

Рис.1.2. Нагрузки и армирование железобетонных колонн

С развитием монолитного строительства применение сборного железобетона уменьшилось, в настоящее время они используются практически в одинаковых объемах. В зарубежной практике строительства сборный железобетон занимает до 40%. При выборе сборного или монолитного железобетона должно приниматься обоснованное решение.

Монолитный железобетон применяется для сооружений, трудно поддающихся членению, например: плавательные бассейны, фундаментные плиты; в зданиях и сооружениях, отличающихся нестандартностью и малой повторяемостью отдельных частей или строящихся в сейсмических районах.

Сборно-монолитные конструкции представляют собой целесообразное сочетание сборного железобетона и монолитного бетона (железобетона), укладываемого на месте применения. К достоинствам этих конструкций по сравнению с монолитными относится экономия на опалубке, сокращение сроков возведения; по сравнению со сборными – возможность достижения большей монолитности, сокращение расходов материалов на стыки и узлы.

На рисунке 1.3 приведены фотографии возводимого здания из сборных железобетонных конструкций, на рисунке 1.4 – из монолитных.

Проектирование зданий в сборном железобетоне принципиально отличается от проектирования монолитных зданий. При проектировании монолитных зданий кроме схем расположения конструктивных элементов здания и спецификаций к схемам, достаточных для сборных зданий, должны быть выполнены схемы армирования железобетонных конструкций и ведомости расхода стали к схемам.

Рис. 1.3. Возводимое здание в сборном железобетоне
Рис. 1.4. Возводимое здание в монолитном железобетоне

Краткие исторические сведения о возникновении и развитии железобетона за рубежом и в России. Железобетон по сравнению с другими строительными материалами (камень, дерево, металл) появился сравнительно недавно. Первые железобетонные конструкции в виде плит, балок и колонн начали применять в 1860…1880 годах. На первых порах эти конструкции были далеко не совершенны, так как принципы их расчета и конструирования еще не были установлены. Применение железобетона в это время сдерживалось:

· недоверием к железобетону как новому строительному материалу;

· отсутствием опытных данных по его долговечности, огнестойкости;

· отсутствием надежных методов расчета и технологии возведения конструкций.

Первый патент на изготовление изделий из железобетона получил французский ученый Монье в 1867 году. Французский инженер Геннебик в 1892 году предложил ряд строительных конструкций, в том числе, монолитное ребристое перекрытие.

Применение железобетона в России началось с 80-х годов 19-го столетия и особенно быстро развивалось на юге страны, где объемы строительства были велики и для возведения железобетонных конструкций имелись весьма благоприятные условия – короткая зима, близость цементных и металлургических заводов, дешевые высококачественные заполнители.

С возникновением железобетона начались его исследования. Они велись почти во всех западноевропейских странах и США. В России первые исследовательские работы были организованы в 1891 году в Петербурге профессором Белелюбским Н.А.. Эти работы имели большое значение для популяризации железобетонных конструкций, а также для разработки технологии их изготовления. Теория расчета железобетонных конструкций в общих чертах сложилась к концу 19-го - к началу 20-го века. Она базировалась на законах сопротивления материалов; бетон рассматривался как упругий материал, подчиняющийся закону Гука. Первые технические условия на железобетонные сооружения издаются в 1904…1908 годах в Германии, Франции и России.

В настоящее время проектирование железобетонных конструкций ведется в соответствии с требованиями СНиП 52-01-03 [1] и сводом правил (СП) [2,3,4], к которым разрабатываются пособия [5,6]

Нормативные документы по проектированию железобетонных конструкций – один из наиболее важных элементов обеспечения строительного процесса. С одной стороны, они учитывают и обобщают новые результаты научных исследований, с другой стороны, опыт строительства и эксплуатации железобетонных конструкций. В конечном счете, нормативные документы определяют надежность, экономичность и технологичность возводимых железобетонных конструкций.

Лекция №2

Дата добавления: 2014-01-20