Введение. Цель изучения дисциплины «Строительные конструкции» - овладение знаниями по методикам расчета, основным принципам проектирования строительных конструкций и

Цель изучения дисциплины «Строительные конструкции» - овладение знаниями по методикам расчета, основным принципам проектирования строительных конструкций и приобретение практических навыков для решения задач, связанных с реализацией профессиональных функций.

(слайд1) РАЗДЕЛ 1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЛЕКЦИЯ №1. БЕТОН. СТРУКТУРА БЕТОНА. ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ. КЛАССЫ И МАРКИ БЕТОНА. АРМАТУРА. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. АРМАТУРНЫЕ СВАРНЫЕ ИЗДЕЛИЯ

(слайд 2)Бетон. Бетон по структуре представляет собой неоднород­ный материал, большую часть объема которого занима­ют инертные заполнители (крупный — щебень или гра­вий и мелкий — песок), скрепленные в единый монолит с помощью цементного камня, образованного из хими­чески активных составляющих — цемента, воды (хими­чески связанной и свободной).

В цементном камне химические процессы происхо­дят длительное время. В связи с этим в бетоне со вре­менем прочность нарастает, несколько изменяется объ­ем, в зависимости от соотношения состава бетона и химического состава цемента, происходит усадка или (при использовании специальных цементов) расшире­ние.

Бетон не обладает абсолютной плотностью даже при тщательном уплотнении сырой смеси. По условиям удобоукладываемости в него всегда вводят избыточное (сверх необходимого для химической реакции с цемен­том) количество воды. Избыточная вода, испаряясь, об­разует капиллярные ходы в цементном камне и полости под зернами крупного заполнителя и стержнями арма­туры. По этим полостям и частично капиллярам воз­можно перемещение влаги и газа в толще бетона. Этим обусловливаются частичные влаго- и газопроницаемость бетона — свойства, которые необходимо принимать во внимание при строительстве объектов транспорта и хранения нефти и газа. Уменьшить пористость можно снижением на­чального содержания воды в бетонной смеси, наиболь­шим уплотнением при укладке сырого бетона, вве­дением химически активных добавок, обладающих способностью набухать при увлажнении.

Наиболее важная характеристика механических свойств бетона - сопротивление сжатию. Оно зависит от прочности цементного камня, качества заполнителей, а также от плотности бетона. (слайд 3) Прочность цементного камня тем выше, чем выше активность (марка) цемен­та и ниже водоцементное отношение смеси. Для приго­товления тяжелых бетонов применяют плотные заполнители, более прочные, чем цементный камень. В этих условиях прочность бетона несколько больше в том случае, если поверхность заполнителей шероховата (что улучшает их сцепление с цементным камнем). Поэтому для приготовления бетона щебень предпочти­тельнее гравия.

В соответствии с действующими нормами сопротивление сжатию бетона определяется на опытных образцах в форме кубов с ребром 150 мм. Длительность твердения бетонных контрольных образцов для монолитных конструкций принята 28 дней, для сборных - более короткой в зависимости от способа их изготовления и режима твердения. Класс (марка) бетона устанавливается по временному сопротивлению сжатию бетона в мегапаскалях.

Строительными нормами и правилами установлены следующие проектные марки тяжелого бетона по прочности на сжатие: B 3.5; B 5; B 7.5; B 10; B 12.5; B 15; B 20; B 25; B 30; B 35; B 40; B 45; B 50; B 55; B 60. Кубиковую прочность бетона определяют испытанием на сжатие контрольных образцов стандартных размеров, выдерживаемых при стандартных условиях хранения.

(слайд 4) При сжатии начальные размеры кубического образца сокращаются в направлении действующего усилия и увеличиваются в поперечном направлении (рисунок 1.1). Из испытаний бетона на растяжение установлено, что предельные относительные деформации удлинения бетона в 10—20 раз меньше предельных относительных деформаций сжатия. Разрушение сжатого образца происходит вследствие поперечного расширения материала, вызывающего образование трещин. (слайд 5) Если деформациям образца в поперечном направлении ничто не препятствует [торцы образцов смазаны (рисунок 1.1, а)], то трещины ориентированы вдоль сжимающего усилия; если по­перечное расширение образца стеснено усилиями трения, развивающимися по его торцам [торцы образцов не смазаны (рисунок 1.1, б)], то трещины направлены под углом к действующим усилиям. Во втором случае сопротивление бетона сжатию значительно выше (в 2 - 2,5 раза). Стандартное условие испытания кубических образцов — без смазки торцов.

В образцах-призмах влияние сил трения по торцам уменьшается по мере увеличения отношения высоты призмы к стороне ее основания, при четырехкратной вы­соте призм и более это влияние несущественно. Опыты показали, что призменная прочность бетона на сжатие на 20—30% ниже кубиковой .(слайд6 рисунок)

  а)

  а)

б)

Рисунок 1.1 – Разрушение кубических образцов при сжатии

а) торцы образца смазаны; б) образцы без смазки;

1 – трещины; 2 – смазка; u – сокращение образцов вдоль сжимающих усилий;

v – расширение образцов в поперечном направлении

Прочность бетона при осевом растяжении составля­ет 1/10—1/15 кубиковой прочности при сжатии. При изгибе бетонных балочных образцов прочность бетона на растяжение примерно на 70% выше его прочности при осевом растяжении.

(слайд7) В СНиП 2.03.01 – 84 «Бетонные и железобетонные конструкции» даны проектные марки для тяжелого бетона по прочности на осевое растяжение, МПа: B_t 0.8, B_t 1.2, B_t 1.6, B_t 2, B_t 2.4, B_t 2.8, B_t 3.2; по средней плотности ( кг/м³ ): тяжелый бетон от D2200 до D2500;легкий бетон от D800 до D2000; поризованный бетон от D800 до D1400;ячеистый от D500 до D1200; по моро­зостойкости в зависимости от числа выдерживаемых образцами циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии: тяжелый и мелкозернистый бетоны –– F 50, F 75, F 100, F 150, F 200, F 300, F 400, F 500; легкий бетон –– F 25, F 35, F 50, F 75, F 100, F 150, F 200, F 300, (слайд8) F 400, F 500; ячеистый и поризированный бетоны –– F 15, F 25, F 35, F 50, F 75, F100; по водонепроницаемости, в зависимости от давления воды (в кгс/см²), при кото­ром еще не наблюдается просачивание ее через испы­туемые образцы: W 2, W 4, W 6, W 8, W 10 и W 12. Эти виды марок предусматриваются для конструкций, находящихся в специфических условиях эксплуатации.

Бетон – неупругий материал. В нем зависимость между напряжениями σ и относительными деформациями ε не линейна (рисунок 1.2). (слайд 9 рис) Полные деформации ε_b

ε_b

σ_b

R_b

Рисунок 1.2 – Зависимость между сжимающими напряжениями и деформациями бетона при кратковременном однократном нагружении:

1 – полные упругопластические деформации; 2 – упругие деформации

состоят из упругих (мгновенных, обратимых) ε_el и пластических (развивающихся во времени, необратимых) ε_pl деформаций. В условиях однократного кратковременного си­лового воздействия по мере возрастания напряжений доля пластических деформаций увеличивается.

б)

ε_п^пр

а)

С увеличением длительности процесса нагружения t деформации бетона (рисунок 1.3, а): при одном и том же напряжении σ₁ они тем больше, чем больше t. (слайд10 рис.)

Рисунок 1.3 – Графики зависимости «напряжения – деформации» в бетоне:

а) при различной длительности испытаний;

б) при длительном воздействии постоянного напряжения;

(слайд 11) Бетону свойственна ползучесть, т. е. самопроизволь­ное возрастание деформаций при постоянном длитель­ном напряжении материала (рисунок 1.3, б). В конструкци­ях деформации ползучести постепенно затухают, асимп­тотически приближаясь к некоторому предельному значению ε_п^пр.

Ползучесть бетона обусловлена природой цементно­го камня; она тем выше, чем больше количество цемен­та и начальное содержание воды в бетонной смеси, а также чем меньше возраст бетона к моменту приложе­ния нагрузки. Деформации ползучести зависят от уров­ня напряжений в бетоне: чем выше напряжения в бето­не, тем больше деформации ползучести. Показатели ползучести зависят также от вида цемента, убывая в последовательности: шлакопортландцемент, обычный портландцемент, высокопрочный портландцемент, гли­ноземистый цемент.

Наиболее интенсивно ползучесть бетона проявляется в первые несколько месяцев после приложения нагруз­ки, достигая предельного значения ε_п^пр через несколько лет: ε_п^пр может быть в 2—3 раза больше упругих дефор­маций. Ползучесть бетона оказывает значительное вли­яние на напряженное и деформированное состояние железобетонных конструкций.

(слайд12) Упругие свойства бетона оценивают с помощью на­чального модуля упругости бетона Е_b, определяемого из испытаний призм на сжатие по показателям начальной части зависимости σ — ε.

Модуль полных деформаций бетона, Е’_b описывает полные деформации в бетоне (с учетом ползучести) и является переменной величиной. Описать изменение Е’_b аналитически достаточно сложно, а для расчета железобетонных конструкций пользуются средним модулем или модулем упругопластичности бетона. Его обозначают также Е’_b. Определяется он как тангенс угла наклона секущей в точке на кривой σ — ε с заданным напряжением σ_b. За­висимость между величинами Е_b и Е’_b определяют на основании рисунка 1.2 из соотношений:

и

(слайд13) где

Коэффициент v отражает соотношение упругой части деформации бетона к ее полной величине. По данным опытов для сжатого бетона значения v изменяются от 1 до 0,15.

Бетон обладает высокой огнестойкостью, способен более длительное время, чем многие строительные материалы, сопротивляться действию огня, обеспечивая несущие и эксплуатационные функции конструкций.

Применение обычного тяжелого бетона возможно и для конструкций, находящихся в условиях системати­ческого воздействия повышенных температур порядка 50—200° С. В качестве вяжущего используется портландцемент (шлакопортландцемент), а в качестве заполнителей — граниты, доломиты, сиени­ты, плотные известняковые и другие породы.

Если конструкция должна работать в условиях дли­тельного воздействия температур выше 200° С, для ее изготовления применяют жаростойкий бетон. В нем в зависимости от степени нагрева в качестве вяжущих используют глиноземистый цемент, портландцемент, жидкое стекло с отвердителями (кремнефтористым на­трием, нефелиновым шламом) и с тонкомолотыми до­бавками (шамотными, магнезитовыми, шлаковыми, зольными и др.). Заполнителями служат хромит, дио­рит, базальт, диабаз, андезит, шамотный и кирпичный бой, доменный и котельный шлаки.

(слайд14) Бетон весьма долговечный материал. В нормальных условиях его структура и прочность не нарушаются не­ограниченно долгое время.

В условиях агрессивных сред — газовой (наличие кислых газов в сочетании с повышенной влажностью), жидкой (растворы кислот, щелочей, солей, растворите­ли, масла, растворы сахара), твердых материалов (агрессивная пыль в сочетании с высокой влажностью воздуха, уголь, многие руды, соли, шлаки и т.д.) — бетон преждевременно разрушается.

Стойкость бетона к воздействию агрессивных фак­торов можно повысить проведением ряда мероприятий, среди которых: (слайд15)

- повышении плотности бетона, что достигается надлежащим подбором его состава, выбо­ром соответствующего вида цемента и метода уплотне­ния при укладке бетонной смеси;

- снижение фильтру­ющей способности бетона, что связано с применением бетонов с малым водоцементным отношением и с вве­дением в бетон особых уплотняющих добавок;

- ис­пользование специальных кислотостойких вяжущих и заполнителей.

(слайд16) В зависимости от степени агрессивности среды на­значают следующие средства защиты конструкций:

- повышение стойкости обычного тяжело­го бетона;

- обработку его поверхностного слоя флюатированием, пропитку высокомолекулярными соедине­ниями и т. д.;

- покрытие специальными лаками, крас­ками, эпоксидными смолами;

- устройство химически стойких защитных покровных слоев из керамических плит или пластбетонов на полимерных вяжущих или с полимерными добавками и пропитками.

В промышленно-гражданском строительстве помимо обычного тяжелого бетона применяют также бесцемент­ные бетоны на плотных заполнителях (силикатные, на шлаковых вяжущих, гипсовые), бетоны на пористых за­полнителях (керамзите, аглопорите, шлаковой пемзе, пер­лите, туфах и др.), ячеистые бетоны. Для изоляции газопро­водов используют бетоны на пористых заполнителях не­которых разновидностей.

(слайд 17)Арматура. Арматура в железобетонных конструкциях предназначена преимущественно для восприятия растягивающих усилий в изгибаемых и растянутых элементах и для усиления сечений сжатых элементов. Необходимое ее количество определяют расчетом на восприятие проектных нагрузок. Эта арматура называется рабочей.

Для восприятия усилий от усадочных и температурных деформаций бетона, монтажных нагрузок, для обеспечения проектного положения арматуры в элементах конструкций и по некоторым другим соображениям ставят монтажную арматуру.

(слайд18) Оба вида арматуры — рабочую и монтажную — объединяют в арматурные изделия — сварные и вязаные сетки и каркасы (плоские и пространственные), которые соответствующим образом размещают в железобетонных элементах (рисунок 1.4).

Стальная арматура для железобетонных конструкций в зависимости от технологии изготовления подразделяется на горячекатаную, стержневую и холоднотянутую проволочную.

(слайд19) Под стержнем подразумевается арматура любого диаметра независимо от того, поставляется она в прутках или мотках. Стержневая арматура, проходящая после прокатки (в целях упрочнения) термическую обработку, называется термически упрочненной, а подвергающаяся вытяжке в холодном состоянии упрочненной вытяжкой.

По условиям применения арматуру, подвергаемую предварительному натяжению, называют напрягаемой арматурой. (слайд20 рис.)

Рисунок1.4 – Железобетонные элементы и их арматура

а) сетка; б) плоские каркасы; в) пространственный каркас;

1 – плита; 2 – балка; 3 –колонна

(слайд 21) В зависимости от характера поверхности арматуры различают арматуру гладкую и периодического профиля, с выступами на стержневой (рисунок 1.5) и вмятинами на проволочной арматуре для лучшего сцепления ее с бетоном.

б)

Стержневая арматурная сталь подразделяется на шесть классов: A-I, A-II, А-Ш и т.д., в зависимости от основных ее механических характеристик (таблица 1) В обозначении класса стали упрочнение ее отмечается дополнительным индексом т (термическое упрочнение, например Ат-V). К каждому классу может принадлежать не одна марка стали, а несколько. (слайд 22)

а)

в)

Рисунок 1.5 – Арматура периодического профиля

г)

б)

а) стержневая класса А-П; б) то же, A-III;

в) улучшенный профиль A-IV,А-V; г) холоднодеформированная

В марке стали отражаются главные особенности ее химического состава. Так, в марке 25Г2С первая цифра обозначает содержание углерода в сотых долях процен­та (0,25%), буква Г, что сталь легирована марганцем, цифра 2 показывает, что его содержание может достигать 2%, а буква С — наличие в стали кремния (силиция). Буква X в марке 20ХГ2Ц обозначает, что сталь легиро­вана хромом.

Стержневая арматура классов A-IV, A-V и всех классов Ат предназначена для применения с предварительным напряжением.

(слайд 23) Арматурная проволока подразделяется на два класса: обыкновенная арматурная проволока B-I (холоднотянутая, низкоуглеродистая) и Вр-I (периодического профиля), предназначенная к применению без предварительного напряжения, и высокопрочная арматурная проволока В-II (волоченая, холоднотянутая, углеродистая) и Вр-II (периодического профиля), предназначенная к применению с предварительным напряжением.

Из проволочной арматуры на заводах изготовляют арматурные изделия. Для предварительно-напряженных конструкций используют стальные арматурные канаты клас­сов К-7, К-19 [семи-, девятнадцатипроволочные (рисунок 1.6, а), а также многопрядные класса K×N, где N — число прядей в канате. К проволочным арматур­ным изделиям относятся также арматурные пучки(рисунок 1.6, б.). Каждый пучок образуется из прямых про­во­лок или прядей, в большинстве случаев расположен­ных по окружности (что фиксиру­ется постановкой специальных спиралей или «звездочек»), закрепленных по концам в специальных анкерах; проволоки (пряди) впучках размещаются группами с просветами для доступа цементного раствора внутрь пучка.

Пучки могут быть однорядными или многорядными .(слайд 24 рис.)

б)

а)

Рисунок 1.6 – Арматурные изделия:

а) канаты; б) пучки; 1 – семипроволочный канат, вид сбоку;

2,3 – сечения канатов – семипроволочный, девятнадцатипроволочный;

4 – проволоки пучка; 5 – каналообразователь; 6 – спираль; 7 – коротыш

(слайд 25) Механические характеристики арматурных сталей определяются по эксперимен­тальной зависимости между напряжениями σи относительными деформациями ε (рисунок 1.7), получаемыми из испытания образца арматуры на растяжение. Для арматуры с площадкой текучести (рисунок 1.7, а) установлен физический предел текучести σ_т, МПа, т. е. напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Для арматуры без площадки текучести (рисунок 1.7, б) определя­ется условный предел текучести σ_0.2, МПа, т.е. напряжение, при котором ос­таточная относительная деформация составляет 0,2%.

Предел текучести σ_т может быть повышен, если арматуру подвергнуть предварительному напряжению до значения σ_т ^’ >σ_т и затем отпустить, вследствие чего происходит упрочнение вытяжкой за счет так называемого наклепа стали. При последующих нагружениях сталь деформируется по укороченной диаграмме О'А'В (рисунок 1.7, а) с повышенным пределом текучести.

(слайд 26)Временное сопротивление стали σ _вр, т. е. напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, как и предел текучести,— очень важная характеристика механических свойств стали.

σ_вр σ_0,2 σ_0,02  

ε

σ

σ_вр σ _т ’ σ _т

б)

Арматурная сталь имеет высокий предел упругости, т.е. такое значение напряжения, выше которого начинаются отклонения от прямо пропорциональной зависимости между напряжениями и деформациями. (слайд 27 рис.)

а)

Рисунок 1.7 – Диаграммы растяжения арматурной стали:

а) с площадкой текучести;

б) без площадки текучести

Это весьма ценное качество стали, так как позволяет применять предварительное напряжение арматуры большой интенсивности. За предел упругости σ_{0 ,02}, МПа, условно принимается напряжение, при котором остаточные относительные деформации составляют 0,02%.

Арматурная сталь обладает высокой пластичностью, что предотвращает возможность внезапного (хрупкого) разрушения железобетонных конструкций вследствие разрыва арматуры. Пластичность арматуры характеризуется значением полного относительного удлинения после разрыва δ, % (изменение первоначальной расчетной длины образца, включающей длину шейки разрыва), и значением относительного равномерного удлинения δ_р, % (изменение первоначальной расчетной длины образца, не включающей длину шейки разрыва). Относительное удлинение после разрыва для арматурной стали классов Α-Ι, А-П, Α-ΙΙΙ равно соответственно 25, 19, 14%, для других классов колеблется в пределах 8—4%.

Сварные сетки образуются посредством контактной точечной сварки в местах пересечений продольных и поперечных стержней; они бывают рулонные и плоские. Максимальные общие размеры для плоских сеток по ширине B=2,5 м, подлинеL = 9м; для рулонных по ширине В = 3,8 м, по длине определяются массой рулона по­рядка 100—500 кг (В и L — расстояния между крайними стержнями сеток). Сварные сетки изготовляют из стальной низкоуглеродистой холоднотянутой проволоки класса B-I диаметром 3—5 мм и горячекатаной низколегированной стали класса Α-III перио­дического профиля диаметром 6—9 мм. В рулонных сетках наибольший диаметр про­дольных стержней 7 мм. В условном обозначении сетки указываются ее основные па­раметры: марка t/t₁/d/d₁ в числителе и общие размеры B×L, в знаменателе.

Сварные каркасы образуются из продольных и поперечных стержней. Их делают плоскими и пространст­венными.

Дата добавления: 2014-01-03