Б-2 Объясните сущность железобетона Бетон хорошо сопротивляется

Б-2. Объясните сущность железобетона • Бетон хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению (в 10… 20 раз). • Если поместить арматуру в растянутую зону железобетонной балки, то ее несущая способность по нормальному сечению возрастет, по сравнению с бетонной балкой, в 15… 20 раз.

СХЕМА РАЗРУШЕНИЯ БАЛКИ а – бетонной балки; б – железобетонной балки; 1 – нулевая (нейтральная) ось; 2 – сжатая зона балки; 3 – растянутая зона балки; 4 – нормальные трещины; 5 – наклонные трещины; 6 – стальная арматуры; 7 – раздробление бетона сжатой зоны

• Установка арматуры в сжатую зону бетона, например в колонны, также заметно повышает несущую способность, т. к. арматура хорошо сопротивляется не только растяжению, но и сжатию, а поперечная арматура совместно с окружающим бетоном препятствует потери устойчивости продольной сжатой арматуры.

• Появление железобетона стало возможным благодаря выгодному сочетанию физико-механических свойств бетона и арматуры:

• значительные силы сцепления между бетоном и арматурой, возникающие при твердении бетона, в результате оба материала под нагрузкой деформируются совместно. Небольшая коррозия арматуры в процессе твердения бетона также повышает сцепление арматуры и бетона;

• плотный бетон защищает арматуру от коррозии и предохраняет арматуру от непосредственного действия огня;

• коэффициенты линейного температурного расширения бетона и стали близки по значению, поэтому при изменении температуры в пределах 100 С возникают несущественные температурные напряжения, сохраняется совместная работа бетона и арматуры и не наблюдается скольжение арматуры в бетоне.

• Обычно в железобетоне образуются трещины в растянутой зоне даже при эксплуатационных нагрузках небольшой интенсивности.

• Раскрытие этих трещин часто невелико и не мешает нормальной эксплуатации железобетонных конструкций. • Однако в условиях агрессивной среды, высокой влажности возникает опасность коррозии высокопрочной проволочной арматуры малых диаметров.

• Для предотвращения образования трещин или ограничения ширины их раскрытия до приложения нагрузки бетон растянутой зоны подвергают интенсивному предварительному обжатию с помощью растяжения рабочей арматуры. Такой железобетон называют предварительно напряженным.

• Высокая масса железобетона является часто его недостатком. Поэтому применяются тонкостенные и пустотные конструкции из бетона на легких пористых заполнителях.

Б-10. Сформулируйте достоинства и недостатки предварительно напряженных железобетонных конструкций по сравнению с обычными. • Предварительно напряженными называются железобетонные конструкции, в которых создают значительные сжимающие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры.

• Начальные сжимающие напряжения в бетоне создают в тех зонах, которые под воздействием нагрузок испытывают растяжение. • Создаются условия для применения высокопрочной арматуры, экономии металла и снижения стоимости конструкций.

• С повышением расчетного сопротивления арматуры снижается ее удельная стоимость, т. е. отношение цены Ц (руб/т) к расчетному сопротивлению Rs (МПа). Поэтому использовать высокопрочную арматуру выгодно.

Зависимость удельной стоимости арматурной стали от ее прочности A-II…A-IV – классы сталей

• Применение высокопрочной арматуры без предварительного напряжения нецелесообразно, т. к. высокие растягивающие напряжения в арматуре и соответствующие деформации в растянутых зонах бетона приводят к появлению трещин значительного раскрытия, большим перемещениям, резкому снижению долговечности.

• Бетон в растянутой зоне предварительно напряженных железобетонных изгибаемых конструкций испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений.

• В предварительно напряженных железобетонных балках или плитах часто сила Fcrc, вызывающая образование трещин, превышает нагрузки, действующие при эксплуатации Fser. • Такие конструкции более долговечны, поскольку работают без трещин.

• Предварительно напряженные изгибаемые железобетонные конструкции имеют меньшие прогибы, т. к. :

ДИАГРАММА НАГРУЗКА F – ПРОГИБ f I II – предварительно напряженная балка; – балка без предварительного напряжения

• во-первых, в процессе создания предварительного напряжения конструкция испытывает выгиб и часть эксплуатационной нагрузки затрачивается на его погашение;

• во-вторых, предварительно напряженные железобетонные конструкции на стадии эксплуатации работают без трещин в растянутой зоне и, поэтому, имеют большую жесткость.

Суть использования предварительно напряженного железобетона – экономический эффект за счет применения высокопрочной арматуры, высокой трещиностойкости и, как результат, повышенной жесткости, коррозионной стойкости и долговечности.

Предварительно напряженные железобетонные конструкции лучше сопротивляются динамическим нагрузкам.

Предварительное напряжение оказывает благоприятное влияние на работу железобетонных конструкций по наклонным сечениям.

В сжатых элементах предварительное напряжение повышает жесткость железобетонных элементов, а следовательно, и критическую силу Ncr (продольную силу, при которой сжатый элемент теряет устойчивость), что, в свою очередь, сказывается на уменьшении продольного изгиба, учитываемого коэффициентом η , и увеличении несущей способности.

Б-13. Назовите методы создания предварительно напряженных железобетонных конструкций, способы предварительного напряжения арматуры. Поясните их на схемах. • НА УПОРЫ: • При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования, один ее конец закрепляют на упоре, а другой – натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируемого напряжения.

• После набора необходимой прочности бетона (передаточной) Rbp (нормативная кубиковая прочность бетона в момент передачи усилий обжатия) арматуру отпускают с упоров. • Происходит обжатие окружающего бетона.

• Методы натяжения арматуры на упоры могут быть различными: • механический; • электротермомеханический.

• НА БЕТОН: • При натяжении арматуры на бетон сначала изготавливают слабо армированный элемент, затем при достижении бетоном прочности Rbp создают в нем предварительные сжимающие напряжения. • Напрягаемую арматуру заводят в пазы или каналы и натягивают на бетон. В этом случае напряжения в арматуре контролируют после обжатия бетона.

• Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием – нагнетанием цементного теста или раствора под давлением. • Создание предварительных напряжений с использованием бетонов на напрягающих цементах также относится к натяжению на бетон.

• Натяжение на упоры является основным способом заводского производства. • Натяжение на бетон применяется главным образом для крупноразмерных конструкций и при соединении их на монтаже. Например, пролетные строения мостов.

Последовательность изменения предварительных напряжений в элементах после загружения внешней нагрузкой • Центрально-растянутые элементы:

• Изгибаемые элементы: СОСТОЯНИЕ 1. Предварительное напряжение арматуры на расчетную величину СОСТОЯНИЕ 5. Снижение предварительного обжатия бетона растянутой зону на уровне арматуры до нуля вследствие приложения внешней нагрузки q 1 СОСТОЯНИЕ 2. Снижение предварительного напряжения арматуры вследствие проявления первых потерь напряжения СОСТОЯНИЕ 6. Увеличение напряжений в растянутой зоне бетона до расчетного сопротивления осевому растяжению (стадия I а) СОСТОЯНИЕ 3. Отпуск натяжных приспособлений, вследствие чего происходит обжатие арматурой бетона элемента СОСТОЯНИЕ 7. Появление трещин в растянутой зоне бетона при возрастании нагрузки (стадия II). Растягивающие усилия воспринимает арматура Asp (стадия II) СОСТОЯНИЕ 4. Снижение предварительного напряжения арматуры вследствие проявления вторых потерь напряжения и упругого обжатия бетона bp 1 СОСТОЯНИЕ 8. Разрушение элемента от раздавливания бетона сжатой зоны и разрыва предварительнонапряженной арматуры при возрастании внешней нагрузки q

11. Выберите расчетную схему поперечной рамы двухпролетной части здания. Назовите рациональный для конкретного случая метод статического расчета рамы. Приведите примеры армирования колонн. Наиболее рациональный метод расчета – метод перемещений. При использовании компьютера – метод конечных перемещений (МКЭ).

Схема армирования железобетонной колонны (Б-11)

Схема армирования сквозной колонны

Б-1. Конструктивные требования по армированию железобетонных колонн. Требования к продольной и поперечной арматуре.

Б-1 Сжатые элементы со случайными эксцентриситетами выполняют чаще квадратными или прямоугольными, реже круглыми, многогранными или двутавровыми. Размеры поперечного сечения квадратных и прямоугольных колонн назначают кратными 50 мм, а при размере более 500 мм кратными 100 мм. Монолитные колонны с поперечными менее 250 мм применять не рекомендуется из-за сложности обеспечения необходимого качества бетонирования.

Б-1 Расстояние между продольной осью элемента и осью приложения сжимающей силы называется эксцентриситетом. Для статически определимых конструкций значение эксцентриситета: где еа – случайный эксцентриситет. Для статически неопределимых конструкций:

Случайный эксцентриситет принимается: Б-1

КОЛОННЫ Б-1 а – длиной на два этажа; б – длиной на три этажа; в, г, д – армирование колонн со случайными эксцентриситетами; 1 – сварные плоские каркасы; соединительные стержни; – шпильки; 4 – хомуты вязаных каркасов 3

Б-1 Для сжатых элементов применяют бетон не ниже В 15, а для сильно нагруженных - не менее В 25. Диаметр стержней продольной арматуры колонн 12… 40 мм, класс арматуры А-III(А 400), класс поперечной арматуры А-III(А 400), A-II(А 300), A -I(А 240), Bр-I(В 500). Коэффициент армирования элементов сжатых со случайными эксцентриситетами определяют по формуле: где Аs – суммарная площадь сечений продольных стержней (в практике обычно принимают не более 3%).

Б-1 Армирование внецентренно сжатых стержней составляет 0, 5… 1, 2% площади сечения элемента. Продольные стержни размещают в близи коротких граней поперечного сечения элемента: • арматуру S с площадью сечения Аs у грани, более удаленной от сжимающей силы, • арматуру S/ с площадью сечения А/s у грани, расположенной ближе к продольной силе.

Б-1 Если площади сечения арматуры S и S/ одинаково, то армирование называют симметричным. Симметричное армирование удобнее. Минимальная площадь сечения продольной арматуры S и S/ во внецентренно сжатых элементах принимается: μmin = 0, 1% при гибкости λ = l 0 / i ≤ 17 (для прямоугольных сечений λ = l 0 / h ≤ 5 ); μmin = 0, 25% при гибкости λ = l 0 / i ≥ 87 (для прямоугольных сечений λ = l 0 / h ≥ 25); для промежуточных значений μmin определяют по интерполяции.

Б-1 Гибкость сжатых элементов принимается не более 200, а для колонн зданий 120. Рабочие стержни располагают как можно ближе к верхней поверхности элемента, толщина защитного слоя бетона должна быть не менее диаметра и не менее 20 мм. Колонны сечения до 400 мм можно армировать четырьмя продольными стержнями. Наименьше расстояние между ними в свету допускается 50 мм при вертикальном бетонировании, при горизонтальном бетонировании – 25 мм для нижней и 30 мм для верхней арматуры. Расстояние между продольными рабочими стержнями должно быть не более 400 мм. Расстояние между поперечными стержнями должна быть не более S ≤ 15 d и не более 500 мм.

Б-1 Диаметр поперечных стержней сварных каркасов должен удовлетворять условиям свариваемости, диаметр хомутов вязаных каркасов не менее 6 мм и не менее 0, 25 d (d-наибольший диаметр продольной арматуры). Толщина защитного слоя стержней поперечной арматуры не менее 15 мм и не менее dw (диаметра поперечной арматуры). Если насыщение продольной арматурой S/ > 1, 5% , то расстояние между поперечными стержнями не более 10 d и не более 300 мм. В местах стыка каркасов на длине перепуска стержней должно быть не более 10 d и не более 300 мм.

Б-1 При армировании внецентренно сжатых элементов плоскими сварными каркасами два крайних каркаса должны быть соединены один с другим для образования пространственного каркаса. Если крайние плоские каркасы имеют промежуточные продольные стержни, эти стержни не реже чем через 400 мм по ширине грани элемента должны связываться с продольными стержнями, расположенными у противоположной грани, с помощью шпилек. При больших размерах сечения элемента рекомендуется устанавливать промежуточные плоские сварные сетки.

Б-1 Конструкции вязаных хомутов должны быть такой, чтобы продольные стержни (по крайней мере через один) располагались в местах перегиба хомутов, а эти перегибы на расстоянии не более 400 мм по ширине грани элемента. При ширине грани не более 400 мм и числе продольных стержней у этой грани не более четырех допускается охват всех продольных стержней одним хомутом. Допускается независимо от ширины грани и числа стержней не располагать промежуточные стержни в перегибах хомутов, если эти стержни стоят от угловых стержней не далее чем на 15 dw. На концах вязаных хомутов должны предусматриваться крюки.

АРМИРОВАНИЕ КОЛОНН С e 0 > e a Б-1 1 – сварные плоские каркасы; 2 – соединительные стержни; 3 – шпильки; 4 – хомуты вязаные; 5 – конструктивная арматура

Б-5. Схема армирования монолитного перекрытия железобетонного

Б-6. Схема армирования железобетонной сегментной стропильной фермы пролетом 24 м

Б-7. Схема армирования железобетонной многопустотной плиты. Кубиковая и призменная прочность бетона.

Прочность бетона на осевое сжатие ( кубиковая прочность) • При осевом сжатии кубы разрушаются в результате разрыва бетона в поперечном направлении. • Наклон трещин разрыва обусловлен силами трения между плитами пресса и гранями куба. После разрушения куб приобретает форму двух усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. • Если устранить силы трения (смазкой) линии разрыва становятся вертикальными, а временное сопротивление уменьшается примерно вдвое.

ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ БЕТОННЫХ КУБОВ а – при трении по опорным плоскостям; б – при отсутствии трения; 1 – силы трения; 2 – трещины; 3 - смазка

СХЕМА РАБОТЫ БЕТОНА ПРИ СЖАТИИ а – концентрация напряжений у микро- и макропор; б – разрыв бетона в поперечном направлении; в – при наличии трения по опорным плоскостям; г – при отсутствии трения; 1 - смазка

По стандарту кубы испытываются без смазки контактных поверхностей. Прочность бетона одного состава зависит от размеров куба: – 150 150 R (базовый размер); – 200 200 0, 93 R; – 100 100 1, 1 R. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба и расстояния между его трещинами.

Призменная прочность • Кубиковая прочность непосредственно в расчетах не используется. • Призменная прочность меньше кубиковой и она уменьшается с увеличением отношений h/a. • При h/a=4 значение Rb становится почти стабильным (Rb 0, 75 R). Влияние гибкости при этом не сказывается, оно ощущается лишь при h/a 8. • Прочность бетона сжатию при изгибе также принимают Rb.

ГРАФИК ЗАВИСИМОСТИ ПРИЗМЕННОЙ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ОТ СООТНОШЕНИЯ РАЗМЕРОВ ИСПЫТЫВАЕМОГО ОБРАЗЦА

Б-8. Схема армирования железобетонной ребристой плиты

Схема армирования железобетонной стропильной балки пролетом 18 м (Б-12)

Б-3. Объясните эффект повышения прочности каменной кладки в результате армирования. Назовите виды армирования кладки. Оцените количественно эффект горизонтального армирования каменной кладки. • С целью повышения несущей способности каменных конструкций применяют следующие способы их армирования: – поперечное (сетчатое) – с расположением арматурных сеток в горизонтальных швах кладки (рис. 13. 1);

◦ продольное – с расположением арматуры снаружи кладки под слоем цементного раствора или в борозда, оставляемых в кладке и последующей их заливкой раствором (рис. 13. 2); ◦ армирование посредством включения в кладку железобетона – комплексные конструкции (рис. 13. 3); ◦ усиление посредством заключения элемента в железобетонную или металлическую обойму из уголков (рис. 13. 4).

ЭЛЕМЕНТЫ С СЕТЧАТЫМ АРМИРОВАНИЕМ • Применяются для повышения прочности тяжело нагруженных столбов или простенков малой гибкости, загруженных небольшими эксцентриситетами. • Для прямоугольных сечений при e 0 > 0, 17 h, а также при λh > 15 или λi > 53 – сетчатое армирование применять не следует.

• Повышение несущей способности сжатой кладки, усиленной сетчатым армированием, происходит в результате включения арматуры в работу на растяжение, что препятствует расширению кладки в поперечном направлении. • В центрально сжатой кладке сетчатое армирование более эффективно, чем армирование продольными стержнями в том же количестве.

ЦЕНТРАЛЬНОЕ СЖАТИЕ

Б-4. Какие требования предъявляются к сетчатому армированию кладки: диаметр стержней, расстояние между стержнями в сетках и сетками в рядах кладки. • Для изготовления сеток используется арматура классов A-I или Bp-I диаметром 3… 8 мм. При пересечении арматуры в швах d ≤ 6 мм. • Расстояние между стержнями должно быть не более 12 см и не менее 3 см. • Сетки могут быть прямоугольными (с перекрестными стержнями) при диаметре 3… 6 мм и типа «зигзаг» при диаметре 3… 8 мм (рис. 13. 1).

• Сетки типа «зигзаг» имеют только один ряд стержней (в одном направлении) и устанавливаются в двух смежных рядах. Две эти сетки эквивалентны одной прямоугольной сетке. • Сетки укладывают не реже чем через 40 см или через 5 рядов кладки из обыкновенного кирпича, через 4 ряда утолщенного кирпича и через 3 ряда кладки из керамических камней.

• При бóльшем расстоянии между сетками их влияние на несущую способность кладки незначительно, в этом случае армирование следует рассматривать как конструктивное. • Степень насыщенности кладки сетчатой арматурой характеризуется процентом армирования кладки по объему.

• Для сеток с квадратными ячейками из стержней сечением As 1 с размером ячейки с при расстоянии между сетками по высоте s: