Железобетонные и каменные конструкции Лектор

Железобетонные и каменные конструкции Лектор – доцент кафедры Строительных конструкций, к. т. н. Козлов Александр Вячеславович

Введение Л Сущность железобетона е Бетон – искусственный камень, у которого прочность на сжатие в порядок (примерно раз в 10) превосходит прочность на растяжение. Поэтому он мало пригоден для конструкций, подверженных растяжению или изгибу – он разрушится от разрыва к растянутой зоны при очень небольших нагрузках, задолго до исчерпания прочности сжатой зоны. ц и я 1

Введение Л Сущность железобетона Если в растянутую зону ввести стальную арматуру (стержни, канаты и т. п. ) и обеспечить е ее надежное сцепление с бетоном, то после образования трещин она возьмет на себя все растягивающие усилия, оставив бетону только сжимающие. А прочность арматуры на растяжение в сотни раз выше чем у бетона. к ц и Бетон – материал более долговечный, чем арматурная сталь, он (бетон) менее подвержен коррозии. я Кроме того, по сравнению со сталью, бетон обладает более высокой огнестойкостью, т. е. дольше сохраняет несущую способность при действии высокой температуры, что особенно важно для эвакуации при пожаре. 1 Поэтому арматура, уложенная внутрь бетонного тела, хорошо защищена слоем бетона от коррозии и высокой температуры. У бетона и арматуры практически одинаковые коэффициенты температурного расширения.

Введение Л Сущность железобетона Железобетон – это композиционный материал, представляющий собой рациональное е сочетание бетона и стальной арматуры. Единственным и достаточным условием существования железобетона как материала является совместность работы бетона и арматуры. к Совместность работы бетона и арматуры обеспечивается: 1. Сцеплением арматуры с бетоном. ц 2. Анкеровкой арматуры в бетоне. Сцепление арматуры с бетоном достигается с помощью: 1. Механического зацепления. и 2. Склеивания (адгезии, прилипания). 3. Трения. Так как для гладкой арматуры фактор зацепления практически отсутствует или крайне мал, я то основным условием непродергивания арматуры в бетоне является трение и склеивание. Учитывая незначительность трения и склеивания арматуре придают периодический 1 профиль.

Физико–механические свойства бетона Л Прочностные характеристики бетона Кубиковая прочность бетона на сжатие R. е Для определения прочности бетона на сжатие принят стандартный куб со стороной 150 мм (его прочность соответствует 1). Если из того к же бетона изготовить куб со стороной 200 мм, то он покажет прочность 0, 93. А со стороной 100 мм – прочность 1, 1. Существует ц специальная таблица переводных коэффициентов результатов испытаний и нестандартных образцов в результаты стандартных. я 1

Физико–механические свойства бетона Л Прочностные характеристики бетона Кубиковая прочность бетона на сжатие R. е При осевом сжатии кубы разрушаются в поперечном направлении. Наклон трещин разрыва обусловлен силами к трения между подушками пресса и гранями куба. Направленные внутрь, они препятствуют свободным поперечным деформациям куба и ц создают эффект обоймы. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от и торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб принимает вид двух усеченных пирамид, сложенных малыми я основаниями. Если влияние сил трения устранить путем смазки контактных поверхностей, поперечные 1 деформации проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а

Физико–механические свойства бетона Л Прочностные характеристики бетона Призменная прочность бетона на сжатие Rb. е Наиболее точно соответствует реальной прочности бетона в конструкциях, ее определяют испытанием стандартных призм размерами 150 х600 мм. к Этот размер выбран, поскольку с увеличением отношения h/a>4 влияние сил трения на торцах ц уменьшается, в то же время влияние гибкости при этом не сказывается до h/a=8. и Но изготовление призмы требует вчетверо больше бетона, чем изготовление куба, а их испытание – довольно трудоемкое дело и требующее я дополнительных приборов. Поэтому в строительной практике призмы заменены кубами размерами 150 х150 мм, хотя их прочность R 1 примерно на 35 % выше, чем Rb. Это, главным образом, вызвано влиянием сил трения между плитами пресса и опорными гранями куба. Rb и R связаны между собой

Физико–механические свойства бетона Л Прочностные характеристики бетона е к ц и я 1

Физико–механические свойства бетона Л Прочностные характеристики бетона Прочность бетона на срез Rsh. е В чистом виде срез – это разделение образца на части по сечению, параллельно которому приложена перерезывающая сила. к При этом значительное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающие, как шпонки, в плоскости ц среза. и я 1

Бетон Л Классы и марки бетона по прочности на сжатие е Марка М – это средняя кубиковая прочность бетона Rm в (кг/см 2). Например, марка бетона М 200 означает, что кубы, сделанные из этого бетона, при испытании на прессе должны выдержать в среднем 200 (кг/см 2). к Этот, довольно простой способ определения прочности не учитывает важного показателя – разброса результатов испытаний. ц и я Получается, что бетон с однородными показателями приравнивается к неоднородному бетону, если их средняя прочность одинакова. Этот подход привел к тому, что конструкции, выполненные из бетона одной и той же 1 марки, могут иметь разную надежность.

Бетон Л Классы и марки бетона по прочности на сжатие е Учет однородности материала, заложенный в современных Нормах, обеспечивается тем, что в качестве основной характеристики принята не марка бетона, а его класс, который представляет собой прочность стандартных кубов, полученную с к обеспеченностью 0, 95. Установить класс бетона по результатам испытаний кубов помогает теория вероятностей. ц Классом бетона по прочности на осевое сжатие В (МПа) и называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размерами ребра 15 см, испытанных через 28 суток я хранения при температуре 200 С по ГОСТу с учетом статистической изменчивости прочности. 1

Бетон Л Классы и марки бетона по прочности на сжатие е Как и любой другой материал, бетон обладает неоднородной прочностью – от Rmin до Rmax. Считается, что распределение контрольных результатов испытаний при достаточном к количестве образцов подчиняется закону нормального распределения. ц и я 1

Бетон Л Классы и марки бетона по прочности на сжатие е к ц и я 1

Бетон Л Классы и марки бетона по прочности на сжатие На оси абсцисс кривой распределения наименьшее контролируемое значение е прочности для заданного класса – временное сопротивление В – расположено на расстоянии λσ влево от значения Rm. к ц и я 1

Бетон Л Классы и марки бетона по прочности на сжатие То есть В=Rm-λσ или В=Rm(1 -λVm). е В теории вероятностей при обеспеченности 0, 95 коэффициент λ=1. 64. Таким образом: B=Rm(1 -1. 64 x 0. 135)=0. 78 Rm к ц и я 1

Бетон Л Классы и марки бетона е В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий их эксплуатации, назначают следующие основные показатели качества бетона: к - Класс прочности на осевое сжатие В – в проекте указывают всегда как основную характеристику (B 3. 5…B 60); - Класс по прочности на осевое растяжение Вt – назначают при необходимости и при ц условии контроля на производстве (Вt 0. 8… Вt 3. 2); - Марка по морозостойкости F (F 50…F 500) – характеризуется количеством циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии без потери прочности и более 15%; - Марка по водонепроницаемости W (W 2…W 12) – характеризует предельное я давление воды в кг/см 2, при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый образец. - Марка по средней плотности D (D 800…D 2400) – характеризует среднюю плотность 2 (кг/см 3);

Бетон Л Физико – механические свойства Структура бетона е В результате взаимодействия цемента и воды в бетонной смеси происходит химическая реакция гидратации цемента, т. е. процесс образования химических к соединений минералов цемента с водой. Большая часть этих химических соединений представляет собой студнеобразную масс –гель. Некоторые же соединения имеют кристаллическую структуру. В условиях термовлажностного режима происходит твердение ц цементного теста: кристаллы пронизывают массу геля и срастаются между собой, а гель, приобретая более густую и консистенцию, постепенно твердеет с уменьшением своего объема. При перемешивании бетонной смеси цементное тесто я обволакивает зерна заполнителей и в результате твердения зерна заполнителей оказываются скрепленными в единый монолит. 2 Затвердевшее цементное тесто называют цементным камнем.

Бетон Л Физико – механические свойства Количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, в основном е определяется требованиями удобоукладываемости. Из этого количества воды только малая часть - примерно 20% от веса цемента - вступает в химическое соединение с к цементом, а остальная часть является избыточной. Избыточная вода разбавляет гель и частично, вместе с воздухом, заполняет микропоры (капилляры) твердеющего бетона, постепенно испаряясь. ц Таким образом, по структуре бетон представляет собой грубо неоднородное тело, в котором бессистемно расположены зерна заполнителя различной крупности и формы, скрепленные и цементным камнем, и которое содержит поры и пустоты, заполненные водой и воздухом. Такая структура бетона я определяет его особые физико – механические свойства. Происходящие в процессе твердения бетона физико – химические явления (кристаллизация, уменьшение объема геля, испарение избыточной воды и др. ) 2 приводят к изменению свойств бетона с течением времени.

Бетон Л Физико – механические свойства Усадка бетона е При твердении на воздухе бетон уменьшается в объеме (усадка), а при твердении в воде – несколько увеличивается (набухание). По данным опытов величина усадки в 2 -3 к раза больше величины набухания. Усадка вызвана рядом причин. Основными из них являются уменьшение объема твердеющего геля и капиллярные движения и испарения воды в микропорах. Усадка ц бывает двух видов. Химическая усадка – связана с взаимодействием цемента и воды. Примерно оценивается в 5%–от общей с потерей влаги из Основная усадка связана усадки, когда конструкция находится в воздушной среде. и капилляров. Поверхностные слои, которые быстрее высыхают, испытывают растяжение, а я внутренние – сжатие. Это вызывает появление усадочных трещин в поверхностных слоях, а во внутренних слоях – сжимающих напряжений. 2

Бетон Л Физико – механические свойства Усадка бетона е Также свободным деформациям усадки цементного камня по всему объему конструкции препятствуют заполнители, что приводит к возникновению к дополнительных внутренних начальных напряжений. Начальные напряжения, возникающие под влиянием ц усадки, непосредственно не фигурируют в расчете прочности конструкций. Их и учитывают расчетными коэффициентам к характеристикам прочности. я Уменьшить начальные усадочные напряжения в бетоне можно конструктивными мерами – армированием элементов и устройством усадочных швов в конструкциях, а 2 также технологическими мерами – подбором состава, увлажнением поверхности бетона и т. д.

Бетон Деформативные свойства Л Упруго-пластические свойства. е Бетон – материал упруго-пластический, вследствие чего закон Гука для него При действии внешней нагрузки деформации бетона состоят из двух неприменим. частей: упругой (εel) – обратимой и пластической (εpl) – необратимой. к ц и я εbu – предельная сжимаемость бетона (2%% или 0. 002); 2 εb. max – максимальная сжимаемость на нисходящей Rb – временное сопротивление бетона ветви диаграммы; сжатию. εbtu – предельная растяжимость бетона; Rbt – временное сопротивление бетона

Бетон Деформативные свойства Л е к ц и я 3

Бетон Деформативные свойства Л Деформативность бетона также зависит от скорости его нагружения v: при мгновенном загружении (например, ударе) пластические деформации ничтожно малы, при е кратковременном – весьма заметны, при длительном – очень велики (в несколько раз больше чем упругие). Прочность же при длительном нагружении, наоборот, к уменьшается, что в расчетах учитывается коэффициентом условий работы γb 2. ц и я Пластические свойства бетона вызывают такое явление, как ползучесть: рост во времени деформаций (εп) при постоянном напряжении (σb). Чем выше напряжения (σb) 3 или чем ниже прочность бетона (Rb), тем больше деформации ползучести (εп). Наиболее интенсивно деформации ползучести (εп) проявляются в первое время после приложения нагрузки, затем они постепенно затухают в течении нескольких лет.

Арматура Общие сведения Л Стальная арматура - это гибкие или жёсткие стержни из стали, в основном соединенные между собой различными способами, размещённые в массе бетона в е соответствии с эпюрами изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, от нагрузок, действующих на конструкцию. Арматуру в железобетонных конструкциях устанавливают преимущественно для к восприятия растягивающих усилий (As), и, реже, для усиления бетона сжатых зон конструкций (As’). Арматура, площадь сечения (Аs или As’) которой определяют расчётом на действие ц нагрузок и воздействий, называется рабочей. По характеру воспринимаемых усилий (от изгибающего момента или от и перерезывающей силы) и, как следствие, пространственной ориентации, арматура может быть продольной и поперечной. Арматура, устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям (без я расчета), называется монтажной (конструктивной). Она обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции, более равномерно распределяет усилия между отдельными ее стержнями, а также может воспринимать обычно не учитываемые расчетом 3 от усадки бетона, температурных колебаний и т. п. Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия – сварные и вязаные каркасы и сетки которые и размещают в железобетонных элементах в

Арматура Общие сведения Л е Устройство продольной рабочей арматуры для восприятия усилий от изгибающего момента к ц и я 3

Арматура Общие сведения Л Устройство продольной и поперечной рабочей арматуры для восприятия усилий от изгибающего момента и перерезывающей силы е к ц и я 3

Арматура Общие сведения Л Арматуру классифицируют по четырем основным признакам. По технологии изготовления различают стержневую и проволочную арматуру. е По способу последующего упрочнения горячекатанная арматура может быть термически упрочненной (подвергнутой термической обработке) или упрочненной в холодном к состоянии вытяжкой (волочением). По форме поверхности арматура бывает гладкой и периодического профиля. Профиль значительно улучшает сцепление с бетоном. ц По способу применения при армировании железобетонных элементов различают напрягаемую (подвергаемую предварительному натяжению) и ненапрягаемую арматуру. и я 3

Арматура Механические свойства арматурных сталей Л Характеристики прочности и деформаций арматурных сталей устанавливают по диаграмме σ s – ε s , получаемой из испытаний образцов на растяжение. В зависимости от е характера диаграммы, различают ”мягкие” и ”твердые” арматурные стали. ” Мягкая ” арматура ( А 240, А 300, А 400 ) на диаграмме к растяжения имеет три главных участка : упругие деформации (действует закон Гука) от 0 до σ pl ; площадку текучести при напряжениях σ pl (предел текучести) и упруго-пластические ц деформации (криволинейный участок). В расчетах учитывают 1 и 2 участки. Текучесть стали в той или иной степени учитывается расчетах. и Третий участок в расчетах не участвует – деформации там я настолько велики, что в реальных соответствуют условиях разрушению 3 конструкции.

Арматура Механические свойства арматурных сталей Л ”Твердая” или высокопрочная арматура (классов А 500, А 600 и выше, В-II, Вр-II, К-7, К-19) не имеет физического предела текучести, она упруго деформируется до предела е пропорциональности, а затем диаграмма постепенно искривляется. В качестве границы безопасной работы принят условный предел к текучести σ 0. 2 , при котором остаточные, т. е. пластические удлинения составляют 0, 2%. У высокопрочных сталей прочность выше, чем у ”мягких”, но зато меньше удлинение при разрыве δ, ц т. е. у них хуже пластические свойства, они более хрупкие. При малых δ может произойти хрупкое (внезапное) обрушение конструкции и даже при небольших перегрузках : арматура разорвется, когда прогибы я малы, а раскрытие трещин незначительно – т. е. когда конструкция не ” подает сигналов ” 3 предупреждающих об своем опасном состоянии. арматура любого класса должна иметь величину равномерного Поэтому относительного удлинения при разрыве δ, как правило, не менее 2%.

Арматура Механические свойства арматурных сталей Л В обычных конструкциях (без предварительного напряжения) применение сталей с R s >400 МПа (4000 кг / см 2 ) нецелесообразно, поскольку если напряжения в ней (стали) е достигнут больших значений, то начнется раздробление сжатой зоны бетона вследствие превышения его (бетона) предельной сжимаемости εbu = 0. 2%=0. 002. к σ=E∙ε – закон Гука; ε s = ε b – деформации бетона примерно соответствуют деформациям ц арматуры; и я Es=2 100 000 кг/см 2 εbu = 0. 2%=0. 002. σ=2 100 000 (кг / см 2 )∙ 0. 002=4200 3 (кг/см 2) В обычных (не предварительно напряженных) нормально армированных конструкциях разрушение происходит при одновременном достижении предельных значений прочности как в бетоне, так и в арматуре.

Арматура Механические свойства арматурных сталей Л Арматура класса А 240 имеет самые высокие пластические свойства. Именно поэтому монтажные петли практически всегда делают из арматуры данного класса, позволяющей е загибать стержни с малыми радиусами кривизны. Если аналогичные петли изготавливать из высокопрочной стали, то в них образуются к трещины, которые приведут к излому петель, если не в процессе изготовления, то в процессе подъема самой конструкции, что более опасно. ц и я 3

Железобетон Сцепление арматуры с бетоном Л е к ц и я 3

Железобетон Сцепление арматуры с бетоном Л Сцепление характеризуется длиной зоны анкеровки е l an , т. е. такой длиной заделки арматуры в бетоне, которая обеспечивает полное использование к прочности стали. Т. е. если стержень заделан на величину l x >l an , то выдернуть его из бетона невозможно, он разорвется или потечет в другом ц месте при усилии N s =R s ∙A s ; если на величину l x

Железобетон Сцепление арматуры с бетоном Л Зависимость lan от диаметра арматуры. При увеличении диаметра вдвое площадь сечения увеличивается вчетверо. Вчетверо е (при той же прочности) увеличивается и усилие в стержне. Чтобы удержать этот стержень в бетоне от выдергивания, нужно вчетверо больше сил сцепления, в то время как периметр, а значит площадь контакта арматуры с бетоном возросли только вдвое. к Следовательно, нужно еще вдвое увеличить площадь контакта, т. е. вдвое увеличить длину анкеровки. ц Зависимость lan от сопротивления арматуры Rs. С увеличением R s растет и выдергивающее усилие N s =R s ∙A s. Для удержания арматуры и требуется увеличить сумму сил T сц , а это возможно (при прочих равных условиях) только увеличив длину анкеровки арматуры в бетоне. Поэтому, чем выше R s , тем больше требуемая величина lan. я Зависимость lan от прочности бетона Rb. 3 Чем выше прочность бетона ( R b ) тем выше его адгезия (силы склеивания) с металлом. Чем выше прочность бетона, тем лучше его выступы сопротивляются силам зацепления выступов арматуры. Поэтому чем выше Rb тем меньше величина lan.

Железобетон Сцепление арматуры с бетоном Л Если арматуру невозможно заделать на величину l an , то ее необходимо заанкерить е дополнительно. Например концы монтажных петель загибают в ”крюки”, концы рабочих стержней в узлах ферм загибают в ”лапы” или привают к ним ”коротыши”. к ц и я 3

Железобетон Усадка железобетона Л В железобетонных конструкциях усадка протекает иначе, чем в бетонных, поскольку присутствует влияние арматуры. Усадка ж. б. меньше, чем бетона, так как арматура е препятствует его свободным деформациям. При этом от усадки в арматуре возникают сжимающие усилия, а в бетоне – растягивающие. к Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетоны ε sl и стесненной усадки ц армированного элемента ε sl, s : ε bt = ε sl - ε sl, s возникают средние растягивающие напряжения в и бетоне : σ bt = ε bt E bt. Следует отметить, что ε bt это условные псевдодеформаци, на самом я деле их нет. Они могли бы быть при отсутствии арматуры. 4 Однако фактическое отсутствие деформаций εbt влечет появление напряжений в бетоне и арматуре.

Железобетон Усадка железобетона Л Наибольшие значения этих напряжений находятся в зоне контакта с арматурой. Деформации ε sl, s являются для арматуры упругими, и в ней возникают сжимающие е напряжения ε sl = ε sl, s E s. Уравнение равновесия внутренних усилий в ж. б. элементе в нашем случае имеет вид: σs. As=σbt. A где As – площадь сечения арматуры, A – площадь сечения элемента. к Отсюда σs= σbt(A/As)= σbtμ. Где μ = ( А s /A)100 % – коэффициент армирования (в большинстве случаев для нормально армированных конструкций μ примерно ц 3%). Усадка зависит от величины свободной усадки бетона (т. е. класса бетона), процента армирования элемента и соотношения и модулей упругости бетона и арматуры. С увеличением содержания арматуры растягивающие я напряжения в бетоне увеличиваются, и если они достигают предела прочности на растяжение R bt , образуются усадочные трещины. 4 Во избежание этого протяженные конструкции делят усадочными швами на блоки. Поскольку внутренним усилиям от усадки эквивалентны усилия от понижения температуры (для 0

Железобетон Ползучесть железобетона Л После приложения нагрузки N бетон и арматура укорачиваются на величину, соответствующую относительной деформации ε sl, s (благодаря сцеплению, они работают е совместно). В бетоне устанавливается сжимающее усилие Nb 1, а в арматуре Nsc 1. Затем, вследствие ползучести, деформации увеличиваются на величину ε pl. Поскольку арматура работает упруго, сжимающие напряжения в ней с течением времени к возрастают по закону Гука на величину Δσ sc = ε pl E s, а усилие – на величину Δ N sc = σ sc A s , т. е. N sc 2 =N sc 1 + Δ N sc. Но если N sc увеличивается, а внешняя сила N постоянна, то, в соответствии с условием равновесия ц (N=Nb 1+Nsc 1=Nb 2+Nsc 2 ), уменьшаются усилие и напряжения в бетоне. Происходит перераспределени и е напряжений : бетон частично разгружается, а я арматура дополнительно нагружается. 4

Железобетон Коррозия бетона и арматуры в железобетоне Л Коррозия бетона. На основании опыта эксплуатации конструкций и экспериментальных исследований е процессы, протекающие при коррозии бетона, разделены на 3 группы. В первую группу объединены все те процессы коррозии, которые возникают в бетоне при к действии мягких вод, когда составные части цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой (особенно при фильтрации через бетон). Для повышения стойкости бетона к этой коррозии используют бетон повышенной ц плотности, естественную или искусственную карбонизацию поверхностного слоя бетона, специальные цементы (в частности пуццолановые), гидроизоляцию поверхности бетона, облицовку или пропитку бетона. и Ко второй группе относятся те процессы коррозии, которые развиваются в бетоне при действии вод, содержащих химические вещества (кислые и магнезиальные соли), я вступающие в реакцию с составляющими цементного камня. При этом продукты реакции либо легко растворяются и уносятся водой, либо в виде аморфной массы, не обладающей вяжущими свойствами, остаются на месте реакции. 4 Для защиты бетона от этой коррозии осуществляют выбор специального вяжущего и надежную изоляцию поверхности в виде покрасок, облицовок и т. д.

Железобетон Коррозия бетона и арматуры в железобетоне Л В третью группу входят такие процессы коррозии, при развитии которых в порах и е капиллярах бетона происходит накопление малорастворимых солей. При этом их кристаллизация вызывает возникновение значительных напряжений в стенках пор и к капилляров, что приводит к разрушению структурных связей бетона. Сюда же относятся процессы коррозии при действии сульфатов, когда разрушение бетона вызывается ростом кристаллов гидросульфоалюминатом кальция. ц Основные мероприятия по борьбе с этой коррозией сводятся к выбору цемента в зависимости от условий службы конструкции и степени агрессивности среды, введение воздухововлекающих, пластифицирующих добавок, повышение плотности бетона и различными способами, в том числе применением низких В/С. В естественных условиях наблюдается воздействие на бетон одновременно ряда я факторов, но, как правило, один из них является решающим. 4

Железобетон Коррозия бетона и арматуры в железобетоне Л Коррозия арматуры. В подавляющем большинстве случаев коррозия арматуры происходит при содействии е кислорода, входящего в состав воздуха и воды. Коррозия, продуктом которой является ржавчина, вызывается также химическими или электрохимическими реакциями, в которых участвует кислород. Продукты ржавчины накапливаются на арматуре, давят на бетон, к вызывают в нем появление трещин, а затем и отслоение защитного слоя. Коррозия всегда начинается с поверхности металлического изделия и постепенно распространяется вглубь. В железобетоне арматура покрыта тонкой эластичной пленкой затвердевшего цементного ц теста, которая защищает ее от доступа воздуха и воды. В зависимости от вида конструкции толщина защитного слоя бетона колеблется от 10… 20 мм и более. Однако и если в защитном слое образуются трещины, то создаются благоприятные условия для развития коррозии. Особенно подвержена коррозии арматура в бетоне сооружений, находящихся в районах, загрязненных примесями окиси азота, сернистого газа и т. д. Эти я газы растворяются в капельках влаги и, попадая на поверхность металла, сильно ускоряют процесс коррозии. Наиболее вредным является сернистый газ. Растворяясь в воде, этот газ образует серную кислоту. 4 Защитить арматуру от такой активной коррозии могут специальные антикоррозионные покрытия, а для предупреждения коррозии необходимо обеспечить трещиностойкость конструкций, добиваться высокой плотности бетона для уменьшения его проницаемости,

Основы теории сопротивления железобетона Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Л Эксперименты с изгибаемыми железобетонными элементами показали, что при постепенном увеличении внешней нагрузки можно выделить три основные стадии НДС. е Стадия 1. Начальная нагрузка на элемент. Продолжается до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления к растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно. При малых нагрузках на ц элемент напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят в и основном упругий характер. Зависимость между напряжениями и я деформациями – линейная, эпюры нормальных 5 напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения – треугольные.

Основы теории сопротивления железобетона Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Л Стадия 1 а. С увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие е деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. Этим характеризуется конец стадии 1. В расчетах для упрощения эпюру растянутого бетона принимают прямоугольной. По этой стадии к производят расчет на образование трещин. ц и я 5

Основы теории сопротивления железобетона Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Л Стадия 2. Начинается после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие е усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами – бетоном и арматурой совместно. С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоны к развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется. Конец стадии 2 характеризуется началом заметных пластических деформаций в ц арматуре. Стадия 2 – стадия эксплуатации, по ней производят расчеты прогибов и ширины раскрытия трещин. и я 5

Основы теории сопротивления железобетона Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Л Стадия 3. Стадия разрушения. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в стержневой е арматуре достигают своего предела текучести. Напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают временного сопротивления сжатию. Разрушение начинается с арматуры к растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такое разрушение называется пластическим. В элементах с избыточным содержанием ц арматуры (переармированных) разрушение происходит по бетону сжатой зоны. Стадия 2 переходит в стадию 3 внезапно. Разрушение и переармированных элементов происходит при неполном я использовании растянутой арматуры и 5 называется хрупким.

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Классический метод расчета по допускаемым напряжениям Л Поскольку железобетон в явном виде был изобретен больше столетия назад, то специальные методы расчета до 1930 х годов отсутствовали. Поэтому расчет ж. б. е конструкций осуществлялся также, как и расчет любых других конструкций : рассматривалась только упругая работа с некоторыми особенностями материаловедения. В то время существовал классический метод расчета по к допускаемым напряжениям. Суть его заключалась в том, что для стадии эксплуатации определялись напряжения, возникающие в бетоне и арматуре, а для надежной работы ц конструкции, эти напряжения не должны были превышать допускаемые. Т. е. σb≤[σb], σs≤[σs], причем [σb]=Rb/k; где к – коэффициент запаса. Для упрощения расчетов использовались приведенные сечения. Например для и центрально-нагруженного элемента: N=A[σ ]+A [σ ] – максимальная допускаемая нагрузка на элемент; b s s σ=ε·E – закон Гука; я n=Es/Eb – коэффициент приведения; N=A · [σ b ]+ n·A s ·[ σ b ] - максимально допускаемая нагрузка на элемент по приведенному сечению. 6 N=(A+n·As)·[σb]

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Классический метод расчета по допускаемым напряжениям Л е Для однородного упруго работающего материала такой метод расчета давал полную к ясность с каким запасом работает конструкция. Недостатки классического метода: ц ü Бетон рассматривается как упругий материал, без учета усадки, ползучести, деградационных процессов. ü Нет реального представления о запасе прочности, который меняется в процессе и эксплуатации (в силу переменного модуля упругости бетона). ü Для данного расчета необходимо знать напряжения внутри материала, определить которые бывает затруднительно. я 6

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Гипотеза о предельном равновесии Л В 1933 году Артур Фердинандович Лоллейт выдвинул гипотезу предельного равновесия. Постулаты гипотезы предельного равновесия: е 1. Перед разрушением сечение железобетонных конструкций находится в равновесии. к 2. Перед разрушением материал конструкции находится в предельном состоянии: ц Σх=0; Rb·b·x=Rs·As ΣM=0; M- Rb·b·x(h 0 -x/2) =0 или M-Rs·As·(h 0 -x/2)=0 и 3. Напряжения в бетоне растянутой зоны принимают равными нулю. я Гипотеза предельного равновесия: Разрушение железобетонных нормально армированных 6 конструкций происходит, как правило, при достижении предельных значений прочности как бетона, так и арматуры.

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по разрушающим (предельным) нагрузкам Л Метод расчета по разрушающим нагрузкам основывается на гипотезе предельного равновесия. Суть метода заключается в том, что сначала определяют максимальную или е предельную нагрузку на конструкцию, а затем применяют к ней коэффициент запаса. Т. е. сначала определяется Nmax , а эксплуатационная нагрузка составляет Nmax/k, где к – коэффициент запаса. к Например, для центрально сжатой колонны: Nразр=Rb·A+Rs·As – разрушающая нагрузка на элемент; ц Nэкспл=Nразр/k – эксплуатационная нагрузка. и Преимущества: ü Простота представления разрушающего усилия. ü Четкое знание коэффициента запаса для данной нагрузки в конструкции. я Недостатки: ü Неясность в применении высокопрочных сталей. ü Не учитываются колебания нагрузки и характеристики материала, которые носят 6 вероятностный характер. ü Не рассматривается эксплуатационная надежность сооружения (возможность ü Нормальной эксплуатации).

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л Этот метод был введен в СССР в качестве руководящего принципа расчетов е строительных конструкций с 1 января 1955 г. В дальнейшем метод распространился по всему миру и был положен в основу стандартов ИСО и Еврокода, где получил название “метод частных коэффициентов к надежности”. Два названия метода “предельных состояний” и “частных коэффициентов надежности” отражают наиболее существенные стороны метода, при этом каждая из них имеет ц определенную независимость. Если рассматривать метод с точки зрения использования предельных состояний, то следует учесть, что в основе лежит идея отказа от детального анализа всех состояний и конструкции, кроме предельных, для которых и формулируются расчетные требования к сооружению. я Например, приняв за предельное состояние условие прочности, и запроектировав конструкцию таким образом, чтобы с достаточной степенью вероятности можно было говорить о том, что она не разрушится в течении всего срока службы, мы ничего не 6 можем сказать об уровнях напряжений в ней при обычных (не предельных) условиях эксплуатации.

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л Метод с точки зрения предельных состояний. е С этой точки зрения почти равноправными могут оказаться конструкция плотины, обычный уровень загружения которой не очень далек от предельного (например 80% от расчетного), и конструкция дымовой трубы, к обычный уровень загружения которой примерно 15% от расчетного значения. На первый взгляд о равноправии не может идти речи. Однако в идее метода предельного равновесия предполагается одинаковая ц вероятность нарушения предельного условия в обоих случаях – и исчерпание 20% запаса в случае плотины, и исчерпание 85% запаса в случае трубы. и я 6

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л Метод с точки зрения частных коэффициентов надежности. е С этой точки зрения можно сказать о том, что вместо одного общего коэффициента запаса используется произведение нескольких (частных) коэффициентов, каждый из которых связан с определенной стороной проблемы безопасности: характером нагрузки, к свойствами материала, степенью ответственности объекта и т. д. Именно детализация в применении комбинации частных коэффициентов надежности обеспечивает равную вероятность реализации предельного состояния двух сооружений, ц обычное состояние которых резко отличается степенью близости к предельному. Данная точка зрения чаще присутствует в описании метода, и переход от единого и коэффициента запаса к нескольким считается главным отличием метода предельных состояний от применявшегося до него метода расчета по допускаемым напряжениям. В этом смысле прижившееся в отечественной литературе название “метод предельного я равновесия” не выполняет своей роли, а наиболее распространенная трактовка метода, скорее может быть отнесена к названию “метод частных коэффициентов надежности”, применяемых за рубежом. 6

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л Предельные состояния. Предельное состояние – это состояние конструкции, при наступлении которого е конструкция перестает удовлетворять предъявленным к ней требованиям, т. е. теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получает недопустимые значения деформаций или ширины раскрытия трещин. к 1 -ое предельное состояние должно обеспечить прочность, устойчивость, выносливость ц конструкций. 2 -ое предельное состояние служит для предотвращения образования и чрезмерного раскрытия трещин (если те предусмотрены по условиям эксплуатации), а также и чрезмерных перемещений (прогибов, углов поворота). Между 2 группами предельных состояний есть качественная разница: я - 1 группа защищает от обрушения; - 2 группа отвечает за комфортность эксплуатации. Для 2 -й группы предельных состояний есть 3 основных вида ограничений по 6 деформациям: - Конструктивные (деформации не должны мешать другим конструкциям); - Технологические (не должны мешать работе оборудования);

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л е Коэффициенты запаса (частные коэффициенты надежности). С учетом возможной изменчивости нагрузок в большую сторону, а прочностных характеристик – в меньшую, расчетная несущая способность элемента определяется с к использованием системы коэффициентов надежности и условий работы. 1. Коэффициенты надежности по нагрузке γf – принимаются в зависимости от статистической изменчивости нагрузки, ее вида, предельного состояния (0. 9≤ γf ≤ 1, 4). ц 2. Коэффициенты надежности по бетону γb – принимают в зависимости от вида бетона и вида напряженного состояния (0. 9≤ γf ≤ 1, 4 ). и 3. Коэффициент надежности по арматуре γs – принимают в зависимости от класса арматуры и группы предельных состояний (1≤ γs ≤ 1, 2 ). 4. Коэффициенты условий работы бетона γbi – учитывают особенности свойств бетона, я характер загружения конструкции, условия эксплуатации и т. д. (0, 45≤ γs ≤ 1, 35). 5. Коэффициенты условий работы арматуры γsi – принимается в зависимости от вида арматуры, ее назначения и условий применения, характера загружения конструкции и 6 т. д. (0, 19≤ γsi ≤ 1).

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л Нормативные и расчетные сопротивления бетона и арматуры. Нормативное сопротивление бетона сжатию Rbn - это призменная прочность с е обеспеченностью 0, 95. Нормативное сопротивление арматуры растяжению Rsn - это физический или условный к предел текучести с обеспеченностью 0, 95. Строительные конструкции должны обладать запасом несущей способности, который ц предохраняет их от неприятных случайностей и обеспечивает долговечность. Поэтому в расчетах по прочности используют не нормативные, а более низкие – расчетные сопротивления материалов - взятые с запасом по отношению к нормативным. и Rb= Rbn/γb - расчетное сопротивление бетона сжатию; Rs= Rsn/γs – расчетное сопротивление арматуры растяжению; я Значение γ тем больше, чем больший разброс прочности у материала. Если у конструкции в процессе эксплуатации чрезмерно раскрылись трещины или 6 прогибы превысили допустимые значения, то в большинстве случаев последствия этого не столь опасны как при обрушении. Поэтому в расчетах по 2 -ой группе предельных состояний в основном используют нормативные сопротивления Rbn , Rsn.

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л В рамках 2 -ой группы предельных состояний к конструкциям предъявляются требования по трещиностойкости. е 1 -ая категория трещиностойкости - трещины не допускаются (резервуары, газгольдеры, бассейны и т. д. ); к 2 -ая категория – допускается ограниченное раскрытие трещин, т. е. трещины допускаются при кратковременной нагрузке с определенной шириной раскрытия. При снятии кратковременной нагрузки трещины должны закрыться. ц 3 -я категория - трещины с шириной раскрытия до (0, 3 – 0, 4)мм допускаются как при кратковременном, так и при длительном загружении конструкции. К таким конструкциям относится большинство: перекрытия жилых и общественных зданий, многие и производственные сооружения, т. е. там, где длительное раскрытие трещин не приводит к коррозии арматуры. я Сущность метода расчета по предельным состояниям заключается в том, что максимальное усилие в сечении при неблагоприятных обстоятельствах изменчивости 6 нагрузки в большую сторону не должно превышать предельную (минимальную) несущую способность сечения, определенную при наименьших возможных значениях прочностных характеристик материала.

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л Классификация нагрузок При общих прочностных расчетах, корректнее говорить не об нагрузках, а об е воздействиях на сооружение. В первом приближении воздействия условно можно разделить на внешние и внутренние, а с другой стороны – на силовые и кинематические. к Характер Силовые Кинематические ц воздействия Внешние воздействия Нагрузки воздействия Неравномерная и воздействия Внутренние осадка Предварительно Температурные я воздействия е напряжение перемещения Однако следует учесть, данная классификация не учитывает специфических 6 особенностей взаимодействия сооружения с окружающей средой (коррозия, химическое взаимодействие, выкрашивание и т. д. ). Например грунтовые воды могут быть агрессивны к бетону фундамента.

Развитие методов расчета ж. б. конструкций Метод расчета по предельным состояниям Л Классификация нагрузок Силовые нагрузки и воздействия (в дальнейшем нагрузки) более подробно е классифицируются следующим образом: к Постоянные ц Нагрузки Нормативные Временные Длительные и Расчетные Кратковременные Особые я 6

конструкции Сущность и создание предварительного напряжения Л Определение Это конструкция, в которой до приложения внешней нагрузки искусственно создают е внутренние напряжения, как правило, противоположные по знаку тем напряжениям, которые будут возникать при действии внешней нагрузки. Способы создания к Существует два основных способа создания предварительного напряжения рабочей арматуры: ц 1 способ – “натяжение арматуры на бетон”. Сначала бетонируют конструкцию, оставляют в ней каналы. В через эти каналы пропускают арматуру. и После набора бетоном необходимой прочности арматуру натягивают, а ее концы закрепляют на торцах конструкции. При этом происходит сжатие (обжатие) бетона. Поскольку усилие натяжения передается на уже затвердевший бетон, способ называется я “натяжением на бетон”. 7

конструкции Сущность и создание предварительного напряжения Л 2 способ - “натяжение арматуры на упоры” Сначала натягивают арматуру и закрепляют ее концы на упорах стенда или формы. е Затем бетонируют конструкцию. После набора бетоном необходимой прочности арматуру отпускают с упоров. Упруго укорачиваясь, арматура обжимает бетон за счет сил сцепления. к ц и я 7

конструкции Преимущества преднапряженных конструкций Л Преимущества заключаются в повышении трещиностойкости и жесткости конструкции. Сравним работу балок с обычной арматурой S и напрягаемой арматурой Sp. У обычной е балки прогиб f начинается с 0 и растет по мере роста нагрузки F. У преднапряженной балки до приложения нагрузки F от действия силы обжатия P уже имеется выгиб (отрицательный прогиб) fcp. Очевидно, что при одинаковом значении F прогиб к преднапряженной балки будет меньше обычной. Таким же образом преднапряжение влияет и на трещинообразование. ц Кроме того, преднапряжение позволяет применять высокопрочные бетоны и арматуру, что дает снижение расхода материалов и собственной массы конструкции. и я 7

конструкции Влияние преднапряжения на прочность конструкций Л Непосредственного влияния на прочность конструкции предварительное напряжение не оказывает. е Если рассмотреть центрально растянутый элемент, то видно, что после образования трещин вся растягивающая сила N к воспринимается только арматурой. Ее несущая способность Nsu=Rs. As и определяет прочность элемента, независимо от ц того, был он преднапряженным или нет. Влияние натяжения на прочность арматуры На первый взгляд, должна снижаться – ведь к началу приложения внешней нагрузки и арматура уже растянута и использовала часть своей прочности. В действительности дело обстоит иначе. При передаче на бетон силы обжатия P арматура и бетон совместно укорачиваются, я поэтому в арматуре растягивающее усилие уменьшается на величину ΔP, а бетон обжимается силой Nb=P- ΔP. Чтобы восстановить исходное состояние, к железобетонному элементу надо 7 приложить внешнюю растягивающую силу N=Nb+ΔP, т. е. N=P. Следовательно прочность арматуры сохраняется.

конструкции Способы натяжения арматуры Л Арматуру натягивают или механическим (гидродомкратом, грузом, рычагом) или электротермическим методом. е Сущность электротермического метода. Изготавливают стержни с определенной, точно выверенной длиной, с анкерами по концам. Затем стержни нагревают сильным током до температуры не выше 350… 4000 С (иначе к произойдет разупрочнение арматуры). При нагреве стержни удлиняются и в таком состоянии их закрепляют на упорах. ц В процессе охлаждения стержни стремятся укоротиться, т. е. вернуться в исходное состояние, а упоры этому препятствуют – в результате в арматуре возникают растягивающие усилия. и Следует отметить, что канаты (К-7, К-19) нельзя натягивать электротермическим методом, поскольку невозможно обеспечить одинаковый нагрев всех проволок. Арматуру классов В-II, Вр-II а также классов Ат1200 и выше натягивать таким способом я можно, но не имеет смысла, поскольку нагрев до 350… 4000 С позволяет достичь предварительного напряжения не выше 650 -700 МПа, в то время как прочностные возможности этих классов намного выше. 7 Для натяжения подобной арматуры применяют либо электротермомеханический метод, совмещающий электротермический и механический методы, либо просто механический метод.

конструкции Потери предварительных напряжений в арматуре Л От момента натяжения арматуры до начала приложения внешней нагрузки на элемент часть величины предварительного натяжения σsp безвозвратно теряется в результате е релаксации напряжений стали, температурного перепада, деформации анкеров, трения отогнутой арматуры, деформации формы, ползучести и усадки бетона и т. д. к Потери напряжений разделяют на первые и вторые. ц Первые потери проявляются в процессе изготовления, до окончания обжатия бетона. Вторые потери – после изготовления, до начала эксплуатации конструкции. и Потери так разделяют потому, что преднапряженная конструкция в разные периоды испытывает разные нагрузки, на действие которых необходимо проверять прочность и я трещиностойкость. Сразу после изготовления – силу обжатия и собственный вес при подъеме и перевозке. В это время в напрягаемой арматуре проявились только первые потери, сила обжатия еще 7 велика, а прочность бетона мала. К началу эксплуатации проявились и первые, и вторые потери, сила обжатия уменьшилась, а прочность бетона выросла до проектного значения.

конструкции Потери предварительных напряжений в арматуре Л Зависимость потерь напряжений от способа натяжения арматуры. е При натяжении на упоры. К первым потерям относят потери: к ü От релаксации напряжений стали (σ1); ü От перепада температуры (σ2); ц ü ü От деформации анкеров (σ3); От трения арматуры об огибающие приспособления и (σ4); ü От деформации формы (σ5); ü От быстронатекающей ползучести (σ6); я Ко вторым потерям относят потери: 7 ü От усадки бетона (σ8); ü От длительной ползучести бетона (σ9);

конструкции Потери предварительных напряжений в арматуре Л Зависимость потерь напряжений от способа натяжения арматуры. е При натяжении на затвердевший бетон релаксация напряжений стали и полная ползучесть бетона проявляются уже после обжатия, поэтому: к К первым потерям относят потери: ü От деформации анкеров (σ3); ц ü От трения арматуры о стенки каналов (или о поверхность бетона) (σ4); и Ко вторым потерям относят потери: я ü ü ü От релаксации напряжений в бетоне (σ7); От усадки бетона (σ8); От ползучести бетона (σ9); 7 ü Некоторые другие, связанные с особенностями самой конструкции.

конструкции Контролируемое напряжение в арматуре σcon Л Это напряжение в арматуре, которое контролируют приборами в процессе изготовления преднапряженной конструкции и величина которого зависит от технологии изготовления. е При механическом натяжении на упоры. Контроль осуществляется в ходе самого натяжения, потери от деформаций к анкеров и от трения арматуры при перегибах (при их наличии) происходят также в ходе натяжения, поэтому σcon= σsp – σ3 – σ4. ц При электротермическом натяжении. Заготовочную длину стержней назначают не только с учетом создания предварительного и напряжения σ sp , но и с учетом потерь напряжения от деформаций анкеров ( σ 3 ) и деформаций формы (σ5). В этом случае σcon= σsp – σ4. я При натяжении на бетон контроль осуществляют в ходе натяжения, когда одновременно с натяжением арматуры происходит упругое укорочение бетона, которое учитывают при 7 назначении величины σcon. Значение σ con необходимо указать в чертежах преднапряженной конструкции, а если технология изготовления неизвестна, то указываются поименные расчетные значения первых потерь (кроме потерь от быстронатекающей ползучести).

конструкции 100 суток для преднапряженного железобетона Л Это срок с момента изготовления конструкции, в течение которого она должна быть е загружена проектной нагрузкой. Именно исходя из этого срока выведены формулы для определения потерь напряжений от усадки и ползучести бетона. к Если конструкция загружена в более раннем возрасте, то это благоприятное состояние : меньше потери напряжений, больше сила обжатия, выше жесткость и трещиностойкость. Если конструкция пролежала на складе более 100 суток, то потери напряжений превысят ц расчетные значения. Такую конструкцию необходимо пересчитать (а иногда испытать) и, возможно, использовать под более низкие нагрузки. и я 7

конструкции Передаточная прочность бетона Л Это кубиковая прочность бетона в момент обжатия Rbp. Как правило, она меньше проектной прочности (класса В). е Ждать, пока бетон наберет 100% проектной прочности, - нецелесообразно, особенно в условиях заводского изготовления. Поэтому назначают такую минимальную величину R bp , которая обеспечила бы прочность и трещиностойкость конструкции при обжатии, подъеме к и перевозке, полагая, что до приложения эксплуатационных нагрузок бетон наберет проектную прочность. ц Следует учесть, что: ü чем ниже Rbp, тем больше потери от ползучести, тем меньше сила обжатия; и ü чем выше R bp , тем больше продолжительность термообработки, тем дороже конструкция. я Опыт показывает, что в большинстве случаев оптимальной является величина Rbp=0. 7 В. 7