Бетон – это искусственный композитный материал, имеющий сопротивление растяжению в 15 – 20 раз меньше чем к сжатию. Обладает свойствами хрупкости, ползучести и усадки. В конструкциях применяется при температурах от -700С до +500С.
В большинстве случаев изделия из бетона и железобетона являются более экономичными, чем аналоги из дерева, стали или других металлов.
При изготовлении линейных элементов расход стали снижается в 3 раза для пространственных конструкций плит или оболочек в 10 раз или более по сравнению с другими конструкциями.
Основные преимущества:
1. Высокая прочность;
2. Высокая огнестойкость;
3. Низкая стоимость;
4. Долговечность;
5. Коррозионная и химическая стойкость.
Основные недостатки:
1. Высокий удельный вес;
2. Низкое сопротивление к растяжению.
Основные перспективы:
1. Снижение массы (основной недостаток) путем применения высокопрочных материалов и предварительного напряжения;
2. Использование средств автоматизации и механизации при изготовлении конструкций;
3. Разработка новых и уточнение существующих методов расчета, автоматизация методов расчета и получение более достоверных расчетных схем;
4. Повышение долговечности при работе в агрессивных средах и улучшение качества сборных конструкций.
Особенности работы бетона и арматуры.
Средняя растяжимость бетона составляет:
Нормы снижают это значение до 
Средняя предельная сжимаемость:
Эти параметры непостоянны и зависят от класса бетона, вида напряженного состояния и др. факторов: влажность, температура, возраст бетона (бетон стареющий материал).
Рассмотрим работу бетонной и железобетонной балки
Х – высота сжатой зоны бетона
- ширина раскрытия трещины на уровне арматуры (А - арматура)
- напряжение верхней части
Rb- прочность бетона
Rs- прочность арматуры
«+», « - »-сжатие, растяжение
Бетонная балка:
При действии силы Р1 балка изгибается, ось балки искривляется. При росте силы Р1 в растянутой зоне при напряжении 
появляются трещины.
Когда деформация растянутого бетона становится равна предельной 
балка разрушается, при этом напряжения в этой зоне 
.
Таким образом, прочность в растянутой зоне исчерпана на 100%. Прочность в сжатой зоне исчерпана на 5-7%. Для повышения несушей способности растянутой зоны в ней устанавливают арматуру.
Железобетон
Поскольку предельная растяжимость 
, то при появлении первых трещин
разрушения балки не происходит. Сжатие воспринимается бетоном сжатой зоны высотой Х, растяжение в сечении с трещинами только арматурой, в сечении без трещин совместно арматурой и бетоном врастянутой зоне.
Разрушение железобетонной балки происходит при нагрузках Р в 15-20 раз больше чем в первом случае. В зависимости от количества арматуры разрушение будет происходить либо по сжатой зоне по бетону либо по растянутой зоне по арматуре.
При достаточном армировании прочность бетона и арматуры используется на 100%.
Железобетон – композитный материал, в котором бетон и арматура, объединенные сцеплением, работают под нагрузкой как единое целое. Армироваться могут также полностью сжатые элементы, поскольку сталь имеет более высокое сопротивление на сжатие и ее включение в состав конструкции снижает размеры сечения и повышает его несущую способность.
Rs = 200 МПа
Rb = 20 МПа
1. При этом бетон позволяет гибким арматурным стержням не терять устойчивость. Совместная работа бетона и арматуры обеспечивается выгодным сочетанием следующих факторов:
а) усиление среза на выступах и неровностях арматуры;
б) сцепление за счет усадки бетона;
в) сцепление за счет адгезии по поверхности.
Первая причина обеспечивает 75% всего суммарного сцепления. Сцепление обеспечивает совместную деформацию бетона и арматуры и отсутствие проскальзывания.
2. Плотность бетона защищает арматуру от коррозии и прямого воздействия высоких температур.
3. Арматура и бетон имеют близкие по значению коэффициенты температурного расширения в диапазоне от -500С до +500С. 
0С.
4. Ж/Б присущи свойство анизотропности, обусловленное наличием арматуры, неоднородностью бетона, зависимостью свойств бетона от направления действия нагрузки.
В элементах, работающих с трещинами анизотропность еще выше.
Поскольку предельное растяжение стали и бетона существенно отличается, то полная совместность их работы в растянутой зоне наблюдается только при малых нагрузках P<<Pult, далеких от разрушающих.
Будем считать, что до появления трещин деформация бетона и арматуры в конкретных точках одинакова.
= 
(1.1)
- напряжение в арматуре и бетоне в растянутой зоне
Es- модуль упругости арматуры
Eb- начальный модуль деформации бетона
νt- коэффициент упруго пластичности, показывает какую долю упругая деформации бетона составляет от полной деформации бетона
(1.2)
При упругой нагрузке νt= 1
При пластичной деформации 0,5 < νt<b
= ( 
) (1.3)
α - коэффициент приведения арматуры к бетону; показывает, что каждая единица площади арматуры заменяется на 
единиц площади бетона, то есть получим однородное бетонное сечение, которое будем рассматривать как модель.
В момент образования трещины напряжения в бетоне достигнут прочности на растяжение
àRbt , ser.Тогда в этот момент деформации арматуры и бетона в момент образования трещин
crc = 
s= b =2 Rbt, ser/Eb(1.4)
Напряжение в арматуре в момент достижения трещины
crc = 
с r с*Es= 2Es*Rbt, ser/Eb = 2Rbt,ser 
(1.5)
В10 – В60
Eb= (2 - 4) * 
МПа
Es= (1,8 - 2)* 
МПа - стержневая арматура
= 9 - 5
Rbt , ser= (0,85 - 2,75) МПа
Подставим в формулу (1.5) получим:
= ser = 
МПа
Таким образом, в большинстве конструкций трещины образуются при напряжениях в растянутой арматуре порядка 20 – 30 МПа, поэтому большинство конструкций работает с трещиной в растянутой зоне. Эксплуатационная нагрузка составляет 70% от разрушающей.
При наличии трещин возможно попадание влаги к арматуре, что приводит к ее коррозии. Развитие трещин приводит к увеличению трещин по глубине направлено к снижению жесткости сечения, увеличивает изгиб.
h>h1>h2
aс rc1<aс rc2
Исследования показали, что при ширине трещинacrc< 0,4 мм попадание влаги к арматуре практически не происходит. Поэтому раскрытие трещин больше этой величины в железобетонных конструкциях не допускается.
А приaсrc = 0,4 мм в гладкой арматуре будут напряжения не более 300 МПа (А240). А в арматуре периодичного профиля, сцепление которого в 2-3 раза выше напряжение не будет превышать 590 МПа. Поскольку нагрузки при этом должны соответствовать эксплуатационному уровню (70% от разрушающей), поэтому нормы с некоторым запасом запрещают применение арматуры класса выше А600 в конструкциях без предварительного напряжения.
Низкаятрещиностойкость является одним из основных недостатков ЖБК. Наиболее эффективным способом решения этой проблемы является предварительное обжатие зон бетона растянутых при эксплуатации. Это создается путем специальных мероприятий:
- натяжение арматуры до бетонирования и отпуск ее на бетон после твердения;
- натяжение арматуры на отвердевший бетон;
- применение саморасширяющихся бетонов (бетоны на специальном SR цементе).
Сутьпреднапряжения –создание в бетоне растянутой зоны до приложения эксплуатационной нагрузки напряжений обратного знака, то есть сжатия. После приложения внешней нагрузки эти дополнительные напряжения обжатия должны погаситься внешней нагрузкой, и затем в этой зоне появится растяжения и возможно трещины. В любом случае растяжение будет меньше, трещины появляются при больших нагрузках либо не появляется совсем по сравнению с обычной конструкцией без ПН.
Применение перенапряжения решает задачу облегчения конструкции, так как:
1. Уменьшается сечение, так как возрастает жесткость, и высота h может быть снижена;
2. Применяются высокопрочные материалы, за счет чего снижается металлоемкость и размер сечения;
3. снижение количества арматуры;
Перенапряжение позволяет применять железобетон в тех сферах, где обычные железобетонные конструкции применяться не могут (резервуары, большепролетные балки, шпалы железнодорожных путей).
Положительные свойства преднапряжения:
1. Повышение трещиностойкости;
2. Повышение жесткости при изгибе;
3. Снижение металлоемкости;
4. Повышение прочности при многократно повторяющихся нагрузках.
Отрицательные свойства:
1. Сложность изготовления;
2. Большая энергоемкость и трудоемкость;
3. Меньшая пригодность к реконструкции и восстановлению;
4. Пониженная огнестойкость и коррозионная стойкость.
Способы натяжения арматуры.
Для предварительного напряжения железобетонных элементов необходимо провести натяжение арматуры и передачи ее реактивного давления на бетон с целью его обжатия.
Различают два метода данного процесса:
· Натяжение на упоры - высокопрочная арматура до бетонирования натягивается и затем фиксируется в таком состоянии на жестком стенде. После укладки в форму бетона и набора им необходимой передаточной прочности Rbp арматура освобождается от натяжных приспособлений. Конструкция, стремясь укоротиться, обжимает бетон, а сама остается растянутой.
· Натяжение арматуры на бетон - конструкция размещается в каналах или пазах заранее изготовленного бетонного или железобетонного элемента. После достижения бетоном необходимой прочности с помощью приспособлений, опирающихся на готовый элемент, она натягивается, фиксируется посредством анкеров в натянутом состоянии и обжимает бетон. Впоследствии каналы инъецируют цементным раствором под давлением, а пазы заполняют бетоном.
Натяжка на упоры более целесообразна для заводских условий изготовления железобетонных конструкций и изделий. Первый метод, описанный выше более трудоемок, его практикуют в тех случаях, когда затруднено или не может быть осуществлено натяжение на упор, например при строительстве уникальных конструкций больших размеров или изготовлении монолитных конструкций.
Для натяжения арматуры используют несколько способов:
· механический;
· электротермический;
· электротермомеханический;
· физико-химический (самонапряжение).
Механический способ заключается в растяжении арматуры с помощью гидравлических или механических домкратов, рычагов, гаечных ключей, грузов и т. п. К нему относится предложенный проф. В. В. Михайловым способ непрерывной навивки конструкции. По этому способу натянутую проволоку навивают на штыри поворотного стола. В настоящее время разработаны навивочные машины, с помощью которых натянутую проволоку наматывают на штыри неподвижного стенда. Способ непрерывного армирования дает возможность создавать предварительно напряженные конструкции с одно- и двухосным обжатием для зданий промышленного и гражданского строительства. Непрерывное армирование используют также при натяжении арматуры резервуаров, силосных хранилищ и т. д.
Рис.3. Клиновой зажим пучка проволок: 1- шайба, 2 – конусная пробка,
3 – проволочная арматура
Электротермическим способом изготовляют около 80% всех предварительно напряженных конструкций. Стержни арматуры нагревают до температуры 300...350°Сс помощью электротока и в нагретом состоянии устанавливают в упоры формы. При остывании стержни, стремясь сократиться, натягиваются, что используется для обжатия бетона. Этот способ отличается простотой, малой трудоемкостью и сравнительно низкой стоимостью. Однако точность натяжения этим способом ниже, чем при других способах.
Электротермомеханический способ является комбинированным, он применяется при непрерывном армировании. Высокопрочную проволоку, нагретую электротоком до 300...350°С, навивают на упоры формы или стенда намоточной машиной. При этом необходимая мощность механических приспособлений для намотки значительно снижается. После остывания проволока дополнительно получает предварительное напряжение.
Рис. 4. А Способы закрепления стержней на упорах: а — приварка коротышей; б—осаживание конца стержня; в — приварка петли; 1 — упор, 2—арматурный стержень, 3 — коротыши длиною 50—60 мм, 4 — сплющенный конец стержня; Ь — петля из полосовой стали 25*6 мм. Б. Схема электронагрева стержня: — до нагрева; б — после нагрева, в — после остывания; 1 — форма; 2 — упор.
При физико-химическом способе используется свойство бетонов, изготовленных с применением расширяющихся цементов. При расширении бетона в процессе твердения арматура также удлиняется, отчего в ней создается предварительное напряжение. Принцип самонапряжения конструкций является весьма перспективным, так как дает возможность обойтись без сложных приспособлений для натяжения арматуры.
Дата: 2018-12-28, просмотров: 319.
