Материалы для железобетонных конструкций. Бетон.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ АРХИТЕКТУРНЫЙ ИНСТИТУТ»

(государственная академия)

Кафедра «Конструкций зданий и сооружений»

Основы железобетонных конструкций

Конспект лекций для студентов IV курса ( 7 – ой семестр)

по специальности «АРХИТЕКТУРА»

Составил: профессор кафедры, д. т. н. Л. И. ЯРИН

М О С К В А 2013

Содержание

Стр.

Лекция 1. Общие сведения о железобетонных конструкциях.

Материалы для железобетонных конструкций. Бетон. 3

Лекция 2 Арматура для железобетонных конструкций. 10

Лекция 3. Расчет прочности изгибаемых элементов по нормальным

Сечениям.19

Лекция 4. Расчет прочности нормальных сечений тавровой формы

И изгибаемых элементов по наклонным сечениям.

Поперечное армирование изгибаемых элементов.27

Лекция 5 Особенности статического расчета железобетонных

Конструкций. Понятие о предварительно напряженных

Железобетонных конструкциях. 35 Лекция 6. Расчет прочности сжатых элементов. 44

Лекция 7. Конструкции плоских железобетонных перекрытий. 51

Лекция 8 Конструкции плоских железобетонных перекрытий

Продолжение). 60

Лекция 9. Фундаменты гражданских и промышленных зданий. 67

Лекция 10. Каменные и армокаменные конструкции. 78

Список литературы. 88

Лекция 1

Общие сведения о железобетонных конструкциях.

Материалы для железобетонных конструкций. Бетон.

На протяжении нескольких веков бетон и железобетон являются самыми распространенными и доступными строительными материалами. Первые строительные растворы, обладающие связывающими свойствами, появились еще до нашей эры. Историки и исследователи утверждают, что в эпоху металлов (3200–1500 гг. до н. э.) известковый раствор уже использовался в строительстве. А за 100 лет до н. э. римляне применяли бетон из извести и каменных заполнителей. Родиной железобетона по праву считается Франция и вкратце вот история его появления. Французский садовник Ж.Монье выращивал пальмы, затем пересаживал их в глиняные горшки и отправлял для продажи в Англию. Горшки в дороге бились, пальмы погибали, садовник терпел убытки. Тогда Ж. Монье решил слепить кадку для пальмы из цемента. Он взял две деревянные бочки и поместил их одна в другую, а промежуток между стенками залил цементом, получив бетонную бочку. Для большей прочности он заключил ее в каркас из железных стержней, а потом покрыл каркас тонким слоем жидкого цемента. После затвердевания новая бочка оказалась на редкость прочной. Случилось это в 1849 г. но патент на это изобретение был получен в 1867 году, который и принято считать годом рождения железобетона. Кроме Ж. Монье были и другие изобретатели, которые в это же время экспериментировали с железобетоном. Так в 1848 году адвокат Жан Луи Ламбо первым соорудил лодку из железобетона. Показанная в 1855 году на Парижской выставке лодка Ламбо произвела сенсацию. Материал он назвал ферроцементом. В 1854 году штукатур из Ньюкасла В. Уилкинсон получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на расстоянии 2 фута друг от друга и заливаемых бетоном. Причем для повышения прочности перекрытия полосы укладывались в нижней части сечения, а над опорами отгибались в верхнюю часть. Несомненно, Уилкинсон был первым, кто понял принцип рационального армирования железобетона. В 1855 году Франсуа Куанье получил патент на метод армирования, предложив перекрестное размещение арматуры. Ее следовало заводить во все четыре стены, на которые опирается железобетонное перекрытие. Он же в 1861-м опубликовал брошюру «Применение бетона в строительном искусстве», где впервые указал на то, что бетон и стальные стержни в нем работают совместно. Первыми крупными объектами, возведенными по системе Ж. Монье, были резервуары для хранения воды емкостью до 250 м3. Первый железобетонный мост пролетом 16 м и шириной проезжей части 4 м был построен в 1875 г. В России в 1881 году Н.А. Белелюбский провел успешные испытания конструкций из железобетона. В 1893 г. из железобетона были построены переходные мостики, бассейн и сводчатые конструкции ГУМа в Москве, а позднее в 1896 г. построен железобетонный переходный мост пролетом 45 м на Нижегородской ярмарке. И с 1898 год железобетон стал применяться на строительных объектах Министерства путей сообщения, а далее и в гражданском строительстве. В настоящее время железобетон является ведущим строительным материалом по объему его применения.

Так в чем же сущность железобетона и секрет его успешного применения? Бетон это искусственный камень и как всякий камень он имеет малую прочность на растяжение и большую на сжатие. Рассмотрим бетонную балку, нагруженную поперечной нагрузкой (рис.1.1). Нижняя грань балки растянута, верхняя сжата. При увеличении нагрузки до определенной величины напряжения в нижней грани балки достигнут предела прочности бетона на растяжение и это приведет к образованию трещины. Трещина быстро разовьется и балка разрушится. При этом прочность сжатой зоны сечения будет далеко не исчерпана. Увеличить несущую способность бетонной балки можно, если ввести в ее растянутую зону армирующий материал, хорошо воспринимающий усилия растяжения. Лучшим из таких материалов оказалась сталь в виде арматуры.

Рис.1.1 Деформирование бетонной балки под нагрузкой:

а – бетонная балка; б – балка с армированием; 1 – нейтральная ось;2 – трещина;

3 – сжатая зона сечения балки; 4 – растянутая зона; 5 - арматура

Сочетание бетона и стали в железобетоне и их совместная работа под нагрузкой обуславливается удачным сочетанием физико-механических свойств этих материалов. Во-первых, при твердении бетона между ним и стальной арматурой возникает сильное сцепление. Во-вторых, сталь и бетон обладают близкими по значению коэффициентами температурного расширения. В силу этих двух причин в железобетонных конструкциях, при их деформировании под нагрузкой, не происходит проскальзывания арматуры относительно бетона. Наконец, слой бетона защищает стальные арматурные стержни от коррозии.

Железобетон получил широкое распространение в строительстве благодаря ряду своих положительных свойств. Он прочен, причем его прочность со временем возрастает, долговечен, огнестоек, стоек к влиянию атмосферных воздействий, хорошо сопротивляется динамическим нагрузкам, требует минимума эксплуатационных расходов. Бетон дешев и доступен, так как может быть приготовлен из местных строительных материалов, песка и щебня или гравия. Для архитекторов особенно важно то, что железобетонным конструкциям можно придавать любые, самые изощренные пространственные формы. К недостаткам железобетона можно отнести большой собственный вес, большие теплопроводность и звукопроводность, появление трещин в эксплуатационной стадии, сложность производства работ в зимний период и плохая ремонтоспособность.

Несмотря на отмеченные недостатки, железобетонные конструкции являются базой современного строительства. Из него возводятся промышленные и сельскохозяйственные здания, тепловые и атомные электростанции, гидротехнические сооружения, тоннели и шахты, а также гражданские здания самого различного назначения. Из железобетона возводятся: большепролетные тонкостенные конструкции (складки, оболочки, купола), мосты и эстакады, инженерные сооружения - трубы, башни, резервуары и т.д.

По способу возведения железобетонные конструкции бывают монолитные, сборные и сборно-монолитные. Монолитные изготавливаются непосредственно на строительной площадке (отливаются в опалубке), сборные изготавливаются на заводах и затем монтируются на строительной площадке, сборно-монолитные собираются из сборных элементов и омоноличиваются. Преимущество сборных железобетонных элементов в том, что они изготавливаются на заводах, где возможен строгий контроль качества изделий, их производство и монтаж не зависят от климатических условий, они обеспечивают высокий уровень производительности труда на строительной площадке. Недостатком является наличие монтажных швов, выполняемых в основном на электросварке. Это во-первых, понижает жесткость всего сооружения, во-вторых, требует защиты этих швов от коррозии. Для возведения монолитных железобетонных конструкций требуется предварительное устройство опалубки и ее раскрепление. Затем в опалубке устанавливается арматура и далее производится укладка бетона. Все эти операции более трудоемки, чем производство и монтаж сборных конструкций, однако монолитные конструкции обладают большей жесткостью, их можно сделать водонепроницаемыми и процесс укладки бетонной смеси может быть успешно механизирован. При применении электропрогрева монолитные железобетонные конструкции можно возводить и в зимнее время. Сборно-монолитные конструкции объединяют в себе основные преимущества сборных и монолитных конструкций. Омоноличивание стыков сборных элементов позволяет сохранять жесткость всего сооружения на уровне монолитного, обеспечивает лучшую водонепроницаемость, чем у сборного сооружения, обеспечивает защиту стыков от коррозии и позволяет экономить на опалубочных работах за счет использования сборных элементов в качестве опалубки. Существуют, однако, некоторые виды конструкций в которых опалубочные работы можно свести к минимуму. Например, комплексные конструкции перекрытий в которых монолитная железобетонная плита устраивается поверх профилированного стального настила или при возведении резервуаров для хранения жидкостей, в которых железобетонная стена резервуара облицовывается стальными листами, которые могут служить опалубкой. Если к стальной облицовке приварить анкерные стержни, то она включается в работу конструкции как несущий элемент, что значительно сокращает стоимость всего сооружения и увеличивает несущую способность конструкции.

Итак, одним из материалов составляющих железобетон является бетон. Для применения в железобетонных конструкциях бетон должен обладать вполне определенными физическими и механическими характеристиками – прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, плотностью строения для защиты арматуры от коррозии, а также рядом спецефических свойств, зависящих от назначения конструкции – таких как морозостойкость, жаростойкость, стойкость к воздействию агрессивных агентов и др.

Бетон образуется в процессе твердения бетонной смеси. Бетонную смесь составляют: вяжущее (как правило – цемент), вода и инертные заполнители (песок, щебень или гравий или искусственные заполнители). Иногда песок называют мелким заполнителем, а щебень - крупным. Цемент был изобретен Джозефом Аспдином в 1824 г. Он был получен путем добавления к извести тонкого порошка природной пуццоланы из местечка Портлэнд и потому получил название портландцемента. В отличие от воздушных вяжущих, извести, гипса и глины он первоначально применялся только для подводных работ. Смесь цемента с водой (цементное тесто) в процессе твердения образует сначала цементный гель, который обволакивает заполнители, а затем и цементный камень. Прочность бетона целиком определяется прочностью и пористостью цементного камня и зависит от водоцементного отношения (В/Ц), т.е. весового соотношения воды и цемента в единице объема бетонной смеси. Однако это свойство реализуется только в том случае, если в процессе изготовления бетона обеспечивается его плотность. Цементное тесто и песок составляют цементный раствор. Так вот, объем цементного теста должен быть не меньше объема пор в песке, а объем цементного раствора не меньше объема пор в крупном заполнителе. В противном случае в бетоне образуются межзерновые пустоты, которые снижают его прочность. Таким образом, при плотном бетоне, чем меньше воды по отношению к цементу, тем больше прочность цементного камня. Для протекания химических процессов и образования цементного камня достаточно В/Ц = 0,2, однако при таком малом количестве воды бетонная смесь по консистенции будет очень жесткой и из технологических соображений количество воды увеличивают. По консистенции бетонные смеси бывают подвижными и жесткими. Подвижные смеси получаются при В/ Ц > 0,5 и эти смеси при укладке заполняют опалубку под действием силы тяжести, тогда как жесткие смеси требуют применения механической вибрации. Избыточная вода в процессе дальнейшего твердения бетона частично связывается с цементом, увеличивая прочность бетона, а частично испаряется, образуя поры в цементном камне. Следовательно, с точки зрения консистенции жесткие смеси образуют бетоны с большей прочностью, требуют меньшего расхода цемента, что снижает затраты, зато требуют применения вибрации при укладке, что эти самые затраты увеличивает.

Бетоны классифицируют по многим признакам, однако для несущих конструкций в основном различают тяжелые и легкие бетоны. Тяжелый бетон средней плотности (от 2200 кг/м³ до 2500 кг/м³) получают, используя крупный заполнитель в виде щебня из твердых горных пород – гранита, диабаза, песчаника, известняка и др. и мелкий заполнитель в виде кварцевого песка. Если в качестве заполнителей используют природные или искусственные пористые материалы – перлит, пемзу, керамзит, шлак и им подобные получают легкий бетон с плотностью до 2200 кг/м³. Отметим также, что бетоны различают по гранулометрическому составу заполнителей – крупно- и мелкозернистые и по способу твердения – естественное или твердение при тепловой обработке или пропаривании.

Очень важными характеристиками бетона является его деформативность и прочность. Деформативность бетона, как и других строительных материалов, определяется зависимостью между деформациями и напряжениями. Эта зависимость определяется при испытании бетонных призм. На рис.1.2 представлена зависимость «деформация – напряжение» при растяжении и сжатии бетонного образца. Нагрузка на призму прикладывается этапами. На каждом этапе нагружения замеры деформаций производят дважды: сразу после приложения нагрузки и спустя определенное время. Первый замер дает величину упругого деформирования ε_t, второй полного деформирования ε_b. Разность между этими величинами характеризует деформирование бетона во времени при постоянной нагрузке и называется деформацией ползучести ε_pl. Деформации ползучести носят затухающий характер, однако они могут в несколько раз превышать упругие деформации. Если соединить результаты замера полных деформаций на значительном количестве этапов получим гладкую кривую, которая характерна для упругопластического материала. В строительных нормах в качестве величины характеризующей упругие свойства бетона приводится значение начального модуля упругости E_b. Этот начальный модуль упругости соответствует мгновенным деформациям при приложении нагрузки и равен тангенсу угла наклона кривой деформирования к оси ε_b в начале координат, рис.1.2.

Рис.1.2. Диаграмма зависимости σ – ε при сжатии и растяжении бетона:

1 – пластические деформации; 2 – упругие деформации; 3 – растяжение; 4 - сжатие

Что касается прочности, то гидратация цемента в твердеющем бетоне протекает в течение долгого времени (десятки лет) и все это время его прочность возрастает. Однако это процесс затухающий и в строительной практике договорились рассматривать прочностные свойства естественно твердеющего бетона в возрасте 28 суток. Прочность бетона получают испытанием на сжатие образцов в виде куба определенных размеров. Такую прочность принято называть кубиковой. В реальных конструкциях один размер всегда преобладает над другими и принято оперировать в расчетах понятием призменная прочность. Призменная прочность меньше кубиковой, так как в призме исключается влияние способа приложения нагрузки на торцы образца.

Несколько слов об усадке бетона. Бетон во влажной среде увеличивается в объеме, а при высушивании уменьшается. Это его свойство называется усадкой. Усадка особенно проявляется в период твердения и затухает после первого года существования конструкции. Величина усадки зависит от количества цементного теста в объеме бетона: чем его больше, тем больше усадка. Поэтому в начальный период твердения бетона его необходимо увлажнять, иначе возможно возникновение усадочных трещин. Наряду с температурными деформациями усадка также служит причиной того, что в протяженных железобетонных и бетонных конструкциях необходимо устраивать деформационные швы.

Для целей проектирования бетонных и железобетонных конструкций в строительных нормах устанавливаются показатели различных бетонов в виде классов и марок, основными из которых являются: класс по прочности на сжатие - B, класс по прочности на осевое растяжение - B_t, марка по морозостойкости – F, по водонепроницаемости – W.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие, является временное сопротивление сжатию стандартного образца в виде куба с ребром 15 см., испытанного в возрасте 28 дней при естественном твердении при температуре 20^о C. Для тяжелого бетона установлены классы от В3,5 до В60. Это означает, что бетон В60 имеет временное сопротивление сжатию 60 МПа (600 кг/см²). Однако на практике уже существуют и применяются бетоны класса В90 и выше.

Класс по прочности на осевое растяжение устанавливается испытанием специальных образцов имеющих форму восьмерок. Для всех бетонов класс по прочности на растяжение установлен от B_t 0,8 до B_t3,2.

Марка по морозостойкости F (для тяжелого бетона от F50 до F500) определяет число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое увлажненный бетон способен выдержать при снижении прочности не более чем на 15%.

Марка по водонепроницаемости от W2 до W12 устанавливается при применении бетона для конструкций требующих водонепроницаемости. Цифры в названии марки означают

давление воды (кгс/см²) которое должен выдерживать стандартный образец из бетона без признаков просачивания.