Минестерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический университет

Кафедра: «Сопротивление материалов»

Конспект лекций

По дисцеплине: «Железобетонные и каменные конструкции»

Составил:

Старший преподаватель: Бондарев М. В.

Мариуполь 2007 г.

Введение.

Краткая история развития железобетона. Появле­ние железобетонных конструкций было исторически обу­словлено бурным развитием производительных сил в се­редине прошлого века, потребовавшим строительства фабрик, заводов и других сооружений, отличных по своим конструктивным решениям от старинных зданий патри­архальной эпохи. Применявшиеся ранее каменные конст­рукции были тяжелы и трудоемки в изготовлении, метал­лические конструкции не были огнестойки, подвергались коррозии. Техническая возможность возникновения же­лезобетона была подготовлена, поскольку достаточное развитие получили цементная и сталелитейная промыш­ленность.

За дату рождения железобетона принято считать 1850 г., когда француз Ламбо изготовил лодку из прово­лочной сетки, обмазанной цементным раствором, которая в 1855 г. демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже. Широкое развитие железобетона в России связано с именем проф. Н. А. Белелюбского, который в 1888 и 1891 гг. в Москве и Петербурге произвел пуб­личные испытания различных натурных железобетонных конструкций (плит, сводов, труб, мостов и т.п.). Первые технические условия на железобетонные конструкции в России были изданы в 1908 г.,- а в 1913 г. в России уже было использовано в конструкциях 3,5 млн. м³ бетона и железобетона.

После Великой Октябрьской социалистической рево­люции железобетон в нашей стране получил особенно широкое распространение.

Из железобетона возведены крупнейшие по тому вре­мени гидростанции (Волховстрой, Днепрогэс, Свирьстрой). Высокие эксплуатационные качества и требова­ния экономии металла обусловили широкое применение железобетона в промышленном строительстве. Из желе­зобетона сооружены заводы тяжелого машиностроения '(Магнитогорский, Краматорский, Запорожсталь и др.). Применялся в основном монолитный железобетон в мно­гоярусных рамах, арках, сводах. В 1928 г. появились пер­вые сборные железобетонные конструкции. В эти годы трудами советских ученых (А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев

Рнс. В,1. Схемы разрушения балок: _

1 — сжатяя зона; 2 — растянутая зона: 3 — арматура

и др.) разработаны основы современной теории и прак­тики железобетона, обусловившие создание наиболее Прогрессивных решений и методов расчета.

Огромную роль в деле развития и внедрения железо? бетона в нашей стране сыграло постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 19 августа 1954 г. «О раз­витии производства сборных железобетонных конструкций и деталей для строительства». За короткий срок бы­ло введено в строй большое количество предприятий по производству сборных железобетонных конструкций, произведены унификация и типизация конструкций, раз­работаны прогрессивные методы их монтажа. Железобе­тон стал основой современного капитального строитель­ства. Наша страна занимает первое место в мире по про­изводству сборного железобетона.

Сущность железобетона. Железобетон состоит из бетона и стальной арматуры, рационально расположенной в конструкциях для воспринятая растягивающих, а в ря­де случаев —сжимающих усилий. Бетон, будучи искус­ственным камнем, хорошо сопротивляется сжатию и зна­чительно хуже (в 10...20 раз) —растяжению. Эта особен­ность бетона наиболее неблагоприятна для изгибаемых и растянутых элементов, широко распространенных в зда­ниях и сооружениях. Так, при приложении нагрузки в верхней зоне сечения балки возникает сжатие, в ниж­ней— растяжение (рис. В.1,й). Когда напряжения в рас­тянутой зоне достигнут предельного сопротивления бетона растяжению, образуется трещина и происходит хруп­кое разрушение балки задолго до того, как будет исполь­зована прочность бетона на сжатие. Несущая способ­ность такой балки ограничена низким сопротивлением бетона растяжению. Отмеченное обстоятельство сильно сужает область применения неармированного бетона, де­лая его рациональным главным образом в сжатых эле­ментах.

Армирование (усиление) растянутой зоны изгибае­мых элементов материалами, обладающими значительно более высокой прочностью на растяжение, чем бетон, по­зволяет существенно повысить их несущую способность. Таким материалом чаще всего является сталь, а конст­рукции, полученные на основе рационального объедине­ния бетона и стали при условии обеспечения их совмест­ной работы, называются железобетонными. Рассмотрим особенности их работы под нагрузкой на примере желе­зобетонной балки. Предположим, что в растянутой зоне уложена мягкая сталь (рис. В.1,6). В процессе загружения рассматриваемая балка будет вначале работать по­добно бетонной. После образования трещин в бетоне рас­тянутой зоны балка не разрушится, так как растягива­ющие усилия будут восприняты арматурой. Разрушение в этом случае наступит вследствие развития текучести стали и последующего раздавливания бетона сжатой зо­ны. Несущая способность армированной балки намного выше, чем бетонной. Опыты показывают, что при эксплу­атационных нагрузках, составляющих обычно 0,5...0,7 от разрушающих, напряжения в арматуре не более 250... ...300 МПа, а прогибы конструкций и ширина раскрытия трещин не превышают допустимых значений. В такой конструкции бетон может быть полностью использован в работе на сжатие, а арматура — на растяжение.

В последние годы в строительстве большинства промышленных развитых стран четко обозначилась тенденция к экономии стали —наиболее дефицитного материала, в котором нуждаются те многие отрасли промышленно­сти, где он не может быть заменен другими материалами. В связи с этим все более широкое распространение по­лучают арматурные стали, обладающие высокой прочно­стью (600 МПа и выше). Экономическая выгода от их применения обусловлена не только снижением расхода металла, но и тем обстоятельством, что стоимость таких сталей растет медленнее, чем прочность. Работа балки, армированной высокопрочной сталью (рис. В.1,е), прин­ципиально не будет отличаться от работы балки, изобра­женной на рис. Б.1,6 (при том же количестве арматуры), однако несущая способность ее будет значительно выше. Вместе с тем в такой балке еще до исчерпания несущей способности прогибы и ширина раскрытия трещин возра­стают настолько, что становятся недопустимыми по ус­ловиям эксплуатации. Это обстоятельство ограничивает применение высокопрочной арматуры в обычных железо­бетонных конструкциях.

О Исследования показали, что высокопрочную сталь можно успешно применять в предварительно напряжен­ных конструкциях. Идея предварительного напряжения родилась около ста лет назад и заключается в том, что­бы предварительно натянуть арматуру и закрепить ее в таком состоянии, а после укладки и твердения бетона отпустить ее. При этом арматура, стремясь сократиться, обжимает бетон. Конструкции такого типа и называются предварительно напряженными.

При приложении нагрузки к предварительно напряженной балке (рис. В,1,г) растягивающие напряжения в нижней зоне сечения суммируются со сжимающими на­пряжениями от предварительного натяжения, и только тогда, когда последние погасятся, в нижней зоне будут возникать растягивающие напряжения. В этом случае трещины появляются при значительно более высокой на­грузке по сравнению с балкой без предварительного на­пряжения, в результате чего прогибы конструкций и ши­рина раскрытия трещин при эксплуатационных нагруз­ках остаются в допустимых пределах. Таким образом, в предварительно напряженных конструкциях удастся эффективно использовать арматуру высокой прочности, благодаря чему этот вид железобетона в настоящее вре­мя является наиболее перспективным.

Длительное время предварительно напряженный же­лезобетон рассматривался как особый строительный материал, существенно отличающийся по своим свойствам от обычного ненапряженного железобетона. Однако, как показали исследования, в любых железобетонных конст­рукциях возникают начальные напряжения. В обычном железобетоне они всегда имеют место вследствие прояв­ления усадки и ползучести, действия температуры и т. п., а в предварительно напряженном, кроме того, они созда­ются искусственно путем обжатия бетона арматурой. Такой подход, характерный для советской научной шко­лы, позволил рассматривать железобетон с ненапрягаемой арматурой как разновидность предварительно напряжен­ного железобетона.

• Совместная работа арматуры и бетона. Усиление бетонных элементов арматурой возможно, если обеспече­на их совместная работа. Опыты показывают, что и в этом смысле сталь является практически идеальным партнером бетона. Это обусловлено в первую очередь следующими обстоятельствами: 1) хорошим сцеплением бетона и арматуры; 2) бетон и сталь обладают близкими коэффициентами температурной деформации [сш = 12-10-⁶; сш = (7...15) 10~⁶], вследствие чего в обычных условиях (при температурах от —20 до-50^оС) эксплуатационные качества конструкций не снижаются; 3) бетон при соблюдении определенных требований (содержании цемента не менее 250 кг/м³, обеспечении защитного слоя и т.п.) является надежной защитой арматуры от корро­зии, высоких температур, механических повреждений.

• Достоинства и недостатки железобетона. К основ­ным преимуществам железобетона, обеспечивающим ему широкое распространение в строительстве, относятся: ог­нестойкость, долговечность, высокая механическая проч­ность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям, возможность возводить конструкции рациональной формы, малые эксплуатаци­онные расходы (по сравнению с деревом и металлом), хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных материалов. Затра­ты энергии на производство железобетонных конструк­ций значительно ниже, чем металлических и каменных. Недостатки железобетона: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок и усилений; необходимость выдержки до приобретения прочности, появление трещин вследствие усадки и сило­вых воздействий. Многие из этих недостатков могут быть устранены путем применения бетонов на пористых заполнителях, специальной обработки (пропаривания, вакуумирования и т.д.), предварительного напряжения н т.п.

■ Способы изготовления и возведения железобетон­ных конструкций. Различают железобетонные конструк­ции монолитные, сборные и сборно-монолитные.

При возведении монолитных железобетонных кон­струкций на месте строительства устанавливают опалубку (форму), в нее укладывают арматуру и бетонную смесь. После достижения бетоном необходимой прочности опа­лубку снимают, получая монолитную конструкцию. Та­кие конструкции, как правило, малоиндустриальны, тру­доемки, требуют большого расхода материала на распалубку и подмости, а в зимнее время — энергии на про­грев бетона. Кроме того, необходима выдержка бетона до приобретения им проектной прочности. Из монолитно­го железобетона возводятся сооружения, трудно поддаю­щиеся членению на однотипные элементы и требующие повышенной жесткости {фундаменты под прокатное обо­рудование, гидротехнические сооружения и т.п.).

В последние годы производство конструкций и соору­жений из .монолитного бетона в значительной степени Индустриализовано. Применяют стационарную, переставную или скользящую опалубку, которая может быть ис­пользована многократно; бетон и арматурные изделия (каркасы, сетки) изготовляют на специальных заводах и поставляют транспортом на строительную площадку. Подача бетонной смеси, ее распределение я уплотнение производятся механизированным способом. Вместе с тем в монолитных сооружениях отсутствуют весьма трудоем­кие работы по устройству стыков, характерных для сбор­ных элементов, требующих значительного расхода ста­ли. Вследствие этого сооружения или их элементы из мо­нолитного железобетона в ряде случаев оказываются экономически более выгодными, чем из сборного {ядра жесткости зданий большой этажности, фундаменты и т. п.).

Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 15 августа 1985 г. «О дальнейшем развитии ин­дустриализации и повышении производительности труда в капитальном строительстве» предусмотрены разработ­ка и осуществление в 1986—1990 гг. комплекса мер по внедрению монолитного бетона и железобетона в про­мышленное и жилищное строительство.

При возведении зданий и сооружений из сборных железобетонных конструкций вначале на специальных заводах или полигонах изготовляют отдельные элемен­ты, из которых на строительной площадке возводят соо­ружения. Такой способ индустриален, так как предпола­гает заводское изготовление и механизированный мон­таж. При этом обеспечивается современная технология изготовления, рациональные конструктивные формы, воз­можность изготовления и монтажа в зимнее время. Тру­доемкость снижается в 3...4 раза по сравнению с моно­литными конструкциями. Сборные железобетонные конст­рукции наиболее целесообразны, когда количество типов элементов ограничено и применение их предусматри­вается в зданиях различного назначения. Для этого не­обходима максимальная унификация и типизация конст­руктивных схем, пролетов, нагрузок.

В настоящее время производство сборных железобе­тонных элементов ведут по стендовой, конвейерной, по­точно-агрегатной и другим технологическим схемам. Стендовую технологию используют при производстве крупноразмерных элементов (ферм, балок покрытий, ко­лонн и т.п.). В этом случае изделие остается неподвиж­ным в процессе изготовления, а агрегаты, выполняющие технологические операции (бетоноукладчики, вибраторы и т.п.), перемещаются вдоль неподвижных форм (стен­дов). При конвейерной технологии изготовляемые одно­типные элементы (панели перекрытий и т. п.) перемеща­ются от одного неподвижного агрегата к другому специ­альными транспортными устройствами. По мере передви­жения осуществляются необходимые технологические операции. При поточно-агрегатной технологии опреде­ленные группы рабочих операций производят в соответ­ствующих отделениях (постах) завода, а форма с изде­лием перемещается от одного поста к другому кранами. Эта технология применяется при мелкосерийном произ­водстве.

Несмотря на прогрессивность в целом сборного желе­зобетона ему присущи и определенные недостатки: зна­чительные затраты на создание и реконструкцию произ­водственной базы, на транспортные расходы по доставке изделий с завода к месту строительства и т. п.

При применении сборно-монолитных железобетон­ных конструкций вначале укладываются сборные желе­зобетонные элементы, играющие также роль опалубки, а затем они бетонируются. При выполнении определен­ных несложных требований обеспечивается сцепление сборного и монолитного бетонов, которые в даль­нейшем совместно работают в конструкции под нагруз­кой. Такой способ возведения позволяет отказаться от опалубки и ускорить производство работ по сравнению с монолитными конструкциями, К недостаткам относится необходимость доставки и укладки наряду со сборными элементами монолитного бетона на строительной пло­щадке.

Сборно-монолитные конструкции особенно целесооб­разно применять в сооружениях с высокими нагрузками, когда сборные конструкции оказываются слишком тяже­лыми и громоздкими и требуют специального подъемно-транспортного оборудования. Из сборно-монолитных конструкций выполняют гидротехнические сооружения, убежища гражданской обороны и т. п.

Б Области применения железобетона. Железобетон применяют в самых разнообразных отраслях строитель­ства, находя в каждой из них свои оптимальные формы. Из железобетона возводят промышленные одноэтажные (см. рис. 11.1) и многоэтажные здания, жилые и общест­венные здания различного назначения (см. рис. 12.1), сельскохозяйственные постройки. Широко применяют же­лезобетон в инженерных сооружениях, транспортном, гидротехническом и энергетическом строительстве, судо­строении, машиностроении и т. п.

Наряду с железобетонными применяют также бетон­ные конструкции, в которых арматура либо совсем от­сутствует, либо устанавливается в очень небольших ко­личествах и не учитывается расчетом (фундаментные и стеновые блоки, подпорные стены, плиты аэродромных покрытий и т. п.).

Проведенные в последние годы исследования показа­ли, что железобетон может найти широкое применение в сооружениях, возводимых на Луне, так как лунный грунт может быть использован для получения вяжу­щего.

В Направления развития железобетона на ближайшие годы. Исследования показывают, что железобетон на долгие годы останется основным материалом в строи­тельстве. Это объясняется практически неограниченными ресурсами сырья для изготовления вяжущих и заполни­телей, относительно небольшим расходом стальной ар­матуры, высокими конструкционными и эксплуатацион­ными качествами железобетона, его относительно низкой энергоемкостью. В настоящее время основными направлениями развития н совершенствования железобетона являются: применение бетонов на пористых заполнителях небольшой плотности, высокопрочных бетонов; исполь­зование эффективных конструктивных решений (тонко­стенных пространственных конструкций и т. п.); широ­кое применение предварительно напряженных конструк­ций с эффективными арматурными сталями высокой прочности, обеспечивающими экономию металла; совер­шенствование технологии изготовления и методов произ­водства работ; применение конструкций повышенной за­водской готовности.

Особо следует отметить намечаемое на ближайшие годы увеличение применения объема железобетона в сельскохозяйственном строительстве.

В соответствии с решениями Партии и Правительства основной задачей капитального строительства являет­ся наращивание производственного потенциала страны на новой технической основе. Для реализации этой гран­диозной задачи необходимо дальнейшее развитие научных исследований, проведение работ по совершенствова­нию конструктивных решений, технологии изготовления и возведения конструкций. Отсюда вытекает потребность в высококвалифицированных кадрах инженеров-строите­лей, владеющих современной теорией и практикой в об­ласти железобетонных конструкций.

Увеличение объема производства железобетона в СССР (млн. м³) по годам приведено в табл. В.1.

Таблица B.f.

Увеличение объема производства железобетона

1. В чем заключается сущность железобетона? 2. В чем раз­личие работы железобетонных конструкций, армированных мягкими сталями и высокопрочной арматурой? Причины по­явления предварительно напряженных конструкций. 3. Какие свой­ства бетона и арматурной стали сделали возможной их совместную долговечную работу? 4. В чем заключаются достоинства железобе­тона; его недостатки? 5. Существующие способы изготовления и воз­ведения железобетонных конструкций. 6. Какивые основные направ­ления развития железобетона на ближайшие годы? 7. Назовите об­ласти применения железобетона,

Раздел 1. Основы расчёта железобетонных конструкций.

Глава 1. Физико-механические свойства бетона, арматурных сталей и железобетона.

§ 1.1. Бетон для железобетонных конструкций

Классификация бетонов. Бетон для железобетонных конструкций должен обладать необходимой прочностью, Хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотно­стью для защиты арматуры от коррозии. В зависимости от назначения сооружения бетон также должен удовлетворять специальным требованиям, морозостойкости, жаростойкости при длительном воздействии высоких температур, коррозионной стойкости при агрессивном воздействии среды, водонепроницаемости и др.

Бетоны классифицируют по следующим признакам: по основному назначению — конструкционные, специальные; по виду вяжущего — цементные, силикатные, шлаковые и т.д.; по виду заполнителей — плотные, пористые, на специальных заполнителях; по структуре — плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые.

Для удобства введены сокращенные наименования основных видов бетонов: тяжелый бетон — плотной структуры, на цементном вяжущем и плотных крупных и мелких заполнителях; легкий бетон — на цементном вя­жущем, пористом крупном и пористом или плотном мел­ком заполнителе. В качестве плотных заполнителей для тяжелого бетона применяют щебень из дробленых горных пород и природный кварцевый песок. Пористые за­полнители могут быть естественные — пемза, ракушеч­ник и т.п. или искусственные —керамзит, шлак и т.п. ; Оба указанных вида бетона используют для несущих конструкций зданий и сооружений.

Существуют также специальные виды бетонов: жаро­стойкие— предназначенные для использования в конструкциях, эксплуатирующихся при 200°С; химически стойкие — используемые в условиях агрессивных сред; напрягающие (на основе напрягающего цемента) — предназначенные для создания предварительного напря­жения в конструкциях; радиационно-защитные большой массы —применяемые для биологической защиты от излучений и т.п. В последние годы распространение полу­чают бетонополимеры, представляющие собой обычные бетоны, пропитанные полимерами или мономерами с их последующим отверждением, и полимербетоны, в кото­рых в качестве вяжущего используют полимеры. Эти бе­тоны обладают повышенной прочностью, особенно на растяжение, и высокой химической стойкостью, однако имеют пока относительно высокую стоимость, низкий модуль деформаций (у полимер бетонов) и не­применимы в сооружениях с повышенной темпера­турой.

Для дорожных и аэродромных покрытий, полов пром-зданий и т. п. находят применение бетоны, дисперсно ар­мированные волокнами (стальными, синтетическими и др.). Этот вид бетона, называемый фибробетоном, обладает повышенной растяжимостью и сопротивляемо­стью ударным воздействиям.

Структура бетона. Важнейшими физико-механиче­скими свойствами бетона с точки зрения его работы в же­лезобетонных конструкциях являются прочность и деформативность, определяемые, главным образом, его структурой.

Рис. 1.1. Структура бетона и схема напряженного состояния сжатого бетонного образца;

При затворении бетонной смеси водой начинается химическая реакция (гидратация), в результате которой образуется гель— студенистое вещество, а часть соединений выделяется в виде кристаллов. С течением време­ни гель твердеет, кристаллы объединяются в кристалли­ческий сросток, пронизывающий все тело бетона и скреп­ляющий зерна заполнителей. Таким образом, структуру бетона можно представить в виде пространственной решетки из цементного камня (включающего кристаллический сросток, гель и большое количество пор и капилляров, содержащих воздух и воду), в котором хаотично расположены зерна песка и щебня (рис. 1.1,а). Механические свойства цементного камня и заполнителей существенно отличаются друг от друга; кроме того, структура бетона изобилует дефектами, которыми помимо пор яв­ляются пустоты под зернами заполнителя, возникающие при твердении бетона.

В таком неоднородном теле нагрузка создает сложное напряженное состояние. Напряжения концентриру­ются на более твердых частицах заполнителей и в местах, ослабленных порами. При действии сжимающей на­грузки в области, примыкающей к отверстию, создаются сжимающие и растягивающие напряжения (рис. 1.1,6). Растягивающие напряжения, суммируясь, достигают зна­чительных величин, вызывая разрушение образца от раз­рыва бетона в поперечном направлении, так как проч­ность бетона при растяжении значительно ниже, чем при сжатии.

К бетону не применимы классические теории прочно­сти, поскольку они относятся к материалам с идеализи­рованными свойствами: суждение о его прочности и деформативности основывается на большом числе опытов. Сложность исследований напряженного состояния бето­на также в том, что помимо напряжений от нагрузки в те­ле бетона возникают так называемые «собственные» на­пряжения, вызванные усадкой и другими причинами.

Многие исследователи рассматривают бетон как двух­фазную среду, состоящую из твердой фазы — скелета, наделенного упругими свойствами, и жидкогазовой фа­зы, деформации которой развиваются во времени. Такая модель дает возможность объяснить многие явления, происходящие в бетоне при различных скоростях и интенсивностях приложения нагрузки.

Прочность бетона. Прочность бетона зависит от ря­да факторов, основными из которых являются: время и условия твердения, вид напряженного состояния, фор­ма и размеры образцов, длительность нагружения.

Прочность бетона нарастает с течением времени. Наиболее интенсивный ее рост происходит в начальный период твердения (28 сут. для портландцементе). В даль­нейшем нарастание прочности замедляется, но при поло­жительной температуре и влажной среде продолжается еще годы.

Твердение бетона существенно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью железобетонные изделия подвергаются тепловлажностной или автоклавной обработке.

Бетон имеет различную прочность при разных сило­вых воздействиях.

Кубиковая прочность R — временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие раз­рыва бетона в поперечном направлении. Однако наличие сил трения, развивающихся по опорным граням (рис. 1.2, а), препятствует развитию свободных поперечных де­формаций кубов вблизи их торцов. Если устранить влия­ние сил трения (например, смазкой контактных поверх­ностей), то трещины в образце будут проходить парал­лельно сжимающей силе и сопротивление куба значительно уменьшится. Согласно ГОСТу кубы испыты­вают без смазки поверхностей. Вследствие влияния сил трения прочность кубов зависит от их размеров. Чем меньше размер куба, тем больше его прочность. Так, ес­ли прочность кубов с ребром 15 см принять за R, то ку­бы с ребром 10 см покажут прочность 1,12 R, а с ребром 20 см — 0,93 R . Поскольку реальные конструкции по фор­ме отличаются от кубов, кубиковая прочность непосред­ственно в расчетах не используется, а служит только для контроля качества бетона.

Призменная прочность R_b временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм (рис. 1.2,6). Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы влияний трения на прочность образца уменьшается. При h/а≥4 оно практически исчезает, а прочность становится постоянной и равной ≈0,75R (рис. 1.2, о). Значение Яь применяют в расчетах прочности сжатых и изгибаемых элементов. Призменная прочность

0-1)1

где φ_b — экспериментальный коэффициент, φ_b = 0,77-0,001R≥0,721.

Прочность при растяжении R_bt зависит от прочности цементного камня и сцепления его с заполнителем. При осевом растяжении прочность бетона в 10...20 раз меньше прочности на сжатие. При этом с увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при растяжении уменьшается.

(1.2)

Опытным путем R_bt определяют испытаниями на разрыв образцов в виде восьмерок, на раскалывание образцов в виде цилиндров или на изгиб бетонных балок.

Прочность при местном сжатии R_b,toc имеет место, когда нагрузка действует не на всю площадь элемента, а на ее часть. В этом случае загруженная часть площади обладает большей прочностью, чем R_b, ввиду того, что в работе участвует также бетон, окружающий площад­ку смятия и создающий эффект обоймы. Прочность при местном сжатии

А_ioc1 — площадь смятия; А_ioc2— расчетная площадь, включающая площадку смятия и дополнительный участок, определяемый в соответствии с рис. 6.1 [1].

Прочность на срез, В реальных конструкциях срез в чистом виде обычно не встречается; ему сопутствуют продольные усилия. Значение временного сопротивления срезу R_b.sh в нормах не приводится, однако при необхо­димости может быть определено по эмпирической фор­муле

(1.4)

Прочность при повторных нагрузках (несколько миллионов циклов) под влиянием структурных изменений снижается. Это обстоятельство нужно учитывать при расчете шпал, подкрановых балок, мостов. Предел вынос­ливости (временное сопротивление при многократно по­вторных нагрузках) зависит от коэффициента асиммет­рии цикла ρ_b=σ_b,min/ σ_b,max, числа нагружений п и дол­жен быть больше напряжения, при котором в бетоне об­разуются структурные микротрещины R_b.crc.

Прочность при длительных и быстрых нагружениях. При испытании бетонных образцов в лабораторных условиях нагружение осуществляют достаточно быстро (v=20...30 Н/(см²с)). Реальные конструкции находят­ся под действием нагрузки десятки лет. В этом случае в бетоне развиваются структурные изменения и неупру­гие деформации, приводящие к снижению его прочности. Предел длительного сопротивления бетона естественного твердения осевому сжатию принимается 0,9 R_b. При нагрузках малой продолжительности (порыв ветра, удар, взрыв) бетон разрушается при больших напряжениях (1/1...1/2) R_b.

Деформативность бетона. Деформации могут быть силовые, развивающиеся под действием внешних сил, и температурно-влажностные, развивающиеся, в резуль­тате взаимодействия бетона с внешней средой.

Деформации бетона под нагрузкой. Различают си­ловые деформации при однократном кратковременном, длительном, а также многократно-повторном нагружениях.

Деформации при однократном кратковременном погружении. Наибольшее практическое значение имеют деформации при осевом сжатии. Если бетонную призму нагружать по этапам, замеряя деформации дважды: сра­зу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой, то на диаграмме получают ступенчатую линию (рис. 1.3, а). Полные де­формации будут складываться из упругих ε_e, возникаю­щих непосредственно после приложения нагрузки, и пла­стических ε_Р1, развивающихся во времени. Кривая пол­ных деформаций показана на рис. 1.3 b. Из диаграммы видно, что при небольших напряжениях (σ_b≤0,2 R_b) бе­тон можно рассматривать как упругий материал (уча­сток 0—1). При 0,2 R_b≤ σ_b< 0,5R_b возникают неупругие деформации, вызванные уплотнением геля (участок 1— 2). После образования микротрещин R_b,crc рост пласти­ческих деформаций становится более интенсивным (уча­сток 2—3), При дальнейшем увеличении нагрузки мик­ротрещины объединяются и образец разрушается —точ­ка 4 соответствует предельному сопротивлению образца R_b, и деформациям ε _b,c,u . Если по мере падения сопротив­ления бетона удается в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы ;(4—5). Знать, как работает бетон на этом участке, важ­но для ряда конструкций и видов нагружения.

При разгрузке с некоторого уровня напряжений, соот­ветствующего восходящей ветви, до нуля в образце бу­дут иметь место остаточные деформации, которые со вре­менем несколько уменьшаются (примерно на 10 %). Это явление называется упругим последействием ε_sp. Харак­тер диаграммы «σ—ε» бетона при растяжении аналоги­чен рассмотренному (рис. 1.3, б).

Связь между напряжениями и деформациями при не­больших напряжениях (σ_b≤0,2 R_b) устанавливается законом Гука ε_b = σ_b / Еь, где Еь— начальный модуль упру­гости, Еь= tg а0 = σ_b / ε_b (см. рис. 1.3,6). Модуль упруго­сти зависит от марки бетона (см. табл. -2.1). При σ_b≤0,2 R_b зависимость «σ—ε» нелинейная, модуль в каж­дой точке диаграммы — переменный, Еь=dσ/dε=tga и определение полных деформаций является затрудни­тельным.

Для практических расчетов было предложено выра­жать напряжения через полные деформации бетона с по­мощью упругопластического модуля деформаций E_b,_pi= tga₁ (см. рис. 1.3,6).

Выразив одно и то же напряжение вбетоне через уп­ругие и полные деформации, получают

(1.5)

где v = ε_е/ε_b — коэффициент, характеризующий упруго пластическое состояние сжатого бетона; он изменяется от 1 (при упругой работе) до 0,45 при кратковременной нагружении; при длительном действии нагрузки v= 0.1..0.15.

При растяжении

где v_t — коэффициент, характеризующий упругопластическое состояние бетона при растяжении, v_t = 0,5. Модуль сдвига бетона

где v — коэффициент поперечных деформаций, для всех видов бетонов v = 0,2, при этом G_b = 0,4E_b.

Деформации при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки неупругие деформа­ции бетона с течением времени увеличиваются. Наиболь­шая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается в первые 3...4 мес.

Ползучестью называют свойство бетона увеличи­вать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки. Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная ползучесть имеет место при σ_b<0,5R_b и обусловлена главным образом уплотнением геля. При этом происходит перераспределение под нагрузкой напряжений с гелевой структуры на цементный камень и заполнители. Увеличение деформаций ползуче­сти примерно пропорционально увеличению напряжений. При σ_b<0,5R_b в бетоне возникают микротрещины, ли­нейная зависимость σ_b— ε_Р1, нарушается, наступает нели­нейная ползучесть,

Ползучесть бетона затухает во времени, так как вследствие перераспределения усилий напряжения в ге­ле снижаются, а упругость кристаллического сростка возрастает.

Опыты показывают, что независимо от того, с какой скоростью v достигнуто напряжение σ_b, конечные дефор­мации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми (рис. 1.3, б).

Деформации ползучести увеличиваются с уменьшени­ем влажности среды, увеличением В/Ц и количества це­мента. Бетон, нагруженный в более раннем возрасте, об­ладает большей ползучестью. С повышением прочности бетона и прочности заполнителя ползучесть уменьшает­ся. У малых образцов при прочих равных условиях пол­зучесть проявляется сильнее, чем у больших.

Для аналитического описания явления ползучести предложены различные теории. Однако полученные на их основе математические зависимости сложны для исполь­зования в практических расчетах и в большинстве своем справедливы лишь для определенных условий. Поэтому на практике применяют упрощенные, линейные зависи­мости, связывающие напряжения в бетоне с деформаци­ей ползучести. Правомерность такого подхода подтверждается и тем обстоятельством, что при эксплуатацион­ных нагрузках в большинстве конструкций напряжения в сжатом бетоне σ_b<.0,5Rь, т.е. имеет место линейная ползучесть.

Для количественного определения деформаций ползу­чести при сжатии обычно вводят понятия меры и харак­теристики ползучести.

Мера ползучести C_t представляет собой относи­тельную деформацию ползучести в момент времени t, со­ответствующую приращению напряжения 0,1 МПа. При напряжениях в бетоне σ_b

(1-8)

Характеристика ползучести φ_t равна отношению деформаций ползучести в момент времени t k мгновен­ной деформации

(1.9)

Предельные значения C_t и φ_t; будут при t=∞ (Сt=∞ = С; φ_t=∞=φ).

Предельные деформации бетона, т.е. деформации перед разрушением, зависят от многих причин и изменя­ются в значительных пределах. Для расчетов принима­ют: при осевом кратковременном сжатии ε_b,c,u=2*10^-3, длительном ε_b,c,u=2,5*10^-3, при изгибе и внецентренном сжатии ε_b,c,u=3,5*10^-3, при центральном растяжении ε _btu=1,5-10^-4

Деформации при многократно-повторных нагружениях. Многократно-повторные нагружения и разгрузки бетонных образцов приводят к накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого количества циклов пластические деформации достигают предельного значения и бетон начинает работать упруго. Такой ха­рактер работы имеет место, когда напряжения в бетоне не превышают предела выносливости. При больших мно­гократных напряжениях неупругие деформации возрас­тают, вызывая разрушение образца.

Температурно-влажностные деформации бетона:

1. Деформации бетона от действия температуры. Твердение бетона сопровождается выделением теплоты, и при последующем неравномерном остываний появля­ются значительные температурные деформации. Темпе­ратурные деформации возникают также в конструкциях, подверженных атмосферным воздействиям или измене­ниям технологических температур. Особое значение име­ют температурные воздействия на бетон массивных кон­струкций (например, гидротехнических) и статически не­определимых систем большой протяженности, вызывая дополнительные усилия в элементах (см. рис. 11.4). Оп­ределение температурных деформаций бетона произво­дят по формулам сопротивления материалов, принимая средний коэффициент линейной температурной деформа­ции при — 50°С<t<+50°С равным 1*10^-5 град ^-1.

2 Влажностные деформации бетона. Бетон, твердея в различных средах, изменяет свой объем.

Свойство бетона уменьшаться в объеме при тверде­нии в сухой среде называют усадкой, при твердении во влажной среде бетон увеличивается в объеме — происхо­дит набухание. Различают усадку обратимую — связан­ную с испарением свободной воды в цементном камне и обусловленную капиллярными явлениями (натяжением менисков в порах бетона), и необратимую, происходя­щую s результате потери химически связанной влаги на гидратацию цемента и, как следствие, уменьшения объ­ема геля.

Усадка зависит от возраста бетона: наиболее интен­сивно она протекает в первые дни, затем постепенно за­тухает. Усадка тем больше, чем больше содержание в бе­тоне цемента, воды и чем ниже влажность окружающей среды. При твердении в воде увеличивается количество свободной воды в цементном камне, что вызывает явле­ние, обратное усадке, — набухание.

Усадка повышает сцепление бетона с арматурой, вы­зывая ее обжатие, что является положительным факто­ром. Однако неравномерная усадка разных слоев бетона (у поверхности — в большей степени, во внутренних сло­ях— в меньшей) приводит к наличию «собственных» на­пряжений (внутренние слои препятствуют свободной усадке поверхностных слоев, в результате чего в послед­них возникает растяжение) и возникновение усадочных трещин, что нежелательно. Особенно существенно влия­ние усадки в массивных конструкциях.

Снижение усадки достигается подбором состава бето­на (уменьшением объема пор), увлажнением поверхно­сти в период вызревания бетона (особенно в первые дни) и т. п.

Показатели качества бетона. При проектировании бетонных и железобетонных конструкций в зависимости от их назначения и условий эксплуатации нормами уста­навливаются показатели качества бетона: классы бетона по прочности на сжатие, растяжение и марки по морозо­стойкости, водонепроницаемости и плотности. Эти харак­теристики определяют по соответствующим ГОСТам и назначают с заданной обеспеченностью (см. гл. 2).

Класс бетона по прочности на сжатие (для тяже­лых бетонов): В3,5; Б5; В7,5; BIO; BI2,5; B15; В20; Б25; ВЗО; В35; В40; В45; В55; В60 —основная характеристи­ка, устанавливаемая в результате испытаний-кубов с реб­ром 15 см после выдержки в течение 28 сут в нормаль­ных условиях (t= (20±2) ⁰С, W≥60 %).

Класс бетона по прочности на растяжение (Вt0,8; Вt1,2; Вt;1,6; Вt2; Вt2,4; Вt2,8; Вt3,2) устанавливают для конструкций, работающих преимущественно на растяже­ние (резервуары, водонапорные трубы).

Проектные марки по морозостойкости (F50...F500) устанавливают для конструкций, подвергающихся много­кратному замораживанию и оттаиванию (градирни, гид­ротехнические сооружения). Эта марка характеризуется количеством циклов замораживания и оттаивания, кото­рые выдерживает бетон в насыщенном водой состояний при снижении прочности не более чем на 15 %.

Марки по водонепроницаемости (W2...W12) назна­чают для конструкций, к которым предъявляются требо­вания непроницаемости, они характеризуют давление во­ды (в кгс/см²), при котором еще не наблюдается проса­чивание ее через испытываемый стандартный образец толщиной 15 см.

Марки по средней плотности (для тяжелых бетонов D230G...D2500, для мелкозернистых бетонов D1300... ...D2400, для легких бетонов D800...D2100) назначают для бетонов, к которым предъявляются требования теплоизо­ляции.

Марки по самонапряжению (SpO,6.,.Sp4) назнача­ют для конструкций, изготовляемых из бетона на напря­гающем цементе. К. таким конструкциям относятся же­лезобетонные трубы, покрытия дорог, аэродромов и т. п. Марки характеризуют величину предварительного на­пряжения в бетоне (МПа) на уровне центра тяжести ар­матуры.

Для железобетонных конструкций не применяют бето­ны (тяжелые) класса ниже В7,5. Оптимальные класс и марки бетона выбирают па основе технико-экономического анализа с учетом условий эксплуатации. Наиболее широко используют¹, для изгибаемых элементов без пред­варительного напряжения В15...В20, для сжатых элемен­тов: колонн B25...B30, ферм, арок Е30...Е35.

Класс бетона предварительно напряженных элемен­тов назначают в зависимости от вида и класса напрягае­мой арматуры, ее диаметра и наличия анкерных уст­ройств. Например, для арматуры класса A-IV d=10... ...18 мм без анкеров класс бетона должен быть не ниже В15, а для арматуры A-VI — не ниже ВЗО.

Применение бетонов высоких классов, особенно в сжа­тых элементах, позволяет получить существенную эконо­мию.

Прочностные и деформативные характеристики бето­нов в зависимости от класса бетона по прочности на сжа­тие приведены в табл. 2.1.