Сутність звичайного і попередньо напруженого залізобетону

1.1.Історія розвитку залізобетону.

Залізобетонні конструкції вперше з'явилися в 1850 році у Франції (інж. Ламбо) - була побудована човен, каркас якої складався з металевої сітки, яка була оштукатурена з двох сторін цементним розчином. У 1861 році у Франції (інж. Куанье) видає першу книгу по залізобетону, в якій описує можливі конструкції із залізобетону. У 1867 році зафіксовано перший патент на виготовлення залізобетонних конструкцій - ним став французький садівник Моньє, що застосував залізобетонні діжки для квітів.

Кінець ХІХ століття вважається першим етапом розвитку залізобетону. В цей час з'являється конструкція ребристого монолітного перекриття, запропонована французьким інженером Геннебіком.

У 30¸40 роки ХХ століття широко застосовувалися монолітні рамні конструкції, тонкостінні просторові конструкції - циліндричні оболонки купола. Цей період вважається другим етапом у розвитку залізобетону.

Ідея створення попереднього напруження конструкцій виникла в 1910 році в Німеччині (інж. Бах). Була проведена серія дослідів з попереднього напруження балками. У 1928 році у Франції Фрейсіне обґрунтував необхідність використання в якості арматури високоміцної сталі і високих початкових напружень.

Третій етап розвитку залізобетонних конструкцій супроводжувався процесом індустріалізації та розвитку теоретичних основ залізобетону.

1.2. Сутність залізобетону. Його достоїнства і недоліки

Бетон і сталь мають різні фізико - механічні властивості. Бетон є штучним каменем і він, як і всі природні камені, добре чинить опір стиску і значно гірше розтягування. Міцність бетону при розтягуванні в 10¸15 раз нижче, ніж при стисканні. Сталь має істотно бо ¢ більшу міцність, і однаково добре пручається як стиснення, так і розтягування.

Сутність залізобетону полягає в тому, що він представляє раціональне поєднання цих двох матеріалів - бетону і сталі, які працюють спільно аж до руйнування.

Нижче наведено стандартне визначення залізобетону, в якому коротко відбивається його сутність.

Залізобетон - це комплексний будівельний матеріал, що складається з бетону і сталевої арматури. деформуються спільно аж до руйнування конструкції.

У наведеному визначенні виділені ключові слова, що відображають сутність матеріалу. Для виявлення ролі кожного з виділених понять розглянемо більш детально суть кожного з них.

Бетон - це штучний камінь, який, як і будь-який кам'яний матеріал, має досить високий опір стисненню, а опір розтягуванню у нього в 10¸20 разів менше.

Сталева арматура має досить високий опір як при стисненні, так і при розтягуванні.

Об'єднання цих двох матеріалів в одному дозволяє раціонально використовувати переваги кожного з них.

На прикладі бетонної балки розглянемо, як використовується міцність бетону в зігнутих елементів (рис. 1а). При вигині балки вище нейтрального шару виникають стискають напруги, а нижня зона розтягнута. Максимальні напруги в перетинах будуть в крайніх верхніх і нижніх волокнах перетину Як тільки при завантаженні балки напруги в розтягнутій зоні досягнуть межі міцності бетону при розтягуванні Rbt. відбудеться розрив крайнього волокна, тобто з'явиться перша тріщина. За цим піде крихке руйнування, тобто злам балки. Напруження в стислій зоні бетону sbc в момент руйнування складуть усього 1/10 ¸ 1/15 частина від межі міцності бетону при стисканні Rb. тобто міцність бетону в стислій зоні буде використана на 10% і менше.

На прикладі залізобетонної балки з арматурою розглянемо, як тут використовується міцність бетону та арматури. Перші тріщини в розтягнутій зоні бетону з'являться практично при тому ж навантаженні, що і в бетонній балці. Але, на відміну від бетонної балки, поява тріщини не призводить до руйнування залізобетонної балки. Після появи тріщин розтяжне зусилля в перерізі з тріщиною буде сприйматися арматурою, і балка буде здатна сприймати зростаюче навантаження. Руйнування залізобетонної балки відбудеться тільки тоді, коли напруги в арматурі досягнуть межі текучості, а напруги в стислій зоні - межі міцності бетону при стисканні. При цьому, спочатку, коли в арматурі досягається межа плинності sтек. балка починає інтенсивно прогинатися за рахунок розвитку в арматурі пластичних деформацій. Цей процес триває до тих пір. поки розчавить бетон стиснутої зони при досягненні в ньому межі міцності при стисненні Rb. Так як рівень напружень в бетоні і арматурі в цьому стані набагато вище, ніж величина Rbt. то це означає, що воно повинно бути викликано більшим навантаженням (N на рис. 1-б). Висновок - доцільність залізобетону полягає в тому, що розтягують зусилля сприймає арматура, а стискають - бетон. Отже, основне призначення арматури в залізобетоні полягає в тому, що саме вона повинна сприймати розтягнення через незначну міцності бетону розтягуванню. Шляхом армування несуча здатність згинаного елемента, в порівнянні з бетонним, можна підвищити більш ніж в 20 разів.

Спільне деформірованіебетона і арматури. встановленої в ньому, забезпечується за рахунок сил зчеплення. які виникають при твердінні бетонної суміші. При цьому зчеплення формується за рахунок декількох факторів, а саме: по-перше, завдяки адгезії (приклеювання) цементного тесту до арматури (очевидно, що частка цієї складової зчеплення невелика); по-друге, за рахунок обтиску арматури бетоном внаслідок усадки його при твердінні; по-третє, за рахунок механічного зачеплення бетону про періодичну (рифлену) поверхню арматури. Природно, що для арматури періодичного профілю ця складова зчеплення найбільш істотна, тому зчеплення арматури періодичного профілю з бетоном в кілька разів перевищує таку для арматури з гладкою поверхнею.

Саме існування залізобетону і його хороша довговічність виявилися можливими завдяки вигідному поєднанню деяких важливих фізико - механічних властивостей бетону і сталевої арматури, а саме:

1) бетон при твердненні міцно зчіплюється зі сталевою арматурою і під навантаженням обидва цих матеріалу деформуються спільно;

2) бетон і сталь мають близькі значення коефіцієнтів лінійного температурного розширення. Саме тому при змінах температури навколишнього середовища в межах +50 о С ¸ -70 о С не відбувається порушення зчеплення між ними, так як вони деформуються на однакову величину;

3) бетон захищає арматуру від корозії і безпосереднього дії вогню. Перше з цих обставин забезпечує довговічність залізобетону, а друге - вогнестійкість його при виникненні пожежі. Товщина захисного шару бетону і призначається саме з умов забезпечення необхідної довговічності і вогнестійкості залізобетону.

При використанні залізобетону в якості матеріалу для будівельних конструкцій дуже важливо розуміти переваги і недоліки матеріалу, що дозволить застосовувати його раціонально, зменшуючи негативний вплив його недоліків на експлуатаційні якості конструкції.

До переваг (позитивних властивостей) залізобетону відносять:

1. Довговічність - при правильній експлуатації залізобетонні конструкції можуть служити невизначено довгий час без зниження несучої здатності.

2. Хороша опірність статичним і динамічним навантаженням.

4. Малі експлуатаційні витрати.

5. Дешевизна і хороші експлуатаційні якості.

До основних недоліків залізобетону відносяться:

1. Значний власну вагу. Цей недолік в деякій мірі усувається при використанні легких наповнювачів, а також при застосуванні прогресивних пустотних і тонкостінних конструкцій (тобто за рахунок вибору раціональної форми перетинів і обриси конструкцій).

2. Низька тріщиностійкість залізобетону (з розглянутого вище прикладу випливає, що в розтягнутому бетоні повинні бути тріщини при експлуатації конструкції, що не знижує несучої здатності конструкції). Зазначений недолік може бути знижений із застосуванням переднапруженого залізобетону, яке служить радикальним засобом підвищення його тріщиностійкості (сутність переднапруженого залізобетону розглянута в темі 1.3 нижче.

3. Підвищена звуко- і теплопровідність бетону в окремих випадках вимагають додаткових витрат на тепло- або звукоізоляцію будівель.

4. Неможливість простого контролю з перевірки армування виготовленого елемента.

5. Труднощі посилення існуючих залізобетонних конструкцій при реконструкції будівель, коли збільшуються навантаження на них.

1.3. Переднапружений залізобетон: його сутність і способи створення попереднього напруження

Іноді утворення тріщин в конструкціях, в яких неприпустимо за умовами експлуатації (наприклад, в резервуарах; трубах; конструкціях, експуатірующіхся при впливі агресивних середовищ). Щоб виключити цей недолік залізобетону, застосовують попередньо напружені конструкції. Таким чином, можна уникнути появи тріщин в бетоні і зменшити деформації конструкції в стадії експлуатації.

Розглянемо коротке визначення попередньо напруженого залізобетону.

Попередньо напруженої називають таку залізобетонну конструкцію, в якій в процесі виготовлення якої створюють значні стискають напруги в бетоні тієї зони перетину конструкції, яка при експлуатації відчуває розтягнення (рис.2).

Як правило, початкові стискають напруги в бетоні створюють з використанням попередньо розтягується високоміцної арматури

За рахунок цього підвищується тріщиностійкість і жорсткість конструкції, а також створюються умови для застосування високоміцної арматури, що призводить до економії металу і зниження вартості конструкції.

Питома вартість арматури знижується зі збільшенням міцності арматури. Тому високоміцна арматура значно вигідніше звичайної. Однак застосовувати міцну арматуру в конструкціях без попереднього напруження не рекомендується, т. К. При високих розтягуючих напруг в арматурі тріщини в розтягнутих зонах бетону будуть значно розкриті, знижуючи при цьому необхідні експлуатаційні якості конструкції.

Переваги переднапруженого залізобетону перед звичайним - це перш за все, його висока тріщиностійкість; підвищена жорсткість конструкції (за рахунок зворотного вигину, одержуваного при стисненні конструкції); кращий опір динамічним навантаженням; корозійна стійкість; довговічність; а також певний економічний ефект, який досягається застосуванням високоміцної арматури.

У попередньо напруженої балці під навантаженням (рис. 2) бетон відчуває напруження розтягу тільки після погашення початкових стискають напруг. На прикладі двох балок видно, що тріщини в попередньо напружених балці утворяться за більш високому навантаженні, але руйнівне навантаження для обох балок близька за значенням, оскільки граничні напруги в арматурі і бетоні цих балок однакові. Набагато менше також і прогин попереднього напруження балки.

При виробництві попередньо напружених залізобетонних конструкцій в заводських умовах можливі дві принципові схеми створення попереднього напруження у залізобетоні:

напруження з натягом арматури на упори і на бетон.

При натягу на упори арматуру заводять у форму до бетонування елементу, один кінець її закріплюють на упорі, інший натягують домкратом або іншим пристосуванням до контрольованої напруги. Потім виріб бетонується, пропарюється і після набуття бетоном необхідної кубикової міцності для сприйняття обтиску Rbp арматуру відпускають з упорів. Арматура, прагнучи вкоротити в межах пружних деформацій, при наявності зчеплення з бетоном захоплює його за собою і обжимає його (рис. 3-а).

При натягу арматур на бетон (рис. 3-б) спочатку виготовляють бетонний або слабоармірованний елемент, потім після досягнення бетоном міцності Rbp створюють в ньому попереднє стискуюче напруга. Це здійснюється наступним чином: напружувану арматуру заводять в канали або пази, що залишаються при бетонуванні елементу, і натягують за допомогою домкрата, впираючись прямо в торець вироби. При цьому обтиснення бетону відбувається вже в процесі натягу арматури. При цьому способі напруги в арматурі контролюють після закінчення обтиску бетону. Канали в бетоні, що перевищують діаметр арматури на (5¸15) мм створюють укладанням видобутих згодом пустотоутворювачів (сталевих спіралей, гумових трубок і т.д.). Зчеплення арматури з бетоном досягається за рахунок того, що після обтиску ін'єктують (нагнітають в канали цементне тісто або розчину під тиском через закладені при виготовленні елемента трійники - відводи). Якщо напружену арматуру розташовують із зовнішнього боку елемента (кільцева арматура трубопроводів і резервуарів і т.п.), то навивку її з одночасним обтисненням бетону виконують спеціальними навивальні машинами. В цьому випадку на поверхню елемента після натягу арматури наносять торкретуванням захисний шар бетону.

Натяг на упори є більш індустріальним способом в заводському виробництві. Натяг на бетон застосовується головним чином для великорозмірних конструкцій, створюваних безпосередньо на місці їх зведення.

Натяг арматури на упори можна здійснювати не тільки за допомогою домкрата, але і електротермічним способом. Для цього стрижні з висадженими головками розігрівають електрострумом до 300 - 350 ° С, заводять в форму і закріплюють в акцентах форм. При відновленні початкової довжини в процесі охолодження арматура виявляється розтягнутою. Арматуру можна також натягувати електротермомеханіческім способом (представляє собою комбінацію перших двох способів).

Залізобетон застосовується практично у всіх областях промислового і цивільного будівництва:

- У промислових і цивільних будівлях із залізобетону виконують: фундаменти, колони, плити покриттів і перекриттів, стінові панелі, балки і ферми, підкранові балки, тобто практично всі елементи каркасів одно- і багатоповерхових будівель.

- Спеціальні споруди при будівництві промислових і цивільних комплексів - підпірні стіни, бункери, силоси, резервуари, трубопроводи, опори ліній електропередач і т.д.

- В гідротехнічному і дорожньому будівництві із залізобетону виконують греблі, набережні, мости, дороги, злітні смуги і т.д.