Железобетонные конструкции — Грушевский Г.М.

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
-------------------------------------------------------------------------------------------------
Институт открытого дистанционного образования








Г.М. Грушевский, О.О. Иваев,
С.К. Романов, В.В. Ходыкин





Железобетонные конструкции

Утверждено редакционно-издательским
советом университета в качестве
учебного пособия
















Нижний Новгород - 2006


ББК 38.53
Ж 51


Грушевский Г.М., Иваев О.О, Романов С.К., Ходыкин, В.В. Железобетонные конструкции: учебное пособие. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2006. – 88 с.
ISBN 5-87941-455-8


В пособии описаны прочностные и деформативные свойства бетона, стальной арматуры и железобетона, а также экспериментальные основы теории сопротивления железобетона.
Пособие предназначено для студентов специальности 270115 – «Экспертиза и управление недвижимостью» при подготовке к дисциплинарным испытаниям по курсу «Железобетонные конструкции».












ББК 38.53









ISBN 5-87941-455-8

© коллектив авторов, 2006
© ННГАСУ, 2006


ВВЕДЕНИЕ

Сущность железобетона. Железобетоном называется сочетание бетона и арматурных изделий (сеток, каркасов, отдельных стержней и т.д.), уложенных в теле бетона в соответствии со статической работой конструкции. Такое сочетание материалов целесообразно, так как стальные стержни, поставленные в растянутой зоне элемента, прекрасно восполняют основной недостаток бетона как конструктивного строительного материала. Известно, что бетон, обладая высокой прочностью на сжатие, в 10...20 раз хуже сопротивляется растяжению, что практически не позволяет использовать его как конструктивный материал для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструкций.
Железобетонными конструкциями здесь называются несущие элементы зданий и сооружений, изготавливаемые из железобетона, и сочетания этих элементов.
Стальные стержни, имеющиеся в железобетонных конструкциях, в дальнейшем будут называться арматурой. Работая совместно с бетоном, железобетонные конструкции хорошо сопротивляются как растяжению, так и сжатию.
Идея железобетона состоит в том, чтобы в железобетонных конструкциях использовать бетон преимущественно в работе на сжатие, а арматуру – в работе на растяжение. Этим неограниченно расширяется область применения бетона как конструктивного строительного материала. Идею железобетона можно достаточно хорошо проиллюстрировать следующим примером.
Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и подверженная поперечному изгибу, испытывает растяжение продольных волокон в зоне, находящейся ниже нейтрального слоя (рис. 1, а). Такая балка обладает малой несущей способностью вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. Она разрушается внезапно (хрупко) при возникновении первой же трещины в бетоне растянутой зоны. Прочность бетона на сжатие в момент, предшествующий разрушению, в бетонной балке сильно недоиспользуется (напряжения в нормальных сечениях в сжатой зоне в этот момент едва достигают 5... 10 % от прочности бетона на сжатие).
Такая же балка (рис. 1, б), снабженная небольшим по сравнению с площадью поперечного сечения балки количеством продольной арматуры, размещенной в растянутой зоне, может иметь несущую способность, до 20 раз превосходящую несущую способность бетонной балки. Характер разрушения балки при не слишком большом насыщении ее сечений арматурой плавный, постепенный (пластичный). В такой конструкции может быть полностью использована прочность бетона в работе на сжатие, а арматуры – на растяжение.
Арматуру, имеющую весьма высокое сопротивление сжатию, можно также использовать для усиления бетона сжатой зоны.


Арматура может быть не только в виде стальных стержней. В качестве арматуры иногда используют нити, канаты, пряди и др. из стекловолокна и даже деревянные или бамбуковые рейки. Однако наиболее широко сейчас применяется стальная арматура.
Основой совместной работы бетона и арматуры (т.е. одинаковые деформации их смежных волокон) в железобетоне является выгодное природное сочетание некоторых важных физико-механических свойств этих материалов, а именно:
при твердении бетона между ним и поверхностью стальной арматуры возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала деформируются совместно;
плотный бетон (с достаточным содержанием цемента – от 200...250 до 300...400 кг/мЗ и более) надежно защищает заключенную в нём стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет ее от непосредственного воздействия огня и механических повреждений;
3) сталь и бетон обладают близкими по величине коэффициентами температурного (линейного) расширения, поэтому при изменении температуры в пределах от –50°С до +50°С в обоих материалах возникают несущественные начальные (внутренние) напряжения и скольжения арматуры в бетоне не наблюдается;
·st = 0,000012°С-1;
·bt = 0,00001° С-1.
Достоинства и недостатки железобетона. К основным достоинствам железобетона, обеспечивающим ему широкое применение в строительстве, относятся:
огнестойкость;
долговечность;
высокая механическая прочность при сжатии;
хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям;
возможность возводить конструкции любой формы;
малые эксплуатационные расходы на содержание зданий и сооружений (по сравнению с металлическими и деревянными конструкциями);
хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям;
высокая гигиеничность, способность задерживать радиоактивные излучения;
почти повсеместное наличие крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона.
Все эти факторы делают железобетон доступным к применению практически на всей территории страны. Затраты электроэнергии на производство железобетонных конструкций значительно ниже по сравнению со стальными и каменными.
Недостатки железобетона:
большая плотность;
высокая звуко- и теплопроводность;
трудоёмкость переделок и усилений;
необходимость выдержки конструкции в опалубке до приобретения ею требуемой прочности;
появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий.
Многие из этих недостатков могут быть полностью или частично устранены путём применения бетонов на пористых заполнителях, специальной обработки (пропаривания, вакуумирования и т.п.), предварительного напряжения.
При общей оценке железобетона как строительного материала следует иметь в виду, что отмеченные выше недостатки малозначительны по сравнению с его достоинствами. Это привело к тому, что за исторически короткий промежуток времени (примерно 150 лет) железобетон занял доминирующее положение в строительстве.
Нелишне отметить, что на изготовление железобетонных конструкций расход стали в 2,5...3,5 раза меньше, а на изготовление настилов, труб, бункеров, силосов и т. п. железобетонных конструкций расходуется стали примерно в 10 раз меньше, чем на аналогичные стальные конструкции. К тому же железобетонные конструкции более долговечны и огнестойки. Поэтому замена металлических конструкций на железобетонные (там, где это возможно) позволяет экономить дефицитный металл и имеет важное народно-хозяйственное значение.
Из железобетона выполняют многие конструкции, в которых большая масса не является недостатком, а иногда даже и полезна, например, в гидротехнических сооружениях (бетонные плотины, стенки шлюзов), подпорных стенках, фундаментах.
Области применения железобетона. Для современного капитального строительства железобетон является строительным материалом № 1. Он применяется в самых разнообразных отраслях строительства, находя в каждой из них подходящие области применения. Из железобетона проектируются и строятся многие здания и сооружения промышленного, гражданского и транспортного назначения. Железобетон широко применяют в гидротехническом (плотины, дамбы, гидроэлектростанции) и энергетическом строительстве (главные корпуса тепловых и атомных электростанций, атомных реакторов), а также нередко в судостроении (например, из железобетона изготовляют корпуса барж) и машиностроении (для изготовления станин и опорных частей тяжёлых станков и прессов). Из железобетона возводят жилые дома, общественные здания различного назначения, сельскохозяйственные постройки и различные инженерные сооружения (дымовые трубы, телевизионные и водонапорные башни, резервуары и т.д.). В транспортном строительстве железобетонные конструкции применяют для возведения мостов, водопропускных труб, путепроводов, метрополитенов, тоннелей на железных и автомобильных дорогах, подпорных стенок. Их употребляют также для покрытия дорог и аэродромов. Многие здания и сооружения на железнодорожном транспорте построены с применением железобетонных конструкций. К ним относятся железнодорожные вокзалы, локомотивные и вагоноремонтные депо, пассажирские платформы. При строительстве железных дорог широко применяют железобетонные шпалы, железобетонные опоры контактной сети и другие железобетонные конструкции. В горной промышленности железобетон используется для надшахтных сооружений и крепления подземных выработок.
В последние десятилетия железобетон стали использовать при возведении платформ для добычи нефти со дна морей в зоне шельфа и для устройства саркофагов и скафандров для захоронения радиоактивных отходов и хранения радиоактивных материалов.
По способу возведения различают: железобетонные конструкции сборные, изготовляемые преимущественно на заводах стройиндустрии и затем монтируемые на строительных площадках; монолитные, полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сборных железобетонных элементов заводского изготовления и монолитного бетона. Монолитный железобетон с каждым годом получает всё большее применение по всей стране (каркасные здания с безбалочными перекрытиями).
Прогнозы показывают, что в нынешнем столетии железобетон останется основным строительным материалом для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения.
Краткие исторические сведения о возникновении и развитии железобетона. Развитие производства строительных конструкций, в том числе и железобетонных, неразрывно связано с условиями материальной жизни общества. Появление железобетона во второй половине XIX века совпало по времени с периодом ускоренного развития промышленности, торговли и транспорта. В этот период возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений. Как следствие этого увеличилась потребность в строительных материалах. С одной стороны это привело к вздорожанию уже известных материалов, а с другой – послужило толчком к поиску новых строительных материалов. К тому же для строительства мостов и многих промышленных зданий с дорогим и сложным оборудованием стала ощущаться острая потребность в новых огнестойких, дешевых и надежных в эксплуатации строительных конструкциях. Это привело к появлению нового строительного материала – железобетона, в котором удачно сочетались лучшие качества каменных материалов и стали.
В 1999 г. исполнилось 150 лет со времени изобретения железобетона. Хотя на звание родины этого материала претендовали Англия и США, приоритет все-таки следует отдать Франции. Французы подчеркнули этот факт, отпраздновав столетие железобетона в 1949 г.
Появление железобетона вызвало революционные преобразования в строительстве, влияние которых на современную цивилизацию можно сравнить лишь с влиянием таких великих открытий как автомобиль, радио, ядерная реакция. В прошлом веке железобетон получил широкое распространение как материал, имеющий обширную сырьевую базу, экологически безопасный, наиболее подходящий для изготовления различных строительных изделий, конструкций и систем.
Весь короткий исторический путь развития железобетонных конструкций (по сравнению с конструкциями из дерева, камня и стали) можно условно разделить на 4 периода.
Первый период возникновения железобетона (1849-1885 гг.) характеризуется появлением первых конструкций из армированного бетона. В этот период железобетонные конструкции появились практически одновременно в нескольких высокоразвитых странах (Франции, Англии, США и Германии), где уже производился цемент и стальной прокат.
Первым документально зафиксированным изделием из железобетона явилась лодка, построенная в 1849 г. Жаном Луи Ламбо, адвокатом по профессии. В 1854 г. штукатур из Ньюкасла Вильям Уилкинсон получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на расстоянии 50 см друг от друга и заливаемых бетоном. Причём для повышения прочности перекрытия в пролете полосы укладывались в нижней части сечения, а над опорами отгибались в верхнюю часть. В. Уилкинсон был первым, кто понял принцип рационального армирования железобетона. В 1867 г. французский садовник Жозеф Монье получил патент на изготовление кадок для цветов из железа и цемента. Длительное время, особенно в России, Ж. Монье считался изобретателем железобетона. Он получил во многих странах множество разнообразных патентов на конструкции из железобетона (шпалы, трубы, балки и даже мосты). В 1880 г. патент на железобетон был получен им и в России.
На развитие железобетона в Англии большое влияние оказал французский инженер Франсуа Генебик. Его фирма выиграла несколько подрядов на сооружение различных зданий. Им были построены мельницы, силосы для хранения зерна, водонапорные башни, портовые сооружения и др.
В 1864 г. Франсуа Куанье построил во Франции первую церковь из железобетона. В 1861 г. он опубликовал брошюру «Применение бетона в строительном искусстве», где впервые указал на то, что бетон и стальные стержни в нем работают совместно. Около 20 лет Ф. Куанье строил железобетонные сооружения во Франции и в других странах.
В России впервые железобетон был использован в 1879 г. инженером Д.Ф. Жаринцевым при возведении стен зданий в г. Батуми.
В 1885 г. в Германии инж. Вайс и проф. Баушингер провели первые научные опыты по определению прочности и огнестойкости железобетонных конструкций, сохранности стали в бетоне, сил сцепления арматуры с бетоном и пр. Тогда же впервые инж. Кёнен высказал предположение, затем подтверждённое опытами, что арматура должна располагаться в тех частях конструкции, где можно ожидать растягивающие усилия.
Исследования покрытий Царскосельского дворца показали, что русские мастера ещё в 1802 г. применяли армированный бетон, однако не считали, что получили новый строительный материал, и не патентовали его.
Второй период – с 1886 по 1917 год – называют периодом освоения железобетона в строительстве. В России с 1886 г. железобетон стал применяться для устройства междуэтажных перекрытий по стальным балкам. Много таких перекрытий встречается в Петербурге в зданиях старой постройки. В России развитие железобетонных конструкций шло под влиянием зарубежного опыта и отечественной практики. Начало широкому использованию железобетона в России положили проведенные в Петербурге в 1891 г. под руководством профессора Института путей сообщения Н.А. Белелюбского публичные испытания различных железобетонных конструкций (плит, балок, труб, резервуаров, арочного моста пролетом 17 м и др.). Эти испытания выявили большие преимущества железобетона перед другими строительными материалами. В 1904 году при участии проф. Н.А. Белелюбского в г. Николаеве был построен первый в мире железобетонный морской маяк высотой 40,2 м со стенами толщиной 10 см вверху и до 20 см внизу (рис. 2).


В 1900 г. на Парижской всемирной выставке железобетон был официально признан надежным строительным материалом. Но уже с 1898 г. железобетонные конструкции нередко применялись в России при строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, в промышленном и гражданском строительстве. За несколько лет было построено более тридцати железобетонных путепроводов и мостов. Первые в мире ТУ (технические условия) на железнодорожные сооружения из железобетона МПС России утвердило в 1908 г.
Первая конструкция железобетонной шпалы была предложена еще в 1880 г. во Франции, но начало практического применения железобетонных шпал, как в нашей стране, так и за границей относится к 1902–1903 гг. Первые железобетонные шпалы в России были изготовлены в 1903 г. и испытаны в лаборатории С.-Петербургского Института путей сообщения. Часть этих шпал была уложена на одной из станций б. Финляндской железной дороги. Вслед за этим в период с 1903 по 1927 год попытки применения железобетонных шпал на наших дорогах предпринимались неоднократно. Однако широкое применение таких шпал началось только в послевоенный период.
В 1908 году проф. А.Ф. Лолейт запроектировал и построил в Москве четырехэтажный склад молочных продуктов с безбалочными перекрытиями. С этого времени железобетон в России начал постепенно вытеснять сталь и дерево при выполнении несущих конструкций зданий и сооружений.
Значительные по размаху и глубине исследования несущей способности и трещиностойкости железобетонных конструкций были проведены в конце XIX и начале XX столетий в Германии под руководством профессоров Мёрша, Баха, Графа, Эмпергера. Полученные результаты были положены в основу разработки теории железобетона и нормативных документов по проектированию таких конструкций.
В третий период широкого применения железобетона в нашей стране (1918–1945 гг.) особенно большое распространение он получил в промышленном и гидротехническом строительстве. После октябрьской революции 1917 г. произошли коренные изменения в экономике страны. Сразу после окончания гражданской войны перед руководством страны встают задачи восстановления разрушенного хозяйства и выполнения всевозрастающих планов капитального строительства. Решение этих проблем в то время было бы невозможно без широкого применения железобетона.
В годы первых пятилеток вследствие больших объемов строительства и тенденции экономии стали, необходимой для нужд машиностроения, железобетон постепенно занимает доминирующее положение в капитальном строительстве. Широкое распространение получают монолитные неразрезные балочные перекрытия, многопролетные и многоярусные рамы (этажерки), арки, элеваторы, силосы, бункеры. В двадцатые годы в стране начиналось строительство крупных электростанций с широким применением бетона и железобетона (Волховская, Свирская, Днепровская ГЭС).
В 1928 г. у нас в стране появились первые сборные железобетонные конструкции, которые затем стали все шире применяться в промышленном и гражданском строительстве.
В это же время начинают применяться тонкостенные пространственные конструкции: купола (первый тонкостенный купол диаметром 28 м был возведен в Москве для планетария в 1928 г., оперный театр в Новосибирске в 1934 г. был перекрыт куполом диаметром 55,5 м, который имел толщину оболочки всего 8 см), складки, цилиндрические оболочки, шатры и т. п. В этот период начиналось проектирование и строительство Московского метро.
Появление сталей и бетонов высокой прочности позволило реализовать на практике в 1928–1930 гг. идею создания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Этого удалось впервые добиться талантливому французскому ученому и инженеру Эжену Фрейссине. Предварительно напряженные железобетонные конструкции обладают повышенной трещиностойкостью и жесткостью. Кроме того, они экономичны за счет уменьшения размеров сечений. Это позволило значительно увеличить пролеты зданий и сооружений, перекрываемых железобетонными конструкциями.
Первые теоретические основы расчета железобетонных конструкций и принципов их конструирования были созданы трудами первых исследователей железобетона Консидером, Генебиком (Франция), Кёненом и Мёршем (Германия). К концу XIX века в общих чертах сложилась теория расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, основанная на принципах сопротивления упругих материалов. Как выяснилось в дальнейшем, она имела крупные недостатки.
Бурный рост применения железобетона вызвал необходимость совершенствования теории. Большой вклад в ее дальнейшую разработку внесли русские и советские ученые: А.Ф. Лолейт (теория расчета по разрушающим усилиям, которая применялась в СССР с 1938 по 1955 год), В.М. Келдыш, А.А. Гвоздев, С.М. Крылов (разработка метода расчета по предельным состояниям, теория расчета статически неопределимых конструкций по методу предельного равновесия), В.И. Мурашев (теория трещиностойкости и жесткости железобетона), И.И. Улицкий, А.Е. Шейкин, П.И. Васильев, С.В. Александровский (исследования по теории ползучести бетона), К.В. Михайлов, Н.М. Мулин (разработка и исследование новых видов арматуры), В.В. Михайлов, Г.И. Бердичевский, С.А. Дмитриев, А.П. Коровкин (разработка и исследование предварительно напряженных железобетонных конструкций), С.С. Давыдов (расчет и конструирование подземных сооружений) и многие другие.
Четвертый период широкого применения железобетона в нашей стране начался в 1946 г. и продолжается по настоящее время.
После окончания Второй мировой войны весьма резко возросла потребность в новом строительстве и положение железобетона среди других строительных материалов стало доминирующим.
Железобетон стал основой не только промышленного и гидротехнического, но и жилищного, теплоэнергетического, транспортного, дорожного, сельскохозяйственного строительства. Широкое применение сборного железобетона совершило переворот в строительной технике. Появились заводские технологии изготовления железобетонных конструкций. Претерпели большие изменения конструктивные формы зданий и сооружений в связи с переходом на полносборное строительство. Создана обширная номенклатура типовых сборных железобетонных изделий для массового применения (балки, фермы, панели, фундаментные блоки, дорожные и аэродромные плиты покрытия и др.). Использование сборного железобетона позволило вести строительство круглогодично и в огромных масштабах. Если объём применения сборных конструкций в СССР в 1955 г. составил 12 %, то в 1990 г. он составлял уже около 60 % от общего объёма производства железобетона.
Дальнейшим развитием теории железобетона стал созданный в нашей стране и применяемый с 1955 г. единый метод расчета всех строительных конструкций по предельным состояниям, разработанный профессорами Н.С. Стрелецким, В.М. Келдышем, А.А. Гвоздевым и др.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, накопленный опыт строительства и достижения в области улучшения качества строительных материалов позволили за исторически короткий срок значительно повысить уровень применения железобетонных конструкций. Об огромных возможностях железобетона как строительного материала наглядно свидетельствуют нижеприведенные здания и сооружения:
1. Башня Московского телецентра в Останкино высотой 537 м с 385-метровой нижней предварительно напряженной частью из монолитного железобетона (рис. 3 б).

2. Торговый центр в г. Челябинске, перекрытый без промежуточных опор пологой сборно-монолитной оболочкой с размерами в плане 102x102 м.
3. Крытый рынок в г. Минске, перекрытый пологой сборно-монолитной оболочкой из аглопоритобетона с размерами в плане 103x103 м. Существуют реальные возможности для перекрытия такими оболочками плана 150x150 м и более. В частности, Проектный институт № 1 Министерства строительства разработал в свое время проект оболочки, очерченной по круговой поверхности переноса, для покрытия стоянки машин в г. Новосибирске с размерами в плане 150x150 м (рис. 4).
4. В Париже оболочкой, представляющей в плане правильный треугольник со стороной 218 м, перекрыт выставочный павильон Дворца Техники. Оболочка опирается на три точки и перекрывает площадь 30000 м2. Толщина ее всего 100 мм. Поперечное сечение волнистое. Высота гофра 600 мм (рис. 5).
5. В Сиэтле построен ребристый железобетонный купол пролётом 220 м.
6. Бетон уверенно вытесняет сталь из высотного строительства: в США и во многих других странах построены сотни небоскрёбов с монолитным каркасом. Для таких зданий применяют бетон высокой прочности. В 1998 г. в Чикаго закончилось строительство небоскреба «Миглин Вайтер» (125 этажей, Н = 610 м) с железобетонным каркасом.




7. Скульптура Родина-Мать в г. Волгограде.
8. Из железобетона возводятся дымовые трубы высотой до 420 м. В настоящее время железобетон является основным конструктивным материалом в строительстве, так как он обладает высокой прочностью, долговечностью, стойкостью к воздействию высоких температур и агрессивных сред, способностью твердеть и наращивать прочность под водой, допускает изготовление конструкций самой разнообразной формы и не требует практически эксплуатационных расходов. Около 85% всех несущих строительных конструкций, многие из которых монтируют из сборных элементов, выполняют сейчас из железобетона. Такое положение сохранится, видимо, и в обозримом будущем. Однако в последнее десятилетие произошла некоторая переоценка ценностей в отношении применения сборного и монолитного железобетона. В целом, с учетом значительного повышения удельного веса транспортных расходов, необходимо добиваться взвешенного соотношения между сборным и монолитным строительством за счет совершенствования технологии изготовления конструкций из монолитного железобетона и развития сборно-монолитных конструктивных решений. Кроме того, монолитное строительство требует меньших затрат на создание производственной базы (на 40...45%).
Итогом обобщения научных исследований и опыта проектирования явились действующие ныне нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».

1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА, СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЫ И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

1.1. Бетон

1.1.1. Общие сведения

Бетон как материал для железобетонных конструкций должен обладать определёнными, наперёд заданными физико-механическими свойствами: необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью (непроницаемостью) для защиты арматуры от коррозии и др. Деформативность бетона не должна быть слишком большой.
Для изготовления бетонных и железобетонных конструкций предусмотрены следующие виды бетонов:
тяжёлый, средней плотности свыше 2200 до 2500 кг/м3 (на плотных заполнителях);
мелкозернистый, средней плотности свыше 1800 кг/м3 (на мелких заполнителях);
лёгкий, плотной и поризованной структуры (на пористых заполнителях);
ячеистый, автоклавного и неавтоклавного твердения и др.
В качестве плотных заполнителей применяют щебень из дроблёных горных пород (песчаника, гранита, диабаза и др.) и кварцевый песок. Пористые заполнители могут быть естественными (перлит, пемза, ракушечник) или искусственными (керамзит, шлак и т.п.). В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлитобетон и т.д.

1.1.2. Структура (строение) бетона

В настоящее время в строительстве применяется много различных видов бетонов. Но для выполнения несущих конструкций зданий и сооружений наиболее широко используется тяжёлый бетон на цементном вяжущем и крупном плотном заполнителе из песчаника, гранита, диабаза и т. п. материалов со средней плотностью в пределах 2200 <
·
· 2500 кг/м3. Его свойства и рассматриваются ниже.
Структура бетона оказывает большое влияние на его прочность и деформативность. Чтобы уяснить это, вспомним схему физико-химического процесса получения бетона.
Для приготовления бетона берут в определённых пропорциях заполнители (песок, щебень или гравий), вяжущее (цемент) и воду. Кроме того, для придания бетону различных свойств (например, морозостойкости) дополнительно в небольших количествах могут вводиться различные добавки. Смесь заполнителей и вяжущего заливают водой. После затворения этой смеси начинается химическое взаимодействие между частицами цемента и водой (гидратация), в результате чего образуется цементное тесто. При перемешивании такой смеси цементное тесто обволакивает частицы заполнителей и, постепенно затвердевая, превращает всю массу в монолитное твёрдое тело, способное нести нагрузку.
Следовательно, бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал. Следует обратить внимание на то, что даже сам затвердевший цементный раствор (цементный камень) имеет также неоднородную структуру и состоит из упругого кристаллического сростка, растущего с течением времени, и наполняющей его вязкой студенистой массы (геля), количество которой постепенно уменьшается.
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, водяной пар и воду), в котором хаотично расположены зёрна песка и щебня (рис. 6).

Рис. 6. Структура бетона:1 – цементный камень; 2 – щебень; 3 – песок; 4 – поры, заполненные воздухом и водой
Процесс твердения бетона при благоприятных температурно-влажност-ных условиях может длиться годами и носит затухающий характер. Этот процесс является экзотермическим, т.е. он идёт с выделением большого количества тепла.
Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является водоцементное отношение W/С – отношение веса воды к весу цемента в единице объёма бетонной смеси. Для успешного протекания реакции схватывания цемента и твердения цементного камня необходимо, чтобы W/C
· 0,2. Однако для достижения хорошей удобоукладываемости бетонной смеси приходится принимать W/C = 0,35...0,7, т.е. вводить воду с избытком. Излишек воды в дальнейшем постепенно испаряется, и в цементном камне образуются многочисленные каналы (называемыми ещё порами или капиллярами), заполненные химически несвязанной водой, водяным паром и воздухом, которые оказывают давление на стенки. Это снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность.
Общий объём пор в затвердевшем цементном камне достаточно велик и составляет при обычных условиях твердения бетона примерно 25...40% от его видимого объёма. Причём, размеры поперечного сечения пор весьма малы: 60...80% от общего количества всех пор имеют размеры поперечного сечения, не превышающие 0,001 мм. С уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона повышается. Кроме того, бетоны из жёстких смесей (W/C = 0,3...0,4) при прочих равных условиях обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.
Процессы постепенного уменьшения объёма геля, кристаллообразования, испарения избыточной воды, происходящие в бетоне в течение длительного времени, обусловливают ряд его специфических свойств: изменение прочности во времени, усадку, ползучесть.

1.1.3. Усадка бетона и начальные напряжения

Бетон обладает свойством уменьшаться в объёме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объёме при твердении в воде или сильно влажной среде (набухание бетона).
Усадка бетона происходит в результате кристаллизации цементного камня и интенсивного испарения воды с поверхностных слоев бетона. Она особенно интенсивно протекает в первые две недели твердения бетона. Через год её можно считать практически закончившейся.
Как показывают опыты, величина усадки бетона зависит от целого ряда причин:
количества и вида цемента (его минералогического состава) – чем больше расход цемента на единицу объёма бетона, тем (при прочих равных условиях) больше усадка; при этом бетоны, приготовленные на высокоактивных и глинозёмистых цементах, дают большую усадку. Наименьшей усадкой обладают бетоны, приготовленные на портландцементе;
количества воды – чем больше W/C, тем больше усадка;
крупности заполнителей и их вида – при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше. Чем выше способность заполнителей сопротивляться деформированию, т.е. чем выше их модуль упругости, тем усадка меньше. При разной крупности зёрен заполнителей и меньшем объёме пустот меньше и усадка;
от влажности окружающей среды – чем ниже влажность, тем больше усадка;
от наличия и состава различных гидравлических добавок и ускорителей твердения – они (например, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку;
влияние пропаривания бетона на процесс усадки изучено пока недостаточно; однако имеются данные о том, что после пропаривания усадка уменьшается примерно в 1,5 раза;
наличия заполнителей с глинистыми и пылевидными загрязнениями – при их использовании усадочные деформации бетона могут увеличиться в несколько раз.
Средняя величина годичной усадки тяжёлого бетона средней прочности, приготовленного на портландцементе, при естественном твердении составляет esl = 3·10-4 относительных единиц. Абсолютная величина деформации набухания примерно в 2...5 раз меньше усадки.
Деформацию усадки бетона можно представить как сумму деформаций двух видов – собственно усадки и влажностной усадки.
Собственно усадка происходит в результате уменьшения истинного объёма системы «цемент – вода» при гидратации. Она может развиваться при полной изоляции бетона от внешней среды и всегда ведёт к необратимому уменьшению первоначального объёма.
Влажностная усадка связана с уменьшением влагосодержания бетона, т.е. с испарением свободной воды в цементном камне и обусловлена капиллярными явлениями (натяжением менисков в порах цементного камня); она частично обратима: при твердении на воздухе происходит уменьшение объёма (усадка), а при достаточно большом притоке влаги – увеличение объёма (набухание).
Деформации, происходящие вследствие влажностной усадки бетона, по величине в 10...20 раз превышают деформации собственно усадки. Поэтому изменение влагосодержания бетона – основная причина усадочных деформаций.
Усадка повышает сцепление арматуры с бетоном, вызывая её обжатие, что является положительным фактором.
В реальных условиях усадка бетона происходит неравномерно: развитие усадки начинается с поверхности бетона и постепенно, по мере его высыхания, распространяется вглубь. Уменьшение объёма цементного камня встречает сопротивление со стороны инертных составляющих бетона, которые стремятся сохранить свой объём постоянным. Возникающие при этом внутренние усилия могут служить причиной микроразрушений на границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя и даже в самом цементно-песчаном камне. Образующиеся при этом микро- и макротрещины отрицательно влияют на физико-механические свойства бетона. Особенно существенно сказывается влияние усадки на напряженно-деформированное состояние в массивных конструкциях (плотины и т.п. конструкции).
Уменьшения начальных усадочных напряжений в бетоне и тем самым предотвращения образования усадочных трещин можно добиться технологическими мерами – правильным подбором состава бетона (за счёт уменьшения объёма пор), увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, увлажнением, особенно в первые дни, поверхности бетона при естественном твердении и др., а также конструктивными мерами – например, устройством усадочных швов в конструкциях большой протяженности, установкой противоусадочных сеток.
Бетоны, приготовленные на специальных цементах (расширяющемся или безусадочном) усадки не дают. Особо прочные бетоны – класса В100 и выше также практически не дают усадки.

1.1.4. Прочность бетона

Прочность бетона определяется его сопротивлением различным силовым воздействиям – сжатию, растяжению, изгибу, срезу. Один и тот же бетон имеет разное временное сопротивление при различных силовых воздействиях. Исследования показали, что теории прочности, предложенные для других материалов, к бетону не применимы. Поэтому количественная оценка прочности бетона в настоящее время основывается на осреднённых опытных данных, которые принимаются в качестве исходных при проектировании любых бетонных и железобетонных конструкций.
Отсутствие закономерности в расположении отдельных частиц, составляющих бетон, приводит к тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают различные показатели временного сопротивления – разброс прочности. Кроме того, необходимо помнить, что механические свойства цементного камня и заполнителей существенно отличаются друг от друга; к тому же структура бетона изобилует дефектами, которыми, помимо пор, являются пустоты около зёрен заполнителя, возникающие при твердении бетона.
Прочность бетона на осевое сжатие считается основной его характеристикой, так как наиболее ценным качеством бетона является его высокая прочность на сжатие. В лабораторных условиях она может определяться на образцах в форме кубов, призм или цилиндров. У нас в стране для оценки прочности бетона при сжатии используют преимущественно кубы.
Так как бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал, то для получения достоверных сведений о его прочности в соответствии с действующими стандартами испытывают партию образцов и определяют 13 EMBED Equation.3 1415(средний предел прочности на осевое сжатие бетонных кубов с ребром 150 мм) и 13 EMBED Equation.3 1415 (средний предел прочности на осевое сжатие эталонных бетонных образцов призм).
Кубиковая прочность. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Наклон трещин обусловлен влиянием сил трения, которые развиваются на контактных поверхностях между подушками пресса и опорными гранями куба (рис. 7, а). Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным деформациям бетона вблизи опорных поверхностей и тем самым повышают его прочность на сжатие (создаётся эффект обоймы). Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба удаётся устранить или значительно уменьшить (с помощью смазки контактных поверхностей, например, парафином или картонных прокладок) влияние сил опорного трения, то характер его разрушения и прочность изменяются (рис. 7, б).



Рис. 7. Характер разрушения бетонных кубов:
а – при наличии трения по опорным плоскостям; б – при отсутствии трения; 1 – силы трения; 2 – трещины; 3 – смазка

В этом случае поперечные деформации проявляются свободно и трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление бетона сжатию существенно уменьшается. Согласно стандарту кубы испытывают без смазки контактных поверхностей и при отсутствии прокладок.
Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размеров куба. За стандартные (эталонные) лабораторные образцы принимают кубы с ребром 150 мм. При использовании кубов иных размеров результаты их испытаний с помощью поправочных коэффициентов приводят к результатам испытаний эталонных кубов.
Призменная прочность. Реальные железобетонные конструкции по своей форме и размерам существенно отличаются от лабораторных кубов. В них чаще всего один размер превышает два других (например, пролёт – ширину и высоту изгибаемого элемента; высота сжатого элемента – размеры его поперечного сечения).
В связи с тем, что при испытаниях бетона при переходе от образца в форме куба к образцу в форме призмы (при одинаковой площади их сечения) временное сопротивление сжатию при увеличении h уменьшается (рис. 8), кубиковая прочность не может быть непосредственно использована в расчётах прочности элементов конструкций, а служит только для контроля качества бетона в производственных условиях.

Уменьшение временного сопротивления бетона сжатию при переходе от образцов в форме куба к образцам в форме призмы объясняется тем, что при увеличении отношения h/a постепенно ослабевает влияние сил трения, возникающих между торцами образца и плитами пресса, на напряжённое состояние образца в его средней по высоте части, а для призм с h/a
· 4 это влияние практически полностью исключено.
Принято определять призменную прочность бетона 13 EMBED Equation.3 1415 – основную и наиболее стабильную характеристику прочности бетона на сжатие, используемую в расчётах на прочность сжатых и изгибаемых элементов – на эталонных призмах с размерами 150 ( 150 ( 600 мм (h/ a = 4).
Опытами установлено, что при 4
· h/a < 813 EMBED Equation.3 1415
· 0,7513 EMBED Equation.3 1415. Влияние гибкости призм при этом ощутимо не сказывается. Влияние гибкости в значительной мере начинает ощущаться при h/a
·8.
Прочность бетона на осевое растяжение kt зависит от сопротивления цементного камня растяжению и прочности его сцепления с зёрнами заполнителя. Согласно опытным данным:
13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415(1.1)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – средний предел бетона на осевое 13 EMBED Equation.3 1415растяжение.
Причём относительная прочность бетона при осевом растяжении kt уменьшается с повышением прочности бетона на сжатие. Причинами низкой прочности бетона на растяжение являются неоднородность его структуры, наличие начальных напряжений, слабое сцепление цементного камня с крупным заполнителем. Некоторое повышение 13 EMBED Equation.3 1415 (примерно на 15...20%) может быть достигнуто увеличением расхода цемента на единицу объёма бетона, уменьшением W/C, применением вместо гравия щебня с шероховатой поверхностью, промывкой заполнителя.
Имеется несколько лабораторных методик определения 13 EMBED Equation.3 1415. Однако при испытаниях по этим методикам наблюдается ещё больший разброс показателей прочности по сравнению с испытаниями бетона на осевое сжатие, так как образцы трудно центрировать. Поэтому, если известна прочность бетона при сжатии, иногда 13 EMBED Equation.3 1415 определяют теоретически, например, по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415. (1.2)
Прочность бетона при длительном действии нагрузки. При испытаниях бетонных образцов в лабораторных условиях нагружение осуществляется достаточно быстро, со скоростью 20...30 Н/(см2 с). Реальные же конструкции находятся под действием нагрузки десятки лет. Согласно опытным данным при длительном действии нагрузки и высоких напряжениях под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и структурных изменений бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем временное сопротивление осевому сжатию при однократном кратковременном загружении 13 EMBED Equation.3 1415.
Разница между кратковременным сопротивлением бетона и длительным может достигать 25%, если за время выдержки под нагрузкой прочность бетона не нарастает или нарастает незначительно, т. е. предел длительного сопротивления бетона сжатию находится в интервале:
13 EMBED Equation.3 1415. (1.3)
Если конструкция эксплуатируется в благоприятных для нарастания прочности бетона условиях и уровень напряжений 13 EMBED Equation.3 1415 постепенно снижается, отрицательное влияние фактора длительности загружения может и не проявиться.
Динамическая прочность бетона. Нагружение считают динамическим в тех случаях, когда скорость нагружения от нуля до максимальных напряжений составляет 0,001...1с. К конструкциям, работающим на динамические нагрузки, относятся мосты, шпалы, подкрановые балки, покрытия дорог и аэродромов и др.
При динамической нагрузке особо малой продолжительности, имеющей место при ударных, взрывных и других воздействиях, наблюдается повышение временного сопротивления бетона – динамическая прочность (13 EMBED Equation.3 1415). Чем меньше время нагружения бетонного образца динамической нагрузкой (
·) (или, что то же самое, чем больше скорость роста напряжений, МПа/с), тем больше коэффициент динамической прочности бетона:
13 EMBED Equation.3 1415. (1.4)
Это явление объясняется энергопоглощающей способностью бетона, работающего в течение короткого времени нагружения динамической нагрузкой только упруго вследствие запаздывания развития неупругих деформаций.
Кроме ударных и взрывных воздействий к нагрузкам особо малой продолжительности можно отнести порывы ветра, сейсмические нагрузки, нагрузку, действующую на конструкцию в момент передачи предварительного напряжения с арматуры на бетон.
Зависимость предела прочности бетона от времени действия нагрузки представлена на рис. 9, в.



Рис. 9. Зависимость предела прочности бетона:
а – от числа циклов загружений; б – от характеристиики цикла на базе N = 2 106; в – от времени действия нагрузки; 1 – бетон класса В40; 2 – бетон класса В25

Прочность бетона при многократно повторяющихся нагрузках. Многократно повторяющиеся нагрузки в зависимости от скорости нагружения могут иметь статический и динамический характер.
По количеству циклов «нагрузка – разгрузка» различают два вида повторного нагружения бетона: малоцикловое нагружение бетона (до 100...200 циклов) случайной по величине и периоду повторения нагрузкой с последующей разгрузкой (например, при забивке свай или шпунта) и многократно повторяющееся нагружение цикловой нагрузкой при коэффициенте ассиметрии (характеристике) цикла:
13 EMBED Equation.3 1415, (1.5)
где 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415– соответственно наименьшее и наибольшее нормальные напряжения материала в пределах изменения цикла нагрузки.
При малоцикловой загрузке и разгрузке бетона сжимающими напряжениями небольшой величины происходит уплотнение и упрочнение бетона как при длительном сжатии. Когда сжимающие напряжения при этом колеблются в пределах между верхней и нижней границами микроразрушения бетона (13 EMBED Equation.3 1415), то малоцикловое нагружение практически не влияет на его прочность, т.е. не снижает её по сравнению с однократным нагружением. Здесь 13 EMBED Equation.3 1415 – то наименьшее сжимающее напряжение в бетоне, при котором по границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя образуются микротрещины; 13 EMBED Equation.3 1415– сжимающее напряжение в бетоне, соответствующее верхней границе образования микротрещин и цементно-песчаном камне.
Прочность бетона на сжатие при действии на него многократно повторяющихся нагрузок, с повторяемостью несколько миллионов циклов, под влиянием развития структурных микротрещин и в результате постепенного накопления пластических деформаций снижается по сравнению с однократным кратковременным загружением. Степень её понижения зависит от характеристики цикла 13 EMBED Equation.3 1415, количества циклов нагрузки и разгрузки N и относительного уровня напряжений 13 EMBED Equation.3 1415. Это следует учитывать при проектировании мостов, шпал, подкрановых балок, перекрытий некоторых промышленных зданий, транспортных эстакад, станин мощных прессов и других конструкций, испытывающих подобные нагрузки.
Предел прочности бетона при многократно повторяющейся нагрузке 13 EMBED Equation.3 1415называют пределом выносливости.
Различают абсолютный предел выносливости 13 EMBED Equation.3 1415, т.е. наибольшее напряжение, которое бетон способен выдерживать, не разрушаясь, при неограниченном увеличении числа циклов, и практический предел выносливости 13 EMBED Equation.3 1415, полученный на ограниченной базе N = 2106. Последний зависит от характеристики цикла 13 EMBED Equation.3 1415почти линейно. Его наименьшее значение для наиболее тяжелого цикла при бетоне класса В25 составляет 13 EMBED Equation.3 1415= 0,513 EMBED Equation.3 1415 (рис. 9, б). С увеличением N происходит постепенное снижение 13 EMBED Equation.3 1415, однако после N = (1,5...2) 106 циклов это снижение незначительно (рис. 9, а).
Наименьшее значение абсолютного предела выносливости, как показали исследования, связано с нижней границей образования структурных микротрещин так, что 13 EMBED Equation.3 1415. Такая связь между 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415позволяет находить предел выносливости 13 EMBED Equation.3 1415 по первичному загружению, определяя 13 EMBED Equation.3 1415 ультразвуковой аппаратурой.

1.1.5. Классы и марки бетона

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий их эксплуатации нормы проектирования СП 52-101-2003 устанавливают показатели качества бетона (их несколько). Важнейшим из них является класс бетона по прочности на осевое сжатие В. Он указывается в проектах во всех случаях как основная характеристика бетона.
Классом бетона по прочности на осевое сжатие В называется наименьшее контролируемое значение временного сопротивления сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных после 28 суток твердения при температуре t = 20 ± 2°С и относительной влажности воздуха более 60% с соблюдением всех требований ГОСТ 10180-90, которое принимается с доверительной вероятностью 0,95.
Для бетонных и железобетонных конструкций нормами проектирования СНиП 52-01-2003 по прочности на сжатие предусмотрены следующие классы тяжёлого бетона: В3,5; В5; В7,5; B10; B15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80; В85; В90; В95; В100; В105; В110; В115; В120.
Число, стоящее после буквы «В» в обозначении класса бетона, соответствует гарантированной прочности бетона на осевое сжатие, выраженной в МПа, с обеспеченностью 95%. Например, классу бетона В20 соответствует гарантированная прочность бетона 20 MПa.
Чтобы оценить количественно изменчивость прочности бетона и обеспечить её гарантированное для заданного класса бетона значение, используют методы теории вероятностей. Для этого сначала строят опытные кривые распределения прочности бетона (рис. 10)
Для построения опытной кривой распределения производят статистическую обработку результатов испытаний опытных образцов (например, кубов). Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию (13 EMBED Equation.3 1415), установленное при испытании партии стандартных кубов
(1.6)
где n1, n2,nk – число случаев, в которых временное сопротивление соответственно было равно R1, R2,Rk ;
п =n1+n2++nk – число образцов в партии.



Среднее квадратичное отклонение прочности бетона в партии, характеризующее ее изменчивость:
(1.7)
где 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415;13 EMBED Equation.3 1415 – отклонения прочности бетона, полученные в отдельных испытаниях, от средней. При n < 30 в знаменатель последней формулы вместо п подставляют n-1.
Весь размах наблюдений 13 EMBED Equation.3 1415 разбивают на ряд интервалов. Судя по виду гистограммы или опытной кривой, выдвигают гипотезу относительно закона распределения прочности бетона и проверяют правильность этой гипотезы. Чаще всего имеет место нормальный закон распределения случайных величин по Гауссу, что можно установить, например, по критерию согласия
·2.
Коэффициент вариации прочности бетона (
·) в партии, который характеризует степень рассеивания прочности бетона, представляет собой отношение:
(1.8)
Опытные исследования, проведенные на заводах в нашей стране, показали, что для тяжёлых, мелкозернистых и лёгких бетонов коэффициент вариации прочности бетона при сжатии в среднем составляет 0,135. Его численное значение на отдельных предприятиях, в зависимости от культуры производства и технологии приготовления бетонной смеси, колеблется в пределах 0,05...0,20.
На оси абсцисс теоретической кривой распределения прочности бетона наименьшее контролируемое значение прочности бетона – временное сопротивление сжатию Rn(B) расположено на расстоянии 1,64
· влево от значения 13 EMBED Equation.3 1415, т.е.
(1.9)
где 1,64 – показатель надёжности, или число, которому соответствует надёжность 0,95.
Подставляя в формулу (1.9) v = 0,135, получим В = 13 EMBED Equation.3 1415 (1 - 1,640,135) = =0,77813 EMBED Equation.3 1415.
Обеспеченность или надёжность класса бетона подсчитывают по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 (1.10)
где f(R) – плотность распределения прочности бетона, которая при нормальном законе распределения определяется по формуле:

Заводом-изготовителем при заданном по проекту классе бетона В, в зависимости от уровня культуры производства и фактического значения v= vзавода из формулы (1.9), устанавливается требуемое значение средней прочности бетона на осевое сжатие 13 EMBED Equation.3 1415:
(1.11)
Пусть имеется два завода железобетонных изделий с неодинаковой культурой производства, для которых плотности распределения прочности бетона показаны на рис. 11.
Из рис. 11 понятно, что при изготовлении изделий из неоднородной бетонной смеси имеет место больший расход цемента, чем при изготовлении того же изделия при хорошо отработанной технологии получения бетонной смеси. Т. е. при уменьшении коэффициента вариации прочности бетона на первом заводе-изготовителе с v1 до v можно снизить требуемую среднюю кубиковую прочность бетона с 13 EMBED Equation.3 1415 до 13 EMBED Equation.3 1415 и тем самым уменьшить расход цемента, сохранив при этом требуемую обеспеченность.



Классы бетона по прочности на осевое растяжение (Вt0,4; Вt0,8; Вt1,2; Вt1,6; Вt2; Вt2,4; Вt2,8; Вt3,2; Вt3,6; Вt4; Вt4,4; Вt4,8; Вt5,2; Вt5,6; Вt6) устанавливаются для конструкций, работающих преимущественно на растяжение (например, стенок резервуаров и водонапорных труб):

При растяжении принято vt = 0,165, тогда:

Сроки твердения бетона устанавливаются так, чтобы требуемая по проекту прочность бетона была бы достигнута к моменту загружения конструкции проектной нагрузкой. Для монолитных конструкций, выполненных из бетона на обычном портландцементе, этот срок, как правило, принимается равным 28 суткам. Для элементов сборных конструкций заводского изготовления в принципе отпускная прочность бетона может быть ниже его класса, требуемого по проекту. Она устанавливается по стандартам и техническим условиям в зависимости от условий транспортирования, монтажа и сроков загружения конструкции.
Кроме того, при необходимости для более полной характеристики качеств бетона могут устанавливаться марки бетона по морозостойкости F, по водонепроницаемости W и по средней плотности D.
В п. 5.1.3. СНиП 52-01-2003 предусмотрены бетоны следующих марок:
по морозостойкости F15, F20, F25, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F700, F800, F900, F100 они характеризуются числом циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которые выдерживает бетон без снижения прочности более чем на 15%;
по водонепроницаемости W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20. Здесь число – величина давления воды в кгс/см2, при котором еще не наблюдается просачивания ее через испытуемый стандартный образец толщиной 15 см;
по средней плотности от D 200 до D 5000, что соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м3.
Для бетонов на напрягающем цементе устанавливают марку по самонапряжению.
При необходимости устанавливают дополнительные показатели качества бетона, связанные с теплопроводностью, температуростойкостью, огнестойкостью, коррозионной стойкостью (как самого бетона, так и находящейся в нем арматуры), биологической защитой и с другими требованиями, предъявляемыми к конструкции ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).

1.1.6. Деформативность бетона

Виды деформаций. Под деформативностью бетона понимается изменение его формы и размеров под влиянием различных воздействий (в том числе в результате взаимодействия бетона с внешней средой).
Бетон является упруго-пластическим материалом, в котором, начиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций (ee), появляются и неупругие остаточные или пластические (epl), т.е. полная деформация (eb) без учёта усадки равна:
13 EMBED Equation.3 1415 (1.12)
В бетоне различают деформации двух основных видов: объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки или изменения температуры, и силовые, развивающиеся главным образом в направлении действия сил. Силовым продольным деформациям также соответствуют некоторые поперечные деформации бетона; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v равен 0,2 (коэффициент Пуассона). Причём v остаётся практически постоянным вплоть до напряжений 13 EMBED Equation.3 1415. При этом относительная продольная деформация будет 13 EMBED Equation.3 1415, а поперечная деформация 13 EMBED Equation.3 1415.
Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности её действия подразделяются на следующие три вида:
при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой;
при длительном действии нагрузки;
при многократном повторяющемся действии нагрузки.
Наибольший практический интерес представляют продольные деформации бетона при осевом сжатии. Для изучения деформативности бетона при сжатии используют бетонные призмы с h/a = 4, чтобы исключить влияние на получаемые результаты сил трения, возникающих между опорными гранями образца и плитами пресса. На боковые грани призм в средней их части по высоте устанавливают приборы для замера деформаций (рис. 12, а) или наклеивают электротензодатчики.
Нагрузка к призме прикладывается постепенно по этапам или ступеням (ступень обычно составляет 1/10...1/20 от ожидаемой разрушающей нагрузки). Если деформации на каждой ступени приложения нагрузки замерять дважды: первый раз сразу после приложения нагрузки и второй раз через некоторое время после выдержки под нагрузкой (обычно около 5 минут), то на диаграмме 13 EMBED Equation.3 1415получим ступенчатую линию, изображенную на рис. 12, б. Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, неупругие и на диаграмме 13 EMBED Equation.3 1415имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой (рис. 12, б).
Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Длительность загружения обычно не превышает 60 минут. Диаграмма 13 EMBED Equation.3 1415 для этого случая показана на рис. 13.
Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня напряжений и класса бетона, т. е. 13 EMBED Equation.3 1415.
В связи с этим целесообразно выделить исходные (эталонные) диаграммы, полученные на стандартных призмах, испытываемых скоростью роста деформаций 2%, а затем уже переходить к корректировке (трансформированию) диаграмм. Такая скорость изменения деформаций позволяет достигать вершины диаграммы примерно за 1 час.
Если по мере падения сопротивления бетона удаётся в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы. Знать как работает бетон на этом участке важно для ряда конструкций и видов нагружения.
Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна 13 EMBED Equation.3 1415, т.е. она состоит из упругой части, равной 13 EMBED Equation.3 1415 и неупругой 13 EMBED Equation.3 1415, которая после снятия нагрузки практически не исчезает. Точнее небольшая доля неупругих деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки исчезает. Эта часть пластической деформации называется деформацией упругого последействия
·ер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации
·е1, характеризующая обратимое сплющивание пустот цементного камня. Таким образом, после разгрузки бетона окончательно остается остаточная деформация, возникающая из-за необратимого сплющивания пустот цементного камня и излома их стенок
·рl1 (рис. 13). R2 – напряжение в момент, предшествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная величина).

Рис. 12. К определению продольных деформаций бетона при сжатии:
а – опытный образец (призма) с наклеенными на боковых поверхностях электротензодатчиками; б – диаграмма 13 EMBED Equation.3 1415при приложении нагрузки ступенями; 1 – прямая упругих деформаций, 2 – кривая полных деформаций

При невысоких напряжениях (13 EMBED Equation.3 1415) превалируют упругие деформации (13 EMBED Equation.3 1415), а при 13 EMBED Equation.3 1415 бетон можно рассматривать как упругий материал. При осевом растяжении диаграмма 13 EMBED Equation.3 1415 имеет тот же характер что и при сжатии.
Необходимо обратить внимание на предельные деформации, при которых бетон разрушается (точнее начинает разрушаться). Независимо от режима нагружения за предельное значение деформации бетона принимают величину, соответствующую максимальному напряжению. Считают приближенно, что средние значения предельных деформаций тяжёлого бетона любого класса составляют при кратковременном действии нагрузки:
при сжатии еиЬ = 0, 002 (2 мм на 1 м);
при растяжении еиbt = 0,00015 (0,15 мм на 1 м).
Знание предельных деформаций бетона необходимо, так как от их величин зависит диапазон совместной работы арматуры с бетоном и эффективность её использования.
Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки (t > 60 минут), даже постоянной, неупругие деформации с течением времени значительно увеличиваются. В реальных же условиях в процессе строительства зданий и сооружений идёт постепенное ступенчатое нагружение железобетонных элементов.
Нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки называется ползучестью бетона. Впервые ползучесть бетона была обнаружена И. Самовичем в 1885 г. Деформации ползучести состоят из двух частей: пластической, протекающей почти одновременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. При длительном загружении бетона постоянной нагрузкой, которая меньше разрушающей, диаграмма сжатия выглядит так, как показано на рис. 14, а. Участок 0 - 1 этой диаграммы соответствует деформации, возникающей при загружении; кривизна этого участка зависит, главным образом, от скорости загружения. Участок 1 - 2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений. Наибольшая интенсивность нарастания деформаций ползучести наблюдается в первые 3...4 месяца после загружения бетона (рис. 14, б). Они достигают к концу этого периода 40...45% от eupl, через год они составляют приблизительно 65...75% от eupl, и через два года 80...90%. Затем нарастание этих деформаций по мере приближения к предельной для данных условий величине eupl постепенно затухает. Замечено, что нарастание деформаций ползучести прекращается одновременно с окончанием нарастания прочности бетона. Опыты показывают, что независимо от того, с какой скоростью достигнуто напряжение
·ь, конечные неупругие деформации, соответствующие этому напряжению, всегда будут одинаковы (рис. 14, в).


Рис. 14. Неупругие деформации бетона в зависимости:
а, б – от длительности действия нагрузки; в – от скорости начального загружения

.
Деформации ползучести развиваются главным образом в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3...4 раза, т. е.
·ирl /
·е - 3...4. Это обстоятельство заставляет с ними считаться при проектировании железобетонных конструкций.
Одновременно с ползучестью развиваются и деформации усадки, т. е.:
(1.13)
Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и постепенным уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит постепенное перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зёрна заполнителей. Развитию деформаций ползучести способствуют также капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается.
Ползучесть бетона условно разделяют на линейную и нелинейную. Считают, что линейная ползучесть имеет место при 13 EMBED Equation.3 1415 (13 EMBED Equation.3 1415– напряжение, соответствующее нижней границе микроразрушений). В этом случае деформацию ползучести определяют по формуле:
(1.14)
где с – мера ползучести бетона при сжатии 13 EMBED Equation.3 1415.
В практических расчётах используют обычно предельную меру ползучести бетона спр, отнесенную ко времени t
· (практически t = 3...4 годам). Её значения при 13 EMBED Equation.3 1415 для различных сроков загружения бетона приведены в СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы» в табл. 3.
Обозначим через v=
·е/
·ь коэффициент упругопластичности бетона, а через
· =
·pl /
·ь – коэффициент пластичности бетона, тогда отношение
(1.15)
будет называться характеристикой ползучести бетона
·, которая изменяется от 0 до 4.
Зависимость между с и
· можно получить из (1.14) и (1.15), учитывая, что 13 EMBED Equation.3 1415, тогда
· = сЕb;
· и с вводятся в расчёт для количественной оценки деформаций линейной ползучести при сжатии.
Величина деформации ползучести зависит от многих факторов.
Загруженный в раннем возрасте бетон (при прочих равных условиях) обладает большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Технологические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увеличением W/C и расхода цемента на единицу объёма бетонной смеси ползучесть возрастает; с повышением прочности зёрен заполнителя ползучесть уменьшается; с повышением класса бетона ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны. Ползучесть зависит от вида цемента: наибольшей ползучестью обладают бетоны, приготовленные на шлакопортландцементе или портландцементе. Ползучесть тем меньше (при прочих равных условиях), чем больше размеры поперечного сечения бетонного элемента. Максимальные деформации ползучести (при прочих равных условиях) достигаются при водонасыщении бетона в пределах 20...35%. Пропаривание бетона снижает его ползучесть на 10...20%, а автоклавная обработка – на 50...80%. Ползучесть бетона оказывает существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой, что учитывают, например, при расчете внецентренно сжатых элементов, при оценке деформативности конструкций и при определении внутренних усилий в статически неопределимых конструкциях.
Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. Многократное повторение циклов нагрузки и разгрузки бетонного образца приводит к постепенному накоплению неупругих деформаций. Линии нагрузки и разгрузки образуют петлю гистерезиса, площадь которой характеризует энергию, затраченную за один цикл на преодоление внутреннего трения.
При напряжениях, не превышающих предел выносливости 13 EMBED Equation.3 1415, после достаточно большого числа циклов неупругие деформации бетона, соответствующие данному уровню напряжений, постепенно выбираются и бетон начинает работать упруго (рис. 15).


При высоких напряжениях 13 EMBED Equation.3 1415после некоторого числа циклов кривая 13 EMBED Equation.3 1415достигает прямолинейного вида, а затем начинает искривляться снова, но уже в обратном направлении, т.е. вогнутостью в сторону оси напряжений. Искривление начинается с верхней части прямой (т.е. вблизи наивысшего напряжения) и появляется точка перегиба. При продолжающемся повторении приложении нагрузки точка перегиба опускается всё ниже по кривой, пока не исчезнет. Тогда вся кривая оказывается вогнутой в сторону оси напряжений. При этом остаточные деформации после каждой разгрузки неограниченно растут, а кривая 13 EMBED Equation.3 1415 всё больше наклоняется к оси абсцисс. Петля гистерезиса всё больше увеличивается и, наконец, образец хрупко разрушается.
Физические явления, происходящие в бетоне при повторных нагружениях, близки к явлениям, происходящим при действии очень длительных нагрузок, т.е. длительное нагружение можно рассматривать как многократно повторное с 13 EMBED Equation.3 1415.
При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200...600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползучестью или динамической ползучестью бетона.
Поперечные деформации бетона
Упругие поперечные силовые деформации бетона связаны с продольным начальным коэффициентом поперечной деформации бетона (коэффициент Пуассона)
(1.16)
При кратковременной нагрузке и 13 EMBED Equation.3 1415v = 0,2.
13 EMBED Equation.3 1415 является верхней границей упругой работы бетона при кратковременном загружении и верхней границей линейной ползучести при длительном загружении. Начиная с 13 EMBED Equation.3 1415, v стремительно растёт и достигает при
·ь = (0,9...0,95)Rb значения 0,5. При 13 EMBED Equation.3 1415 микротрещинообразование начинается непосредственно в цементно-песчаном камне, т.е. наступает необратимое увеличение объёма бетона.
13 EMBED Equation.3 1415 – это то наибольшее сжимающее напряжение в бетоне, при котором в цементно-песчаном камне ещё не появляются видимые трещины. При 13 EMBED Equation.3 1415 появляются необратимые видимые трещины.
Для характеристики структурного состояния бетона введён коэффициент поперечной деформации при сжатии:
(1.17)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – приращение полной поперечной деформации 13 EMBED Equation.3 1415на данной ступени повышения напряжений;
13 EMBED Equation.3 1415– приращение полной продольной деформации на данной ступени повышения напряжений.
При 13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 = 0, 2...0,25 и стабилен. При 13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 = 0,5, т.е. наступает предел деформациям бетона без нарушения сплошности. Дальнейшее увеличение значений 13 EMBED Equation.3 1415 свидетельствует о начале разрыхления структуры бетона с прогрессирующим развитием трещин, которое может заканчиваться лавинообразно.

1.1.7. Модуль деформаций бетона

Начальный модуль упругости бетона при сжатии (13 EMBED Equation.3 1415) соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении или при напряжениях 13 EMBED Equation.3 1415. Он определяется, в соответствии с законом Гука, как тангенс угла наклона прямой упругих деформаций к оси абсцисс (рис. 16), т.е.:
(1.18)
где
· = 1 МПа – масштабно-размерный коэффициет.


Обычно 13 EMBED Equation.3 1415 определяется из специальных опытов на призмах при низком уровне напряжений (13 EMBED Equation.3 1415), когда бетон можно рассматривать как упругий материал, или, если известна кубиковая прочность бетона, то по различным эмпирическим формулам. Так для тяжёлого бетона естественного твердения
13 EMBED Equation.3 1415. (1.19)
Значение 13 EMBED Equation.3 1415 при тепловой обработке бетона снижается на 10%, при автоклавной – на 25%.
·При действии на бетон нагрузки, при которой 13 EMBED Equation.3 1415, хотя бы в течение нескольких минут, в связи с развитием пластических деформаций (включая ползучесть) модуль полных деформаций бетона 13 EMBED Equation.3 1415 становится величиной переменной.
Для расчёта железобетонных конструкций пользуются средним модулем деформаций или модулем упругопластичности бетона, представляющим собой тангенс угла наклона секущей, проведённой через начало координат и точку на кривой 13 EMBED Equation.3 1415 с заданным напряжением, к оси абсцисс, т.е.
(1.20)
Зависимость между 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 можно установить, если выразить по (1.18) и (1.20) одно и то же напряжение в бетоне 13 EMBED Equation.3 1415 через упругие деформации 13 EMBED Equation.3 1415 и полные деформации 13 EMBED Equation.3 1415
(1.21)
где v = 13 EMBED Equation.3 1415– коэффициент упругопластичности бетона. Значение v при сжатии изменяется от 1 (при упругой работе бетона) до 0,15 (в момент, предшествующий разрушению бетона при очень длительном загружении).
Начальный модуль упругости бетона при растяжении 13 EMBED Equation.3 1415 по абсолютной величине принимается равным 13 EMBED Equation.3 1415, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415, а
(1.22)
где vt = 0,15 – значение коэффициента упругопластичности бетона при растяжении в момент, предшествующий разрушению.
Значения модуля сдвига бетона G принимают по установленной в теории упругости зависимости

Подставив в неё начальный коэффициент поперечной деформации бетона
· = 0,2, получим 13 EMBED Equation.3 1415.

1.2. Арматура для железобетонных конструкций

1.2.1. Назначение арматуры и требования к ней

Под арматурой понимают отдельные стержни или целые каркасы, которые располагаются в массе бетона в соответствии со статической схемой работы конструкции.
Арматура в железобетонных конструкциях используется преимущественно для восприятия растягивающих усилий. Но иногда арматуру применяют и для усиления сжатого бетона (например, в колоннах), а также для восприятия температурных и усадочных напряжений.
Арматура для железобетонных конструкций должна удовлетворять следующим требованиям:
под нагрузкой надёжно работать совместно с бетоном (за счёт сцепления) на всех стадиях службы конструкции;
использоваться до предела текучести или предела прочности при исчерпании конструкцией несущей способности.

1.2.2. Виды арматуры

Многообразие видов железобетонных конструкций определяет необходимость применения широкой номенклатуры арматурных сталей.
Для изготовления арматуры используют конструкционные стали обычно с содержанием углерода не более 0,65%, так как стали с более высоким содержанием углерода плохо свариваются.
Арматура классифицируется по функциональному назначению и способу изготовления по четырём признакам.
По технологии изготовления арматуру делят на: стержневую горяче-катаную, термомеханически упрочненную и механически упрочненную в холодном состоянии (холоднодеформированную).
По форме наружной поверхности арматура бывает гладкая и периодического профиля.
По способу применения: арматура, которую укладывают в конструкцию без предварительного напряжения, называется ненапрягаемой; арматура, которую при изготовлении конструкции предварительно натягивают – напрягаемой.
Арматура, устанавливаемая в железобетонных конструкциях по расчёту, называется рабочей. Площадь её поперечного сечения определяется расчётом элементов конструкций на различные нагрузки и воздействия. Её главное назначение – восприятие растягивающих усилий в сечениях. Поэтому она располагается в растянутой зоне вдоль линии действия этих усилий, т. е. перпендикулярно к возможному направлению трещин.
Арматура, устанавливаемая по конструктивным или технологическим соображениям, называется монтажной или распределительной (в плитах). Она обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции и более равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры. Кроме того, монтажная арматура может воспринимать обычно не учитываемые расчётом усилия от усадки бетона, изменения температуры конструкции и т.п. Она может также выполнять роль рабочей при транспортировании и монтаже конструкции.

1.2.3. Физико-механические свойства арматурных сталей

Физико-механические свойства арматурных сталей зависят от химического состава стали, из которой сделана арматура, способа изготовления и обработки её.
Характеристики прочности и деформативности арматуры определяют по диаграмме 13 EMBED Equation.3 1415, получаемой путём испытаний стандартных образцов. Арматурные стали условно подразделяются на «мягкие», основной гарантированной характеристикой которых является предел текучести
·у, и «твёрдые» с основной гарантированной характеристикой в виде временного сопротивления разрыву
·и.
Зависимость между напряжениями и деформациями при растяжении образцов горячекатаной арматуры из малоуглеродистой стали марки Ст3 («мягкая» сталь) определяется диаграммой (рис. 17, а).


Рис. 17. Диаграмма деформирования малоуглеродистой стали:
а – при растяжении; б – при сжатии
Поскольку при сжатии диаграмма деформирования стали существенно отличается от диаграммы при растяжении (рис. 17, 6), то для сжатых образцов с уверенностью можно говорить лишь о пределе текучести; величину временного сопротивления при сжатии установить практически невозможно.
Сталь марки Ст3 представляет собой почти чистое железо с содержанием различных примесей около 1% (из них углерода 0,14...0,22%). Эта сталь имеет физический предел текучести. Во избежание чрезмерных деформаций в конструкциях горячекатаная арматура может быть использована в них до напряжений
·s <
·у. Значит, основной характеристикой прочности для «мягких» сталей является
·у, для «твёрдых» –
·и.
Увеличение содержания углерода в арматурной стали марки Ст5 до 0,28...0,37% повышает её предел текучести и временное сопротивление (
·у = 300 МПа и
·и = 500 МПа) за счёт некоторого снижения пластичности (до
·
·19%, здесь
· – полное относительное удлинение образца при разрыве в %, включая длину шейки разрыва).
Увеличение содержания углерода в арматурной стали сверх 0,5% значительно снижает её пластические свойства и ухудшает свариваемость. Поэтому дальнейшее повышение
·у и
·и горячекатаной стали достигается легированием. В строительстве в основном применяются низколегированные арматурные стали с общим содержанием легирующих добавок обычно не более 2%. Однако, многие легирующие добавки, повышая прочность стали, одновременно снижают её деформативность, ухудшают свариваемость и др. полезные свойства, а также повышают стоимость.
В связи с этим для повышения прочности стали кроме легирования используется также термообработка. При этом сначала осуществляется закалка арматурной стали (нагрев до температуры 800...900°С и быстрое охлаждение), а затем отпуск (нагрев до температуры 300...400°С и медленное плавное охлаждение). Причём закалке могут быть подвергнуты стали, содержащие не менее 0,25% углерода.
Выносливость арматуры. От действия многократно повторяющейся нагрузки возможно усталостное разрушение арматуры при пониженном сопротивлении растяжению (меньшем предела текучести или предела прочности при однократном кратковременном загружении). Усталостное разрушение происходит внезапно и носит хрупкий характер (происходит без образования площадки текучести). Шейка в месте разрыва арматурного стержня не образуется.
Для исследования сопротивления арматуры при переменных напряжениях от действия многократно повторяющейся нагрузки на основании опытных данных строят кривую выносливости арматуры (рис. 18), на которой N – число циклов нагрузки-разгрузки до разрушения образца;
·s – наибольшее значение периодически повторяющегося напряжения.
Предел прочности арматуры при действии многократно повторяющейся нагрузки называется пределом выносливости (это напряжение Rsf , соответствующее горизонтальному участку кривой выносливости). Rsf представляет собой то наибольшее напряжение, при котором как бы ни было велико N, разрушения не наступает.

Изображённая на рис. 18 кривая получается путём испытаний ряда одинаковых образцов, но при различных уровнях
·s. Чем выше напряжение
·s, тем после меньшего числа циклов происходит разрушение образца, если это напряжение превосходит предел выносливости Rsf. Испытание одного образца позволяет получить одну точку в системе осей
·s – N. Начиная с N = 2...10 млн. циклов кривая выносливости имеет горизонтальный участок.
Предел выносливости арматурной стали в железобетонных конструкциях зависит от числа повторений нагрузки N, характеристики цикла 13 EMBED Equation.3 1415, качества сцепления, наличия трещин в бетоне растянутой зоны и др.
При
·s = -1 (симметричный цикл) 13 EMBED Equation.3 1415; при
·s = 0 (пульсирующий цикл) 13 EMBED Equation.3 1415.
Как правило, при действии многократно повторяющейся нагрузки конструкции армируют мягкими сталями.

1.2.4. Классификация арматуры по основным характеристикам. Сортамент арматуры

По виду применяемой арматуры различают железобетон с гибкой арматурой в виде стальных стержней круглого или периодического профиля сравнительно небольших диаметров (до 40 мм включительно) и конструкции с несущей или жёсткой арматурой. К жёсткой арматуре относится профильная прокатная сталь (уголкового, швеллерного и двутаврового сечения) и горячекатаные стержни диаметром более 40 мм. Основным видом арматуры является гибкая.
Вся арматура, используемая в железобетоне, по своим основным характеристикам делится на ряд классов, причём в один класс может входить арматура из сталей нескольких марок.
Основным нормируемым и контролируемым показателем качества стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение, обозначаемый:
А – для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры;
В – для холоднодеформированной арматуры;
К – для арматурных канатов.
Класс арматуры соответствует гарантированному значению предела текучести (физического или условного) в МПа, устанавливаемому в соответствии с требованиями стандартов и технических условий, и принимается в пределах от A 240 до A 1500, от B 500 до B 2000 и от K 1400 до K 2500.
Классы арматуры следует назначать в соответствии с их параметрическими рядами, установленными нормативными документами.
Кроме требований по прочности на растяжение к арматуре предъявляют требования по дополнительным показателям, определяемым по соответствующим стандартам: свариваемость, выносливость, пластичность, стойкость к коррозионному растрескиванию, релаксационная стойкость, хладостойкость, стойкость при высоких температурах, относительное удлинение при разрыве и др.
К неметаллической арматуре (в том числе фибре) предъявляют также требования по щелочестойкости и адгезии к бетону.
Дадим краткие характеристики арматуры перечисленных классов.
Арматуру класса A240 изготовляют из стали марки Ст3. Она имеет гладкую цилиндрическую поверхность и применяется главным образом в качестве монтажной арматуры, хомутов, поперечных стержней; из неё изготавливают монтажные петли. Хорошо сваривается. Прокатывается, начиная с диаметра 6 мм (
·v = 230 МПа,
·u = 380 МПа и
·
· 25%).
Остальные классы стержневой арматуры представляют собой стальные стержни, поверхность которых имеет периодический профиль. Выступы, имеющиеся на поверхности стержней периодического профиля, резко (в 2...3 раза) повышают сцепление арматуры с бетоном и уменьшают ширину раскрытия трещин в бетоне растянутой зоны.
Например, для арматуры класса А300 периодический профиль имеет вид, показанный на рис. 19, а. Как видно из этого рисунка, арматура класса А300 представляет собой круглые стержни с часто расположенными выступами и с двумя продольными рёбрами.
Арматура класса А300 хорошо сваривается и используется в качестве рабочей в обычном железобетоне. Для её изготовления используются стали марок Ст5, 10ГТ, 18Г2С. Прокатывается, начиная с номинального диаметра 10 мм. Основные её характеристики
·у = 300 МПа,
·и = 500 МПа и
·
· 19%.



Рис. 19. Арматура периодического профиля:
а, б – стержневая; в – проволочная

Арматура класса A400 имеет на своей поверхности выступы, образующие «ёлочку» (рис. 19, 6). Эта арматура является основной рабочей арматурой в обычном железобетоне. Хорошо сваривается. Выпускается диаметрами 6, 8, 10 мм в мотках массой до 1300 кг и диаметрами 12...40 мм в прутках длиной до 13,2 м. Изготавливается из низколегированной стали марок 18Г2С, 35ГС, 25Г2С по усмотрению завода-изготовителя. Для неё
·у = 400 МПа,
·и = 600 МПа и
·
· 14%.
В обозначениях марок стали отражается содержание в них углерода и легирующих добавок. Например, в марке стали 25Г2С первые две цифры обозначают содержание в стали углерода в сотых долях процента (0,25%), буква Г – что сталь легирована марганцем, цифра 2 – что его содержание может достигать 2%, а буква С – наличие в стали кремния. Буквой X обозначается хром, Т – титан, Ц – цирконий и т.д.
Обыкновенная низкоуглеродистая проволока класса В500 (ГОСТ 6727-80) выпускается диаметрами 3, 4, 5 мм. Изготовляют её волочением катанки из низкоуглеродистой стали группы Ст2 – Ст3 и используют преимущественно в сварных изделиях – сетках и каркасах;
·и = 550...525 МПа в зависимости от диаметра, а
·у и
· не нормируются.
Периодический профиль проволоки класса В500 (рис. 19, в) образуется расположенными на её поверхности вмятинами (рифами). Размеры вмятин зависят от диаметра проволоки. Проволока хорошо сваривается, что позволяет использовать её для изготовления арматурных изделий.
Класс арматурной стали при проектировании выбирается в зависимости от типа конструкции, условий ее возведения и эксплуатации.
При проектировании железобетонных конструкций пользуются сортаментом арматуры. Сортамент арматурной стали – это перечень типоразмеров каждого вида арматурных стержней, выпускаемых в настоящее время металлургической промышленностью. В стране существует единый сортамент для гладкой арматуры и арматуры периодического профиля. Он составлен по номинальным диаметрам стержней, выраженным в мм. Номинальный диаметр гладкого стержня совпадает с его фактическим диаметром. Для стержневой арматуры периодического профиля номинальный диаметр (номер) стержня, указанный в сортаменте, соответствует диаметру гладкого круглого стержня, равновеликого ему по площади поперечного сечения. Например, арматурный стержень, расчётный номинальный диаметр которого равен 20 мм (см. рис. 19, а, б), имеет наружный диаметр (по выступам) 22 мм и внутренний (по телу) – 19 мм, а высота выступов на его поверхности равна h = 0,5(d1–d) = 0,5(22–19) = 15 мм.

1.2.5. Сварные арматурные изделия

Сварка – это технологический процесс получения неразъёмных соединений металлических изделий (в наших случаях стальных).
По принципу создания сварного соединения различают сварку плавлением (дуговая, электродуговая, ванная) и сварку пластическим деформированием (контактная).
Сварка плавлением заключается в местном сплавлении соединяемых деталей. Источником теплоты чаще всего является электрический ток. Под действием высокой температуры электрической дуги, возникающей в процессе сварки (при металлических электродах она составляет около 2400°C на катоде и 2600°C на аноде – положительном полюсе источника тока), металл контактирующих поверхностей расплавляется, образуя общую сварочную ванну, после охлаждения которой остаётся сварочный шов.
Сварка пластическим деформированием (или контактная) заключается в местном нагреве соединяемых деталей до пластического или жидкого состояния при пропускании через них электрического тока большой силы с одновременным или последующим сильным сжатием, обеспечивающим взаимодействие атомов металла. Контактная сварка не требует дополнительного расхода металла для накладок и электродов. Прочное соединение образуется только за счёт расплавленного металла деталей.
Свариваемость сталей зависит от их химического состава, физико-механических свойств и термообработки перед сваркой. Особенно отрицательно влияет на качество сварного шва углерод. Углеродистые стали хорошо свариваются любым способом при содержании углерода до 0,25% и удовлетворительно при содержании углерода до 0,55% .
Сварные арматурные изделия (сетки и каркасы) применяют для снижения трудоёмкости армирования железобетонных конструкций. Кроме того, они обеспечивают лучшее сцепление арматурных стержней с бетоном.
Продольные и поперечные стержни сварных изделий, которые называются сетками или каркасами, в местах пересечений (обычно под прямым углом) соединяют между собой контактной точечной электросваркой либо с помощью дуговой электросварки (возможны и другие способы соединения).
Сварные сетки изготовляют чаще всего из обыкновенной арматурной холоднотянутой проволоки класса В500 диаметром 3, 4, 5 мм и стержневой арматуры класса A400 диаметром 6, 8, 10 мм. Они могут быть рулонные и плоские (рис. 20).

В рулонных сетках наибольший диаметр продольных стержней – 6 мм. Рабочей арматурой могут являться продольные или поперечные стержни сетки. Возможно также расположение рабочих стержней в двух направлениях. Ширина стандартной рулонной сетки ограничена размером 3,8м, длина – массой рулона 900...1300 кг. Длина сетки в рулоне составляет 50...100 м, поэтому при использовании в конструкциях сетки разрезают по месту.
Маркировка сетки из числа стандартных осуществляется следующим образом:


где С – сетка; D – диаметр продольных стержней сетки, мм; v – шаг продольных стержней, мм; d – диаметр поперечных стержней сетки, мм; и – шаг поперечных стержней, мм; А полная ширина сетки, мм; L – длина сетки, мм; c1c2 – длина свободных концов продольных стержней, мм; k – длина свободных концов поперечных стержней, мм.
Сварные каркасы изготовляют плоскими и пространственными (рис. 21). Их применяют для армирования линейных элементов (балок, колонн и т.п.).
Плоские сварные каркасы (их называют иногда также сетками) состоят из продольных стержней и приваренных к ним поперечных (рис. 21, а). Концевые выпуски продольных и поперечных стержней каркаса должны быть не менее 0,5d1+d2 или 0,5d2+d1 и не менее 20 мм. Пространственные каркасы конструируют из плоских каркасов (рис. 21, б), в ряде случаев применяя соединительные стержни (рис. 21, в). Пространственные каркасы должны обладать достаточной жёсткостью для возможности их складирования, транспортирования и сохранения проектного положения в опалубочной форме при бетонировании.


Рис. 21. Сварные каркасы:
а – плоские; б – пространственный, образованный из плоских каркасов; в – то же, что б с применением соединительных стержней; 1 – продольные и поперечные стержни плоских каркасов; 2 – дополнительные продольные стержни; 3 – соединительные стержни пространственного каркаса

Качество точечной электросварки каркасов зависит от соотношения диаметров свариваемых поперечных и продольных стержней, которое должно быть не менее 1/3... 1/4. Наименьшее расстояние между осями свариваемых стержней также зависит от диаметров стержней.

1.2.6. Соединения арматуры

По длине стержни горячекатаной арматуры в обычном железобетоне соединяются, как правило, с помощью сварки, независимо от способа образования каркаса.
Стержни отдельных позиций сварного каркаса могут быть простыми, состоящими из цельного стержня одного диаметра, или, в целях экономии арматурной стали, составными, состоящими по длине из стержней двух-трёх различных диаметров (рис. 22), соединённых контактной стыковой сваркой. Составными могут быть только стержни из горячекатаной арматуры периодического профиля. Составные стержни часто применяют при армировании ригелей, колонн, подпорных стенок и т.п.
Все сварные соединения в зависимости от места их выполнения делятся на:
сварные соединения, выполняемые в заводских условиях;
сварные соединения, выполняемые в условиях стройплощадки.


Сварные соединения, выполняемые в заводских условиях. Различают два основных их типа:
А. Контактная электросварка встык (или контактная стыковая электросварка) предназначена для соединения заготовок арматурных стержней, приварки к стержням коротышей большего диаметра и т. п. Выполняется на специальных сварочных машинах. Процесс сварки состоит в том, что концы стержней в месте их контакта под действием электрического тока большой силы (до 100 кА) разогреваются до пластического или жидкого состояния с одновременным или последующим сильным сжатием, обеспечивающим взаимодействие атомов металла. В зоне сварки металл оплавляется, образуя небольшое утолщение (рис. 23, а). Прочность такого соединения получается даже выше, чем прочность самих стыкуемых стержней. Этим способом может производиться соединение стержней диаметром от 10 до 80 мм.
При соединении стержней арматуры классов A240, А300, A400, А500, A600, А800, A1000 разных диаметров должно соблюдаться условие d1 /d2
· 0,85 (соотношение 0,3 допускается при использовании специальной технологии сварки), а наименьший диаметр стержня d1 = 10 мм.
Б. Контактная точечная электросварка используется для соединения отдельных стержней в местах их пересечения при изготовлении сеток и каркасов, В этих случаях применяют стержневую арматуру классов A240, A300, A400 и проволочную класса В500. Перекрещивающиеся стержни сдавливают с большой силой в зажимах сварочной машины, затем включают ток, который доводит металл между зажимами до оплавления, а прилегающую зону – до пластического состояния.
Качество точечной электросварки зависит от соотношения диаметров свариваемых поперечных и продольных стержней. Оно должно быть в пределах d1 /d2 = 0,25...1.
Сварные соединения, выполняемые в условиях стройплощадки. Ограничимся рассмотрением двух типов таких соединений.
А. При монтаже арматурных изделий и сборных железобетонных конструкций для соединения встык как горизонтальных, так и вертикальных стержней (или выпусков) арматуры классов A240, A300, A400 диаметром 20 мм и более применяют электродуговую ванную сварку в съёмных инвентарных медных формах или на стальной скобе-подкладке (рис. 23, б). Принцип электродуговой сварки основан на образовании электрической дуги между свариваемым металлом и электродом. В зазор 10... 15 мм между свариваемыми стержнями помещается гребёнка электродов. При прохождении электрического тока между гребёнкой и формой возникает электрическая дуга. В результате этого образуется ванна расплавленного металла, которая разогревает и плавит торцы стыкуемых стержней. При этом расплавленный металл электродов и стержней образует сварной шов.
Б. Если диаметр соединяемых стержней менее 20 мм, то применяют дуговую сварку стержней четырьмя фланговыми швами с использованием круглых накладок (рис. 23, в). Этим способом могут соединяться стержни диаметром от 10 до 80 мм, начиная от класса A240 до класса A500 включительно. Допускается применять и односторонние сварные швы с удлинёнными накладками (рис. 23, г). При этом должны быть соблюдены следующие требования к размерам сварного шва: b
· 10 мм и b
· 0,5d; h
· 4 мм и h
· 0,25d, где b – ширина шва; h – глубина шва (рис. 23, д).
Соединение стержней в тавр с пластиной толщиной
· = 0,75d (из листовой или полосовой стали) выполняют автоматической дуговой сваркой под флюсом (рис. 23, е). Соединение внахлёстку арматурных стержней диаметром 8...40 мм с пластиной или плоскими элементами проката выполняют дуговой сваркой фланговыми швами (рис. 23, ж).
Сварные соединения способствуют рациональному расходу стали и использованию отходов арматуры.


Рис. 23. Сварные стыковые соединения арматуры:
а – контактная электросварка встык; б – дуговая ванная сварка в инвентарной форме; в – дуговая сварка с накладками с четырьмя фланговыми швами; г – то же, с двумя фланговыми швами; д – размеры сварного шва; е – сварное соединение в тавр стержней с пластиной; ж – сварное соединение внахлёстку стержня с пластиной

Стыки арматуры внахлёстку без сварки. Стержневую арматуру классов A240, А300, A400 допускается соединять внахлёстку без сварки с перепуском концов стержней на 20...50 диаметров в тех местах железобетонных элементов, где прочность арматуры используется не полностью. Однако такой вид соединения стержневой арматуры вследствие излишнего расхода стали и несовершенства конструкции стыка применять не рекомендуется.
Внахлёстку можно выполнять стыки сварных и вязаных каркасов и сеток в направлении рабочей арматуры (рис. 24).
При этом диаметр рабочей арматуры должен быть не более 36 мм. Длина перепуска (нахлёстки) стыкуемых стержней, каркасов, сеток в рабочем направлении определяется расчётным путём по формуле (1.25).


Рис. 24. Стыки сварных сеток в направлении рабочей арматуры:
а – при гладких стержнях, когда поперечные стержни расположены в одной плоскости; б, в – то же, но поперечные стержни расположены в разных плоскостях; г – при стержнях периодического профиля, когда в пределах стыка поперечные стержни отсутствуют в одной из стыкуемых сеток; д – то же, когда в пределах стыка поперечные стержни отсутствуют в обеих стыкуемых сетках; l – длина перепуска сеток; d, d1 – соответственно диаметры рабочей и распределительной арматуры

Поперечные стержни соединяемых сеток могут располагаться в разных плоскостях (рис. 24, б, в) или в одной плоскости (рис. 24, а). В каждой из соединяемых в растянутой зоне сеток на длине нахлёстки должно быть расположено не менее двух поперечных стержней, приваренных ко всем продольным стержням сеток. Такие же типы стыков применяются и для стыковки внахлёстку сварных каркасов с односторонним расположением рабочих стержней из всех видов арматуры; при этом на длине стыка устанавливают дополнительные хомуты или поперечные стержни с шагом не более 5 диаметров продольной арматуры. Если рабочей арматурой сеток являются стержни периодического профиля, то одна из стыкуемых или обе сетки в пределах стыка выполняются без приваренных поперечных стержней (рис. 24, г, д).
Стыки сварных сеток в нерабочем направлении (когда соединяется распределительная арматура) также выполняются внахлёстку (рис. 25).
Длину перепуска (считая между крайними рабочими стержнями сетки) принимают равной 50 мм при диаметре распределительной арматуры до 4 мм и равной 100 мм при диаметре распределительной арматуры более 4 мм. При диаметре рабочей арматуры 16 мм и более сварные сетки в нерабочем направлении допускается укладывать впритык друг к другу, перекрывая стык специальными стыковыми сетками, укладываемыми с перепуском в каждую сторону не менее 15 диаметров распределительной арматуры и не менее 100 мм (рис. 25, в). Стыки плоских каркасов, как и сеток, в конструкциях следует располагать вразбежку.

Рис. 25. Стыки сварных сеток в направлении нерабочей (распределительной) арматуры:
а – внахлёстку с расположением рабочих стержней в одной плоскости; б – то же, с расположением рабочих стержней в разных плоскостях; в – стык впритык с наложением дополнительной стыковой сетки; d, d1 – соответственно диаметры рабочей и распределительной арматуры; 1 – рабочая арматура; 2 – распределительная арматура


Вязаные каркасы и сетки в настоящее время применяют редко, так как при использовании вязаных изделий существенно повышается трудоёмкость. Однако в случае применения вязаных изделий исключается концентрация напряжений, которая при сварных изделиях возникает в зонах точечной сварки, а также устраняется опасность пережога поперечных стержней, что иногда наблюдается в сварных изделиях. В вязаных сетках и каркасах соединение стержней между собой осуществляется с помощью вязальной (отожжённой) проволоки диаметром 0,8...1 мм.

1.3. Железобетон

1.3.1. Общие сведения

Введение в бетон стальной арматуры заметно меняет его физико-механические свойства. Бетон и арматура в железобетоне оказывают положительное влияние друг на друга. Так, например, вследствие сцепления арматуры с бетоном усадка и ползучесть в железобетоне протекают несколько иначе, чем в неармированном бетоне.
Напряженное состояние железобетонных конструкций обусловливается, во-первых, действием внешней нагрузки и, во-вторых, процессом перераспределения внутренних усилий, вызванным тем, что при совместной работе двух материалов арматура становится внутренней связью, препятствующей свободному проявлению усадки и ползучести бетона.
Механические свойства железобетона зависят от соответствующих свойств бетона и арматуры, но не всегда совпадают с ними.
Например, появление трещин в растянутой зоне бетонной балки приводит к её разрушению, в то время как для железобетонной балки это, как правило, не опасно. Сжатый стальной элемент при достижении предела текучести теряет несущую способность, а в сжатой железобетонной колонне вследствие ползучести бетона при эксплуатационных нагрузках арматура может быть напряжена на сжатие до предела текучести, но конструкция работает нормально. Из этих примеров видно, что механические свойства железобетона требуют самостоятельного рассмотрения.

1.3.2. Содержание арматуры

Нормами установлены минимальные проценты армирования (
·s,тiп) для сечений железобетонных элементов. Их величины назначаются в зависимости от характера работы элементов и их гибкости и колеблются в пределах от 0,05 до 0,25%. Если
·s <
·s,тiп, то конструкцию при расчёте следует рассматривать как чисто бетонную. Из экономических соображений процент армирования железобетонных конструкций обычно не превышает 2...3%. С изменением
·s меняется не только несущая способность элемента, но и характер его разрушения.

1.3.3. Значение трещиностойкости

Существенным недостатком железобетона является появление трещин в растянутых зонах бетона при нагрузках даже ниже эксплуатационных. Это объясняется малой растяжимостью бетона.
Между долговечностью и трещиностойкостью железобетонных конструкций существует тесная связь. Поэтому существенно важным является вопрос о том, при каком напряжении в арматуре появляются первые трещины в растянутом бетоне. Для ответа на него воспользуемся опытными данными о предельной растяжимости бетона, которая составляет в среднем 13 EMBED Equation.3 1415= 0,00015 = = 15-10-5 относительных единиц.
При достаточно хорошем и непрерывном по длине арматуры сцеплении считают, что до появления трещин деформации бетона и арматуры в любой точке по поверхности их контакта равны, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415.
Следовательно, в момент, предшествующий появлению трещины, арматура и бетон работают совместно и 13 EMBED Equation.3 1415
При таких деформациях арматура любого класса работает ещё упруго и напряжения в ней определяются по закону Гука:

Если
· s > 30 МПа, то считаем, что в растянутом бетоне появляются трещины. Следовательно, для получения трещиностойкой конструкции требуется значительно ограничить использование прочности арматуры при растяжении (имеется ввиду обычный железобетон, а не предварительно напряжённый). Например, в арматуре из стали класса A240 для обеспечения трещиностойкости конструкции приходится допускать растягивающие напряжения, составляющие лишь примерно 13% от предела текучести.
Поэтому в обычных железобетонных конструкциях в большинстве случаев приходится мириться с появлением трещин для того, чтобы повысить степень использования арматуры и иметь возможность применять арматуру более высоких классов. Однако и при этом все равно исключается возможность эффективного использования арматуры из высокопрочных сталей, начиная с класса A600 и выше, так как высокие напряжения, которые в ней можно допускать, сопровождаются значительными деформациями, т.е. образованием недопустимых по ширине раскрытия трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растёт гораздо быстрее, чем стоимость, и их использование с экономической точки зрения является целесообразным.
Видимые волосяные трещины шириной примерно 0,05 мм появляются в бетоне при нагрузках, меньших эксплуатационных, в зонах возникновения наибольших растягивающих напряжений. При возрастании нагрузки эти трещины раскрываются. Приближенно можно считать, что при напряжениях в арматуре порядка
· s = 200...250 МПа ширина раскрытия трещин находится в пределах 13 EMBED Equation.3 1415= 0, 2...0,3 мм. Наличие трещин открывает доступ к арматуре атмосферной влаге и агрессивным газам, что при определённой ширине раскрытия может вызвать коррозию. Поэтому ширина раскрытия трещин в период эксплуатации железобетонных конструкций должна быть ограничена. Предельно допустимая ширина раскрытия трещин, при которой еще обеспечивается сохранность арматуры, устанавливается в зависимости от условий работы конструкции, вида применяемой арматуры, продолжительности действия нагрузки и не должна превышать 0,3 мм (считая по оси арматурных стержней) при длительном их раскрытии и 0,4 мм при непродолжительном. При такой ширине раскрытия трещин напряжения в арматуре достигают примерно
· s = 250...300 МПа.

Расчет по раскрытию трещин производят из условия 13 EMBED Equation.3 1415,
где аcrc – ширина раскрытия трещин от действия внешней нагрузки;
аcrc,ult – предельно допустимая ширина раскрытия трещин.
Значения аcrc,ult принимают равными:
а) из условия обеспечения сохранности арматуры:
– классов А240-А600, В500:
0,3 мм – при продолжительном раскрытии трещин;
0,4 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;
– классов А800, А1000, а также Вр1200-Вр140, К1400, К1500 (К-19) и К1500 (К-7) диаметром 12 мм:
0,2 мм – при продолжительном раскрытии трещин;
0,3 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;
– классов Вр1500, К1500 (К-7) диаметром 6 и 9 мм:
0,1 мм – при продолжительном раскрытии трещин;
0,2 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;
б) из условия ограничения проницаемости конструкций:
0,2 мм – при продолжительном раскрытии трещин;
0,3 мм – при непродолжительном раскрытии трещин.
Ширину раскрытия трещин (аcrc) определяют исходя из взаимных смещений растянутой арматуры и бетона по обе стороны трещины на уровне оси арматуры и принимают:
- при продолжительном раскрытии аcrc= аcrc,1;
- при непродолжительном раскрытии аcrc = аcrc,1+ аcrc,2_– аcrc,3,
где аcrc,1 – ширина раскрытия трещин от продолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок;
аcrc,2 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных (длительных и кратковременных) нагрузок;
аcrc,3 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок.

1.3.4. Сцепление арматуры с бетоном

Под сцеплением понимают непрерывную связь между бетоном и арматурой по поверхности контакта этих материалов. В нагруженных железобетонных конструкциях благодаря сцеплению не происходит скольжения арматуры в бетоне.
Сцепление арматуры с бетоном является одним из наиболее важных фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его востребованность как строительного материала.
Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заделанных в бетоне (рис. 26).


Рис. 26. Схемы испытаний на нарушение сцепления арматуры с бетоном:
а – на выдёргивание; б – на вдавливание

При выдергивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления, которые, как показали исследования, распределяются по длине стержня неравномерно. Наибольшие их значения
· max действуют на некотором расстоянии от торца и не зависят от длины заделки стержня в бетоне (рис. 27).
Надёжность сцепления по опытным данным зависит от трёх следующих факторов:
сопротивления бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т.е. механическим зацеплением арматуры за бетон (рис. 27, г); даже сравнительно гладкая арматура имеет неровности, заполняемые бетоном;
от сил трения арматуры о бетон, которые вследствие усадки бетона развиваются на поверхности арматуры при попытке выдернуть стержень;
от склеивания поверхности арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности геля бетона.
Выявление точного влияния каждого из перечисленных факторов в процентном отношении затруднительно, да и не имеет большого практического значения, так как они проявляются одновременно. Однако наибольшее влияние на прочность сцепления стержней периодического профиля оказывает первый фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления.
Среднее напряжение сцепления (если испытание доведено до сдвига арматуры) определяют как частное от деления усилия в стержне N на площадь поверхности заделки (рис. 27, б, в):

откуда необходимая длина заделки:




Рис. 27. Сцепление арматуры с бетоном:
а – арматурный стержень в бетоне; б – эпюра касательных напряжений сцепления; в – эпюра нормальных напряжений; г – при арматуре периодического профиля

Если принять 13 EMBED Equation.3 1415, то 13 EMBED Equation.3 1415.
Сцепление стержней периодического профиля с бетоном в 2...3 раза выше по сравнению со сцеплением гладкой горячекатаной арматуры и достигает для бетонов средних классов при статической нагрузке 7 МПа. У стержней с полированной поверхностью сцепление примерно в пять раз ниже, чем у гладких горячекатаных в состоянии поставки.
Сцепление арматуры с бетоном улучшается с повышением класса бетона по прочности на сжатие, с увеличением содержания цемента в единице объёма бетона, с уменьшением W/C. Оно зависит также от способа укладки и условий твердения бетона (например, вибрирование и влажный режим твердения улучшают сцепление). С увеличением возраста бетона
· растет, что объясняется повышением прочности цементного камня и его усадкой.
Сцепление несколько повышает растяжимость бетона, обеспечивает равномерное распределение трещин по длине элемента в случае их появления и ограничивает ширину раскрытия каждой трещины в отдельности, что повышает жесткость железобетонного элемента.

1.3.5. Анкеровка арматуры в бетоне

В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне – анкеровка – осуществляется выпуском арматуры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном).
Арматура из гладких стержней класса A240 должна иметь по концам анкера в виде полукруглых крюков диаметром 2, 5d (рис. 28, а). Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления, поэтому их применяют без крюков на концах. Также не имеют крюков на концах арматурные стержни периодического профиля, обладающие значительно лучшим сцеплением с бетоном.
Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:
прямое окончание стержня (прямая анкеровка);
загиб на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли;
приварка или установка поперечных стержней;
применение специальных анкерных устройств на конце стержня.
Прямую анкеровку и анкеровку с лапками допускается применять только для арматуры периодического профиля. Для растянутых гладких стержней следует предусматривать крюки, петли, приваренные поперечные стержни или специальные анкерные устройства.
Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры, за исключением гладкой арматуры, которая может подвергаться растяжению при некоторых возможных сочетаниях нагрузки.


При расчете длины анкеровки арматуры следует учитывать способ анкеровки, класс арматуры и ее профиль, диаметр арматуры, прочность бетона и его напряженное состояние в зоне анкеровки, конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.).
Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления Rs на бетон, определяют по формуле:
где As и us – соответственно площадь и периметр поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры, определяемые по номинальному диаметру стержня;
Rbond – расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле:
13 EMBED Equation.2 1415,
здесь Rbt – расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;
(1 – коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:
1,5 – для гладкой арматуры,
2,5 – для арматуры периодического профиля;
(2 – коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:
1,0 – при диаметре арматуры ds ( 32 мм,
0,9 – при диаметре арматуры 36 и 40 мм.
Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле:
13 EMBED Equation.2 1415 (1.25)
где lo,an – базовая длина анкеровки;
As,cal, As,ef – площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету и фактически установленная;
( – коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.
При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают ( = 1,0; для сжатых ( = 0,75.
Допускается уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30%.
В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3( lo,аn, а также не менее 15ds и 200 мм.


Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры Ns определяют по формуле:
13 EMBED Equation.2 1415,
где Rbond , us, As,
· – см. выше;
ls – расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения элемента.
На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q ( Qb1 должна составлять не менее 5ds.
При устройстве на концах стержней специальных анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.п. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие. Кроме того, при проектировании привариваемых анкерных деталей следует учитывать характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.

1.3.6. Усадка бетона при наличии арматуры

Наличие арматуры существенно уменьшает усадку и набухание бетона. Это объясняется тем, что арматура вследствие сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона (рис. 29).
Опыты показали, что при
· = 2% деформации усадки железобетонных элементов уменьшаются в 1,5...2 раза, при
· = 5% – более чем в 3 раза по сравнению со свободной усадкой бетона (13 EMBED Equation.3 1415).
Для определения деформации усадки железобетона при старом (зрелом) бетоне естественного твердения можно пользоваться формулой:

где
· – процент армирования сечения. Т.е. при
· = 1% 13 EMBED Equation.3 1415, при
· = 2% – 13 EMBED Equation.3 1415, а при
· = 10% – 13 EMBED Equation.3 1415.
Стеснение (ограничение) арматурой деформаций усадки бетона приводит к возникновению в железобетонном элементе собственных или начальных внутренне уравновешенных напряжений: растяжения в бетоне и сжатия в арматуре.
Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента (13 EMBED Equation.3 1415) и стесненной усадки армированного элемента (13 EMBED Equation.3 1415) (см. рис. 29)
(1.27)
в поперечных сечениях железобетонного элемента возникают растягивающие напряжения в бетоне 13 EMBED Equation.3 1415, средние значения которых определяются по формуле:
(1.28)



Рис. 29. Деформации усадки образцов:
а – бетонного; б – железобетонного
Наибольшие значения этих напряжений находятся в зоне контакта бетона с арматурой.
Так как при воздействии на железобетонный элемент усадки бетона арматура работает упруго, то по её деформациям укорочения (13 EMBED Equation.3 1415) можно определить сжимающие напряжения в ней, вызванные усадкой

Уравнение равновесия внутренних усилий, возникающих в железобетонном элементе, армированном двусторонней симметричной арматурой, имеет вид:

где As – площадь сечения продольной арматуры;
А – площадь сечения элемента.
Из (1.30) находим напряжения в продольной арматуре
(1.31)
где 13 EMBED Equation.3 1415 коэффициент армирования сечения.
Если подставить в (1.27) деформации, выраженные через напряжения, по формулам (1.28), (1.29), (1.31), то получим следующее выражение:

Из него получаем значение средних растягивающих напряжений в бетоне, действующих в поперечном сечении железобетонного элемента
(1.32)
где 13 EMBED Equation.3 1415– отношение модулей упругости арматуры и бетона;
13 EMBED Equation.3 1415, здесь 13 EMBED Equation.3 1415 – коэффициент упругопластических деформаций бетона при растяжении.
Из (1.32) видно, что при усадке железобетона растягивающие напряжения в бетоне зависят от величины деформации свободной усадки бетона (13 EMBED Equation.3 1415), процента армирования и класса бетона В, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415. С увеличением
· сжимающие напряжения в арматуре уменьшаются, а растягивающие напряжения в бетоне возрастают и, если они достигают временного сопротивления при растяжении 13 EMBED Equation.3 1415, то в железобетонном элементе возникают усадочные трещины. Если задаться деформацией усадки бетона (13 EMBED Equation.3 1415), величиной 13 EMBED Equation.3 1415 и принять 13 EMBED Equation.3 1415,то из выражения (1.32) можно найти коэффициент армирования, при котором появляются трещины. Обычно 13 EMBED Equation.3 1415 при этом принимают наибольшей и постоянной для всех классов бетона, равной 0,0003, 13 EMBED Equation.3 1415, также независимо от класса бетона, принимается равным 0,5. Вычисленные при этих значениях коэффициенты армирования получаются сравнительно высокими.
Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки.
В статически неопределимых железобетонных конструкциях (арках, рамах и т.п.) лишние связи препятствуют усадке железобетона, вызывая появление дополнительных внутренних усилий.
Влияние усадки эквивалентно понижению температуры на определенное число градусов. Это позволяет заменять расчёт на действие усадки расчётом на температурные воздействия. Для практических расчетов при
· = 2...3% среднюю величину усадки железобетона часто принимают равной 13 EMBED Equation.3 1415= 1,5 10-4, что равносильно понижению температуры на 15°С (так как коэффициент линейной температурной деформации бетона 13 EMBED Equation.3 1415).

1.3.7. Ползучесть бетона при наличии арматуры

В результате стеснённого деформирования бетона ползучесть железо-бетонных элементов при обычных процентах армирования примерно в 1,5...2 раза меньше, чем неармированных.
Вследствие ползучести бетона напряжённое состояние железобетонного элемента, находящегося под постоянной нагрузкой, изменяется в течение времени за счёт перераспределения усилий между бетоном и арматурой. Процесс перераспределения усилий особенно интенсивно протекает в течение первых 3...4 месяцев после нагружения, а затем в течение длительного времени (более года) затухает.
Количественный анализ перераспределения напряжений (усилий) вследствие ползучести бетона можно провести, рассмотрев работу железобетонной призмы (короткой, в которой не ощущается сильно влияние продольного изгиба) с симметрично расположенной арматурой на осевое сжатие при действии постоянной длительной нагрузки (рис. 30, а). Для любого момента работы железобетонной призмы справедливо следующее уравнение равновесия внешних и внутренних сил:
(1.33)
Условие совместности деформаций арматуры и бетона при этом будет выглядеть так:
(1.34)
где v – коэффициент упругопластических деформаций бетона при сжатии.
Подставив в (1.33) значение 13 EMBED Equation.3 1415 из (1.34), получим:
(1.35)


Рис. 30. Перераспределение усилий между арматурой и бетоном в сжатой железобетонной призме вследствие ползучести бетона:
а – схема работы железобетонной призмы под нагрузкой; б – характер изменения усилий в бетоне и арматуре при постоянной нагрузке в течение длительного времени


Из (1.35):
(1.36)
Значение коэффициента v может изменяться от 1 (при мгновенном загружении элемента) до 0,15 (при очень длительном загружении и нагрузке, близкой к разрушающей).
Известно, что 13 EMBED Equation.3 1415 здесь 13 EMBED Equation.3 1415. Таким образом, 13 EMBED Equation.3 1415 с течением времени растет, a v уменьшается. Следовательно, как видно из (1.36), при уменьшении v с течением времени 13 EMBED Equation.3 1415 уменьшается. При N = const это означает, что бетон в железобетонном элементе с увеличением времени нагружения разгружается, а продольная арматура догружается. Графически это перераспределение представлено на рис. 30, б.
Расчёты и опыты показывают, что при действии на конструкцию эксплуатационных нагрузок напряжения в продольной арматуре сжатых железобетонных элементов возрастают в 2...3 раза вследствие ползучести бетона.
В коротких центрально сжатых железобетонных элементах ползучесть оказывает положительное влияние на их работу, обеспечивая более полное использование прочностных свойств бетона и арматуры. В гибких сжатых элементах, наоборот, ползучесть бетона вызывает увеличение начальных эксцентриситетов продольной силы, что может снизить их несущую способность.
В статически неопределимых конструкциях вследствие ползучести бетона может происходить выгодное перераспределение усилий (главным образом изгибающих моментов) между отдельными поперечными сечениями.
В некоторых других случаях ползучесть бетона может приводить к ухудшению работы железобетонной конструкции. Например, в изгибаемых элементах (балки, плиты) со временем значительно увеличиваются прогибы (примерно в 2...3 раза по сравнению с первоначальным), особенно при загружении бетона в раннем возрасте.

1.3.8. Коррозия железобетона и меры защиты от неё

Под коррозией железобетона следует понимать неблагоприятное воздействие на него жидкой или газообразной агрессивной среды, которое может привести к серьёзным повреждениям или снизить долговечность конструкции.
Процессы коррозии могут протекать как в бетоне, так и, при некоторых условиях, в арматуре.
Степень склонности железобетона к коррозии зависит от:
характера агрессивной среды;
плотности бетона;
вида цемента;
скорости поступления агрессивной среды к поверхности бетона.
Различают три следующих вида коррозии бетона.
При недостаточно плотных бетонах под действием фильтрующейся воды с малой жёсткостью растворяется основная часть цементного камня – гидрат окиси кальция [Са(ОН)2 – гашёная известь]. Этот раствор выносится на поверхность бетона, образуя на ней белые хлопья. Наиболее опасными являются мягкие воды с малым содержанием солей кальция. Наибольшее количество Са(ОН)2 содержится в портландцементе, поэтому он наименее стоек к этому виду коррозии (выщелачиванию).
Другой вид коррозии может происходить в результате химического взаимодействия Са(ОН)2 и агрессивной среды (водной или газообразной), если она содержит некоторые кислоты и соли (серную кислоту, её соли, соли Mg, СО3). Продукты обменных реакций этих веществ с составляющими цементного камня либо остаются на месте в виде аморфной массы, не обладающей прочностью, либо в растворённом виде уносятся с водой. Могут появляться потёки в виде белой слизи на поверхности бетона.
Третий вид коррозии – разрушение бетона происходит оттого, что продукты взаимодействия агрессивной среды и цементного камня, кристаллизуясь, постепенно заполняют поры и каналы последнего. По мере накопления этих отложений цементный камень сначала уплотняется, а затем начинает разрушаться, так как накопление кристаллов приводит к разрыву стенок пор. Это происходит, например, при действии на цементный камень сернокислых солей.
В реальных условиях обычно наблюдается одновременно коррозия всех трёх видов с преобладанием одного из них. Из кислот для бетона наиболее опасны соляная и азотная, серная и сернистая. Морская вода и раствор сахара также вредно воздействуют на бетон.
Коррозия (ржавление) арматуры обычно протекает одновременно с коррозией бетона. Арматура защищается от коррозии бетонной оболочкой из щелочной среды, создаваемой наличием Са(ОН)2 в цементном камне. При эксплуатации углекислый газ, имеющийся в воздухе, диффундирует, проникая через поверхность и систему пор в глубь железобетонной конструкции. Углекислый газ вступает в реакцию с цементным камнем, и в результате протекающего процесса карбонизации утрачиваются щёлочность и защитное действие бетона по отношению к арматуре.
При хорошей водо- и газопроницаемости бетона, а также при наличии в нём трещин шириной 0,2...0,25 мм и более может начаться коррозия арматуры независимо от коррозии бетона. Продукты коррозии арматуры имеют больший объём по сравнению с первоначальным объёмом стали. Они создают отпор и откалывание участков защитного слоя бетона, после чего процесс коррозии протекает ещё быстрее. Чаще всего коррозия арматуры начинается при недостаточной толщине защитного слоя бетона и в местах с дефектами укладки бетона. Развитию коррозии в арматуре способствуют блуждающие токи.
Мероприятия по защите железобетона от коррозии:
повышение плотности бетона;
расход цемента на 1 м3 бетона для наружных конструкций должен быть не менее 250 кг, для конструкций, эксплуатируемых в закрытых помещениях – не менее 220 кг;
применение бетонов, приготавливаемых на шлакопортландцементе и глинозёмистом цементе (в них мало СаО);
применение битумных и асфальтовых покрытий;
применение керамической кислотоупорной облицовки или оклеечной изоляции;
применение полимербетонов.

1.3.9. Защитный слой бетона и минимальные расстояния между стержнями

Арматура, расположенная внутри сечения конструкции, должна иметь защитный слой бетона (расстояние от поверхности арматуры до соответствующей грани конструкций), чтобы обеспечивать:
- совместную работу арматуры с бетоном;
- анкеровку арматуры в бетоне и возможность устройства стыков арматурных элементов;
- сохранность арматуры от воздействий окружающей среды (в том числе при наличии агрессивных воздействий);
- огнестойкость и огнесохранность.
Толщину защитного слоя бетона назначают с учетом типа конструкций, роли арматуры в конструкциях (продольная рабочая, поперечная, распределительная, конструктивная арматура), условий окружающей среды и диаметра арматуры.
Минимальные значения толщины слоя бетона рабочей арматуры следует принимать по табл. 1.3.

Т а б л и ц а 1.3

п/п

Условия эксплуатации конструкций зданий
Толщина защитного слоя бетона не менее, мм

1.

2.


3.

4.
В закрытых помещениях при нормальной и пониженной влажности
В закрытых помещениях при повышенной влажности (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)
На открытом воздухе (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)
В грунте (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий), в фундаментах при наличии бетонной подготовки
20

25


30

40


Для сборных элементов минимальные значения толщины защитного слоя бетона рабочей арматуры, указанные в табл. 1.3, уменьшают на 5 мм.
Для конструктивной арматуры минимальные значения толщины защитного слоя бетона принимают на 5 мм меньше по сравнению с требуемыми для рабочей арматуры.
Во всех случаях толщину защитного слоя бетона следует принимать не менее диаметра стержня арматуры.
Минимальные расстояния между стержнями арматуры
Минимальные расстояния в свету между стержнями арматуры следует принимать такими, чтобы обеспечить совместную работу арматуры с бетоном и качественное изготовление конструкций, связанное с укладкой и уплотнением бетонной смеси, но не менее наибольшего диаметра стержня, а также не менее:
25 мм – при горизонтальном или наклонном положении стержней при бетонировании – для нижней арматуры, расположенной в один или два ряда;
30 мм – то же, для верхней арматуры;
50 мм – то же, при расположении нижней арматуры более чем в два ряда (кроме стержней двух нижних рядов), а также при вертикальном положении стержней при бетонировании.
При стесненных условиях допускается располагать стержни группами – пучками (без зазора между ними). При этом расстояния в свету между пучками должны быть также не менее приведенного диаметра стержня, эквивалентного по площади сечения пучка арматуры, принимаемого равным
13 EMBED Equation.3 1415
где dsi – диаметр одного стержня в пучке; n – число стержней в пучке.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Общие сведения

Железобетон состоит из двух различных по своим физико-механическим свойствам материалов: стальной арматуры – упругого материала (при рабочих напряжениях
·s <
·у) и бетона – упруго-пластического материала, не подчиняющегося закону Гука. Поэтому несущая способность железобетонных конструкций, вычисленная по формулам сопротивления упругих материалов, при допущении, что бетон на растяжение не работает, обычно существенно отличается (в меньшую сторону) от несущей способности, установленной при испытаниях. В связи с этим методика расчёта железобетонных конструкций построена на экспериментальной основе. По мере накопления опытных данных методы расчёта железобетонных конструкций совершенствуются.

2.2. Три стадии напряжённо-деформированного состояния железобетонных элементов

Чтобы понять работу и характер разрушения изгибаемых железобетонных элементов, рассмотрим напряженное состояние балки, загруженной двумя сосредоточенными силами по схеме, представленной на рис. 31.

Рис. 31. Схема нагружения железобетонной балки

Опыты показывают, что при этом в балке могут возникнуть трещины, как нормальные к продольной оси, так и наклонные, что соответствует траекториям главных растягивающих напряжений
·mt. Разрушение балки может произойти как по нормальному, так и по наклонному сечению. В большинстве случаев сначала появляются трещины, перпендикулярные к продольной оси балки в зоне чистого изгиба, а затем, по мере увеличения нагрузки, и наклонные – преимущественно на приопорных участках.
Рассмотрим случай разрушения балки, представленной на рис. 32, по нормальному сечению при загружении её постепенно возрастающей нагрузкой. Такое разрушение может иметь место, когда продольная арматура в растянутой зоне поставлена не в избытке. При этом условимся, что бетон работает в соответствии с диаграммой сжатия, у которой нисходящая ветвь отсутствует, а арматура предусмотрена из «мягкой» стали и имеет на диаграмме растяжения чётко выраженную площадку текучести (рис. 36 г, д).
При постепенном увеличении нагрузки на такую балку можно отметить следующие три характерные стадии работы её поперечных сечений, находящихся в зоне чистого изгиба.
Стадия I (продолжается до появления нормальных трещин в бетоне растянутой зоны). Она имеет место при небольших нагрузках, составляющих приблизительно 15...20% от разрушающей, когда напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят преимущественно упругий характер, а эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон треугольные. Нейтральный слой проходит через центр тяжести приведённого к бетону сечения (рис. 32). На рис. 32 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415– соответственно средний предел прочности бетона при осевом сжатии и средний предел прочности бетона при осевом растяжении.



Рис. 32. Стадии напряжённо-деформированного состояния изгибаемого элемента:
а – фактические эпюры напряжений; б – то же, схематизированные

После этого при некотором увеличении нагрузки в волокнах бетона растянутой зоны развиваются неупругие деформации, начиная с крайних волокон. Деформации в них доходят до 13 EMBED Equation.3 1415= 15 10-5. Эпюра напряжений в растянутой зоне превращается в криволинейную и растягивающие напряжения в бетоне становятся равными 13 EMBED Equation.3 1415 не только в крайних волокнах. Это означает, что наступает конечный этап стадии I – стадия Iа. Бетонная балка в этот момент разрушается. Напряжения в растянутой арматуре в стадии Iа определяются в соответствии с условиями совместности деформаций 13 EMBED Equation.3 1415и законом Гука

Стадия II – это новое качественное состояние балки. Наступает она после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в сечениях, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и бетоном над трещиной (расположенным ниже нейтральной оси). Между трещинами бетон работает на растяжение, и напряжения в арматуре уменьшаются по мере удаления от сечения с трещиной.
В интервале растянутой зоны между двумя соседними трещинами сцепление арматуры с бетоном не нарушается. В сжатой зоне бетона развиваются неупругие деформации и эпюра нормальных напряжений искривляется. Высота сжатой зоны бетона в этой и следующей стадиях переменна по длине элемента: в сечениях над трещинами она меньше чем в сечениях между трещинами. Продольные деформации бетона сжатой зоны в сечении над трещиной несколько больше чем на участке между трещинами. По этой стадии работают наиболее напряжённые сечения в период эксплуатации. Нагрузка на конструкцию в этот момент может доходить до 65% и более от разрушающей.
Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре. К концу этой стадии напряжения в арматуре превышают предел упругости и при арматуре из «мягкой» стали могут иногда достигать предела текучести (стадии IIа). Трещины в бетоне растянутой зоны иногда могут развиваться почти до нейтральной оси.
Стадия III (стадия разрушения) характеризуется относительно коротким по времени периодом работы балки. Криволинейность эпюры напряжений сжатия в бетоне становится ярко выраженной и приближается по очертанию к кубической параболе или параболе более высокого порядка. Бетон растянутой зоны из работы почти полностью исключается.
Опыты свидетельствуют, что характер разрушения балки по нормальному сечению зависит от вида и количества продольной арматуры в сечении. При этом возможны следующие два случая разрушения балки.
В случае 1 при относительно невысоком содержании в сечении арматуры из «мягкой» стали разрушение балки (его начальная стадия) начинается с арматуры (напряжения в ней достигают предела текучести, а деформации постепенно нарастают) и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такое разрушение носит постепенный, плавный (пластический) характер. Высота сжатой зоны в этом случае по мере загружения балки уменьшается.
Случай 2 имеет место в элементах с избыточным содержанием арматуры (любой) или переармированных. Разрушение переармированных элементов происходит внезапно (хрупко) по бетону сжатой зоны от его раздробления. Напряжения в растянутой арматуре в этот момент не достигают предела текучести. Здесь переход из стадии II в стадию III происходит внезапно. Применять такие элементы нежелательно, так как они не экономичны. Их применение допускается только в исключительных случаях.
При практическом использовании эпюры напряжений в бетоне схематизируют, спрямляя криволинейные участки и отбрасывая зоны растяжения. Схематизированные эпюры выглядят как показано на рис. 32, б. Некоторые из этих эпюр носят условный характер, поскольку на нейтральной оси напряжения не могут быть равны предельным. Дело здесь в том, что для упрощения расчёта по несущей способности по стадии III эпюра напряжений в бетоне сжатой зоны принимается прямоугольной вместо фактической криволинейной из-за чего она при сохранении неизменной её площади получается укороченной. На результаты расчётов такая замена не оказывает существенного влияния.
Очевидно, что во время работы изгибаемого железобетонного элемента под нагрузкой различные его сечения по длине испытывают разные стадии напряжённо-деформированного состояния.
Три аналогичные стадии напряжённо-деформированного состояния имеют место при внецентренном сжатии и при внецентренном растяжении, так как в этих случаях также получаются двузначные эпюры напряжений.

2.3. Методы расчёта железобетонных конструкций

Методами расчета здесь называются методы подбора сечений бетонных и железобетонных элементов, а не методы определения усилий. Они менялись за время существования железобетона с течением времени по мере накопления опытных данных. По существу менялся способ введения в расчёт коэффициента запаса прочности
(2.1)
В настоящее время для большинства массовых конструкций k = 2...2, 5, а то и ниже.
За время существования железобетона в практике проектирования применялись следующие методы подбора сечений:
по допускаемым напряжениям;
по разрушающим усилиям – введен в СССР с 1938 г.;
по предельным состояниям для строительных конструкций из любых материалов – введён в СССР с 1.01.55 г.; с некоторыми изменениями этот метод используется и в настоящее время.

2.4. Метод расчёта железобетонных конструкций по предельным состояниям

2.4.1. Сущность метода

Строительные конструкции прежде всего должны обладать достаточной надёжностью – т.е. способностью выполнять определённые функции в соответствующих условиях в течение определённого срока. Прекращение выполнения строительной конструкцией хотя бы одной из предусмотренных для неё функций называется отказом.
Таким образом, под отказом понимают возможность наступления такого случайного события, результатом которого являются социальные или экономические потери. Считается, что конструкция в момент, предшествующий отказу, переходит в предельное состояние.
Предельными называются такие состояния, при наступлении которых конструкция перестаёт удовлетворять предъявляемые к ней требования, т.е. теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам или получает недопустимые перемещения либо местные повреждения.
Причинами наступления в строительных конструкциях предельных состояний могут быть перегрузки, неудовлетворительное качество материалов, из которых они изготовлены, и другое.
Основное отличие рассматриваемого метода от прежних методов расчёта в том, что здесь чётко устанавливаются предельные состояния конструкций и вместо единого коэффициента запаса прочности k в расчёт вводится система расчётных коэффициентов, гарантирующих конструкцию с определённой обеспеченностью от наступления этих состояний при самых неблагоприятных (но реально возможных) условиях.

2.4.2. Две группы предельных состояний

По степени опасности наступления и уровню обеспеченности предельные состояния подразделяются на две группы.
Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчёта по следующим двум группам предельных состояний:
по несущей способности (первая группа);
по пригодности к нормальней эксплуатации (вторая группа). Задачей расчёта является предотвращение наступления в рассматриваемой конструкции любого предельного состояния в периоды изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации.
Расчёты по предельным состояниям первой группы должны обеспечивать прочность, устойчивость формы, устойчивость положения, выносливость конструкции в период эксплуатации и других стадий.
Расчёты по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить в период эксплуатации конструкции и на других стадиях её работы чрезмерное по ширине раскрытие трещин, приводящее к преждевременной коррозии арматуры, или их образованиие, а также чрезмерные перемещения.

2.4.3. Расчётные факторы

Расчетными факторами являются нагрузки и механические характеристики материалов (бетона и арматуры). Они обладают статистической изменчивостью или разбросом значений. В расчётах по предельным состояниям учитывают (в неявной форме) изменчивость нагрузок и механических характеристик материалов, а также различные неблагоприятные или благоприятные условия работы бетона и арматуры, условия изготовления и эксплуатации элементов зданий и сооружений.
Нагрузки, механические характеристики материалов и расчётные коэффициенты нормированы. При проектировании железобетонных конструкций значения нагрузок, сопротивлений бетона и арматуры устанавливают по главам СНиП 2.01.07-85* и СП 52-101-2003.
2.4.4. Классификация нагрузок. Нормативные и расчётные нагрузки

Нагрузки и воздействия на здания и сооружения в зависимости от продолжительности их действия делят на постоянные и временные. Последние, в свою очередь, подразделяются на длительные, кратковременные и особые.
Постоянными нагрузками являются вес несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, вес и давление грунтов, воздействие предварительного напряжения железобетонных конструкций.
К временным длительным нагрузкам относятся: вес стационарного оборудования на перекрытиях – станков, аппаратов, двигателей, ёмкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в ёмкостях; нагрузки на перекрытия от складируемых материалов и стеллажного оборудования в складских помещениях, холодильниках, зернохранилищах, книгохранилищах, архивах и подобных помещениях; температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; вес слоя воды на водонаполненных плоских покрытиях и др.
К временным кратковременным нагрузкам относятся: вес людей, ремонтных материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования, снеговые нагрузки с полным нормативным значением, ветровые нагрузки, нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций и некоторые др.
К особым нагрузкам относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования и т. п.
Нагрузки в соответствии со СНиП 2.01.07-85* делятся также на нормативные и расчётные.
Нормативными называются нагрузки или воздействия близкие по величине к наибольшим возможным при нормальной эксплуатации зданий и сооружений. Их значения приводятся в нормах.
Изменчивость нагрузок в неблагоприятную сторону оценивают коэффициентом надёжности по нагрузке 13 EMBED Equation.3 1415.
Расчётное значение нагрузки g для расчёта конструкции на прочность или устойчивость определяется путём умножения её нормативного значения gп на коэффициент 13 EMBED Equation.3 1415, обычно больший 1:
(2.2)
Значения 13 EMBED Equation.3 1415 дифференцированы в зависимости от характера нагрузок и их величины. Так, например, при учёте собственного веса бетонных и железобетонных конструкций 13 EMBED Equation.3 1415 = 1,1; при учёте собственного веса различных стяжек, засыпок, утеплителей, выполняемых в заводских условиях, 13 EMBED Equation.3 1415 = 1,2, а на строительной площадке 13 EMBED Equation.3 1415= 1,3. Коэффициенты надёжности по нагрузке для равномерно распределённых нагрузок следует принимать:
1,3 – при полном нормативном значении менее 2 кПа (2 кН/м2);
1,2 – при полном нормативном значении 2 кПа (2 кН/м2) и более. Коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса при расчёте конструкции на устойчивость положения против всплытия, опрокидывания и скольжения, а также в других случаях, когда уменьшение массы ухудшает условия работы конструкции, принимают равным 0,9.
Расчёты по предельным состояниям второй группы ведут по нормативным нагрузкам или по расчётным, взятым с 13 EMBED Equation.3 1415= 1.
Здания и сооружения подвергаются одновременному действию различных нагрузок. Поэтому расчёт здания или сооружения в целом, либо отдельных его элементов, должен выполняться с учётом наиболее неблагоприятных сочетаний этих нагрузок или усилий, вызванных ими. Неблагоприятные, но реально возможные сочетания нагрузок при проектировании выбираются в соответствии с рекомендациями СНиП 2.01.07-85*.

2.4.5. Степень ответственности зданий и сооружений

Степень ответственности зданий и сооружений определяется размером материального и социального ущерба, возникающего в случае достижения ими предельного состояния. При проектировании это учитывают путём введения в расчёт коэффициента надёжности по назначению 13 EMBED Equation.3 1415, значение которого зависит от класса ответственности здания или сооружения. На коэффициент 13 EMBED Equation.3 1415 надо умножать расчётные значения нагрузок, усилий или иных воздействий.
СНиП 2.01.07-85* установлено три класса ответственности для зданий и сооружений:
класс I, 13 EMBED Equation.3 1415 = 1,0; к этому классу относятся главные корпуса ТЭС, АЭС, телевизионные башни, промышленные трубы высотой более 200 м, резервуары для нефти и нефтепродуктов вместимостью свыше 10 тыс. м3, крытые спортивные сооружения с трибунами, здания театров, кинотеатров, цирков, крытых рынков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, больниц, родильных домов, музеев, государственных архивов и т.п.;
класс II, 13 EMBED Equation.3 1415 = 0,95; к этому классу относятся здания и сооружения объектов, имеющих важное народнохозяйственное и (или) социальное значение (объекты промышленного, сельскохозяйственного, жилищно-гражданского назначения и связи, не вошедшие в I и III классы);
класс III, 13 EMBED Equation.3 1415 = 0,9; к этому классу относятся здания и сооружения, имеющие ограниченное народнохозяйственное и (или) социальное значение: склады без процессов сортировки и упаковки для хранения сельскохозяйственных продуктов, удобрений, химикатов, угля, торфа и др., теплицы, парники, одноэтажные жилые дома и т. п.
Численные значения коэффициента 13 EMBED Equation.3 1415 имеют вероятностно-экономическое обоснование.

2.4.6. Нормативные и расчётные сопротивления бетона

С точки зрения математической статистики прочность бетона или арматуры является величиной случайной, колеблющейся в определённых пределах.
Прочностные характеристики бетона в силу существенной неоднородности его структуры обладают значительной изменчивостью. За нормативное сопротивление бетона осевому сжатию 13 EMBED Equation.3 1415 принимают предел прочности осевому сжатию бетонных призм размерами 150(150(600 мм с обеспеченностью 0,95. Эта характеристика контролируется путём проведения испытаний.
Теоретическая кривая плотности распределения прочности бетона при испытании большого количества образцов обычно представляет собой кривую, соответствующую нормальному закону распределения случайных величин по Гауссу (рис. 33).


Рис. 33. К установлению значений нормативных и расчётных сопротивлений бетона при сжатии

Под обеспеченностью понимают вероятность попадания случайных величин, выражающих прочность бетона, в интервал от 13 EMBED Equation.3 1415 до
·. Таким образом, на рис. 33 обеспеченность, равная 0,95, выразится заштрихованной площадью, которая определяется как
(2.3)
Зная значение
·, можно назначить такое значение 13 EMBED Equation.3 1415, частота появления которого была бы заранее задана
13 EMBED Equation.3 1415, (2.4)
где 1,64 – показатель надёжности, соответствующий обеспеченности 95%; 13 EMBED Equation.3 1415= 0,135 – средний коэффициент вариации призменной прочности бетона, принятый по стране.
Если прочность бетона на осевое сжатие контролируется лишь на образцах в форме кубов, то 13 EMBED Equation.3 1415 определяют в зависимости от класса бетона по прочности на осевое сжатие В по формуле:
(2.5)
При отсутствии контроля класса бетона по прочности на осевое растяжение, когда Bt не определяется путём проведения испытаний, для определения нормативного сопротивления бетона осевому растяжению рекомендуется формула:
(2.6)
Расчётное сопротивление бетона осевому сжатию для расчёта по предельным состояниям первой группы получают по формуле:
(2.7)
где 13 EMBED Equation.3 1415 = 1,3 – коэффициент надёжности по бетону при сжатии.
Это расчётное сопротивление соотносится со средней призменной прочностью, полученной при испытании призм до разрушения, как:
(2.8)
Аналогично определяется расчётное сопротивление бетона осевому растяжению для расчёта по предельным состояниям первой группы
(2.9)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – коэффициент надёжности по бетону при растяжении; 13 EMBED Equation.3 1415= 1,3 – при систематическом контроле прочности бетона при осевом растяжении; 13 EMBED Equation.3 1415= 1,5 – при отсутствии такового.
Численные значения расчётных сопротивлений 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 для различных классов бетона даны в табл. 5.1 и 5.2 СП 52-101-2003.
Расчётные сопротивления бетона при расчёте по предельным состояниям первой группы назначены в нормах с высокой обеспеченностью равной 0,99865.
В необходимых случаях расчетные значения прочностных характеристик бетона умножают на следующие коэффициенты условий работы (13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1314g15bi), учитывающие особенности работы бетона в конструкции (характер нагрузки, условия окружающей среды и т.д.):
а) 13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1414g15b1 – для бетонных и железобетонных конструкций, вводимый к расчетным значениям сопротивлений Rb и Rbt и учитывающий влияние длительности действия статической нагрузки:
13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1414g15b1 = 1,0 – при непродолжительном (кратковременном) действии нагрузки;
13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1414g15b1 = 0,9 – при продолжительном (длительном) действии нагрузки;
б) 13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1414g15b2 – для бетонных конструкций, вводимый к расчетным значениям сопротивления Rb и учитывающий характер разрушения таких конструкций. 13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1414g15b2 = 0,9;
в) 13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1414g15b3 – для бетонных и железобетонных конструкций, бетонируемых в вертикальном положении при высоте слоя бетонирования свыше 1,5 м, вводимый к расчетному значению сопротивления бетона Rb. 13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1614g15b3 = 0,85.
Влияние попеременного замораживания и оттаивания, а также отрицательных температур учитывают коэффициентом условий работы бетона
·b4
· 1,0. Для надземных конструкций, подвергаемых атмосферным воздействиям окружающей среды при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период минус 40оС и выше, принимают коэффициент
·b4 = 1,0. В остальных случаях значения коэффициента принимают в зависимости от назначения конструкции и условий окружающей среды согласно указаниям СП «Бетонные и железобетонные конструкции, подвергающиеся технологическим и климатическим температурно-влажностным воздействиям».
Наступление предельных состояний второй группы не столь опасно как первой, так как это обычно не влечёт за собой аварий, обрушений, жертв, катастроф. Поэтому расчётные сопротивления бетона для расчёта конструкций по предельным состояниям второй группы устанавливают при 13 EMBED Equation.3 1415 = 13 EMBED Equation.3 1415 = 1, т.е. принимают их равными нормативным значениям
(2.10)
Как правило, здесь и 13 EMBED Equation.3 1415 = 1.

2.4.7. Нормативные и расчётные сопротивления арматуры

За нормативное сопротивление стержневой арматуры растяжению (Rsn) принимается наименьшее контролируемое значение предела текучести с обеспеченностью 0,95, т.е.
(2.11)
Расчётные сопротивления арматуры растяжению для расчётов по предельным состояниям первой и второй группы определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надёжности по арматуре, т.е.
(2.12)
где 13SYMBOL 103 \f "Symbol" \s 1614g15s – коэффициент надежности по арматуре, принимаемый равным:
для предельных состояний первой группы:
1,1 – для арматуры классов А240, А300 и А400;
1,15 – для арматуры класса А500;
1,2 – для арматуры класса В500;
1,0 – для предельных состояний второй группы, т.е.
(2.13)
Расчётное сопротивление стержневой арматуры классов A240, А300, A400 сжатию Rsc, используемое при расчётах по предельным состояниям первой группы, при наличии сцепления с бетоном принимают Rsc |13 EMBED Equation.3 1415|, так как при такой арматуре предел текучести стали при сжатии обычно достигается раньше разрушения сжатого железобетонного элемента.

2.4.8. Структура расчётных формул

В расчётах по несущей способности (по предельным состояниям первой группы) исходят из стадии III напряжённо-деформированного состояния. При этом проверяется выполнение условия
F13 EMBED Equation.3 1415Fult (2.14)
где F – вероятное наибольшее усилие, которое может возникнуть в элементе при исключительных критических, но всё же возможных обстоятельствах;
Fult – вероятная минимальная несущая способность элемента, определённая с учётом пониженной против контролируемой прочности бетона и арматуры.
Изменчивость величин F и Fult как правило, описывается законом нормального распределения случайных величин. Условие (2.14) можно изобразить графически (рис. 34).



Рис. 34. Кривые распределения:
а – усилий от внешней нагрузки в расчётном сечении; б – несущей способности в том же сечении: 13 EMBED Equation.3 1415– среднестатистическое значение усилия от внешней нагрузки (Nн); N – расчётное значение усилия; 13 EMBED Equation.3 1415 – среднестатистическое значение несущей способности элемента; Ф – значение несущей способности с учётом пониженных против контролируемых прочностей бетона и арматуры



Подробнее условие (2.14) можно записать так:
13 EMBED Equation.3 1415, (2.15)
где С – коэффициент, учитывающий насколько точно выбранная расчётная схема отражает работу реальной конструкции и другие факторы;
S – коэффициент, учитывающий форму и размеры поперечного сечения элемента.
Учтя, что13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415, a Rb =13 EMBED Equation.3 1415, Rs =13 EMBED Equation.3 1415, неравенство (2.15) можно записать несколько короче
13 EMBED Equation.3 1415 (2.16)
Оценим в явном виде реальный коэффициент запаса прочности, который получается при расчёте по этому методу, приравняв
F = Fult . (2.16 а)
При определении k для короткого центрально сжатого бетонного элемента примем, что N н = Nэкспл.. С учётом этого (2.16 а) можно переписать так:
13 EMBED Equation.3 1415, (2.16 б)
где А – площадь поперечного сечения элемента;
13 EMBED Equation.3 1415= 0, 9 – коэффициент, который вводится при расчёте бетонных конструкций.
С учётом того, что Npaзp =13 EMBED Equation.3 1415, формулу (2.16 б) можно записать так: 13 EMBED Equation.3 1415
откуда 13 EMBED Equation.3 1415
Аналогично можно записать условия, которые должны соблюдаться при расчётах по предельным состояниям второй группы, т.е. при расчёте прогибов, ширины раскрытия трещин и при расчёте по образованию трещин.
Расчёт по перемещениям обычно заключается в определении прогиба конструкции от нагрузок с учётом длительности их действия и 13 EMBED Equation.3 1415 и в сравнении его с предельно допустимым прогибом
f
· fult, (2.17)
где fult – предельно допустимый прогиб по нормам для рассматриваемой конструкции.
Расчёт по раскрытию трещин заключается в определении ширины раскрытия трещин и сравнении её с предельно допустимой шириной раскрытия
acrc
· acrc,ult. (2.18)
Расчет железобетонных элементов следует производить по продолжительному и по непродолжительному раскрытию нормальных и наклонных трещин.
Ширину продолжительного раскрытия трещин определяют по формуле:
acrc = acrc1,
а непродолжительного раскрытия трещин – по формуле:
acrc = acrc1 + acrc2 - acrc3,
где acrc1 – ширина раскрытия трещин от продолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок;
acrc2 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных (длительных и кратковременных) нагрузок;
acrc3 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок.
Считается, что трещины не появляются, если усилие N от действия внешних нагрузок не превосходит усилия Fcrc,ult, т.е.
F
· Fcrc,ult , (2.19)
где Fcrc,ult – усилие, воспринимаемое сечением в момент, предшествующий образованию трещин.
Метод расчёта по предельным состояниям называют полувероятностным. Большинство величин, входящих в расчётные формулы, являются величинами случайными. Нормативные значения нагрузок и воздействий, а также сопротивлений материалов обоснованы с позиций теории вероятностей. Однако проектировщик пользуется конкретными детерминированными величинами, полученными на основании теории вероятностей. Таким образом, теория вероятностей используется в нормах проектирования строительных конструкций в неявной форме, что послужило основанием называть метод расчёта по предельным состояниям полувероятностным.
Основная идея метода расчёта по предельным состояниям заключается в обеспечении гарантии того, чтобы даже в тех редких случаях, когда на конструкцию действуют максимально возможные нагрузки, прочность бетона и арматуры минимальна, а условия эксплуатации весьма неблагоприятны, конструкция не разрушалась или не получала бы недопустимых прогибов или трещин.
Достоинства метода:
Введением в расчёты вместо единого коэффициента запаса прочности системы расчётных коэффициентов, дифференцированно учитывающих влияние на несущую способность элемента изменчивости нагрузок, прочностных свойств материалов, условий эксплуатации, класса ответственности достигают лучшей сходимости теоретических данных с опытными, чем при едином коэффициенте запаса k в прежних методах расчёта.
Каждое новое достижение в повывшении однородности материалов может быть учтено в нормах, что приведёт к их экономии.
Конструкции, рассчитанные по предельным состояниям, получаются несколько экономичнее по расходу материалов.
Недостатки метода:
Некоторые коэффициенты метода не получили достаточного опытного обоснования. Так, например, одинаковый коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса 13 EMBED Equation.3 1415, применяемый как для большепролётных тонкостенных покрытий типа оболочек, где нагрузка от массы покрытия является основной, так и для междуэтажных перекрытий, которые работают на значительную временную нагрузку, недостаточно обоснован.
Определение несущей способности элементов, состоящих из двух и более материалов (например, железобетонных) выполняется в настоящее время без учёта совместного статистического разброса прочности этих материалов при расчётных сопротивлениях, соответствующих низкой прочности каждого материала. Вероятность обнаружить материал с прочностью ниже расчётного сопротивления приблизительно равна 0,001. Вероятность совместного невыгодного попадания арматуры и бетона минимальной прочности является величиной чрезвычайно малой (примерно 2 10-6), которая практически не может встретиться в эксплуатируемых конструкциях. В связи с этим запроектированные по нормам конструкции обладают дополнительными резервами прочности, которые не учитываются в расчётах.

2.4.9. Общий способ расчёта прочности железобетонных элементов

В сечениях, перпендикулярных к продольной оси элементов, изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых в стадии III двузначные эпюры напряжений в бетоне и арматуре будут одинаковые во всех трёх случаях (рис. 35).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415




На этом рисунке h0 – рабочая высота сечения, равная h - а; а и а' – расстояния от равнодействующей усилий в арматуре соответственно As и A's до ближайшей грани сечения.
В расчётах прочности элементов усилия, воспринимаемые сечением, перпендикулярным к продольной оси элемента, определяют по расчётным сопротивлениям материалов (т.е. с учётом пониженной против контролируемой прочности бетона и арматуры) с учётом коэффициентов условий работы. При этом используют следующие допущения:
элемент может иметь любую симметричную относительно вертикальной оси форму поперечного сечения; силовая плоскость изгиба должна совпадать с этой осью;
элемент работает в стадии III напряжённо-деформированного состояния;
работой растянутого бетона над трещиной пренебрегаем;
для того, чтобы в сжатой арматуре A's напряжения заведомо доводились до расчётного сопротивления сжатию Rsc (при отсутствии сцепления арматуры с бетоном Rsc = 0) необходимо, чтобы равнодействующая усилий в арматуре A's отстояла от нейтральной оси дальше, чем равнодействующая усилий в бетоне сжатой зоны Db, т.е. выполнялось неравенство zb
· zs.
Введение этих допущений позволяет получить расчётные формулы с использованием только двух уравнений равновесия.
В общем случае условие прочности при любом из перечисленных выше усилий от внешних воздействий формулируется в виде требования о том, чтобы момент усилий от внешних воздействий, взятый относительно любой оси, перпендикулярной к плоскости изгиба, не превосходил суммы моментов внутренних усилий, взятых относительно той же оси. Обычно это условие записывают в виде 13 EMBED Equation.3 1415 (сумма моментов всех сил относительно оси, проходящей через центр тяжести арматуры Аs, равна нулю); для случая изгиба оно выглядит так (рис. 35, а):
(2.20)
Уравнение равновесия (2.20) можно представить в виде условия прочности в форме:
(2.21)
где Sb – статический момент площади сечения бетона сжатой зоны Аb относительно той же оси, т.е. Sb = Abzb; Zb – плечо внутренней пары сил.
Во внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементах М = Ne.
Высоту сжатой зоны х для сечений, работающих по случаю 1, определяют из уравнения равновесия расчётных усилий на продольную ось элемента:
(2.22)
В уравнении (2.22) для N принимают знак «минус» при внецентренном сжатии, знак «плюс» – при внецентренном растяжении; N = 0 при изгибе.
Высоту сжатой зоны х для сечений, работающих по случаю 2, когда разрушение происходит по сжатому бетону хрупко, а напряжения в арматуре As не достигают расчетного сопротивления арматуры растяжению Rs, определяют также из уравнения (2.22), заменяя в нем Rs напряжением
·s < Rs.
Напряжения в продольной арматуре Аs, расположенной у растянутой или менее сжатой грани, могут изменяться в широком диапазоне, от предельных напряжений сжатия Rsc до напряжений растяжения Rs. Их величина зависит от высоты сжатой зоны бетона х. Чтобы представить эту зависимость, рассмотрим схему деформирования нормального сечения в виде плоского поворота сечения (рис. 36). Из этой схемы имеем зависимость:
13 EMBED Equation.3 1415 отсюда 13 EMBED Equation.3 1415 или 13 EMBED Equation.3 1415 (2.23)
При разрушении бетона в сжатой зоне краевые деформации в бетоне соответствуют некоторым предельным значениям 13 EMBED Equation.3 1415, которые можно принять за постоянную величину. Отсюда видно, что деформации в арматуре 13 EMBED Equation.3 1415, а следовательно, и напряжения в ней
·s, которые определяются по диаграмме
·s – 13 EMBED Equation.3 1415, являются функцией от
·. Связь между деформациями арматуры и высотой сжатой зоны имеет гиперболический характер. Чем меньше высота сжатой зоны, тем выше напряжения в продольной арматуре и наоборот. Эту закономерность можно увидеть непосредственно из схемы деформирования нормального сечения (рис. 36).


Рис. 36. Схема распределения деформаций и напряжений в поперечном сечении элемента:
а – сечение элемента и участок элемента с трещиной; б – эпюра деформаций; в – эпюра напряжений; г, д – диаграммы
· –
· для бетона и арматуры

Для мягких сталей, имеющих физический предел текучести, при увеличении деформаций растяжения арматуры выше значений, соответствующих началу текучести, напряжения в арматуре остаются постоянными и равными её пределу текучести или Rs. В этом случае напряжения должны быть ограничены
·s
· Rs.
Граничная относительная высота сжатой зоны бетона 13 EMBED Equation.3 1415, при которой напряжения в арматуре As ещё достигают Rs, может быть найдена из формулы (2.24):
13EMBED Equation.31415 (2.24)
где (s,el – относительная деформация растянутой арматуры при напряжениях, равных Rs:
13EMBED Equation.31415 (2.25)
(b,ult – относительная деформация сжатого бетона при напряжениях, равных Rb, принимаемая равной 0,0035.































ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия [Текст]: утв. Госстроем России 29.05.2003. – М.: ГУП ЦПП, 2003. – 44 с.
2. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения [Текст]: утв. Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу от 30.06.2003: взамен СНиП 2.03.01-84: дата введ. 01.03.2004. – М.: ГУП НИИЖБ, 2004. – 26 с.
3. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры [Текст]: утв. Государственным комитетом Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу от 30.06.2003: взамен СНиП 2.03.01-84: дата введ. 01.03.2004. – М.: ГУП НИИЖБ, 2004. – 55 с.
4. Евстифеев, В.Г. Железобетонные конструкции (расчет и конструирование) [Текст]: учебное пособие для студентов специальности ПГС / – СПб.: Иван Федоров, 2005. – 192 с.: ил.
5. Байков, В. Н. Железобетонные конструкции. Общий курс [Текст]: учеб. для вузов / В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов. Изд. 5-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1991. – 767 с.: ил.
6. Бондаренко, В.М. Железобетонные и каменные конструкции. [Текст]: учеб. для строит. спец. вузов / В.М. Бондаренко, Р.О. Бакиров, В.Г. Назаренко, В.И. Римшин; Под ред. В. М. Бондаренко. Изд. 3, исправл. – М.: Высш. шк., 2004. – 876 с.: ил.






















Содержание

13 TOC \o "1-3" \h \z \u 1413 LINK \l "_Toc153784837" 14ВВЕДЕНИЕ 13 PAGEREF _Toc153784837 \h 1431515
13 LINK \l "_Toc153784838" 141. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА, СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЫ И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА 13 PAGEREF _Toc153784838 \h 14141515
13 LINK \l "_Toc153784839" 141.1. Бетон 13 PAGEREF _Toc153784839 \h 14141515
13 LINK \l "_Toc153784840" 141.1.1. Общие сведения 13 PAGEREF _Toc153784840 \h 14141515
13 LINK \l "_Toc153784841" 141.1.2. Структура (строение) бетона 13 PAGEREF _Toc153784841 \h 14151515
13 LINK \l "_Toc153784842" 141.1.3. Усадка бетона и начальные напряжения 13 PAGEREF _Toc153784842 \h 14161515
13 LINK \l "_Toc153784843" 141.1.4. Прочность бетона 13 PAGEREF _Toc153784843 \h 14181515
13 LINK \l "_Toc153784844" 141.1.5. Классы и марки бетона 13 PAGEREF _Toc153784844 \h 14241515
13 LINK \l "_Toc153784848" 141.1.6. Деформативность бетона 13 PAGEREF _Toc153784848 \h 14281515
13 LINK \l "_Toc153784849" 141.1.7. Модуль деформаций бетона 13 PAGEREF _Toc153784849 \h 14371515
13 LINK \l "_Toc153784850" 141.2. Арматура для железобетонных конструкций 13 PAGEREF _Toc153784850 \h 14381515
13 LINK \l "_Toc153784851" 141.2.1. Назначение арматуры и требования к ней 13 PAGEREF _Toc153784851 \h 14381515
13 LINK \l "_Toc153784852" 141.2.2. Виды арматуры 13 PAGEREF _Toc153784852 \h 14391515
13 LINK \l "_Toc153784853" 141.2.3. Физико-механические свойства арматурных сталей 13 PAGEREF _Toc153784853 \h 14391515
13 LINK \l "_Toc153784854" 141.2.4. Классификация арматуры по основным характеристикам. Сортамент арматуры 13 PAGEREF _Toc153784854 \h 14421515
13 LINK \l "_Toc153784855" 141.2.5. Сварные арматурные изделия 13 PAGEREF _Toc153784855 \h 14451515
13 LINK \l "_Toc153784856" 141.2.6. Соединения арматуры 13 PAGEREF _Toc153784856 \h 14481515
13 LINK \l "_Toc153784857" 141.3. Железобетон 13 PAGEREF _Toc153784857 \h 14531515
13 LINK \l "_Toc153784858" 141.3.1. Общие сведения 13 PAGEREF _Toc153784858 \h 14531515
13 LINK \l "_Toc153784859" 141.3.2. Содержание арматуры 13 PAGEREF _Toc153784859 \h 14531515
13 LINK \l "_Toc153784860" 141.3.3. Значение трещиностойкости 13 PAGEREF _Toc153784860 \h 14531515
13 LINK \l "_Toc153784861" 141.3.4. Сцепление арматуры с бетоном 13 PAGEREF _Toc153784861 \h 14551515
13 LINK \l "_Toc153784862" 141.3.5. Анкеровка арматуры в бетоне 13 PAGEREF _Toc153784862 \h 14581515
13 LINK \l "_Toc153784863" 141.3.6. Усадка бетона при наличии арматуры 13 PAGEREF _Toc153784863 \h 14611515
13 LINK \l "_Toc153784866" 141.3.7. Ползучесть бетона при наличии арматуры 13 PAGEREF _Toc153784866 \h 14641515
13 LINK \l "_Toc153784868" 141.3.8. Коррозия железобетона и меры защиты от неё 13 PAGEREF _Toc153784868 \h 14661515
13 LINK \l "_Toc153784869" 141.3.9. Защитный слой бетона и минимальные расстояния между стержнями 13 PAGEREF _Toc153784869 \h 14681515
13 LINK \l "_Toc153784870" 142. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 13 PAGEREF _Toc153784870 \h 14691515
13 LINK \l "_Toc153784871" 142.1. Общие сведения 13 PAGEREF _Toc153784871 \h 14691515
13 LINK \l "_Toc153784872" 142.2. Три стадии напряжённо-деформированного состояния железобетонных элементов 13 PAGEREF _Toc153784872 \h 14691515
13 LINK \l "_Toc153784875" 142.3. Методы расчёта железобетонных конструкций 13 PAGEREF _Toc153784875 \h 14731515
13 LINK \l "_Toc153784876" 142.4. Метод расчёта железобетонных конструкций по предельным состояниям 13 PAGEREF _Toc153784876 \h 14731515
13 LINK \l "_Toc153784877" 142.4.1. Сущность метода 13 PAGEREF _Toc153784877 \h 14731515
13 LINK \l "_Toc153784878" 142.4.2. Две группы предельных состояний 13 PAGEREF _Toc153784878 \h 14741515
13 LINK \l "_Toc153784879" 142.4.3. Расчётные факторы 13 PAGEREF _Toc153784879 \h 14741515
13 LINK \l "_Toc153784880" 142.4.4. Классификация нагрузок. Нормативные и расчётные нагрузки 13 PAGEREF _Toc153784880 \h 14751515
13 LINK \l "_Toc153784881" 142.4.5. Степень ответственности зданий и сооружений 13 PAGEREF _Toc153784881 \h 14761515
13 LINK \l "_Toc153784882" 142.4.6. Нормативные и расчётные сопротивления бетона 13 PAGEREF _Toc153784882 \h 14771515
13 LINK \l "_Toc153784884" 142.4.7. Нормативные и расчётные сопротивления арматуры 13 PAGEREF _Toc153784884 \h 14791515
13 LINK \l "_Toc153784885" 142.4.8. Структура расчётных формул 13 PAGEREF _Toc153784885 \h 14801515
13 LINK \l "_Toc153784886" 142.4.9. Общий способ расчёта прочности железобетонных элементов 13 PAGEREF _Toc153784886 \h 14831515
13 LINK \l "_Toc153784888" 14ЛИТЕРАТУРА 13 PAGEREF _Toc153784888 \h 14871515
15









































13PAGE 15


13PAGE 148715


13PAGE 15






(1.23)

(1.24)

(1.30)

(1.29)

(1.26)

Рис. 35. К расчету прочности сечений любой симметричной относительно вертикальной оси формы:
а – изгибаемых; б – внецентренно сжатых; в – внецентренно растянутых; 1 – ось симметрии сечения элемента; 2 – центр тяжести площади бетона сжатой зоны

Рис. 1. Схемы разрушения балок:
а – бетонная балка; б – железобетонная балка; 1 – нейтральная ось; 2 – трещины; 3 – сжатая зона; 4 – растянутая зона; 5 – стальные стержни (арматура)

Рис. 2. Железобетонный маяк в г. Николаеве

Рис. 3. Башни, построенные в разных странах:
а – в Торонто, 550 м; б – башня Московского телецентра в Останкино, 537 м; в – Эйфелева башня в Париже; г – типовая радиобашня, ССР, 205 м; д – башня Шухова в Москве, 160 м


Рис. 4. Оболочка, очерченная по круговой поверхности переноса, для покрытия стоянки автомобилей в Новосибирске

Рис. 5. Оболочка в виде правильного треугольника, который перекрыт Дворец Техники в Париже

Рис. 8. График зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров испытываемого образца

Рис. 10. Кривая распределения прочности бетона:
а – теоретическая; б – опытная

Рис. 11. Кривые распределения прочности бетонов:
а – однородного; б – менее однородного

Рис. 13. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями бетона при сжатии и растяжении:
I – область упругих деформаций; II – область пластических деформаций; 1 – нагрузка; 2 – разгрузка; 13 EMBED Equation.3 1415 – предельная сжимаемость; 13 EMBED Equation.3 1415 – предельная растяжимость; 13 EMBED Equation.3 1415– максимальная сжимаемость при нисходящей ветви диаграммы

Рис. 15. Диаграмма 13 EMBED Equation.3 1415 при многократно повторном нагружении бетонного образца

Рис. 16. Схема для определения модуля деформаций бетона:
1 – упругие деформации; 2 – секущая; 3 – касательная; 4 – полные деформации

Рис. 18. Кривая выносливости арматуры

Рис. 20. Сварные сетки:
а – рулонная; б – после развертки; в – плоская

Рис. 22. Составные отдельные стержни:
а – для применения в балках; б – для применения в колоннах, подпорных стенках и т.п.; 1 – контактная стыковая электросварка

Рис. 28. Анкеровка арматуры:
а – круглых гладких стержней; б – стержней периодического профиля на свободной опоре балки

13 EMBED Equation.3 1415




·
· 
·
·Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native C
·Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native 
·
·Equation NativeEquation NativeEquation Native 
·
· 
·
·Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native 
·
·Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native92 002с92 002Equation NativeEquation NativeEquation Native 
·
·Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native 
·
· 
·
·Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native 
·
· 
·
·Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native 
·
· 
·
· 
·
· 
·
·Equation NativeEquation NativeEquation Native92 006Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native92 007Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeuEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 6 Заголовок 7 Заголовок 915

Приложенные файлы

  • doc 246829
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий