1.1.3. Железобетон
Сцепление арматуры с бетоном. Сцепление арматуры с бетоном является одним из фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его существование как строительного материала. Сцепление обеспечивается: склеиванием геля с арматурой; трением, вызванным давлением от усадки бетона; зацеплением за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры. Выявление влияния каждого из этих факторов затруднительно и не имеет практического значения, так как они действуют совместно. Однако наибольшую роль в обеспечении сцепления (70...80 %) играет зацепление за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры (рис. 1.9, а).
При выдергивании стержня из бетона (рис. 1.9,6) усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления τbd, которые распределяются вдоль стержня неравномерно. Наибольшие их значения τbd,max действуют на некотором расстоянии от торца элемента и не зависят от длины заделки стержня в бетонеlan. Для оценки сцепления используют средние напряжения на длине заделки
Рис. 1.9. Сцепление арматуры с бетоном
Для обычных бетонов и гладкой арматуры τbd,m = 2,5...4 МПа, а для арматуры периодического профиля τbd,m ≈7 МПа. С увеличением прочности бетона τbd,m возрастает. Выражая продольное усилие через напряжение в арматуре (см. рис. 1.9, б), из формулы (1.10) получают
Из формулы (1.11) видно, что длина заделки, при которой обеспечивается сцепление (зона анкеровки), должна быть тем больше, чем выше прочность арматуры и диаметр стержня, и может быть уменьшена при увеличении τbd,m. Для уменьшения 1an (в целях экономии металла) следует ограничивать диаметр растянутой арматуры, повышать класс бетона и применять арматуру периодического профиля.
Нормами проектирования значение сцепления не устанавливается, но даются рекомендации по конструированию, которые обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном.
Анкеровка арматуры в бетоне. Анкеровка — это закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности, способное воспринять определенное усилие. Анкеровка может осуществляться либо силами сцепления, либо специальными анкерными устройствами на концевых участках, либо теми и другими совместно.
Анкеровка арматуры периодического профиля обеспечивается силами сцепления. Анкерные устройства на концах такой арматуры применяют в редких случаях. Для гладкой круглой арматуры, наоборот, сцепление недостаточно, и устройство крюков на концах стержней или приварка поперечных стержней на концевых участках, как правило, обязательны.
Ненапрягаемую арматуру периодического профиля заводят за нормальное к продольной оси элемента сечение, в котором она учитывается с полным расчетным сопротивлением, на длину зоны анкеровки
где Δλan — коэффициент запаса; ωan— коэффициент условий работы; в соответствии с нормами [1] lan,min = 20...25 см. Формула (1.12) - эмпирическая.
Усадка бетона в железобетонных конструкциях. Стальная арматура вследствие сцепления ее с бетоном является внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона при твердении на воздухе и свободному набуханию бетона при твердении в воде.
Стесненная деформация усадки бетона в железобетонном элементе приводит к возникновению начальных напряжений: растягивающих в бетоне, сжимающих в арматуре. При достаточно высоком содержании арматуры в бетоне элемента могут возникнуть усадочные трещины.
Усадке бетона в статически неопределимых железобетонных конструкциях препятствуют лишние связи. В таких системах усадка рассматривается как внешнее воздействие (подобное температурному), вызывающее появление усилий в элементах (см. рис. 11.4). Средняя деформация усадки равна 15·10-5, что равносильно понижению температуры на 15°С (так как коэффициент линейной температурной деформации αbt≈1·10-5). Это позволяет заменить расчет на действие усадки расчетом на температурное воздействие. Отрицательное влияние усадки в этом случае может быть снижено путем устройства деформационных швов, которые обычно совмещают с температурными и называют температурно-усадочными.
В предварительно напряженных элементах усадка бетона также оказывает отрицательное влияние, приводя к уменьшению предварительного напряжения в арматуре.
Ползучесть бетона в железобетонных конструкциях. Арматура в железобетонных конструкциях, являясь, как и при усадке, внутренней связью, препятствует свободной деформации ползучести в бетоне. Вследствие сцепления арматуры с бетоном при продолжительном действии нагрузки ползучесть приводит к перераспределению напряжений между арматурой и бетоном. С течением времени напряжения в бетоне уменьшаются, в арматуре элементов без предварительного напряжения возрастают. Этот процесс происходит непрерывно, пока деформации ползучести не достигнут своего предельного значения.
В зависимости от вида железобетонных конструкций и напряженного состояния ползучесть может оказывать положительное или отрицательное влияние на их работу. В коротких центрально сжатых элементах ползучесть оказывает положительное влияние, обеспечивая более полное использование прочностных свойств арматуры. В гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов и снижение несущей способности. В изгибаемых элементах ползучесть приводит к увеличению прогибов, в предварительно напряженных железобетонных конструкциях — к потерям предварительного напряжения. В статически неопределимых системах ползучесть играет положительную роль, смягчая концентрацию напряжений и вызывая перераспределение усилий.
Коррозия железобетона и меры защиты от нее. Для обеспечения долговечности железобетонных конструкций необходимо принимать меры против развития коррозии бетона и арматуры. Коррозия бетона зависит от его прочности и плотности, свойств цемента и агрессивности среды. Коррозия арматуры вызывается недостаточным содержанием цемента или наличием в нем вредных добавок, чрезмерным раскрытием трещин, недостаточной толщиной защитного слоя. Коррозия арматуры может возникать независимо от коррозии бетона. Для уменьшения коррозии ограничивают агрессивность среды в процессе эксплуатации (отвод агрессивных вод, улучшение вентиляции помещений), применяют плотные бетоны на сульфатостойких и других специальных вяжущих, устраивают на поверхности бетона защитные покрытия, защитный слой необходимой трещины, ограничивают раскрытие трещин и т. д. При систематическом действии агрессивной среды производят расчет конструкций на это воздействие (см. § 15.5).
Защитный слой бетона. В железобетонных конструкциях арматуру следует располагать на некотором расстоянии от их наружной поверхности, чтобы вокруг нее образовался защитный слой. Защитный слой обеспечивает совместную работу арматуры с бетоном на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, а также защиту арматуры от коррозии, высоких температур и других воздействий.
При назначении толщины защитного слоя учитывают вид и размеры конструкции, условия эксплуатации, диаметр и назначение арматуры (рабочая, распределительная) [1]. Так, для продольной рабочей арматуры толщина защитного слоя должна быть не менее диаметра стержня и не менее: в плитах и стенках толщиной h < 100 мм — 10 мм; толщиной h ≥ 100 мм, а также балках и ребрах с h <250мм — 15мм; в балках и ребрах h ≥ 250 мм и в колоннах — 20 мм; в блоках сборных фундаментов — 30 мм; для нижней арматуры монолитных фундаментов: при наличии бетонной подготовки — 35 мм, при ее отсутствии — 70 мм. Для поперечной и распределительной арматуры защитный слой должен быть при h <250 мм — не менее 10 мм и при h > 250 мм — не менее 15 мм. Расстояние от концов продольной ненапрягаемой арматуры до торцов элементов должно быть 10...20 мм. Для конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах, при повышенной температуре или влажности толщина защитного слоя увеличивается на 10...20 мм.
Толщина защитного слоя бетона у концов предварительно напряженных элементов на длине зоны передачи напряжений (см. § 3.3) должна составлять для арматуры классов A-IV, А-IIIв и канатов не менее 2 d и для арматуры классов A-V, А-VI — не менее 3 d. Кроме того, эта величина на указанном участке должна быть для стержневой арматуры — не менее 40 мм и для канатов — не менее 20 мм.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ:
1. Виды бетонов для железобетонных конструкций и области их применения. 2. Что представляет собой структура бетона, как она влияет на напряженное состояние бетонного образца?
3. Основные показатели качества бетона. С какой целью они вводятся?
Как нормируются?
4. Каковы расчетные характеристики прочности бетона?
5. Нарисуйте диаграммы «σ - ε» бетона при однократном кратковременном и длительном нагружениях. Укажите характерные участки на этих диаграммах. 6. Что такое ползучесть бетона? От чего она зависит?
7. Каковы значения предельных деформаций бетона при сжатии,
растяжении, изгибе?
8. Какими характеристиками связаны напряжения и деформации в пределах упругой и пластической работы? Какая зависимость существует
между ними?
9. Что представляет собой мера ползучести и характеристика ползучести
бетона?
10. Что такое усадка бетона, каковы причины ее возникновения?
Факторы, влияющие на усадку.
11. На примерах балки и колонны покажите рабочую и монтажную арматуру. 12. По каким признакам классифицируется арматура?
13. Нарисуйте диаграммы «σ - ε» для различных арматурных сталей
и укажите на них характерные точки.
14. Какие существуют способы упрочнения арматуры?
15. Классы арматурных сталей и применение их в железобетонных
конструкциях.
16. Виды арматурных изделий.
17. Способы соединения арматуры в заводских условиях и на монтаже.
18. Какими факторами обеспечивается сцепление арматуры с бетоном?
От чего зависит и как определяется длина зоны анкеровки?
19. Усадка бетона в железобетонных конструкциях и влияние
ее на напряженное состояние.
20. Ползучесть бетона в железобетонных конструкциях и ее влияние на
деформативность элементов.
21. Коррозия железобетона и меры защиты от нее.
22. Назначение и минимальные толщины защитного слоя.