Основы расчета железобетонных конструкций, по предельным состояниям первой группы.

Сущность железобетона.

Железобетон – это комплексный материал, в котором соединяются бетон и стальная арматура.

Бетон хорошо сопротивляется сжимающим усилиям и во много раз (10-15 раз) хуже растягивающим, поэтому бетонные конструкции, в которых под нагрузкой возникает растяжение, имеют низкую несущую способность. Так бетонная балка разрушается при относительно малой относительно малой нагрузке вследствие образования трещин в растянутой зоне, тогда как прочность сжатой зоны не используется.

Железобетонная балка, снабженная в растянутой зоне стальной арматурой, обладает несущей способностью во много раз большей, т.к. после образования трещин в бетоне растянутой зоны, растягивающие усилия воспринимаются арматурой.

Стальная арматура хорошо сопротивляется не только растяжению, но и сжатию, поэтому арматуру рационально использовать и для усиления сжатого бетона. Примером такой конструкции является железобетонная колонна (рис. 5).

Широкому применению железобетона в строительстве способствуют такие его качества, как долговечность, огнестойкость, стойкость против атмосферных воздействий, высокая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам, способность задерживать радиоактивные излучения, возможность использования местного сырья для приготовления бетона (песок, гравий, щебень), небольшие эксплуатационные расходы.

Вместе с тем применение железобетона связано с рядом осложнений, связанных с его значительным весом, относительно высокой звуко- и теплопроводностью, необходимостью применения форм (опалубки) и выдерживания в них конструкции до набора прочности, низкой трещиностойкости.

Благодаря совершенствованию технологии изготовления, составов бетона, применению легких заполнителей бетонов, а также их поризации эти трудности удается преодолевать. Повышение трещиностойкости железобетонных конструкций достигается использованием предварительного напряжения их путем создания значительных сжимающих напряжений в частях конструкций, которые при эксплуатации испытывают растяжение. В предварительно напряженных конструкциях удается предотвращать образование трещин или снизить ширину их раскрытия.

Конструкционные качества бетона и арматуры. Бетон

По своей структуре бетон представляет собой неоднородное тело, в котором бессистемно расположены зерна заполнителей различной крупности и формы, скрепленные цементным камнем, поры и пустоты, заполненные воздухом и водой. Такая структура определяет его основные физико-механические свойства.

Прочность бетона. Классы бетона.

Отсутствие закономерности в расположении частиц затвердевшего бетона, а также в размещении и размерах пор приводит к тому, что при испытании образцов из одного и того же бетона наблюдается разброс показателей его прочности.

Прочность бетона с течением времени возрастает, при этом существенное влияние имеет изменение температуры и влажности среды, в которой происходит твердение (набор прочности бетона).

Различают несколько характеристик прочности бетона.

Кубиковая прочность (R_n, МПа) – временное сопротивление (предел прочности) на сжатие образца, имеющего форму куба.

Кубиковая прочность образца с размерами ребра 15 см, изготовленного и испытанного по стандарту, называется классом бетона по прочности на сжатие (В, МПа).

СНиП 52-01-2003 устанавливает следующие классы бетонов по прочности на сжатие (гарантированная прочность, МПа, с обеспеченностью 0,95) в целом в пределах от В0,5 до В120, а по СП 52-101-2003 для конструкций без предварительного напряжения В10; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60.

Призменная прочность (R_b,n, МПа).

Образцы, имеющие форму призм, при испытании на сжатие показывают меньшую прочность, чем кубики того же поперечного сечения, т.к. с увеличением высоты образца снижается влияние сил трения, возникающих по опорным поверхностям. При отношении высоты призмы h к стороне а ее основания > 4 трение практически не оказывает влияния на временное сопротивление и оно составляет 0,7 – 0,8 от кубиковой прочности.

Призменная прочность является основной прочностной характеристикой бетона при расчете конструкций, работающих на сжатие и изгиб. По ее значению установлены принятые в СНиП нормативные и расчетные сопротивления бетона на сжатие.

Прочность на растяжение.

Временное сопротивление бетона на растяжение (R_bt,n, МПа) устанавливается путем испытания на разрыв стандартных образцов в виде восьмерок.

Между величиной R_bt,n и кубиковой прочностью установлена эмпирическая зависимость:

,

(15)

Для конструкций, работающих на растяжение дополнительно к классу бетона на сжатие (В) устанавливается класс бетона на растяжение (B_t, МПа).

СНиП предусматривает следующие классы бетона на растяжение в целом от B_t0,4 до B_t6, а по СП 52-101-2003 B_t0,8; B_t1,2; B_t1,6; B_t2,0; B_t2,4; B_t2,8; B_t3,2.

По прочности бетона на растяжение СНиП устанавливает нормативные и расчетные сопротивления, принимаемые при расчете конструкций по прочности на растяжение, а также по трещиностойкости.

Марки бетона.

Марка бетона по морозостойкости F соответствует минимальному числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдерживаемых образцом при стандартных испытаниях, и принимается по СНиП от F15 до F1000.

Марка бетона по водонепроницаемости W соответствует максимальному значению давления воды (МПа·10^-1), выдерживаемому образцом при испытании и принимается в пределах от W2 до W30.

Марка по средней плотности Д соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м³ и принимается в пределах от Д200 до Д5000.

При необходимости устанавливают дополнительные качества бетона, обусловленные требованиями к конструкции.