13. Понятие о железобетоне, как о композиционном материале; его преимущества и недостатки. Предварительно напряженный бетон

Железобетон состоит из бетона и расположенных в нем стальных стержней, составляющих с бетоном монолитное целое и работающих с ним совместно.

Бетон, как и другие каменные материалы, обладает значительным сопротивлением, сжимающим напряжением и весьма малым сопротивлением растяжению. Прочность бетона на растяжение в 10—15 раз меньше прочности на сжатие. В связи с этим бетонные (неармированные) конструкции, предназначенные для работы на изгиб или растяжение, были бы очень массивными, нерентабельными и практически неприемлемыми.

Сталь отлично работает на растяжение. Отсюда и появилась идея создания железобетона, в котором сжимающие напряжения воспринимаются бетоном, а растягивающие — стальной арматурой.

В изгибаемых железобетонных элементах рабочую арматуру размещают обычно в растянутой зоне в соответствии с эпюрой изгибающих моментов.

Конструкции армируют не только при работе их на растяжение и изгиб, но также и при кручении, срезе. В этих случаях рабочую арматуру ставят для уменьшения размеров сечений элементов и снижения собственного веса конструкций, а также для обеспечения большей их надежности. Разрушение бетонных (неармированных) элементов происходит внезапно (хрупко), в то время как разрушение железобетонных элементов наступает постепенно, что позволяет снизить запас прочности.

Кроме обычных железобетонных конструкций существуют также предварительно напряженные. Предварительное напряжение позволяет эффективно использовать более прочные арматурные стали и бетон высоких марок, что невозможно в обычном железобетоне.

Преимущества и недостатки железобетона

Большое распространение железобетона в современном строительстве вызвано прежде всего его значительными техническими и экономическими преимуществами в сравнении с другими строительными материалами.

До 70—80% массы железобетона составляют местные каменные материалы (песок, гравий или щебень). Замена стальных и деревянных конструкций железобетонными позволяет экономнее расходовать в строительстве сталь и древесину, незаменимые в других отраслях народного хозяйства.

Основной строительный материал XX века, железобетон, во всем мире заслуженно пользуется популярностью. Но железобетон обладает существенным недостатком - при металлической арматуре бетон хоть и не разрушается при растяжении, но зато трескается. Ученые решили и эту проблему, создав предварительно напряжённый железобетон, который свободен от этого недостатка. Далее мы расскажем, что такое предварительно напряжённый железобетон, и в каких областях строительства он используется.

У истоков создания предварительно напряжённого железобетона стояли Эжен Фрейссине (Франция) и Виктор Васильевич Михайлов (Россия). В 1936 году при защите В.В. Михайловым диссертации, посвященной этому методу, два оппонента из трех выступили против. Даже видным ученым в то время трудно было понять, как можно предварительно натянуть арматуру почти до разрыва, а затем нагрузить конструкцию полной расчетной нагрузкой, и она при этом будет работать так, что трещины в растянутом бетоне не появятся вплоть до исчерпания ее несущей способности. Тем не менее, Виктор Васильевич сумел убедить ведущих ученых в своей правоте.

Если говорить кратко, то предварительно напряжённый железобетон (преднапряжённый железобетон) - это железобетон, в котором железная арматура натянута почти до точки разрыва, что позволяет железобетону сопротивляться значительным растягивающим напряжениям.

При изготовлении железобетона в форму нужного вида прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем форма заливается бетоном. Такое «соседство» позволяет создавать железобетонные блоки повышенной прочности. А если сталь, используемую при создании железобетонных конструкций, предварительно растянуть специальным устройством и залить бетонной смесью получается предварительно напряжённый железобетон. После схватывания сила предварительного натяжения освобождённой стальной проволоки или троса передаётся окружающему бетону, и бетонная конструкция оказывается сжатой. Такое предварительное создание напряжения сжатия конструкции позволяет частично или полностью устранить растягивающие напряжения от нагрузки.

Предварительно напряжённый железобетон, способы натяжения арматуры:

Механический способ — натяжение, как правило, с использованием гидравлических или винтовых домкратов

Электротермический способ натяжения — натяжение с использованием электротока для разогрева арматуры, при котором арматура удлиняется до определенных значений

Электротермомеханический — способ комбинирующий механический и электротермический.

Предварительное напряжение может производиться не только до, но и после схватывания бетонной смеси. Чаще всего предварительно напряжённый железобетон применяется при строительстве мостов с большими пролётами, где один пролёт изготавливается в несколько этапов (захваток). Материал из стали (трос или арматура) укладывается в форму для бетонирования в чехле (гофрированная тонкостенная металлическая или пластиковая труба). После изготовления монолитной конструкции трос (арматуру) специальными механизмами (домкратами) натягивают до определённой степени. После чего в чехол с тросом (арматурой) закачивается жидкий цементный (бетонный) раствор. Таким образом обеспечивается прочное соединение сегментов пролёта моста.

Предварительно напряжённый железобетон является главным материалом междуэтажных перекрытий высотных зданий и бетонных камер ядерных реакторов, а также колонн и стен зданий повышенной сейсмо- и взрывоопасности.

Из предварительно напряженного монолитного железобетона возводятся промышленные и жилые здания, объекты соцкультуры, плотины, энергетические комплексы, телебашни и так далее. В качестве примера: предварительно напряжённый железобетон был использован при строительстве самой высокой в мире телебашне. Обширной областью применения монолитного предварительно напряженного железобетона являются инженерные сооружения (градирни, трубы, резервуары, защитные оболочки АЭС и т. д.). Современные градирни достигают высоты 150 м. Резервуары для хранения воды, сжиженного газа и т. д. могут достигать объема в несколько сот тысяч кубометров.

Широкое использование в строительстве предварительно напряженного железобетона открывает значительные возможности для снижения расхода стали, главным образом, путем уменьшения металлоемкости ряда железобетонных несущих и ограждающих конструкций, а также путем вытеснения металлических конструкций из различных отраслей строительства. Нет сомнения, что развитие предварительно напряженного железобетона необходимо для дальнейшего совершенствования отечественного капитального строительства.