169. Работа бетона и арматуры в конструкциях. Виды конструкций и их армирование. Узлы соединений конструкций. Поведение конструкций в условиях пожара.

Для частей зданий и сооружений, подвергающихся изгибу (например, для балок и плит), при котором нижняя часть конструкции работает на растяжение, бетон применять нельзя. На рис. 32 показана схема работы балки при изгибе под действием нагрузки.

Рис. 32- Схема работы балки при изгибе: а — бетонной; б — железобетонной

В нижней зоне балки возникает растяжение, в связи с чем необходим материал, хорошо сопротивляющийся растягивающим усилиям. Таким материалом является сталь, хорошо работающая совместно с бетоном. Строительный материал, представляющий собой сочетание стали и бетона, называется железобетоном.
Совместная работа бетона и стали эффективна благодаря наличию следующих условий: бетонная смесь при затвердевании прочно сцепляется со стальными прутками; бетон защищает стальную арматуру от воздействия воды, предохраняет ее от ржавления, а также от огня; сталь и бетон практически одинаково удлиняются при нагревании и сжимаются при охлаждении, поэтому при изменении температуры не нарушается сцепление между этими материалами.
Стальные стержни различной формы, заделанные в толщу бетона, называются арматурой железобетона. Вся нагрузка, воспринимаемая конструкцией или сооружением, распределяется между бетоном и арматурой. Бетон принимает на себя сжимающие усилия, а арматура — главным образом растягивающие.
В настоящее время невозможно представить себе ни одного более или менее крупного здания или сооружения любого назначения, при строительстве которых не применялся бы железобетон.

Армирование предварительно-напряженных конструкций может выполняться двумя способами. В первом случае арматуру перед укладкой бетона натягивают, бетонируют конструкцию при натянутой арматуре и после отвердевания бетона натяжные приспособления снимают. При этом сжатие бетона достигается за счет сцепления между стремящимися сжаться арматурными стержнями и бетоном. Такой бетон, равномерно армированный в зоне растяжения стальными проволоками, называют также струнобетоном (рис. 56,а). Для того чтобы предварительно (перед бетонированием) натянуть арматурный стержень, один конец его обычно неподвижно закрепляют, а ко второму концу прикладывают растягивающее усилие. Рис. 56. Виды армирования предварительно-напряженных конструкций и способы натяжения арматуры: а — струнобетоиные балки различных сечений; б — балка перед растяжением арматуры; в — балка после растяжения арматуры со вложенными шайбами; г — схема установки гидравлического домкрата на конце балки (план): 1 — анкерная колодка; 2 — захват; 3 — траверсная балка; 4 — домкрат; 5 — арматурный пучок; 6 — анкерная шайба; д — анкерная шайба; е — общий вид механического домкрата с электроприводом: 1 — ходовая тележка; 2 — электродвигатель; 3 — натяжной механизм; 4 — подъемное устройство; 5 — рама натяжного механизма; 6 — упорное устройство; ж — разрез гидравлического домкрата: 1 — гайковерт; 2 — шток; -3 — шестеренчатая передача; 4 — поршень; 5 — гидроцнлнндр; 6 — ось шестерни; 7 - ручка; 8 — маховичок; 9 — место конца стержня Простейший метод растяжения заключается в том, что на концы арматурного стержня, имеющие винтовую резьбу, навинчиваются гайки, и одну из гаек вручную затягивают гаечным ключом. По мере растягивания (удлинения) стержня, под гайку подкладываются шайбы, как это показано на рис. 56,в. В настоящее время такой медленный и трудоемкий способ заменяют механизированным, при котором растяжение стержня до необходимого усилия производится специальным домкратом. На рис. 56,а показано место расположения домкрата в установке для предварительного натяжения арматуры. Домкрат 4 размещают между металлической формой, в которой будет бетонироваться изделие, и специальной траверсной балкой 3. При работе домкрата приводится в движение траверсная балка с прикрепленными к ней захватами или зажимами 2, в которые закладываются отдельные арматурные стержни или пучки стержней. Для растяжения применяются как механические, так и гидравлические домкраты. Общий вид механического домкрата с электроприводом приведен на рис. 56,е. Тележка / служит для облегчения передвижения домкрата вдоль установленных металлических форм с приготовленной для натяжения арматурой. Натяжной механизм 3, расположенный в центре конструкции домкрата и укрепленный на раме 5, может подниматься и опускаться при помощи специального устройства 4. Рама снабжена упорными устройствами 6, упираемыми при работе домкрата в стенку металлической формы. Операция по натяжению арматуры производится в последовательности, описанной ниже. Тележка домкрата и натяжной механизм устанавливаются так, чтобы ось натяжного механизма совпадала с осью натягиваемого стержня или пучка стержней. После этого арматурный стержень закрепляют в зажимах и включают электродвигатель 2. Через вал червяка вращение передается червячной шестерне. При вращении шестерни натяжной винт движется поступательно, производя натяжение арматуры. Домкраты описанной конструкции могут развивать натягивающее усилие до 10 г. Более мощными и удобными являются гидравлические домкраты. На рис. 56,ж показан разрез гидравлического домкрата усилием до 50 т для натяжения арматуры. Для того чтобы растягиваемый стержень мог быть присоединен к домкрату, он должен иметь на конце резьбу с навинченной на нее гайкой. При  надевании домкрата    на  подготовленный  стержень, шток 2, находящийся в корпусе домкрата, вращением маховичка 8 навинчивается своим резьбовым концом на конец стержня, и при этом    находящаяся    на    стержне    гайка    входит    в    отверстие гайковерта 1.  Шток    навинчивается    до    тех  пор, пока поршень 4 не упрется в гидроцилиндр 5 домкрата (такое положение поршня показано на рисунке). После этого в цилиндр начинают нагнетать масло; поршень, отходя назад под давлением масла, упирается в заплечики штока и тянет его вместе с привинченным арматурным стержнем.  Степень натяжения  стержня определяется по показаниям манометра. Когда натяжение стержня достигает необходимой величины, гайка подкручивается гайковертом до упирания в анкерную шайбу и удерживает затем стержень после снятия домкрата в натянутом (напряженном) состоянии до укладки в форму бетонной смеси и ее затвердевания. Вращение гайковерту передается через шестеренчатую передачу 3 при вращении гаечным ключом оси 6 одной из шестеренок, находящейся в корпусе ручки 7.

Особенности поведения любых конструкций при пожаре, в первую очередь, основываются на поведении строительных материалов из которых они состоят.

Под поведением строительных материалов в условиях пожара понимают комплекс физико-химических превращений, приводящих к изменению состояния и свойств материала под влиянием интенсивного высокотемпературного нагрева.

На рис. 1. показана обобщенная схема, в которой перечислены основные факторы, процессы и последствия, которые могут характеризовать поведение различных материалов в условиях пожара.

Для того чтобы понять, какие изменения происходят в структуре материала, как меняются его свойства, т.е. как влияют внутренние факторы на поведение материала в условиях пожара, необходимо хорошо знать материал - его происхождение, сущность технологии изготовления, состав, начальную структуру и свойства.

Свойствами, характеризующими поведение строительных материалов в условиях пожара называют способность материалов реагировать на воздействие внешних и внутренних факторов: силовых, влажностных, температурных и др.

Все свойства материалов взаимосвязаны. Они зависят от вида, состава, строения материала. Ряд из них оказывает более существенное, другие — менее существенное влияние на пожарную опасность и поведение материалов в условиях пожара.

Применительно к изучению и объяснению характера поведения строительных материалов в условиях пожара следует, в качестве основных, отразить следующие свойства:

Физические свойства: объемная масса, плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, парогазопроницаемость.

2. Механические свойства: прочность, деформативность.

Теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, тепловое расширение, теплостойкость.

Бетоны относятся к группе безобжиговых искусственных каменных материалов, получаемых в результате затвердевания смеси вяжущего вещества, воды и заполнителя (мелкого — кварцевого песка и крупного - из горных пород либо отходов промышленности).

Их классифицируют по объемной массе на:

особо тяжелые — объемная масса - 2500...6000 кг/м³ (заполнитель -  чугун, свинец) применяют для сооружений биологической защиты;

тяжелые (обычные) - объемная масса - 2200...2500 кг/м³ (крупный за полнитель из тяжелых горных пород в виде щебня, гравия и мелкий — кварцевый песок) — применяют для несущих строительных конструкций;

облегченные - объемная масса - 1900...2200 кг/м³ — то же;

легкие - объемная масса  1200...1800 кг/м³ - на легких  крупных заполнителях из природных и искусственных каменных материалов, и мелкого - песка; применяют для несущих и ограждающих конструкций;

особо легкие — объемная масса - 1200 кг/м³ — без  крупного заполнителя; применяют в основном для ограждающих конструкций.

Особо легкие (ячеистые) бетоны получают путем введения в раствор вяжущего пенообразователя (пенобетон), либо газообразователя (газобетон).

После затвердевания бетона определяют класс бетона по прочности путем механического испытания на сжатие образцов.

Существуют классы бетона по прочности от В-1 до В-60.

Среднее значение коэффициента теплопроводности тяжелых бетонов: 1,7, легких и ячеистых:  0,16...0,64 Вт/м.°С.

Бетон применяют при производстве сборных и монолитных железобетонных конструкций.

Железобетон от бетона отличается наличием стальной арматуры, воспринимающей растягивающие усилия от внешних нагрузок, которые бетон не воспринимает, т.к. его прочность при растяжении очень незначительна.

Изучением поведения каменных материалов в условиях пожара занимались в течение нескольких десятилетий многие исследователи нашей страны: М.Я.Ройтман, Н.И.Зенков, К.Д.Некрасов, А.Ф.Милованов, В.М.Ройтман, В.В.Жуков, А.Т.Апостолов, Е.А.Мешалкин, В.Н.Демёхин и др.

Характер поведения каменных материалов в условиях пожара в принципе аналогичен для всех материалов, отличаются лишь количественные показатели. Специфические особенности обусловлены действием лишь внутренних факторов, присущих анализируемому материалу (при анализе поведения материалов в идентичных условиях действия внешних факторов).

Поскольку бетон является композиционным материалом, его поведение при нагреве зависит от поведения цементного камня, заполнителя и их взаимодействия. Мы рассмотрели в отдельности поведение при нагреве цементного камня, природных каменных материалов, отметим лишь особенности взаимодействия компонентов бетона при нагреве.

Одна из особенностей — химическое соединение при нагреве до 200°С гидроксида кальция с кремнеземом кварцевого песка (этому способствуют условия, аналогичные тем, что создают в автоклаве для быстрого твердения бетона: повышенное давление, температура, влажность воздуха). В результате такого соединения образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция. Кроме того, при этих же условиях происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов цементного камня. Все это способствует некоторому повышению прочности (рис. 2, кривая - 1).

При нагреве бетона выше 200°С возникают противоположно направленные деформации претерпевающего усадку вяжущего и расширяющегося заполнителя, что снижает прочность бетона (рис. 3) наряду с деструктивными процессами, происходящими в вяжущем и заполнителе.

Расширяющаяся влага при температурах от 20 до 100°С давит на стенки пор, и фазовый переход воды в пар также повышает давление в порах бетона, что приводит к возникновению напряженного состояния, снижающего его прочность. По мере удаления свободной воды прочность бетона может возрастать (рис. 3). При прогреве образцов бетона, заранее высушенных в сушильном шкафу при температуре 105...110°С до постоянной массы, физически связанная вода отсутствует, поэтому такого резкого снижения прочности в начале нагрева не наблюдается (рис. 3).

При остывании бетонов после нагрева прочность, как правило, практически соответствует прочности при той максимальной температуре, до которой образцы были нагреты. У отдельных видов бетона она несколько снижается при остывании за счет более длительного нахождения материала в нагретом состоянии, что способствовало более глубокому протеканию в нем негативных процессов (рис. 2).

Деформативность бетона по мере прогрева увеличивается за счет увеличения его пластичности (рис. 4).

Мы рассмотрели изменение прочности бетона при нагревании в ненагруженном состоянии, что не характерно для работы несущих конструкций. Поэтому, начиная с 70-х годов во ВНИИПО МВД РФ проводят испытания при нагреве нагруженных образцов бетона. При этом измеряют величины относительных суммарных деформаций (свободного расширения и сжатия под действием внешней нагрузки) и температуру (критическую), при которой происходит разрушение (утрата целостности) образца.