Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Строительные конструкции для студентов специальности 1-70 01 01 - Производство строительных изделий и конструкций

Характер распределения предварительного напряжения в бетоне элементов зависит от геометрии сечения элементов, положения в их сечении напрягаемой арматуры, степени ее предварительного напряжения, физикомеханических свойств бетонa.

Способы создания предварительного напряжения:

–натяжение на упоры

–натяжение на бетон

–применение напрягающего бетона.

Таблица 1.1. Ориентировочное сравнение свойств обычных железобетонных и предварительно напряженных конструкций

Технология изготовления железобетонных конструкций

–сборные

–монолитные

–сборно-монолитные

Основные этапы развития железобетона

–1850 г. – Ламбо построил лодку из цементного раствора, армированную железом, которая демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже

в1855 году.

–В 1861 г. парижский садовник Ж. Монье начал изготавливать переносные кадки для цветов, а в 1867 г. получил патент на армированные бетонные плиты.

11

–В 70…80-х XIX века в разных странах был внесен ряд предложении по армированию железобетонных плит.

–1892 г. – француз Ф. Геннебик запатентовал конструктивную систему каркасного здания с ребристым железобетонным перекрытием (плиты, балки, колонны и фундаменты) которая легла в основу всех дальнейших разработок

вэтом направлении.

–конец XIX столетия – сформулированы и закреплены в первых нормативных документах основные предпосылки практического метода расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям.

–1939 г. – впервые в мировой практике теория расчета железобетонных конструкций по стадии разрушения предложенная проф. А.Ф. Лолейтом в 1932 г. блестяще доведена до практического применения А.А. Гвоздевым, Я.В. Столяровым, В.И. Мурашовым, В.В. Михайловым, П.Л. Пастернаком, В.А. Бушковым и др.

– 1886 г. Мандель (Австрия) и П.Г. Джексон (США), а в 1888 г., К. Деринг (Германия) получили патенты на предварительное напряжение арматуры, которые были основаны на понятии, что бетон хорошо работает на сжатие и плохо – на растяжение

–30-х годах XX столетия - широкое практическое применение предварительно напряженных конструкций (благодаря работам Э. Фрейсине (Франция) и В.В. Михайлова (СССР)) когда металлургическая промышленность освоила производство высокопрочных сталей.

–1935 г. – Р.Э. Дилл (США) создал конструкции с натяжением высокопрочной стальной арматуры с ее анкеровкой с помощью гаек (рис. 1.3).

Этот период, когда началось промышленное освоение производства предварительно напряженного железобетона, когда теоретический уровень расчета железобетонных конструкций был достаточно высоким, благодаря работам А.Ф. Лолейта, А.А. Гвоздева, П.Л. Пастернака и др., можно считать началом второго этапа развития железобетона.

Переход к расчету железобетонных конструкций по предельным состояниям, массовое применение сборного обычного и предварительно напряженного железобетона высокой степени унификации и типизации, монолитных и сборно-монолитных конструкций можно считать третьим этапом в развитии теории и практики железобетона.

Перспективы развития бетонных и железобетонных конструкций

Приоритетные направления развития и применения железобетона на современном этапе:

–разработка высокопрочных, быстротвердеющих легких и коррозионностойких бетонов с применением химических добавок; особая роль здесь отводится напрягающим бетонам;

–разработка новых видов сборных, сборно-монолитных и монолитных железобетонных конструкций с высокой унификацией изделий и создание прогрессивных конструктивных систем зданий и сооружений на их основе;

–создание новых типов стальной и неметаллической арматуры;

12

–создание прогрессивных, высокомеханизированных и автоматизированных технологий бетонных и арматурных работ, внедрение безопалубочного формования массовых предварительно напряженных конструкций на длинных стендах с минимальным расходом энергоносителей и использованием высокопрочной арматурной стали и высокопрочных бетонов;

–совершенствование опалубок и технологии возведения монолитного железобетона;

–повышение долговечности и надежности бетонных и железобетонных конструкций;

–совершенствование методов контроля качества бетона и арматуры, методов обследования и усиления конструкций зданий и сооружений;

–совершенствование на базе новых экспериментальных исследований теории расчета и конструирования железобетонных конструкций, в том числе

сиспользованием современного программного обеспечения расчетов на ЭВМ.

Тема 1.2. Физико-механические свойства бетона

Классификация бетонов

По основному назначению

–конструкционный (для несущих и ограждающих конструкций)

–специальный бетон (к которому предъявляются дополнительные требования в соответствии с условиями эксплуатации – жаростойкий, химически кислотостойкий, радиационно-защитный и т.д.

По виду вяжущего

–цементное

–известковое

–шлаковые

–специальные

По виду заполнителя

–на жестких заполнителях - щебень, гравий (тяжелый бетон)

–на пористых заполнителях - керамзит, шлак (для легкого бетона)

–на специальных заполнителях, удовлетворяющих дополнительным требованиям – жаро-, химически стойкий бетон.

По структуре

–жесткой

–поризованной, ячеистой

–крупнопористой

По средней плотности

–особо тяжёлые бетоны > 2500 кг/м3

–тяжелые 2000 < < 2500 кг/м3

–легкие < 2000 кг/м3

По зерновому составу

– крупнозернистый

13

–мелкозернистый

По условиям твердения

–естественного твердения

–при тепловлажностной обработке при атмосферном давлении

–автоклавная обработка при высоком давлении

Структура бетона

С точки зрения строительного материала, бетон – искусственный упругопластический материал, в котором каменные заполнители, соединённые минеральным вяжущим способны сопротивляться нагрузкам как монолитное тело. Бетон состоит одновременно из трех материальных фаз: твердой, жидкой и газообразной. Твердую фазу или жесткий скелет структуры формируют зерна крупного и мелкого заполнителя, непрогидратировавшие зерна цемента, объединенные кристаллическим сростками, являющимися продуктами гидратации цемента. Жесткий скелет заполнен коллоидальным раствором продуктов гидратации цемента (жидкая фаза), а также воздухом (газообразная фаза), содержащимся в структурных порах.

В таком сложном неоднородном теле нагрузка создает соответствующее сложное напряженно-деформированное состояние. Если подвернуть бетон сжимающим нагрузкам, напряжения концентрируются на жёстких частицах, вследствие чего на их поверхности возникают усилия, которые стремятся нарушить связь между ними, в то же время в местах ослабленных порами также происходит концентрация напряжения. При этом в продольном направлении возникают сжимающие усилия, а в поперечном – растягивающие.

Длительные процессы, происходящие в таком материале, а именно, изменения водного баланса, уменьшение объема вязкого геля, наделяют бетон своеобразными упругопластическими свойствами. Прочность бетона, деформативность, физические свойства (водонепроницаемость, морозостойкость) определяющим образом зависит от качества структуры бетона, сформировавшегося в процессе твердения вяжущих, ее однородности, наличия дефектов и повреждений уже на этапе изготовления.

Стадии микротрещинообразования

Исследования показали, что теория прочности, справедливая для других материалов, не может быть применима к бетону. Теория состояния бетона до сегодняшнего дня продолжает развиваться на основе эмпирических подходов (на основе экспериментальных исследований).

При действии кратковременной сжимающей нагрузки зависимость, связывающую напряжения и деформации бетона (диаграмма деформирования), можно условно разделить на четыре характерных участка, соответствующих определенным стадиям процесса микротрещинообразования структуры (рис. 1.3). Начальный участок зависимости можно считать практически линейным. На этой стадии наблюдается незначительное увеличение числа контактных микротрещин на границе частиц заполнителя и цементного камня.

14

В зависимости от вида напряженно-деформированного состояния, которое испытывает образец бетона при испытаниях (двух-, трехосное сжатие, сжатие–растяжение и т.д.), изменяются условия формирования и развития структурных микротрещин и, как следствие, его прочностные и деформативные характеристики.

Классификация свойств бетона

На структуре представлена полная общая классификация свойств бетона.

Механические прочностные свойства бетона

Основные факторы, от которых зависят прочностные свойства бетона:

– от выбора состава смеси, водоцементного отношения, качества вибрирования и т.д.;

16

–от возраста и условий твердения;

–от формы и размеров образца;

–от вида напряженно-деформированного состояния (изгиб, растяжение, сжатие, местное действие нагрузки, кручение и т.д.);

–от скорости нагружения образца;

–от длительности действия нагрузки.

Прочность на сжатие является важнейшим классификационным показателем, характеризующим механические свойства бетона, как строительного материала. Нормативные документы определяют прочность бетона на сжатие fc, как максимальное сжимающее напряжение в бетоне при одноосном напряженном состоянии. Среднее значение прочности, получаемое по результатам испытаний серии опытных образцов, обозначают fсm.

Согласно ТКП EN 1992-1-1-2009* [7], прочность бетона на сжатие характеризуется классами бетона по прочности, которые в соответствии с EN 206-1 связаны с характеристической (5%) цилиндрической прочностью при сжатии или кубиковой прочностью при сжатии.

Непосредственно вытекающими из определенной средней прочности бетона на сжатие являются следующие величины:

–гарантированная прочность бетона, определяемая как прочность бетона на осевое сжатие, установленная с учетом статистической изменчивости в соответствии с требованиями действующих стандартов испытанием образцов – кубов с ребром 150 мм, в возрасте 28 суток, набиравших прочность

внормальных условиях, и обозначаемая fc,cube;

–характеристическая цилиндрическая прочность при осевом сжа-

тии fck – контролируемая прочностная характеристика бетона, определяемая с учетом статистической изменчивости. В качестве базового числового значения обеспеченности нормативных значений прочностных характеристик принимается величина 0,95.

При контроле значений классов по прочности бетона устанавливается эталонная форма стандартного образца, используемого при определении показателей прочности.

Экспериментальными исследованиями установлено, что для образцов с равной площадью поперечного сечения пиковые напряжения в вершине диаграммы, связывающей напряжения и деформации бетона, соответствующие кратковременному пределу прочности, уменьшаются с возрастанием высоты образца (рис. 1.4).

Многие исследователи обоснованно доказывали, что образцы цилиндрической формы диаметром 150 мм и высотой 300 мм достаточно хорошо аппроксимируют прочность традиционных бетонов в сжатой зоне конструкции. Однако при составлении нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций принимали во внимание то обстоятельство, что испытание кубов остается в ближайшем будущем основным способом контроля прочности бетона на производстве.

17

1,64s дает примерно 8 МПа. Поэтому нормы с некоторым запасом предлагают определять среднюю прочность бетона по формуле:

fcm = fck + 8 (МПа).

Сопротивление бетона растяжению

Прочность бетона на растяжение может быть определена двумя методами:

–опытным

–эмпирическим

Испытание на разрыв бетонных эталонных образцов («восьмёрка»)

fct F

Ac

Испытания на раскалывание образцов в виде цилиндров

fct,sp 2 p D l

Испытания на раскалывание образцов в виде кубов

Испытания на изгиб бетонных балок

bh2

Wel 12 ,

= 1,75 – коэффициент, учитывающие неупругие свойства бетона

Прочность на растяжение определяется как максимальное напряжение, которое достигается при осевой растягивающей нагрузке.

С определенным допущением, при выполнении инженерных расчетов прочность бетона на растяжение принято определять в зависимости от прочности на сжатие. В основном взаимосвязь между средней прочностью

19

бетона на растяжение и его средней прочностью на сжатие принимают в виде:

2 fctm r fcm3 ,

где fctm, fcm – соответственно средняя прочность бетона на растяжение и на сжатие;

r = 0,3 – опытный (эмпирический) коэффициент.

Как следует из результатов исследований, принимая соотношение уровней коэффициента вариации при определении fck, fctk, значение характеристической прочности бетона растяжению составляет:

fctk 0,21 fck23 .

Нормативные документы допускают контролировать прочность бетона на растяжение косвенными методами – как прочность на растяжение при изгибе (fct,fl) и раскалывании (fct,sp). При этом экспериментально установлена взаимосвязь между прочностью бетона на осевое растяжение (fct,ax) и его прочностью на растяжение, полученной косвенными методами:

f ct ,ax 0,9 f ct ,sp

fct,ax 0,5 fct, fe ,

где fct,sp – прочность бетона на растяжение при раскалывании образцов; fct,fe – прочность бетона на растяжение при изгибе.

Прочность бетона на местное действие нагрузки

–прочность бетона на смятие (местное сжатие)

–прочность на отрыв (местное растяжение)

–прочность на продавливание (местный срез)

Значения этих прочностей определяются по эмпирическим зависимостям.

Механические деформативные свойства бетона

Деформативность бетона – свойство изменять размер и форму под влиянием силовых и несиловых факторов (под действием и без действия нагрузки)

Виды деформаций бетона:

–объемные (несиловые) – деформации, связанные с изменением влажности, температуры окружающей среды, носящие объемный характер. Объемные деформации развиваются во всех направлениях под влиянием усадки, набухания, расширения;

–силовые – возникают под действием приложенной внешней нагрузки и развивающиеся в направлении ее действия. Cиловым продольным деформациям соответствуют вполне определенные поперечные деформации, характеризуемые коэффициентом поперечной деформации (коэффициентом Пуассона).

Объемные деформации бетона

Усадка – свойство бетона уменьшаться в объеме при твердении в объеме воздушной среды. Физический смысл – это объемное сокращение бето-

20