Железобетонные и каменные конструкции. Учебное пособие

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор В.И. Обозов, зав. отделом конструкции МНИИТЭП, кандидат технических наук

М.С. Дузинкевич

Басов Ю.К., Зайцева С.В., Дульнева Е.С., Стребкова М.Ю.

Б27 Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. пособие:

В2 ч. – Ч. I. – М.: РУДН, 2010. – 97 с.: ил.

ISBN 978-5-209-03465-0

Рассматриваются физико-механические свойства бетона и арматуры, общие положения по расчету железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, по разрушающим усилиям и по методу предельных состояний.

Приводятся основы расчета изгибаемых, внецентренно сжатых и центрально-растянутых элементов железобетонных конструкций, расчет по образованию и раскрытию трещин, расчет по прогибам.

Пособие предназначено для студентов очной и очно-заочной формы обучения по направлению «Строительство», в том числе для подготовки экстернов. Оно может быть полезно молодым проектировщикам, занимающимся проектированием железобетонных конструкций.

©Басов Ю.К., Зайцева С.В., Дульнева Е.С., Стребкова М.Ю., 2010

©Российский университет дружбы народов, Издательство, 2010

2

ВВЕДЕНИЕ

В задачи курса «Железобетонные и каменные конструкции» входит подготовка инженеров по промышленному и гражданскому строительству, владеющих современными методами расчёта и конструирования основных несущих конструкций зданий и сооружений.

Будущий специалист должен знать:

−физико-механические свойства бетона, стальной арматуры и железобетона;

−особенности сопротивления железобетонных и каменных элементов конструкций при различных напряжённых состояниях;

−основы проектирования обычных и предварительно напряжённых железобетонных элементов с назначением оптимальных размеров их сечений и армирования на основе принятой конструктивной схемы сооружения и комбинации действующих нагрузок;

−конструктивные особенности основных железобетонных конструкций промышленных и гражданских зданий

исооружений;

−принципы компоновки конструктивных схем зданий и сооружений из сборного и монолитного железобетона;

−конструкции стыков и соединений элементов и их

расчёт;

−основную нормативную и техническую документацию по проектированию железобетонных и каменных конструкций;

−уметь, пользуясь нормативной, технической и справочной литературой, рассчитывать и конструировать основные сборные и монолитные несущие железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий;

3

ГЛАВА 1

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА, АРМАТУРНЫХ СТАЛЕЙ И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

1.1. Сущность железобетона

Железобетон – материал, состоящий из арматуры (стали) и бетона. Арматура служит для восприятия растягивающих усилий. Бетон (иск. камень) хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже (10–20 раз) растяжению.

Рассмотрим свободно опертую бетонную балку. В бетонной балке при действии нагрузки в сжатой зоне возникают сжимающие усилия, в нижней (растянутой) зоне – растягивающие усилия.

Если напряжения в бетоне растянутой зоны достигнут предельных значений на растяжение, в бетоне нижней зоны образуются трещины и произойдет хрупкое разрушение (рис. 1.1), хотя бетон сжатой зоны мог бы еще нести нагрузку. Если в растянутой зоне балки установить арматуру, то прочность балки увеличится значительно (рис. 1.2). Конструкции, состоящие из бетона и стальной арматуры, называются железобетонными.

Рис. 1.1. Железобетонная балка:

1 – сжатая зона, 2 – растянутая зона, 3 – арматура

5

Установим в растянутой зоне высокопрочную арматуру Rs (RS = 680 МПа). Прочность балки при этом увеличится, однако ширина раскрытия трещины достигнет предельной величины раньше, чем исчерпается несущая способность арматуры.

Поэтому применение высокопрочной арматуры в обычных железобетонных конструкциях не экономично.

Эпюра изгибающих моментов строится со стороны растянутого волокна. Установка продольной рабочей арматуры производится согласно эпюре изгибающих моментов.

1.2. Совместная работа арматуры и бетона

Усиление бетонных элементов арматурой возможно только в том случае, если обеспечена их совместная работа. Арматура и бетон работают совместно, так как:

1)арматура имеет хорошее сцепление с бетоном;

2)сталь и бетон имеют близкие коэффициенты темпе-

ратурного расширения (ast = 12*10–6, abt = (7…15)*10–6);

3)бетон является хорошей защитой арматуры от коррозии, высоких температур и механических повреждений.

Достоинства и недостатки железобетона

К основным достоинствам (преимуществам) железобетона относятся долговечность, высокая механическая прочность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и динамическим воздействиям, возможность изготавливать конструкции рациональных форм, малые эксплуатационные расходы (по сравнению с деревом и металлом), хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных строительных материалов.

Недостатки железобетона: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок и

7

усилений, необходимость выдержки до приобретения прочности, появление трещин.

Области применения железобетона

Железобетонные конструкции применяются при возведении промышленных одноэтажных и многоэтажных зданий, жилых и общественных зданий, зданий сельскохозяйственного назначения, в гидротехническом, транспортном строительстве, судостроении, машиностроении и т.д.

1.3. Бетон. Деформативность бетона

Деформации могут быть под действием внешних сил и температурно-влажностные.

Выделяются следующие виды деформаций бетона под нагрузкой:

•при однократном кратковременном нагружении;

•при длительном нагружении;

•при многократно-повторном нагружении.

1.Рассмотрим деформации бетонной призмы при од-

нократном кратковременном нагружении (рис. 1.4а). Будем замерять деформации бетона при загружении бетонной призмы этапами – сразу после действия нагрузки и после выдержки под данной нагрузкой в течение некоторого времени. Тогда зависимость между напряжениями в бетоне и относительными деформациями можно изобразить в виде ступенчатой линии.

Общие деформации εb в бетоне складываются из упругих и пластических.

2.Рассмотрим диаграмму деформирования бетона при длительном нагружении (рис. 1.4б).

При напряжениях в бетоне σь < 0,2R бетон работает упруго (участок 0–1). При дальнейшем увеличении нагрузки (0,2R < σь < 0,5R) появляются неупругие деформации в бетоне,

8

а)

σb

εpl

εe

εb = εe + εpl

Rb

σb

0,5Rb

0,2Rb

0

εср εb

Рис. 1.4. Диаграмма деформации бетона при однократном кратковременном нагружении(а) и длительном нагружении (б):

εрl – неупругие деформации, εe – упругие деформации, εср – упругое последствие

вызванные уплотнением геля (участок 1–2). При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне появляются микротрещины и происходит рост неупругих деформаций (точка 3); при дальнейшем увеличении нагрузки микротрещины объединяются и начинается разрушение образца. Точка 4 соответствует предельному сопротивлению образца Rh.

9

При разгружении бетонного образца от какой-либо величины напряжений до нуля в бетоне будут остаточные деформации, которые со временем несколько уменьшаются (приблизительно 10%). Это называется упругим последстви-

ем εep.

Свойства бетона увеличивать неупругие деформации при действии длительной постоянной нагрузки называются

ползучестью бетона.

Ползучесть бетона затухает со временем. Ползучесть тем больше, чем больше водоцементное отношение и количество цемента.

Бетон изменяет свой объем при твердении. Уменьшение объема при твердении в сухой среде называется усадкой бетона.

При твердении во влажной среде происходит набухание бетона, т.е. увеличение его объема.

Усадка тем больше, чем больше содержание в бетоне цемента и воды. Усадка бетона увеличивает сцепление арматуры с бетоном, однако при неравномерном высыхании слоев бетона вследствие неравномерных осадок на поверхности бетона могут образовываться трещины.

3. Деформации бетона при многократно повторном нагружении (рис. 1.5).

σb

εb

Рис. 1.5. Деформация бетона при многократно повторном нагружении

10