1.3. Железобетон

1.3.1. Общие сведения

Введение в бетон стальной арматуры заметно меняет его физико-механические свойства. Бетон и арматура в железобетоне оказывают положительное влияние друг на друга. Так, например, вследствие сцепления арматуры с бетоном усадка и ползучесть в железобетоне протекают несколько иначе, чем в неармированном бетоне.

Напряженное состояние железобетонных конструкций обуслов­ливается, во-первых, действием внешней нагрузки и, во-вторых, процессом перераспределения внутренних усилий, вызванным тем, что при совместной работе двух материалов арматура становится внутренней связью, препятствующей свободному проявлению усад­ки и ползучести бетона.

Механические свойства железобетона зависят от соответствую­щих свойств бетона и арматуры, но не всегда совпадают с ними.

Например, появление трещин в растянутой зоне бетонной балки при­водит к её разрушению, в то время как для железобетонной балки это, как правило, не опасно. Сжатый стальной элемент при дости­жении предела текучести теряет несущую способность, а в сжатой железобетонной колонне вследствие ползучести бетона при эксплу­атационных нагрузках арматура может быть напряжена на сжатие до предела текучести, но конструкция работает нормально. Из этих примеров видно, что механические свойства железобетона требуют самостоятельного рассмотрения.

1.3.2. Содержание арматуры

Нормами установлены минимальные проценты армирования (μ_s,тiп) для сечений железобетонных элементов. Их величины назначают­ся в зависимости от характера работы элементов и их гибкости и колеблются в пределах от 0,05 до 0,25%. Если μ_s < μ_s,тiп, то кон­струкцию при расчёте следует рассматривать как чисто бетонную. Из экономических соображений процент армирования железобе­тонных конструкций обычно не превышает 2...3%. С изменением μ_s меняется не только несущая способность элемента, но и характер его разрушения.

1.3.3. Значение трещиностойкости

Существенным недостатком железобетона является появление тре­щин в растянутых зонах бетона при нагрузках даже ниже эксплуа­тационных. Это объясняется малой растяжимостью бетона.

Между долговечностью и трещиностойкостью железобетонных конструкций существует тесная связь. Поэтому существенно важ­ным является вопрос о том, при каком напряжении в арматуре по­являются первые трещины в растянутом бетоне. Для ответа на него воспользуемся опытными данными о предельной растяжимости бетона, ко­торая составляет в среднем = 0,00015 = = 15-10^-5 относительных единиц.

При достаточно хорошем и непрерывном по длине арматуры сцеплении считают, что до появления трещин деформации бетона и арматуры в любой точке по поверхности их контакта равны, т.е. .

Следовательно, в момент, предшествующий появлению трещины, арматура и бетон работают совместно и

П

(1.23)

ри таких деформациях арматура любого класса работает ещё упруго и напряжения в ней определяются по закону Гука:

Если σ _s > 30 МПа, то считаем, что в растянутом бетоне появляются трещины. Следовательно, для получения трещиностойкой конструк­ции требуется значительно ограничить использование прочности ар­матуры при растяжении (имеется ввиду обычный железобетон, а не предварительно напряжённый). Например, в арматуре из стали класса A240 для обеспечения трещиностойкости конструкции прихо­дится допускать растягивающие напряжения, составляющие лишь примерно 13% от предела текучести.

Поэтому в обычных железобетонных конструкциях в большин­стве случаев приходится мириться с появлением трещин для того, чтобы повысить степень использования арматуры и иметь возмож­ность применять арматуру более высоких классов. Однако и при этом все равно исключается возможность эффективного использо­вания арматуры из высокопрочных сталей, начиная с класса A600 и выше, так как высокие напряжения, которые в ней можно до­пускать, сопровождаются значительными деформациями, т.е. об­разованием недопустимых по ширине раскрытия трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растёт гораздо быстрее, чем стоимость, и их использование с экономиче­ской точки зрения является целесообразным.

Видимые волосяные трещины шириной примерно 0,05 мм появ­ляются в бетоне при нагрузках, меньших эксплуатационных, в зо­нах возникновения наибольших растягивающих напряжений. При возрастании нагрузки эти трещины раскрываются. Приближенно можно считать, что при напряжениях в арматуре порядка σ _s = 200...250 МПа ширина раскрытия трещин находится в пределах =0, 2...0,3 мм. Наличие трещин открывает доступ к армату­ре атмосферной влаге и агрессивным газам, что при определённой ширине раскрытия может вызвать коррозию. Поэтому ширина рас­крытия трещин в период эксплуатации железобетонных конструк­ций должна быть ограничена. Предельно допустимая ширина рас­крытия трещин, при которой еще обеспечивается сохранность арма­туры, устанавливается в зависимости от условий работы конструк­ции, вида применяемой арматуры, продолжительности действия на­грузки и не должна превышать 0,3 мм (считая по оси арматурных стержней) при длительном их раскрытии и 0,4 мм — при непродолжительном. При такой ширине раскрытия трещин напряжения в арматуре достигают примерно σ _s = 250...300 МПа.

Расчет по раскрытию трещин производят из условия ,

где а_crc – ширина раскрытия трещин от действия внешней нагрузки;

а_crc,ult – предельно допустимая ширина раскрытия трещин.

Значения а_crc,ult принимают равными:

а) из условия обеспечения сохранности арматуры:

– классов А240-А600, В500:

0,3 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,4 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;

– классов А800, А1000, а также Вр1200-Вр140, К1400, К1500 (К-19) и К1500 (К-7) диаметром 12 мм:

0,2 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,3 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;

– классов Вр1500, К1500 (К-7) диаметром 6 и 9 мм:

0,1 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,2 мм – при непродолжительном раскрытии трещин;

б) из условия ограничения проницаемости конструкций:

0,2 мм – при продолжительном раскрытии трещин;

0,3 мм – при непродолжительном раскрытии трещин.

Ширину раскрытия трещин (а_crc) определяют исходя из взаимных смещений растянутой арматуры и бетона по обе стороны трещины на уровне оси арматуры и принимают:

- при продолжительном раскрытии а_crc= а_crc,1;

- при непродолжительном раскрытии а_crc = а_crc,1+ а_{crc,2_}– а_crc,3,

где а_crc,1 – ширина раскрытия трещин от продолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок;

а_crc,2 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных (длительных и кратковременных) нагрузок;

а_crc,3 – ширина раскрытия трещин от непродолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок.