Лекции 01-16

1

Лекция №1.

1.1.1.Общие сведения о железобетоне.

Курс железобетонных конструкций – раздел науки, изучающей методы расчета железобетонных конструкций. Цель курса заключается в изучении прочностных свойств бетона и арматуры, их совместной работы. Задачей курса является изучение студентами методов расчета железобетонных конструкций и приобретение практических навыков.

Связь с дисциплинами: 1. Строительные материалы (бетон, арматура). 2. Сопротивление материалов (классические расчетные материалы с решением упругой подстановки). 3. Строительная механика дает определение усилий.4. Разделы математики.

1.1.2.Сущность и определение железобетона.

Железобетон – это композитный материал, включающий в себя две составляющие: бетон и стальную арматуру. Бетон – самый распространенный на земле строительный материал. Железобетон начал применяться в строительстве в 50-х годов 19 века во Франции. Бетон, как показывают испытания, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению, поэтому включение стальной арматуры в растянутую зону элементов существенно повышает их несущую способность. Например, прочность железобетонной балки по сравнению с бетонной (неармированной) балкой возрастает в 15...20 раз. Сталь имеет высокое сопротивление не только растяжению, но и сжатию и включение ее в бетон в виде арматуры сжатого элемента заметно повышает его несущую способность.

Достоинствами железобетона являются:

–высокая прочность,

–возможность изготовления изделий любой конфигурации,

–высокий предел огнестойкости (до 2,5 часов).

Недостатками является:

–большой вес,

–высокая энергоемкость при изготовлении конструкций,

–температурные ограничения (совместная работа арматуры и бетона

обеспечивается в пределах температур от –50 до +100О С).

Области применения железобетона. Железобетонные конструкции являются базой современной строительной индустрии. Их применяют: в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве — для зданий различного назначения; в транспортном строительстве — для метрополитенов, мостов, туннелей; в энергетическом строительстве — для гидроэлектростанций, атомных реакторов; в гидромелиоративном строительстве

2

— для плотин и ирригационных устройств; в горной промышленности –для надшахтных сооружений и крепления подземных выработок и т. д.

По способу возведения различают: железобетонные конструкциисборные, изготовляемые преимущественно на заводах стройиндустрии и затем монтируемые на строительных площадках; монолитные, полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сборных железобетонных элементов заводского изготовления и монолитных частей конструкций.

В настоящее время сборные железобетонные конструкции в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации строительства, хотя следует отметить, что и монолитный бетон с каждым годом получает все большее признание.

1.1.3.Виды и классификация бетона.

Бетон – искусственный камень (строительный материал с рационально подобранным заполнителем) с гарантированными физико-механическими свойствами. Требования к бетону устанавливаются в зависимости от области применения и назначения.

Классификация:

1.По структуре – бетоны плотной структуры, у некоторых пространство между зернами заполнителя полностью занято затвердевшим вяжущим: крупнопористые малопесчаные и беспесчаные; поризованные, т.е. м заполнителями и искусственными пористостью затвердевшего вяжущего; ячеистые с искусственно созданными замкнутыми порами.

2.По плотности ρ>2500 кг/м3 (особо тяжелые); 2200 кг/м3 <ρ<2500 кг/м3

(тяжелые); 1800 кг/м3 <ρ<2200 кг/м3 (мелкозернистые); 800 кг/м3 <ρ<2000 кг/м3(легкие).

3.По виду заполнителя – на плотных заполнителях; пористых специальных, удовлетворяющих требованиям биологической защиты, жаростойкости и др.

4.По зерновому составу – крупнозернистый, с крупным и мелким заполнителем; мелкозернистый, с мелким заполнителем.

5.По условиям твердения – бетон естественного твердения; бетон, подвергаемый тепловлажной обработке и атмосферным давлениям; бетон, подвергаемый автоклавной обработке.

1.1.4.Прочностные свойства бетона.

Прочность бетона.

Основы прочности. Так как бетон представляет собой неоднородный материал, внешняя нагрузка создает в нем сложное напряженное состояние. В бетонном образце, подвергнутом сжатию, напряжения концентрируются на более жестких частицах, обладающих большим модулем упругости, вследствие

3

чего по плоскостям соединения этих частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить их связь. В то же время происходит концентрация напряжений в местах, ослабленных порами и пустотами. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, наблюдается концентрация самоуравновешенных растягивающих я сжимающих напряжений, действующих по площадкам, параллельным сжимающей силе (рис. 1.1.1. а). Поскольку в бетоне много пор и пустот, растягивающие напряжения у одного отверстия или поры накладываются на соседние. В результате в бетонном образце, подвергнутом осевому сжатию, кроме продольных сжимающих напряжений возникают и поперечные растягивающие напряжения (вторичное поле напряжений).

Разрушение сжимаемого образца, как показывают опыты, возникает вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Сначала по всему объему возникают микроскопические трещины отрыва, которые с ростом нагрузки соединяются, образуя видимые трещины, параллельные (или с небольшим наклоном) направлению действия сжимающих сил (рис. 1.1.1. б). Затем трещины раскрываются, что сопровождается кажущимся увеличением объема, и, наконец, наступает разрушение бетона. Граница образования таких структурных микроразрушений под действием нагрузки можно определить по результатам ультразвуковых измерений. Скорость распространения ультразвуковых колебаний о, направленных поперек линий действия сжимающих напряжений, уменьшается с развитием микротрещин в бетоне. Началу уменьшения скорости ультразвука соответствует сжимающее напряжение в бетоне R°сгс (сопротивление сжатию), при котором начинается образование микротрещин (рис. 1.1.2). По значению напряжения R°crc судят о прочностных и деформативных свойствах бетона.

Рис. 1.1.1. Схема напряженного состояния бетонного образца при сжатии.

а- концентрации самоуравновешенных напряжений вокруг микропор и полостей; б – трещины разрыва бетона в поперечном направлении при осевом сжатии призмы

4

Рис. 1.1.2. К определению сжимающих напряжений в бетоне на

Структура бетона, обусловленная неоднородностью состава и различием способов приготовления, приводит к тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают неодинаковые показатели прочности. Прочность бетона зависит от ряда факторов, основными из которых являются: технологические факторы; возраст и условия твердения; форма и размеры образца; вид напряженного состояния и длительность воздействия.

Кубиковая прочность.

При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении (рис. 1.1.3. а). Наклон трещин разрыва обусловлен силами трения, которые развиваются на контактных поверхностях — между подушками пресса и гранями куба. Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным деформациям куба и создают эффект обоймы. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба устранить влияние сил трения смазкой контактных поверхностей, поперечные деформации проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление уменьшается примерно вдвое (рис. 1.1.3,6). Согласно стандарту кубы испытывают без смазки контактных поверхностей.

5

Рис. 1.1.3. Характер разрушения бетонных кубов

а- при трении по опорным плоскостям; б – при отсутствии силы трения;1 – силы трения; 2 – трещины; 3 – смазка

Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если временное сопротивление сжатию бетона для базового куба с ребром 150 мм равно R, то для куба с ребром 200 мм оно уменьшается приблизительно до 0,93 R, а для куба с ребром 100 мм — увеличивается до 1,1 R. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба и расстояния между его торцами.

Призменная прочность.

Поскольку железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, в расчетах их прочности не может быть непосредственно использована кубиковая прочность бетона. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность Rb — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Опыты на бетонных призмах со стороной основания а и высотой к показали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой и она уменьшается с увеличением отношения h/а (рис.

1.1.4).

Рис.1.1.4. График зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров испытываемого образца.

6

Влияние сил трения на торцах призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при отношении h/а=4 значение Rь становится почти стабильным и равным примерно 0,75R. Влияние гибкости бетонного образца при этом не сказывается; оно ощутимо лишь при h/а≥8.

Рис. 1.1.5. Напряженное состояние бетона сжатой зоны при изгибе железобетонной балки

В качестве характеристики прочности бетона сжатой зоны изгибаемых элементов (рис. 1.1.5) также принимают Rb; при этом вместо действительной криволинейной эпюры напряжений бетона сжатой зоны в предельном состоянии принимают условную прямоугольную эпюру напряжения.

Прочность бетона на осевое растяжение.

Она зависит от прочности цементного камня на растяжение и сцепления его с зернами заполнителями. Согласно опытным данным, прочность бетона на растяжение в 10...20 раз меньше, чем при сжатии, причем относительная прочность на растяжение уменьшается с увеличением класса бетона. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением W/С, применением щебня с шероховатой поверхностью.

Временное сопротивление бетона осевому растяжению (МПа) можно определить по эмпирической формуле

испытаниями: на разрыв — образцов в виде восьмерки, на раскалывание — образцов в виде цилиндров, на изгиб — бетонных балок (рис. 1.1.6). По разрушающему моменту бетонной балки определяют

где W = bh2/6 — момент сопротивления прямоугольного сечения;

x=1,7 — множитель, учитывающий криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны сечения вследствие развития неупругих деформаций.

7

Рис. 1.6. Схемы испытания образцов для определения прочности бетона при осевом растяжении.

а – на разрыв; б – на раскалывания; в – на изгиб

Прочность бетона на срез и скалывание.

В чистом виде срез представляет собой разделение элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. При этом существенное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающие, как шпонки, в плоскости среза. При срезе распределение напряжений по площади сечения считается равномерным. Временное сопротивление бетона на срез можно определить по эмпирической зависимости Rsh = 2Rbt. В железобетонных конструкциях чистый срез встречается редко; обычно он сопровождается действием продольных сил.

Сопротивление бетона скалыванию возникает при изгибе железобетонных балок до появления в них наклонных трещин. Скалывающие напряжения но высоте сечения изменяются по квадратной параболе. Временное сопротивление скалыванию при изгибе, согласно опытным данным, в 1,5...2 раза больше Rbt.

8

Чтобы оценить изменчивость прочности и обеспечить ее гарантированное для заданного класса бетона значение, прибегают к методам теории вероятностей, пользуясь кривой распределения {рис. 1.1.7). Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию, установленное при испытании партии стандартных кубов.

Рис. 1.1.7. Кривые распределения прочности: 1 – теоретическая, 2 –

опытная.

1.1.5.Нарастание прочности во времени.

Влияние времени и условий твердений на прочность бетона.

Прочность бетона нарастает в течение длительного времени, но наиболее интенсивный ее рост наблюдается в начальный период твердения. Так, прочность бетона, приготовленного на портландцементе, интенсивно нарастает первые 28 сут, на пуццолановом и шлаковом портландцементе — первые 90 сут. Но и в последующем при благоприятных условиях твердения — положительной температуре, влажной среде — прочность бетона может нарастать еще весьма продолжительное время, измеряемое годами (рис. 1.1.8). Объясняется это явление длительным процессом образования цементного камня. Если бетон остается сухим, как это часто бывает при эксплуатации большинства железобетонных конструкций, то по истечении первого года дальнейшего увеличения прочности ожидать уже нельзя.

Нарастание прочности бетона на портландцементе при положительной температуре твердения (15 °С) и влажной среде может быть выражено эмпирической зависимостью

9

где Rt—временное сопротивление сжатию бетонного куба в возрасте t суток; R

— то же, в возрасте 28 сут. Эта формула дает результат достаточно близкий к экспериментальным данным при t ≥ 7 сут.

Рис. 1.1.8.Наросттание прочности бетона во времени: 1-при хранении бетона во влажностной среде; 2-то же в сухой среде.

Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью железобетонные изделия на заводах подвергают тепловой обработке при температуре до 90 °С и влажно сти до 100 % или же специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре до 170 °С. Эти способы позволяют за сутки получить бетон, прочность которого составляет около 70 % проектной. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедляется или прекращается.

1.1.6.Классы и марки бетона.

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации устанавливают показатели качества бетона, основными из которых являются: класс по прочности на осевое сжатие В; указывают в проекте во всех случаях как основную характеристику; класс по прочности на осевое растяжение Bt, назначают в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве; марка по морозостойкости F; назначают для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременных замораживания и оттаивания (открытые конструкции, ограждающие конструкции и т. п.); марка по водонепроницаемости W; назначают для конструкций, к которым предъявляются требования ограниченной проницаемости (резервуары и т. п.); марка по средней плотности D; назначают для конструкций, к которым кроме

10

требований прочности предъявляются требования теплоизоляции, и контролируют на производстве.

Заданные класс и марку бетона получают соответствующим подбором состава бетонной смеси с последующим испытанием контрольных образцов.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В(МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при температуре 20+2 °С с учетом статистической изменчивости прочности,

Сроки твердения бетона устанавливают так, чтобы требуемая прочность бетона была достигнута к моменту загружения конструкции проектной нагрузкой. Для монолитных конструкций на обычном портландцементе этот срок, как правило, принимается 28 сут. Для элементов сборных конструкций заводского изготовления отпускная прочность бетона может быть ниже его класса; она устанавливается по стандартам и техническим условиям в зависимости от условий транспортирования, монтажа, сроков загружения конструкции и др.

Классы и марка бетона для железобетонных конструкций:

а) Классы по прочности на сжатие:

для тяжелых бетонов — В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

для мелкозернистых бетонов групп:

А — (на песке с модулем крупности 2,1 и более) — те же в диапазоне от В7,5 до В40;

Б — (на песке с модулем крупности 2 и менее) -— те же в диапазоне от

В7,5 до В30;

В — (подвергнутого автоклавной обработке) — те же в диапазоне от

В15 до В60;

для легких бетонов при марках по средней плотности;

D2000 — В20...В40.

б) Классы бетона по прочности на осевое растяжение: В0,8; В1,2; В1,6; В2;

В2,4; Вt2,8; В3,2. Они характеризуют прочность бетона на осевое растяжение (МПа) по нормам с учетом статической изменчивости прочности:

При растяжении принято Vbtm=0,165.

в) Марки бетона по морозостойкости.

Они характеризуются числом выдерживаемых бетоном циклов попеременных замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. При снижении прочности не более чем на 15 %: