Лекции 01-16

11

тяжелый и мелкозернистый бетоны — F50, F75, F100, F150, F200,

F300, F400, F500;

легкий бетой —F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400,

F500;

ячеистый и поризированный бетоны — F15, F25, F35, F50, F75, F100.

г) Марки бетона по водонепроницаемости: W2; W4;W6; W8; W10; W12. Они характеризуются предельным давлением воды (кг/см2), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый образец.

д) Марки бетона по средней плотности (кг/м3): тяжелый бетон от D2200 до

D2500; легкий бетон от D800 до D2000; поризованный бетон от D800 до D1400; градация 100 для всех марок.

Оптимальные класс и марку бетона выбирают па основании техникоэкономических соображений в зависимости от типа железобетонной конструкции, ее напряженного состояния, способа изготовления, условий эксплуатации и др. Рекомендуется принимать класс бетона для железобетонных сжатых стержневых элементов — не ниже В15; для конструкций, испытывающих значительные сжимающие усилия (колонн, арок и т. п.) — В20...В30; для предварительно напряженных конструкций в зависимости от вида напрягаемой арматуры — В20 — В40; для изгибаемых элементов без предварительного напряжения (плит, балок)—В15. Для железобетонных конструкций нельзя применять: тяжелый и мелкозернистый бетоны класса по прочности на сжатие ниже 7,5; легкий бетон класса по прочности на сжатие ни-

же 3,5.

Легкие бетоны на пористых заполнителях и цементном вяжущем при одинаковых классах и марках по морозостойкости и водонепроницаемости применяют в сборных и монолитных железобетонных конструкциях наравне с тяжелыми бетонами. Во многих случаях они весьма эффективны, так как приводят к снижению массы конструкций.

1.1.7.Деформативные свойства бетона.

Виды деформаций.

В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения темпера туры и влажности: силовые, развивающиеся главным образом вдоль направления действия сил. Силовым продольным деформациям соответствуют некоторые поперечные деформации; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v=0,2 (коэффициент Пуассона).

12

Рис. 1.1.9. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне при сжатии и при растяжении.

Бетону свойственно нелинейное деформирование. Начиная с малых напряжений, в нем, помимо упругих деформаций, развиваются неупругие остаточные или пластические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия подразделяют на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, длительном действии нагрузки; многократно повторяющемся действии нагрузки.

Объемные деформации.

По данным опытов для тяжелых бетонов деформации, вызванные усадкой έsl=3· 10-4 и более, для бетонов на пористых заполнителях έsl≈ 4,5·10-4. Деформация бетона при набухании меньше, чем при усадке.

Деформации бетона, возникающие под влиянием изменения температуры, характеризуются коэффициентом линейной температурной деформации бетона άbt. При изменении температуры среды от —50 °С до +50 °С для тяжелого, мелкозернистого бетонов и бетона на пористых заполнителях с кварцевым пескомά bt = 1·10-5 оС-1; для легких бетонов на мелких пористых заполнителях άbt = =0,7·10 -5 °С -1. Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей влажиостного состояния бетона и может изменяться в пределах

±30 %,

Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой.

13

При однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой деформации бетона

т. е. она складывается из упругой деформации έe и неупругой пластической деформации έPl (рис. 1.1.9.). Небольшая доля неупругих деформаций в течение некоторого периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %).

Упругие деформации бетона соответствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, в то время как неупругие деформации развиваются во времени. С увеличением скорости загружения υ при одном и том же напряжении σb неупругие деформации уменьшаются .

При растяжении бетонного образца также возникает деформация, складывающаяся из упругой έet и пластической έPl,,t деформаций.

Деформации при длительном действии нагрузки.

При сжатии бетонной призмы в режиме пропорционального развития во времени продольных деформаций обнаруживается постепенное снижение сопротивления бетона, так называемая ниспадающая ветвь диаграммы напряжения — деформации (см. рис. 1.1.9). Такой участок повышенного деформирования бетона реально наблюдается в конструкциях при определенных условиях нагружения. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается первые 3...4 мес. и может продолжаться несколько лет. На диаграмме (рис. 1.1.10), в) участок 0— 1 характеризует деформации, возникающие при загружении (его кривизна зависит от скорости загружения); участок /—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений.

Рис. 1.1.10. Диаграмма σb -έb в сжатом бетоне при различных: числе этапов загружения (а); скорости загружения (б); длительности загружения (в);

14

υ1> υ2> υ3

1-упругие деформации; 2-полные деформации.

1.1.8.Ползучестью бетона.

Свойства бетона, характеризующиеся нарастанием неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях, называют ползучестью бетона. Деформации ползучести могут в 3...4 раза превышать упругие деформации. При длительном действии постоянной нагрузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения в бетоне остаются постоянными. Когда же связи в бетоне (например, стальная арматура) ограничивают свободное развитие ползучести (стесненная ползучесть), то напряжения в бетоне уменьшаются. Свойство бетона, характеризующееся уменьшением с течением времени напряжений при постоянной начальной деформацииε b0,

называют релаксацией напряжений. Ползучесть и релаксация имеют общую природу и оказывают существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой.

Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зерна заполнителей. Одновременно развитию деформаций ползучести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах σb и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается.

Ползучесть разделяют на линейную, при которой зависимость между напряжениями и деформациями приблизительно линейная, и нелинейную, которая начинается при напряжениях Rcrc, превышающих границу образования структурных микротрещин. Такое разделение ползучести условно, так как в некоторых опытах наблюдается нелинейная зависимостьσ b и ε b даже при относительно малых напряжениях. Учет нелинейной ползучести имеет существенное значение в практических расчетах предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и некоторых других элементов.

Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет собой сумму деформаций: упругойε е, деформацией ползучести εpl и усадки εst. Однако в то время как усадка носит характер объемной деформации, ползучесть развивается главным образом в направлении действия усилия.

15

Рис. 1.1.11. Деформации ползучести бетона: в зависимости от скорости начального загружения (а) и времени выдержки под нагрузкой t и напряжением σb (б)

Модуль деформаций и мера ползучести бетона

Начальный модуль упругости бетона при сжатии Еь соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении. Геометрически он определяется как тангенс угла наклона прямой, упругих деформаций (рис. 1.1.12):

где ρ — масштабно размерный коэффициент, МПа.

Модуль полных деформаций бетона при сжатии Еь соответствует полным деформациям (включая ползучесть) и является величиной переменной; геометрически он определяется как тангенс угла наклона

Для расчета железобетонных конструкций пользуются средним модулем или модулем упругопластичности бетона, представляющим собой тангенс угла наклона секущей в точке на кривой сь —и с заданным напряжением

16

Рис. 1.1.12 Схема для определения модуля деформации бетона

1– упругие деформации; 2– секущая; 3– касательная; 4 – полные деформации.

Рис. 1.1.13. Диаграммы σb- εb при различной длительности загружения

бетона.

Поскольку угол α1 меняется в зависимости от напряжений и времени, модуль упругопластичности являешься также переменной величиной, меньшей, чем начальный модуль упругости.

Зависимость между начальным модулем упругости бетона и модулем упругопластичности можно установить, если выразить одно и то же напряжение в бетоне σb через упругие деформации εе, и полные деформации εb .

где ν = εe ε – коэффициент упругопластических деформаций бетона. По данным опытов коэффициент ν изменяется от 1 (при упругой работе) до 0,15. С увеличением уровня напряжений в бетоне σb Rb и длительности действия нагрузки t коэффициент ν уменьшается. Значение ν(t) может быть определено

по специальным опытным данным или по средним опытным диаграммам σb- εb

(рис. 1.1.13).

При изгибе железобетонных элементов для бетона сжатой зоны (по данным опытов) Е' может быть на 15...20 % больше, чем при осевом сжатии. При растяжении элементов модуль упругопластичности бетона

где νt =εet εbt – коэффициент упругопластических деформаций бетона при растяжении.

Если растягивающее напряжение в бетоне приближается к значению временного сопротивления осевому растяжению σbt → Rbt , то среднее опытное

значение νt=0,5. Предельная растяжимость бетона в зависимости от временного сопротивления растяжению:

Начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении Eb может быть определен из специальных испытаний призм при низком уровне

напряжений: σb Rb ≤ 0,2. Существуют различные эмпирические формулы, в

которых устанавливается зависимость между начальным модулем упругости и классом бетона. Так для тяжелого бетона естественного твердения.

Значение Еb при тепловой обработке бетона снижается на 10 %, при автоклавной

– на 25 % . Бетоны на пористых заполнителях как более деформативные обладают в 1,5...2 раза меньшим значением начального модуля упругости. Существуют эмпирические формулы, основанные на зависимости между начальным модулем упругости, средней плотностью и кубиковой прочностью бетона. Так, например, отношение начальных модулей упругости легкого бетона на пористых заполнителях и тяжелого бетона можно определять по эмпирической формуле:

18

здесь γl, γ— соответственно средняя плотность бетона на пористых заполнителях и тяжелого бетона при одном и том же классе.

Модуль сдвига бетона

При коэффициенте поперечных деформаций v=0,2 он равен

Мера ползучести бетона зависит от его класса, уровня напряжений и является переменной во времени.

Для аналитического выражения линейной ползучести бетона приняты математические модели и разработаны различные теории ползучести, наибольшее признание из которых получили теория наследственности и теория старения.

1

Лекция №2.

1.1.9. Арматура для железобетонных конструкций, назначение и виды арматуры

Под арматурой понимают гибкие или жесткие стальные стержни, размещенные в массе бетона, в соответствии с эпюрами изгибающих моментов, поперечными и продольными силами, действующими на конструкцию в стадии ее эксплуатации.

Назначение арматуры воспринимать растягивающие усилия (при изгибе, внецентренном сжатии, центральном и внецентренном растяжении), а также усадочные и температурные напряжения в элементах конструкций. Значительно реже арматуру применяют для усиления бетона сжатой зоны изгибаемых элементов, однако она высокоэффективна для армирования колонн с малыми (случайными) эксцентриситетами (центрально-сжатые колонны). В результате сцепления арматуры с бетоном в период твердения бетонной массы конструкция работает как одно монолитное тело.

Арматуру в ж/б конструкциях устанавливают преимущественно для восприятия растягивающих усилий и усиления бетона сжатых зон конструкций.

Арматура, устанавливаемая по расчету – рабочая; устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям – монтажная.

Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия – сварные, вязанные сетки и каркасы, которые размещают в ж/б элементах в соответствии с характером их работы под нагрузкой.

1.1.10.Классификация арматуры по 4-м признакам

1.В зависимости от технологии изготовления различают стержневую и проволочную арматуру. Под стержневой в данной классификации

подразумевают арматуру 6-40 мм не зависимо от того, как она поставляется промышленностью – в прутках (≥12 мм, l=13 м) или в мотках (бухтах) (≤10

мм, m =1300 кг).

2.В зависимости от способа последующего упрочнения горячекатаная арматура может быть термически упрочненной, т.е. подвергнутой термической обработке, или упрочненной в холодном состоянии – вытяжкой, волочением.

3.По форме поверхности арматура периодического профиля и гладкая. Выступы в виде ребер на поверхности стержневой арматуры периодического профиля, рифы или вмятины на поверхности проволочной арматуры значительно улучшают сцепление с бетоном.( рис. 1.1.14.)

4.По способу применения при армировании железобетонных элементов различают напрягаемую арматуру, т.е. подвергаемую предварительному напряжению, и ненапрягаемую.