1.3.6. Усадка бетона при наличии арматуры

Наличие арматуры существенно уменьшает усадку и набухание бе­тона. Это объясняется тем, что арматура вследствие сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона (рис. 1.24).

Опыты показали, что при μ = 2% деформации усадки железобе­тонных элементов уменьшаются в 1,5...2 раза, при μ = 5% — более чем в 3 раза по сравнению со свободной усадкой бетона ( ).

Для определения деформации усадки железобетона при старом (зрелом) бетоне естественного твердения можно пользоваться формулой:

(1.26)

где μ — процент армирования сечения. Т.е. при μ = 1% , при μ = 2% - , а при μ = 10% - .

Рис. 1.24. Деформации усадки образцов: а - бетонного; б - желе­зобетонного; А – площадь сечения бетонного элемента А_s – площадь сечения арматуры

Стеснение (ограничение) арматурой деформаций усадки бетона приводит к возникновению в железобетонном элементе собственных или начальных внутренне уравновешенных напряжений: растяже­ния в бетоне и сжатия в арматуре.

Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента ( ) и стесненной усадки армированного элемента ( ) (см. рис. 1.24)

(1.27)

в поперечных сечениях железобетонного элемента возникают растя­гивающие напряжения в бетоне , средние значения которых опреде­ляются по формуле:

(1.28)

Наибольшие значения этих напряжений находятся в зоне контак­та бетона с арматурой.

Т

(1.29)

ак как при воздействии на железобетонный элемент усадки бе­тона арматура работает упруго, то по её деформациям укорочения ( ) можно определить сжимающие напряжения в ней, вызванные усадкой:

У

(1.30)

равнение равновесия внутренних усилий, возникающих в же­лезобетонном элементе, армированном двусторонней симметричной арматурой, имеет вид:

где A_s — площадь сечения продольной арматуры;

А — площадь се­чения элемента.

И

(1.31)

з (1.30) находим напряжения в продольной арматуре

(1.31)

где — коэффициент армирования сечения. Если подста­вить в (1.27) деформации, выраженные через напряжения, по фор­мулам (1.28), (1.29), (1.31), то получим следующее выражение:

Из него получаем значение средних растягивающих напряжений в бетоне, действующих в поперечном сечении железобетонного эле­мента

(1.32)

где — отношение модулей упругости арматуры и бетона; здесь - коэффициент упругопластических деформа­ций бетона при растяжении.

Из (1.32) видно, что при усадке железобетона растягивающие напряжения в бетоне зависят от величины деформации свободной усадки бетона ( ), процента армирования и класса бетона В, т. е. . С увеличением μ сжимающие напряжения в ар­матуре уменьшаются, а растягивающие напряжения в бетоне возрастают и, если они достигают временного сопротивления при рас­тяжении , то в железобетонном элементе возникают усадочные трещины. Если задаться деформацией усадки бетона ( ), величиной и принять ,то из выражения (1.32) можно найти коэф­фициент армирования, при котором появляются трещины. Обычно при этом принимают наибольшей и постоянной для всех классов бетона, равной 0,0003, , также независимо от класса бетона, при­нимается равным 0,5. Вычисленные при этих значениях коэффици­енты армирования получаются сравнительно высокими.

Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки спо­собствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железо­бетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки.

В статически неопределимых железобетонных конструкциях (ар­ках, рамах и т.п.) лишние связи препятствуют усадке железобетона, вызывая появление дополнительных внутренних усилий.

Влияние усадки эквивалентно понижению температуры на опре­деленное число градусов. Это позволяет заменять расчёт на дей­ствие усадки расчётом на температурные воздействия. Для практи­ческих расчетов при р = 2...3% среднюю величину усадки железо­бетона часто принимают равной = 1,5 • 10^-4, что равносильно понижению температуры на 15°С (так как коэффициент линейной температурной деформации бетона ).