Железобетон. 2

Железобетон – это бетон, в который вводятся стальные стержни – арматура. Железобетон широко применяется в современном строительстве.

В сооружении на строительные конструкции действуют сжатие и  растяжение, под влиянием которых  конструкции деформируются. Очень  наглядно можно представить обе  силы, если взять обыкновенную резинку, положить ее на две опоры и нажать на нее в середине Резинка сожмется в верхней части, но зато растянется в нижней. В средней же части  длина резинки не изменится. Та условная линия, которая разделяет резинку  на две части – сжатую и растянутую, называется нейтральной осью. При  работе бетонной конструкции на изгиб  получается аналогичная картина  ее деформации.

Так как прочность бетона на растяжение невелика, то бетонные конструкции  при изгибе разрушаются при очень  малой нагрузке. Прочность же стального  стержня на растяжение в 100 – 200 раз  выше, чем у бетона. Значит, если заставить  оба материала (бетон и сталь) работать как одно целое, т. е. добиться одинаковой прочности в зоне сжатия и в зоне растяжения изгибаемой бетонной конструкции, то можно в несколько  раз повысить прочность сооружения на изгиб. Для этого в растянутую часть вводят несколько стальных стержней (арматуру) определенного  сечения. Теперь уже бетонная конструкция  не ломается при изгибе и может  выдерживать во много раз большую  разрушающую нагрузку.

Свойства материалов, применяемых  при изготовлении железобетона: большая  прочность на сжатие; высокая прочность  арматурной стали на растяжение; большая  сила сцепления бетона со сталью; почти  одинаковое изменение длины бетона и стали при изменении температуры.

Благодаря сцеплению бетона с арматурой, ее нельзя выдернуть  из бетона. При твердении бетон  уменьшается в объеме и обжимает арматуру, а значит, еще прочнее  сцепляется с ней. Сила сцепления  бетона с арматурой будет возрастать со временем и тем больше, чем  плотнее бетон и чем больше шероховатость поверхности арматуры.

Сравнительно малая теплопроводность бетона оказались весьма полезной для  железобетонных конструкций: бетон  защищает стальную арматуру от резких изменений температуры.

Железобетон как строительный материал появился только в середине XIX века, но уже широко применялся во всех областях строительства. Железобетонные сооружения объединяют в себе высокую  прочность, легкость и изящество.

Смешивая песок, цемент, гравий и воду вырабатывают бетон. Бетон обладает большой твердостью, однако он хрупок. Поэтому его укрепляют  стальной арматурой.

Железобетон - это материал, в котором в единое целое соединены стальная арматура и бетон. Частично бетон  защищает металл арматуры от коррозии и воспринимает в этом композите сжимающие напряжения, а арматура - растягивающие усилия.

ЖБИ - аббревиатура, которая объединяет большую группу строительных материалов из железобетона. В различной технической и проектной документации железобетонные изделия (ЖБИ) упоминаются как сборный железобетон или железобетонные конструкции (ЖБК). Железобетон за полтора века своего существования зарекомендовал себя как надёжный, долговечный и неприхотливый в эксплуатации строительный материал.

Использование в  строительстве железобетона позволяет  реализовать самые смелые проекты. Повышенная прочность такой постройки  обеспечивается тем, что цемент образует монолитную структуру.

Железобето́н — строительный композиционный материал, состоящий из бетона и стали.^[1] Запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений.

[править]История

В 1802 г. при строительстве Царскосельского  дворца российские зодчие использовали металлические стержни для армирования  перекрытия, выполненного из известкового бетона. В 1829 г. английский инженер Фокс реализовал армированное металлом бетонное перекрытие. В 1849 г. во Франции Ламбо построил лодку из армоцемента. В 1854 г. Уилкинсон в Англии получил патент на огнестойкое железобетонное перекрытие. В 1861 г. во Франции Куанье опубликовал книгу о 10-летнем опыте применения железобетона. Он же в 1864 г. построил церковь из железобетона. В 1865 г. Уилкинсон построил дом из железобетона. И только в 1867 г. Монье, которого часто считают "автором" железобетона, получил патент на кадки из армоцемента. В 1868 г. Монье построил железобетонный бассейн, а с 1873 по 1885 гг. получил патенты на железобетонный мост, железобетонные шпалы, железобетонные перекрытия, балки, своды и железобетонные трубы. В 1877 г. первая книга по железобетону опубликована Т. Хайэтом в США. С 1884 по 1887 гг. в Москве осуществлялось применение железобетона при устройстве плоских перекрытий, сводов, резервуаров. В это же время проводились испытания конструкций, были реализованы железобетонные перекрытия по металлическим балкам. В 1886 г. в США П. Джексон подал заявку на патент на использование преднапряжения арматуры при строительстве мостов. В 1888 г. патент на преднапряжение получен в Германии В. Дерингом, в 1896 г. в Австрии И. Мандлем, в 1905-07 гг. в Норвегии И. Лундом, в 1906 г. в Германии М. Кененом. В 1886 г. в Германии (фирма Вайс) под руководством проф. Баушингера проведены испытания плит и сводов. В 1886-87 гг. М. Кенен в Германии разрабатывает способ расчета железобетонных конструкций. В 1891 г. в России проф. Н. А. Белелюбский проводит широкомасштабные исследования железобетонных плит, балок, мостов. В этом же году выходит книга инж. Д.Ф. Жаринцева «Слово о бетонных постройках», а в 1893 г. – «Железобетонные сооружения». С 1892 по 1899 г. во Франции Ф. Геннебиком реализовано более 300 проектов с применением железобетона. В 1895 г. на 2 съезде зодчих в России выступает А. Ф. Лолейт, создавший впоследствии основные положения современной теории железобетона. В 1899 г. инженерный совет министерства официально разрешает применять железобетон в России. Первые нормы по проектированию и применению железобетонных конструкций появились в 1904 г. в Германии и Швеции, в 1906 г. во Франции, в 1908 г. в России. Развитие теории железобетона в России в первой половине 20 в. связано с именами А. Ф. Лолейта, А. А. Гвоздева, В. В. Михайлова, М. С. Боришанского, А. П. Васильева, В. И. Мурашева, П. Л. Пастернака, Я. В. Столярова, О. Я. Берга и др.

В XX веке железобетон является наиболее распространённым материалом в строительстве (см. Пьетро Нерви).

[править]Характеристики

К положительным  качествам железобетонных конструкций  относятся:

• долговечность;
• невысокая цена — железобетонные конструкции значительно дешевле стальных;
• пожаростойкость — в сравнении со сталью;
• технологичность — несложно при бетонировании получать любую форму конструкции;
• химическая и биологическая стойкость; 
• высокая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам.

К недостаткам  железобетонных конструкций относятся:

• невысокая прочность при большой массе — прочность бетона при растяжении в среднем в 10 раз меньше прочности стали. В больших конструкциях железобетон «несёт» больше своей массы, чем полезной нагрузки.

Выделяют  сборный железобетон (ж/б конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется непосредственно на строительной площадке), а также сборно-монолитный (сборные конструкции используются как оставляемая опалубка - сочетаются преимущества монолитных и сборных конструкций).

[править]Основные принципы проектирования и расчета железобетонных конструкций

В России железобетонные элементы принято рассчитывать: по 1-ой и 2-ой группе предельных состояний:

• по несущей способности (прочность, устойчивость, усталостное разрушение);
• по пригодности к нормальной эксплуатации (трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).

Задачи  расчета железобетонных конструкций  по 1-й группе предельных состояний  включают:

• проверка прочности конструкций (нормальные, наклонные, пространственные сечения);
• проверка конструкции на выносливость (при действии многократно повторных нагружений);
• проверка устойчивости конструкций (формы и положения).

Армирование конструкций выполняется, как правило, отдельными стальными стержнями  или сетками, каркасами. Диаметр  стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается  следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в сжатые зоны при недостаточной прочности последней, а также по конструктивным соображениям. При расчете железобетонных изгибаемых элементов основной целью является определение требуемой площади рабочей арматуры в соответствии с заданными усилиями (прямая задача) или определение действительной несущей способности элемента по заданным геометрическим и прочностным параметрами (обратная задача).

По  характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты), центрально и внецентренно сжатые элементы (колонны центрально и внецентренно растянутое элементы (элементы ферм).

[править]Изгибаемые элементы (балки, плиты)

При изгибе любого элемента в нём возникает  сжатая и растянутая зоны (см. рисунок), изгибающий момент и поперечная сила. Изгибаемые железобетонные элементы, как правило, рассчитывают по прочности следующих видов сечений:

• по нормальным сечениям — сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента,
• по наклонным сечениям — при действия поперечных сил (срез или раздавливание сжатой зоны бетона), по наклонной полосе между наклонными сечениями (трещинами), от действия момента в наклонном сечении.

В типичном случае армирование балки выполняется  продольной и поперечной арматурой (см. рисунок).

Изгиб и армирование железобетонной балки

Элементы конструкции: 

1. Верхняя (сжатая) арматура 
2. Нижняя (растянутая) арматура 
3. Поперечная арматура 
4. Распределительная арматура

Верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположенном  направлении.

Основные параметры конструкции:

• L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров
• H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально H²
• B — ширина сечения
• a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды
• s — шаг поперечной арматуры.

Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения железобетонного элемента, бетон в которой в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рисунок).

Разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям

Поперечная  арматура (3) служит для обеспечения  прочности наклонных или пространственных сечений (см. рисунок).

Разрушение ж/б элемента по наклонным сечениям (схема)

Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает  арматуру в каркас.

Разрушение  элемента в обоих случаях наступает  вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается  в направлении действия растягивающих  напряжений для упрочнения элемента.

Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без  установки верхней и поперечной арматуры.

Плиты армируются по такому же принципу как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.

Кроме расчёта на прочность для балок  и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета  при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).

[править]Сжатые элементы (колонны)

При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (см. рисунок). При этом характер работы сжатого элемента нескольно напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает.

Если  изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но в сущности эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если кроме вертикальной силы на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например ветер, давление грунта на подпорную стенку).

Типичное  армирование колонны представлено на рисунке.

Работа и армирование сжатой колонны

на рисунке:

1 — продольная арматура 
2 — поперечная арматура

В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает  их выпучивание.

Центрально  сжатые колонны проектируются квадратного  сечения.

Массивными  считаются колонны, минимальная  сторона сечения которых более  или равна 400 мм. Массивные сечения  обладают способностью к наращиванию  прочности бетона длительное время, т.е. с учетом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения  угрозы прогрессирующего разрушения - террористические атаки, взрывы и т.д.) - они имеют преимущество перед  колоннами немассивными. Т. о. сиюминутная  экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем, и, кроме этого, малые  сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т. н. жизнеутверждающим  строительством (Sustainable construction) www.concreteresearch.org

[править]Изготовление железобетонных конструкций

Изготовление  железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические  процессы:

• Подготовка арматуры
• Опалубочные работы
• Армирование
• Бетонирование
• Уход за твердеющим бетоном

[править]Изготовление сборных железобетонных конструкций

Сущность  сборных железобетонной конструкций, против монолитных, состоит в том, что конструкции изготавливаются  на заводах ЖБИ, а затем доставляются на стройплощадку и монтируются  в проектное положение. Основное преимущество технологии сборного железобетона в том, что ключевые технологические процессы происходят на заводе. Это позволяет достичь высоких показателей по срокам изготовления и качеству конструкций. Кроме того, изготовление предварительно напряженных ЖБК возможно, как правило, только в заводских условиях.

Недостатком заводского способа изготовления является невозможность выпускать широкий  ассортимент конструкций. Особенно это относится к разнообразию форм изготавливаемых конструкций, которые ограничиваются типовыми опалубками. Фактически, на заводах ЖБИ изготавливаются  только конструкции, требующие массового  применения. В свете этого обстоятельства, широкое внедрение технологии сборного железобетона приводит к появлению  большого количества однотипных зданий, что, в свою очередь, приводит к уменьшению затрат на строительство. Такое явление  наблюдалось в СССР в период массового строительства.

Большое внимание на заводе ЖБИ уделяется  технологической схеме изготовления. Используется несколько технологических  схем:

• Конвейерная технология. Элементы изготовляют в формах, которые перемещаются от одного агрегата к другому. Технологические процессы выполняются последовательно, по мере перемещения формы.
• Поточно-агрегатная технология Технологические операции производят в соответствующих отделениях завода, а форма с изделием перемещается от одного агрегата к другому кранами.
• Стендовая технология. Изделия в процессе изготовления остаются неподвижными, а агрегаты перемещаются вдоль неподвижных форм.

В предварительно напряженных конструкциях применяют  два способа создания предварительного напряжения: натяжение на упоры и  натяжение на бетон, а также два  основных способа натяжения арматуры: электротермический и электротермомеханический.

[править]Изготовление монолитных железобетонных конструкций

При изготовлении монолитных железобетонных конструкций  следует учитывать, что физико-механические характеристики арматуры относительно стабильны, а вот те же характеристики бетона изменяются во времени. Необходимо всегда находить компромисс между запасами при конструировании и проектировании (выбор форм и сечений — выбор между надежностью, «жизнью», но тяжестью массивных конструкций и между изяществом, ажурностью, легкостью, но «мертвостью» конструкций с большим модулем поверхности), стоимостью и качеством исходных материалов, затратами на изготовление монолитных железобетонных конструкций, усилением оперативного контроля работниками ИТР на всех этапах, назначением мероприятий по уходу за бетоном, защитой его во времени (созданием условий для наращивания во времени его характеристик, что может понадобится к моменту начала эксплуатации для сопротивления прогрессирующему разрушению), контролем динамики набора основных прочностных и деформативных характеристик бетона.^[2][3] То есть, очень много зависит от того, с чьих позиций проектируют конструкции и технологию, исполняют и контролируют работы, и что ставится во главу угла: надежность и долговечность, экономичность, технологичность выполнения, безопасность эксплуатации, возможность дальнейшего применения путем усилений и реконструкций, так называемый рациональный (англ. sustainable) подход, то есть проектирование от обратного (сначала думаем, как следующие поколения будут все это разбирать и заново использовать).^[4]

[править]Защита железобетонных конструкций полимерными материалами

Для защиты железобетонных конструкций применяются  специальные полимерные составы, позволяющие  изолировать поверхностный слой железобетона от негативных влияний  внешней среды (химические агенты, механические воздействия). Для защиты железобетонного  основания применяют различные  типы защитных конструкций, позволяющих  модифицировать эксплуатационные свойства минеральной поверхности — увеличить износостойкость, уменьшить пылеотделение, придать декоративные свойства (цвет и степень блеска), улучшить химическую стойкость. Полимерные покрытия, наносимые на железобетонные основания, классифицируют по типам: обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы, высоконаполенные покрытия.

Другой  метод защиты железобетонных конструкций  заключается в покрытии арматуры фосфатом цинка.^[5] Фосфат цинка медленно реагирует с коррозирующим химикатом (например щёлочью) образуя устойчивое апатитное покрытие.

Для защиты железобетонных конструкций от воздействия  воды и агрессивных сред также  применяется проникающую гидроизоляцию, которая модифицирует структуру бетона, увеличивая его водонепроницаемость, что предотвращает разрушение бетонных конструкций и коррозию арматуры.

[править]Усиление железобетонных конструкций углепластиком

Часть углепластика

При восстановлении несущей способности железобетонных конструкций подвергнутых не нормативным  нагрузкам применяют армирование  углепластиком. Усиление углеволокном используются для продольного и поперечного армирования стержневых элементов, для создания армирующих усиляющих оболочек на колоннах и опорах мостов, эстакад, консолях колонн, для усиления плит, оболочек, элементов ферм и других конструкций;