Железобетон
Бетон имеет недостаток, присущий почти всем искусственным и природным каменным материалам,— он хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Чтобы повысить прочность бетонных конструкций на изгиб и растяжение, в бетон укладывают стальную проволоку или стержни, называемые арматурой. Арматура в переводе с латинского означает «вооружение», т. е. стальная арматура как бы вооружает, укрепляет бетон. Армированный стальными стержнями бетон называют железобетоном.
Каменные конструкции, армированные металлом, были известны давно, но в современном виде железобетон появился лишь во второй половине XIX в., когда было освоено промышленное производство портландцемента. Патент на изобретение железобетона был выдан французу Ж. Монье в 1867 г., хотя известны попытки использования железобетона и до него (например, в 1849 г. инженером Г. Е. Пауке-ром в России и в 1845 г. В. Уилкинсоном в Англии). Первоначально железобетон применялся довольно ограниченно. В настоящее время это основной конструкционный материал и в жилищном, и в промышленном строительстве.
Благодаря каким свойствам железобетон стал столь распространенным строительным материалом? Железобетон — это не два разнородных материала: бетон и сталь, а новый материал, в котором сталь и бетон работают совместно, помогая друг другу. Это объясняется следующим. Бетон при твердении на воздухе уменьшается в объеме, плотно охватывая арматуру. Прочность сцепления арматуры с бетоном достигает больших значений. Так, чтобы выдернуть из бетона стержень диаметром 30 мм, введенный в бетон на глубину 300 мм, требуется сила не менее 10 кН. Сцепление стали с бетоном не нарушается и при сильных перепадах температуры, так как коэффициенты теплового расширения стали и бетона почти одинаковы. Хорошее сцепление стали с бетоном приводит к тому, что под нагрузкой эти два материала работают как одно целое.
Цель армирования можно пояснить на элементах, работающих на изгиб (балках, ригелях). В таких элементах часть поперечного сечения элемента подвергается сжатию, а другая — растяжению. Если балку изготовить из не-армированного бетона, то вследствие низкой его прочности на растяжение (1…4 МПа) уже под небольшой нагрузкой бетон в растянутой зоне растрескается (рис. 1, а) и балка разрушится. Если же в растянутую зону ввести стальную арматуру, то она примет на себя растягивающие напряжения (прочность стали при растяжении более 200 МПа), и балка, хотя на ней могут появиться трещины, не разрушится даже при больших нагрузках (рис. 29,6). В ряде случаев армируют элементы, работающие и на сжатие (колонны, сваи), так как и на сжатие сталь в 5… 10 раз прочнее бетона.
Бетон благодаря своей плотности и водонепроницаемости, с одной стороны, и щелочной реакции цементного камня в бетоне, с другой, защищает сталь от коррозии. Кроме того, бетон как сравнительно плохой проводник теплоты защищает сталь от сильного нагревания при пожарах. Стальные конструкции при пожаре быстро нагреваются, сталь размягчается и вся конструкция начинает деформироваться даже под собственным весом. В железобетонных конструкциях стальная арматура защищена от огня слоем.
В современном строительстве все большее применение находит напряженно-армированный бетон, который отличается от обычного железобетона следующим. Как уже говорилось, прочность бетона на растяжение в 10…20 раз больше, чем на сжатие. В железобетоне этот недостаток устраняют введением в растянутую зону арматуры. Однако вследствие малой растяжимости в бетоне в растянутой зоне возникают трещины, после чего всю нагрузку воспринимает только арматура. Пока толщина трещины менее 0,1…0,2 мм (так называемые волосяные трещины), они не опасны с точки зрения сцепления арматуры с бетоном и коррозии арматуры.
При применении для армирования высокопрочных сталей полное использование их прочности сопровождается относительно большим удлинением арматуры, что приводит к сильному растрескиванию бетона, а это, в свою очередь,— к коррозии арматуры из-за обнажения ее поверхности. Отсюда следует, что при обычном способе армирования применение высокопрочной арматуры не рационально. При армировании высокопрочной сталью применяют метод предварительного натяжения арматуры.
Сущность этого метода состоит в том, что до загрузки железобетонной конструкции полезной нагрузкой ее арматуру растягивают наподобие резинового жгута; упором при этом служит бетон. Естественно, что чем сильнее растянута арматура, тем больше будет сжат бетон. Когда же к конструкции приложена полезная нагрузка, напряжения от нее, возникающие в растянутой зоне бетона, частично компенсируются предварительно созданными сжимающими напряжениями. Поэтому в растянутой зоне бетона не возникнут трещины, а предварительно напряженная арматура получит от нагрузки дополнительное напряжение и ее высокая прочность будет использована в большей степени.
В настоящее время применяют два способа получения напряженно-армированного бетона. Один из них заключается в том, что арматуру натягивают и закрепляют на специальных анкерах, а затем укладывают бетон. После того как бетон достаточно затвердеет, арматуру освобождают и она, сжимаясь, сжимает бетон. Другой способ: в бетоне оставляют специальные каналы для напрягаемой арматуры. После затвердевания бетона арматуру вводят в каналы и натягивают, используя в качестве опоры затвердевший бетон. При этом в бетоне возникают сжимающие напряжения. После натяжения арматуры каналы заполняют цементным раствором.
В предварительно напряженных железобетонных конструкциях более полно используется прочность стали и бетона, поэтому уменьшается масса изделий. Кроме того, предварительное обжатие бетона, препятствуя образованию трещин, повышает его долговечность.
Благодаря универсальности и комплексу ценных свойств железобетон на тяжелом и легком бетоне используют для строительства всех типов зданий и инженерных сооружений. Так, массовое строительство жилых зданий осуществляется из сборного железобетона, причем из него выполняют все элементы здания; в многоэтажных кирпичных зданиях фундаменты и перекрытия — железобетонные; промышленные здания и инженерные сооружения в основном возводятся из железобетона.
В зависимости от способа изготовления железобетонные конструкции могут быть монолитными или сборными.
—
Железобетоном называются строительные конструкции и детали, состоящие из бетона и стальной арматуры, которые образуют монолит — одно целое. Сталь и бетон имеют приблизительно одинаковые коэффициенты температурного удлинения; бетонная смесь обладает литейными свойствами и хорошо сцепляется со сталью; плотный бетон предохраняет сталь от ржавления; бетон сравнительно хорошо работает на сжатие, а сталь на растяжение и сжатие — все это позволяет при надлежащем расположении указанных материалов получать прочные конструкции.
Рассмотрим совместную работу бетона и стали в железобетонной балке и колонне под нагрузкой (рис. 6). Под действием нагрузки балка прогибается, при этом в верхней части (зоне) балки материал испытывает сжимающие усилия, а в нижней — растягивающие усилия. Направление усилий на рис. 6 а показано стрелками. Для обеспечения надежности работы балки в нижнюю зону ее укладывают стальную арматуру, так как сталь хорошо работает на растяжение, а бетон верхней зоны балки воспринимает сжимающие усилия. В конструкциях, работающих на сжатие (стойках, колоннах); сталь и бетон совместно работают на сжатие. Армирование балки и колонны показано на рис. 6 б и г. В нижней зоне балки расположена рабочая арматура, а в верхней зоне монтажная арматура. Арматуру сжатых элементов (колонн, стоек) располагают по периметру сечения и связывают хомутами Хомуты, рабочую и монтажную арматуру в местах пересечений перевязывают мягкой проволокой или сваривают электросваркой, образуя металлический каркас, который при бетонировании должен сохранять для всех стержней арматуры первоначальное проектное положение.
Для железобетона применяют бетон, различный по составу и прочности, в зависимости от назначения и условий работы проектируемых конструкций. Обычно используют бетоны марок от 100 до 600 кг/см2. Арматуру готовят из круглой гладкой стали марки Ст. 3 сечением от 5 до 40 мм; в последние годы для арматуры «ачали применять горячекатаную углеродистую сталь периодического профиля марки Ст. 5 сечения от 10 до 90 мм.
Арматура из стали периодического профиля лучше сцепляется с бетоном, в результате чего получается экономия металла до 30% по сравнению с арматурой из стали круглого сечения. В качестве арматуры применяют также профильную сталь: уголки, двутавры, швеллеры; такая арматура называется жесткой.
Необходимое количество арматуры в конструкции, а также и размеры сечения конструктивных железобетонных элементов определяют расчетом.
По способу изготовления Железобетонные конструкции делятся на монолитные и сборные. Монолитные конструкции выполняют непосредственно на строительной площадке на месте их установки, для чего вначале устраивают опалубку и поддерживающие ее леса, устанавливают арматуру и затем укладывают бетонную смесь. После достижения бетоном необходимой прочности (за период от 2 до 4 недель) опалубку снимают и разбирают леса. Сборные железобетонные конструкции (колонны, прогоны, балки, плиты и др.) изготавливают на заводах или полигонах сборного железобетона, затем транспортируют их на стройплощадку и монтируют на месте в сооружение.
Достоинством железобетона является возможность создавать конструкции самых различных форм, обладающих долговечностью, огнестойкостью, достаточной прочностью, высокой степенью жесткости. К недостаткам железобетона относятся большой вес (2500 кг/мъ), значительная трудность переустройства и усиления железобетонных конструкций, а при монолитном железобетоне— устройство лесов, опалубки, а также выдерживание бетонируемых конструкций в опалубке до достижения бетоном необходимой прочности. Сборный железобетон по сравнению с монолитным имеет ряд преимуществ, а именно: конструкции заводского производства обладают более высокой прочностью, при их изготовлении получается экономия цемента, лесоматериалов, металла, снижается стоимость, обеспечиваются одинаковые условия изготовления и вызревания бетона в течение всего года, сокращается срок строительства сооружения. Вследствие этого сборный железобетон в настоящее время широко применяется в строительстве.
Выбор стройматериалов - Железобетон
Остались вопросы по теме - "Железобетон", задайте их на