в чем состоит сущность железобетона
Определение и сущность железобетона
КОНСТРУКЦИЯХ.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ЛЕКЦИЯ 1.
ННГАСУ
ОСНОВЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И.В. МОЛЕВ
Литература
(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ «АРХИТЕКТУРА»
Лекция 1. Общие сведения о железобетонных конструкциях 3
Лекция 2. Основные физико-механические свойства бетона 13
Лекция 3. Арматура для железобетонных конструкций 26
Лекция 4. Основные свойства железобетона 36
Лекция 5. Метод расчета железобетонных конструкций по
предельным состояниям 48
Лекция 6. Расчет и конструирование изгибаемых элементов
по первой группе предельных состояний 57
Лекция 7. Расчет изгибаемых элементов на прочность по
сечениям нормальным к продольной оси элемента 66
Лекция 8. Расчет изгибаемых элементов таврового сечения
с одиночной арматурой 71
Лекция 9. Расчет изгибаемых элементов на прочность по
сечениям наклонным к продольной оси элемента 77
Лекция 10. Расчет и конструирование сжатых элементов 85
Лекция 11. Расчет внецентренно сжатых элементов 91
Лекция 12. Расчет растянутых элементов 98
1. Определение и сущность железобетона.
2. Достоинства и недостатки железобетонных конструкций
3. Виды железобетонных конструкций и область их применения.
4. Краткие исторические сведения о возникновении и развитии железобетона.
Железобетоном называется строительный материал, в котором рационально соединены в монолитное целое бетон и стальная арматура, совместно до разрушения воспринимающие различные силовые воздействия. Возможно и такое определение: железобетоном называется совокупность бетона и арматурных изделий (сеток, каркасов, отдельных стержней и т.д.), уложенных в теле бетона в соответствии со статической работой конструкции.
Бетон, являясь искусственным камнем и, обладая высокой прочностью на сжатие, в 10. 20 раз хуже сопротивляется растяжению, что практически не позволяет использовать его как конструктивный материал для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструкций.
Стальные стержни, имеющиеся в железобетонных конструкциях и которые в дальнейшем мы будем называть арматурой, одинаково хорошо сопротивляются как растяжению, так и сжатию.
Идея создания железобетона из двух различных по своим механическим характеристикам материалов заключается в реальной возможности использовать бетон преимущественно в работе на сжатие, а арматуру — в работе на растяжение. Такое сочетание материалов целесообразно, так как стальные стержни, поставленные в растянутой зоне элемента, прекрасно восполняют основной недостаток бетона как конструктивного строительного материала.
Под железобетонными конструкциями будем понимать несущие элементы зданий и сооружений, изготавливаемые из железобетона, и сочетания этих элементов.
Идею железобетона можно достаточно хорошо проиллюстрировать следующим примером (рис. 1.1).
Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и подверженная поперечному изгибу, испытывает растяжение продольных волокон в зоне, находящейся ниже нейтрального слоя (рис. 1.1а). Такая балка обладает малой несущей способностью вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. Она разрушается внезапно (хрупко) при возникновении первой же трещины в бетоне растянутой зоны. Прочность бетона на сжатие в момент, предшествующий разрушению, в бетонной балке сильно недоиспользуется (напряжения в нормальных сечениях в сжатой зоне в этот момент едва достигают 5. 10% от прочности бетона на сжатие).
Рисунок 1.1 – Схемы разрушения балок: а – бетонная балка; б – железобетонная балка; 1 – нейтральная ось; 2 – трещина; 3 – сжатая зона4; 4 – растянутая зона; 5 – стальные стержни (арматура).
Такая же балка (рис. 1.1б), снабженная небольшим по площади количеством продольной арматуры по сравнению с площадью поперечного сечения балки, размещенной в растянутой зоне, может иметь несущую способность до 20 раз превосходящую несущую способность бетонной балки. Характер разрушения балки при не слишком большом насыщении её сечений арматурой плавный, постепенный (пластичный). В такой конструкции может быть полностью использована прочность бетона в работе на сжатие, а арматуры — на растяжение.
Арматуру, имеющую весьма высокое сопротивление сжатию, можно также использовать и для усиления бетона сжатой зоны.
Арматура может быть не только в виде стальных стержней. В качестве арматуры иногда используют нити, канаты, пряди и др. из стекловолокна и даже деревянные или бамбуковые рейки. Однако наиболее широко сейчас применяется стальная арматура.
Основой совместной работы бетона и арматуры (т. е. одинаковые деформации их смежных волокон) в железобетоне является выгодное природное сочетание некоторых важных физико-механических свойств этих материалов, а именно:
1. при твердении бетона между ним и поверхностью стальной арматуры возникают значительные силы сцепления (склеивания), вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала деформируются совместно;
2. плотный бетон (с достаточным содержанием цемента от 200. 250 до 300. 400 кг/м 3 и более) надёжно защищает заключённую в нём стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет её от непосредственного
воздействия огня и от механических повреждений;
Сущность железобетона. Его достоинства и недостатки
1) бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и под нагрузкой оба этих материала деформируются совместно;
3) бетон защищает арматуру от коррозии и непосредственного действия огня. Первое их этих обстоятельств обеспечивает долговечность железобетона, а второе – огнестойкость его при возникновении пожара. Толщина защитного слоя бетона и назначается именно из условий обеспечения необходимой долговечности и огнестойкости железобетона.
К достоинствам (положительным свойствам) железобетона относят:
2. Хорошая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам.
4. Малые эксплуатационные расходы.
5. Дешевизна и хорошие эксплуатационные качества.
К основным недостаткам железобетона относятся:
1. Значительный собственный вес. Этот недостаток в некоторой степени устраняется при использовании легких заполнителей, а также при применении прогрессивных пустотных и тонкостенных конструкций (то есть за счет выбора рациональной формы сечений и очертания конструкций).
2. Низкая трещиностойкость железобетона (из рассмотренного выше примера следует, что в растянутом бетоне должны быть трещины при эксплуатации конструкции, что не снижает несущей способности конструкции). Указанный недостаток может быть снижен с применением преднапряженного железобетона, которое служит радикальным средством повышения его трещиностойкости (сущность преднапряженного железобетона рассмотрена в теме 1.3 ниже.
3. Повышенная звуко- и теплопроводность бетона в отдельных случаях требуют дополнительных затрат на тепло- или звукоизоляцию зданий.
4. Невозможность простого контроля по проверке армирования изготовленного элемента.
5. Трудности усиления существующих железобетонных конструкций при реконструкции зданий, когда увеличиваются нагрузки на них.
3) Виды железобетонных конструкций. Достоинства и недостатки каждого вида.
Сборные конструкции – это конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных в заводских условиях элементов (рис.1.8, а)
Существует три типа технологий изготовления сборных конструкций: конвейерная, поточно-агрегатная и стендовая технологии.
— стендовая технология – стационарное изготовление конструкций на одном месте.
Достоинства сборных конструкций:
1. индустриальность и технологичность;
2. в зимний период работы не требуются дополнительные затраты;
3. снижение расхода материалов на устройство подмостей и опалубки.
Недостатки сборных конструкций:
1. трудоемкость исполнения стыков;
2. высокая стоимость и металлоемкость стыков;
3. уменьшение жесткости элементов вследствие нарушения общей пространственной неразрезности конструкции, что ведет к дополнительным затратам при установке связей для обеспечения пространственной жесткости зданий и сооружений;
4. необходимость транспортировки массивных габаритных изделий;
5. создание специальных заводов по производству сборных элементов.
Монолитные конструкции – это конструкции, возведение которых осуществляется на строительной площадке укладкой бетонной смеси в заранее приготовленную опалубку с уложенной арматурой
Достоинство монолитных конструкций:
1. пространственная неразрезность зданий и сооружений;
2. повышенная огнестойкость и живучесть зданий и сооружений;
3. хорошая сопротивляемость сейсмическим воздействиям.
Недостатки монолитных конструкций:
1. сезонность работ;
2. затраты на устройство опалубки;
3. дополнительные затраты в зимний период работы (зависимость от твердения бетона);
4. более тяжелые условия труда (на открытых площадках).
Сборно-монолитные конструкции – комплексные конструкции, в которых сборные и монолитные элементы деформируется под нагрузкой как единое целое (рис. 1.10).
В сборно-монолитных конструкциях применение монолитного железобетона позволяет восстановить пространственную неразрезность конструкций; сборные конструкции одновременно являются несъемной опалубкой и до омоноличивания воспринимают нагрузки, действующие в монтажный период.
Этот класс конструкций сочетает в себе положительные свойства сборного и монолитного железобетона, повышая качество и снижая сроки строительства.
Сущность железобетона. Условия существования железобетона. Достоинства и недостатки железобетона
Страницы работы
Фрагмент текста работы
кафедра ЖБК, ауд. 170
Железобетонные и каменные конструкции Часть 1
1. Сущность железобетона
Рис. 1.1. Диаграмма зависимости
Средняя относительная предельная растяжимость бетона (или 0,00015), Средняя относительная предельная сжимаемость (или 0,002)
Рис.1.2. Схема разрушения бетонной балки 1 – нейтральный слой (ось); 2 – сжатая зона балки; 3 – растянутая зона балки; 4 – трещина в нормальном сечении
Рис. 1.3. Диаграмма зависимости
Рис. 1.4. Схема разрушения железобетонной балки 1 – нейтральный слой (ось); 2 – сжатая зона балки; 3 – растянутая зона балки; 4 – трещины в нормальных сечениях; 5 – трещины в наклонных сечениях; 6 – стальная арматура; 7 – раздробление бетона сжатой зоны
Рис. 1.5. Диаграммы зависимости для бетона и арматуры ––––– – диаграмма растянутого бетона; ––––– – диаграмма растяжения стали класса А 400
Железобетон – это комплексный конструктивный материал, в котором бетон и арматура деформируются под нагрузкой как единое монолитное целое. Можно сформулировать понятие железобетона как армированного композитного материала.
2. Условия существования железобетона
1. Обеспечение совместных деформаций бетона и арматуры
Возможны два технологических приема передачи:
— за счет анкеров, устраиваемых по торцам балки (рис. 1.6, б) а)
Рис. 1.6. Технологические приемы передачи усилий с бетона на арматуру а) – передача внешней нагрузки за счет сцепления арматуры с бетоном; б) – анкеровка арматуры путем устройства на концах специальных анкеров
2. Примерное равенство коэффициентов температурного расширения
3. Наличие защиты арматуры от воздействий окружающей среды
Рис. 1.7. Защитный слой бетона
3.Достоинства и недостатки железобетона
1. Высокая прочность. 2. Долговечность 3. Огнестойкость 4. Стойкость против атмосферных явлений. 5. Доступность составляющих железобетонных компонентов. 6. Экономичность при изготовлении и эксплуатации. 7. Эстетичность, архитектурная выразительность
1. Большой вес 2. Раннее образование стохастических трещин в растянутой зоне.
Сборные конструкции – конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных в заводских условиях элементов (рис.1.8)
Существует 3 типа технологий изготовления сборных конструкций:
Рис.1.8. Конструктивные элементы в сборном исполнении а) – конструктивные элементы завода по изготовлению железобетонных изделий; б) – конструкции жилого дома со связевым каркасом (серия ИИ – 04) 1 – колонны; 2 – ригели; 3 – плиты перекрытия (панели); 4 – диафрагмы жесткости
Достоинство сборных конструкций: 1. индустриализация и технологичность; 2. в зимний период работы не требуют дополнительных затрат; 3. снижение расхода материалов на устройство подмостей и опалубки. Недостатки сборных конструкций: 1. трудоемкость сопряжения стыков; 2. высокая стоимость и металлоемкость стыков; 3. уменьшение жесткости элементов вследствие нарушения общей пространственной неразрезности (статическая неопределимость); 4. транспортировка массивных габаритных изделий; 5. потребность в подъемных механизмах большой грузоподъемности.
Монолитные конструкции – конструкции, возведение которых осуществляется на строительной площадке укладкой бетонной смеси в заранее приготовленную опалубку (рис.1.9)
Рис. 1.9. Конструктивные элементы в монолитном исполнении а) – конструктивные элементы безригельного каркаса; б) – наружная стена в опалубке; в) – модель жилого дома в монолитном исполнении
Сборно-монолитные конструкции – комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон работает под нагрузкой как единое целое (рис.1.10)
Рис. 1.10. Конструктивные элементы в сборно-монолитном исполнении а) – сборно-монолитный каркас «Чебоксарской серии» (французский аналог); б) – схема конструкций сборно-монолитного исполнения; в) – замоноличивание монолитных плит перекрытий «Чебоксарской серии»; г) – сборно-монолитный безригельный каркас
Рис. 1.11. Монолитное ребристое перекрытие 1 – колонна; 2 – главная балка; 3 – второстепенная балка; 4 – плита; 5 – рабочая арматура плиты; 6, 7, 8 – то же, соответственно для второстепенной и главной балок и колонн
Рис.1.12. Железобетонный маяк в г. Николаеве а) – фотография; б) – схема
Второй этап – 1917-1950 годы XX века. В 1928 г. поставлен вопрос о применении предварительного напряжения (первая идея принадлежала А.В. Гадолину, который в 1861 году осуществил ее к стальным стволам орудий). В.З. Власов первым разработал общий практический метод расчета оболочек. В 1930 г. Н.И. Молотилов стал первым заведующим кафедрой ЖБК Сибирского строительного института, ныне НГАСУ (Сибстрин). В 1932 году А.Ф. Лолейт выдвинул новую теорию железобетона – гипотезу о предельном равновесии, в основу которой был положен отказ от методов расчета по допустимым напряжениям и переход на расчет по критическим усилиям, с введением определенного коэффициента запаса прочности. Эта гипотеза стала основой строительных норм. Начиная с 1940 года В.И. Мурашев создает теорию трещиностойкости и жесткости железобетона.
Рис. 1.13.Волховская ГЭС а) – фотография; б) – схема а) б)
Рис. 1.14. Новосибирский государственный академический театр Оперы и Балета а) – общий вид (1945 г.); б) – совмещенный план зала и фойе; в)– вид сверху; г) – купол театра
Третий этап – конец 50-х годов XX века. Этот этап характеризуется широкой индустриализацией железобетонного строительства, развитием предварительно напряженных конструкций, внедрением высокопрочных материалов. Выдающимся примером третьего этапа может служить построенная в 1967 году Останкинская телебашня – выдающееся творение строительной техники XX века. 1984 – 1995 гг – это годы становления нового направления в теории железобетона на основе диаграммно – энергетического подхода, предложенного В.М. ым, который впоследствии получил развитие на кафедре ЖБК НГАСУ
Сущность железобетона, виды железобетонных конструкций и области применения.
Бетон является хрупким материалом, не возможно использовать прочность бетона при растяжении. Материал, позволяющий повысить сопротивляемость растянутых зон бетонных балок, явл стальная арматура, хорошо сопротивляющаяся растяжению и сжатию. Ж.б. называют комплексный строительный материал, в котором бетон и стальная арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой как единое монолитное тело. При этом бетон предназначается для восприятия сжимающих усилий, а стальная арматура — растягивающих.
Ж.б. конструкции по видам— сборные, монолитные, сборно-монолитные — выбирают путем технико-экономического сравнения.
Под монолитными понимают конструкции, возведение которых осуществляют непосредственно на строительной площадке укладкой бетонной смеси (товарного бетона) в заранее приготовленную опалубку.
Под сборно-монолитными принято понимать комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный ж.б., укладываемый на месте строительства, работает под нагрузкой как одно целое.
Область применения Под землей: фундаменты, трубы, резервуары, метро, подземные переходы, хранилища и многое другое. На земле: элементы одноэтажных и многоэтажных жилых, общественных и производственных зданий и инженерных сооружений (например: каналы, плотины, мосты, дороги). Над землей: резервуары водонапорных башен, галереи, башни. На воде и под водой: суда из железобетона, хранилища для нефтепродуктов, трубопроводы.
Определение и сущность железобетона
Железобетоном называется строительный материал, в котором рационально соединены в монолитное целое бетон и стальная арматура, совместно до разрушения воспринимающие различные силовые воздействия. Возможно и такое определение: железобетоном называется совокупность бетона и арматурных изделий (сеток, каркасов, отдельных стержней и т.д.), уложенных в теле бетона в соответствии со статической работой конструкции.
Бетон, являясь искусственным камнем и, обладая высокой прочностью на сжатие, в 10. 20 раз хуже сопротивляется растяжению, что практически не позволяет использовать его как конструктивный материал для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструкций.
Стальные стержни, имеющиеся в железобетонных конструкциях и которые в дальнейшем мы будем называть арматурой, одинаково хорошо сопротивляются как растяжению, так и сжатию.
Идея создания железобетона из двух различных по своим механическим характеристикам материалов заключается в реальной возможности использовать бетон преимущественно в работе на сжатие, а арматуру — в работе на растяжение. Такое сочетание материалов целесообразно, так как стальные стержни, поставленные в растянутой зоне элемента, прекрасно восполняют основной недостаток бетона как конструктивного строительного материала.
Под железобетонными конструкциями будем понимать несущие элементы зданий и сооружений, изготавливаемые из железобетона, и сочетания этих элементов.
Идею железобетона можно достаточно хорошо проиллюстрировать следующим примером (рис. 1.1).
Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и подверженная поперечному изгибу, испытывает растяжение продольных волокон в зоне, находящейся ниже нейтрального слоя (рис. 1.1а). Такая балка обладает малой несущей способностью вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. Она разрушается внезапно (хрупко) при возникновении первой же трещины в бетоне растянутой зоны. Прочность бетона на сжатие в момент, предшествующий разрушению, в бетонной балке сильно недоиспользуется (напряжения в нормальных сечениях в сжатой зоне в этот момент едва достигают 5. 10% от прочности бетона на сжатие).
Рисунок 1.1 – Схемы разрушения балок: а – бетонная балка; б – железобетонная балка; 1 – нейтральная ось; 2 – трещина; 3 – сжатая зона4; 4 – растянутая зона; 5 – стальные стержни (арматура).
Такая же балка (рис. 1.1б), снабженная небольшим по площади количеством продольной арматуры по сравнению с площадью поперечного сечения балки, размещенной в растянутой зоне, может иметь несущую способность до 20 раз превосходящую несущую способность бетонной балки. Характер разрушения балки при не слишком большом насыщении её сечений арматурой плавный, постепенный (пластичный). В такой конструкции может быть полностью использована прочность бетона в работе на сжатие, а арматуры — на растяжение.
Арматуру, имеющую весьма высокое сопротивление сжатию, можно также использовать и для усиления бетона сжатой зоны.
Арматура может быть не только в виде стальных стержней. В качестве арматуры иногда используют нити, канаты, пряди и др. из стекловолокна и даже деревянные или бамбуковые рейки. Однако наиболее широко сейчас применяется стальная арматура.
Основой совместной работы бетона и арматуры (т. е. одинаковые деформации их смежных волокон) в железобетоне является выгодное природное сочетание некоторых важных физико-механических свойств этих материалов, а именно:
1. при твердении бетона между ним и поверхностью стальной арматуры возникают значительные силы сцепления (склеивания), вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала деформируются совместно;
2. плотный бетон (с достаточным содержанием цемента от 200. 250 до 300. 400 кг/м 3 и более) надёжно защищает заключённую в нём стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет её от непосредственного
воздействия огня и от механических повреждений;