Чем обеспечивается совместная работа бетона и арматуры

Совместная работа бетона и арматуры

Для частей зданий и сооружений, подвергающихся изгибу (например, для балок и плит), при котором нижняя часть конструкции работает на растяжение, бетон применять нельзя. На рис. 32 показана схема работы балки при изгибе под действием нагрузки.

Рис. 32- Схема работы балки при изгибе:
а — бетонной; б — железобетонной

В нижней зоне балки возникает растяжение, в связи с чем необходим материал, хорошо сопротивляющийся растягивающим усилиям. Таким материалом является сталь, хорошо работающая совместно с бетоном. Строительный материал, представляющий собой сочетание стали и бетона, называется железобетоном.

Совместная работа бетона и стали эффективна благодаря наличию следующих условий: бетонная смесь при затвердевании прочно сцепляется со стальными прутками; бетон защищает стальную арматуру от воздействия воды, предохраняет ее от ржавления, а также от огня; сталь и бетон практически одинаково удлиняются при нагревании и сжимаются при охлаждении, поэтому при изменении температуры не нарушается сцепление между этими материалами.

Стальные стержни различной формы, заделанные в толщу бетона, называются арматурой железобетона. Вся нагрузка, воспринимаемая конструкцией или сооружением, распределяется между бетоном и арматурой. Бетон принимает на себя сжимающие усилия, а арматура — главным образом растягивающие.

В настоящее время невозможно представить себе ни одного более или менее крупного здания или сооружения любого назначения, при строительстве которых не применялся бы железобетон.

Источник

Совместная работа арматуры с бетоном

Основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в конструкции и позволяющим работать железобетону как единому монолитному телу является надежное сцепление арматуры с бетоном.

Совместная работа бетона и арматуры в железобетонной конструкции становится возможной благодаря выполнению следующих условий:

– бетон и арматура имеют достаточно близкие значения коэффициента температурного расширения;

– силы сцепления, возникающие по границе контакта между бетоном и арматурой обеспечивают выполнение условия равенства деформаций арматуры и бетона e_c = e_s при действии усилий от нагрузок.

Совместная работа арматуры и бетона обусловлена, кроме того, правильным определением необходимого количества арматуры, размещаемой в конструкции. Это означает, что должны соблюдается требования по размещению арматурных стержней в сечении элемента и выдержан минимальный коэффициент армирования сечения, определяемый отношением площади арматуры (A_s) к площади бетона (А_с)

Силы сцепления, приходящиеся на единицу поверхности арматуры, обусловливают напряжения сцепления арматуры с бетоном по длине элемента. Количественно сцепление оценивают величиной соответствующих напряжений сдвига.

Можно выделить следующие факторы, влияющие на величину напряжений сцепления арматурной стали и бетона:

– трение арматуры о бетон, появляющееся в результате усадки бетона;

– структурные и искусственно созданные неровности (шероховатость) на поверхности арматурного стержня, вызывающие механическое зацепление;

– адгезия (склеивание) или взаимное притяжение между частицами на стыке двух контактирующих материалов;

– химические взаимодействия между сталью и бетоном.

Силы сцепления по контакту двух материалов зависят от целого ряда конструктивно-технологических факторов, в том числе от прочности бетона и технологических параметров бетонной смеси (количества цемента, водоцементного отношения, направления бетонирования, способа уплотнения, условий твердения и т.д.).

Как показывают экспериментальные исследования, распределение напряжений сцепления по длине стержня не является равномерным (Рис. 5.1).

Рис. 5.1. К определению длины анкеровки l_b арматурного стержня

Характер взаимодействия с бетоном арматуры различных видов профилей также отличается. Так нарушение сцепления с бетоном арматуры, имеющей отношение высоты поперечных выступов к их шагу превышающее 0.1, происходит в результате среза бетонных шпонок, заключенных между поперечными выступами арматуры. При меньшем значении данного отношения, нарушение сцепления сопровождается смятием и оттеснением бетонной оболочки (рис. 5.2). Эти положения имеют важное значение при определении длины анкеровки арматурного стержня в конструкции.

а) Серповидный профиль б) Четырехсторонний профиль

Рис. 5.2. Внешний вид арматуры различных видов периодического профиля после выдергивания из бетонных призм

Существенное влияние на величину сцепления оказывает вид напряженного состояния по контакту арматурного стержня с бетоном. Сжимающие напряжения, вызванные внешними нагрузками и действующие в направлении, перпендикулярном к арматурному стержню, существенно повышают напряжения сцепления. Влияние на сцепление оказывает также направление действия усилия в арматурном стержне (так, усилия, вдавливающие стержень в бетон (продольное сжатие), являются большими, чем усилия, выдергивающие стержень из бетона).

Базовую длину анкеровки арматурного стержня можно определить:

(5.8)

Полученная зависимость показывает, что длина анкеровки l_b увеличивается с ростом расчетного сопротивления арматуры и диаметра арматурного стержня. Поэтому, для уменьшения длины анкеровки целесообразно использовать стержни меньшего диаметра.

Расчетную длину анкеровки ненапрягаемых стержней l_bd нормы рекомендуют рассчитывать по формуле:

(5.10)

где A_s,req – площадь продольной арматуры, требуемая по расчету;

A_s,prov – принятая по сортаменту площадь продольной арматуры;

a₁, a₂, a₃, a₄ – коэффициенты, определяемые по табл. 5.5 СНБ 5.03.01.02 и зависящие от толщины защитного слоя бетонная, вида армирования поперечными стержнями по длине анкеровки, давления, приложенного перпендикулярно к линии скольжения стержня и действующее на расчетной длине анкеровки;

l_b,min – минимальная длина анкеровки, принимаемая по СНБ5.03.01.02

Длина анкеровки (l_bd) концов отогнутой арматуры должна быть не менее:

— в растянутом бетоне – 20Æ;

— в сжатом бетоне – 10Æ.

Обрываемые в пролете стержни арматуры следует заводить за точку теоретического обрыва:

— в растянутой зоне – не менее 0,5h + 20Æ и не менее l_bd

где h – высота конструкции в точке теоретического обрыва;

— в сжатой зоне – не менее 20Æ и не менее 250 мм.

Для обеспечения анкеровки стержней продольной арматуры, заводимых за внутреннюю грань свободной опоры их длина должна быть не менее:

— в элементах, где арматура ставится на восприятие поперечной силы конструктивно – 5Æ;

— в элементах, где поперечная арматура ставится по расчету, а до опоры доводится не менее 1/3 сечения арматуры, определенной по наибольшему моменту в пролете – 15Æ;

— тоже, если до опоры доводится 2/3 сечения арматуры – 10Æ;

Для арматуры, имеющей дополнительные анкерные элементы (отгибы, петли и т.д.) значение l_bd, принимают равным не менее 70% значения l_b.

Вопросы для самоконтроля

1. Каковы условия совместной работы и факторы, обеспечивающие прочность сцепления арматуры и бетона?

2. От чего зависит длина анкеровки арматурных стержней в бетоне?

3. Как отражается усадка и ползучесть бетона на работе железобетонных конструкций?

4. В чем назначение защитного слоя бетона в конструкциях и как определяется его толщина?

5. Как воздействует окружающая среда эксплуатации на железобетонные конструкции?

Источник

Совместная работа арматуры и бетона, их сцепление в железобетонных конструкциях. Факторы от которых зависит величина сцепления. Защитный слой бетона.

Чтобы улучшить сцепление арматуры с бетоном, на поверхности стальных стержней во время их проката наносят выступы (сталь периодического профиля). Выступы можно также наносить путем сплющивания гладких стальных стержней в двух взаимно перпендикулярных направлениях на специальных станках.
Для увеличения сцепления с бетоном гладких арматурных стержней на их концах устраивают крюки. Сварные арматурные сетки и каркасы обладают повышенным сцеплением с бетоном, так как ни один стержень не может сдвинуться в бетоне без того, чтобы не разрушить несколько сварных узлов.

Совместная работа бетона и стали эффективна благодаря наличию следующих условий: бетонная смесь при затвердевании прочно сцепляется со стальными прутками; бетон защищает стальную арматуру от воздействия воды, предохраняет ее от ржавления, а также от огня; сталь и бетон практически одинаково удлиняются при нагревании и сжимаются при охлаждении, поэтому при изменении температуры не нарушается сцепление между этими материалами.

Надежное сцепление арматуры с бетоном, препятствующее сдвигу арматуры в бетоне, является основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в железобетоне и позволяющим ему работать под нагрузкой как единому монолитному телу. Надежное сцепление арматуры с бетоном создается тремя основными факторами: 1) сопротивлением бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т. е. механическим зацеплением арматуры за бетон ( 2.17, б); 2) силами трения, возникающими на поверхности арматуры, благодаря обжатию арматурных стержней бетоном при его усадке; 3) склеиванием поверхности арматуры с бетоном благодаря вязкости коллоидной массы цементного теста.

Силы сцепления, приходящиеся на единицу поверхности арматуры, обуславливают напряжение сцепления арматуры с бетоном по длине элемента.

Факторы, влияющие на величину сцепления арматуры с бетоном, следующие:

1.трение арматуры с бетоном (“+” к таким силам сцепления) Величина этих сил 0,6-1,5 МПа.

4.химическое взаимодействие между сталью и бетоном.

5.прочность бетона и его технологические параметры.

6.направление продольной силы.

Параметры: с, В/С, способ уплотнения, направление бетонирования, условие твердения.

Защитный слой бетона – это прослойка раствора от поверхности сооружения до металлического каркаса. Большое значение для бетонных сооружений имеет их защитный слой, который способствует увеличению продолжительности срока службы зданий и сооружений. Чтобы обеспечить надежную защиту постройкам из бетона, действуют согласно строительным нормам и правилам, а также руководствуются инструкцией по их изготовлению. В противном случае бетонной конструкции грозит разрушение.

Защитный слой бетона нужен для оберегания находящегося в его составе металла в результате влияния окружающей среды. Также используют защитный слой бетона для выполнения таких функций:

· сохранения и увеличения огнеупорности сооружений из бетона с добавлением железной арматуры;

· оснащения фиксации арматурного каркаса в бетонном растворе;

· оберегания металла от воздействия: влажности, нагрева, оттаивания снежных масс, а так же различных агрессивных факторов внешней среды;

· обеспечения объединенной работы бетона с каркасом из арматуры.

Защитный слой бетона для арматуры зависит от толщины пласта раствора. При тонком защитном слое металл больше подвергается проникновению влаги и порче, а в дальнейшем — разрушению всей постройки. Толстый защитный слой бетона значительно увеличивает затраты на строительство. Таким образом, важно правильно выявить нужное значение, на которое влияют такие факторы:

· Вид постройки. Это может быть основа для бассейна, фундамент, плита, балка.

· Предназначение арматуры в сооружении. Которое бывает конструктивное или рабочее, поперечное или продольное.

· Размер сечения арматуры.

· Нагрузка на арматуру. Она бывает напряженная и ненапряженная.

· Внешняя среда. Включает в себя: открытый воздух или помещение, контакт с поверхностью земли, повышенная влажность.

Таким образом, определяют требования к защитному пласту, который в свою очередь, должен:

· оберегать бетонную поверхность от возникновения коррозии;

· способствовать взаимосвязи бетона с металлом;

· ограничивать негативные вмешательства окружающей среды.

Выбирается толщина предохранительного пласта бетона, исходя из строительных требований и правил, благодаря которым возможно определение требуемых значений в различных ситуациях. Таким образом, при возведении монолитных железобетонных построек используется толщина слоя на пять миллиметров меньше толщины сечения арматуры при условии применения тяжелого материала с мелкозернистыми гранулами.

8) Усадка бетона в железобетонных конструкциях. Параметры влияющие на величину собственных напряжений в бетоне при усадке железобетона. Позитивные и негативные последствия усадки в конструкциях.

Усадка бетона незначительное сокращение бетона в объеме, сопровождающее процесс твердения его навоздухе.

В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Согласно опытным данным, усадка и набухание железобетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и набухание бетона. Стесненная деформация усадки бетона приводит к появлению в железобетонном элементе начальных, внутренне уравновешенных напряжений растягивающих в бетоне и сжимающих в арматуре. Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента и стесненной усадки армированного элемента возникают средние растягивающие напряжения в бетоне.

Влажностная усадка связана с уменьшением влагосодержания бетона, то есть с испарением свободной воды в цементном камне и обу­словлена капиллярными явлениям

Усадка повышает сцепление арматуры с бетоном, вызывая её об­жатие, что является положительным фактором.

В реальных условиях усадка бетона происходит неравномерно: развитие усадки начинается с поверхности бетона и постепенно, по мере его высыхания, распространяется вглубь. Уменьшение объёма цементного камня встречает сопротивление со стороны инертных со­ставляющих бетона, которые стремятся сохранить свой объём посто­янным.

Бетоны, приготовленные на специальных цементах (расширяю­щемся или безусадочном) усадки не дают. Особо прочные бетоны класса В100 и выше также практически не дают усадки.

Сущность предварительно напряженного железобетона. Техникоэкономическая эффективность преднапряженного железобетона. Принципиальные схемы и способы создания предварительного напряжения железобетона.

. Сущность.Под предварительно напряженными понимают железобетонные конструкции, элементы, изделия, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в части или во всей рабочей арматуре и обжатие всего или части бетона.

Обжатие бетона в предварительно напряженных конструкциях на заданную величину осуществляется предварительно натянутой арматурой, стремящейся после отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние

Следовательно, трещиностойкость предварительно напряженных конструкций в 2…3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона. Точка 9 характеризует образование трещин в железобетонных конструкциях, а точка 11—в предварительно напряженных конструкциях.

В результате применения преднапряженного железобетона в некоторых случаях удаётся снизить общий вес зданий до 40%, что свидетельствует о существенном снижении материалоёмкости строительства (в первую очередь расхода стали и бетона) при одновременном сохранении высокого уровня показателей надёжности конструкций. Как следствие – себестоимость строительства зданий сокращается до 30%.

Способы изготовления предварительно-напряженных Железобетонных конструкций по своей принципиальной схеме делят на две группы: натяжение арматуры на упоры, натяжение арматуры на бетон^)

Изготовление элементов снатяжением на упо- р ы. ( Арматуру укладывают в форму до бетонирования элемента. Один ее конец закрепляют в упоре, другой — в натяжном приспособлении. После натяжения арматуры до заданных напряжений (в пределах упругих деформаций) закрепляют и второй конец в другом упоре. Затем элемент бетонируют. Когда бетон наберет необходимую прочность, арматуру освобождают от упоров (отпускают).

При натяжении арматуры на бетон сначала изготавливают бетонный или слабоармированный элемент, затем по достижении бетоном прочности Rbp создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Это осуществляется следующим образом: напрягаемую арматуру заводят в каналы или пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают с помощью домкрата, упираясь прямо в торец изделия. При этом обжатие бетона происходит уже в процессе натяжения арматурыСцепление арматуры с бетоном достигается за счет того, что после обжатия инъецируют (нагнетают в каналы цементное тесто или раствора под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники – отводы).

Натяжение на упоры является более индустриальным способом в заводском производстве. Натяжение на бетон применяется главным образом для крупноразмерных конструкций, создаваемых непосредственно на месте их возведения.

10. Назначение величины предварительного напряжения арматуры. Длина зоны передачи предварительного напряжения на бетон. Потери предварительного напряжения арматуры.СП 52-102-2004

Предварительное напряжение s_0,max следует назначать с учетом допустимых отклонений значения предварительного напряжения р таким образом, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

(9.2)

Значение р при механическом способе натяжения арматуры следует принимать равным 0,05s_0,max, а при электротермическом и электротермомеханическом способах определять по формуле

,(9.3)

где l — длина натягиваемого стержня (расстояние между наружными гранями упоров), м;

Потери предварительного напряжения в арматуре s_losсостоят из потерь, происходящих при изготовлении конструкции до ее обжатия и в процессе обжатия – это первые потериs_{los 1}и потерь, происходящих после обжатия и проявляющихся в течении длительного времени – это вторые потериs_{los 2}.

Первые потери: От релаксации напряжений s₁арматуры; От температурного перепадаs₂; От деформации анкеровs₃, расположенных у натяжных устройств; Потери от трения о возможные точки касанияs₄; От деформаций стальной формыs₅; От быстро натекающей ползучестиs₆.

Обычно, чем выше предварительное натяжение арматуры, тем больше его положительное влияние на работу конструкции. Однако при этом должна быть исключена возможность развития микротрещин и разрушения бетона усилием обжатия.

Расчет железобетонных конструкций по методу предельных состояний. Понятие предельного состояния, две группы предельных состояний. Основные предпосылки и цели расчета конструкций по первой и второй группам предельных состояний. (Привести примеры предельных состояний).

Само название «предельное состояние» обозначает, что для любой конструкции при определенных условиях наступает такое состояние, при котором исчерпывается какой-то определенный предел. Условно, вывели два: первое пред.сост. – это когда исчерпывается предел прочности, устойчивости и выносливости конструкции; второе пред. сост. – когда деформации конструкции превышают предельно допустимые (ко второму предельному состоянию для железобетона также относят ограничение по возникновению и раскрытию трещин).

· аварийное предельное состояние, соответствующее разрушению сооружений при аварийных воздействиях и ситуациях с катастрофическими последствиями;

· устанавливаемые в нормах или заданиях на проектирование другие предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию строительных объектов.

Любой расчет начинается со сбора нагрузки. Затем следует выбор расчетной схемы и непосредственно расчет, в результате которого мы определяем усилия в конструкции: моменты, продольные и поперечные силы. И только после того, как усилия определены, мы переходим к расчетам по первому и второму предельному состоянию. Обычно они выполняются именно в такой последовательности: сначала по первому, потом по второму. Хотя бывают исключения.

-потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций и т. п.) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов; расчет на всплытие заглубленных или подземных резервуаров и т. п.);

-усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющейся нагрузки подвижной или пульсирующей: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов и перекрытий под неуравновешенные машины и т.п.);

-разрушение от совместного воздействия силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (периодического или постоянного воздействия агрессивной среды, действия попеременного замораживания и оттаивания и т. п.).

Расчет по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить:

-образование чрезмерного или продолжительного раскрытия трещин (если по условиям эксплуатации образование или продолжительное раскрытие трещин допустимо);

-чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).

Расчет по предельным состояниям конструкции в целом, а также отдельных ее элементов или частей производится для всех этапов: изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации; при этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов

Классификация нагрузок. По времени действия нагрузки делят на постоянные и временные. В свою очередь, временные нагрузки делят на длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относятся: масса частей зданий и сооружений, в том числе масса несущих и ограждающих строительных конструкций; масса и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление; воздействие предварительного напряжения конструкций.

К длительным нагрузкам относятся: масса стационарного оборудования (станков, аппаратов, моторов, емкостей, ленточных конвейеров, подвесных конвейеров и т. п.), и подобных зданий и помещений; длительные температурные воздействия от стационарного оборудования

нагрузкам относятся: нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования (кранов, тельферов и т. п.); масса людей, деталей, ремонтных материалов в зонах

воздействия неравномерных деформаций основания, вызванных коренным изменением структуры грунта.

Нормативные и расчетные нагрузки. Установленные нормами СНиП II-6-74 нагрузки, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации, называют нормативными нагрузками.

Нормативные значения нагрузок принимают: для постоянных нагрузок — но проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности с учетом данных заводов-изготовителей о фактической массе конструкции; для технологических (от оборудования, приборов, материалов, обстанов— ки, людей и др.) и монтажных нагрузок — по наибольшим значениям для нормальной эксплуатации; для атмосферных нагрузок (снеговой, ветровой)—по средним из ежегодных неблагоприятных значений.

Нагрузки, которые действуют на конструкцию в процессе ее эксплуатации, обладают определенной изменчивостью и могут отличаться от значений, установленных нормами.

Расчетные нагрузки при расчете конструкций по деформациям и перемещениям (по второй группе предельных состояний) принимают равными нормативным значениям (если не указаны иные значения).

Расчетное сопротивление бетона осевому сжатию — такая же характеристика, как и нормативное сопротивление, однако ее обеспеченность составляет: для расчета по предельным состояниям первой группы Rb — 0, 997, второй группы Rbser — 0,95.

Нормативные сопротивления бетона – это сопротивление осевому сжатию бетонных призм (призменная прочность) Rbn и сопротивление осевому растяжению Rbtn, которые определяются в зависимости от класса бетона по прочности (при обеспеченности 0,95).

Расчетные сопротивления бетона получают путем деления нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по материалу:

— расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, где — коэффициент надежности по бетону при сжатии, зависящий от вида бетона.

— расчетное сопротивление бетона осевому растяжению, где — коэффициент надежности по бетону при растяжении, зависящий от вида бетона.

Нормативные нагрузки и коэффициенты надежности по нагрузке. Произведение этих величин называют расчетной нагрузкой. Значения нормативных величин постоянных нагрузок от собственной массы строительных конструкций определяют по проектным размерам конструкций и по нормативным (среднестатистическим) значениям плотностей материалов с учетом фактической массы, приведенной заводами-изготовителями, или по установленным для них стандартам.

Коэффициент надежности по нагрузке принимают дифференцированно в зависимости от характера нагрузок. Например, для нагрузки от массы конструкций, оборудования и грунтов имеют следующие значения:

Конструкции из легких бетонов (плотностью менее 1600 кг/м3), а также изоляционные, выравнивающие и отделочные элементы конструкций (плиты, скорлупы, рулоны, засыпки, стяжки и т. п.), выполняемые:
в заводских условиях 1,2 (0,9)
на строительной площадке 1,3 (0,9)

Источник