Ім'я файлу: Budivelni_materialy.pdf
Розширення: pdf
Розмір: 4132кб.
Дата: 07.06.2023
скачати
Пов'язані файли:
Розширення: pdf
Розмір: 4132кб.
Дата: 07.06.2023
скачати
Пов'язані файли:
Запитання для самоперевірки
1.
Які завдання розрахунку будівельних конструкцій.
2.
Що таке граничний стан конструкцій?
16 3.
Перерахуйте і назвіть групи граничних станів будівельних конструкцій.
4.
Як поділяють навантаження залежно від часу дії? Які навантаження зараховують до постійних і які до тимчасових?
5.
Що таке нормативні і розрахункові навантаження?
6.
Назвіть сполучення навантажень під час розрахунків конструкцій.
7.
Що таке нормативні і розрахункові опори матеріалів?
8.
Що таке коефіцієнти надійності матеріалу, умов роботи конструкцій, надійності за призначенням конструкції.
17
2.
МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ЗАЛІЗОБЕТОНУ І ЇХ ОСНОВНІ
ВЛАСТИВОСТІ
2.1. Класифікація бетонів
Бетон - комплексний будівельний матеріал, в якому великі і дрібні заповнювачі з’єднані в'яжучим (цемент, рідке скло), чинять опір навантаженням як одне монолітне тіло.
Хоча бетон являє собою матеріал грубої неоднорідної структури, йому можна надавати цілком певні наперед задані міцності, фізичні (або фізико- механічні) і деформаційні властивості.
До міцностних властивостей відносять нормативні та розрахункові характеристики бетону при стисненні і розтягуванні, зчепленні бетону з арматурою; до фізичних - водонепроникність, морозо- жаростійкість, корозійну стійкість, вогнестійкість; до деформативних - стисливість і розтягуваність бетону під навантаженням, повзучість і усадка, набухання і температурні деформації.
Фізико-механічні властивості залежать від способу виготовлення бетону і матеріалів і визначаються структурою бетону і умовами твердіння.
Класифікація бетону:
Бетони класифікують за такими ознаками: за призначенням: конструкційні - бетони несучих і огороджувальних конструкцій будівель і споруд, вимогами до якості яких є вимоги за фізико-механічними характеристиками; спеціальні - бетони, до яких пред'являються спеціальні вимоги відповідно до їх призначення.
До спеціальних бетонів відносять жаростійкі, хімічно стійкі, декоративні, радіаційно-захисні, теплоізоляційні та ін. бетони. за видом в'яжучої речовини: цементні (на основі клінкерних цементах); силікатні (на основі вапна в поєднанні з цементами, активними мінеральними добавками); шлакові (на основі мелених шлаків і зол з активізаторами твердіння); гіпсові (на основі напівводного гіпсу або ангідриту, включаючи гіпсоцементно-пуццоланові і т.п. ); спеціальні (бетонополімери, полімербетон, цементно-полімерні бетони). по виду заповнювачів: щільних заповнювачах (щільні гірські породи і шлаки); пористих заповнювачах (штучні і природні мінеральні пористі наповнювачі, а також пористі великі і щільні дрібні заповнювачі);
18 спеціальних заповнювачах (органічні наповнювачі). за структурою: щільні - бетони, у яких простір між зернами великого і дрібного або тільки дрібного заповнювача заповнене затверділим в'яжучим і порами залученого газу або повітря, в тому числі утворюються за рахунок застосування добавок, що регулюють пористість в обсязі не більше 7%; поризовані - бетони щільної структури на цементному в'яжучому
і щільних дрібних заповнювачах; пористі - бетони, у яких основну частину обсягу складають рівномірно розподілені пори у вигляді осередків, отриманих за допомогою газо- або піноутворювачів; великопористі - бетони, у яких простір між зернами великого і дрібного заповнювача неповністю заповнене або зовсім не заповнено дрібними заповнювачами і затверділими в'яжучими, поризованими домішками, що регулюють пористість в обсязі не більше 7%. за умовами твердіння бетону: в природних умовах; в умовах обробки їх при атмосферному тиску; в умовах обробки їх при тиску вище атмосферного (автоклавного твердіння). за густиною: особливо важкі (ρ> 2500 кг / м
3
); важкі (ρ = 2200 ÷ 2500 кг / м
3
); полегшені (ρ = 1 800 ÷ 2200 кг / м
3
); легкі (ρ = 800 ÷ 1800 кг / м
3
); особливо легкі (ρ≤500 кг / м
3
).
2.2. Структура бетону і його вплив на міцність і деформативність.
Структура бетону грубо неоднорідна і залежить від багатьох факторів.
Вона формується у вигляді просторової решітки з цементного каменю, заповненої зернами великих і дрібних заповнювачів і пронизаної численними мікропорами і капілярами, що містять хімічно зв'язану воду, водяну пару і повітря.
З фізичної точки зору бетон являє собою капілярно-пористе тіло, в якому різко порушена суцільність маси і присутні всі три фази: тверда, рідка
і газоподібна. При цьому цементний камінь, що скріплює бетон, також неоднорідний і складається з пружного кристалічного складу і в'язкої маси - гелю, таким чином, це наділяє бетон пружнопластичними-повзучими властивостями. Ці властивості проявляються в характері деформування бетону під навантаженням, під взаємодією з режимом температурної вологості навколишнього середовища. В часі кристалічний склад збільшується, а гелева частина зменшується.
19
Рекомендоване водоцементне відношення В / Ц ≈ 0,2. Однак з технологічних міркувань - для досягнення достатньої рухливості і легкоукладальності бетонної суміші - кількість води беруть з деяким надлишком (В / Ц = 0,5 ÷ 0,6) Якщо В / Ц> 0,6, то міцність бетону зменшується.
Склад бетону, різний по крупності: від мікрочастинок до макрочасток цементу, обумовлює нерівномірні деформації.
Розглянемо діаграму початку і кінця тріщиноутворення бетону (рис.
2.1)
Рис. 2.1. Діаграма початку і кінця тріщиноутворення
o
T
R
початок мікротріщиноутворення;
T
R
кінець мікротріщиноутворення.
Фактично кінець мікротріщиноутворення є межею тривалої міцності бетону, тобто
)
(
b
T
R
R
де
)
(
b
R
межа тривалої міцності бетону
При досягненні межі тривалої міцності бетону кількість тріщин досягає максимального значення (насичення).
sh
b
R
межа короткочасної міцності бетону (діапазон ущільнення бетону)
p
e
e
де - коефіцієнт пружнопластичності;
e
- пружні деформації;
p
- непружні деформації;
p
e
b
- повні деформації
Якщо будь-яким способом забезпечувати сталість деформацій (тобто
20
= Const), то на діаграмі буде вниз спадаюча гілка.
Навколо пор і пустот при одноосьовому стисканні утворюються, по поздовжніх майданчиках розтягуючі структурні напруження, врівноважені стискаючими напруженнями. Внаслідок частого і хаотичного розташування порожнин відбувається взаємне накладення напружень, що розтягують бетон, а це призводить до появи і розвитку мікротріщин задовго до його руйнування (рис. 2.2).
а) б)
Рис. 2.2. Схема утворення тріщин: а) - концентрація напруг у мікро- і макропор; б) - розрив бетону в поперечному напрямку
Відсутність закономірності в розташуванні наповнювачів в затверділому бетоні, розмірі пор призводить до розкиду показників міцності, що призводить до великої кількості лабораторних і натурних експериментів.
На міцність бетону великий вплив має швидкість навантаження зразків
(рис. 2.3).
Рис. 2.3. Діаграма швидкостей навантаження
21
При уповільненому навантаженні зразків міцність бетону на 10 ÷ 15% менше, ніж при коротко-часовому. При швидкому навантаженні міцність бетону зростає до 20%).
Бетон має різну міцність при різних силових впливах: стисненні, розтягненні, вигині, зрізі. Розрізняють декілька характеристик міцності бетону: кубикову і призмову міцність; міцність при зрізі і сколюванні; міцність при тривалій, короткочасній і динамічній дії навантажень, при багаторазових повторних навантаженнях.
2.3. Кубікова та призмова міцність.
З усіх міцностей бетону найбільш просто визначається його міцність при стисненні, а високий опір бетону стиску є його цінною властивістю, що використовують в залізобетонних конструкціях. Тому за основну характеристику міцностних і деформативних властивостей бетону прийнята його міцність на осьовий стиск.
Для оцінки міцності застосовують роздавлювання на пресі виготовлених в тих же умовах, що і реальні конструкції кубів бетону. За стандартні зразки приймають куби розмірами150х150х150 мм, випробування яких відбувається при температурі 20 ± 2 ºC через 28 днів твердіння в нормальних умовах.
Дослідами встановлено, що міцність бетону одного і того ж складу залежить від розміру куба: якщо тимчасовий опір стиску бетону для базового куба з ребром 150 мм дорівнює R (рис. 2.4), то для куба з ребром 200 мм воно зменшується до 0,93R, а для куба з ребром 100 мм - збільшується до 1,1R.
Рис. 2.4. Стандартний бетонний зразок для визначення міцності на стиск з розмірами ребра 150 мм
Різний тимчасовий опір стиску зразків різної форми пояснюється впливом сил тертя, що виникають між сторонами зразка і опорними плитами преса та неоднорідністю структури бетону. Поблизу опорних плит сили тертя, спрямовані всередину зразка, створюють обойму, отже, збільшується міцність зразків при стисканні. Вплив сил тертя в міру віддалення від торців знижується, таким чином, бетонний куб при руйнуванні отримує форму двох усічених пірамід, звернених один до одного вершинами (рис. 2.5. а). При
22 зменшенні сил тертя за допомогою мастила характер руйнування змінюється
(рис. 2.5, б): замість виколювання з боків зразка пірамід відбувається розколювання його по тріщинах, паралельним напрямку дії зусилля. При цьому тимчасовий опір бетону стиску зменшується.
а) б)
Рис. 2.5. Схема деформування бетону при стисканні: а) - при наявності тертя по опорним площинах; б) - при відсутності тертя, 1 - мастило
Оскільки залізобетонні конструкції за формою відрізняються від кубів, в розрахунках їх міцності не може бути безпосередньо використана кубикова міцність бетону.
Основною характеристикою міцності бетону стиснутих елементів є призматична міцність R
b
Досліди на бетонних призмах зі стороною основи а й висотою h показали, що призмова міцність R
b
менше кубикової і вона зменшується зі збільшенням відношення
a
h
Призмова міцність стає майже стабільною і рівною приблизно R
b
≈
0,75R. Як і для кубиків, це явище пояснюється різним ступенем впливу сил тертя по торцях зразків - чим більше розмір зразка і більше відстань між його торцями, тим менше вплив сил тертя. Вплив гнучкості бетонного зразка стає відчутним при
8
a
h
Крива, наведена на рис. 2.6, ілюструє залежність
R
R
b
від
a
h
за усередненими дослідними даними.
Таким чином, призмова міцність R
b
- це тимчасовий опір осьовому стиску призми R
bu
з відношенням сторін
4
a
h
23
Рис. 2.6. Графік залежності призмової міцності бетону від відносини розмірів зразка
2.4. Міцність бетону на осьовий розтяг
Згідно дослідних даних міцність бетону на розтяг R
bt
в 10 - 20 разів менше, ніж міцність на стиск, причому відносна міцність на розтяг зменшується зі збільшенням класу бетону. Дійсний опір розтягу дізнатися важко. На практиці використовують дослідні зразки у вигляді вісімок з розміром поперечного перерізу 100 × 100 мм (рис. 2.7). Причиною низького розтягу бетону є неоднорідність структури бетону, наявність внутрішніх напружень, слабке зчеплення між цементним каменем.
Рис. 2.7. Схема випробування зразка для визначення міцності бетону при осьовому розтягуванні на розрив
Тимчасовий опір бетону осьовому розтягу визначають за формулою:
3
h
b
M
W
M
R
руйн
руйн
bt
де
руйн
M
руйнівний момент;
W
момент опору зразка прямокутного перерізу; коефіцієнт, що враховує криволінійний характер епюри напружень в бетоні вигнутої зони внаслідок пружно-пластичних властивостей бетону
24
2.5. Міцність бетону на зріз і сколювання
Чистий зріз - це поділ елемента на частини по перерізу, до якого прикладені перерізуючі сили.
При цьому виникає напружений стан, коли головні напруження
3 1
,
0 2
, а максимальне дотичне напруження
1
max
Дійсний опір зрізу надають зерна великих заповнювачів, що працюють як шпонки в площині зрізу. При зрізі розподіл напружень по площі перетину вважається одномірним.
У залізобетонних конструкціях чистий зріз зустрічається рідко; зазвичай він супроводжується дією поздовжніх сил (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Схема випробування бетонного зразка на зріз: 1 - випробуваний зразок; 2 - нерухомі сталеві опори; 3 - площина зрізу
Тимчасовий опір бетону на зріз можна визначити за емпіричною залежністю:
R
sh
= 2 × R
bt
Чисте сколювання - взаємне зміщення (зсув) частин елементу між собою під дією сколюючих (зсувних) зусиль.
Опір сколюванню виникає при вигині залізобетонних балок до появи в них похилих тріщин (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Схема випробування бетонного зразка на сколювання: 1 - робоча арматура; 2 - прорізи (щілини); 3 - ділянки, де відбувається сколювання бетону
25
Сколювальні напруження по висоті перетину змінюються по квадратній параболі. Тимчасовий опір бетону на сколювання можна визначити за емпіричною залежністю:
R
скол
≈ (1,5 ÷ 2) × R
bt
2.6. Класи і марки бетону.
Клас - це поняття, що дозволяє отримати значення основних контрольних показників бетону, що задаються при проектуванні.
Марка оцінює основні фізичні властивості бетону.
Існує клас бетону по міцності на стиск B по міцності на розтяг Bt.
Клас бетону за міцністю на стиск - це значення тимчасового опору бетонних кубів з розміром ребра 150 мм, випробуваних у відповідності зі стандартами протягом 28 діб при температурі 20 ± 2 ºC з урахуванням 95% забезпеченості їх міцності.
Для оцінки мінливості міцності і забезпечення гарантії для заданого значення використовують криву розподілу теорії ймовірності.
Середнє значення тимчасового опору бетону на стиск, встановлене при випробуванні партії стандартних кубів та визначають за залежністю:
k
i
i
k
k
m
n
R
n
R
n
R
n
R
1 2
2 1
1
де
k
n
n
n
,...,
,
2 1
число випадків, в яких було встановлено тимчасовий опір відповідно
k
R
R
R
,...,
,
2 1
;
k
i
i
n
1
загальне число випробувань в партії
Середнє квадратичне відхилення міцності бетону - це величина, що характеризує через розкид міцності експериментальних значень.
Середнє квадратичне відхилення міцності бетону визначають по залежності (2.5):
1
)
(
1 2
n
R
R
n
k
i
m
i
i
m
Коефіцієнт варіації міцності бетону це відношення середнього квадратичного відхилення міцності бетону до середнього значення тимчасового опору бетону на стиск.
Коефіцієнт варіації міцності бетону визначають за залежністю:
m
m
m
R
26
Чим досконаліше виробництво і технологія приготування бетонної суміші, тим менший коефіцієнт варіації міцності і економічніше виробництво.
Лабораторні дослідження для важких, дрібнозернистих і легких бетонів показали, що коефіцієнт варіації міцності бетону при стисканні
135
,
0
m
При показнику надійності
64
,
1
, який характерний для забезпеченості 95%
їх міцності, клас бетону за міцністю на стиск визначають за формулою:
m
m
R
B
або
)
1
(
m
m
R
B
Таким чином, гарантована міцність заданого нормами класу бетону на стиск дорівнює:
m
m
R
R
B
78
,
0
)
35
,
1 64
,
1 1
(
Коефіцієнт варіації міцності бетону при розтягуванні
165
,
0
m
, тоді гарантована міцність заданого нормами класу бетону на розтяг дорівнює:
mt
mt
t
R
R
B
73
,
0
)
65
,
1 64
,
1 1
(
На рис. 2.10 показана крива розподілу міцності.
Рис. 2.10. Крива розподілу міцності
Марка бетону за морозостійкістю F - число витриманих циклів заморожування і відтавання водонасичених зразків, випробуваних у відповідності зі стандартом, при якому міцність падає не більше ніж на 15% в порівнянні з міцністю зразка, що не піддається заморожуванню.
Нормами встановлюють марки бетону за морозостійкістю від F 15 до F
1000.
Для кожного конкретного випадку марку бетону за морозостійкістю приймають в залежності від розрахункової зимової температури зовнішнього повітря, умов роботи і класу будівель.
Марка бетону за водонепроникністю W - найбільший тиск води (МПа), при якому не спостерігається її просочування через стандартний зразок, виготовлений за Держстандартом.
27
Цю марку приймають для конструкцій, до яких пред'являють особливі обмеження водонепроникності (резервуари, напірні труби, силоси).
Норми встановлюють марки бетону за водонепроникністю від W2 до
W20, де цифрами позначають тиск води, при якому коефіцієнт фільтрації (м / с) не перевищує нормативного значення.
Конкретну марку бетону за водонепроникністю приймають в залежності від класу будівель, умов експлуатації конструкцій або максимального градієнта напору, що представляє відношення напору до товщини елемента.
Марка бетону за середньою густиною D - це гарантована власна маса бетону (кг / м
3
), контрольована на базових зразках у встановлені терміни відповідно до Держстандарту.
Марку за середньою густиною приймають для конструкцій, до яких пред'являють вимоги теплоізоляції.
Норми встановлюють марки за середньою густиною від D 200 до D
5000, де цифри позначають масу бетону.
Для напрягаючих бетонів встановлюють марку за самонапруженням.
Марка бетону за самонапруженням Sp - гарантоване значення попереднього напруження в бетоні (МПа), що створюється в результаті його розширення при наявності поздовжньої арматури в кількості 1% і контрольоване на базових зразках у встановлені терміни відповідно до
Держстандарту.
Марку бетону за самонапруженням приймають в залежності від пропонованих до самонапружених конструкцій вимог по тріщиностійкості і жорсткості.
2.6. Модуль деформації бетону і міра повзучості.
Початковий модуль пружності Е
в
бетону при стисканні - це величина, що відповідає миттєвому завантаженню. Геометрично - це тангенс кута нахилу прямої пружних деформацій.
e
b
b
E
,
0
tg
E
b
Модуль повних деформацій бетону при стисненні
A
b
E
відповідає повним деформаціям, враховуючи повзучість. Це змінна величина.
Геометрично - це тангенс кута нахилу дотичної до кривої в точці з заданою напруженням
1
tg
E
A
b
Для розрахунку залізобетонних конструкцій використовують модуль пружнопластичності (січний модуль). Це тангенс кута нахилу січної, що проходить через початок координат і будь-якої точки, заданої на діаграмі
2
tg
E
b
28
Рис.2.10. Схема для визначення модуля деформації в бетоні
Якщо ми виразимо одне і те ж саме напруження
b
через пружні деформації
e
і повні деформації
p
e
, то отримуємо
b
p
e
b
b
b
E
E
)
(
,
p
e
p
- коефіцієнт пластичності
pl
e
e
– коефіцієнт пружнопластичної деформації бетону відповідно
b
b
E
E
1 1
b
p
b
p
b
Для ідеального пружного матеріалу
,
0
p
1
, для ідеального пластичного матеріалу
,
p
0
Залежність між напруженнями і деформаціями повзучості виражають мірою повзучості
b
C
b
b
b
b
b
b
b
p
b
b
b
b
b
C
E
E
E
E
;
де
Міра повзучості залежить від класу бетону і його модуля пружності.
29
2.7. Реологічні властивості бетону
Усадка – зменшення бетону в об’ємі при твердінні в звичайному середовищі.
Набухання – збільшення бетону в об’ємі при твердінні у воді.
Повзучість – властивість бетону, що характеризується збільшенням непружних деформацій в часі при постійних напруженнях.
Релаксація – зменшення в часі напружень при постійній початковій деформації.
Якщо досліджуваний зразок завантажити по етапам і вимірювати деформації на кожному етапі по два рази (відразу після прикладання навантаження і через деякий час), то отримаємо ламану лінію. Деформації, що вимірюються відразу є пружними. При достатньо великій кількості вимірювань ламана лінія стає плавною кривою.
Рис.2.11. Діаграма залежностей напружень та деформацій при різних етапах завантаження: 1 – пружні деформації, 2 – повні деформації
Досліди з бетонними призмами показують, що не залежно з якою швидкістю було отримане напруження
, кінцеві деформації повзучості які відповідають цьому напруженню будуть однакові. Зі збільшенням напруження повзучість збільшується.
Багаторазове повторення циклів завантаження – розвантаження до досягнення
. Після достатньо великої кількості циклів непружних деформацій, що відповідають даному рівню напружень, повзучість досягає свого граничного значення, бетон починає працювати як пружний
r
b
R
При великих напруженнях непружні деформації необмежено зростають і бетон руйнується.
30
Запитання для самоперевірки
1. Структура і види бетону.
2. Як впливає форма і розміри зразків на міцність бетону?
3. Які чинники впливають на механічні властивості бетону?
4. Що таке клас бетону і марка бетону? Які класи і марки бетону встановлені нормами?
5. Назвіть основні види деформацій бетону.
6. Яка деформація бетону при довготривалих навантаженнях?
7. Яка деформація бетону від усадки?
8. Що таке модуль деформації бетону?
31
3. АРМАТУРА ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ
3.1. Загальні відомості
Під арматурою розуміють гнучкі або жорсткі стрижні, переважно зі сталі, які розміщені в масі бетону відповідно до епюр згинальних моментів, поперечних і поздовжніх сил, що діють на конструкцію протягом усього періоду існування конструкції.
Призначення арматури - сприймати розтягуючі зусилля, а так само усадочні і температурні напруження в елементах конструкцій.
Рідше арматуру використовують для посилення бетону стиснутої зони зігнутих елементів, проте вона ефективна лише для армування колон. Будучи важливою складовою частиною залізобетону, арматура повинна відповідати спеціальним вимогам:
- надійно працювати спільно з бетоном на всіх стадіях експлуатації конструкції;
- використовуватися до фізичної або умовної межі текучості при втраті несучої спроможності;
- забезпечувати зручність арматурних робіт і можливість їх механізації.
За функціональним призначенням розрізняють робочу та монтажну арматуру.
Під робочою розуміють арматуру, площа перерізу А
s
якої визначають розрахунком на дію зовнішніх навантажень. Поздовжня робоча арматура сприймає подовжні зусилля. Розташовують її паралельно навантаженим граням елементів. Поперечна арматура спрямована перпендикулярно поздовжньої. Вона сприймає поперечні зусилля. Поперечна арматура включає в себе хомути і відгини. Арматура встановлюється на розтягнутих волокнах конструкції. При цьому розрахунок необхідно виконувати на всіх стадіях - виготовлення, транспортування, зберігання, монтажу та експлуатації. Вміст робочої поздовжньої арматури в елементах залізобетонних конструкцій визначають відношенням загальної площі перерізу A
s
робочих стрижнів до перетину А
b
бетону.
b
s
A
A
- коефіцієнт армування (%).
Під монтажною (поперечною і поздовжньою) розуміють арматуру, що встановлюється без розрахунку (за конструктивними і технологічними міркуваннями). Вона призначена для більш рівномірного розподілу зусиль між окремими стрижнями робочої поздовжньої арматури і для збереження проектного положення робочої поздовжньої і поперечної арматури в конструкції при бетонуванні.
Монтажну арматуру встановлюють так само для часткового сприйняття, що не враховуються розрахунковими зусиллями від усадки і повзучості бетону.
Залежно від виду поперечного перерізу розрізняють сталеву арматуру: гнучку - з стрижнями круглого перетину (або періодичного профілю) і
32 жорстку - з фасонного прокату (двотаврів, швелерів, куточків). Останній вид арматури застосовується рідко.
У залізобетонних конструкціях при наявності агресивного середовища
є велика небезпека корозії сталевої арматури. Для таких конструкцій можливе застосування неметалевої арматури (склопластики).
Рис. 3.1. Армування плити: 1 – робоча арматура; 2 – конструктивна арматура
Гнучка арматура - володіє пластичністю, гарною зварюваністю, високою міцністю і межею витривалості, достатнім порогом холодоламкості.
Міцність характеризується межею текучості - це межа, при якій ростуть пластичні деформації стали без збільшення зовнішнього навантаження.
Умовна межа текучості - це напруження, що відповідає залишковим деформаціїям 0,2%.
Умовна межа пружності - це напруження, що відповідає залишковим деформацій 0,02%.
За межу витривалості приймають міцність, коли немає крихкого руйнування при числі циклів n = 1 * 105.
Тимчасовий опір - граничний опір, коли відбувається звуження зразку
(утворення шийки) і розрив.
Якщо в сталевому стрижні створити напруження розтягу, що потрапляють на діаграмі за ділянку плинності в область зміцнення матеріалу, а потім стрижень розвантажити, то діаграма розвантаження отримує вигляд прямої лінії і стрижень отримує залишкові пластичні деформації. При повторному завантаженні, оскільки пластичні деформації сталі вже обрані, нова лінія діаграми зіллється з лінією розвантаження, залишаючись паралельною ділянці, що характеризує пружну роботу матеріалу. Однак
33 перегин лінії діаграми - початок нової ділянки плинності - настане вже при більш високій напрузі. Такі сталі називають холоднодеформовані.
Рис. 3.2. Діаграма при розтягу арматурної сталі: а – з ділянкою текучості (мягка сталь); б – з умовною межею текучості
Межа витривалості - це здатність арматури сприймати тривалий час знакозмінні напруги.
Холодноламкість - це крихке руйнування при температурі нижче -30˚.
При високих температурах ( 350º) знижується міцність.
Найбільша увага приділяється стрижневій гнучкій арматурі, що обумовлено її відносно високими пластичними властивостями, що забезпечують зниження в розрахункових перетинах елементів небезпечної концентрації напружень, внаслідок їх перерозподілу. Маловуглецева стрижнева арматура добре зварюється контактним стиковим або ручним дуговим зварюванням, економічна, має найменшу трудомісткістю при армуванні залізобетонних конструкцій
3.2. Види і класи арматури
Спосіб виготовлення і форма поверхні визначає вид арматури.
Розрізняють арматуру:
1. Стрижневу: гарячекатану, термостійку і термомеханічно зміцнену;
2. Дротяну: холоднотягнуту звичайну і міцну.
3. За початковим напруженим станом: напружувану і ненапружену.
Гарячекатана арматура - це сталева арматура у вигляді окремих стрижнів круглого, еліптичного, квадратного і інших перетинів.
Перевагу віддають круглому перетині, тому що така арматура найбільш технологічна у виготовленні і не має гострих кутів, що врізаються в бетон і сприяють утворенню тріщин. Клас такої арматури позначають буквою А і римською цифрою в старому СНиП 2.03.01-84 * «Бетонні і залізобетонні конструкції» (чим більше цифра, тим вище міцність), а в ще не затвердженому посібнику до СНиП 52-01-2003 звичайними цифрами:
- А-I (А 240) - гладка;
34
- А-II (А 300), А-III (А 400), А-IV, А-V, A-VI - періодичного профілю.
Така сталь не піддається після прокату термічній обробці.
Ат-III, Ат-IV, Ат-V, Ат-VI - термічно і термомеханічно зміцнена, тобто піддається після прокату термічній обробці;
А-IIIв - зміцнена витяжкою.
Холоднотягнута арматура - це сталева дротяна арматура, яку протягують крізь філь’єри. Позначають буквою В від слова «волочіння».
Вр-I (В500) - періодичного профілю;
По-II - гладка високоміцна;
Вр-II - високоміцна рифлена;
К-7, К-19 - дротяні канати відповідно семи- і дев’ятнадцяти- дротові і
ін.
За профілем прутиків арматуру поділяють на гладку та періодичного профілю.
Арматура гладка – це круглі в перерізі прутики з гладкою зовнішньою поверхнею.
Арматура періодичного профілю - це арматура, на поверхні якої є часто розташовані кільцеві виступи, що забезпечують надійне зчеплення з бетоном без пристрою анкерних гаків на кінцях стрижнів.
Рис.3.3. Види арматури періодичного профілю: а – стрижнева класу
А300(А II); б – стрижнева класу А500(AIV)
Ненапружувана арматура - арматура, що укладається без попереднього натягу (напруження).
Як ненапружену арматуру переважно застосовують сталь класів А-III
(А400), А-IVC, Вр-I (В500), А-I (А240), А-II (А300), допускається застосування А-1V.
Напружена арматура - перевага сталі класів Ат-VI, Ат-V в елементах довжиною до 12 м, допускається також сталь класів А-IV, А-V, А-VI; при великій довжині - сталь класів В-II, Вр-II, К-7, К-19.
35
3.3. Стикування ненапруженої арматури
За способом виробництва стики стрижнів діляться на зварні, незварні
(внахлест), за місцем виготовлення - заводські і монтажні.
Незварні стики менш економічні, тому їх застосовують тільки для стикування зміцненої стрижневої арматури.
Рис. 3.4. Арматурні дротові вироби: а – дротові канати К-7, К-19; б – пакети із дроту класу Вр-II; в – однорядні (із 18 окремих дротів та із
6 семи дротових канатів) та багаторядні (із 60 та 28 дротів);
1 – трубка із покрівельної сталі; 2 – анкер; 3 – скрутки із мягкого дроту;
4 – відрізки спіралі із стального дроту; 5 – семидротові канати;
6 – окремо укладені дроти; 7 – коротуни
18 мм, довжиною 100 мм, з кроком 1000 мм – для вільного заповнення порожнини пучка розчином;
8 – багаторядний пучок; 9 – двохрядний пучок
Залежно від виду арматури і умов виготовлення застосовують різні види зварних стиків:
-контактні;
-ванний в інвентарній формі;
-внакладку;
-таврові і т.п.
Зварні стики виконуються відповідно до ДСТУ Б В.2.6-182:2011
«З`єднання зварні стикові і таврові арматури залізобетонних конструкцій.
Ультразвукові методи контролю якості. Правила приймання.» Стики з накладками і внакладку застосовують, якщо не вдається точно підігнати торці з'єднуваних стержнів. Зварні стики можна розміщувати в будь-якому місці стрижня, проте робочі стрижні не рекомендують зварювати в зонах
36 максимальних зусиль. Стики з накладками в місцях їх насичення бетону арматурою, щоб не заважати бетонуванню.
3.4. Арматурні вироби
1. Арматурні сітки (зазвичай з перпендикулярним розташуванням робочих стержнів).
2. Каркаси - плоскі і просторові
Рис. 3.5. Зварні стики ненапружуваної арматури: а – контактний; б – ваний в інвентарній формі; в – двосторонній шов із накладками; г – односторонній шов з накладками; д – в накладку при з’єднанні двох стрижнів; е – теж саме, при з’єднанні стрижня з платиною; ж – тавровий при з’єднанні стрижня перпендикулярно пластині; з – контактно- точковий при з’єднанні стрижнів, що перетинаються в сітках і каркасах; и – ширина і висота зварного шва
Зварні плоскі сітки виготовляють шириною до 3800 мм з поздовжньої і поперечної робочої арматури. Відстань між осями поздовжніх і поперечних стрижнів зазвичай приймають кратним 50 мм. Плоскі каркаси застосовують для армування елементів, що згинаються. Поздовжні робочі і монтажні стрижні розміщують з одного боку поперечних стрижнів, так як це виключає перевертання стрижнів при виготовленні каркасів. Допускається розміщення робочих стрижнів в два і більше рядів, якщо це виправдано економічно.
Просторові каркаси збирають з плоских каркасів або зварюють цілком, що дозволяє знизити трудомісткість робіт.
37
Рис. 3.6. Зварні арматурні сітки: а – рулонні; б, в, г – плоскі з робочою арматурою, відповідно поздовжньою, поперечною і робочою в обох напрямках; – діаметр робочих стрижнів; – діаметр розподільчих стрижнів; – ширина сітки; та – відстань між осями робочих і розподільних стрижнів
Рис. 3.7. Типи арматурних каркасів: а – плоский; б – просторовий;
1 – другий ряд робочої арматури; 2 – нижній ряд робочої арматури;
3 – хомути; 4 – монтажні стрижні; 5 – монтажні (з’єднувальні) стрижні
3.5. Деформативність сталі
Деформативність - це характеристика пластичності сталі, визначає величину кута вигину, повзучість сталі.
Подовження сталі при розриві оцінюють величиною рівномірного відносного подовження при розриві (без урахування довжини шийки) еталонного зразку. Цією величиною характеризується руйнування конструкції. Конструкції, армовані напруженим високоміцним дротом, можуть втрачати міцність раптово через крихкий розрив без явних ознак руйнування, тому необхідний більш високий запас надійності. Це пов'язано з тим, що при недостатніх пластичних деформаціях сталі і збільшення
38 попередніх напружень, напруження в повному обсязі погашаються, а підсумовуються з напругою від зовнішнього навантаження. Саме тому в попередньо напружених заборонено застосовувати тендітні сталі.
3.6. Реологічні властивості арматури
Повзучість - збільшення деформацій під стискаємим навантаженням в часі. Повзучість наростає з підвищенням напружень і зростанням температури.
Релаксація - зниження напруження в арматурі при жорсткому закріпленні її кінців. Найбільш інтенсивно релаксація розвивається протягом перших годин, однак вона може тривати довгий час.
Релаксація залежить від міцності, хімічного складу, технології виготовлення, температури і т.п. Це обумовлює втрату арматурою частини заданого попереднього напруження, тому знижується тріщиностійкість і жорсткість.
3.7. Нормативні і розрахункові опори
Основною місністною характеристикою арматури є нормативне значення опору на розтягування R
sn
, прийняте в залежності від класу арматури за таблицями ДСТУ.
95 2
,
0 95
b
sn
R
R
Розрахункове значення опору арматури розтягуванню для граничних станів першої групи визначаються:
s
sn
s
R
R
, де
s
- коефіцієнт надійності по арматурі, що дорівнює:
1,1 - для арматури класів А240, А300, А400;
1,15 - для арматури класу А500;
1,2 - для арматури класу В500.
Розрахункові значення опору арматури розтягуванню
ser
s
R
,
для граничних станів другої групи приймають рівними відповідним нормативним опорам
sn
R
Значення модуля пружності арматури
s
E
приймають однаковими при розтягуванні і стисненні і рівними
МПа
E
s
5 10 0
,
2
39
4. ВЛАСТИВОСТІ ЗАЛІЗОБЕТОНУ
4.1. Зчеплення арматури з бетоном
Ковзанню арматури в бетоні перешкоджає зчеплення між ними (опір зсуву). Надійне зчеплення є основним фактором, що забезпечує спільну роботу арматури і бетону в залізобетоні і дозволяє йому працювати під навантаженням як єдине монолітне тіло. При відсутності зчеплення утворення першої тріщини тягне за собою зростання подовжень на всій довжині розтягнутої арматури, що призводить до різкого розкриття тріщини, яка утворилася, скорочення висоти стиснутої зони, зниження несучої здатності.
У різних дослідах сила зчеплення арматури з бетоном визначалася опором забетонованого стрижня при його висмикуванні або виштовхуванні.
Як показали досліди, сила зчеплення змінюється в широких межах і в основному залежить від трьох чинників: склеювання арматури з бетоном, завдяки клеючим здібностям цементного каменю (адгезія); сил тертя, що виникають на поверхні арматури завдяки обтисненню стрижнів в бетоні при його усадці; опору бетону зусиллям зрізу, що виникають через наявність нерівностей і виступів на поверхні арматури.
Найбільший вплив на зчеплення надає третій фактор - він забезпечує близько 75% від загальної величини зчеплення. Перший фактор чинить найменший вплив - до 25% всієї сили зчеплення.
Арматура періодичного профілю з сильно шорсткою поверхнею володіє більш високим і надійним опором ковзанню завдяки зачепленню і заклинювання її виступів в бетоні. У порівнянні з гладкими стрижнями арматура періодичного профілю володіє в 2-3 рази більшою силою зчеплення з бетоном.
Рис. 4.1. Зачеплення виступів арматури в бетоні
Напруга в бетоні під виступами арматури від її висмикування може перевищувати в 5-7 разів кубикову міцність бетону, тому неприпустимо зниження щільності бетону в зоні контакту його з арматурою. Найбільш надійне підвищення опору ковзанню арматури в бетоні досягається відповідним конструюванням арматури: влаштуванням гаків на кінцях гладких стержнів, застосуванням анкерів.
40
Опір зсуву
c
зростає зі збільшенням марки цементу, зменшенням В/Ц, зі збільшенням віку бетону (вплив усадки).
По довжині закладення стрижня напруження зчеплення розподіляються нерівномірно, при цьому найбільша напруга max
,
c
не залежить від довжини закладення.
Рис. 4.2. Напружений стан арматури і бетону при витягуванні арматури
Опір ковзанню розтягнутої арматури (на висмикування) менше, ніж опір ковзанню стиснутої арматури (на виштовхування), що пояснюється поперечними деформаціями самого стрижня. Зі збільшенням діаметра сталевого стрижня і підвищенням нормального напруження в ньому сила зчеплення його з бетоном при розтягуванні зменшується, а при стисненні - збільшується.
Рис.4.3. Вплив діаметру арматури на напруження
4.2. Усадка залізобетону
У залізобетонних конструкціях сталева арматура внаслідок її зчеплення з бетоном становиться внутрішнім зв'язком, що перешкоджає вільній усадці бетону. Досліди показують, що усадка залізобетону приблизно вдвічі менше усадки бетону. Усадка залізобетону, як і бетону, отримує найбільшого розвитку в перший рік твердіння і значно перевищує деформацію набухання.
41
Рис. 4.4. Криві усадки і набухання бетонних і залізобетонних зразків: а – набухання у воді; б – усадка на повітрі
Це пояснюється тим, що арматура, що володіє значно більшим модулем пружності, включається в спільну роботу з бетоном за рахунок сил зчеплення і тим самим перешкоджає вільним усадочним деформаціям бетону.
Рис. 4.5. Схема деформації армованого елементу від усадки бетону: а, б – симетричне і несиметричне армування; 1- поперечна, 2 – подовжня
(робоча) арматура; 3 – епюра напруження стиску та розтягу в бетоні
Внаслідок цього в бетоні виникають початкові напруження розтягу, а в арматурі - стискаючі. Розтягуючі зусилля в бетоні дорівнюють стискаючим зусиллям в арматурі, тому що процес усадки відбувається само врівноважено без зовнішнього навантаження.
Розтягуючі напруження бетону в залізобетонному зразку залежать від величини вільної усадки бетону, кількості арматури і класу бетону.
Несиметричне розташування арматури в перерізі залізобетонного зразка підвищує початкові усадочні напруження, тому що вплив такої арматури при усадки позначиться як дію поздовжньої сили і згинального моменту.
Початкові розтягуючі напруження в бетоні від усадки будуть складатися з напружень в розтягнутій зоні вигнутого елемента і сприятиє більш ранній появі тріщин в бетоні. Але з появою тріщин вплив усадки
42 зменшується, а в стадії руйнування зникає і не впливає на граничну несучу здатність елемента.
При проектуванні промислових і цивільних будівель і споруд великої довжини передбачають влаштування деформаційних швів, які зменшують негативний вплив усадки.
4.3. Повзучість залізобетону
Повзучість залізобетону є наслідком повзучості бетону. Сталева арматура, як і при усадці, є внутрішнім зв'язком, що перешкоджає вільній деформації повзучості бетону. В залізобетонному елементі при тривалій дії навантаження обмежена деформація повзучості призводить до перерозподілу зусиль в перерізі між бетоном і арматурою. Процес перерозподілу напружень відбувається протягом тривалого часу спочатку інтенсивно, а потім згасає.
Повзучість і усадка протікають одночасно і спільно впливають на роботу конструкцій. У залізобетонной колоні вони діють в одному напрямку: зменшують напруження в бетоні і збільшують їх в арматурі. У вигнутих елементах усадка і повзучість мають протилежний вплив: під дією усадки напруження в бетоні стиснутої зони збільшуються, а в розтягнутій арматурі зменшуються; а під дією повзучості, навпаки, напруження в бетоні стиснутої зони зменшуються, а в розтягнутій арматурі збільшуються. Це призводить до збільшення прогинів.
4.4. Вплив високих температур на залізобетон
У залізобетонних конструкціях, що піддаються впливу температури до
100 0
С, додаткові напруження невеликі і не призводять до зниження міцності.
При більш високих температурах міцність залізобетону зменшується (200-
250 0
С), при температурі 500-600 0
С проходить повне руйнування бетону.
При проектуванні залізобетонних конструкцій будівлі великої протяжності ділять температурними швами на окремі блоки, які зазвичай поєднують з усадковими швами.
4.5. Корозія залізобетону і заходи захисту
Характер корозії бетону та арматури в залізобетонних конструкціях залежить від агресивності середовища, складу і щільності бетону.
Корозія бетону відбувається при недостатньо щільних бетонах під дією фільтрування води. При цьому на поверхні бетону утворюються білі пластівці, які свідчать про руйнування бетону. Найбільш небезпечні м'які води.
Інший вид руйнування може відбуватися під впливом агресивного середовища (кислоти).
43
Корозія арматури зазвичай протікає одночасно з корозією бетону. При поганому бетоні, а також при великому розкритті тріщин агресивне середовище може викликати корозію арматури і без руйнування арматури.
Рис.4.6. Корозія арматури
Заходи захисту від корозії: зниження фільтраційних властивостей бетону (спеціальні добавки); підвищення щільності бетону; збільшення товщини захисного шару; застосування спеціальних видів бетону; захист поверхні (штукатурка кислототривка, облицювання керамічне та ін.)
Запитання для самоперевірки
1. Механічні властивості і види сталевої арматури.
2. Марки і класи арматурної сталі.
3. Модуль пружності арматурної сталі.
4. Відомості про неметалеву арматуру.
5. Вплив арматури на усадку і повзучість бетону.
6. Види корозії залізобетону.
44
5. ОСНОВИ ТЕОРІЇ РОЗРАХУНКУ ЗАЛІЗОБЕТОНУ
5.1. Стадії напружено-деформованого стану при згинанні
Стадія I - до появи тріщин в бетоні розтягнутої зони, коли напруження в бетоні менше тимчасового опору розтягуванню та розтягуючі зусилля сприймаються арматурою та бетоном спільно.
При малих навантаженнях на елемент напруження в бетоні і арматурі невеликі, деформації носять переважно пружний характер; залежність між напруженнями і деформаціями - лінійна, епюра нормальних напружень в бетоні стиснутої зони перетину - трикутна.
Арматура в верхній зоні
s
A
x
висота стиснутої зони.
0
h
робоча висота перерізу.
Якщо арматури не один ряд, то спочатку знаходиться центр ваги всіх стрижнів, і
0
h
від найбільш стиснутого волокна до центра ваги всіх стрижнів.
sc
s
su
s
btu
bt
bu
b
;
;
Рис. 5.1. Перша стадія напружено-деформованого стану
45
Стадія I а - кінець стадії I.
Зі збільшенням навантаження на елемент в бетоні розтягнутої зони розвиваються непружні деформації, епюра напружень стає криволінійною, напруження наближаються до межі міцності при розтягуванні. При подальшому збільшенні навантаження в бетоні розтягнутої зони утворюються тріщини, настає новий якісний стан.
Розтягнутий бетон повністю вичерпує свої властивості - він знаходиться в граничному стані.
Стадія I а характеризує стан перед утворенням тріщин.
btu
bt
btu
максимальне значення напруження.
Стадія I а необхідна для розрахунку по визначенню моменту утворення тріщин.
Рис.5.2. Стадія Iа напружено-деформованого стану (пружна)
Стадія II - це стадія експлуатації, необхідна для визначення прогинів
f
та ширини розкриття тріщин
crc
a
У тому місці розтягнутої зони, де утворилися тріщини, розтягуюче зусилля сприймається арматурою і частково ділянкою бетону розтягнутої зони над тріщиною. В інтервалах між тріщинами в розтягнутій зоні зчеплення арматури з бетоном зберігається, і в міру віддалення від країв тріщин розтягуючі напруження в бетоні збільшуються, а в арматурі зменшуються. З подальшим збільшенням навантаження на елемент в бетоні стиснутої зони розвиваються непружні деформації, епюра нормальних напружень викривляється, а ордината максимальних напружень переміщається в край перерізу в його глибину.
46
Рис. 5.3. Стадія II напружено-деформованого стану (робота з тріщинами)
З цього моменту розтягнутий бетон практично не бере участі в роботі, в стислому бетоні з’являються пластичні деформації.
Кінець цієї стадії - стадія IIа.
Стадія IIа (стадія передруйнування).
Стадія IIа характеризується початком помітних непружних деформацій в арматурі.
Рис.5.4. Стадія IIа напружено-деформованого стану
Стадія III (стадія руйнування).
За тривалістю це найкоротша стадія. Напруження в арматурі досягають фізичної або умовної межі текучості, а в бетоні - тимчасового опору осьовому стиску. Криволінійність епюри нормальних напружень стиску стає яскраво вираженою. Бетон розтягнутої зони з роботи елемента майже виключається.
Розрізняють два характерних випадки руйнування елемента.
47
Випадок 1.
Рис.5.5. Стадія III напружено-деформованого стану. Випадок 1.
(Руйнування по арматурі).
Випадок I - випадок пластичного руйнування внаслідок уповільненого розвитку місцевих пластичних деформацій арматури. Руйнування починається з прояви плинності арматури, внаслідок чого швидко зростає прогин і інтенсивно зменшується висота стиснутої зони перерізу за рахунок розвитку тріщин по висоті елемента і появи непружних деформацій в бетоні стиснутої зони над тріщиною. Ділянка елемента, на якому спостерігається плинність арматури і пластичні деформації стиснутого бетону, деформується практично при постійному граничному моменті. Тому такі ділянки звуться пластичними шарнірами.
500 400
btu
s
sc
s
sc
E
R
При слабкому армуванні тріщина зростає при невеликих навантаженнях, нульова лінія піднімається догори перетину; при сильному армуванні положення нульової лінії не змінюється. Напруження в стиснутій зоні перетину досягають тимчасового опору осьовому стиску і може статися роздроблення бетону.
До випадку I відносять також крихке руйнування елементів, армованих високоміцним дротом, так як розрив останнього через мале відносне подовження при розтягуванні (
%
4
) проходить одночасно після роздроблення бетону стиснутої зони елемента.
Випадок 2.
Цей випадок спостерігають при руйнуванні елементів з надмірним вмістом розтягнутої арматури. Руйнування таких елементів завжди відбувається раптово (крихке руйнування) від повного вичерпання несучої
48 здатності бетону стиснутої зони, при неповному використанні міцності розтягнутої арматури. В цьому випадку прогини
f
і ширина розкриття тріщин
crc
a
незначні. Несуча спроможність такого елемента практично перестає бути залежною від площі поздовжньої арматури, і залежить лише від міцності бетону, форми і розмірів перетину.
Нормально армовані елементи - елементи, в яких повністю використовується несуча здатність арматури.
Рис. 5.6. Стадія III напружено-деформованого стану. Випадок 2.
(Руйнування по бетону).
Переармування елементів допускають, коли площа перерізу робочої арматури недостатня за розрахунком за другою групою граничних станів або коли арматура прийнята з конструктивних міркувань.
Норми рекомендують розрахунок міцності виконувати по I випадку.
5.2. Тріщиностійкість залізобетонних конструкцій
Під тріщиностійкістю конструкцій розуміють їх опір утворенню тріщин в кінці стадії I НДС або опір розкриттю тріщин в стадії II.
Раннє утворення і велике розкриття тріщин у розтягнутих зонах є
істотним недоліком залізобетонних конструкцій, так як знижує їх довговічність через корозію арматури і підвищує деформативність через зменшення моменту інерції перерізів елементів.
Залізобетонні конструкції розраховують на: утворення тріщин; розкриття (нетривалого і тривалого) тріщин; закриття (для нетривалого розкриття) тріщин.
5.3. Гранична висота стиснутої зони
49
Розглянемо початкові деформації - працює гіпотеза плоских перетинів.
Якщо арматура розташована близько до нейтрального шару, то витрата арматури неекономічна, тому що
0
s
Рис.5.7. Визначення висоти стиснутої зони (- - - ще один шар арматури)
n
i
si
b
N
N
1
Виходячи з величини армування і враховуючи, що при будь-якому заданому значенні міцності бетону і ширині перерізу N = f (x), положення нейтрального шару, відповідно до прийнятих гіпотез, може змінюватися від
0
1 2 3 4 5 6 7 8
скачати
16 3.
Перерахуйте і назвіть групи граничних станів будівельних конструкцій.
4.
Як поділяють навантаження залежно від часу дії? Які навантаження зараховують до постійних і які до тимчасових?
5.
Що таке нормативні і розрахункові навантаження?
6.
Назвіть сполучення навантажень під час розрахунків конструкцій.
7.
Що таке нормативні і розрахункові опори матеріалів?
8.
Що таке коефіцієнти надійності матеріалу, умов роботи конструкцій, надійності за призначенням конструкції.
17
2.
МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ЗАЛІЗОБЕТОНУ І ЇХ ОСНОВНІ
ВЛАСТИВОСТІ
2.1. Класифікація бетонів
Бетон - комплексний будівельний матеріал, в якому великі і дрібні заповнювачі з’єднані в'яжучим (цемент, рідке скло), чинять опір навантаженням як одне монолітне тіло.
Хоча бетон являє собою матеріал грубої неоднорідної структури, йому можна надавати цілком певні наперед задані міцності, фізичні (або фізико- механічні) і деформаційні властивості.
До міцностних властивостей відносять нормативні та розрахункові характеристики бетону при стисненні і розтягуванні, зчепленні бетону з арматурою; до фізичних - водонепроникність, морозо- жаростійкість, корозійну стійкість, вогнестійкість; до деформативних - стисливість і розтягуваність бетону під навантаженням, повзучість і усадка, набухання і температурні деформації.
Фізико-механічні властивості залежать від способу виготовлення бетону і матеріалів і визначаються структурою бетону і умовами твердіння.
Класифікація бетону:
Бетони класифікують за такими ознаками: за призначенням: конструкційні - бетони несучих і огороджувальних конструкцій будівель і споруд, вимогами до якості яких є вимоги за фізико-механічними характеристиками; спеціальні - бетони, до яких пред'являються спеціальні вимоги відповідно до їх призначення.
До спеціальних бетонів відносять жаростійкі, хімічно стійкі, декоративні, радіаційно-захисні, теплоізоляційні та ін. бетони. за видом в'яжучої речовини: цементні (на основі клінкерних цементах); силікатні (на основі вапна в поєднанні з цементами, активними мінеральними добавками); шлакові (на основі мелених шлаків і зол з активізаторами твердіння); гіпсові (на основі напівводного гіпсу або ангідриту, включаючи гіпсоцементно-пуццоланові і т.п. ); спеціальні (бетонополімери, полімербетон, цементно-полімерні бетони). по виду заповнювачів: щільних заповнювачах (щільні гірські породи і шлаки); пористих заповнювачах (штучні і природні мінеральні пористі наповнювачі, а також пористі великі і щільні дрібні заповнювачі);
18 спеціальних заповнювачах (органічні наповнювачі). за структурою: щільні - бетони, у яких простір між зернами великого і дрібного або тільки дрібного заповнювача заповнене затверділим в'яжучим і порами залученого газу або повітря, в тому числі утворюються за рахунок застосування добавок, що регулюють пористість в обсязі не більше 7%; поризовані - бетони щільної структури на цементному в'яжучому
і щільних дрібних заповнювачах; пористі - бетони, у яких основну частину обсягу складають рівномірно розподілені пори у вигляді осередків, отриманих за допомогою газо- або піноутворювачів; великопористі - бетони, у яких простір між зернами великого і дрібного заповнювача неповністю заповнене або зовсім не заповнено дрібними заповнювачами і затверділими в'яжучими, поризованими домішками, що регулюють пористість в обсязі не більше 7%. за умовами твердіння бетону: в природних умовах; в умовах обробки їх при атмосферному тиску; в умовах обробки їх при тиску вище атмосферного (автоклавного твердіння). за густиною: особливо важкі (ρ> 2500 кг / м
3
); важкі (ρ = 2200 ÷ 2500 кг / м
3
); полегшені (ρ = 1 800 ÷ 2200 кг / м
3
); легкі (ρ = 800 ÷ 1800 кг / м
3
); особливо легкі (ρ≤500 кг / м
3
).
2.2. Структура бетону і його вплив на міцність і деформативність.
Структура бетону грубо неоднорідна і залежить від багатьох факторів.
Вона формується у вигляді просторової решітки з цементного каменю, заповненої зернами великих і дрібних заповнювачів і пронизаної численними мікропорами і капілярами, що містять хімічно зв'язану воду, водяну пару і повітря.
З фізичної точки зору бетон являє собою капілярно-пористе тіло, в якому різко порушена суцільність маси і присутні всі три фази: тверда, рідка
і газоподібна. При цьому цементний камінь, що скріплює бетон, також неоднорідний і складається з пружного кристалічного складу і в'язкої маси - гелю, таким чином, це наділяє бетон пружнопластичними-повзучими властивостями. Ці властивості проявляються в характері деформування бетону під навантаженням, під взаємодією з режимом температурної вологості навколишнього середовища. В часі кристалічний склад збільшується, а гелева частина зменшується.
19
Рекомендоване водоцементне відношення В / Ц ≈ 0,2. Однак з технологічних міркувань - для досягнення достатньої рухливості і легкоукладальності бетонної суміші - кількість води беруть з деяким надлишком (В / Ц = 0,5 ÷ 0,6) Якщо В / Ц> 0,6, то міцність бетону зменшується.
Склад бетону, різний по крупності: від мікрочастинок до макрочасток цементу, обумовлює нерівномірні деформації.
Розглянемо діаграму початку і кінця тріщиноутворення бетону (рис.
2.1)
Рис. 2.1. Діаграма початку і кінця тріщиноутворення
o
T
R
початок мікротріщиноутворення;
T
R
кінець мікротріщиноутворення.
Фактично кінець мікротріщиноутворення є межею тривалої міцності бетону, тобто
)
(
b
T
R
R
де
)
(
b
R
межа тривалої міцності бетону
При досягненні межі тривалої міцності бетону кількість тріщин досягає максимального значення (насичення).
sh
b
R
межа короткочасної міцності бетону (діапазон ущільнення бетону)
p
e
e
де - коефіцієнт пружнопластичності;
e
- пружні деформації;
p
- непружні деформації;
p
e
b
- повні деформації
Якщо будь-яким способом забезпечувати сталість деформацій (тобто
20
= Const), то на діаграмі буде вниз спадаюча гілка.
Навколо пор і пустот при одноосьовому стисканні утворюються, по поздовжніх майданчиках розтягуючі структурні напруження, врівноважені стискаючими напруженнями. Внаслідок частого і хаотичного розташування порожнин відбувається взаємне накладення напружень, що розтягують бетон, а це призводить до появи і розвитку мікротріщин задовго до його руйнування (рис. 2.2).
а) б)
Рис. 2.2. Схема утворення тріщин: а) - концентрація напруг у мікро- і макропор; б) - розрив бетону в поперечному напрямку
Відсутність закономірності в розташуванні наповнювачів в затверділому бетоні, розмірі пор призводить до розкиду показників міцності, що призводить до великої кількості лабораторних і натурних експериментів.
На міцність бетону великий вплив має швидкість навантаження зразків
(рис. 2.3).
Рис. 2.3. Діаграма швидкостей навантаження
21
При уповільненому навантаженні зразків міцність бетону на 10 ÷ 15% менше, ніж при коротко-часовому. При швидкому навантаженні міцність бетону зростає до 20%).
Бетон має різну міцність при різних силових впливах: стисненні, розтягненні, вигині, зрізі. Розрізняють декілька характеристик міцності бетону: кубикову і призмову міцність; міцність при зрізі і сколюванні; міцність при тривалій, короткочасній і динамічній дії навантажень, при багаторазових повторних навантаженнях.
2.3. Кубікова та призмова міцність.
З усіх міцностей бетону найбільш просто визначається його міцність при стисненні, а високий опір бетону стиску є його цінною властивістю, що використовують в залізобетонних конструкціях. Тому за основну характеристику міцностних і деформативних властивостей бетону прийнята його міцність на осьовий стиск.
Для оцінки міцності застосовують роздавлювання на пресі виготовлених в тих же умовах, що і реальні конструкції кубів бетону. За стандартні зразки приймають куби розмірами150х150х150 мм, випробування яких відбувається при температурі 20 ± 2 ºC через 28 днів твердіння в нормальних умовах.
Дослідами встановлено, що міцність бетону одного і того ж складу залежить від розміру куба: якщо тимчасовий опір стиску бетону для базового куба з ребром 150 мм дорівнює R (рис. 2.4), то для куба з ребром 200 мм воно зменшується до 0,93R, а для куба з ребром 100 мм - збільшується до 1,1R.
Рис. 2.4. Стандартний бетонний зразок для визначення міцності на стиск з розмірами ребра 150 мм
Різний тимчасовий опір стиску зразків різної форми пояснюється впливом сил тертя, що виникають між сторонами зразка і опорними плитами преса та неоднорідністю структури бетону. Поблизу опорних плит сили тертя, спрямовані всередину зразка, створюють обойму, отже, збільшується міцність зразків при стисканні. Вплив сил тертя в міру віддалення від торців знижується, таким чином, бетонний куб при руйнуванні отримує форму двох усічених пірамід, звернених один до одного вершинами (рис. 2.5. а). При
22 зменшенні сил тертя за допомогою мастила характер руйнування змінюється
(рис. 2.5, б): замість виколювання з боків зразка пірамід відбувається розколювання його по тріщинах, паралельним напрямку дії зусилля. При цьому тимчасовий опір бетону стиску зменшується.
а) б)
Рис. 2.5. Схема деформування бетону при стисканні: а) - при наявності тертя по опорним площинах; б) - при відсутності тертя, 1 - мастило
Оскільки залізобетонні конструкції за формою відрізняються від кубів, в розрахунках їх міцності не може бути безпосередньо використана кубикова міцність бетону.
Основною характеристикою міцності бетону стиснутих елементів є призматична міцність R
b
Досліди на бетонних призмах зі стороною основи а й висотою h показали, що призмова міцність R
b
менше кубикової і вона зменшується зі збільшенням відношення
a
h
Призмова міцність стає майже стабільною і рівною приблизно R
b
≈
0,75R. Як і для кубиків, це явище пояснюється різним ступенем впливу сил тертя по торцях зразків - чим більше розмір зразка і більше відстань між його торцями, тим менше вплив сил тертя. Вплив гнучкості бетонного зразка стає відчутним при
8
a
h
Крива, наведена на рис. 2.6, ілюструє залежність
R
R
b
від
a
h
за усередненими дослідними даними.
Таким чином, призмова міцність R
b
- це тимчасовий опір осьовому стиску призми R
bu
з відношенням сторін
4
a
h
23
Рис. 2.6. Графік залежності призмової міцності бетону від відносини розмірів зразка
2.4. Міцність бетону на осьовий розтяг
Згідно дослідних даних міцність бетону на розтяг R
bt
в 10 - 20 разів менше, ніж міцність на стиск, причому відносна міцність на розтяг зменшується зі збільшенням класу бетону. Дійсний опір розтягу дізнатися важко. На практиці використовують дослідні зразки у вигляді вісімок з розміром поперечного перерізу 100 × 100 мм (рис. 2.7). Причиною низького розтягу бетону є неоднорідність структури бетону, наявність внутрішніх напружень, слабке зчеплення між цементним каменем.
Рис. 2.7. Схема випробування зразка для визначення міцності бетону при осьовому розтягуванні на розрив
Тимчасовий опір бетону осьовому розтягу визначають за формулою:
3
h
b
M
W
M
R
руйн
руйн
bt
де
руйн
M
руйнівний момент;
W
момент опору зразка прямокутного перерізу; коефіцієнт, що враховує криволінійний характер епюри напружень в бетоні вигнутої зони внаслідок пружно-пластичних властивостей бетону
24
2.5. Міцність бетону на зріз і сколювання
Чистий зріз - це поділ елемента на частини по перерізу, до якого прикладені перерізуючі сили.
При цьому виникає напружений стан, коли головні напруження
3 1
,
0 2
, а максимальне дотичне напруження
1
max
Дійсний опір зрізу надають зерна великих заповнювачів, що працюють як шпонки в площині зрізу. При зрізі розподіл напружень по площі перетину вважається одномірним.
У залізобетонних конструкціях чистий зріз зустрічається рідко; зазвичай він супроводжується дією поздовжніх сил (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Схема випробування бетонного зразка на зріз: 1 - випробуваний зразок; 2 - нерухомі сталеві опори; 3 - площина зрізу
Тимчасовий опір бетону на зріз можна визначити за емпіричною залежністю:
R
sh
= 2 × R
bt
Чисте сколювання - взаємне зміщення (зсув) частин елементу між собою під дією сколюючих (зсувних) зусиль.
Опір сколюванню виникає при вигині залізобетонних балок до появи в них похилих тріщин (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Схема випробування бетонного зразка на сколювання: 1 - робоча арматура; 2 - прорізи (щілини); 3 - ділянки, де відбувається сколювання бетону
25
Сколювальні напруження по висоті перетину змінюються по квадратній параболі. Тимчасовий опір бетону на сколювання можна визначити за емпіричною залежністю:
R
скол
≈ (1,5 ÷ 2) × R
bt
2.6. Класи і марки бетону.
Клас - це поняття, що дозволяє отримати значення основних контрольних показників бетону, що задаються при проектуванні.
Марка оцінює основні фізичні властивості бетону.
Існує клас бетону по міцності на стиск B по міцності на розтяг Bt.
Клас бетону за міцністю на стиск - це значення тимчасового опору бетонних кубів з розміром ребра 150 мм, випробуваних у відповідності зі стандартами протягом 28 діб при температурі 20 ± 2 ºC з урахуванням 95% забезпеченості їх міцності.
Для оцінки мінливості міцності і забезпечення гарантії для заданого значення використовують криву розподілу теорії ймовірності.
Середнє значення тимчасового опору бетону на стиск, встановлене при випробуванні партії стандартних кубів та визначають за залежністю:
k
i
i
k
k
m
n
R
n
R
n
R
n
R
1 2
2 1
1
де
k
n
n
n
,...,
,
2 1
число випадків, в яких було встановлено тимчасовий опір відповідно
k
R
R
R
,...,
,
2 1
;
k
i
i
n
1
загальне число випробувань в партії
Середнє квадратичне відхилення міцності бетону - це величина, що характеризує через розкид міцності експериментальних значень.
Середнє квадратичне відхилення міцності бетону визначають по залежності (2.5):
1
)
(
1 2
n
R
R
n
k
i
m
i
i
m
Коефіцієнт варіації міцності бетону це відношення середнього квадратичного відхилення міцності бетону до середнього значення тимчасового опору бетону на стиск.
Коефіцієнт варіації міцності бетону визначають за залежністю:
m
m
m
R
26
Чим досконаліше виробництво і технологія приготування бетонної суміші, тим менший коефіцієнт варіації міцності і економічніше виробництво.
Лабораторні дослідження для важких, дрібнозернистих і легких бетонів показали, що коефіцієнт варіації міцності бетону при стисканні
135
,
0
m
При показнику надійності
64
,
1
, який характерний для забезпеченості 95%
їх міцності, клас бетону за міцністю на стиск визначають за формулою:
m
m
R
B
або
)
1
(
m
m
R
B
Таким чином, гарантована міцність заданого нормами класу бетону на стиск дорівнює:
m
m
R
R
B
78
,
0
)
35
,
1 64
,
1 1
(
Коефіцієнт варіації міцності бетону при розтягуванні
165
,
0
m
, тоді гарантована міцність заданого нормами класу бетону на розтяг дорівнює:
mt
mt
t
R
R
B
73
,
0
)
65
,
1 64
,
1 1
(
На рис. 2.10 показана крива розподілу міцності.
Рис. 2.10. Крива розподілу міцності
Марка бетону за морозостійкістю F - число витриманих циклів заморожування і відтавання водонасичених зразків, випробуваних у відповідності зі стандартом, при якому міцність падає не більше ніж на 15% в порівнянні з міцністю зразка, що не піддається заморожуванню.
Нормами встановлюють марки бетону за морозостійкістю від F 15 до F
1000.
Для кожного конкретного випадку марку бетону за морозостійкістю приймають в залежності від розрахункової зимової температури зовнішнього повітря, умов роботи і класу будівель.
Марка бетону за водонепроникністю W - найбільший тиск води (МПа), при якому не спостерігається її просочування через стандартний зразок, виготовлений за Держстандартом.
27
Цю марку приймають для конструкцій, до яких пред'являють особливі обмеження водонепроникності (резервуари, напірні труби, силоси).
Норми встановлюють марки бетону за водонепроникністю від W2 до
W20, де цифрами позначають тиск води, при якому коефіцієнт фільтрації (м / с) не перевищує нормативного значення.
Конкретну марку бетону за водонепроникністю приймають в залежності від класу будівель, умов експлуатації конструкцій або максимального градієнта напору, що представляє відношення напору до товщини елемента.
Марка бетону за середньою густиною D - це гарантована власна маса бетону (кг / м
3
), контрольована на базових зразках у встановлені терміни відповідно до Держстандарту.
Марку за середньою густиною приймають для конструкцій, до яких пред'являють вимоги теплоізоляції.
Норми встановлюють марки за середньою густиною від D 200 до D
5000, де цифри позначають масу бетону.
Для напрягаючих бетонів встановлюють марку за самонапруженням.
Марка бетону за самонапруженням Sp - гарантоване значення попереднього напруження в бетоні (МПа), що створюється в результаті його розширення при наявності поздовжньої арматури в кількості 1% і контрольоване на базових зразках у встановлені терміни відповідно до
Держстандарту.
Марку бетону за самонапруженням приймають в залежності від пропонованих до самонапружених конструкцій вимог по тріщиностійкості і жорсткості.
2.6. Модуль деформації бетону і міра повзучості.
Початковий модуль пружності Е
в
бетону при стисканні - це величина, що відповідає миттєвому завантаженню. Геометрично - це тангенс кута нахилу прямої пружних деформацій.
e
b
b
E
,
0
tg
E
b
Модуль повних деформацій бетону при стисненні
A
b
E
відповідає повним деформаціям, враховуючи повзучість. Це змінна величина.
Геометрично - це тангенс кута нахилу дотичної до кривої в точці з заданою напруженням
1
tg
E
A
b
Для розрахунку залізобетонних конструкцій використовують модуль пружнопластичності (січний модуль). Це тангенс кута нахилу січної, що проходить через початок координат і будь-якої точки, заданої на діаграмі
2
tg
E
b
28
Рис.2.10. Схема для визначення модуля деформації в бетоні
Якщо ми виразимо одне і те ж саме напруження
b
через пружні деформації
e
і повні деформації
p
e
, то отримуємо
b
p
e
b
b
b
E
E
)
(
,
p
e
p
- коефіцієнт пластичності
pl
e
e
– коефіцієнт пружнопластичної деформації бетону відповідно
b
b
E
E
1 1
b
p
b
p
b
Для ідеального пружного матеріалу
,
0
p
1
, для ідеального пластичного матеріалу
,
p
0
Залежність між напруженнями і деформаціями повзучості виражають мірою повзучості
b
C
b
b
b
b
b
b
b
p
b
b
b
b
b
C
E
E
E
E
;
де
Міра повзучості залежить від класу бетону і його модуля пружності.
29
2.7. Реологічні властивості бетону
Усадка – зменшення бетону в об’ємі при твердінні в звичайному середовищі.
Набухання – збільшення бетону в об’ємі при твердінні у воді.
Повзучість – властивість бетону, що характеризується збільшенням непружних деформацій в часі при постійних напруженнях.
Релаксація – зменшення в часі напружень при постійній початковій деформації.
Якщо досліджуваний зразок завантажити по етапам і вимірювати деформації на кожному етапі по два рази (відразу після прикладання навантаження і через деякий час), то отримаємо ламану лінію. Деформації, що вимірюються відразу є пружними. При достатньо великій кількості вимірювань ламана лінія стає плавною кривою.
Рис.2.11. Діаграма залежностей напружень та деформацій при різних етапах завантаження: 1 – пружні деформації, 2 – повні деформації
Досліди з бетонними призмами показують, що не залежно з якою швидкістю було отримане напруження
, кінцеві деформації повзучості які відповідають цьому напруженню будуть однакові. Зі збільшенням напруження повзучість збільшується.
Багаторазове повторення циклів завантаження – розвантаження до досягнення
. Після достатньо великої кількості циклів непружних деформацій, що відповідають даному рівню напружень, повзучість досягає свого граничного значення, бетон починає працювати як пружний
r
b
R
При великих напруженнях непружні деформації необмежено зростають і бетон руйнується.
30
Запитання для самоперевірки
1. Структура і види бетону.
2. Як впливає форма і розміри зразків на міцність бетону?
3. Які чинники впливають на механічні властивості бетону?
4. Що таке клас бетону і марка бетону? Які класи і марки бетону встановлені нормами?
5. Назвіть основні види деформацій бетону.
6. Яка деформація бетону при довготривалих навантаженнях?
7. Яка деформація бетону від усадки?
8. Що таке модуль деформації бетону?
31
3. АРМАТУРА ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ
3.1. Загальні відомості
Під арматурою розуміють гнучкі або жорсткі стрижні, переважно зі сталі, які розміщені в масі бетону відповідно до епюр згинальних моментів, поперечних і поздовжніх сил, що діють на конструкцію протягом усього періоду існування конструкції.
Призначення арматури - сприймати розтягуючі зусилля, а так само усадочні і температурні напруження в елементах конструкцій.
Рідше арматуру використовують для посилення бетону стиснутої зони зігнутих елементів, проте вона ефективна лише для армування колон. Будучи важливою складовою частиною залізобетону, арматура повинна відповідати спеціальним вимогам:
- надійно працювати спільно з бетоном на всіх стадіях експлуатації конструкції;
- використовуватися до фізичної або умовної межі текучості при втраті несучої спроможності;
- забезпечувати зручність арматурних робіт і можливість їх механізації.
За функціональним призначенням розрізняють робочу та монтажну арматуру.
Під робочою розуміють арматуру, площа перерізу А
s
якої визначають розрахунком на дію зовнішніх навантажень. Поздовжня робоча арматура сприймає подовжні зусилля. Розташовують її паралельно навантаженим граням елементів. Поперечна арматура спрямована перпендикулярно поздовжньої. Вона сприймає поперечні зусилля. Поперечна арматура включає в себе хомути і відгини. Арматура встановлюється на розтягнутих волокнах конструкції. При цьому розрахунок необхідно виконувати на всіх стадіях - виготовлення, транспортування, зберігання, монтажу та експлуатації. Вміст робочої поздовжньої арматури в елементах залізобетонних конструкцій визначають відношенням загальної площі перерізу A
s
робочих стрижнів до перетину А
b
бетону.
b
s
A
A
- коефіцієнт армування (%).
Під монтажною (поперечною і поздовжньою) розуміють арматуру, що встановлюється без розрахунку (за конструктивними і технологічними міркуваннями). Вона призначена для більш рівномірного розподілу зусиль між окремими стрижнями робочої поздовжньої арматури і для збереження проектного положення робочої поздовжньої і поперечної арматури в конструкції при бетонуванні.
Монтажну арматуру встановлюють так само для часткового сприйняття, що не враховуються розрахунковими зусиллями від усадки і повзучості бетону.
Залежно від виду поперечного перерізу розрізняють сталеву арматуру: гнучку - з стрижнями круглого перетину (або періодичного профілю) і
32 жорстку - з фасонного прокату (двотаврів, швелерів, куточків). Останній вид арматури застосовується рідко.
У залізобетонних конструкціях при наявності агресивного середовища
є велика небезпека корозії сталевої арматури. Для таких конструкцій можливе застосування неметалевої арматури (склопластики).
Рис. 3.1. Армування плити: 1 – робоча арматура; 2 – конструктивна арматура
Гнучка арматура - володіє пластичністю, гарною зварюваністю, високою міцністю і межею витривалості, достатнім порогом холодоламкості.
Міцність характеризується межею текучості - це межа, при якій ростуть пластичні деформації стали без збільшення зовнішнього навантаження.
Умовна межа текучості - це напруження, що відповідає залишковим деформаціїям 0,2%.
Умовна межа пружності - це напруження, що відповідає залишковим деформацій 0,02%.
За межу витривалості приймають міцність, коли немає крихкого руйнування при числі циклів n = 1 * 105.
Тимчасовий опір - граничний опір, коли відбувається звуження зразку
(утворення шийки) і розрив.
Якщо в сталевому стрижні створити напруження розтягу, що потрапляють на діаграмі за ділянку плинності в область зміцнення матеріалу, а потім стрижень розвантажити, то діаграма розвантаження отримує вигляд прямої лінії і стрижень отримує залишкові пластичні деформації. При повторному завантаженні, оскільки пластичні деформації сталі вже обрані, нова лінія діаграми зіллється з лінією розвантаження, залишаючись паралельною ділянці, що характеризує пружну роботу матеріалу. Однак
33 перегин лінії діаграми - початок нової ділянки плинності - настане вже при більш високій напрузі. Такі сталі називають холоднодеформовані.
Рис. 3.2. Діаграма при розтягу арматурної сталі: а – з ділянкою текучості (мягка сталь); б – з умовною межею текучості
Межа витривалості - це здатність арматури сприймати тривалий час знакозмінні напруги.
Холодноламкість - це крихке руйнування при температурі нижче -30˚.
При високих температурах ( 350º) знижується міцність.
Найбільша увага приділяється стрижневій гнучкій арматурі, що обумовлено її відносно високими пластичними властивостями, що забезпечують зниження в розрахункових перетинах елементів небезпечної концентрації напружень, внаслідок їх перерозподілу. Маловуглецева стрижнева арматура добре зварюється контактним стиковим або ручним дуговим зварюванням, економічна, має найменшу трудомісткістю при армуванні залізобетонних конструкцій
3.2. Види і класи арматури
Спосіб виготовлення і форма поверхні визначає вид арматури.
Розрізняють арматуру:
1. Стрижневу: гарячекатану, термостійку і термомеханічно зміцнену;
2. Дротяну: холоднотягнуту звичайну і міцну.
3. За початковим напруженим станом: напружувану і ненапружену.
Гарячекатана арматура - це сталева арматура у вигляді окремих стрижнів круглого, еліптичного, квадратного і інших перетинів.
Перевагу віддають круглому перетині, тому що така арматура найбільш технологічна у виготовленні і не має гострих кутів, що врізаються в бетон і сприяють утворенню тріщин. Клас такої арматури позначають буквою А і римською цифрою в старому СНиП 2.03.01-84 * «Бетонні і залізобетонні конструкції» (чим більше цифра, тим вище міцність), а в ще не затвердженому посібнику до СНиП 52-01-2003 звичайними цифрами:
- А-I (А 240) - гладка;
34
- А-II (А 300), А-III (А 400), А-IV, А-V, A-VI - періодичного профілю.
Така сталь не піддається після прокату термічній обробці.
Ат-III, Ат-IV, Ат-V, Ат-VI - термічно і термомеханічно зміцнена, тобто піддається після прокату термічній обробці;
А-IIIв - зміцнена витяжкою.
Холоднотягнута арматура - це сталева дротяна арматура, яку протягують крізь філь’єри. Позначають буквою В від слова «волочіння».
Вр-I (В500) - періодичного профілю;
По-II - гладка високоміцна;
Вр-II - високоміцна рифлена;
К-7, К-19 - дротяні канати відповідно семи- і дев’ятнадцяти- дротові і
ін.
За профілем прутиків арматуру поділяють на гладку та періодичного профілю.
Арматура гладка – це круглі в перерізі прутики з гладкою зовнішньою поверхнею.
Арматура періодичного профілю - це арматура, на поверхні якої є часто розташовані кільцеві виступи, що забезпечують надійне зчеплення з бетоном без пристрою анкерних гаків на кінцях стрижнів.
Рис.3.3. Види арматури періодичного профілю: а – стрижнева класу
А300(А II); б – стрижнева класу А500(AIV)
Ненапружувана арматура - арматура, що укладається без попереднього натягу (напруження).
Як ненапружену арматуру переважно застосовують сталь класів А-III
(А400), А-IVC, Вр-I (В500), А-I (А240), А-II (А300), допускається застосування А-1V.
Напружена арматура - перевага сталі класів Ат-VI, Ат-V в елементах довжиною до 12 м, допускається також сталь класів А-IV, А-V, А-VI; при великій довжині - сталь класів В-II, Вр-II, К-7, К-19.
35
3.3. Стикування ненапруженої арматури
За способом виробництва стики стрижнів діляться на зварні, незварні
(внахлест), за місцем виготовлення - заводські і монтажні.
Незварні стики менш економічні, тому їх застосовують тільки для стикування зміцненої стрижневої арматури.
Рис. 3.4. Арматурні дротові вироби: а – дротові канати К-7, К-19; б – пакети із дроту класу Вр-II; в – однорядні (із 18 окремих дротів та із
6 семи дротових канатів) та багаторядні (із 60 та 28 дротів);
1 – трубка із покрівельної сталі; 2 – анкер; 3 – скрутки із мягкого дроту;
4 – відрізки спіралі із стального дроту; 5 – семидротові канати;
6 – окремо укладені дроти; 7 – коротуни
18 мм, довжиною 100 мм, з кроком 1000 мм – для вільного заповнення порожнини пучка розчином;
8 – багаторядний пучок; 9 – двохрядний пучок
Залежно від виду арматури і умов виготовлення застосовують різні види зварних стиків:
-контактні;
-ванний в інвентарній формі;
-внакладку;
-таврові і т.п.
Зварні стики виконуються відповідно до ДСТУ Б В.2.6-182:2011
«З`єднання зварні стикові і таврові арматури залізобетонних конструкцій.
Ультразвукові методи контролю якості. Правила приймання.» Стики з накладками і внакладку застосовують, якщо не вдається точно підігнати торці з'єднуваних стержнів. Зварні стики можна розміщувати в будь-якому місці стрижня, проте робочі стрижні не рекомендують зварювати в зонах
36 максимальних зусиль. Стики з накладками в місцях їх насичення бетону арматурою, щоб не заважати бетонуванню.
3.4. Арматурні вироби
1. Арматурні сітки (зазвичай з перпендикулярним розташуванням робочих стержнів).
2. Каркаси - плоскі і просторові
Рис. 3.5. Зварні стики ненапружуваної арматури: а – контактний; б – ваний в інвентарній формі; в – двосторонній шов із накладками; г – односторонній шов з накладками; д – в накладку при з’єднанні двох стрижнів; е – теж саме, при з’єднанні стрижня з платиною; ж – тавровий при з’єднанні стрижня перпендикулярно пластині; з – контактно- точковий при з’єднанні стрижнів, що перетинаються в сітках і каркасах; и – ширина і висота зварного шва
Зварні плоскі сітки виготовляють шириною до 3800 мм з поздовжньої і поперечної робочої арматури. Відстань між осями поздовжніх і поперечних стрижнів зазвичай приймають кратним 50 мм. Плоскі каркаси застосовують для армування елементів, що згинаються. Поздовжні робочі і монтажні стрижні розміщують з одного боку поперечних стрижнів, так як це виключає перевертання стрижнів при виготовленні каркасів. Допускається розміщення робочих стрижнів в два і більше рядів, якщо це виправдано економічно.
Просторові каркаси збирають з плоских каркасів або зварюють цілком, що дозволяє знизити трудомісткість робіт.
37
Рис. 3.6. Зварні арматурні сітки: а – рулонні; б, в, г – плоскі з робочою арматурою, відповідно поздовжньою, поперечною і робочою в обох напрямках; – діаметр робочих стрижнів; – діаметр розподільчих стрижнів; – ширина сітки; та – відстань між осями робочих і розподільних стрижнів
Рис. 3.7. Типи арматурних каркасів: а – плоский; б – просторовий;
1 – другий ряд робочої арматури; 2 – нижній ряд робочої арматури;
3 – хомути; 4 – монтажні стрижні; 5 – монтажні (з’єднувальні) стрижні
3.5. Деформативність сталі
Деформативність - це характеристика пластичності сталі, визначає величину кута вигину, повзучість сталі.
Подовження сталі при розриві оцінюють величиною рівномірного відносного подовження при розриві (без урахування довжини шийки) еталонного зразку. Цією величиною характеризується руйнування конструкції. Конструкції, армовані напруженим високоміцним дротом, можуть втрачати міцність раптово через крихкий розрив без явних ознак руйнування, тому необхідний більш високий запас надійності. Це пов'язано з тим, що при недостатніх пластичних деформаціях сталі і збільшення
38 попередніх напружень, напруження в повному обсязі погашаються, а підсумовуються з напругою від зовнішнього навантаження. Саме тому в попередньо напружених заборонено застосовувати тендітні сталі.
3.6. Реологічні властивості арматури
Повзучість - збільшення деформацій під стискаємим навантаженням в часі. Повзучість наростає з підвищенням напружень і зростанням температури.
Релаксація - зниження напруження в арматурі при жорсткому закріпленні її кінців. Найбільш інтенсивно релаксація розвивається протягом перших годин, однак вона може тривати довгий час.
Релаксація залежить від міцності, хімічного складу, технології виготовлення, температури і т.п. Це обумовлює втрату арматурою частини заданого попереднього напруження, тому знижується тріщиностійкість і жорсткість.
3.7. Нормативні і розрахункові опори
Основною місністною характеристикою арматури є нормативне значення опору на розтягування R
sn
, прийняте в залежності від класу арматури за таблицями ДСТУ.
95 2
,
0 95
b
sn
R
R
Розрахункове значення опору арматури розтягуванню для граничних станів першої групи визначаються:
s
sn
s
R
R
, де
s
- коефіцієнт надійності по арматурі, що дорівнює:
1,1 - для арматури класів А240, А300, А400;
1,15 - для арматури класу А500;
1,2 - для арматури класу В500.
Розрахункові значення опору арматури розтягуванню
ser
s
R
,
для граничних станів другої групи приймають рівними відповідним нормативним опорам
sn
R
Значення модуля пружності арматури
s
E
приймають однаковими при розтягуванні і стисненні і рівними
МПа
E
s
5 10 0
,
2
39
4. ВЛАСТИВОСТІ ЗАЛІЗОБЕТОНУ
4.1. Зчеплення арматури з бетоном
Ковзанню арматури в бетоні перешкоджає зчеплення між ними (опір зсуву). Надійне зчеплення є основним фактором, що забезпечує спільну роботу арматури і бетону в залізобетоні і дозволяє йому працювати під навантаженням як єдине монолітне тіло. При відсутності зчеплення утворення першої тріщини тягне за собою зростання подовжень на всій довжині розтягнутої арматури, що призводить до різкого розкриття тріщини, яка утворилася, скорочення висоти стиснутої зони, зниження несучої здатності.
У різних дослідах сила зчеплення арматури з бетоном визначалася опором забетонованого стрижня при його висмикуванні або виштовхуванні.
Як показали досліди, сила зчеплення змінюється в широких межах і в основному залежить від трьох чинників: склеювання арматури з бетоном, завдяки клеючим здібностям цементного каменю (адгезія); сил тертя, що виникають на поверхні арматури завдяки обтисненню стрижнів в бетоні при його усадці; опору бетону зусиллям зрізу, що виникають через наявність нерівностей і виступів на поверхні арматури.
Найбільший вплив на зчеплення надає третій фактор - він забезпечує близько 75% від загальної величини зчеплення. Перший фактор чинить найменший вплив - до 25% всієї сили зчеплення.
Арматура періодичного профілю з сильно шорсткою поверхнею володіє більш високим і надійним опором ковзанню завдяки зачепленню і заклинювання її виступів в бетоні. У порівнянні з гладкими стрижнями арматура періодичного профілю володіє в 2-3 рази більшою силою зчеплення з бетоном.
Рис. 4.1. Зачеплення виступів арматури в бетоні
Напруга в бетоні під виступами арматури від її висмикування може перевищувати в 5-7 разів кубикову міцність бетону, тому неприпустимо зниження щільності бетону в зоні контакту його з арматурою. Найбільш надійне підвищення опору ковзанню арматури в бетоні досягається відповідним конструюванням арматури: влаштуванням гаків на кінцях гладких стержнів, застосуванням анкерів.
40
Опір зсуву
c
зростає зі збільшенням марки цементу, зменшенням В/Ц, зі збільшенням віку бетону (вплив усадки).
По довжині закладення стрижня напруження зчеплення розподіляються нерівномірно, при цьому найбільша напруга max
,
c
не залежить від довжини закладення.
Рис. 4.2. Напружений стан арматури і бетону при витягуванні арматури
Опір ковзанню розтягнутої арматури (на висмикування) менше, ніж опір ковзанню стиснутої арматури (на виштовхування), що пояснюється поперечними деформаціями самого стрижня. Зі збільшенням діаметра сталевого стрижня і підвищенням нормального напруження в ньому сила зчеплення його з бетоном при розтягуванні зменшується, а при стисненні - збільшується.
Рис.4.3. Вплив діаметру арматури на напруження
4.2. Усадка залізобетону
У залізобетонних конструкціях сталева арматура внаслідок її зчеплення з бетоном становиться внутрішнім зв'язком, що перешкоджає вільній усадці бетону. Досліди показують, що усадка залізобетону приблизно вдвічі менше усадки бетону. Усадка залізобетону, як і бетону, отримує найбільшого розвитку в перший рік твердіння і значно перевищує деформацію набухання.
41
Рис. 4.4. Криві усадки і набухання бетонних і залізобетонних зразків: а – набухання у воді; б – усадка на повітрі
Це пояснюється тим, що арматура, що володіє значно більшим модулем пружності, включається в спільну роботу з бетоном за рахунок сил зчеплення і тим самим перешкоджає вільним усадочним деформаціям бетону.
Рис. 4.5. Схема деформації армованого елементу від усадки бетону: а, б – симетричне і несиметричне армування; 1- поперечна, 2 – подовжня
(робоча) арматура; 3 – епюра напруження стиску та розтягу в бетоні
Внаслідок цього в бетоні виникають початкові напруження розтягу, а в арматурі - стискаючі. Розтягуючі зусилля в бетоні дорівнюють стискаючим зусиллям в арматурі, тому що процес усадки відбувається само врівноважено без зовнішнього навантаження.
Розтягуючі напруження бетону в залізобетонному зразку залежать від величини вільної усадки бетону, кількості арматури і класу бетону.
Несиметричне розташування арматури в перерізі залізобетонного зразка підвищує початкові усадочні напруження, тому що вплив такої арматури при усадки позначиться як дію поздовжньої сили і згинального моменту.
Початкові розтягуючі напруження в бетоні від усадки будуть складатися з напружень в розтягнутій зоні вигнутого елемента і сприятиє більш ранній появі тріщин в бетоні. Але з появою тріщин вплив усадки
42 зменшується, а в стадії руйнування зникає і не впливає на граничну несучу здатність елемента.
При проектуванні промислових і цивільних будівель і споруд великої довжини передбачають влаштування деформаційних швів, які зменшують негативний вплив усадки.
4.3. Повзучість залізобетону
Повзучість залізобетону є наслідком повзучості бетону. Сталева арматура, як і при усадці, є внутрішнім зв'язком, що перешкоджає вільній деформації повзучості бетону. В залізобетонному елементі при тривалій дії навантаження обмежена деформація повзучості призводить до перерозподілу зусиль в перерізі між бетоном і арматурою. Процес перерозподілу напружень відбувається протягом тривалого часу спочатку інтенсивно, а потім згасає.
Повзучість і усадка протікають одночасно і спільно впливають на роботу конструкцій. У залізобетонной колоні вони діють в одному напрямку: зменшують напруження в бетоні і збільшують їх в арматурі. У вигнутих елементах усадка і повзучість мають протилежний вплив: під дією усадки напруження в бетоні стиснутої зони збільшуються, а в розтягнутій арматурі зменшуються; а під дією повзучості, навпаки, напруження в бетоні стиснутої зони зменшуються, а в розтягнутій арматурі збільшуються. Це призводить до збільшення прогинів.
4.4. Вплив високих температур на залізобетон
У залізобетонних конструкціях, що піддаються впливу температури до
100 0
С, додаткові напруження невеликі і не призводять до зниження міцності.
При більш високих температурах міцність залізобетону зменшується (200-
250 0
С), при температурі 500-600 0
С проходить повне руйнування бетону.
При проектуванні залізобетонних конструкцій будівлі великої протяжності ділять температурними швами на окремі блоки, які зазвичай поєднують з усадковими швами.
4.5. Корозія залізобетону і заходи захисту
Характер корозії бетону та арматури в залізобетонних конструкціях залежить від агресивності середовища, складу і щільності бетону.
Корозія бетону відбувається при недостатньо щільних бетонах під дією фільтрування води. При цьому на поверхні бетону утворюються білі пластівці, які свідчать про руйнування бетону. Найбільш небезпечні м'які води.
Інший вид руйнування може відбуватися під впливом агресивного середовища (кислоти).
43
Корозія арматури зазвичай протікає одночасно з корозією бетону. При поганому бетоні, а також при великому розкритті тріщин агресивне середовище може викликати корозію арматури і без руйнування арматури.
Рис.4.6. Корозія арматури
Заходи захисту від корозії: зниження фільтраційних властивостей бетону (спеціальні добавки); підвищення щільності бетону; збільшення товщини захисного шару; застосування спеціальних видів бетону; захист поверхні (штукатурка кислототривка, облицювання керамічне та ін.)
Запитання для самоперевірки
1. Механічні властивості і види сталевої арматури.
2. Марки і класи арматурної сталі.
3. Модуль пружності арматурної сталі.
4. Відомості про неметалеву арматуру.
5. Вплив арматури на усадку і повзучість бетону.
6. Види корозії залізобетону.
44
5. ОСНОВИ ТЕОРІЇ РОЗРАХУНКУ ЗАЛІЗОБЕТОНУ
5.1. Стадії напружено-деформованого стану при згинанні
Стадія I - до появи тріщин в бетоні розтягнутої зони, коли напруження в бетоні менше тимчасового опору розтягуванню та розтягуючі зусилля сприймаються арматурою та бетоном спільно.
При малих навантаженнях на елемент напруження в бетоні і арматурі невеликі, деформації носять переважно пружний характер; залежність між напруженнями і деформаціями - лінійна, епюра нормальних напружень в бетоні стиснутої зони перетину - трикутна.
Арматура в верхній зоні
s
A
x
висота стиснутої зони.
0
h
робоча висота перерізу.
Якщо арматури не один ряд, то спочатку знаходиться центр ваги всіх стрижнів, і
0
h
від найбільш стиснутого волокна до центра ваги всіх стрижнів.
sc
s
su
s
btu
bt
bu
b
;
;
Рис. 5.1. Перша стадія напружено-деформованого стану
45
Стадія I а - кінець стадії I.
Зі збільшенням навантаження на елемент в бетоні розтягнутої зони розвиваються непружні деформації, епюра напружень стає криволінійною, напруження наближаються до межі міцності при розтягуванні. При подальшому збільшенні навантаження в бетоні розтягнутої зони утворюються тріщини, настає новий якісний стан.
Розтягнутий бетон повністю вичерпує свої властивості - він знаходиться в граничному стані.
Стадія I а характеризує стан перед утворенням тріщин.
btu
bt
btu
максимальне значення напруження.
Стадія I а необхідна для розрахунку по визначенню моменту утворення тріщин.
Рис.5.2. Стадія Iа напружено-деформованого стану (пружна)
Стадія II - це стадія експлуатації, необхідна для визначення прогинів
f
та ширини розкриття тріщин
crc
a
У тому місці розтягнутої зони, де утворилися тріщини, розтягуюче зусилля сприймається арматурою і частково ділянкою бетону розтягнутої зони над тріщиною. В інтервалах між тріщинами в розтягнутій зоні зчеплення арматури з бетоном зберігається, і в міру віддалення від країв тріщин розтягуючі напруження в бетоні збільшуються, а в арматурі зменшуються. З подальшим збільшенням навантаження на елемент в бетоні стиснутої зони розвиваються непружні деформації, епюра нормальних напружень викривляється, а ордината максимальних напружень переміщається в край перерізу в його глибину.
46
Рис. 5.3. Стадія II напружено-деформованого стану (робота з тріщинами)
З цього моменту розтягнутий бетон практично не бере участі в роботі, в стислому бетоні з’являються пластичні деформації.
Кінець цієї стадії - стадія IIа.
Стадія IIа (стадія передруйнування).
Стадія IIа характеризується початком помітних непружних деформацій в арматурі.
Рис.5.4. Стадія IIа напружено-деформованого стану
Стадія III (стадія руйнування).
За тривалістю це найкоротша стадія. Напруження в арматурі досягають фізичної або умовної межі текучості, а в бетоні - тимчасового опору осьовому стиску. Криволінійність епюри нормальних напружень стиску стає яскраво вираженою. Бетон розтягнутої зони з роботи елемента майже виключається.
Розрізняють два характерних випадки руйнування елемента.
47
Випадок 1.
Рис.5.5. Стадія III напружено-деформованого стану. Випадок 1.
(Руйнування по арматурі).
Випадок I - випадок пластичного руйнування внаслідок уповільненого розвитку місцевих пластичних деформацій арматури. Руйнування починається з прояви плинності арматури, внаслідок чого швидко зростає прогин і інтенсивно зменшується висота стиснутої зони перерізу за рахунок розвитку тріщин по висоті елемента і появи непружних деформацій в бетоні стиснутої зони над тріщиною. Ділянка елемента, на якому спостерігається плинність арматури і пластичні деформації стиснутого бетону, деформується практично при постійному граничному моменті. Тому такі ділянки звуться пластичними шарнірами.
500 400
btu
s
sc
s
sc
E
R
При слабкому армуванні тріщина зростає при невеликих навантаженнях, нульова лінія піднімається догори перетину; при сильному армуванні положення нульової лінії не змінюється. Напруження в стиснутій зоні перетину досягають тимчасового опору осьовому стиску і може статися роздроблення бетону.
До випадку I відносять також крихке руйнування елементів, армованих високоміцним дротом, так як розрив останнього через мале відносне подовження при розтягуванні (
%
4
) проходить одночасно після роздроблення бетону стиснутої зони елемента.
Випадок 2.
Цей випадок спостерігають при руйнуванні елементів з надмірним вмістом розтягнутої арматури. Руйнування таких елементів завжди відбувається раптово (крихке руйнування) від повного вичерпання несучої
48 здатності бетону стиснутої зони, при неповному використанні міцності розтягнутої арматури. В цьому випадку прогини
f
і ширина розкриття тріщин
crc
a
незначні. Несуча спроможність такого елемента практично перестає бути залежною від площі поздовжньої арматури, і залежить лише від міцності бетону, форми і розмірів перетину.
Нормально армовані елементи - елементи, в яких повністю використовується несуча здатність арматури.
Рис. 5.6. Стадія III напружено-деформованого стану. Випадок 2.
(Руйнування по бетону).
Переармування елементів допускають, коли площа перерізу робочої арматури недостатня за розрахунком за другою групою граничних станів або коли арматура прийнята з конструктивних міркувань.
Норми рекомендують розрахунок міцності виконувати по I випадку.
5.2. Тріщиностійкість залізобетонних конструкцій
Під тріщиностійкістю конструкцій розуміють їх опір утворенню тріщин в кінці стадії I НДС або опір розкриттю тріщин в стадії II.
Раннє утворення і велике розкриття тріщин у розтягнутих зонах є
істотним недоліком залізобетонних конструкцій, так як знижує їх довговічність через корозію арматури і підвищує деформативність через зменшення моменту інерції перерізів елементів.
Залізобетонні конструкції розраховують на: утворення тріщин; розкриття (нетривалого і тривалого) тріщин; закриття (для нетривалого розкриття) тріщин.
5.3. Гранична висота стиснутої зони
49
Розглянемо початкові деформації - працює гіпотеза плоских перетинів.
Якщо арматура розташована близько до нейтрального шару, то витрата арматури неекономічна, тому що
0
s
Рис.5.7. Визначення висоти стиснутої зони (- - - ще один шар арматури)
n
i
si
b
N
N
1
Виходячи з величини армування і враховуючи, що при будь-якому заданому значенні міцності бетону і ширині перерізу N = f (x), положення нейтрального шару, відповідно до прийнятих гіпотез, може змінюватися від
0
1 2 3 4 5 6 7 8