Железобетонные конструкции

Раздел: Строительство

I. Сущность железобетона. Железобетоном называется строительный материал, в котором соединены в монолитное целое бетон и сталь  (арматура).

Идея создания железобетона из двух различных по своим механическим характеристикам материалов заключается в реальной возможности использования бетона для работы на сжатие, а стали на растяжение.

Бетон, являясь искусственным камнем, сопротивляется растяжению в 10—15 раз слабее, чем сжатию, что существенно ограничивает возможности его применения. Если, например, бетонную балку ( 1,а), свободно лежащую на двух опорах, подвергнуть изгибу, то верхние волокна балки будут сжаты, а нижние растянуты. Но поскольку бетон плохо сопротивляется растяжению, поперечное сечение такой балки можно назначать только из условий работы бетона на растяжение, и бетонная (неармированная) балка будет массивной и нерациональной. Если же в растянутую зону ввести небольшое количество стали (1—2% площади сечения бетона), то несущая способность балки ( 1,6) повысится в 10—• 20 раз.

Совместная работа бетона и арматуры в железобетонных конструкциях оказалась возможной благодаря выгодному сочетанию следующих свойств:

1)        сцепление (склеивание) между бетоном и поверхностью арматуры, возникающее при твердении бетонной смеси;

2)        близкие по значению коэффициенты линейного расширения бетона и стали (для бетона а=0,00001... ...0,000015; для стали а=0,000012) при f<100°C, что исключает появление внутренних усилий, могущих нарушить сцепление бетона с арматурой;

3) защищенность арматуры, заключенной в теле бетона, от коррозии и непосредственного воздействия огня.

Сегодня трудно найти такую область народного хозяйства, в которой при строительстве не применялся бы

железобетон.

Преимущества железобетона:

благодаря высоким физико-механическим свойствам железобетон оказывает значительное сопротивление статическим и динамическим нагрузкам, сейсмо- и виброустойчив, долговечен, огнестоек и хорошо сопротивляется атмосферным воздействиям. До 70—80% массы железобетона составляют местные материалы (песок, гравий или щебень и вода);

прочность бетона со временем не только не уменьшается, но может даже увеличиваться;

железобетону легко могут быть приданы любые целесообразные конструктивные и архитектурные формы;

эксплуатационные расходы по содержанию сооружен ний и уходу за железобетонными конструкциями весьма низки.

К недостаткам железобетона относятся относительно большая масса конструкций; повышенная тепло- и звукопроводность; сложность производства работ, осо-' бенно в зимний период; потребность в квалифицированных кадрах, специальном оборудовании (при изготовлении сборных железобетонных конструкций в заводских условиях); возможность появления трещин вследствие усадки и ползучести бетона, а также по технологическим причинам до приложения эксплуатационной нагрузки.

Железобетон широко применяется в промышленном, гражданском и сельском строительстве, в гидротехническом, шахтном и горнорудном строительстве. Накбплен опыт применения железобетона в машиностроении для изготовления станин и опорных частей тяжелых прессов и станков; железобетон применяется даже в судостроении.

2. Виды железобетонных конструкций. Железобетонные конструкции в зависимости от методов возведения, назначения конструкций, сроков строительства и экономических показателей могут быть сборными, монолитными и сборио-монолитными.

Сборный железобетон — основной строительный материал в современном строительстве.

Сущность сборного железобетона заключается в том, что все элементы сооружения изготовляют на заводах железобетонных изделий. На строительной площадке готовые конструкции монтируют.

Применение сборных унифицированных железобетонных конструкций заводского изготовления позволяет значительно снизить расход стали, древесины и затраты труда на дорогостоящие опалубку и леса, но требует тяжелых транспортных и подъемных механизмов, тщательного выполнения стыков и узлов сопряжений элементов.

Монолитные железобетонные конструкции возводят с предварительным устройством поддерживающих лесов и опалубки (форм), в которую устанавливают арматуру и укладывают бетонную смесь. Леса и опалубка могут бить сняты только после того, как бетон приобретет достаточную прочность.

Монолитные железобетонные конструкции находят широкое применение в сооружениях, трудно поддающихся членению и унификации, например в гидротехнических сооружениях, тяжелых фундаментах, бункерах, плавательных бассейнах, в сооружениях, возводимых в передвижной или скользящей опалубке (силосы, дымовые трубы, многоэтажные здания башенного типа и т.д.).

Однако при возведении монолитных конструкций в условиях отрицательных температур необходим подогрев бетона.

Сборно-монолитные железобетонные конструкции представляют собой сочетание сборных элементов и монолитного бетона, укладываемого иа месте строительства. Обычно сборные элементы образуют опалубку для монолитного бетона, что ведет к уменьшению расхода сталр и древесины на опалубку. Сборпо-монолитные конструкции по сравнению со сборными отличаются большей монолитностью и более простым устройством стыков.

По виду арматуры различают железобетон с гибкой арматурой в виде стальных стержней круглого или периодического профиля и конструкции с несущей арматурой. Несущей арматурой служат профильная прокатная сталь — уголковая, швеллерная, двутавровая (называемая жесткой арматурой) и пространственные сварные каркасы из круглой стали, воспринимающие нагрузку от подвесной опалубки и свежеуложенной бетонной смеси.

Одним из недостатков железобетонных конструкций является их низкая трещиностойкость. В ряде случаев трещины неопасны и не мешают нормальной эксплуатации конструкций. Однако в некоторых конструкциях трещины недопустимы, например в трубах, резервуарах, а также в конструкциях, находящихся в условиях действия агрессивных сред.

Чтобы исключить этот недостаток железобетона, применяют так называемые предварительно-напряженные конструкции.

Идея предварительного напряжения заключается в предварительном (до приложения внешней нагрузки) обжатии бетона в зонах, где после приложения нагрузки возможны растягивающие напряжения, вызывающие образование или раскрытие трещин. В предварительно-напряженных железобетонных конструкциях арматура подвергается предварительному растяжению, а бетон — сжатию.

Особой разновидностью железобетона является ар- моцемент. Армоцементные конструкции — это тонкостенные конструкции из мелкозернистого бетона, армированные по всей толщине сетками из тонкой стальной проволоки.

Армоцемент хорошо сопротивляется растяжению н изгибу, отличается высокой трещиностойкостью, упругостью и т.д.

Наиболее распространен в строительстве железобетон с гибкой арматурой. В настоящее время быстро развивается производство и применение сборного предварительно-напряженного железобетона.

3. Краткие исторические сведения. Железобетонные конструкции начали применять со второй половины XIX в. в связи с развитием промышленности и транспорта.

Принято считать, что первым изделием из железобетона была лодка, построенная Ламбо во Франции в 1850 г.

Франция в 1950 г. торжественно отметила столетие железобетона.

Первые патенты на изготовление изделий из железобетона (цветочные кадкн из проволочной сетки, обмазанной с обеих сторон цементным раствором), были получены французским садовником Монье в 1867—1870 гг. Постепенно железобетон стал находить применение п строительных конструкциях.

Значительную роль п создании новых для того времени видов рациональных железобетонных строительных конструкций сыграл французский инженер Ф. Геннебик. В 1892 г. он предложил железобетонные ребристые перекрытия и ряд других строительных конструкций.

В России железобетон применяют с 1886 г. для перекрытий по металлическим балкам. Широкое распространение железобетон получил в России после проведенных проф. Н. А. Белелюбским в 1891 г. публичных испытаний железобетонных и бетонных конструкций в Петербурге. Были испытаны плнты, свод, труба, цилиндрический резервуар, шестигранный закром элеватора, сводчатый мост под проезжую дорогу. Испытания прошли успешно и были весьма убедительны. Они явились толчком к распространению железобетона в России.

С 1899 г. железобетон применяется при строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, в промышленном и гражданском строительстве. В 1904 г. в Николаеве построен первый в мире железобетонный маяк. В 1908 г. проф. А. Ф. Лолейт рассчитал, сконструировал и построил в Москве железобетонные междуэтажные безбалочные перекрытия и другие крупные железобетонные конструкции, а в Западной Европе (в Швейцарии) безбалочные перекрытия впервые были применены в 1910 г. В США безбалочное (под названием «грибовидное») перекрытие было предложено инж. 'Гуриером н 1906 г.

Дли распространения железобетона в России большое значение имели труды отечественных ученых и инженеров: Н. А. Белелюбско- го, И. Г. Малюги, А. Ф. Лолейта, И. С. Подольского, Г. П. Переде- рия и др. Однако объемы применения железобетона в дореволюционной России были крайне невелики.

В СССР железобетонные конструкции широко применялись при сооружении Волховской ГЭС н всех последующих гидроэлектростанций. Сложные железобетонные конструкции нашли применение при строительстве каналов Москва—Волга, Волга—Дон, мостон, крупных промышленных предприятий.

Теория расчета железобетонных конструкций создавалась одновременно с его внедрением в практику строительства.

В 1886 г. немецкий инженер М .Кенен показал, что арматуру следует располагать в растянутой зоне; он же предложил метод расчета железобетонных плит.

Ф. Геннебик первым применил отогнутую арматуру для восприятия поперечных сил. Профессор Н. А. Белелюбский предложил принимать эпюру напряжений в сжатой зоне изгибаемых железобетонных элементов при расчете на прочность в виде треугольника и не учитывать работу бетона в растянутой зоне, а все растягивающие усилия передавать на арматуру.

Усилия в железобетонных конструкциях в то время определяли, исходя из их работы в упругой стадии по методам строительной механики, сечения подбирали по допускаемым напряжениям.

В 1931—1933 гг. проф. А. Ф. Лолейт разработал основные положения новой теории расчета изгибаемых н центрально-сжатых железобетонных элементов по разрушающим нагрузкам.

В бывш. Центральном научно-исследовательском институте промышленных сооружений (ЦНИПС) под руководством проф. А. А. Гвоздева были проведены обширные экспериментальные исследования н завершена разработка этой теории, подготовлены новые технические условия и нормы проектирования железобетонных конструкций, изданные в 1938 г.

Выдающуюся роль в создании новой теории сыграли А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев, Я. В. Столяров, М. Я. Штаерман, В. И. Мурашев, П. Л. Пастериак, С. А. Дмитриев, В. В. Михайлов, С. Е. Фрай- фельд и др.

В 1955 г. в СССР был введен еще более прогрессивный метод расчета по предельным состояниям. Развитию и внедрению расчета сеченнй по методу предельных состояний посвящены труды советских ученых: Н. С. Стрелецкого, А. А. Гвоздева, В. М. Келдыша, К. В. Сахновского, В. И. Мурашева, С. Е. Фрайфельда, П. Л. Пастернака, В. В. Михайлова, С. А. Дмитриева, С. С. Давыдова, А. М. Овечкина н др. Благодаря их трудам в нашей стране созданы самые передовые методы расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям, являющиеся дальнейшим развитием метода расчета по разрушающим нагрузкам.

В настоящее время бетонные и железобетонные конструкции рассчитывают и конструируют на основании главы СНиП П-21-75.

Расчет железобетонных конструкций по методу предельных состояний применяется в социалистических странах.

Железобетон в настоящее время является основным материалом при возведении промышленных зданий ( 2.3), эстакад, силосов ( 4.5), бункеров ( 6), резервуаров, дымоных труб; широко применяется в строительстве гидротехнических сооружений, электростанций, метрополитенов, горных выработок, мостов. За последние годы железобетон стал основным материалом и в конструкциях жи- .rjbix домов ( 7), общественных зданий, а также многих сельскохозяйственных зданий и сооружений.

Применение предварительно-напряженных железобетонных конструкций, особенно с появлением высокопрочных сталей и бетонов, позволило перекрывать большие пролеты зданий н сооружений. В нашей стране сооружаются предварительно-напряженные железобетонные мосты, оболочки ( 8), резервуары и другие уникальные конструкции.

Построенная в Москве в 1960—1965 гг. по проекту Н. В. Никитина башня Московского телевизионного центра общей высотой 537 м выполнена (до высоты 384 м) из монолитного предварительно-напряженного железобетона ( 9) .

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.         Дайте определение железобетона.

2.         Какова основная идея создания железобетона?

3.         Что является основой совместной работы бетона и арматуры в железобетонных конструкциях?

4.         Перечислите достоинства и недостатки железобетона.

5.         Назовите основные виды железобетонных конструкций; дайте их краткую характеристику.

6.         Назовите основные виды зданий и сооружений, выполняемых из железобетона.