В1. Сущность ж/б. Области применения ж/б.

Как и любой другой искусственный или естественный каменный материал, бетон сопротивляется разрыву приблизительно в 15-20 раз слабее, чем сжатию. Кроме того, он – хрупкий материал, рассмотрим зависимость напряжений и деформаций в бетоне (рис.1.1).

Именно хрупкость бетона не позволяет во многих случаях использовать прочность бетона при растяжении, даже когда напряжения, вызываемые внешними силами, невелики. Это объясняется тем, что в период строительства возникают трещины из-за колебаний температур, неравномерного высыхания, случайных динамических воздействий. Непосредственно бетонными конструкциями бывают: колонны, фундаменты, подпорные стенки и прочие конструкции, воспринимающие только сжимающие усилия. При этом несущая способность сжатой зоны балок используется не более чем

на 5 – 7 %.Если усилить растянутую зону балки так, чтобы она могла воспринимать необходимые растягивающие усилия, то, соответственно, будет возрастать несущая способность всей балки, вплоть до полного исчерпания прочности ее сжатой зоны.Наиболее подходящим материалом, позволяющим в широких пределах повышать сопротивляемость растянутых зон бетонных балок, оказалась стальная арматура, одинаково хорошо сопротивляющая растяжению и сжатию.Относительное удлинение стали при разрыве в сотни раз превышает предельное удлинение бетона. Как известно, в отличие от бетона сталь более прочный и одновременно более пластичный материал.Если судить по диаграмме зависимости стали (рис. 1.3), сталь – это упругопластический материал.При достаточном армировании железобетонная балка разрушится при полном исчерпании несущей способности сжатой зоны, следовательно, прочность ее по сравнению с бетонной (неармированной) балкой в зависимости от класса бетона возрастает в 15-20 раз .Железобетон – это комплексный конструктивный материал, в котором бетон и арматура деформируются под нагрузкой как единое монолитное целое. Пользуясь терминологией механики твёрдого тела, можно сформулировать понятие железобетона как армированного композитного материала. При этом предполагается, что бетон в основном предназначен для восприятия сжимающих усилий, а стальная арматура – растягивающих.При таком распределении функций между бетоном и арматурой железобетон способен воспринимать растягивающие усилия вплоть до полного исчерпания несущей способности сжатой зоны изгибающих, внецентренно сжатых или растянутых элементов.Железобетон обладает анизотропией – зависимостью механических и деформативных свойств от направления действия внешних нагрузок, обусловленной армированием и нелинейностью деформирования, т.е. анизотропия связана с трещиностойкостью, пластическими свойствами бетона и стали. Особенность железобетона: способность воспринимать нагрузку с видимыми трещинами в растянутой зоне.

Спектр применения железобетонных конструкций широкий: гидростроительство (ГЭС, плотины); транспортное строительство (кроме ж/д мостов); промышленное, сельскохозяйственное, гражданское (в том числе жилищное) строительство; горная промышленность и т. д.

В2.Кубиковая и призменная прочность бетона. Прочность бетона на срез и скалывание. Из всех прочностных характеристик бетона наиболее просто определяется его прочность при сжатии, а высокое сопротивление бетона сжатию является его ценным свойством, используемым в железобетонных конструкциях. Поэтому за основную характеристику прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Для оценки кубиковой прочности применяют раздавливание на прессе изготовленных в тех же условиях, что и реальные конструкции кубов бетона. За стандартные образцы принимают кубы размерами150х150х150 мм, испытание которых происходит при температуре 20 ± 2 ºC через 28 дней твердения в нормальных условиях.Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если кубиковая прочность бетона для базового куба с ребром 150 мм равно R (рис. 2.4), то для куба с ребром 200 мм оно уменьшается до 0,93 R, а для куба с ребром 100 мм – увеличивается до 1,1 R.

а. б.

Различное временное сопротивление сжатию образцов разной формы объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса, а также неоднородностью структуры бетона. Вблизи опорных плит силы трения, направленные внутрь образца, создают обойму, следовательно, увеличивается прочность образцов при сжатии. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцов снижается, таким образом, бетонный куб при разрушении получает форму двух усеченных пирамид, обращенных друг к другу вершинами (рис. 2.5, а). При уменьшении сил трения посредством смазки характер разрушения меняется (рис. 2.5, б): вместо выкалывания с боков образца пирамид происходит раскалывание его по трещинам, параллельным направлению действия усилия. При этом временное сопротивление бетона сжатию уменьшается.Поскольку железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, в расчетах их прочности не может быть непосредственно использована кубиковая прочность бетона. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность R_b. Опыты на бетонных призмах со стороной основания а и высотой h показали, что призменная прочность R_b меньше кубиковой R и она уменьшается с увеличением отношения h/a.При h/a=4 призменная прочность становится почти стабильной и равной примерно R_b ≈ 0,75 R. Как и для кубиков, это явление объясняется различной степенью влияния сил трения по торцам образцов – чем больше размер образца и больше расстояние между его торцами, тем меньше влияние сил трения. Влияние гибкости бетонного образца становится ощутимым при h/a,больше 8Кривая, приведенная на рис. 2.6, иллюстрирует зависимость Rb/R от h/a по усредненным опытным данным. Таким образом, призменная прочность R_b – это временное сопротивление осевому сжатию призмы R_bu с отношением сторон h/a=4.Чистый срез – это разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. При этом возникает напряженное состояние, когда главные напряжения |сигма1|=|сигма3|, |сигма2=0|, а максимальное касательное напряжение |тау мах| =0.Существенное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающие как шпонки в плоскости среза. При срезе распределение напряжение по площади сечения считается равномерным. В железобетонных конструкциях чистый срез встречается редко; обычно он сопровождается действием нормальных сил (рис. 2.8).Временное сопротивление бетона на срез можно определить по эмпирической зависимости R_sh = 2×R_bt/

Чистое скалывание – взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий.Сопротивление скалыванию возникает при изгибе железобетонных балок до появления в них наклонных трещин.Скалывающие напряжения по высоте сечения изменяются по квадратной параболе. Временное сопротивление бетона скалыванию можно определить по эмпирической зависимости R_скал ≈ (1,5÷2)×R_bt

В3.Классы и марки бетона. Класс – это ряд эталонных чисел на числовой оси, привязанных к прочности на сжатие и растяжение, задаваемых при проектировании с обеспеченностью 0,95 прочностных свойств.Марка оценивает основные физические свойства бетона (обеспеченность 50%).Существует класс бетона по прочности на сжатие B по прочности на растяжение B_{t .}Значение класса бетона по прочности на сжатие – это значение, полученное при испытании кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартами в течение 28 суток при температуре 20 ± 2 ºC с учетом 95% обеспеченности прочностных свойств.Для оценки изменчивости прочности и обеспечения гарантии для заданного значения используют кривую распределения теории вероятности.

Среднее квадратичное отклонение прочности бетона – это величина, характеризующая разброс прочности экспериментальных значений. Среднее квадратичное отклонение прочности бетона определяют по зависимости
Коэффициент вариации прочности бетона – это отношение среднего квадратичного отклонения прочности бетона к среднему значению временного сопротивления бетона сжатию. Коэффициент вариации прочности бетона определяют по зависимости
Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию, установленное при испытании партии стандартных образцов, определяют по зависимости Сигма ni - общее число испытаний в партии где n1,n2... число случаев, в которых было установлено временное сопротивление соответственно R1,R2...;

Чем совершеннее производство и технология приготовления бетонной смеси, тем меньше коэффициент вариации прочности и экономичнее производство.Опытные исследования для тяжёлых, мелкозернистых и легких бетонов показали, что коэффициент вариации прочности бетона при сжатии Vm=0,135. При показателе надежности альфа=1,64, который характерен для обеспеченности 95% прочностных свойств (правило «двух сигм»), класс бетона по прочности на сжатии определяют по формуле: или . Таким образом, гарантированная прочность заданного нормами класса бетона на сжатие равна: Коэффициент вариации прочности бетона при растяжении , тогда гарантированная прочность заданного нормами класса бетона на растяжение равна:

Кривая распределения прочности

Марка бетона по морозостойкости F – число выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания водонасыщенных образцов, испытанных в соответствие со стандартом, при котором прочность падает не более чем на 15% по сравнению с прочностью образца, не подвергающегося замораживанию.Старые нормы СНиП 2.03.01 – 84* «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливали марки бетона по морозостойкости от F 15 до F 500. Новые нормы СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливают марки бетона по морозостойкости от F 15 до F 1000. Для каждого конкретного случая марку бетона по морозостойкости принимают в зависимости от расчетной зимней температуры наружного воздуха, условий работы и класса зданий. Марка бетона по водонепроницаемости W – это наибольшее давление воды (МПа), при котором не наблюдается её просачивания через стандартный образец, изготовленный по ГОСТу.Эту марку принимают для конструкций, к которым предъявляют особые ограничения водопроницаемости (резервуары, напорные трубы, силосы). Старые нормы СНиП 2.03.01 – 84* «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливали марки бетона по водонепроницаемости от W2 доW12. Новые нормы СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливают марки бетона водонепроницаемости от W2 доW20, где цифрами обозначают давление воды, при котором коэффициент фильтрации (м/с) не превышает нормативного значения.

Конкретную марку бетона по водонепроницаемости принимают в зависимости от класса зданий, условий эксплуатации конструкций или максимального градиента напора, представляющего отношение напора к толщине элемента. Марка бетона по средней плотности D – это гарантированная собственная масса бетона (кг/м³), контролируемая на базовых образцах в установленные сроки согласно ГОСТу. Марку по средней плотности принимают для конструкций, к которым предъявляют требования теплоизоляции. Старые нормы СНиП 2.03.01 – 84* «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливали марки бетона по средней плотности от D 700 до D 2500. Новые нормы СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливают марки бетона по средней плотности от D 200 до D 5000, где цифры обозначают плотность бетона. Для напрягающих бетонов устанавливают марку по самонапряжению. Марка бетона по самонапряжению S_p – это гарантированное значение предварительного напряжения в бетоне (МПа), создаваемое в результате его расширения при наличии продольной арматуры в количестве 1% и контролируемое на базовых образцах в установленные сроки согласно ГОСТу. Марку бетона по самонапряжению принимают в зависимости от предъявляемых к самонапрягающимся конструкциям требований по трещиностойкости и жесткости.

В4 Влияние времени и условий твердения на прочность бетона. Прочность бетона при длительном действии нагрузки, при многократно повторных нагрузках. Динамическая прочность бетона. Усадка – это уменьшение бетона в объеме при твердении в обычной (воздушной) среде .Образование усадочных трещин обуславливается интенсивным уменьшением объема наружных слоев элемента, в то время как внутренний слой не успевает сократиться в объеме. Это вызывает в еще неокрепшем наружном слое собственные растягивающие напряжения, вследствие чего на поверхности бетона могут появиться многочисленные усадочные трещины. Отрицательное влияние усадочных напряжений учитывают косвенно конструктивной арматурой и устройством усадочных швов.Размеры усадки бетона и изменение ее во времени зависят от многих факторов: с увеличением цемента на единицу объема возрастает усадка; с увеличением водоцементного отношения (В/Ц) усадка увеличивается; чем выше влажность при твердении бетона, тем больше усадка и т.д. Набольшее влияние усадка оказывает в начальный период твердения, т.к. с течением времени уменьшается влажностный градиент по мере высыхания бетона, и растут кристаллические сростки, оказывающие сопротивление усадочным напряжениям. Набухание – это увеличение бетона в объеме при твердении его в воде. Процесс набухания бетона намного быстрее усадки. При набухании проникновение воды начинается с поверхности бетона, поэтому объем наружных слоев увеличивается, в то время как объем внутренних слоев увеличиться не успевает. Это вызывает в наружном слое бетона неопасные сжимающие напряжения, которые не учитываются при расчете железобетонных конструкций. Ползучесть – это свойство бетона, характеризующее нарастание неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях. Деформации ползучести бетона обусловлены его структурными несовершенствами. Абсолютная величина деформаций ползучести зависит от возраста, прочности бетона и его составляющих компонентов, влажности среды. Ползучесть уменьшается по мере старения бетона, увеличения его прочности, уменьшения (В/Ц), увеличения влажности окружающей среды. Скорость деформаций ползучести бетона со временем затухает, асимптотически приближаясь к нулевому значению.

Если бетонному образцу задать некоторую деформацию обусловливающую соответствующее напряжение , а затем устранить возможность дальнейшего деформирования наложением связей, то с течением времени напряжения в бетоне будут уменьшаться, стремясь асимптотически к некоторой конечной величине.

Опыты с бетонными призмами показывают, что независимо от того, с какой скоростью загружения было получено напряжение , конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми. Если испытываемый образец загрузить по этапам и замерять деформации на каждой ступени дважды (сразу после прил. нагр. и через некоторое время), то получится ступенчатая линия. Деф-ии, измеренные сразу, являются упругими. При достаточно больш. числе ступеней загруж. зависимость станов. плавной кривой. Релаксация – это уменьшение с течением времени напряжений при постоянной деформации

Многократное повторение циклов загрузки - разгрузки приводит к постепенному накапливанию пластических деформаций . После достаточно большого числа циклов неупругие деформации, соответствующие данному уровню напряжений, выбираются, ползучесть достигает своего предельного значения, бетон начинает деформироваться упруго .При больших напряжениях неупругие деформации неограниченно растут, напряжения достигают предела выносливости и бетон разрушается. Коэффициент надежности вводится в стадии работы конструкции. Для бетона существуют 12 коэффициентов условий работы. Например, коэффициент, учитывающий многократно повторяющуюся нагрузку; коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки и условия твердения.

В необходимых случаях расчетные значения прочностных характеристик бетона умножают на коэффициенты условий работы gg_bi В нормативных документах Rb это предел кратковременной прочности без учета , поэтому в расчетах учитывают .; 0,9 – длит. прочность;1,0 – тверд. под водой;1,1 –монтаж конст-ий.

При замедл. нагр. образцов прочность бетона на 10 ÷15% меньше, чем при кратк. нагружении. При быстром нагр. прочность бетона возрастает до 20% .

В5. Виды деформаций бетона. Объемные деформации. Деформации бетона при однократном загружении кратковременной нагрузкой. Деформации бетона при длительном действии нагрузки. Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. Предельные деформации бетона перед разрушением. Виды деформаций. В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности, и силовые, развивающиеся главным образом вдоль направления действия сил. Силовым продольным деформациям соответствуют некоторые поперечные деформации, начальный коэффициент поперечной деформации бетона «v(ню)=0,2(коэффициент Пуассона). Бетон представляет собой упругопластический материал. Начиная с малых напряжений, в нем помимо упругих восстанавливающихся деформаций развиваются неупругие остаточные или пластические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия подразделяют на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, при длительном действии нагрузки в при многократно повторном действии нагрузки.

Объемные деформации По данным опытов для тяжелых бетонов деформации, вызванные усадкой и более, для бетонов на пористых заполнителях . Деформация бетона при набухании меньше, чем при усадке. Деформации бетона, возникающие под влиянием изменения температуры, характеризуются коэффициентом линейной температурной деформации бетона «альфа bt». При изменении температуры от -50Сдо +50Сдля тяжелого, мелкозернистого бетона и бетона на пористых заполнителях с кварцевым песком ; для легких бетонов на мелких пористых заполнителях . Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей влажностного состояния бетона и может изменяться в пределах +- 30%. Деформации при однократном загружеиии кратковременной нагрузкой При однократном загружении бетон­ной призмы кратковременно приложенной нагрузкой деформации бетона т. е. она складывается из упругой деформации «эпсилон е»и не­упругой пластической деформации «эпсилон pl»). Не­большая доля неупругих деформаций в течение некоторо­го периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %). Эта доля называется деформацией упруго­го последствия «эпслон ep». Если испытываемый образец загру­жать по этапам И замерять деформации на каждой сту­пени дважды (сразу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой), то по­лучим ступенчатую линию, изображенную на рис. 1.11, а. Деформации, измеренные после приложения нагрузки, — упругие и связаны с напряжениями линейным законом. Деформации, развивающиеся за время выдержки под на­грузкой, — неупругие; они увеличиваются с ростом на­пряжений и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загруженпя зависимость между напряжениями и деформа­циями может быть изображена плавной кривой. Также и при разгрузке, если на каждой ступени замерять деформации дважды (после снятия нагрузки и через неко­торое время после выдержки под нагрузкой), то можно получить ступенчатую линию, которую при достаточно большом числе ступеней разгрузки можно заменить плав­ной кривой, но только уже вогнутой (см. рис. 1.10). Таким образом, упругие деформации бетона соответ­ствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, в то время как неупругие деформации развиваются во времени. С увеличением скорости загружения v при од­ном и том же напряжении «сигма b»неупругие деформации уменьшаются (рис. 1.11,б). При растяжении бетонного образца также возникает деформация складывающаяся из упругой «эпсилон et» и пластической «эпсилон pl,t» де­формаций. Деформации при длительном действии нагрузки/При сжатии бетонной призмы в режиме пропорциональ­ного развития во времени продольных деформаций об­наруживается постепенное снижение сопротивления бето­на, так называемая ниспадающая ветвь диаграммы на­пряжения — деформации (см. рис. 1.10). Такой участок повышенного деформирования бетона реально наблюда­ется в конструкциях при определенных условиях нагружения, например, при сжатии бетона у внешней грани сжатой зоны изгибаемых элементов. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблю­дается первые 3…4 мес. и может продолжаться несколь­ко лет. На диаграмме (рис. 1.11, в) участок 0—1 харак­теризует деформации, возникающие при загружении (его кривизна зависит от скорости загружения); участок 1—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжении. Свойства бетона, характеризующиеся нарастанием не­упругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях, называют ползучестью бетона. Деформа­ции ползучести могут в 3…4 раза превышать упругие деформации. При длительном действии постоянной на­грузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения в бетоне остаются постоянными. Когда же связи в бетоне (например, стальная арматура) ограни­чивают свободное развитие ползучести (стесненная пол­зучесть), то напряжения в бетоне уменьшаются. Свой­ство бетона, характеризующееся уменьшением с течени­ем времени напряжений при постоянной начальной деформации , называют релаксацией напряжений. Ползучесть и релаксация имеют общую природу и ока­зывают существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой. Природа ползучести бетона объясняется его структу­рой, длительным процессом кристаллизации и уменьше­нием количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряже­ний с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зерна за­полнителей. Одновременно развитию деформаций ползу­чести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается. Ползучесть разделяют на линейную, при которой за­висимость между напряжениями и деформациями при­близительно линейная, и нелинейную, которая начинает­ся при напряжениях «Rcrc», превышающих

границу образо­вания структурных микротрещин. Такое разделение ползучести условно, так как в некоторых опытах наблю­дается нелинейная зависимость «сигма b»и «эпсилон b» даже при относи­тельно малых напряжениях. Учет нелинейной ползучести имеет существенное значение в практических расчетах предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и некоторых других элементов. Опыты с бетонными призмами показывают, что неза­висимо от того, с какой скоростью загружения v было получено напряжение «сигма b1»(рис. 112, а), конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми. С ростом напряжений ползучесть бетона увеличивается; зависимость деформации — время при напряжениях показана на рис. 1.12,б. Загруженный в раннем возрасте бетон обладает боль­шей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Технологические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увеличением В/Ци количества цемента на единицу объема бетонной смеси ползучесть возрастает; с по­вышением прочности зерен заполнителей, повышением прочности бетона, его класса она уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжелые бетоны. Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет собой сумму деформаций: упругой «эпсилон e», деформацией ползучести«эпсилон pl» и усадки«эпсилон sl». Однако в то время как усадка носит ха­рактер объемной деформаций, ползучесть развивается главным образом в направлении действия усилия. Деформация бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки Многократное повторение циклов за­грузки — разгрузки бетонной призмы приводит к посте­пенному накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого числа циклов эти неупругие дефор­мации, соответствующие данному уровню напряжений, постепенно выбираются, ползучесть достигает своего пре­дельного значения, бетон начинает работать упруго. На рис. 1.13 показано, как с каждым последующим циклом неупругие деформации накапливаются, а кривая зави­симости «сигма b»-«эпсилон b», постепенно выпрямляясь, становится прямой, характеризующей упругую работу. Такой харак­тер деформирования наблюдается лишь при напряжени­ях, не превышающих предел выносливости «сигма b» менньше или равно Rr. При больших напряжениях после некоторого числа циклов неупругие деформации начинают неограниченно расти, что приводит к разрушению образца, при этом кривизна линии зависимости «сигма b»-«эпсилон b»меняет знак, а угол наклона к оси абсцисс последовательно уменьшается. При вибрационных нагрузках с большим числом по­вторений в минуту (200…600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползу­честью или динамической ползучестью.

Предельные деформации бетона перед разрушением

Это предельная сжимаемость и предельная растяжи­мость которые зависят от прочности бетона, его класса, состава, длительности приложения нагрузки (см. рис. 1.10). С увеличением класса бетона предельные де­формации уменьшаются, но с ростом длительности при­ложения нагрузки они увеличиваются. В опытах при осе­вом сжатии призм наблюдается предельная сжимаемость бетона , в среднем ее принимают рав­ной . В сжатой зоне изгибаемых элементов наблюдается большая, чем у сжатых призм, предельная сжимаемость, зависящая от формы поперечного сечения и относительной высоты сжатой зоны: . При уменьшении ширины поперечного сечения книзу и в тавровых сечениях уменьшается, а при уменьше­нии относительной высоты сжатой зоны — увеличивается. Она зависит также от насыщения сечения продольной арматурой.

Если при достижении значения бетонную призму последовательно разгружать, на диаграмме появ­ляется нисходящий участок кривой, а предельная сжи­маемость достигает значения (см. рис. 1.10).Предельная растяжимость бетона в 10…20 раз мень­ше предельной сжимаемости, в среднем . Для бетонов на пористых заполнителях это значение не­сколько больше. Предельная растяжимость бетона су­щественно влияет на сопротивление образованию трещин в растянутых зонах железобетонных конструкций.

В6. Назначение и виды арматуры. Механические свойства арматурных сталей. Под арматурой понимают гибкие или жёсткие стержни, преимущественно из стали, размещённые в массе бетона в соответствии с эпюрами изгибающих моментов, поперечными и продольными силами, действующими на конструкцию на протяжении всего периода существования конструкции.Назначение арматуры - воспринимать растягивающие усилия, а так же усадочные и температурные напряжения в элементах конструкций. Реже арматуру используют для усиления бетона сжатой зоны изгибаемых элементов, однако она эффективна для армирования колонн. Являясь важной составной частью железобетона, арматура должна отвечать специальным требованиям: надёжно работать совместно с бетоном на всех стадиях эксплуатации конструкции; использоваться до физического или условного предела текучести при исчерпании несущей способности; обеспечивать удобство арматурных работ и возможность их механизации. По функциональному назначению различают рабочую и монтажную арматуру.Под рабочей понимают арматуру, площадь сечения А_s которой определяют расчётом на действие внешних нагрузок. Продольная рабочая арматура воспринимает продольные усилия. Располагают её параллельно нагруженным граням элементов. Поперечная арматура направлена перпендикулярно продольной. Она воспринимает поперечные усилия. Поперечная арматура включает в себя хомуты и отгибы. Арматура устанавливается на растянутых волокнах конструкции. При этом расчёт необходимо выполнять на всех стадиях - изготовления, транспортировки, хранения, монтажа и эксплуатации. Содержание рабочей продольной арматуры в элементах железобетонных конструкций определяют отношением общей площади сечения A_s рабочих стержней к сечению А_b бетона -коэффициент армирования (%).Под монтажной (поперечной и продольной) понимают арматуру, устанавливаемую без расчёта (по конструктивным и технологическим соображениям). Она предназначена для более равномерного распределения усилий между отдельными стержнями рабочей продольной арматуры и для сохранения проектного положения рабочей продольной и поперечной арматуры в конструкции при бетонировании.Монтажную арматуру устанавливают так же для частичного восприятия не учитываемых расчётом усилий от усадки и ползучести бетона. В зависимости от вида поперечного сечения различают стальную арматуру: гибкую – из стержней круглого сечения (или периодического профиля) и жесткую – из фасонного проката (двутавров, швеллеров, уголков). Последний вид арматуры применяется редко.В железобетонных конструкциях при наличии агрессивной среды имеется большая опасность коррозии стальной арматуры. Для таких конструкций возможно применение неметаллической арматуры (стеклопластики). Гибкая арматура - обладает пластичностью, хорошей свариваемостью, высокими прочностью и пределом выносливости, достаточным порогом хладноломкости. Свариваемость – равнопрочное соединение стальных арматурных стержней. Прочность характеризуется пределом текучести «сигма pl» – это предел, при котором растут пластические деформации стали без увеличения внешней нагрузки.Условный предел текучести «сигма 0,2»– это напряжение, соответствующее остаточным деформациям 0,2%. Условный предел упругости – это напряжение, соответствующее остаточным деформациям 0,02%. При действии многократно повторяющейся нагрузки «сигма pl» уменьшается, а азрушение становится хрупким. За предел выносливости принимают прочность, когда нет хрупкого разрушения при числе циклов n=1*10⁵. Временное сопротивление «сигма u» – предельное сопротивление, когда происходит сужение образца (образование шейки) и разрыв.Если в стальном стержне создать растягивающие напряжения «сигма к>сигма pl», попадающие на диаграмме «сигма-эпсилон» за площадкой текучести в область упрочнения материала, а затем стержень разгрузить, то диаграмма разгрузки получает вид прямой линии и стержень получает остаточные пластические деформации. При повторном загружении, поскольку пластические деформации стали уже выбраны, новая линия диаграммы сольется с линией разгрузки, оставаясь параллельной участку, характеризующему упругую работу материала. Однако перегиб линии диаграммы – начало новой площадки текучести – наступит уже при более высоком напряжении «сигма к». Такие стали называют холоднодеформированными. Предел выносливости – это способность арматуры воспринимать длительное время знакопеременные напряжения. Хладноломкость – это хрупкое разрушение при температуре ниже -30˚. При высоких температурах (~350º) снижается прочность.Наибольшее внимание уделяется стержневой гибкой арматуре, что обусловлено её относительно высокими пластическими свойствами, обеспечивающих снижение в расчётных сечениях элементов опасной концентрации напряжений, вследствие их перераспределения. Малоуглеродистая стержневая арматура хорошо сваривается контактной стыковой или ручной дуговой сваркой, экономична, обладает наименьшей трудоёмкостью при армировании железобетонных конструкций.

Способ изготовления и форма поверхности определяет вид арматуры. Различают арматуру: Стержневую: горячекатаную, термоупрочнённую и термомеханически упрочнённую;Проволочную: холоднотянутую обыкновенную и высокопрочную; По начальному напряженному состоянию: напрягаемую и ненапрягаемую. Горячекатаная арматура – это стальная арматура в виде отдельных стержней круглого, эллиптического, квадратного и других сечений.

Предпочтение отдают круглому сечению, потому что такая арматура наиболее технологична в изготовлении и не имеет острых углов, врезающихся в бетон и способствующих образованию трещин. Класс такой арматуры обозначают буквой А и римской цифрой в СНиПе 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» (чем больше цифра, тем выше прочность), в СП 52-01-2003 – обычными цифрами: А-I (А 240) – гладкая; А-II (А 300), А-III (А 400), А-IV (А600), А-V (А800), A-VI (А1000)– периодический профиль. Такая сталь не подвергается после проката упрочняющей термической обработке. Ат-III (Ат 400), Ат-IV (Ат 600), Ат-V (Ат 800), Ат-VI (Ат 1000) – термически и термомеханически упрочнённая, т.е. подвергаемая после проката упрочняющей термической обработке; А-IIIв (А 400в)– упрочнённая вытяжкой. Холоднотянутая арматура – это стальная проволочная арматура. Обозначают буквой В от слова «волочение». Вр-I (Вр500) – периодического профиля; В-II – гладкая высокопрочная; Вр-II – высокопрочная рифлёная; К-7, К-19 – проволочные канаты соответственно семи- и девятнадцатипроволочные и др. Арматура периодического профиля – это арматура, на поверхности которой имеются часто расположенные кольцевые выступы, обеспечивающие надёжное сцепление с бетоном без устройства анкерных крюков на концах стержней.Ненапрягаемая арматура – арматура, укладываемая без предварительного натяжения (напряжения). В качестве ненапрягаемой арматуры преимущественно применяют сталь классов А400, А-600C, Вр 500, А240, А300, допускается применение А-600.Ненапрягаемая арматура классов А240, А300, А400, Вр500, A-600С– сваривают контактной и дуговой сваркой.

Напрягаемая арматура - преимущество сталь классов Ат-800, Ат-1000 в элементах длиной до 12 м, допускается также сталь классов А-600 , А-800, А-1000; при большой длине – сталь классов К-7, К-19.

В7. Применение арматуры в конструкциях. Арматурные сварные изделия. Арматурные проволочные изделия. Соединения арматуры: сварные стыки арматуры; стыки арматуры внахлестку без сварки. Стыкование ненапрягаемой арматуры:По способу производства стыки стержней делятся на сварные, несварные (внахлёстку), по месту изготовления – заводские и монтажные.Несварные стыки менее экономичны, поэтому их применяют только для стыкования термически упрочнённой стержневой арматуры.

В зависимости от вида арматуры и условий изготовления применяют разные виды сварных стыков:контактные;ванные в инвентарной форме;внахлёстку;тавровые и т.д. Сварные стыки выполняются в соответствии с ГОСТ. Стыки с накладками и внахлёстку применяют, если не удаётся точно подогнать торцы стыкуемых стержней. Сварные стыки можно размещать в любом месте стержня, однако рабочие стержни не рекомендуют сваривать в зонах наибольших усилий. Стыки с накладками в местах им насыщения бетона арматурой, дабы не мешать бетонированию. Свариваемость – равнопрочное соединение стальных арматурных стержней. Арматурные изделия 1. Арматурные сетки (обычно с перпендикулярным расположением рабочих стержней).2. Каркасы – плоские и пространственные. Сварные плоские сетки изготавливают шириной до 3800мм с продольной и поперечной рабочей арматурой. Расстояние между осями продольных и поперечных стержней обычно принимают кратным 50 мм. Плоские каркасы применяют для армирования изгибаемых элементов. Продольные рабочие и монтажные стержни размещают с одной стороны поперечных стержней, так как это исключает трудоемкое переворачивание стержней при изготовлении каркасов. Допускается размещение рабочих стержней в два и более рядов, если это оправдано экономически. Пространственные каркасы собирают из плоских каркасов или сваривают целиком, что позволяет снизить трудоёмкость работ.

В8. Сущность предварительно напряженного железобетона. Способы создания предварительного напряжения железобетона. Предварительно напряженные элементы – железобетонные элементы, в которых до приложения нагрузок, в процессе их изготовления, искусственно создается внутреннее напряженное состояние (самонапряжение), заключающееся в значительном обжатии бетона предварительно растянутой арматурой.

Предварительное напряжение применяется преимущественно в тех элементах, в которых при нагрузках возникают растягивающие напряжения. В отдельных случаях целесообразно применять преднапряжение в центрально и внецентренно сжатых элементах, в частности в гибких колоннах, где оно обеспечивает необходимую трещиностойкость на период транспортирования и монтажа, а также предотвращает потерю устойчивости элемента. Предварительное напряжение элементов повышает трещиностойкость, жесткость, выносливость конструкций при работе под воздействием многократно повторяющихся нагрузок, позволяет применять высокопрочную арматуру при полном использовании ее механических свойств. Но само по себе

преднапряжение НЕ повышает несущую способность. Как показывают опыты, в стадии разрушения эффект предварительного напряжения утрачивается, разрыв растянутой арматуры происходит при предельном напряжении и несущая способность предварительно напряженного элемента оказывается такой же, как и для железобетонного элемента без предварительного напряжения. Экономику применения высокопрочной стали можно проиллюстрировать. С увеличением прочности стали ее удельная стоимость снижается

	Предварительное напряжение может создаваться двумя способами:1. натяжением арматуры на упоры; 2. натяжением арматуры на бетон. Суть натяжения арматуры на упоры. Арматура натягивается и закрепляется на особых упорах стендов, форм. После бетонирования и приобретения бетоном достаточной прочности арматура освобождается с удерживающих устройств и, стремясь восстановить свою первоначальную длину, обжимает бетон. Напряжения в арматуре контролируются до обжатия бетона. Суть натяжения арматуры на бетон. Сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент. Для укладки рабочей арматуры в нем предусматривают каналы или пазы. После отвердения бетона арматура натягивается с передачей реактивных усилий непосредственно на бетон и при помощи анкеров удерживается в напряженном состоянии. Для создания сцепления арматуры с бетоном и защиты арматуры от коррозии каналы и пазы заполняют под давлением цементным тестом или раствором. Напряжения в арматуре контролируют по окончанию обжатия бетона.
		Натяжение арматуры может быть выполнено 3 способами: 1.механическим (домкратами, намоточными машинами и т.п.). 2. электротермическим. Арматура, нагретая и удлиненная за счет пропуска электротока, закрепляется на упорах. Поскольку арматура при остывании свободно не сокращается, в ней возникают растягивающие напряжения. Этот способ распространен в России. Он надежен, малотрудоемок и был экономичен при централизованной экономике. 3. электротермомеханическим (комбинированным). Здесь полностью исключают обрыв арматуры, т.к. усилие механического натяжения не более 20-30% от общего усилия натяжения.Натяжение на бетон осуществляют механическим способом. При натяжении на упоры применяют стержневую арматуру, высокопрочную проволоку и арматурные канаты; при натяжении на бетон – преимущественно высокопрочную проволоку и арматурные канаты. Арматурные канаты и проволоку небольшого диаметра можно натягивать на упоры форм или бетон непрерывной намоткой.Натяжение на упоры применяют в заводских условиях. Натяжение на бетон более трудоемко. Поэтому раньше этот вид натяжения применялся редко, только в случаях, когда изготовляли монолитные конструкции или уникальные конструкции больших размеров, в основном в транспортном строительстве. В наст. время натяжение на бетон получило распространение. Существует опыт в применении натяжения стержневой арматуры на бетон.Помимо трех способов натяжения арматуры распространен также физико-механический способ натяжения, т.е. самонапряжение, при котором используется свойство бетонов, изготовленных на расширяющемся цементе. При расширении бетона в процессе твердения арматура удлиняется, и т.о., создается предварительное напряжение. Такой способ технологически прост в применении.

В9. Сцепление арматуры с бетоном. Анкеровка арматуры в бетоне. Защитный слой бетона в железобетонных конструкциях. Сцепление арматуры с бетоном.Совместное деформирование арматуры с бетоном, обеспечивающееся сцеплени­ем и анкеровкой, служит основной предпосылкой деформирования железобетона под нагрузкой как конструктивного материала. По определению сцепление — это связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, в силу которой величина продольного усилия в арма­туре может стать переменной по ее длине. Силы сцепления вызывают в бетоне сложное напряженно-деформированное состояние, в частности расклинивание. По отношению к арматуре силы сцепления могут быть сведены к распределенной нагрузке, направленной по ее оси, а иногда дополнительно к нагрузкам в виде распре­деленных по длине изгибающих и крутящих моментов.Сопротивление сдвигу «тау с» растет с увеличением марки цемента, уменьшением В/Ц, с увеличением возраста бетона (влияние усадки). По длине заделки стрежня напряжения сцепления распределяются неравномерно, при этом наибольшее напряжение «тау с мах»не зависит от длины заделки.

Анкеровка — это закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности, способное воспринимать определенные величины нагрузки.Сцепление, даже при не полностью обеспеченной анкеровке, играет существенную роль - образование первой трещины влечет за собой воз­растание удлинений на всем протяжение растянутой арматуры. От каче­ства сцепления зависит расстояние между трещинами и ширина их раскры­тия. На Западе напряжения сцепле­ния рассчитывают по заведомо неверным формулам, считая, что распределение этих напряжении равномерно по длине заделки. Полученные значения сравнивают с допускаемыми или расчетными сопротивлениями, которые приходится назначать в каждом изучаемом случае разными исходя из данных опыта.

В России напря­жения сцепления вовсе не рассчитываются, но на основании опытов даются конструктивные правила относительно длин анкеровки, размеров поперечного армирования и т. п. В различных опытах сила сцепления арматуры с бетоном определялась сопротивлением скольжению забетонированного стержня при его выдергивании или выталкивании. Как показали опыты, сила сцепления меняется в широких пределах и в основном зависит от трех факторов:

Анкеровка — это закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности, способное воспринимать определенные величины нагрузки. Сцепление, даже при не полностью обеспеченной анкеровке, играет существенную роль - образование первой трещины влечет за собой воз­растание удлинений на всем протяжение растянутой арматуры. От каче­ства сцепления зависит расстояние между трещинами и ширина их раскры­тия. На Западе напряжения сцепле­ния рассчитывают по заведомо неверным формулам, считая, что распределение этих напряжении равномерно по длине заделки. Полученные значения сравнивают с допускаемыми или расчетными сопротивлениями, которые приходится назначать в каждом изучаемом случае разными исходя из данных опыта. В России напря­жения сцепления вовсе не рассчитываются, но на основании опытов даются конструктивные правила относительно длин анкеровки, размеров поперечного армирования и т. п. В различных опытах сила сцепления арматуры с бетоном определялась сопротивлением скольжению забетонированного стержня при его выдергивании или выталкивании. Как показали опыты, сила сцепления меняется в широких пределах и в основном зависит от трех факторов: склеивания арматуры с бетоном, благодаря клеящей способности цементного теста (адгезия); сил трения, возникающих на поверхности арматуры благодаря зажатию стержней в бетоне при его усадке; сопротивления бетона усилиям среза, возникающим из-за наличия неровностей и выступов на поверхности арматуры.

Наибольшее влияние на сцепление оказывает третий фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления. Первый фактор оказывает наименьшее влияние – до 25% всей силы сцепления. Арматура периодического профиля с сильно шероховатой поверхностью обладает более высоким и надежным сопротивлением скольжению благодаря зацеплению и заклиниванию ее выступов в бетоне. По сравнению с гладкими стержнями арматура периодического профиля обладает в 2-3 раза большей силой сцепления с бетоном.

Напряжение в бетоне под выступами арматуры при ее выдергивании может превосходить в 5-7 раз кубиковую прочность бетона, поэтому недопустимо снижение плотности бетона в зоне контакта его с арматурой. Наиболее надежное повышение сопротивления скольжению арматуры в бетоне достигается соответствующим конструированием арматуры: устройством крюков на концах гладких стержней, применением анкеров.

Сопротивление скольжению растянутой арматуры (на выдергивание) меньше, чем сопротивление скольжению сжатой арматуры (на выталкивание), что объясняется поперечными деформациями самого стержня. С увеличением диаметра стального стержня и повышением нормального напряжения в нем сила сцепления его с бетоном при растяжении уменьшается, а при сжатии – увеличивается (рис.4.3). Защитный слой бетона в железобетонных конструкциях создается размещением арматуры на некотором удалении от поверхности элемента. Защитный слой бетона необходим для совместной работы арматуры с бетоном на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций. Он защищает арматуру от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т. п. При назначении толщины защитного слоя бетона учитывают вид и размеры конструкции, диаметр и назначение арматуры, вид и класс бетона, условия работы конструкции и т. д.Толщину защитного слоя для продольной рабочей арматуры принимают не менее диаметра стержня или каната и не менее: в плитах и стенках толщиной до 100 мм- 10 мм; в плитах и стенках толщиной более 100 мм, а также в балках и ребрах высотой до 250 мм-15 мм; в балках и ребрах высотой 250 мм и более, а также в колонах- 20 мм; в фундаментных балках и в сборных фундаментах - 30 мм; для нижней арматуры монолитных фундаментов при наличии бетонной подготовки- 35 мм; при отсутствии бетонной подготовки - 70 мм. Толщина защитного слоя поперечных стержней каркасов и хомутов, а также для распределительной и конструктивной арматуры должна приниматься не менее диаметра указанной арматуры и не менее: при высоте сечения элемента менее 250 мм - 10 мм; при высоте сечения элемента 250 мм и более- 15 мм. Расстояние от конца продольной ненапрягаемой арматуры до торца элемента должно быть не менее 10мм при длине изделия до 9 м, 15 мм при длине до 12 м, 20 мм при длине свыше 12 м.

В10.Нормативные и расчетные сопротивления бетона и арматуры. Коэффициенты условий работы бетона и арматуры.

НОРМАТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БЕТОНА И АРМАТУРЫ/ Любой материал, даже бетон одного класса и сталь одной марки, не обладает стабильно одинаковой прочностью. Брать в таких случаях среднюю прочностьR слишком рискованно (50 % вероятности того, что в опасном сечении конструкции прочность материала окажется нижеR), а брать R_min – слишком накладно (столь низкая прочность приведет к увеличению размеров сечения). Поэтому специалисты условились принимать в качестве нормативной R_n такую прочность, которая давала бы 95 % гарантии, а риска – лишь 5 %, аналогично тому, как принимается класс бетона (см. вопрос 9). На математическом языке это называется “с обеспеченностью 0,95”. Следовательно, нормативным сопротивлением бетона сжатию R_bn является призменная прочность с обеспеченностью 0,95, а нормативным сопротивлением арматуры растяжению R_sn – условный или физический пределы текучести с обеспеченностью 0,95. РАСЧЕТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БЕТОНА И АРМАТУРЫ Строительные конструкции должны обладать запасом несущей способности, который предохраняет от многих неприятных случайностей и обеспечивает долговечность зданий и сооружений. Вот почему в расчетах по прочности сечений используют не нормативные, а более низкие – расчетные сопротивления материалов, взятые с запасом по отношению к нормативным: R = R_n /, где  - коэффициент надежности по прочности. Для бетона _b =1,3 (сжатие), для арматуры _s = (1,1...1,2) в зависимости от класса стали. Значение  тем больше, чем больший разброс прочности материала, или, говоря иначе, чем менее однородна его прочность. В КАКИХ РАСЧЕТАХ ИСПОЛЬЗУЮТ НОРМАТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ БЕТОНА И АРМАТУРЫ? Если у конструкции в процессе эксплуатации чрезмерно раскрылись трещины или прогибы превысили допустимые значения, то последствия этого не столь опасны, как при исчерпании прочности (разрушении). Вот почему в расчетах по 2-й группе предельных состояний используют преимущественно нормативные сопротивления R_n. Правда, Нормы проектирования в последней редакции обозначают их R_ser и именуют “расчетными сопротивлениями для предельных состояний 2-й группы”, но столь длинное название выговаривать неудобно, поэтому инженеры и ученые в обиходе по-прежнему употребляют термин “нормативное сопротивление”, тем более что численно R_ser = R_n.

IV группа коэффициентов надежности – условия изготовления и эксплуатации конструкций. Коэффициент надежности «гамма» вводится в стадии работы конструкции. В необходимых случаях расчетные значения прочностных характеристик бетона умножают на следующие коэффициенты условий работы γ_bi, учитывающие особенности работы бетона в, конструкции (характер нагрузки, условия .окружающей среды и т.д.):а) γ_b1 - для бетонных и железобетонных конструкции, вводимый к расчетным значениям сопротивлений R_b и R_bt и учитывающий влияние длительности действия статической нагрузки:γ_b1 = 1,0 - при непродолжительном (кратковременном) действии нагрузки;γ_b1 = 0,9 при продолжительном (длительном) действии нагрузки; б) γ_b2 - для бетонных конструкций, вводимый к расчетным значениям сопротивления R_b и учитывающий характер разрушения таких конструкций;γ_b2 = 0,9; в) γ_b3 - для бетонных и железобетонных конструкций, бетонируемых в вертикальном положении, вводимый к расчетному значению сопротивления бетона R_b γ_b3 = 0,9; Влияние попеременного замораживания и оттаивания, а также отрицательных температур учитывают коэффициентом условий работы бетона γ_b4≤1,0 Для надземных конструкций, подвергаемых атмосферным воздействиям окружающей среды при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период минус 40 °С и выше, принимают коэффициенту γ_b4 = 1,0. В остальных случаях значения коэффициента γ_b4 принимают в зависимости от назначения конструкции и условий окружающей среды согласно специальным указаниям. По СП 52-101-03 значение коэффициента надежности по арматуре «гамма s» принимают равным:для предельных состояний первой группы: 1,1 - для арматуры классов А240, А300 и А400; 1,15 – для арматуры класса А500; 1,2 - для арматуры класса В500; для предельных состояний второй группы «гамма s=0»

В11.Три категории требований к трещиностойкости железобетонных конструкций.

Существует 3 категории трещиностойкости:

1-я категория: не допускается образование трещин при действии полных расчетных нагрузок, т.е. с коэффициентом надежности _f > 1. Здесь выполняют расчет по образованию трещин, а сечения рассматривают на 1-й стадии работы (см. вопрос 64).

2-я категория: допускается ограниченное по ширине непродолжительное раскрытие трещин а_crc1 при действии полных нормативных нагрузок, т.е. с коэффициентом надежности _f = 1, при условии последующего надежного закрытия трещин, когда остаются только постоянная и длительная нагрузки. Здесь выполняют расчет по раскрытию и закрытию трещин, а сечения рассматривают на 2-й стадии работы.

3-я категория: допускается ограниченное по ширине непродолжительное раскрытие трещин а_crc1 при действии полных нормативных нагрузок с _f = 1 и продолжительное раскрытие а_crc2 при действии постоянной и длительной нормативных нагрузок (тоже с _f = 1). Расчет выполняют по раскрытию трещин, сечения рассматривают на 2-й стадии работы.