Lektsii_-_osnovy_zh_b_konstruktsy

1

МОСКОВСКИЙ АРХИТЕКТУРНЫЙ ИНСТИТУТ

(Государственная академия)

Кафедра « Инженерные Конструкции»

Основы железобетонных конструкций

Конспект лекций для студентов IV курса ( 7 – ой семестр)

по специальности «АРХИТЕКТУРА»

Составил: профессор, д. т. н. Л. И. ЯРИН

М О С К В А 2011

2

Содержание

		стр.
Лекция 1.	Общие сведения о железобетонных конструкциях.
	Материалы для железобетонных конструкций. Бетон.	3
Лекция 2	Арматура для железобетонных конструкций.	10
Лекция 3.	Расчет прочности изгибаемых элементов по нормальным
	сечениям.	19
Лекция 4.	Расчет прочности нормальных сечений тавровой формы
	и изгибаемых элементов по наклонным сечениям.
	Поперечное армирование изгибаемых элементов.	27
Лекция 5	Особенности статического расчета железобетонных
	конструкций. Понятие о предварительно напряженных
	железобетонных конструкциях.	35
Лекция 6.	Расчет прочности сжатых элементов.	44
Лекция 7.	Конструкции плоских железобетонных перекрытий.	51
Лекция 8 Конструкции плоских железобетонных перекрытий
	(продолжение).	60
Лекция 9.	Фундаменты гражданских и промышленных зданий.	67
Лекция 10.	Каменные и армокаменные конструкции.	78
	Список литературы.	88

3

Лекция 1

Общие сведения о железобетонных конструкциях. Материалы для железобетонных конструкций. Бетон.

На протяжении нескольких веков бетон и железобетон являются самыми распро-

страненными и доступными строительными материалами. Первые строительные раство-

ры, обладающие связывающими свойствами, появились еще до нашей эры. Историки и исследователи утверждают, что в эпоху металлов (3200–1500 гг. до н. э.) известковый рас-

твор уже использовался в строительстве. А за 100 лет до н. э. римляне применяли бетон из извести и каменных заполнителей. Родиной железобетона по праву считается Франция и вкратце вот история его появления. Французский садовник Ж.Монье выращивал пальмы,

затем пересаживал их в глиняные горшки и отправлял для продажи в Англию. Горшки в дороге бились, пальмы погибали, садовник терпел убытки. Тогда Ж. Монье решил сле-

пить кадку для пальмы из цемента. Он взял две деревянные бочки и поместил их одна в другую, а промежуток между стенками залил цементом, получив бетонную бочку. Для большей прочности он заключил ее в каркас из железных стержней, а потом покрыл кар-

кас тонким слоем жидкого цемента. После затвердевания новая бочка оказалась на ред-

кость прочной. Случилось это в 1849 г. но патент на это изобретение был получен в 1867

году, который и принято считать годом рождения железобетона. Кроме Ж. Монье были и другие изобретатели, которые в это же время экспериментировали с железобетоном. Так в

1848 году адвокат Жан Луи Ламбо первым соорудил лодку из железобетона. Показанная в 1855 году на Парижской выставке лодка Ламбо произвела сенсацию. Материал он на-

звал ферроцементом. В 1854 году штукатур из Ньюкасла В. Уилкинсон получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на расстоянии 2 фута друг от друга и заливаемых бетоном. Причем для повышения прочно-

сти перекрытия полосы укладывались в нижней части сечения, а над опорами отгибались в верхнюю часть. Несомненно, Уилкинсон был первым, кто понял принцип рационально-

го армирования железобетона. В 1855 году Франсуа Куанье получил патент на метод ар-

мирования, предложив перекрестное размещение арматуры. Ее следовало заводить во все четыре стены, на которые опирается железобетонное перекрытие. Он же в 1861-м опубли-

ковал брошюру «Применение бетона в строительном искусстве», где впервые указал на то, что бетон и стальные стержни в нем работают совместно. Первыми крупными объек-

тами, возведенными по системе Ж. Монье, были резервуары для хранения воды емко-

стью до 250 м3. Первый железобетонный мост пролетом 16 м и шириной проезжей части

4 м был построен в 1875 г. В России в 1881 году Н.А. Белелюбский провел успешные ис-

пытания конструкций из железобетона. В 1893 г. из железобетона были построены пере-

4

ходные мостики, бассейн и сводчатые конструкции ГУМа в Москве, а позднее в 1896 г.

построен железобетонный переходный мост пролетом 45 м на Нижегородской ярмарке. И

с 1898 год железобетон стал применяться на строительных объектах Министерства путей сообщения, а далее и в гражданском строительстве. В настоящее время железобетон явля-

ется ведущим строительным материалом по объему его применения.

Так в чем же сущность железобетона и секрет его успешного применения? Бетон это искусственный камень и как всякий камень он имеет малую прочность на растяжение и большую на сжатие. Рассмотрим бетонную балку, нагруженную поперечной нагрузкой

(рис.1.1). Нижняя грань балки растянута, верхняя сжата. При увеличении нагрузки до оп-

ределенной величины напряжения в нижней грани балки достигнут предела прочности бетона на растяжение и это приведет к образованию трещины. Трещина быстро разовьется и балка разрушится. При этом прочность сжатой зоны сечения будет далеко не исчерпана.

Увеличить несущую способность бетонной балки можно, если ввести в ее растянутую зо-

ну армирующий материал, хорошо воспринимающий усилия растяжения. Лучшим из та-

ких материалов оказалась сталь в виде арматуры.

Рис.1.1 Деформирование бетонной балки под нагрузкой:

а – бетонная балка; б – балка с армированием; 1 – нейтральная ось;2 – трещина; 3 – сжатая зона сечения балки; 4 – растянутая зона; 5 - арматура

Сочетание бетона и стали в железобетоне и их совместная работа под нагрузкой обуславливается удачным сочетанием физико-механических свойств этих материалов. Во-

первых, при твердении бетона между ним и стальной арматурой возникает сильное сцеп-

ление. Во-вторых, сталь и бетон обладают близкими по значению коэффициентами тем-

пературного расширения. В силу этих двух причин в железобетонных конструкциях, при их деформировании под нагрузкой, не происходит проскальзывания арматуры относи-

5

тельно бетона. Наконец, слой бетона защищает стальные арматурные стержни от корро-

зии.

Железобетон получил широкое распространение в строительстве благодаря ряду своих положительных свойств. Он прочен, причем его прочность со временем возрастает,

долговечен, огнестоек, стоек к влиянию атмосферных воздействий, хорошо сопротивляет-

ся динамическим нагрузкам, требует минимума эксплуатационных расходов. Бетон дешев

идоступен, так как может быть приготовлен из местных строительных материалов, песка

ищебня или гравия. Для архитекторов особенно важно то, что железобетонным конструк-

циям можно придавать любые, самые изощренные пространственные формы. К недостат-

кам железобетона можно отнести большой собственный вес, большие теплопроводность и звукопроводность, появление трещин в эксплуатационной стадии, сложность производ-

ства работ в зимний период и плохая ремонтоспособность.

Несмотря на отмеченные недостатки, железобетонные конструкции являются базой современного строительства. Из него возводятся промышленные и сельскохозяйственные здания, тепловые и атомные электростанции, гидротехнические сооружения, тоннели и шахты, а также гражданские здания самого различного назначения. Из железобетона воз-

водятся: большепролетные тонкостенные конструкции (складки, оболочки, купола), мос-

ты и эстакады, инженерные сооружения - трубы, башни, резервуары и т.д.

По способу возведения железобетонные конструкции бывают монолитные, сбор-

ные и сборно-монолитные. Монолитные изготавливаются непосредственно на строитель-

ной площадке (отливаются в опалубке), сборные изготавливаются на заводах и затем мон-

тируются на строительной площадке, сборно-монолитные собираются из сборных элемен-

тов и омоноличиваются. Преимущество сборных железобетонных элементов в том, что они изготавливаются на заводах, где возможен строгий контроль качества изделий, их производство и монтаж не зависят от климатических условий, они обеспечивают высо-

кий уровень производительности труда на строительной площадке. Недостатком является наличие монтажных швов, выполняемых в основном на электросварке. Это во-первых,

понижает жесткость всего сооружения, во-вторых, требует защиты этих швов от корро-

зии. Для возведения монолитных железобетонных конструкций требуется предваритель-

ное устройство опалубки и ее раскрепление. Затем в опалубке устанавливается арматура и далее производится укладка бетона. Все эти операции более трудоемки, чем производ-

ство и монтаж сборных конструкций, однако монолитные конструкции обладают большей жесткостью, их можно сделать водонепроницаемыми и процесс укладки бетонной смеси может быть успешно механизирован. При применении электропрогрева монолитные же-

лезобетонные конструкции можно возводить и в зимнее время. Сборно-монолитные кон-

6

струкции объединяют в себе основные преимущества сборных и монолитных конструк-

ций. Омоноличивание стыков сборных элементов позволяет сохранять жесткость всего сооружения на уровне монолитного, обеспечивает лучшую водонепроницаемость, чем у сборного сооружения, обеспечивает защиту стыков от коррозии и позволяет экономить на опалубочных работах за счет использования сборных элементов в качестве опалубки. Су-

ществуют, однако, некоторые виды конструкций в которых опалубочные работы можно свести к минимуму. Например, комплексные конструкции перекрытий в которых моно-

литная железобетонная плита устраивается поверх профилированного стального настила или при возведении резервуаров для хранения жидкостей, в которых железобетонная сте-

на резервуара облицовывается стальными листами, которые могут служить опалубкой.

Если к стальной облицовке приварить анкерные стержни, то она включается в работу конструкции как несущий элемент, что значительно сокращает стоимость всего сооруже-

ния и увеличивает несущую способность конструкции.

Итак, одним из материалов составляющих железобетон является бетон. Для приме-

нения в железобетонных конструкциях бетон должен обладать вполне определенными физическими и механическими характеристиками – прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, плотностью строения для защиты арматуры от коррозии, а также рядом спе-

цефических свойств, зависящих от назначения конструкции – таких как морозостойкость,

жаростойкость, стойкость к воздействию агрессивных агентов и др.

Бетон образуется в процессе твердения бетонной смеси. Бетонную смесь составля-

ют: вяжущее (как правило – цемент), вода и инертные заполнители (песок, щебень или гравий или искусственные заполнители). Иногда песок называют мелким заполнителем, а

щебень - крупным. Цемент был изобретен Джозефом Аспдином в 1824 г. Он был получен путем добавления к извести тонкого порошка природной пуццоланы из местечка Порт-

лэнд и потому получил название портландцемента. В отличие от воздушных вяжущих,

извести, гипса и глины он первоначально применялся только для подводных работ. Смесь цемента с водой (цементное тесто) в процессе твердения образует сначала цементный гель, который обволакивает заполнители, а затем и цементный камень. Прочность бетона целиком определяется прочностью и пористостью цементного камня и зависит от водоце-

ментного отношения (В/Ц), т.е. весового соотношения воды и цемента в единице объема бетонной смеси. Однако это свойство реализуется только в том случае, если в процессе изготовления бетона обеспечивается его плотность. Цементное тесто и песок составляют цементный раствор. Так вот, объем цементного теста должен быть не меньше объема пор в песке, а объем цементного раствора не меньше объема пор в крупном заполнителе. В

противном случае в бетоне образуются межзерновые пустоты, которые снижают его

7

прочность. Таким образом, при плотном бетоне, чем меньше воды по отношению к це-

менту, тем больше прочность цементного камня. Для протекания химических процессов и образования цементного камня достаточно В/Ц = 0,2, однако при таком малом количестве воды бетонная смесь по консистенции будет очень жесткой и из технологических сооб-

ражений количество воды увеличивают. По консистенции бетонные смеси бывают под-

вижными и жесткими. Подвижные смеси получаются при В/ Ц > 0,5 и эти смеси при ук-

ладке заполняют опалубку под действием силы тяжести, тогда как жесткие смеси требуют применения механической вибрации. Избыточная вода в процессе дальнейшего твердения бетона частично связывается с цементом, увеличивая прочность бетона, а частично испа-

ряется, образуя поры в цементном камне. Следовательно, с точки зрения консистенции жесткие смеси образуют бетоны с большей прочностью, требуют меньшего расхода це-

мента, что снижает затраты, зато требуют применения вибрации при укладке, что эти са-

мые затраты увеличивает.

Бетоны классифицируют по многим признакам, однако для несущих конструкций в основном различают тяжелые и легкие бетоны. Тяжелый бетон средней плотности (от

2200 кг/м3 до 2500 кг/м3) получают, используя крупный заполнитель в виде щебня из твердых горных пород – гранита, диабаза, песчаника, известняка и др. и мелкий заполни-

тель в виде кварцевого песка. Если в качестве заполнителей используют природные или искусственные пористые материалы – перлит, пемзу, керамзит, шлак и им подобные по-

лучают легкий бетон с плотностью до 2200 кг/м3. Отметим также, что бетоны различают по гранулометрическому составу заполнителей – крупно- и мелкозернистые и по способу твердения – естественное или твердение при тепловой обработке или пропаривании.

Очень важными характеристиками бетона является его деформативность и проч-

ность. Деформативность бетона, как и других строительных материалов, определяется зависимостью между деформациями и напряжениями. Эта зависимость определяется при испытании бетонных призм. На рис.1.2 представлена зависимость «деформация – напря-

жение» при растяжении и сжатии бетонного образца. Нагрузка на призму прикладывается этапами. На каждом этапе нагружения замеры деформаций производят дважды: сразу по-

сле приложения нагрузки и спустя определенное время. Первый замер дает величину уп-

ругого деформирования εt, второй полного деформирования εb. Разность между этими величинами характеризует деформирование бетона во времени при постоянной нагрузке и называется деформацией ползучести εpl . Деформации ползучести носят затухающий ха-

рактер, однако они могут в несколько раз превышать упругие деформации. Если соеди-

нить результаты замера полных деформаций на значительном количестве этапов получим гладкую кривую, которая характерна для упругопластического материала. В строитель-

8

ных нормах в качестве величины характеризующей упругие свойства бетона приводится значение начального модуля упругости Eb. Этот начальный модуль упругости соответст-

вует мгновенным деформациям при приложении нагрузки и равен тангенсу угла наклона кривой деформирования в начале координат, рис.1.2.

Рис.1.2. Диаграмма зависимости σ – ε при сжатии и растяжении бетона:

1 – пластические деформации; 2 – упругие деформации; 3 – растяжение; 4 - сжатие

Что касается прочности, то гидратация цемента в твердеющем бетоне протекает в течение долгого времени (десятки лет) и все это время его прочность возрастает. Однако это про-

цесс затухающий и в строительной практике договорились рассматривать прочностные свойства естественно твердеющего бетона в возрасте 28 суток. Прочность бетона получа-

ют испытанием на сжатие образцов в виде куба определенных размеров. Такую прочность принято называть кубиковой. В реальных конструкциях один размер всегда преобладает над другими и принято оперировать в расчетах понятием призменная прочность. Приз-

менная прочность меньше кубиковой, так как в призме исключается влияние способа приложения нагрузки на торцы образца.

Несколько слов об усадке бетона. Бетон во влажной среде увеличивается в объеме,

а при высушивании уменьшается. Это его свойство называется усадкой. Усадка особенно проявляется в период твердения и затухает после первого года существования конструк-

ции. Величина усадки зависит от количества цементного теста в объеме бетона: чем его больше, тем больше усадка. Поэтому в начальный период твердения бетона его необхо-

димо увлажнять, иначе возможно возникновение усадочных трещин. Наряду с темпера-

турными деформациями усадка также служит причиной того, что в протяженных железо-

бетонных и бетонных конструкциях необходимо устраивать деформационные швы.

9

Для целей проектирования бетонных и железобетонных конструкций в строитель-

ных нормах устанавливаются показатели различных бетонов в виде классов и марок, ос-

новными из которых являются: класс по прочности на сжатие - B, класс по прочности на осевое растяжение - Bt, марка по морозостойкости – F, по водонепроницаемости – W.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие, является временное сопротивление сжа-

тию стандартного образца в виде куба с ребром 15 см., испытанного в возрасте 28 дней

о

при естественном твердении при температуре 20 C. Для тяжелого бетона установлены классы от В3,5 до В60. Это означает, что бетон В60 имеет временное сопротивление сжа-

тию 60 МПа (600 кг/см2). Однако на практике уже существуют и применяются бетоны класса В90 и выше.

Класс по прочности на осевое растяжение устанавливается испытанием специальных об-

разцов имеющих форму восьмерок. Для всех бетонов класс по прочности на растяжение установлен от Bt 0,8 до Bt3,2.

Марка по морозостойкости F (для тяжелого бетона от F50 до F500) определяет число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое увлажненный бетон спосо-

бен выдержать при снижении прочности не более чем на 15%.

Марка по водонепроницаемости от W2 до W12 устанавливается при применении бетона для конструкций требующих водонепроницаемости. Цифры в названии марки означают давление воды (кгс/см2) которое должен выдерживать стандартный образец из бетона без признаков просачивания.

10

Лекция 2

Арматура для железобетонных конструкций

Как мы уже установили ранее, основным назначением арматуры является воспри-

ятие растягивающих усилий в железобетонных элементах. Помимо этого арматура может использоваться для усиления сжатого бетона, когда его площади не хватает для воспри-

ятия сжимающих усилий. И в том и в другом случае арматура воспринимает некоторые усилия, ее положение и площадь поперечного сечения определяются расчетом и такая ар-

матура называется рабочей. Арматура, которая устанавливается по конструктивным или технологическим соображениям называется конструктивной или монтажной. Функцио-

нальное назначение арматуры представлено на рис.2.1. Из рисунка видно, что рабочая продольная арматура воспринимает основные растягивающие напряжения в балке, в ко-

лонне воспринимает сжимающие напряжения, отогнутая арматура и хомуты воспринима-

ют вместе с бетоном поперечную силу. Монтажная арматура служит как для передачи усилий на стержни рабочей арматуры, так и для изготовления арматурных каркасов.

Рис.2.1. Арматура железобетонных элементов:

1 – продольная арматура; 2 – хомуты; 3 – отогнутые стержни; 4 – монтажная арматура; 5 – монтажные петли; 6 – закладные детали; 7 – балка; 8 – колонна

Хомуты служат также для придания железобетонным элементам прочности при сжатии,

так как препятствуют поперечным деформациям и как бы обжимают элемент. Закладные детали служат для приварки стыкуемых элементов, а монтажные петли для подъема их при транспортировке и монтаже.

По технологии изготовления различают арматуру стержневую, проволочную или в виде канатов. Арматура, как стержневая, так и проволочная, может быть гладкой или