1. Основы безопасности конструкций. Понятие о методах вероятностной оценки безопасности зданий посредством оценки однородности прочности бетона при проектировании и изготовлении конструкций и зданий.
При проектировании бетонных и железобетонных конструкций по результатам расчетов и конструирования должны устанавливаться нормируемые и контролируемые значения характеристик бетона, обеспечивающие безопасность, эксплуатационную пригодность и долговечность конструкций. В качестве основных нормируемых и контролируемых характеристик бетонных и железобетонных конструкций должны назначаться: трещиностойкость, жесткость и морозостойкость.
Меры обеспечения безопасности железобетонных конструкций при армировании
Существует классификация арматуры и бетона, где каждый класс обеспечивает определенное сопротивление разрыву и предел текучести (арматура) и значения прочности для сжатия и растяжения (для бетона).
Так же конструкции должны обеспечивать тот предел огнестойкости, для которых они предназначены.
Качество бетона нельзя оценить только средней его прочностью. На практике всегда наблюдаются отклонения от этой величины. Колебания активности цемента, его нормальной густоты, минералогического состава, свойств заполнителей, дозировки материалов, режимов перемешивания и твердения — все это приводит к неоднородности структуры бетона. Вследствие этого отдельные объемы бетона могут отличаться друг от друга в большей или меньшей степени, что зависит от свойств используемых материалов и отлаженное технологического процесса Соответственно будут колебаться и показатели свойств бетона - прочность, плотность, проницаемость, морозостойкость и др. Для оценки однородности бетона используют статистические методы. Качество бетона определяете главным образом его средней прочностью (или соответствующим комплексом показателей) и однородностью, которая оценивается по коэффициенту вариации прочности (или других показателей).
При изменении коэффициента вариации определенному классу по прочности будет соответствовать различная средняя прочность. С уменьшением и будет уменьшаться и величина средней прочности
Например, для обеспечения класса В10 при и= 13,5% требуется средняя прочность 12,85 МПа, а при v — 7 средняя прочность 11,3 МПа.
При контроле качества бетона по прочности с учетом его однородности проводят статистическую обработку результатов испытаний бетона за определенный период и определяют характеристики его прочности и однородности. В проектах указываются значения нормируемой прочности бетона (в проектном и промежуточном возрасте, отпускные и передаточные). Требуемая прочность представляет собой минимально допустимое значение фактической прочности бетона в партии, при котором будет обеспечена нормируемая прочность с заданной степенью гарантии. Она устанавливается лабораториями заводов и строек в соответствии с достигнутой однородностью бетона в партии.
Фактическая прочность бетона в партии определяется как среднее значение прочности, определенное по результатам испытаний контрольных образцов или неразрушающими методами непосредственно в конструкции.
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 = Rn /, где - коэффициент надежности по прочности. Для бетона b =1,3. Значение тем больше, чем больший разброс прочности материала, или, говоря иначе, чем менее однородна его прочность.
2. Бетон и арматура. Их свойства. Упругопластический материал. Что это означает? Понятие: релаксация напряжений. Почему ползучесть и релаксация напряжений в бетоне имеют общую физико-механическую основу?
Бетон – это искусственный камень. Его прочность на сжатие намного (в 10...20 раз) превосходит прочность на растяжение. Поэтому бетон, как и природный камень, используют в тех частях зданий и сооружений, которые работают преимущественно на сжатие: в фундаментах, стенах, сводах, опорах мостов и т.п. Для изгибаемых элементов – балок, плит – бетон не годится: он разрушится от разрыва растянутой зоны при очень небольших нагрузках, задолго до исчерпания прочности сжатой зоны. Если в растянутую зону ввести стальную арматуру (стержни, канаты и т.п.) и обеспечить ее надежное сцепление с бетоном, то после образования трещин она возьмет на себя все растягивающие усилия, оставив бетону только сжимающие. (А прочность арматуры на растяжение в сотни раз выше, чем у бетона.) Таким образом, изгибающему моменту будет сопротивляться внутренняя пара сил: сжимающая в бетоне и растягивающая в арматуре.
Бетон – материал более долговечный, чем арматурная сталь, он менее подвержен коррозии. Кроме того, по сравнению со сталью бетон обладает более высокой огнестойкостью, т.е. дольше сохраняет несущую способность при действии высокой температуры, что особенно важно для успешной эвакуации при пожаре. Поэтому арматура, уложенная внутрь бетонного тела, хорошо защищена слоем бетона от коррозии и высокой температуры. Нормы проектирования устанавливают минимальные величины защитного слоя бетона: не менее диаметра стержня (в ряде случаев не менее 2-х диаметров) и не менее 10...70 мм в зависимости от типа конструкции и условий эксплуатации. Отметим также, что без защитного слоя невозможно обеспечить надежное сцепление арматуры с бетоном, а значит и их совместное деформирование.
Бетон – материал упруго-пластичный, это означает, что при действии внешней нагрузки его деформации состоят из двух частей: упругой el (обратимой) и пластической pl (необратимой). Причем по мере роста напряжений доля pl возрастает, поэтому диаграммы сжатия и растяжения криволинейны (рис.1). Отсюда ясно, что модуль упругости бетона соответствует только начальному участку диаграммы, когда деформации еще можно считать упругими, – его и называют начальным модулем упругости: Еb = b/el =tgo. Деформативность бетона зависит также от скорости его нагружения v: при мгновенном нагружении (например, ударе) пластические деформации ничтожно малы, при кратковременном – весьма заметны, при длительном – очень велики (в несколько раз больше, чем упругие; рис. 2). Прочность же при длительном нагружении, наоборот, уменьшается (рис. 3), что в расчетах учитывается коэффициентом условий работы b2.(0.7, 0.6…)
Пластические свойства бетона вызывают такое явление, как ползучесть: св-во материала деформироваться при постоянной нагрузке. Чем выше b или чем ниже прочность бетона, тем больше деформации ползучести п (рис. 4). Наиболее интенсивно п проявляется в первое время после приложения нагрузки, затем они постепенно затухают в течение нескольких лет.
Релаксация напряжений - уменьшение напряжений в твердом теле с течением времени при постоянных нагрузке и температуре.
Например, сдавили кубик, зафиксировали положение пресса, записали результат, и оставили в таком положении на некоторое время. Со временем нагрузка будет падать, кубик бетона будет приспосабливаться.
Например, положили нагрузку и не увеличиваем, а бетон ползет, особенно свежий.
Релаксация заключается в том, что при зафиксированной деформации εsp (например, в растянутом силой Р стержне, неподвижно закрепленном по концам) напряжения σsp через некоторое время падают на величину Δσsp (рис. 10). Релаксация - результат пластических свойств стали. У "твердой" стали она проявляется при напряжениях выше предела пропорциональности, у "мягкой" - выше предела текучести. Релаксацию учитывают при проектировании преднапряженного железобетона, когда определяют потери напряжений в натянутой арматуре.
Отличие релаксации от ползучести в том, что релаксация происходит при зафиксированном положении нагрузки.
Ползучесть бетона и релаксация напряжений обуславливают рост прогибов железобетонных конструкций с течением времени, снижают предварительные напряжения в арматуре.