ВВЕДЕНИЕ
Г.М. Грушевский, О.О. Иваев,
С.К. Романов, В.В. Ходыкин
Железобетонные конструкции
Утверждено редакционно-издательским
советом университета в качестве
учебного пособия
Нижний Новгород - 2006
ББК 38.53
Ж 51
Грушевский Г.М., Иваев О.О, Романов С.К., Ходыкин, В.В. Железобетонные конструкции: учебное пособие. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2006. – 88 с.
ISBN 5-87941-455-8
В пособии описаны прочностные и деформативные свойства бетона, стальной арматуры и железобетона, а также экспериментальные основы теории сопротивления железобетона.
Пособие предназначено для студентов специальности 270115 – «Экспертиза и управление недвижимостью» при подготовке к дисциплинарным испытаниям по курсу «Железобетонные конструкции».
ББК 38.53
ISBN 5-87941-455-8
© коллектив авторов, 2006
© ННГАСУ, 2006
ВВЕДЕНИЕ
Сущность железобетона.Железобетоном называется сочетание бетона и арматурных изделий (сеток, каркасов, отдельных стержней и т.д.), уложенных в теле бетона в соответствии со статической работой конструкции. Такое сочетание материалов целесообразно, так как стальные стержни, поставленные в растянутой зоне элемента, прекрасно восполняют основной недостаток бетона как конструктивного строительного материала. Известно, что бетон, обладая высокой прочностью на сжатие, в 10...20 раз хуже сопротивляется растяжению, что практически не позволяет использовать его как конструктивный материал для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструкций.
Железобетонными конструкциями здесь называются несущие элементы зданий и сооружений, изготавливаемые из железобетона, и сочетания этих элементов.
Стальные стержни, имеющиеся в железобетонных конструкциях, в дальнейшем будут называться арматурой. Работая совместно с бетоном, железобетонные конструкции хорошо сопротивляются как растяжению, так и сжатию.
Идея железобетона состоит в том, чтобы в железобетонных конструкциях использовать бетон преимущественно в работе на сжатие, а арматуру – в работе на растяжение. Этим неограниченно расширяется область применения бетона как конструктивного строительного материала. Идею железобетона можно достаточно хорошо проиллюстрировать следующим примером.
Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и подверженная поперечному изгибу, испытывает растяжение продольных волокон в зоне, находящейся ниже нейтрального слоя (рис. 1, а). Такая балка обладает малой несущей способностью вследствие слабого сопротивления бетона растяжению. Она разрушается внезапно (хрупко) при возникновении первой же трещины в бетоне растянутой зоны. Прочность бетона на сжатие в момент, предшествующий разрушению, в бетонной балке сильно недоиспользуется (напряжения в нормальных сечениях в сжатой зоне в этот момент едва достигают 5... 10 % от прочности бетона на сжатие).
Такая же балка (рис. 1, б), снабженная небольшим по сравнению с площадью поперечного сечения балки количеством продольной арматуры, размещенной в растянутой зоне, может иметь несущую способность, до 20 раз превосходящую несущую способность бетонной балки. Характер разрушения балки при не слишком большом насыщении ее сечений арматурой плавный, постепенный (пластичный). В такой конструкции может быть полностью использована прочность бетона в работе на сжатие, а арматуры – на растяжение.
Арматуру, имеющую весьма высокое сопротивление сжатию, можно также использовать для усиления бетона сжатой зоны.
|
Арматура может быть не только в виде стальных стержней. В качестве арматуры иногда используют нити, канаты, пряди и др. из стекловолокна и даже деревянные или бамбуковые рейки. Однако наиболее широко сейчас применяется стальная арматура.
Основой совместной работы бетона и арматуры (т.е. одинаковые деформации их смежных волокон) в железобетоне является выгодное природное сочетание некоторых важных физико-механических свойств этих материалов, а именно:
1) при твердении бетона между ним и поверхностью стальной арматуры возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала деформируются совместно;
2) плотный бетон (с достаточным содержанием цемента – от 200...250 до 300...400 кг/мЗ и более) надежно защищает заключенную в нём стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет ее от непосредственного
воздействия огня и механических повреждений;
3) сталь и бетон обладают близкими по величине коэффициентами температурного (линейного) расширения, поэтому при изменении температуры в пределах от –50°С до +50°С в обоих материалах возникают несущественные начальные (внутренние) напряжения и скольжения арматуры в бетоне не наблюдается; αst = 0,000012°С-1; αbt = 0,00001° С-1.
Достоинства и недостатки железобетона.К основным достоинствам железобетона, обеспечивающим ему широкое применение в строительстве, относятся:
- огнестойкость;
- долговечность;
- высокая механическая прочность при сжатии;
- хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям;
- возможность возводить конструкции любой формы;
- малые эксплуатационные расходы на содержание зданий и сооружений (по сравнению с металлическими и деревянными конструкциями);
- хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям;
- высокая гигиеничность, способность задерживать радиоактивные излучения;
- почти повсеместное наличие крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона.
Все эти факторы делают железобетон доступным к применению практически на всей территории страны. Затраты электроэнергии на производство железобетонных конструкций значительно ниже по сравнению со стальными и каменными.
Недостатки железобетона:
- большая плотность;
- высокая звуко- и теплопроводность;
- трудоёмкость переделок и усилений;
- необходимость выдержки конструкции в опалубке до приобретения ею требуемой прочности;
- появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий.
Многие из этих недостатков могут быть полностью или частично устранены путём применения бетонов на пористых заполнителях, специальной обработки (пропаривания, вакуумирования и т.п.), предварительного напряжения.
При общей оценке железобетона как строительного материала следует иметь в виду, что отмеченные выше недостатки малозначительны по сравнению с его достоинствами. Это привело к тому, что за исторически короткий промежуток времени (примерно 150 лет) железобетон занял доминирующее положение в строительстве.
Нелишне отметить, что на изготовление железобетонных конструкций расход стали в 2,5...3,5 раза меньше, а на изготовление настилов, труб, бункеров, силосов и т. п. железобетонных конструкций расходуется стали примерно в 10 раз меньше, чем на аналогичные стальные конструкции. К тому же железобетонные конструкции более долговечны и огнестойки. Поэтому замена металлических конструкций на железобетонные (там, где это возможно) позволяет экономить дефицитный металл и имеет важное народно-хозяйственное значение.
Из железобетона выполняют многие конструкции, в которых большая масса не является недостатком, а иногда даже и полезна, например, в гидротехнических сооружениях (бетонные плотины, стенки шлюзов), подпорных стенках, фундаментах.
Области применения железобетона.Для современного капитального строительства железобетон является строительным материалом № 1. Он применяется в самых разнообразных отраслях строительства, находя в каждой из них подходящие области применения. Из железобетона проектируются и строятся многие здания и сооружения промышленного, гражданского и транспортного назначения. Железобетон широко применяют в гидротехническом (плотины, дамбы, гидроэлектростанции) и энергетическом строительстве (главные корпуса тепловых и атомных электростанций, атомных реакторов), а также нередко в судостроении (например, из железобетона изготовляют корпуса барж) и машиностроении (для изготовления станин и опорных частей тяжёлых станков и прессов). Из железобетона возводят жилые дома, общественные здания различного назначения, сельскохозяйственные постройки и различные инженерные сооружения (дымовые трубы, телевизионные и водонапорные башни, резервуары и т.д.). В транспортном строительстве железобетонные конструкции применяют для возведения мостов, водопропускных труб, путепроводов, метрополитенов, тоннелей на железных и автомобильных дорогах, подпорных стенок. Их употребляют также для покрытия дорог и аэродромов. Многие здания и сооружения на железнодорожном транспорте построены с применением железобетонных конструкций. К ним относятся железнодорожные вокзалы, локомотивные и вагоноремонтные депо, пассажирские платформы. При строительстве железных дорог широко применяют железобетонные шпалы, железобетонные опоры контактной сети и другие железобетонные конструкции. В горной промышленности железобетон используется для надшахтных сооружений и крепления подземных выработок.
В последние десятилетия железобетон стали использовать при возведении платформ для добычи нефти со дна морей в зоне шельфа и для устройства саркофагов и скафандров для захоронения радиоактивных отходов и хранения радиоактивных материалов.
По способу возведения различают: железобетонные конструкции сборные, изготовляемые преимущественно на заводах стройиндустрии и затем монтируемые на строительных площадках; монолитные, полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сборных железобетонных элементов заводского изготовления и монолитного бетона. Монолитный железобетон с каждым годом получает всё большее применение по всей стране (каркасные здания с безбалочными перекрытиями).
Прогнозы показывают, что в нынешнем столетии железобетон останется основным строительным материалом для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения.
Краткие исторические сведения о возникновении и развитии железобетона.Развитие производства строительных конструкций, в том числе и железобетонных, неразрывно связано с условиями материальной жизни общества. Появление железобетона во второй половине XIX века совпало по времени с периодом ускоренного развития промышленности, торговли и транспорта. В этот период возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений. Как следствие этого увеличилась потребность в строительных материалах. С одной стороны это привело к вздорожанию уже известных материалов, а с другой – послужило толчком к поиску новых строительных материалов. К тому же для строительства мостов и многих промышленных зданий с дорогим и сложным оборудованием стала ощущаться острая потребность в новых огнестойких, дешевых и надежных в эксплуатации строительных конструкциях. Это привело к появлению нового строительного материала – железобетона, в котором удачно сочетались лучшие качества каменных материалов и стали.
В 1999 г. исполнилось 150 лет со времени изобретения железобетона. Хотя на звание родины этого материала претендовали Англия и США, приоритет все-таки следует отдать Франции. Французы подчеркнули этот факт, отпраздновав столетие железобетона в 1949 г.
Появление железобетона вызвало революционные преобразования в строительстве, влияние которых на современную цивилизацию можно сравнить лишь с влиянием таких великих открытий как автомобиль, радио, ядерная реакция. В прошлом веке железобетон получил широкое распространение как материал, имеющий обширную сырьевую базу, экологически безопасный, наиболее подходящий для изготовления различных строительных изделий, конструкций и систем.
Весь короткий исторический путь развития железобетонных конструкций (по сравнению с конструкциями из дерева, камня и стали) можно условно разделить на 4 периода.
Первый период возникновения железобетона (1849-1885 гг.) характеризуется появлением первых конструкций из армированного бетона. В этот период железобетонные конструкции появились практически одновременно в нескольких высокоразвитых странах (Франции, Англии, США и Германии), где уже производился цемент и стальной прокат.
Первым документально зафиксированным изделием из железобетона явилась лодка, построенная в 1849 г. Жаном Луи Ламбо, адвокатом по профессии. В 1854 г. штукатур из Ньюкасла Вильям Уилкинсон получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на расстоянии 50 см друг от друга и заливаемых бетоном. Причём для повышения прочности перекрытия в пролете полосы укладывались в нижней части сечения, а над опорами отгибались в верхнюю часть. В. Уилкинсон был первым, кто понял принцип рационального армирования железобетона. В 1867 г. французский садовник Жозеф Монье получил патент на изготовление кадок для цветов из железа и цемента. Длительное время, особенно в России, Ж. Монье считался изобретателем железобетона. Он получил во многих странах множество разнообразных патентов на конструкции из железобетона (шпалы, трубы, балки и даже мосты). В 1880 г. патент на железобетон был получен им и в России.
На развитие железобетона в Англии большое влияние оказал французский инженер Франсуа Генебик. Его фирма выиграла несколько подрядов на сооружение различных зданий. Им были построены мельницы, силосы для хранения зерна, водонапорные башни, портовые сооружения и др.
В 1864 г. Франсуа Куанье построил во Франции первую церковь из железобетона. В 1861 г. он опубликовал брошюру «Применение бетона в строительном искусстве», где впервые указал на то, что бетон и стальные стержни в нем работают совместно. Около 20 лет Ф. Куанье строил железобетонные сооружения во Франции и в других странах.
В России впервые железобетон был использован в 1879 г. инженером Д.Ф. Жаринцевым при возведении стен зданий в г. Батуми.
В 1885 г. в Германии инж. Вайс и проф. Баушингер провели первые научные опыты по определению прочности и огнестойкости железобетонных конструкций, сохранности стали в бетоне, сил сцепления арматуры с бетоном и пр. Тогда же впервые инж. Кёнен высказал предположение, затем подтверждённое опытами, что арматура должна располагаться в тех частях конструкции, где можно ожидать растягивающие усилия.
Исследования покрытий Царскосельского дворца показали, что русские мастера ещё в 1802 г. применяли армированный бетон, однако не считали, что получили новый строительный материал, и не патентовали его.
Второй период – с 1886 по 1917 год – называют периодом освоения железобетона в строительстве. В России с 1886 г. железобетон стал применяться для устройства междуэтажных перекрытий по стальным балкам. Много таких перекрытий встречается в Петербурге в зданиях старой постройки. В России развитие железобетонных конструкций шло под влиянием зарубежного опыта и отечественной практики. Начало широкому использованию железобетона в России положили проведенные в Петербурге в 1891 г. под руководством профессора Института путей сообщения Н.А. Белелюбского публичные испытания различных железобетонных конструкций (плит, балок, труб, резервуаров, арочного моста пролетом 17 м и др.). Эти испытания выявили большие преимущества железобетона перед другими строительными материалами. В 1904 году при участии проф. Н.А. Белелюбского в г. Николаеве был построен первый в мире железобетонный морской маяк высотой 40,2 м со стенами толщиной 10 см вверху и до 20 см внизу (рис. 2).
|
В 1900 г. на Парижской всемирной выставке железобетон был официально признан надежным строительным материалом. Но уже с 1898 г. железобетонные конструкции нередко применялись в России при строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, в промышленном и гражданском строительстве. За несколько лет было построено более тридцати железобетонных путепроводов и мостов. Первые в мире ТУ (технические условия) на железнодорожные сооружения из железобетона МПС России утвердило в 1908 г.
Первая конструкция железобетонной шпалы была предложена еще в 1880 г. во Франции, но начало практического применения железобетонных шпал, как в нашей стране, так и за границей относится к 1902–1903 гг. Первые железобетонные шпалы в России были изготовлены в 1903 г. и испытаны в лаборатории С.-Петербургского Института путей сообщения. Часть этих шпал была уложена на одной из станций б. Финляндской железной дороги. Вслед за этим в период с 1903 по 1927 год попытки применения железобетонных шпал на наших дорогах предпринимались неоднократно. Однако широкое применение таких шпал началось только в послевоенный период.
В 1908 году проф. А.Ф. Лолейт запроектировал и построил в Москве четырехэтажный склад молочных продуктов с безбалочными перекрытиями. С этого времени железобетон в России начал постепенно вытеснять сталь и дерево при выполнении несущих конструкций зданий и сооружений.
Значительные по размаху и глубине исследования несущей способности и трещиностойкости железобетонных конструкций были проведены в конце XIX и начале XX столетий в Германии под руководством профессоров Мёрша, Баха, Графа, Эмпергера. Полученные результаты были положены в основу разработки теории железобетона и нормативных документов по проектированию таких конструкций.
В третий период широкого применения железобетона в нашей стране (1918–1945 гг.) особенно большое распространение он получил в промышленном и гидротехническом строительстве. После октябрьской революции 1917 г. произошли коренные изменения в экономике страны. Сразу после окончания гражданской войны перед руководством страны встают задачи восстановления разрушенного хозяйства и выполнения всевозрастающих планов капитального строительства. Решение этих проблем в то время было бы невозможно без широкого применения железобетона.
В годы первых пятилеток вследствие больших объемов строительства и тенденции экономии стали, необходимой для нужд машиностроения, железобетон постепенно занимает доминирующее положение в капитальном строительстве. Широкое распространение получают монолитные неразрезные балочные перекрытия, многопролетные и многоярусные рамы (этажерки), арки, элеваторы, силосы, бункеры. В двадцатые годы в стране начиналось строительство крупных электростанций с широким применением бетона и железобетона (Волховская, Свирская, Днепровская ГЭС).
В 1928 г. у нас в стране появились первые сборные железобетонные конструкции, которые затем стали все шире применяться в промышленном и гражданском строительстве.
В это же время начинают применяться тонкостенные пространственные конструкции: купола (первый тонкостенный купол диаметром 28 м был возведен в Москве для планетария в 1928 г., оперный театр в Новосибирске в 1934 г. был перекрыт куполом диаметром 55,5 м, который имел толщину оболочки всего 8 см), складки, цилиндрические оболочки, шатры и т. п. В этот период начиналось проектирование и строительство Московского метро.
Появление сталей и бетонов высокой прочности позволило реализовать на практике в 1928–1930 гг. идею создания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Этого удалось впервые добиться талантливому французскому ученому и инженеру Эжену Фрейссине. Предварительно напряженные железобетонные конструкции обладают повышенной трещиностойкостью и жесткостью. Кроме того, они экономичны за счет уменьшения размеров сечений. Это позволило значительно увеличить пролеты зданий и сооружений, перекрываемых железобетонными конструкциями.
Первые теоретические основы расчета железобетонных конструкций и принципов их конструирования были созданы трудами первых исследователей железобетона Консидером, Генебиком (Франция), Кёненом и Мёршем (Германия). К концу XIX века в общих чертах сложилась теория расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, основанная на принципах сопротивления упругих материалов. Как выяснилось в дальнейшем, она имела крупные недостатки.
Бурный рост применения железобетона вызвал необходимость совершенствования теории. Большой вклад в ее дальнейшую разработку внесли русские и советские ученые: А.Ф. Лолейт (теория расчета по разрушающим усилиям, которая применялась в СССР с 1938 по 1955 год), В.М. Келдыш, А.А. Гвоздев, С.М. Крылов (разработка метода расчета по предельным состояниям, теория расчета статически неопределимых конструкций по методу предельного равновесия), В.И. Мурашев (теория трещиностойкости и жесткости железобетона), И.И. Улицкий, А.Е. Шейкин, П.И. Васильев, С.В. Александровский (исследования по теории ползучести бетона), К.В. Михайлов, Н.М. Мулин (разработка и исследование новых видов арматуры), В.В. Михайлов, Г.И. Бердичевский, С.А. Дмитриев, А.П. Коровкин (разработка и исследование предварительно напряженных железобетонных конструкций), С.С. Давыдов (расчет и конструирование подземных сооружений) и многие другие.
Четвертый период широкого применения железобетона в нашей стране начался в 1946 г. и продолжается по настоящее время.
После окончания Второй мировой войны весьма резко возросла потребность в новом строительстве и положение железобетона среди других строительных материалов стало доминирующим.
Железобетон стал основой не только промышленного и гидротехнического, но и жилищного, теплоэнергетического, транспортного, дорожного, сельскохозяйственного строительства. Широкое применение сборного железобетона совершило переворот в строительной технике. Появились заводские технологии изготовления железобетонных конструкций. Претерпели большие изменения конструктивные формы зданий и сооружений в связи с переходом на полносборное строительство. Создана обширная номенклатура типовых сборных железобетонных изделий для массового применения (балки, фермы, панели, фундаментные блоки, дорожные и аэродромные плиты покрытия и др.). Использование сборного железобетона позволило вести строительство круглогодично и в огромных масштабах. Если объём применения сборных конструкций в СССР в 1955 г. составил 12 %, то в 1990 г. он составлял уже около 60 % от общего объёма производства железобетона.
Дальнейшим развитием теории железобетона стал созданный в нашей стране и применяемый с 1955 г. единый метод расчета всех строительных конструкций по предельным состояниям, разработанный профессорами Н.С. Стрелецким, В.М. Келдышем, А.А. Гвоздевым и др.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, накопленный опыт строительства и достижения в области улучшения качества строительных материалов позволили за исторически короткий срок значительно повысить уровень применения железобетонных конструкций. Об огромных возможностях железобетона как строительного материала наглядно свидетельствуют нижеприведенные здания и сооружения:
1. Башня Московского телецентра в Останкино высотой 537 м с 385-метровой нижней предварительно напряженной частью из монолитного железобетона (рис. 3 б).
|
2. Торговый центр в г. Челябинске, перекрытый без промежуточных опор пологой сборно-монолитной оболочкой с размерами в плане 102x102 м.
3. Крытый рынок в г. Минске, перекрытый пологой сборно-монолитной оболочкой из аглопоритобетона с размерами в плане 103x103 м. Существуют реальные возможности для перекрытия такими оболочками плана 150x150 м и более. В частности, Проектный институт №1 Министерства строительства разработал в свое время проект оболочки, очерченной по круговой поверхности переноса, для покрытия стоянки машин в г. Новосибирске с размерами в плане 150x150 м (рис. 4).
4. В Париже оболочкой, представляющей в плане правильный треугольник со стороной 218 м, перекрыт выставочный павильон Дворца Техники. Оболочка опирается на три точки и перекрывает площадь 30000 м2. Толщина ее всего 100 мм. Поперечное сечение волнистое. Высота гофра 600 мм (рис. 5).
5. В Сиэтле построен ребристый железобетонный купол пролётом 220 м.
6. Бетон уверенно вытесняет сталь из высотного строительства: в США и во многих других странах построены сотни небоскрёбов с монолитным каркасом. Для таких зданий применяют бетон высокой прочности. В 1998 г. в Чикаго закончилось строительство небоскреба «Миглин Вайтер» (125 этажей, Н = 610 м) с железобетонным каркасом.
|
|
7. Скульптура Родина-Мать в г. Волгограде.
8. Из железобетона возводятся дымовые трубы высотой до 420 м. В настоящее время железобетон является основным конструктивным материалом в строительстве, так как он обладает высокой прочностью, долговечностью, стойкостью к воздействию высоких температур и агрессивных сред, способностью твердеть и наращивать прочность под водой, допускает изготовление конструкций самой разнообразной формы и не требует практически эксплуатационных расходов. Около 85% всех несущих строительных конструкций, многие из которых монтируют из сборных элементов, выполняют сейчас из железобетона. Такое положение сохранится, видимо, и в обозримом будущем. Однако в последнее десятилетие произошла некоторая переоценка ценностей в отношении применения сборного и монолитного железобетона. В целом, с учетом значительного повышения удельного веса транспортных расходов, необходимо добиваться взвешенного соотношения между сборным и монолитным строительством за счет совершенствования технологии изготовления конструкций из монолитного железобетона и развития сборно-монолитных конструктивных решений. Кроме того, монолитное строительство требует меньших затрат на создание производственной базы (на 40...45%).
Итогом обобщения научных исследований и опыта проектирования явились действующие ныне нормы проектирования бетонных и железобетонных конструкций СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».