Кудзис - Железобетонные и каменные коснтрукции.Ч.1

ГЛАВА 1

Общие сведения о железобетонных и каменных конструкциях

1.1. Возникновение и развитие железобетонных конструкций Сущность железобетона. Под строительными  конструкциями подразумеваются рамы, фермы, оболочки и другие составляющие зданий, целые инженерные сооружения (резервуары, башни, мосты, бункера, подпорные стены, мачты и т. д.), а также более простые их элементы (балки, колонны, стены, стойки, раскосы и др.). Железобетон представляет собой искусственный материал, в котором под нагрузкой совместно работают бетон и арматура (в основном стальная), рационально расположенная в растянутых и наиболее сжатых зонах конструкций. Бетон (искусственный  камень) обладает большой прочностью при сжатии, достигающей 150 МПа. Однако сопротивление бетона растяжению в 10 — 20 раз Меньше, чем при сжатии, что практически не позволяет применять его в качестве растянутых и изгибаемых несущих конструкций. Поэтому растягивающие усилия передаются арматуре, которая в виде стержней вводится в растянутые зоны конструкций (рис. 1.1).

Совместная работа арматуры и бетона, т. е. одинаковые деформации их смежных волокон, обеспечивается: хорошим сцеплением бетона и арматуры; близкими по величине  коэффициентами линейного расширения при температурах до 100 С.

Растянутые элементы разрушаются по арматуре (рис. 1.1, а). Изгибаемые элементы разрушаются либо по растянутой арматуре, либо по сжатому бетону над концом нормальной или наклонной трещины после значительного ее раскрытия (рис. 1.1, в).  Разрушение сжатых элементов происходит вследствие раздробления бетона после преодоления его сопротивления отрыву при появлении  многих трещин, параллельных продольной оси элемента (рис. 1.1, б). Для повышения трещиностойкости и жесткости растянутых и изгибаемых элементов, а также лучшего использования  сопротивления растяжению высокопрочной арматуры она подвергается предварительному натяжению. Предварительные растягивающие напряжения арматуры передаются на затвердевший бетон,  который тем самым подвергается предварительному обжатию. 

Необходимо заметить, что предварительному обжатию подвергаются растянутые от внешней нагрузки зоны элементов (рис. 1.2).

Достоинства и недостатки железобетона.

Железобетон обладает многими преимуществами перед другими материалами несущих конструкций зданий н сооружений. Во-первых, при правильном подборе вида и состава бетона, а также при соблюдении эксплуатационных требований железобетон будет более  долговечным и стойким, поскольку хорошо сопротивляется агрессивным воздействиям окружающей среды. Содержание железобетонных конструкций не требует больших расходов, поскольку арматурная сталь предохраняется бетоном от коррозии, а с течением времени прочность бетона несколько увеличивается. Железобетон хорошо сопротивляется динамическим ударным и вибрационным  воздействиям. Он обладает повышенной огнестойкостью вследствие того, что при пожаре снижение несущей способности конструкций происходит постепенно. Кроме того, железобетон позволяет совмещать ограждающие и несущие функции конструкций,  обеспечивает единство архитектурной выразительности и эффективности конструкций.

К основному недостатку железобетона относятся сравнительно большая масса конструкций, а также наличие собственных напряжений, вызываемых усадкой бетона и температурно-влажностными воздействиями окружающей среды. Сравнительно  большие трудности в строительстве создаются в связи с организацией и проведением контроля качества материалов, а также текущим контролем арматурных и бетонных работ.

Способы изготовления и возведения железобетонных  конструкций.

Железобетонные конструкции могут быть сборными, изготовляемыми на заводах, монолитными, осуществляемыми в проектном положении, и сборно-монолитными, представляющими собой сочетание сборных элементов и монолитного бетона, укладываемого на месте строительства.

Формование сборных бетонных и железобетонных изделий и конструкций производится на механизированных и  автоматизированных предприятиях следующими способами: агрегатным путем формования изделий на виброплощадке, центрифуге или  специальных установках-агрегатах с последующим погружением их в камеры тепловой обработки; конвейерным или  поточно-агрегатным при выполнении процессов формования и тепловой  обработки путем перемещения всех форм по замкнутому конвейерному кольцу; стендовым при формовании предварительно напряженных изделий в стационарных формах, которые одновременно  используются для тепловой обработки бетона; кассетным способом, позволяющим формовать стеновые и другие плоские элементы в вертикальном положении в стационарных формах- кассетах.

Наиболее экономичными являются роторно-конвейерные  технологические линии с высокоэффективными щелевыми камерами тепловой обработки непрерывного действия. Перспективным  является безопалубочное формование предварительно напряженных изделий на длинных стендах экструзионным способом. Оно позволяет снижать трудозатраты в два раза, а также уменьшать расход стали и цемента.

Бетонирование монолитных конструкций производится в  стационарной, переставной или скользящей опалубке, собираемой из унифицированных щитов многократного использования, после установки и укрепления арматурных каркасов, сеток и стержней.

Подача бетонной смеси к месту опалубки монолитных  конструкций и ее распределение производятся грузоподъемными кранами, трубчатыми подъемниками, ленточными конвейерами,  трубопроводами с помощью пневмонагнетателей или бетононасосов, бетоноукладчиками со скользящими формами, торкретированием и т. д. Уплотнение бетонной смеси производится внутренними, глубинными или поверхностными вибраторами.

Во избежание расслоения бетона нельзя сбрасывать бетонную смесь с высоты. Требуется обеспечить непрерывное бетонирование армированных конструкций в пределах температурных и  осадочных швов. В других случаях должны быть приняты меры по обеспечению плотности и прочности сопряжений между старым и новым бетонами в рабочих швах бетонирования. С этой целью для продолжения бетонных работ поверхность старого бетона очищается, увлажняется и покрывается слоем цементно-песчанного раствора.

Напрягаемая арматура (стержневая, проволочная и канатная) натягивается на упоры силовых форм и длинных стендов или на затвердевший бетон. Арматура натягивается механическим, электротермическим и электромеханическим способом, а также  способом самонапряжения, основанного на использовании энергии расширяющегося цемента при его твердении. При механическом способе арматура натягивается  гидравлическими домкратами и грузовыми устройствами с системой блоков и рычагов. Гидравлические домкраты применяются при формовании конструкций в силовых формах и при натяжении арматуры на бетон. На длинных стендах натяжение арматуры производится грузовыми устройствами.

При электротермическом натяжении арматурные стержни с анкерами на концах нагреваются электрическим током до  требуемого удлинения. Продолжительность нагрева составляет от 1 до 10 мин при максимальной температуре до 350...500 С.

Электротермомеханический способ натяжения арматуры  состоит в том, что нагретые электрическим током канаты и проволоки с помощью специальной машины навиваются на упоры. При этом механическим способом создается примерно 50% предварительных напряжений.

Перспективным является метод непрерывного армирования сборных изделий путем натяжения проволочной и канатной арматуры намоточными агрегатами. Этот метод дает  возможность полностью автоматизировать арматурные работы и  экономить высокопрочную сталь.

Развитие железобетонных конструкций и область их применения. В 1849 — 1850 гг. француз И. Ламбо построил лодку из армированного цемента, которая считается первым прототипом железобетона. В 1854 г. англичанин В. Уилкинсон получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия из армированного бетона и в 1865 г. построил железобетонный домик. В 1867 г. француз Ж. Монье получил патент на изготовление цветочных кадок из железа и цемента. В1868 г. он построил небольшой железоцементный бассейн, а в 1873 г. получил патент на конструкцию железобетонного моста. В 1892 г. француз Ф. Геннебик предложил ребристые  железобетонные перекрытия и другие армированные конструкции. В 1900 г. на Парижской выставке железобетон был официально признан надежным строительным материалом. В 1886 г. американец П. Джексон предложил применять предварительное обжатие бетона при строительстве мостов. В 1906 г. в США было построено грибовидное (безбалочное) перекрытие. В 1928 г. француз Э. Фрейсинэ получил патент на использование напрягаемой арматуры из стали высокой прочности без опасения погашения предварительного напряжения из-за усадки и ползучести бетона.

В России впервые железобетон был использован в 1879 г. Д. Ф. Жаринцевым при строительстве стен зданий в г. Батуми. Благодаря широким испытаниям плит, балок и мостов,  выполненных в 1891 г. под руководством Н. А. Белелюбского A845—1922), железобетонные мосты, трубы, резервуары и другие конструкции были использованы при строительстве железных дорог, а балочные перекрытия — в промышленном и гражданском строительстве. В 1904 г. в Николаевском порту бьш построен железобетонный маяк высотой 40,2 м. Знаменитый математик и конструктор А. Ф. Лолейт A868— 1933) в 1908— 1909 гг. разработал  безбалочные железобетонные перекрытия. С этого момента железобетон начал постепенно вытеснять сталь и дерево из несущих  конструкций зданий и сооружений.

После Октябрьской революции созданы проектные организации и научно-исследовательские учреждения, которые способствовали дальнейшему развитию железобетона. Постепенно он занял  доминирующее положение в промышленном строительстве. В 1919 г. в строительстве мостовых опор использован трубобетон (бетон в трубчатой металлической обойме). В 1928 г. разработаны первые сборные конструкции, а с 1929 г. применяются в строительстве  тонкостенные пространственные конструкции (купола, складки,  оболочки, шатры и т. д.). С 1930 г. начинается применение предварительно напряженных элементов. В настоящее время примерно 25% сборных элементов изготовляются с напрягаемой арматурой.

После Великой Отечественной войны проектируются и строятся высотные здания, для каркасов которых применяется жесткая  арматура (прокатные профили). В 50-х годах была создана  промышленность сборного железобетона, что послужило основой  полносборного каркасно-панельного и крупнопанельного строительства. В проектировании и строительстве нашли применение типовые сборные изделия и конструкции. В энергетическом и транспортном строительстве распространялись центрифугированные  железобетонные опоры, которые позже нашли применение в качестве колонн промышленных и гражданских зданий и сооружений.

В 60-х годах начинается массовое применение железобетона в строительстве промышленных и подземных труб, водонапорных башен, силосов и других сооружений, а также при изготовлении крупных сборных конструкций (ферм, колонн и др.). Годовая мощность заводов сборного железобетона достигает 200 тыс. м.

В 70-х годах при строительстве и реконструкции зданий и сооружений химической, металлургической, бумажно-целлюлозной и другой промышленности началось применение колонн, плит, труб и других элементов из армированного полимербетона и бетона, пропитанного синтетическими смолами или серными соединениями.

В то же время делаются попытки по внешнему армированию бетона плоскими и профилированными стальными листами. С 1950 по 1980 г. общий объем железобетона увеличился в 55 раз, тогда как сборного — в 100 раз. Сборные железобетонные конструкции обеспечивают высокие темпы возведения зданий и сооружений. Однако они требуют больших заводских транспортных и монтажных расходов, а также перерасхода металла, цемента и энергии. В сборных конструкциях особое внимание должно быть обращено на прочность и долговечность соединений,  обеспечивающих надежную передачу усилий, чего не всегда, удается достичь. Поэтому в некоторых случаях более эффективными оказываются конструкции из монолитного железобетона. При применении специальной опалубки, механизированной подачи бетонной смеси, подъема перекрытий и других современных способов бетонирования монолитное строительство становится индустриальным и лишенным недостатков сборного  железобетона.

Практика строительства Друскининкайской водолечебницы (рис. 1.3) и других зданий доказал, что сочетанием монолитного и сборного железобетона, изготовляемого на строительной  площадке, может быть достигнута архитектурная выразительность железобетонных конструкций без создания для этой цели  специальной базы и без снижения темпов строительства. Тонкостенные конструкции, особенно длинные складки и волнистые своды, изготовляются как из железобетона, так и из армоцемента. Армоцементные конструкции толщиной до 30 мм включительно изготовляются из мелкозернистого бетона. Они армируются тонкими тканями, сварными или плетеными  проволочными сетками, равномерно распределенными по сечению Элементов, в сочетании со стержневой или проволочной  арматурой. Армоцементные конструкции применяются, как правило, в неагрессивной окружающей среде.

Развитие методов расчета железобетонных конструкций. Первые попытки определить несущую способность изгибаемых  железобетонных элементов были выполнены французским инженером Мазо в 1876 г.