Железобетон, как материал для строительных конструкций. Физико-механические свойства бетона

СМТ-311

СМТ-312

СМТ-313

22.02.2021 материал лекции изучаете до п.3.1.2
1. Определение габарита приближения конструкций в железнодорожных мостах.
2. Сколько классов внутренних водных путей и категорий автомобильных дорог общего пользования в России?
3. Схема очертания подмостового габарита на судоходных реках с основными размерами.
4. От чего зависят подмостовые габариты путепроводов? Какой будет подмостовой габарит в путепроводах через железную дорогу (схема)?
5. Схема габарита приближения конструкций мостовых сооружений на автомобильных дорогах общего пользования 2(Г-11,5) (4 полосы движения, полоса безопасности 2 м, проезжая часть 7,5*2).

История развития железобетонных мостов.
Железобетон, как строительный материал, появился во второй половине XIX века. Его изобретателем принято считать француза Ж. Монье. В 1873 г. он взял патент на конструкцию железобетонного моста, а в 1875 г. в частном парке, во Франции, был построен первый железобетонный пешеходный мост длиной
16 м и шириной 4 м.

Схема моста системы Р. Вюнши

Схема моста системы М. Мёллера

Система моста Геннебика

В 1904 г. построен мост через р. Терек в г. Владикавказе, рассчитанный под один трамвайный путь. Мост имеет три пролета по 22,3 м в свету, полная длина моста 72 м.

Большую роль в совершенствовании железобетонных конструкций и внедрении их в практику строительства сыграли работы профессора Н.А. Белелюбского. В 1886…1891 гг. им были выполнены обширные опыты по исследованию железобетонных плит, балок, сводов. Был построен и испытан сводчатый железобетонный мост с пролетом 17,08 м.

В конце 1898 г. постановлением Инженерного совета Министерства путей сообщения было решено применять железобетон на железных и автомобильных дорогах. В 1908 году Министерством путей сообщения были утверждены первые технические условия для железобетонных конструкций, которые в 1911 году были заменены новыми техническими условиями с приложенными к ним «Нормы по расчету железобетонных конструкций», разработанные под руководством
Н.А. Белелюбского.

Железобетон представляет собой искусственный материал, состоящий из бетона и расположенных в нем стальных стержней, работающих совместно. Совместная их работа обеспечивается хорошим сцеплением (адгезией) бетона и арматуры. Это сцепление не нарушается при колебаниях температуры, так как коэффициенты линейного расширения бетона и стали близки по величине: αt=(0,7…1,4)⋅10-5 для бетона и αt=1,2·10-5 для стали.

3.1.1 Основные физико-механические свойства бетона
Бетон является искусственным камнем. Он обладает большой прочностью на сжатие. Сопротивление бетона растяжению в 10…20 раз меньше, чем сжатию, поэтому растягивающие усилия в таких элементах передаются арматуре, которая в виде стальных стержней вводится в растянутые зоны.

Для мостовых конструкций применяют конструкционный тяжелый бетон со средней плотностью от 2200 до 2600 кг/м3 (СНиП 2.05.03-84* п.3.18, СП п.7.18).
Основной характеристикой, определяющей прочностные свойства бетона, является его класс по прочности на сжатие «В». За класс бетона принимают временное нормативное сопротивление осевому сжатию бетонных кубов с размером ребра 15 см, выполненных по ГОСТу 10180-90, с доверительной вероятностью не ниже 0,95, измеряемое в МПа. При благоприятных условиях естественного твердения прочность бетона постепенно увеличивается.
Для мостовых конструкций принимают бетоны классов от В20 до В60 (СниП п.3.19*, СП п.7.19).

Проектный класс бетона «В» — прочность бетона конструкции, назначаемая в проекте.
Передаточная прочность бетона Rbp — прочность (соответствующая классу) бетона в момент передачи на него усилия в процессе изготовления и монтажа.
Отпускная прочность бетона Rb0 — прочность (соответствующая классу) бетона в момент отгрузки (замораживания) его со склада завода-изготовителя.

Нормами установлены минимальные классы бетонов, используемые в мостах, в зависимости от их вида, армирования, условий эксплуатации ( п.3.19*. табл.21).

Бетон является упругопластическим материалом, поэтому под действием нагрузки развиваются как упругие, так и пластические деформации. Зависимость между напряжениями и деформациями в общем случае нелинейная.
Значение полных деформаций бетона при сжатии:

Отношение напряжения в бетоне σb к упругим относительным деформациям εel характеризует упругие свойства материала и носит название начальный модуль упругости бетона Eb (п.3.32*,табл. 28, СП п.7.32).. Он численно равен тангенсу угла наклона α0 между касательной проведенной к кривой σ - ε из начала координат с осью абсцисс.
Eb=tgα0

Отношение напряжения в бетоне σb к неупругим относительным деформациям εpl характеризует неупругие свойства материала и носит название секущий модуль бетона Ebs (модуль упругопластичности бетона) и представляет собой тангенс угла наклона секущей, проходящей через начало координат и точку на кривой σ - ε с заданным напряжением.
Ebs=tgα1
Для бетона, подвергнутого термовлажностной обработке, величину модуля упругости бетона снижают на 10% (СНиП п.3.32, СП п7.32).

Вершина кривой σ - ε для сжатых образцов соответствует пределу прочности на сжатие Rbn (призменная прочность), а растянутых – пределу прочности на растяжение Rbtn. Относительные деформации бетона εbn на сжатие колеблются от 0,8*10-3 до 3*10-3. Окончательно разрушение бетона происходит при относительных деформациях бетона εbn,max ≈ 3,5*10-3 до 7*10-3.
В начальной стадии нагружения, когда напряжения в бетоне не превышают 30…40% предела его прочности на сжатие (σ=Евεв), проявляются упругие деформации. С увеличением напряжений растут пластические деформации, которые становятся преобладающими при приближении к пределу прочности бетона.

В мостовых конструкциях бетон подвергается многократным нагружениям и разгрузкам. При каждом повторном нагружении до достижения бетоном напряжения σ1, соответствующего началу разгружения, пластическая часть деформаций уменьшается и после некоторого цикла нагрузки и разгрузки бетон начинает вести себя как упругий материал. Если загрузить бетонный образец нагрузкой, вызывающей напряжение σ2> σ1, то в образце снова, наряду с упругими, будут возникать пластические деформации

При многократном приложении нагрузки, которая не вызывает σ2, превышающих Rbfn, разрушение бетона не происходит. Если же максимальные напряжения превысят этот предел
σ3> Rbfn, то с каждой разгрузкой увеличиваются пластические деформации, а затем происходит разрушение бетона.

Предельное значение напряжений Rbfn, при котором не происходит разрушение бетона при практически неограниченном количестве циклов приложения нагрузки, называют пределом выносливости бетона. При определении предела выносливости за базовое принимают
2 миллиона циклов «нагружения-разгрузка».
Нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузок называется ползучестью. Деформации ползучести зависят от продолжительности действия нагрузки, от возраста бетона в момент загружения.

В упрощенном виде процесс деформирования бетона можно представить на примере загружения бетонной призмы. Сразу по приложении нагрузки q в бетоне возникают упругие деформации ∆el и некоторая часть пластических деформаций ∆pl (так называемая быстронатекающая ползучесть). Затем в течении длительного времени деформации ползучести ∆plt будут нарастать, причем интенсивность нарастания будет постепенно уменьшаться и по истечении нескольких лет практически прекратится. Относительные деформации ползучести достигнут некоторой предельной величины εpln .

При действии многократно повторяющейся нагрузки, деформации ползучести увеличиваются, проявляется так называемая виброползучесть бетона.
Усадкой называют сокращение объема бетона при твердении его на воздухе. С течением времени усадка затухает и кривая деформации, вызываемая усадкой, приближается к некоторому предельному значению – нормативной деформации усадки.
Развитие деформаций усадки и ползучести бетона зависит от температурно-влажностного режима окружающей среды.
1 - при постоянном температурно-влажностном режиме;
2 – при переменном температурно-влажностном режиме.
.

Марки по морозостойкости и водонепроницаемости бетона.
Марка по морозостойкости F характеризуется числом циклов замораживания и оттаивания, которые бетонный образец выдерживает без существенного снижения его прочности (СНиП п.3.20, табл. 22*, СП п. 7.20).
Марка по водонепроницаемости W соответствует давлению воды, при котором еще не наблюдается ее просачивание через бетонный образец толщиной 15 см (СНиП п.3.22, СП п. 7.22)

Слайд
В мире сегодня бетона и железобетона производится
свыше 3 млрд.куб. в год.
Высококачественный мелкозернистый бетон уже стандартизированы во всех технологически развитых странах мира. Они обладают высокой удобоукладываемостью на стадии свежеприготовленной смеси, а в затвердевшем виде - быстрым набором прочности (на вторые сутки до 30…40 МПа, а в возрасте 28 дней - от 60 до 150 МПа), способностью противостоять длительным статическим, динамическим и ударным воздействиям, износостойкостью, морозостойкостью (класс по морозостойкости F до 600).
В последние годы появились самоуплотняющиеся бетоны. Принципиальным, при проектировании составов таких смесей, является применение тонкодисперсных наполнителей и новых видов добавок – гиперпластификаторов и модификаторов.
При этом возможно получение на обычном портландцементе и обычных заполнителях из твердых пород: высокопрочных (прочность на сжатие 60-80 МПа) и сверхвысокопрочных (выше 80 МПа) бетонов, с высокой ранней прочностью при твердении в нормальных условиях (25-40 МПа в возрасте 1 сут.), бетонов низкой проницаемости для воды (марка по водонепроницаемости, бетонов повышенной долговечности и морозостойкости).

Слайд
Применение стальной фибры и фибры из композитных материалов также позволяет увеличить прочность бетона. Фибробетон - бетон с равномерно расположенными по всему объему волокнами (фибрами). Фибробетон обладает рядом преимуществ:
— повышение прочности:
при сжатии до 25%;
при осевом растяжении до 65%;
при изгибе до 2,5 раза;
повышение модуля упругости до 15%;
— значительно повышается его износостойкость, коррозионная стойкость и, в особенности, стойкость к образованию трещин.

Существуют несколько способов внедрения в структурообразования бетона наномодификаторов. В настоящее время широко изучаются углеродистые кластеры. Наиболее известные представители – фуллерены, нанотрубки, астралины. При внедрении углеродисты кластеров механическая прочность бетона увеличивается на 150%, морозостойкость на 50%, вероятность повышение трещин снижается в 3 раза, вес конструкции снижется в 6 раз и себестоимость бетона на 30%
Электронно-микроскопическое изображение цементного камня при увеличении 6 000раз:
а — обычный цементный камень; б — цементный камень после введения нанотрубки

3. 1. 2 Основные физико-механические свойства арматуры
Арматура подразделяется по следующим признакам:
- по технологии изготовления;
- по способу упрочнения;
- по форме поверхности;
- по способу применения;
- по функциональному назначению.
По функциональному назначению арматуру подразделяют на рабочую и конструктивную.
Под рабочей понимают арматуру, площадь которой определяется расчетом. К конструктивной относят монтажную и распределительную арматуру, которую устанавливают без расчета. Монтажная арматура предназначена для создания арматурного каркаса и сохранения его жесткости в процессе бетонирования конструкции. Распределительная арматура служит для выравнивания усилий в стержнях рабочей арматуры.

Для рабочей арматуры применяют стали различных классов и марок. Класс арматуры определяет ее прочностные характеристики, марка указывает на ее химический состав или способ выплавки. Классы и марки арматурных сталей и условия их применения установлены нормами проектирования.

Основной характеристикой стали является предел текучести – физический или условный. Физический предел текучести характерен для так называемых мягких сталей, имеющих площадку текучести (1). К таким сталям относится горячекатаная арматурная – сталь классов А240 (АI), А300 (А-II), Ас300 (Ас-II), А400 (А-III). Стрежневая арматура повышенной прочности и проволочная высокопрочная арматура выполнены из твердых сталей, не имеющих площадки текучести (2). За условный предел текучести у них принимают напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2%

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению, носит название временного сопротивления (сопротивление разрыву). Для проволочной арматуры сопротивление разрыву принимают за основную расчетную характеристику.

Тангенс угла наклона α прямолинейного участка σ -ε к оси деформаций ε численно равен модулю упругости.
При многократно повторяющихся нагрузках прочность стали уменьшается и разрушение становится хрупким. Снижение прочности зависит от числа циклов повторяющейся нагрузки, от асимметрии цикла повторяющихся напряжений .

На выносливость арматуры существенное влияние оказывают сварные соединения
Сварные соединения стержней арматуры: а – контактным способом (до и после зачистки),
б – ванным способом,
в – на парных смещенных накладках

Стержни периодического профиля различают по номерам. Номер стержня соответствует расчетному диаметру равновеликого по площади круглого стержня. В сортаментах арматурной стали, установленных ГОСТом, все ее геометрические характеристики приведены применительно к расчетному диаметру (номеру), который используют в расчетах железобетонных конструкций.

Арматурные стержни периодического профиля: а - по винтовой линии, б – « в елочку»; d – внутренний диаметр, d1 - наружный диаметр по ребрам

Композитная арматура (базальтовая,
стеклопластиковая, полимерная) выполнена на основе стекловолокна, базальт-волокна, углеродных и арамидных волокон.
Основные достоинства композитной арматуры:
· малый удельный вес;
высокая коррозийная стойкость;
· первая группа химической устойчивости;
· линейно-упругий характер зависимостей «нагрузка-деформация»;
· низкая теплопроводность;
не воспламеняемый материал;
· высокая прочность при растяжении и изгибе;
- высокая удельная прочность;
· широкий диапазон температур эксплуатации (-70 градусов С +100 градусов).
.

Слайд
Фибропластиковая арматура на основе арамидных волокон

Слайд
Стеклопластиковая арматура

Слайд
Фибропластиковая арматура на основе углеродных волокон

Слайд
Базальтовая арматура

Слайд
Полимерная арматура из бор волокна

Равнопрочная замена

3.2 Стадии напряженного состояния изгибаемого железобетонного элемента.
Расчет железобетонных конструкций по первой и второй группе предельных состояний выполняется исходя из стадий напряженно-деформированного состояния. В процессе возрастания нагрузки напряженное состояние сечения проходит через несколько качественно различных стадий.

Изменение напряженного состояния железобетонного элемента при его нагружении рассмотрим на частном примере, чистого изгиба. Собственным весом балки, при этом, пренебрегаем.

При малых нагрузках на элемент, напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят упругий характер, существует линейная зависимость. Поэтому можно считать, что в этот период закон распределения нормальных напряжений в бетоне по высоте сечения близок к линейному.
Такое напряженное состояние сечения соответствует стадии I
Эпюры нормальных напряжений в сечениях изгибаемого элемента:
а) фактические эпюры напряжений;
б) эпюры, положенные в основу расчетных формул.

По мере увеличения нагрузки, в бетоне растянутой зоны развиваются не неупругие деформации. В этот момент эпюра напряжений в бетоне принимает криволинейное очертание, значит значения напряжения в бетоне у растянутой грани балки будут приближаться к пределу прочности бетона на растяжение Rbtn.
Такое напряженное состояние принято считать стадией I, а.

Дальнейший рост нагрузки связан с появлением и интенсивным развитием трещин в растянутой зоне балки. В сечение с трещиной растягивающие усилия воспринимаются арматурой, и небольшая их часть – участком растянутого бетона над трещиной. При увеличении нагрузки величина трещины увеличивается, в бетоне сжатой зоны увеличиваются неупругие деформации. В результате, значительная часть бетона растянутой зоны из работы сечения выключается. Наступает стадия II.

Под стадией III понимают стадию разрушения. При этом, в общем случае, напряжения в бетоне достигают временного сопротивления осевому сжатию Rbn, а в арматуре – физического или условного предела текучести Rs. Разрушение железобетонного элемента начинается с арматуры растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны.

При избыточном содержании растянутой арматуры, разрушение сечения происходит в результате исчерпания несущей способности бетона сжатой зоны, когда напряжения в растянутой арматуре не достигают предела текучести. Такие сечения называют «переармированными».
Расчеты мостовых конструкций должны учитывать все стадии напряженного состояния сечений.

Принимаемые гипотезы и допущения.
Нормами проектирования предусмотрены самостоятельные расчеты прочности и трещиностойкости поперечных и наклонных сечений.
С целью упрощения расчетные схемы видоизменены.
В основу I (II) стадии положены расчеты на выносливость , в основу Iа – по образованию трещин, в основу II стадии - по раскрытию трещин,
в основу III стадии - расчет на прочность.

3.3 Предварительно напряженный железобетон.
Предварительно напряженными называют такие конструкции, в которых напряженное состояние искусственно создается заранее, до приложения внешних нагрузок.
Основоположником предварительно напряженного железобетона принято считать французского инженера Эжен Фрейссине (1879-1962 г.г.), который в 1928 году предложил и осуществил изготовление таких конструкций.
С 1962 г. после выхода СН200-62, началось массовое проектирование и строительство мостов с пролетными строениями из предварительно напряженного железобетона.
Существует два основных способа изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций: с натяжением арматуры на бетон и с натяжением арматуры на упоры.

При натяжении арматуры на бетон в бетонируемой конструкции образуют каналы. В эти каналы пропускают арматуру (2), ее натягивают, и в натянутом состоянии закрепляют с помощью специальных анкеров (4), после чего каналы заполняют раствором (проводят инъектировании каналов).
В сечениях балки (1) возникают сжимающие напряжения σb (6), которые распределяются по линейному закону (бетон в стадии создания предварительных напряжений работает упруго.

Арматурные пучки располагаются в специальных каналах (открытых или закрытых) и напрягается после набора бетоном необходимой прочности.
Достоинства: отсутствие дорогих стендов
Недостатки: много ручных работ при устройстве каналов, при протаскивании арматуры в них, установка домкратов и инъецирование каналов. Трудно обеспечить высокое качество работ.

При изготовлении предварительно напряженных железобетонных элементов с натяжением арматуры на упоры, натяжение арматуры (2) производят до бетонирования конструкции. Натянутая арматура закрепляется на специальных упорах (3) через наружные анкера (4), после этого балку бетонируют. Когда бетон наберет необходимую прочность, арматуру отсоединяют от упоров, и усилия в натянутой арматуре передаются на бетон балки. Совместная работа арматуры с бетоном обеспечивается с помощью внутренних анкеров (5), а также за счет сил сцепления.

Рамный стенд.
Достоинство этого метода - это простата стенда.
Недостатки:
малая производительность
опасность появления поперечных трещин вверху, продольных внизу

Коробчатый стенд
Достоинства: наличие верхней и отогнутой арматуры
Недостатки: малая производительность и дороговизна стенда

На заводах мостовых ж.б. конструкций применяют поточно-агрегатную технологию. Стенд перемещается по постам, на каждом из которых делают определенные операции.
Достоинства: высокая производительность, за счет ведения различных работ на разных постах.
Недостатки: дорогостоящее оборудование.

Эту стадию напряженного состояния называют нулевой. Предварительно напряженные железобетонные конструкции создают с целью эффективного использования прочностных свойств высокопрочной арматуры.