Железобетонные и каменные конструкции

Бондаренко В.Н. и другие «Железобетонные и каменные конструкции», 2008
Кумпяк О.Г. И другие «Железобетонные и каменные конструкции», 2009
Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс. М., Стройиздат, 1989.
СП 63.13330.2012 (Свод правил). Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения (Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003). М., 2012
Литература по дисциплине
«Железобетонные и каменные конструкции»

5. СП 52-101-2003 (Свод правил) Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. М., 2004
СП 52-102-2004 (Свод правил) Предварительно напряженные железобетонные конструкции. М., 2005
6. СП 20.13330.2016 (Свод правил). Нагрузки и воздействия (Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*). М., 2016
7. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции. М., 2012

Сущность железобетона
Железобетоном называется комплексный материал, состоящий из бетона и заключенной в нем стальной арматуры.
Место железобетонных конструкций среди других конструкций:
≈ 75 % - железобетонные конструкции;
≈ 15% - металлические конструкции;
≈ 7% - каменные конструкции;
≈ 3% - деревянные конструкции;
Физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций

Особенности бетона
1) Бетон обладает криволинейной и несимметричной диаграммой σ - ε
Rbc
Rbt
растяжение
сжатие
Закон Гука σ = Еε
Rb - прочность бетона на сжатие
Rbt - прочность бетона на растяжение
Идеально упругий материал
Бетон лучше работает на сжатие. Бетон - неупругий материал

Бетонируем призму:
Бетон - неоднородный материал (крупный, мелкий заполнитель)
Бетон - анизотропный материал (различные свойства в различных направлениях)
Испытываем на сжатие
Распределенное напряжение
Бетон обладает начальными собственными напряжениями:
а) за счет усадочных процессов в бетоне (усадка)
б) за счет физико-химических процессов, протекающих внутри бетона (экзотермический процесс)
а) в горизонтальном положении
б) в вертикальном положении
а)
б)

Особенности арматуры
Арматура обладает разными диаграммами σs - εs
Арматура имеет широкий диапазон прочности
240 – 1700 МПа

Особенности железобетона
Изгибаемые элементы
Образование трещин нормальных к продольной оси элемента.
Трещина появляется снизу, где растянуты волокна.
Бетонная балка
Трещина появляется в середине пролета, где максимальный изгибающий момент

Поместим в растянутую зону балки продольную арматуру:
Несущая способность железобетонной балки будет больше, чем бетонной
Периодического профиля:
б) Гладкую:

Б. Образование трещин, наклонных к продольной оси элемента
Бетонная балка
σmt
σmс
Расчётная схема балки с нагрузкой
Наклонные трещины появляются на опорах, где максимальная поперечная сила

Поместим в балку поперечную арматуру:
Несущая способность железобетонной балки по наклонным сечениям будет больше, чем бетонной
Поперечные стержни:
Отгибы:

Сжатый элемент
Арматуру ставят для увеличения прочности конструкции на сжатие

Совместная работа бетона и арматуры осуществляется:
1) За счет хорошего сцепления бетона и арматуры
2) У бетона и арматуры примерно одинаковые коэффициенты температурного линейного расширения
3) Бетон является защитой арматуры от коррозии

Пример:
Возьмем бетонную балку, защемленную в стену и загруженную сосредоточенной силой на конце.
Как правильно её заармировать?
Строим эпюру усилий Q

Ставим продольную арматуру в соответствии с эпюрой - M
Ставим поперечную арматуру в соответствии с эпюрой - Q

Достоинства и недостатки железобетона
Достоинства:
1) Долговечность
2) Огнестойкость
3) Противодействие атмосферным воздействиям
4) Радиационная стойкость
5) Экономия металла
6) Возможность использования местных материалов
7) Низкие эксплуатационные расходы.
Недостатки:
1) Большой собственный вес
2) Возникновение трещин
3) Высокая тепло- и звукопроводность

Способы изготовления железобетонных конструкций
Монолитные – возводятся на строительной площадке
Сборные – изготавливаются на заводе и монтируются на строительной площадке
Сборно-монолитные – сборная часть выполняется на заводе, а на строительной площадке – монолитная

Достоинства:
Возможность автоматизации процессов на заводах
Снижение трудоемкости на строительной площадке
Возможность использования высокопрочных материалов (бетона и арматуры)
Возможность возведения конструкций в зимний период
Сборные железобетонные конструкции
Недостатки:
Дополнительные расходы на транспортировку
Большие расходы на закладные детали
Меньшая жесткость конструкции

Технологии изготовления сборных конструкций
Конвейерная - принудительное движение конструкций по конвейеру.
.
Применяется для изготовления элементов небольшой массы.
.
Технологический процесс включает в себя:
А - подготовку формы;
Б - установку арматуры;
В - формование;
Г - термовлажностную обработку;
Д - распалубку;
Е - складирование

2) Поточно-агрегатная технология -
технологический ритм перемещения не установлен.
.
Форма с изделиями передвигается от одного агрегата (технологического поста) к другому, как правило, с помощью мостового крана. Технологически мероприятия выполняют отдельные звенья рабочих или бригада переходит от одного поста к другому.
.
3) Стендовая технология – стационарное изготовление конструкций на одном месте.
.
Бригада рабочих, выполнив очередную операцию, переходит от одного изделия к другому. Так изготавливают крупноразмерные и предварительно напрягаемые элементы

Монолитные конструкции –
- возводятся на строительной площадке укладкой бетонной смеси в опалубку.
.
Достоинства:
пространственная неразрезность зданий и сооружений;
повышенная огнестойкость и надёжность зданий и сооружений;
хорошая сопротивляемость сейсмическим воздействиям.
Недостатки:
1) сезонность работ - при низких температурах возрастает стоимость возведения;
2) затраты на устройство опалубки;
3) более тяжелые условия труда – на открытых площадках

Сборно-монолитные конструкции –
– комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон работает под нагрузкой как единое целое.
Сборный железобетон одновременно является несъемной опалубкой и до омоноличивания воспринимает нагрузки, действующие в монтажный период.
Такие конструкции сочетают положительные стороны сборного и монолитного вариантов.

Области применения железобетона

2) Гражданские здания различной этажности, включая высотные
- гостиницы
- жилые
- учебные заведения
Комплекс 25-этажных домов,
Марьинский парк, мкрн.43
Гостиница Ирис
в г. Москве
Здание МГСУ
на Ярославском ш., д.26
- библиотеки
Библиотека МГУ

- офисы
Офисное здание,
Б,Гнездиковский пер., д.1, стр.1
- административные здания
Административное здание,
ул.Трубная, д.25

- торговые комплексы
- выставочные залы
"Галерея Аэропорт"
Центральный Дом художника (ЦДХ)

3) Инженерные сооружения:
- резервуары
- градирни
- дымовые трубы
- теле- и радиобашни

4) Здания и сооружения транспортного строительства:
- мосты
- эстакады
- тоннели
Строительство
Лефортовского тоннеля
- метростроение
Станция метро Анино

5) Здания и сооружения энергетического строительства:
- гидроэлектростанции
- теплоэлектроцентрали
- атомные станции

6) Тонкостенные пространственные покрытия зданий и сооружений:
- стадионы
- театры
Оперный театр
в г.Сидней (Австралия)
Стадион Дружба

История развития железобетонных конструкций
Из железобетона построены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской стены (III век до н.э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах.
Русские мастера еще в 1802 году при строительстве Царскосельского Дворца применяли армированный бетон, но не считали его новым материалом.

В 1848 году парижский адвокат Ж.-Л. Ламбо первым соорудил лодку из железобетона и представил ее на Парижской выставке в 1855 году
В 1849 году Ж. Монье изготовил кадку для садовых растений, обмазав проволочный каркас цементным раствором. Сочетание этих двух материалов стало называться железобетоном.
В России Ж. Монье получил патент на железобетон в 1880 году.

Английский штукатур У. Уилкинсон в 1854 году получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на расстоянии 2 фута друг от друга и заливаемых бетоном.
Для повышения прочности перекрытия железные полосы укладывались в нижней части сечения, а над опорами отгибались в верхнюю часть.

В России железобетон в строительстве применяется с 1886 г. для перекрытий по металлическим балкам.
Различают три этапа развития железобетона.
Первый этап – конец XIX века. С этого времени вошел в практику метод расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, основанный на законах сопротивления упругих материалов.
На развитие железобетона большое влияние оказали труды Н.М. Абрамова, И.Г. Малюги, А.А. Байкова и др.

В 1904 году в Николаеве был построен железнодорожный маяк по проекту
Н. К. Пятницкого и
А. Н. Барышникова.
Экспертом проекта был
Н. А. Белелюбский.
Это было уникальное сооружение высотой 40,2 м с толщиной стенок от 7,5 до 10 см.

Второй этап – 1917-1950 годы XX века.
После 1917 г. – широкое применение железобетона в строительстве: были построены Центральный телеграф в Москве, Дом Советов в Ленинграде, Волховская ГЭС.
В 1928 г. - идея о применении предварительного напряжения (А.В. Гадолин в 1861 году осуществил предварительное напряжение стальных стволов орудий).
С 1928 г. железобетон широко использовался в строительстве тонкостенных пространственных конструкций: оболочки, складки, шатры, куполы.
.
В.З. Власов первым разработал общий практический метод расчета оболочек.

Волховская ГЭС (фотография и схема)

Новосибирский оперный театр:
а - общий вид (1945 г.); б –разрез.
В 1934 г. в г. Новосибирске над зрительным залом оперного театра был сооружен уникальный купол диаметром 55,54 м, разработанный инженерами Б.Ф. Матери и П.Л. Пастернаком.

Третий этап – конец 50-х годов XX века.
Этот этап характеризуется широкой индустриализацией железобетонного строительства, развитием предварительно напряженных конструкций, внедрением высокопрочных материалов.
1984 – 95 годы –новое направление в теории железобетона на основе диаграммно – энергетического подхода, предложенного В.М. Митасовым.