Железобетонные и каменные конструкции (общий курс)

Железобетон — композиционный строительный материал, состоящий из бетона и стальной арматуры, объединенных в одно целое для совместной работы в конструкциях.
Бетон — искусственный каменный материал, для которого характерны значительно меньшая прочность на растяжение, чем на сжатие (в 10…20 раз) и относительно небольшие предельные деформации.
Сталь — материал, обладающий одинаковыми сопротивлениями на сжатие и растяжение, существенно превосходящими сопротивление бетона, и значительно большими предельными деформациями по сравнению с бетоном.
Основная идея железобетона: так расположить арматуру в бетоне, чтобы полностью использовать работу бетона на сжатие и арматуры — на растяжение и, при необходимости, на сжатие.
Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций

Бетонная балка
Несущая способность бетонной балки исчерпывается достижением в растянутой зоне бетона напряжений Rbt. При этом напряжения в бетоне сжатой зоны σb< Rb
Железобетонная балка — стадия эксплуатации
Напряжения в бетоне сжатой зоны σb< Rb, напряжения в растянутой арматуре σs< Rs
Железобетонная балка — стадия предельная по несущей способности
Напряжения в бетоне сжатой зоны σb = Rb, напряжения в растянутой арматуре σs = Rs
Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций
Поведение изгибаемых бетонного (а)
и железобетонных (б, в) элементов под нагрузкой

Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций
Преимущества железобетона:
Прочность и долговечность;
Огнестойкость;
Стойкость к атмосферным воздействиям;
Высокая сопротивляемость статическим и динамическим воздействиям;
Малые эксплуатационные расходы;
Доступность в исходных материалах по использованию практически во всех регионах страны;
Невысокая стоимость.
Недостатки железобетона:
Большая плотность;
Высокая звуко- и теплопроводность;
Трудоемкость переделок и усилений;
Необходимость выдержки для приобретения прочности;
Низкая трещиностойкость при силовых и не силовых воздействиях
Железобетон еще на долгие годы останется основным строительным материалом.
Это обеспечивается неограниченными ресурсами сырья, невысокой относительной стоимостью, хорошими конструктивными и эксплуатационными свойствами.

Кубиковая прочность (R) — это временное сопротивление эталонных кубов, размером 150×150×150 мм, при температуре (20±2°С) и влажности 90–100% через 28 дней твердения определяемое по формуле:
Характер разрушения бетонных кубов:
а — при наличии трения по опорным плоскостям; б — при отсутствии трения:
1 — силы трения; 2 — трещины; 3 — смазка
Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций
Призменная прочность (Rb) — это временное сопротивление Rb осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы h к размеру a квадратного основания равным 4. Размеры эталонной бетонной призмы — 150×150×600 мм.
Схема разрушения бетонной призмы (а) и график зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров испытываемого образца (б)

Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций
ДЕФОРМАТИВНОСТЬ БЕТОНА
Основные виды деформации:
объемные или не силовые деформации — усадка, температурно-влажностные, которые развиваются
во всех направлениях;
силовые — вызванные силовым воздействием на конструкцию, развиваются главным образом
в направлении силового воздействия.
При силовом воздействии продольные деформации сопровождаются поперечным расширением.
Начальный коэффициент поперечного расширения бетона (коэффициент Пуассона) соответствует 0,2.
Связь деформационных и прочностных свойств бетона, как и любого материала, отражается на диаграмме состояния
Параметры диаграммы деформирования.
Начальный модуль упругости (Eb) — это тангенс угла наклона касательной, проведенной к диаграмме из начала координат в точку с напряжением:
Упругопластический модуль деформаций (Eb, pl) равен тангенсу угла наклона секущей, проведенной из начала координат в точку с заданным напряжением.
Предельная прочность бетона — максимальные напряжения при сжатии Rb и растяжении Rbt на диаграммах состояния бетона
Предельные деформации бетона — деформации, соответствующие максимальным напряжениям.
Фактическая диаграмма сжатия-растяжения бетона

Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций
Арматурой называют стержни, размещаемые в бетоне в соответствии с расчетом, конструктивными и производственными требованиями для восприятия растягивающих и при необходимости сжимающих усилий.
По назначению различают:
1. Рабочую арматуру, устанавливаемую по расчету (основная арматура);
2. Конструктивную арматуру — воспринимает не учитываемые расчетом усилия от усадки бетона, изменения температуры, равномерно распределяет усилия между отдельными стержнями и т.д.;
3. Монтажную арматуру — обеспечивает проектное положение арматуры, объединяет ее в каркасы.
Пример армирования балки:
1 — рабочая арматура;
2 — конструктивная арматура; 3 — монтажная арматура

Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций
Арматура класса A240 гладкая
Арматура класса A400; A600; A800; A1000
Арматура класса A500 с серповидным профилем
Все арматурные стали разделяют на классы, объединяющие стали с одинаковыми
прочностными и деформативными свойствами. При этом к одному классу могут относиться стали,
отличающиеся по химическому составу, то есть разных марок.
Горячекатаная арматура
В500; Вр1200…Вр1500
Холоднотянутая проволочная арматура Канаты
К1400; К1500; К1600; К1700

Характеристики прочности и деформаций арматурных сталей устанавливают
по диаграмме σs–εs, полученной при испытании образцов на растяжение.
Сущность железобетона и физико-механические свойства материалов железобетонных конструкций
Диаграммы растяжения арматурной стали с физическим пределом текучести
1 — А240; 2 — А300; 3 — А400;
4 — А500
Диаграммы растяжения арматурной стали
с условным пределом текучести
1 — А1000; 2 — А1200; 3 — Вр1600;
4 — К1700
ЖЕСТКАЯ АРМАТУРА
Стальные профили:
уголки;
двутавры;
швеллера
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА
Стеклопластиковая арматура
СТАЛЬНАЯ ФИБРА

Опыты с различными железобетонными элементами, которые имеют двузначную эпюру напряжений (изгибаемые, внецентренно-растянутые, внецентренно-сжатые) показали, что при постоянном увеличении нагрузки наблюдаются три стадии напряженно-деформированного состояния нормальных сечений.
Стадии напряженно-деформированного состояния нормальных сечений: стадии I, II
Метод расчета железобетонных конструкций
по предельным состояниям
Стадия I
(до появления трещин в бетоне растянутой зоны)
Стадия I положена в основу расчета элементов
без трещин
Стадия II
(после появления трещин в бетоне растянутой зоны)
Стадия II — стадия эксплуатации, положена в основу расчета элементов с трещинами

Стадии напряженно-деформированного состояния нормальных сечений: стадия III
Метод расчета железобетонных конструкций
по предельным состояниям
Стадия III — предельная по несущей способности
Случай 1 (пластическое разрушение)
Случай 2 (хрупкое разрушение)
Стадия III положена в основу расчета прочности (несущей способности) нормальных сечений элементов.
Разрушение железобетонного элемента начинается
по арматуре растянутой зоны и заканчивается
раздроблением бетона сжатой зоны.
Разрушение железобетонного элемента происходит
из-за раздробления бетона сжатой зоны.

Метод расчета железобетонных конструкций
по предельным состояниям
Предельное состояние конструкции — это состояние, при котором конструкция теряет способность
сопротивляться внешним воздействиям или перестает соответствовать предъявляемым
эксплуатационным требованиям.
Две группы предельных состояний:
Первая группа — по несущей способности.
Расчет по предельным состояниям первой группы выполняют, чтобы предотвратить:
– разрушение;
– потерю устойчивости формы конструкции или ее положения (опрокидывание, скольжение подпорных стенок);
– усталостное разрушение от совместного воздействия силовых факторов и воздействий внешней среды.
В общем виде условие прочности записывается:
где F — максимальное расчетное усилие в рассматриваемом сечении от внешних нагрузок, Fult — минимальная несущая способность рассматриваемого сечения с учетом геометрии сечения S, сопротивления бетона Rb и арматуры Rs, коэффициентов безопасности, условий работы и ответственности объекта γ.
Потеря прочности
Потеря устойчивости:
формы
положения
Предельные состояния первой группы

Метод расчета железобетонных конструкций
по предельным состояниям
Основные положения расчета сечений по предельным усилиям
Усилия, воспринимаемые нормальным сечением, определяются по расчетным сопротивлениям материалов с учетом коэффициентов условия работы исходя из следующих предпосылок:
сопротивления бетона растяжению принимаются равными 0;
сопротивление бетона сжатию равно Rb и равномерно распределено по сечению;
деформации (напряжения) в арматуре определяются в зависимости от высоты сжатой зоны бетона;
напряжения в растянутой арматуре принимаются не более RS;
напряжения в сжатой арматуре принимаются не более RSC.
Условия прочности по нормальным сечениям выражаются неравенствами:
для изгибаемых элементов M < Mper;
для внецентренно сжатых (растянутых) M < Mper, где М = Ne; N < Nper.
Условия прочности по наклонным сечениям выражаются неравенствами:
прочность по сжатой бетонной полосе
между наклонными трещинами Q < fb1Rbbh0;
прочность наклонного сечения при действии поперечных сил Q < Qb + Qsw;
прочность наклонного сечения при действии момента M < Ms + Msw.

Метод расчета железобетонных конструкций
по предельным состояниям
Вторая группа предельных состояний
Расчеты производятся, чтобы предотвратить:
образование и чрезмерное раскрытие трещин;
чрезмерные перемещения: прогибы, углы поворота, амплитуды колебаний.
Трещиностойкость ЖБК — способность сопротивляться образованию трещин в I стадии НДС и сопротивляться раскрытию трещин во II стадии НДС.
Условие образования трещин в нормальных сечениях:
Ширина раскрытия трещин определяется согласно схеме
по формуле:
Граничные условия для ширины раскрытия трещин:
Расчет железобетонных элементов по прогибам производят
из условия:
f ≤ fult,
где f — прогиб железобетонного элемента от действия внешней нагрузки;
fult — значение предельно допустимого прогиба железобетонного элемента.

Подбор железобетонных конструкций многоэтажных и одноэтажных каркасных зданий по строительному каталогу