Железобетонные конструкции без предварительного напряжения

4.1. Сущность и преимущества. Как и любой другой искусственный или естественный каменный материал, бетон сопротивляется разрыву примерно в 15...20 раз слабее, чем сжатию. Кроме того, он является хрупким материалом.

Средняя относительная предельная растяжимость бетона e_btu = (Dl _tu / l)100% =0,015 % (0,15 мм на 1 м) примерно в 13 раз меньше средней относительной предельной сжимаемости e_bu = (Dl _pu / l)100 % = 0,2% (2 мм на 1 м). Именно хрупкость не позволяет во многих случаях использовать прочность бетона при растяжении, даже когда напряжения, вызываемые внешними силами, невелики. Это объясняется тем, что из-за колебаний температуры, неравномерного высыхания, случайных динамических воздействий трещины в бетоне могут возникнутьеще в период строительства. Поэтому из бетона выполняют конструкции, воспринимающие сжимающие усилия: стены, массивные фундаменты, колонны, подпорные стенки и другие сооружения. Бетонные конструкции применяют иногда при работе на изгиб при малых растягивающих напряжениях, не превышающих предела прочности бетона при осевом растяжении.

Центрально растянутые, внецентренно сжатые или растянутые и изгибаемые элементы, несущая способность которых обусловлена прочностью (сопротивляемостью) материала на разрыв (растяжение), выполняли обычно из дефицитной стали или недолговечной древесины.

Исследования показали, что разрушение бетонных балок происходит от разрыва нижних (наиболее растянутых) волокон (рис. 13, а). При этом несущая способность сжатой зоны балки используется не более чем на 5...7 %. Если усилить растянутую зону балки так, чтобы она могла воспринимать необходимые растягивающие усилия, то соответственно будет возрастать несущая способность всей балки, вплоть до полного исчерпания прочности ее сжатой зоны.

Наиболее подходящим материалом, позволяющим в широких пределах повышать сопротивляемость растянутых зон бетонных балок, оказалась стальная арматура (рис. 13, б), одинаково хорошо сопротивляющаяся растяжению и сжатию. Относительное удлинение стали при разрыве в сотни раз превышает предельное относительное удлинение бетона. Сталь — прочный упругопластический материал.

При достаточном армировании железобетонная балка разрушится при полном исчерпании несущей способности сжатой зоны, следовательно, прочность ее по сравнению с бетонной (неармированной) балкой в зависимости от класса бетона можетвозрасти примернов 15...20 раз.

Железобетоном называют комплексный строительный материал, в котором бетон и стальная арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой как единое монолитное тело.При этом имеется в виду, что бетон в основном предназначается для восприятия сжимающих усилий, а стальная арматура — преимущественно растягивающих. При таком распределении функций между бетоном и стальной арматурой железобетон, в основном (98%) каменный материал, способен воспринимать растягивающие усилия вплоть до полного использования несущей способности сжатой зоны изгибаемых, внецентренно сжатых или растянутых элементов. Железобетон можно рассматриватькак комплексный армированный материал, обладающий анизотропией (т. е. зависимостью механических и деформативных свойств от направления действия внешних нагрузок), обусловленной армированием и нелинейностью деформирования связанной с трещинообразованием, пластическими свойствами бетона и стали.

Под железобетонными конструкциями без предварительного напряжения понимают конструкции, в которых арматура уложена без предварительного натяжения. Основными преимуществами железобетонных конструкций являются высокая прочность, долговечность, огнестойкость, стойкость против атмосферных явлений, малые эксплуатационные расходы на содержание зданий и сооружений, гигиеничность, экономичность ввиду повсеместной распространенности сырьевых материалов.

4.2. Недостатки. Основные недостатки железобетонных конструкций без предварительного напряжения (без напрягаемой арматуры) несложно проследить на примере работы под нагрузкой простой балки (см. рис. 13, б). За счет сцепления с арматурой бетон растянутой зоны балки работает на растяжение под воздействием внешней нагрузки вместе с арматурой. Предельная растяжимость бетонаe _btu = 0,00015 в сотни раз ниже предельной растяжимости стальной арматуры, поэтому при совместном растяжении со сталью цельность бетона сохраняется только в начальный период эксплуатации.

Учитывая, что до появления трещин деформации бетона e_btu растянутой зоны балки на уровне арматуры и арматуры e_s в любой точке их соприкосновения равны между собой, получим

e _btu =e _s = s _bt / (v _t * E _b) (1)

Напряжение в арматуре, по закону Гука,

s_s = e _s E _s = s _bt * E _s / v _t * E _b = a * s _bt / v _t, (2)

где a = E_s / E_b — коэффициент приведения арматуры к бетону, показывает, что каждую единицу площади сечения арматуры можно условно приравнять а единицам площади бетона и привести материал арматуры к материалу бетона, т. е. получить однородное (приведенное) бетонное сечение; v _t = 0.5 — коэффициент упругих деформаций бетона при растяжении.

С возрастанием внешней нагрузки напряжения в бетоне растянутой зоны сечения возрастают до предела прочности на растяжение R _{bt, ser} и бетон этой зоны начинает трескаться; деформация бетона в момент трещинообразования

e _crc = R _{bt, ser}

что соответствует, например, для наиболее массовой арматуры из стали класса А-III и бетона класса В-30 22,5 МПа. Учитывая развитие деформаций ползучести бетона, снижающие во времени расчетный модуль деформации, действительные напряжения в арматуре в период образования трещин могут достигать 30 МПа и более. Однако их значение всегда остается небольшим по сравнению с расчетной прочностью стальной арматуры. Значит, к моменту образования трещин в растянутой зоне балки (выход растянутого бетона из работы) арматура слабо помогает работе растянутой зоны; вследствие этого в ней образуются и раскрываются многочисленные трещины на ранних стадиях работы балки, что весьма нежелательно, так как в трещины может попадать влага и вызывать опасную коррозию арматуры. Нагрузка в момент образования трещин обычно составляет 15...25% разрушающей.

С увеличением внешней нагрузки начинается активный процесс развития по высоте сечения и раскрытия ранее образованных трещин по длине балки. Вследствие этого быстро уменьшается высота сжатой зоны, что резко (до 5 раз) снижает приведенный момент инерции сечения, а следовательно, и жесткость балки. Это, в свою очередь, способствует резкому возрастанию прогиба балки, находящегося в обратной зависимости от приведенного момента инерции.

Многолетний опыт эксплуатации железобетонных конструкций без предварительного напряжения в наиболее благоприятных условиях показал, что при раскрытии трещин более 0,4 мм возможно проникновение паров воздуха в трещины, вызывающих коррозию арматуры. Поэтому нормы запрещают дальнейшую эксплуатацию железобетонных конструкций как только ширина раскрытия трещин в них превысит 0,4 мм. Экспериментальные исследования показывают, что в момент максимально допустимой ширины раскрытия трещин и величины прогиба, напряжения в гладкой арматуре не превышают 250...300 МПа. При переходе на арматуру периодического профиля, сцепление которой с бетоном в 2...3 раза выше по сравнению с гладкой арматурой, увеличивается число трещин, уменьшается ширина их раскрытия (< 0,4 мм), а напряжения в арматуре возрастают до 590 МПа. Вот почему в обычных железобетонных конструкциях невозможно рационально использовать арматуру с пределом текучести более 590 МПа, что соответствует пределу текучести арматуры классов А-IV и А-IVС. Поэтому нормы запрещают применять для армирования железобетонных конструкций без предварительного напряжения арматуру выше класса А-IV.

Из-за низкой прочности применяемой арматуры, малой трещиностойкости и жесткости оказывается невыгодным применение в железобетонных конструкциях без предварительного напряжения современных бетонов повышенной и высокой прочности. Поэтому масса таких конструкций оказывается высокой, что ограничивает величину перекрываемых ими пролетов по сравнению с деревянными и особенно с металлическими конструкциями. Известно, что усилия от собственного веса балки возрастают пропорционально квадрату пролета,следовательно, с ростом пролета вес железобетонной балки возрастает значительно быстрее, чем ее пролет. С ростом веса балки уменьшается полезная нагрузка, которую она способна выдержать. При величине пролета более 12 м железобетонная балка без предварительного напряжения начинает в основном «нести себя», т. е. она становится по экономическим соображениям нецелесообразной из-за большого собственного веса.

• Практика эксплуатации таких конструкций показывает, что при ударных, вибрационных и особенно знакопеременных нагрузках происходит опасное раскрытие трещин, что снижает их несущую способность по выносливости. Следовательно, основными недостатками железобетонных конструкций без предварительного напряжения являются: 1) раннее образование трещин в растянутых зонах элементов вследствие слабого включения в работу арматуры в этот момент и быстрое их раскрытие до предельно допустимой величины; 2) быстрый рост прогибов элементов до предельной величины после образования трещин в их растянутых зонах; 3) невозможность использования для армирования высокоэффективных сталей повышенной и высокой прочности, позволяющих в несколько раз сократить расход стали в строительстве из-за быстрого раскрытия грещин и быстрого роста прогибов; 4) чрезмерная массивность из-за большого собственного веса; 5) недостаточная выносливость.

Инженерная мысль во всех странах в течение длительного периода упорно стремилась преодолеть названные недостатки железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Работа шла в разных направлениях и выполнялась различными путями, но полноценные результаты были получены только с внедрением в практику предварительного напряжения бетона посредством обжатия его предварительно напряжен-ной арматурой повышенной и особенно высокой прочности. Этот новый принцип армирования явился крупнейшим завоеванием техники, шагом вперед по пути развития железобетона. С его помощью удалось успешно преодолеть основные недостатки железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Предварительное напряжение арматуры дает возможность использовать железобетонные конструкции там, где они ранее считались неприменимыми.

Сооружения с размерами пролетов, которые еще совсем недавно считалось целесообразным перекрывать только металлом, в настоящее время решаются в виде легких железобетонных преднапряженных конструкций, что обусловлено их высокой трещиностойкостью. жесткостью и относительной легкостью Решающим фактором широкого внедрения во все отрасли строительства преднапряженных железобетонных конструкций являются их высокие технико-экономические показатели.

Эти конструкции таят богатейшие возможности для принятия самых смелых архитектурных решений.