Условия совместной работы бетона и арматуры

Обновлено: 01.05.2024

Основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в конструкции и позволяющим работать железобетону как единому монолитному телу является надежное сцепление арматуры с бетоном.

Совместная работа бетона и арматуры в железобетонной конструкции становится возможной благодаря выполнению следующих условий:

– бетон и арматура имеют достаточно близкие значения коэффициента температурного расширения;

– силы сцепления, возникающие по границе контакта между бетоном и арматурой обеспечивают выполнение условия равенства деформаций арматуры и бетона ec = es при действии усилий от нагрузок.

Совместная работа арматуры и бетона обусловлена, кроме того, правильным определением необходимого количества арматуры, размещаемой в конструкции. Это означает, что должны соблюдается требования по размещению арматурных стержней в сечении элемента и выдержан минимальный коэффициент армирования сечения, определяемый отношением площади арматуры (As) к площади бетона (Ас)

Силы сцепления, приходящиеся на единицу поверхности арматуры, обусловливают напряжения сцепления арматуры с бетоном по длине элемента. Количественно сцепление оценивают величиной соответствующих напряжений сдвига.

Можно выделить следующие факторы, влияющие на величину напряжений сцепления арматурной стали и бетона:

– трение арматуры о бетон, появляющееся в результате контракционной усадки бетона .;

– структурные и искусственно созданные неровности (шероховатость) на поверхности арматурного стержня, вызывающие механическое зацепление;

– адгезия (склеивание) или взаимное притяжение между частицами на стыке двух контактирующих материалов;

– химические взаимодействия между сталью и бетоном.

Как показывают экспериментальные исследования, распределение напряжений сцепления по длине стержня не является равномерным. Это положение имеет важное значение при определении длины анкеровки арматурного стержня в конструкции.

9.Физико механические свойства бетона.

Бетон должен обладать достаточно высокой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой и плотностью, которой обеспечивается сохранность арматуры от коррозии и долговечность конструкции. Иногда дополнительно требуется обеспечить: водонепроницаемость, водостойкость, морозостойкость, повышенную огнестойкость и коррозийную стойкость, малую массу, низкую тепло- и звукопроводность.

Для предварительно напряженных конструкций применяют бетон повышенной прочности и плотности, ограниченной усадки и ползучести.

Физико-механические свойства бетона зависят от состава смеси, вида вяжущих и заполнителей, водовяжущего отношения, способов приготовления, укладки и обработки бетонной смеси, условий твердения (естественное твердение, пропаривание, автоклавная обработка), возраста бетона и др. Все это следует учитывать при выборе материалов для бетона, назначения его состава и способов приготовления.

Бетон для сооружений, работающих в особых условиях, должен отвечать соответствующим специфическим требованиям.

Так, для гидротехнических сооружений (гидротехнический бетон), кроме достаточной прочности, бетон должен обладать повышенными водонепроницаемостью, водостойкостью, морозостойкостью, а для массивных частей сооружений — малым тепловыделением при твердении (низкой экзотермичностью).

Обычный бетон при длительном воздейстшии высоких температур разрушается вследствие обезвоживания цементного камня, его сильной усадки и снижения прочности, различия температурных деформаций цементного камня и заполнителей и других причин. В связи с этим обычный бетон на цементном вяжущем допускается для применения в конструкциях, подвергающихся длительному воздействию температуры не свыше 50°С.

Структура бетона содержит начальные дефекты и повреждения, определяющие его поведение под нагрузкой, а также при различных физических и химических воздействиях. При действии кратковременной сжимающей нагрузки зависимость, связывающую напряжения и деформации бетона (диаграмма деформирования) можно условно разделить на четыре характерных участка, соответствующих определенным стадиям процесса микротрещинообразования структуры.

Начальный участок зависимости можно считать линейными. На этой стадии наблюдается незначительное увеличение числа контактных микротрещин на границе частиц заполнителя и матрицы.

На второй стадии микротрещинообразования наблюдается интенсивное увеличение длины, ширины раскрытия и числа контактных микротрещин, что приводит к появлению нелинейного участка на графике зависимости «напряжения–деформации». Эта стадия характеризуется незначительным количеством микротрещин в матрице. Вместе с тем на второй стадии начинают появляться комбинированные микротрещины, объединяющие, главным образом, контактные микротрещины вокруг зерен заполнителя.

В третьей стадии увеличивается число и суммарная длина комбинированных трещин, возрастает их ширина раскрытия. Начинают формироваться ярко выраженные микротрещины в матрице.

Участок IV обусловлен интенсивным развитием глобальных или магистральных трещин, приводящих к физическому разрушению материала.

Для эксплуатации конструкций при более высоких температурах следует применять жаростойкие Лотопы, приготовленные на жаростойких заполнителях с малым коэффициентом температурного расширения (шамот, металлургические шлаки, хромит и др.) и глиноземистом цементе или на портландцементе с тонкомолотыми добавками (шамот, кварц, вулканические и др.), или же на жидком стекле с кремнефтори-стым натрием и тонкомолотой добавкой. Такие бетоны способны выдержать длительное действие температуры до 1200°С.

Бетон для конструкций, подвергающихся действию агрессивной среды, должен обладать достаточной коррозийной стойкостью. В таких условиях эксплуатации находятся, например, конструкции зданий и сооружений химической и пищевой промышленности, водопроводноканализационные и др.

Основными условиями, обеспечивающими надежную совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетонных конструкциях, являются:
1) сцепление арматуры с бетоном по площади их контакта, исключающее продергивание (сдвиг) арматуры в бетоне;
2) примерное равенство коэффициентов температурного удлинения (укорочения) бетона аЬ = 0, 000007…0, 00001 град-1 и стальной арматуры ast = 0, 000012 град-1.
Материалы с разными коэффициентами линейных температурных деформаций независимо от надежного сцепления между ними работают в усложненных условиях, так как при перепадах температуры возникают собственные натяжения, снижающие сцепление между материалами; небольшая разница коэффициентов линейных температурных деформаций бетона и стали исключает появление собственных напряжений в них и надежное сцепление арматуры с бетоном сохраняется при изменениях температуры до 100 С;
3) способность бетона при соответствующей его плотности, достаточной толщине защитного слоя, кратковременном раскрытии трещин не более 0, 4 мм и содержании цемента более 250 кг/м3 надежно предохранять арматуру от коррозии и непосредственного действия огня.

Защитное действие бетона на стальную арматуру основано на способности щелочной среды поддерживать химически пассивное состояние стали неопределенно длительное время. Основным фактором, определяющим надежные защитные свойства бетона, является непроницаемость его для газов и для агрессивных ионов в водных растворах.

Чтобы арматура работала в железобетонных конструкциях с заданным расчетным сопротивлением, необходимо ее завести (анкеровать) за рассматриваемое сечение элемента на длину зоны передачи напряжений с арматуры на бетон, обусловленную сцеплением арматуры с бетоном или заанкерить с помощью специальных устройств. Арматуру, концы которой надежно самоанкеруются в бетоне за счет сил сцепления, называют арматурой без анкеров в пределах длины зоны анкеровки. Арматуру, концы которой анкеруют в бетоне посредством специальных устройств, называют арматурой с анкерами на концах.

К арматуре без анкеров относят всю стержневую, проволочную профилированную арматуру и канаты однократной свивки при натяжении на упоры и достаточной передаточной прочности бетона. К арматуре с анкерами на концах относят любую арматуру, натягиваемую на бетон, а также арматуру, натягиваемую на упоры, при недостаточном ее сцеплении с бетоном (гладкая высокопрочная проволока, многопрядные канаты). В отдельных случаях применяют арматурные элементы из высокопрочной проволоки без сцепления их с бетоном (наружное размещение арматуры). Конструкции с такой арматурой по сравнению с аналогичными конструкциями, в которых имеется надежное сцепление арматуры с бетоном, требуют увеличения расхода стали. По своей сущности они являются шпренгельными конструкциями.

– бетон и арматура имеют достаточно близкие значения коэффициента температурного расширения;

Можно выделить следующие факторы, влияющие на величину напряжений сцепления арматурной стали и бетона:

– трение арматуры о бетон, появляющееся в результате контракционной усадки бетона .;

– адгезия (склеивание) или взаимное притяжение между частицами на стыке двух контактирующих материалов;

– химические взаимодействия между сталью и бетоном.

Железобетон: понятие железобетона, его преимущества и недостатки, области применения. Совместная работа бетона с арматурой. Способы изготовления железобетонных конструкций (сборные, монолитные, сборно-монолитные). Основы технологии монолитного бетонирования и заводской технологии сборного железобетона. Бетонирование железобетонных конструкций в экстремальных условиях.

Железобето́н — строительный композиционный материал, состоящий из бетона и стали. [1] Запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений.

Преимущества и недостатки.

К положительным качествам железобетонных конструкций относятся:

невысокая цена — железобетонные конструкции значительно дешевле стальных;

пожаростойкость — в сравнении со сталью;

технологичность — несложно при бетонировании получать любую форму конструкции;

химическая и биологическая стойкость;

высокая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам.

К недостаткамжелезобетонных конструкций относятся:

невысокая прочность при большой массе — прочность бетона при сжатии в среднем в 10 раз меньше прочности стали. В больших конструкциях железобетон «несёт» больше своей массы, чем полезной нагрузки.

Выделяют сборный железобетон (ж/б конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется непосредственно на строительной площадке), а также сборно-монолитный (сборные конструкции используются как оставляемая опалубка - сочетаются преимущества монолитных и сборных конструкций).

Совместная работа бетона с арматурой

Для того чтобы железобетонная конструкция сопротивлялась действию нагрузок, должна быть обеспечена совместная работа стали и бетона. Совместная работа этих двух материалов достигается надежным сцеплением стали и бетона, которое происходит во время твердения бетонной смеси. При недостаточном сцеплении стальные стержни арматуры будут скользить в бетоне, нарушится совместная работа арматуры и бетона и конструкция разрушится.

Чтобы улучшить сцепление арматуры с бетоном, на поверхности стальных стержней во время их проката наносят выступы (сталь периодического профиля). Выступы можно также наносить путем сплющивания гладких стальных стержней в двух взаимно перпендикулярных направлениях на специальных станках.
Для увеличения сцепления с бетоном гладких арматурных стержней на их концах устраивают крюки. Сварные арматурные сетки и каркасы обладают повышенным сцеплением с бетоном, так как ни один стержень не может сдвинуться в бетоне без того, чтобы не разрушить несколько сварных узлов.
Грязь и ржавчина ухудшают сцепление арматуры с бетоном, поэтому арматуру перед употреблением необходимо очищать от грязи и отслаивающейся ржавчины.
Для защиты арматуры от ржавления, а также для хорошего сцепления вокруг каждого арматурного стержня необходимо обеспечить слой бетона достаточной толщины. Слой бетона, расположенный между арматурой и поверхностью конструкции, называется защитным, он предохраняет арматуру не только от ржавления, но и от воздействия огня в случае пожара. Однако-это относится лишь к достаточно плотным бетонам, через которые воздух не проникает к поверхности арматуры.
Уменьшение защитного слоя ведет к потере огнестойкости конструкции и ржавлению арматуры. Излишняя толщина защитного слоя за счет смещения арматуры снижает прочность струкции. В конструкциях, подвергающихся повышенной влажности, воздействию паров щелочей или кислот, дымовых и других газов, защитный слой должен быть увеличен.
Сталь и бетон имеют примерно один и тот же коэффициент температурного расширения, они одинаково удлиняются при нагревании и укорачиваются при охлаждении. Поэтому при изменении температуры сцепление бетона с арматурой не нарушается.

Одно из основных свойств железобетона — это сцепление арматуры с бетоном, которое обеспечивается связью арматуры с цементным камнем, трением, возникающим от давления при усадке бетона, зацеплением за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры.

При выдергивании стержня из бетона (рис. ниже) касательные напряжения сцепления т_bd распределяются вдоль стержня неравномерно. Максимальное значение т_{bd max} возникает на некотором расстоянии от начала заделки стержня и не зависит от длины заделки стержня в бетон l_аn.

К совместной работе бетона и арматуры

Для оценки сцепления используют средние (условные) напряжения на длине анкеровки

Для обычных бетонов и гладкой арматуры т_{bd m} = 2,5-4 МПа, а для арматуры периодического профиля т_{bd m} = 7 МПа.

Напряжения сцепления арматуры с бетоном, а также напряжения в арматуре распределяются по длине заделки неравномерно. Наибольшие напряжения т_{b max} действуют вблизи начала заделки и не зависят от ее длины l_аn. Выражая продольное усилие через напряжение в арматуре (N = σ_sπd 2 /4), получим

Из формулы видно, что с увеличением диаметра стержня и напряжения в нем (прочности арматуры) длина заделки возрастает. Ее можно уменьшить, если повысить прочность бетона (т_bm) или применить арматуру периодического профиля. Опыты показывают, что длина заделки, при которой обеспечивается сцепление, для гладкой арматуры составляет (30—40)d, периодического профиля (15- 20)d. При этом в случае продавливания сцепление стержня больше, чем при выдергивании, что связано с сопротивлением бетона поперечному расширению сжатого стержня. Поэтому длина заделки растянутых стержней принимается больше, чем сжатых, а их диаметр для лучшего сцепления с бетоном следует ограничивать.

В железобетонных конструкциях анкеровка арматуры осуществляется запуском ее за рассматриваемое сечение на длину, обусловленную достаточным сцеплением с бетоном.

Длину зоны анкеровки l_an для ненапрягаемой арматуры периодического профиля определяют по формуле

но не менее l_an = λ_and, где значения ω_an, λ_an а также допускаемые минимальные величины l_an принимаются по таблице ниже.

Коэффициенты для определения анкеровки

Условия работы арматуры

растянутой в растянутом бетоне

растянутой или сжатой в сжатом бетоне

Стыки арматуры внахлестку:

в растянутом бетоне

в сжатом бетоне

В формуле выше введены обозначения:

Δλ_an — коэффициент запаса;

ω_an — коэффициент условий работы.

Гладкие арматурные стержни класса А240 в вязаных каркасах должны оканчиваться на концах анкерами в виде крюков (рис. ниже). В сварных сетках и каркасах анкерами гладких стержней служат крайние поперечные стержни, что позволяет не устраивать крюков (рис. ниже). Арматурные стержни периодического профиля не требуют на концах крюков или анкерующих поперечных стержней.

Анкеровка ненапрягаемой арматуры

а — круглых гладких стержней в вязаных каркасах; б — специальными анкерами на концах стержней; в — отгибание стержня; г — на крайних свободных опорах; 1 — пластина; 2 — высаженная головка; 3 — шайба; 4 — уголок; 5— сварка; 6 — дополнительные хомуты, препятствующие разгибанию стержня

Если невозможно разместить в элементе длину анкеровки, определенную по формуле выше, то на концах стержней устраивают специальные анкеры в виде пластин, гаек, уголков, высаженных головок и т. п. (рис. выше) или отгибают анкеруемый стержень на 90° (рис. выше).

Размеры анкеров определяют из условия прочности бетона на смятие. Так, площадь контакта анкера с бетоном должна быть не менее N_an/2,5R_b, где N_an — усилие в анкеруемом стержне. При применении специальных анкеров длину заделки стержней можно уменьшить до 10d.

На крайних свободных опорах изгибаемых элементов продольные растянутые стержни заводят для анкеровки за внутреннюю грань опоры на длину l_an > 5d, если наклонные трещины не образуются, или на l_ап > 10d, если трещины образуются (рис. выше).

Предварительно напрягаемая арматура в зависимости от способа натяжения анкеруется в бетоне либо за счет сил сцепления, либо с помощью специальных анкеров, расположенных в теле бетона или на торце конструкции.

При натяжении на упоры (до бетонирования) высокопрочной рифленой проволоки, канатов однократной свивки, стержней периодического профиля анкеровка арматуры обеспечивается ее сцеплением с бетоном, и установка анкеров у концов элемента не требуется (рис. ниже). Длина анкеровки арматуры в этом случае принимается равней длине зоны передачи напряжений с арматуры на бетон и определяется по формуле

где ω_p и λ_р определяют по таблице ниже; R_bp- передаточная прочность бетона, т. е. его кубиковая прочность к моменту обжатия; σ_sp —принимается равной большему из значений R_s и σ_sp с учетом первых потерь.

Анкеровка напрягаемой арматуры

При недостаточном сцеплении с бетоном арматуры, натягиваемой на упоры (гладкая проволока класса В-ll), устраивают внутренние анкеры, располагаемые у конца элемента, например, в виде колец с коротышами (рис. выше).

Значения ω_р и λ_р

Вид и класс арматуры

Стержневая периодического профиля независимо от класса

Высокопрочная проволока периодического профиля

Для анкеровки арматуры, натягиваемой на бетон (после бетонирования), а также для захвата, натяжения и закрепления на упорах арматуры, натягиваемой до бетонирования, применяют специальные анкеры.

Типы анкеров весьма разнообразны и зависят от вида арматуры и арматурных изделий. Для стержневой арматуры применяют анкеры в виде высаженных головок, приваренных коротышей (рис. выше) или шайб, гаек, навинчиваемых на нарезанный конец стержня (рис. выше), и т. п.

Проволочные арматурные изделия (пакеты, канаты, пучки), натягиваемые на бетон, закрепляют на торце конструкции с помощью гильзового анкера, анкера с колодкой и пробкой, стаканного типа и другими анкерными устройствами. Пакеты из высокопрочных проволок (УНАЭ), натягиваемые до бетонирования, анкеруют на упорах с помощью стальных колодок с отверстиями, в которых закрепляют проволоки с высаженными головками. Для закрепления однорядных пучков применяют анкеры, состоящие из круглой колодки и конической пробки (рис. ниже). Мощные арматурные пучки, состоящие из нескольких концентрических рядов проволок или нескольких канатов, закрепляют на конструкции анкерами стаканного типа (рис. ниже).

Если невозможно разместить в элементе длину анкеровки, то на концах стержней устанавливаются анкеры в виде пластин, гаек, уголков, высаженных головок и т.п.

Анкеровка напрягаемой арматуры в бетоне допускается без специальных анкерных устройств на концах. Анкеровка такой арматуры в бетоне происходит в результате сил сцепления. Анкеровка напрягаемой арматуры при натяжении на бетон или упоры в условиях недостаточного сцепления с бетоном достигается применением анкерных устройств (цанговых захватов, металлических стаканов, конусных колодок, коротышей, шайб и гаек), высадкой головок, гильзовых анкеров, петлевых и других захватов.

Анкер с колодкой и конической пробкой

1 — колодка; 2 — коническая пробка; 3 — отверстие в пробке для инъекции раствора; 4 — местное усиление конца элемента сетками; 5 — каналообразоватсль; 6 — спираль; 7 — скрутка; 8 — пучок; 9 — патрубок; 10 — стальная плита

Анкер стаканного типа

1 — стальной стакан; 2— крюки на концах проволок; 3 — вставная шайба; 4 — вилкообразные шайбы; 5 — вязальная проволока; 6 — обжимное кольцо; 7 — конический сердечник; 8 — заполнение стакана (бетоном, свинцом)

Сваривание термически упрочненной арматуры и выскопрочной проволоки, а также приваривание к ним закладных деталей запрещается, в связи с тем, что при этом происходит процесс отпуска и утрачивается процесс упрочнения данной арматуры.

К арматурным изделиям из напрягаемой стальной арматуры относятся унифицированные пакеты, канаты и пучки, выполняемые из высокопрочной проволоки. Свивка проволочной арматуры в канаты значительно увеличивает ее сцепление с бетоном. Благодаря этому канаты диаметром до 33 мм надежно самоанкеруются в бетоне за счет сцепления с бетоном. Этим они выгодно отличаются от пучков.

Читайте также: