Технико – экономическая оценка железобетонных конструкций

Предварительно напряжённый  железобетон является главным материалом междуэтажных перекрытий высотных зданий и бетонных камер ядерных реакторов, а также колонн и стен зданий повышенной сейсмо- и взрывоопасности.

Придавленная, как прессом, весом высокого аттика стена Колизея  в Риме является свидетельством того, что еще архитекторы в древнем  Риме понимали преимущества преднапряжения каменных конструкций, предназначенных  для работы в условиях возможных  землетрясений.

5.1Преднапряженная  своим весом стена Колизея  в Риме

5.2.Мост в ботаническом  саду Гренобля, 1855, самый первый  бетонный мост в Мире, Франция

7. Свойства железобетона определяются:
• физико-техническими свойствами используемого специалистами бетонно-растворного узла при производстве железобетона бетонного раствора;
• свойствами используемой стальной арматуры (обычно для производства железобетона используют рифленую арматуру, а также сварные сетки и каркасы из такой арматуры);
• количеством используемой арматуры и способом ее размещения в железобетонной конструкции.

Критерии, классификации  бетона это:

• Средняя плотность (D)
• Прочность (B, Bt, Btb)
• Морозостойкость (F)
• Водонепроницаемость (W)

Средняя плотность  железобетона

Средняя плотность тяжелого железобетона при укладке бетонной смеси с вибрированием равна 2500 кг/M3, при укладке бетонной смеси  без вибрирования — 2400 кг/M3. При значительном содержании арматуры (свыше 3%) плотность  железобетона определяют как сумму  масс бетона и арматуры в 1 M3 объема конструкции. Средняя плотность  легкого железобетона определяется так же, как сумма масс бетона и арматуры в 1 M3 объема конструкции.

Сам бетон принято разделять  по плотности на 4 типа: особо лёгкий, лёгкий, тяжёлый и особо тяжёлый. Плотность тяжёлого класса бетона может  достигать 2,5 тонн на м3. На основе тяжёлого бетона изготавливают такие ЖБИ, как плиты перекрытий, элементы оград, детали колодцев и столбы освещения. По средней плотности (D) бетон определяется фактическим показателем массы  бетона в сухом состоянии к  объёму (кг/м3).

8. Ползучесть железобетона

Ползучесть железобетона является следствием ползучести бетона. Стальная арматура, как и при усадке, становится внутренней связью, препятствующей свободным деформациям ползучести. В железобетонном элементе под нагрузкой  стесненная ползучесть приводит к перераспределению  усилий между арматурой и бетоном. Процесс перераспределения усилий интенсивно протекает в течение  первых нескольких месяцев, а затем  в течение длительного времени (более года) постепенно затухает. Продольные деформации арматуры и бетона центральнo-сжатой железобетонной призмы благодаря сцеплению  материалов одинаковы

Релаксация напряжений в  бетоне железобетонной призмы наблюдается  и при постоянных напряжениях  в арматуре. Напряжения в бетоне с течением времени уменьшаются, так как коэффициент с течением времени уменьшается.

На работу коротких сжатых железобетонных элементов ползучесть бетона оказывает положительное  влияние, обеспечивая полное использование  прочности бетона и арматуры; в  гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов, что может снижать их несущую  способность; в изгибаемых элементах  ползучесть вызывает увеличение прогибов; в предварительно напряженных конструкциях ползучесть приводит к потере предварительного напряжения. Ползучесть и усадка железобетона протекают одновременно и совместно  влияют на работу конструкции.

9. Усадка железобетона

В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления  с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Согласно опытным данным, усадка и набухание железобетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и набухание бетона. Стесненная деформация усадки бетона приводит к появлению  в железобетонном элементе начальных, внутренне уравновешенных напряжений растягивающих в бетоне и сжимающих  в арматуре. Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного  элемента и стесненной усадки армированного  элемента возникают средние растягивающие  напряжения в бетоне.

При усадке железобетона растягивающие  напряжения в бетоне зависят от свободной  усадки бетона, коэффициента армирования , класса бетона. С увеличением содержания арматуры в бетоне растягивающие  напряжения увеличиваются, и, если они  достигают временного сопротивления  при растяжении, возникают усадочные  трещины. Растягивающие напряжения в бетоне при стесненной усадке элемента, армированного односторонней несимметричной арматурой, возрастает вследствие внецентренного приложения к сечению усилия в арматуре.

Начальные растягивающие  напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние  усадки уменьшается. В стадии разрушения усадка не влияет на несущую способность  статически определимого железобетонного  элемента. В статически неопределимых  железобетонных конструкциях (арках, рамах  и т. п.) лишние связи препятствуют усадке железобетона и поэтому усадка вызывает появление дополнительных внутренних усилий. Влияние усадки эквивалентно понижению температуры  на определенное число градусов. Для  того чтобы уменьшить дополнительные усилия от усадки, железобетонные конструкции  промышленных и гражданских зданий большой протяженности делят  усадочными швами на блоки.

10. Воздействие температуры на железобетон

Под воздействием температуры  в железобетоне возникают внутренние взаимно уравновешенные напряжения, вызванные некоторым различием  в значениях коэффициента линейной температурной деформации цементного камня, зерен заполнителей и стальной арматуры. При воздействии на конструкцию  температуры до 50°С внутренние напряжения невелики и практически не приводят к снижению прочности бетона. В  условиях систематического воздействия  технологических температур (порядка 60—200°С) необходимо учитывать некоторое  снижение механической прочности бетона (примерно на 30 %) При длительном нагреве  до 500—600 °С и последующем охлаждении бетон разрушается.

Основными причинами разрушения бетона при воздействии высоких  технологических температур являются значительные внутренние растягивающие  напряжения, возникающие вследствие разности температурных деформаций цементного камня и зерен заполнителей, а также вследствие увеличения в объеме свободной извести, которая выделяется при дегидратации минералов цемента и гасится влагой воздуха.

Для конструкций, испытывающих длительное воздействие высоких  технологических температур, применяют  специальный жаростойкий бетон. Прочность сцепления арматуры периодического профиля с бетоном снижается  при температуре до 500°С на 30%. Однако прочность сцепления гладкой  арматуры с бетоном начинает резко  снижаться уже при 250 °С.

В статически неопределимых  железобетонных конструкциях под воздействием сезонных изменений температур возникают  дополнительные усилия, которые при  большой протяженности конструкции  становятся весьма значительными. Чтобы  уменьшить дополнительные усилия от изменения температуры, здания большой  протяженности делят на отдельные  блоки температурными швами, которые  обычно совмещают с усадочными швами.

11. Коррозия железобетона и меры защиты от нее

Коррозионная стойкость  элементов железобетонных конструкций  зависит от плотности бетона и  степени агрессивности среды. Коррозия бетона, имеющего недостаточную плотность, может происходить от воздействия  фильтрующейся воды, которая растворяет составляющую часть цементного камня  — гидрат окиси кальция. Наибольшей растворяющей способностью обладает мягкая вода. Внешним признаком такой  коррозии бетона являются белые хлопья на его поверхности. Другой вид коррозии бетона возникает под влиянием газовой  или жидкой агрессивной среды: кислых газов в сочетании с повышенной влажностью, растворов кислот, сернокислых  солей и др. При взаимодействии кислоты с гидратом окиси кальция  цементного камня бетон разрушается. Продукты химического взаимодействия агрессивной ере ды и бетона, кристаллизуясь, постепенно заполняют поры и каналы бетона. Рост кристаллов приводит к разрыву стенок пор, каналов и быстрому разрушению бетона. Наиболее вредны для бетона соли ряда кислот, особенно серной кислоты; они образуют в цементе сульфат кальция и алюминия. Сульфатоалюминат кальция, растворяясь, вытекает и образует белые подтеки на поверхности бетона. Весьма агрессивны грунтовые воды, содержащие сернокислотный кальций, а также воды с магнезиальными и аммиачными солями.

Морская вода при систематическом  воздействии оказывает вредное  влияние на бетон, поскольку содержит сульфатомагнезит, хлористую магнезию и другие вредные соли.

Коррозия арматуры (ржавление) происходит в результате химического  и электролитического воздействия  окружающей среды; обычно она протекает  одновременно с коррозией бетона, но может протекать и независимо от коррозии бетона. Товар коррозии арматуры имеет в несколько раз  больший объем, чем арматурная сталь, и создает значительное радиальное давление на окружающий слой. При этом вдоль арматурных стержней возникают  трещины и отколы бетона с частичным  обнажением арматуры.

Мерами защиты от коррозии железобетонных конструкций, находящихся  в условиях агрессивной среды, в  зависимости от степени агрессии являются: снижение фильтрующей способности  бетона введением специальных добавок, повышение плотности бетона, увеличение толщины защитного слоя бетона, а  также применение лакокрасочных  или мастичных покрытий, оклеечной  изоляции, замена портландцемента глиноземистым  цементом, применение специального кислотостойкого  бетона.

12. Три категории требований к трещиностойкости железобетонных конструкций

Трещиностойкостью железобетонной конструкции называют ее сопротивление  образованию трещин в стадии I напряженно-деформированного состояния или сопротивление  раскрытию трещин в стадии II напряженно-деформированного состояния.

К трещиностойкости железобетонной конструкции или ее частей предъявляются  при расчете различные требования в зависимости от вида применяемой  арматуры. Эти требования относятся  к нормальным и наклонным к  продольной оси элемента трещинам и  подразделяются на три категории:

• первая категория — не допускается образование трещин;
• вторая категория — допускается ограниченное по ширине непродолжительное раскрытие трещин при условии их последующего надежного закрытия (зажатия);
• третья категория — допускается ограниченное по ширине непродолжительное и продолжительное раскрытие трещин.

Непродолжительным считается  раскрытие трещин при действии постоянных, длительных и кратковременных нагрузок; продолжительным считается раскрытие  трещин при действии только постоянных и длительных нагрузок. Предельная ширина раскрытия трещин (dcrci — непродолжительная  и аСга продолжительная), при которой  обеспечиваются нормальная эксплуатация зданий, коррозионная стойкость арматуры и долговечность конструкции, в  зависимости от категории требований по трещиностойкости не должна превышать 0,05— 0,4 мм.

Предварительно напряженные  элементы, находящиеся под давлением  жидкости или газов (резервуары, напорные трубы и т.п.), при полностью  растянутом сечении со стержневой или  проволочной арматурой, а также  при частично сжатом сечении с  проволочной арматурой диаметром 3 мм и менее должны отвечать требованиям  первой категории. Другие предварительно напряженные элементы в зависимости  от условий рабйты конструкции и  вида арматуры должны отвечать требованиям  второй или третьей категории.

Порядок учета нагрузок при  расчете по трещиностойкости зависит  от категории требований по трещиностойкости: при требованиях первой категории  расчет ведут по расчетным нагрузкам  с коэффициентом надежности по нагрузке (как при расчете на прочность); при требованиях второй и третьей  категорий расчет ведут на действие нагрузок с коэффициентом. Расчет по образованию трещин для выяснения  необходимости проверки по кратковременному раскрытию трещин при требованиях  второй категории выполняют на действие расчетных нагрузок с коэффициентом; расчет по образованию трещин для  выяснения необходимости проверки по раскрытию трещин при требованиях  третьей категории выполняют  иа действие нагрузок с коэффициентом. В расчете по трещиностойкости учитывают  совместное действие всех нагрузок, кроме  особых. Особые нагрузки учитывают  в расчете по образованию трещин в тех случаях, когда трещины  приводят к катастрофическому положению. Расчет по закрытию трещин при требованиях  второй категории производят на действие постоянных и длительных нагрузок с  коэффициентом. На концевых участках предварительно напряженных элементов в пределах длины зоны передачи напряжений с  арматуры на бетон 1Р не допускается  образование трещин при совместном действии всех нагрузок (кроме особых), вводимых в расчет с коэффициентом. Это требование вызвано тем, что  преждевременное образование трещин в бетоне на концевых участках элементов  может привести к выдергиванию арматуры из бетона под нагрузкой и внезапному разрушению. Трещины, если они возникают при изготовлении, транспортировании и монтаже в зоне, которая, впоследствии под нагрузкой будет сжатой, приводят к снижению усилий образования трещин в растянутой при эксплуатации зоне, увеличению ширины их раскрытия и увеличению прогибов. Влияние этих трещин учитывается в расчетах конструкций. Для элементов, работающих в условиях действия многократно повторных нагрузок и рассчитываемых на выносливость, образование таких трещин не допускается.