Железобетон в конструкциях

Железобетон — это композитный материал, в котором взаимно дополняются положительные свойства бетона и стали: высокая прочность бетона при сжатии и высокое сопротивление стальной арматуры растяжению и сжатию (табл. 2.12). Арматуру ставят в растянутую зону бетона (так как бетон плохо работает на растяжение), а также усиливают при необходимости и сжатую зону бетона. Низкую трещиностойкость железобетона повышают путем натяжения арматуры в растянутых зонах. Для обеспечения хорошей работы железобетона необходимо обеспечить надежную совместную работу арматуры и бетона, что обеспечивается надежным сцеплением арматуры с бетоном, примерным равенством коэффициентов температурного линейного удлинения (укорочения), способностью плотного бетона надежно защищать арматуру от коррозии и огня при нормируемой толщине защитного слоя и нормируемом раскрытии трещин.

Для этого арматура должна быть надежно закреплена в бетоне (должна быть обеспечена надежная анкеровка арматуры в бетоне). Анкеровка ненапрягаемой арматуры обеспечивается тремя факторами: зацеплением выступов на арматуре периодического профиля за бетон (75% от всех усилий анкеровки), трением бетона по арматуре ввиду усадки бетона и обжатия им арматуры, склеиванием цементного теста с арматурой. Используют также загибы, приварку поперечной арматуры и анкеров. Учитывают неравномерно распределение напряжений сцепления вдоль стержня. Согласно СП анкеровка арматуры осуществляется одним из следующих способов или их сочетанием: в виде прямого окончания стержня (прямая анкеровка); с загибом на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли; с приваркой или установкой поперечных стержней; с применением анкерных устройств на конце стержня (рис. 2.7). Прямая анкеровка и анкеровка с лапками допустимы только для арматуры периодического профиля. Для растянутых гладких стержней применяют крюки, петли, приваренные поперечные стержни, и др. Лапки, крюки и петли не рекомендуются для анкеровки сжатой арматуры, за исключением гладкой арматуры, которая может быть растянута при некоторых сочетаниях нагрузки.

При расчете длины анкеровки арматуры учитывают способ анкеровки, класс арматуры и ее профиль, диаметр арматуры, прочность бетона и его напряженное состояние в зоне анкеровки, конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.). Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления Rs на бетон, находят по формуле

где As и us соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня; Rbond расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки Rbond = n1n2Rbt; n1 — коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый = 1,5 для гладкой арматуры; = 2 для холоднодеформированной арматуры периодического профиля; = 2,5 для горячекатаной и термомеханически обработанной арматуры периодического профиля; n2 — коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным 1,0 при диаметре арматуры d < 32 мм; 0,9 при диаметре арматуры 36 и 40 мм; Rbt — расчетное сопротивление бетона осевому растяжению.

Расчетную длину анкеровки ненапрягаемой арматуры определяют по формуле

где l0,an — базовая длина анкеровки, определяемая по формуле (2.13);

As,cal, As,ef — площади поперечного сечения арматуры (требуемая по расчету и фактически установленная); а — коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки. При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами или гладкой арматуры с крюками или петлями без анкерующих устройств для растянутых стержней принимают а = 1,0, а для сжатых а = 0,75.

Можно уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств (приварка поперечной арматуры, загиб концов стержней периодического профиля) и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30%. В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3*l0,am, , а также не менее 157 и 200 мм. Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры N, определяют по формуле

где lan — длина анкеровки при As,cal /As,ef = 1; ls — расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения. При устройстве на концах стержней анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.д. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие. При проектировании привариваемых деталей учитывают характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.

Для соединения ненапрягаемой арматуры применяют стыки внахлестку без сварки: с прямыми концами стержней периодического профиля; с прямыми концами стержней с приваркой или установкой на длине нахлестки поперечных стержней; с загибами на концах (крюки, лапки, петли); при этом для гладких стержней применяют только крюки и петли; сварные и механические стыковые соединения: со сваркой арматуры с применением специальных механических устройств (стыки с спрессованными муфтами, резьбовыми муфтами и др.) (рис. 2.8).

Стыки арматуры внахлестку (без сварки) применяют при стыковании стержней с диаметром рабочей арматуры не более 40 мм. Так как при стыках внахлестку без сварки затрачивается большое количество арматуры, наибольшее распространение в строительстве получили экономичные сварные стыки. В контактных стыках отношение d1/d > 0,85 при d1 > 10 мм. Для ванной сварки принимают d > 20 мм. Для сварки сеток и каркасов применяют контактную точечную сварку.

Сварные соединения арматуры запрещены для классов сталей, подверженных «отпуску» при нагреве. Сетки соединяют внахлестку при диаметре арматуры не более 36 мм. Стыки сеток и каркасов выполняют вразбежку, чтобы в одном месте стыковать не более 50% площади растянутой арматуры периодического профиля. В линейных элементах (балках и пр.) стыкование рабочей арматуры внахлестку в растянутой зоне не допускается. На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q < 0,5Rbtbh0 должна составлять не менее 5ds. Стыки растянутой или сжатой арматуры должны иметь длину перепуска (нахлестки) не менее значения длины ll, определяемого по формуле

где l0,an — базовая длина анкеровки; а — коэффициент, учитывающий влияние напряженного состояния арматуры, конструктивного решения элемента в зоне соединения стержней, количество стыкуемой арматуры в одном сечении по отношению к общему количеству арматуры в этом сечении, расстояния между стыкуемыми стержнями.

При соединении арматуры периодического профиля с прямыми концами, и гладких стержней с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств, коэффициент а для растянутой арматуры принимают равным 1,2, а для сжатой арматуры — 0,9. При этом должны быть соблюдены условия: относительное количество стыкуемой в одном расчетном сечении элемента рабочей растянутой арматуры периодического профиля должно быть не более 50 %, гладкой арматуры (с крюками или петлями) не более 25%; усилие, воспринимаемое всей поперечной арматурой, поставленной в пределах стыка, должно быть не менее половины усилия, воспринимаемого стыкуемой в одном расчетном сечении элемента растянутой рабочей арматурой; расстояние между стыкуемыми рабочими стержнями арматуры не должно превышать Ads, расстояние между соседними стыками внахлестку по ширине железобетонного элемента должно быть не менее 2ds и не менее 30 мм. В качестве одного расчетного сечения элемента при определении относительного количества стыкуемой арматуры в одном сечении, принимают участок элемента вдоль стыкуемой арматуры длиной 1,3ll. Стыки арматуры располагают в одном расчетном сечении, если центры этих стыков находятся в пределах длины этого участка. Можно увеличивать относительное количество стыкуемой в одном расчетном сечении элемента рабочей растянутой арматуры до 100%, принимая значение коэффициента а = 2,0. При относительном количестве стыкуемой в одном расчетном сечении арматуры периодического профиля более 50 % и гладкой арматуры более 25 % значения коэффициента а определяют по линейной интерполяции. При дополнительных анкерующих устройствах на концах стыкуемых стержней (например, приваренная поперечная арматура, загибы концов стыкуемых стержней периодического профиля, и др.) длина перепуска стыкуемых стержней может быть уменьшена не более чем на 30%. Фактическая длина перепуска должна быть не менее 0,4*аl0,an, не менее 20d и не менее 250 мм.

При соединении арматуры с помощью сварки выбор типов сварных соединений и способов сварки производят с учетом условий эксплуатации конструкции, свариваемости стали и требований по технологии изготовления в соответствии с действующими нормами. При использовании для стыков арматуры механических устройств в виде муфт (муфты на резьбе, опрессованные муфты и т.д.) несущая способность муфтового соединения при растяжении или сжатии должна быть такой же, что и стыкуемых стержней. Концы стыкуемых стержней заводят в муфту на требуемую длину, определяемую расчетом или опытным путем. При использовании муфт на резьбе должна быть обеспечена требуемая затяжка муфт для ликвидации люфта в резьбе. При применении загибов концов стержней минимальный диаметр загиба отдельного стержня должен быть таким, чтобы избежать разрушения или раскалывания бетона внутри загиба арматурного стержня и его разрушения в месте загиба.

Предварительное напряжение арматуры и вызываемое им обжатие бетона существенно повышает жесткость и трещиностойкость элементов. Предварительное обжатие создает в бетоне сжимающие напряжения, возникающие при отпуске натяжных устройств арматуры. Величина обжатия ограничивается для снижения деформаций ползучести бетона и вызванных ими потерь предварительного напряжения в арматуре, а также недопущения образования продольных трещин в бетоне. В то же время оно должно быть достаточно высоким, чтобы ограничить появление или ширину раскрытия трещин от эксплуатационных нагрузок, и прогибы. Оптимальное предварительное обжатие бетона не должно вызывать структурные разрушения конструкции в момент обжатия, не должно снижать ее долговечности, обеспечивая нужную трещиностойкость и жесткость. Для этого нормы ограничивают верхний предел предварительного обжатия бетона, но при этом необходим расчет конструкций на прочность в момент отпуска натяжных устройств. При этом расчете усилия обжатия бетона принимают за внешнюю нагрузку. Это позволяет менять значения предварительного обжатия бетона в зависимости от размеров поперечного сечения элемента, трещиностойкости, жесткости, ширины раскрытия трещин и др. Передаточную прочность бетона Rbp (прочность бетона к моменту его обжатия, контролируемую аналогично классу бетона по прочности на сжатие) назначают не менее 15 МПа и не менее 50% принятого класса бетона по прочности на сжатие. Наибольшее натяжение арматуры используют в кольцевой арматуре напорных труб. Меньшее натяжение назначают для конструкций с развитой растянутой зоной — например, плоских и многопустотных плит перекрытий. Обжатие бетона может осуществляться вдоль одной оси, двух ортогональных или трех осей. Самым простым и широко применяемым способом является одноосное обжатие в направлении продольной оси элемента. Его используют для изгибаемых или внецентренно сжатых элементов с большим эксцентриситетом, напрягая продольную рабочую арматуру. При двухосном обжатии арматуру напрягают в направлении двух осей элемента, в которых действуют растягивающие усилия (в плитах, опертых по контуру или по углам, и т.д.). При трехосном обжатии арматуру напрягают в направлении трех взаимно перпендикулярных осей элемента (колонны со спиральной и продольной напрягаемой арматурой, и пр.). Трехосное обжатие резко улучшает прочностные и де-формативные характеристики конструкции.

Отдельные виды напрягаемой арматуры надежно самоанкеруются в бетоне за счет своего периодического профиля, поэтому специальной анкеровки напрягаемой арматуры в виде канатов, стержневой арматуры периодического профиля с натяжением на упоры, высокопрочной проволоки периодического профиля, не требуется. Для снижения трудоемкости ненапрягаемую и напрягаемую арматуру применяют в виде арматурных изделий — сеток, плоских и пространственных каркасов (ненапрягаемая арматура), пакетов, канатов и пучков (напрягаемая арматура). Высокопрочную арматурную проволоку используют в виде пакетов, пучков и свиваемых из проволоки канатов. При развитой боковой поверхности канатов диаметром до 33 мм они надежно крепятся в бетоне, и им не нужны анкеры на концах, как для пучков. При увеличении диаметра проволок прочность каната снижается. Для анкеровки напрягаемой арматуры на непродолжительное время при изготовлении конструкций, или для постоянной анкеровки, применяют различные способы (рис. 2.9).

Для временной анкеровки используют зажимы напрягаемой арматуры в виде высаженных головок, приваренных наконечников и коротышей, обжатых шайб, приваренных колец, гаек. Постоянную анкеровку проволочной и канатной напрягаемой арматуры выполняют с кольцами, пучки анкеруют с помощью колодок с коническими пробками, или с помощью клиньев; пробки и клинья зажимают проволоку при действии больших усилий, передаваемых на них специальным домкратами после натяжения (см. рис. 2.9). В момент отпуска натяжных устройств арматура вызывает в бетоне местные концентрические растягивающие напряжения. Для их восприятия у торцов конструкций устраивают поперечную арматуру в виде спиралей (из арматурной проволоки класса В500 диаметром 3...4 мм с шагом 25...30 мм и внутренним диаметром витков, превышающим диаметр арматурного элемента на 30 мм), сеток из арматуры диаметром не менее 5 мм и не менее 0,25 диаметра напрягаемой арматуры (4 шт с шагом до 50—100 мм, при длине участка установки сеток не менее 200 мм, и не менее 10dss для профилированной и 20ds для гладкой арматуры); под анкерами выполняют торцевые стальные листы для передачи сосредоточенных реакций на большую площадь бетона.

Длина анкеровки напрягаемой арматуры, необходимая для передачи усилия в арматуре с полным расчетным сопротивлением Rs на бетон, без дополнительных анкерующих устройств

где Rbond — сопротивление сцепления напрягаемой арматуры с бетоном, отвечающее передаточной прочности бетона и принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки; Rbt — расчетное сопротивление бетона осевому растяжению; As, us — площадь и периметр стержня арматуры. n — коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимается 1,7 для холоднодеформированной арматуры периодического профиля класса Bp1500 диаметром 3 мм и арматурных канатов класса К1500 диаметром 6 мм; 1,8 — для холоднодеформированной арматуры класса Bp диаметром > 4 мм; 2,2 — для арматурных канатов класса К диаметром > 9 мм; 2,5 для горячекатаной и термомеханически обработанной арматуры класса А.

Расчетную длину анкеровки определяют по формуле

но не менее 200 мм и 15ds, а для канатов не менее 300 мм

где l0,an — базовая длина анкеровки; As,cal, As,ef — расчетная и фактическая площадь поперечного сечения арматуры.

Стыкование отдельных стержней напрягаемой арматуры выполняют с применением натяжных гаек, натяжных муфт, втулок с нарезными пробками; стык стержней стягивают путем навинчивания гаек или муфт (рис. 2.10). Экономичным способом стыкования канатов является применение опрессованных муфт. Канаты соединяют также рамками с зажимами, опрессованными гильзами или внахлестку с обмоткой вязальной проволокой.

Сборный, монолитный, и сборно-монолитный железобетон используют в многоэтажных и малоэтажных зданиях различного назначения — гражданских, жилых, производственных, которые по конструктивной схеме делят на каркасные, бескаркасные, со смешанным каркасом, или на рамные, связевые, и рамно-связевые. В рамных (каркасных) зданиях пространственная жесткость и устойчивость здания обеспечивается каркасом, состоящим из соединенных между собой колонн, ригелей и плит перекрытий; в бескаркасном (связевом) — железобетонными вертикальными стенами (диафрагмами), соединенными с перекрытиями и заделанными в фундамент; в рамно-связевом — соединенными между собой рамами и вертикальными диафрагмами (рис. 2.11).

Расстояние между внутренними стенами и колоннами в зданиях стремятся сделать большим, чтобы в дальнейшем использовать свободную планировку, и не зависеть от близко расположенных несущих стен или колонн. Однако, предельные пролеты изгибаемых плит перекрытий при их гладкой нижней поверхности ограничены; так же ограничены предельные пролеты ригелей (балок) и ребристых плит, имеющих большую высоту сечения. Поэтому расстояния, как между колоннами каркаса, так и между внутренними несущими стенами, существенно ограничены. Рамно-связевая конструкция позволяет получать большие свободные площади, так как колонны рам имеют небольшое поперечное сечение и занимают небольшую площадь.

Железобетон в конструкциях зданий применяют чаще всего в несущих конструкциях — колоннах, ригелях, плитах перекрытий, стенах, фундаментах (рис. 2.12). Массовыми элементами железобетонных зданий являются плиты перекрытий, ригели, колонны, стены, различные фундаменты. Эти железобетонные конструкции работают преимущественно на изгиб (часто — с действием усилий распора), и внецентренное сжатие. По массовости применения конструкций из железобетона на первом месте находятся изгибаемые плиты и балки перекрытий (они занимают наибольший объем железобетона), изгибаемые фундаменты, сжатые стены и колонны, большепролетные пространственные покрытия (работающие на сжатие, растяжение, изгиб) и инженерные конструкции. Элементы, работающие на растяжение и кручение, занимают очень малый объем железобетона.

Основными типами перекрытий являются балочные (ребристые) и безбалочные (плоские, когда требуется гладкий потолок). Балочные перекрытия состоят из балок, по которым сверху уложены плиты. В безбалочных перекрытиях плоские гладкие плиты опираются на капители (уширенные верхние части) колонн (возможно опирание и без капителей при расчетном обосновании). Здания с ребристыми перекрытиями применяют в случаях, когда к потолку помещений не предъявляют повышенные эстетические требования, и ребра перекрытий могут быть видны на потолке (например, в зданиях производственного назначения). В то же время такие монолитные перекрытия при выполнении ребер криволинейными в плане (в направлении главных моментов) могут быть вполне приемлемыми с точки зрения эстетики (некоторое природоподобие делает их похожими на листья, рис. 2.12).

Таковы же часторебристые кессонные перекрытия. В зданиях используют железобетонные колонны разнообразных поперечных сечений, от прямоугольных до кольцевых (см. рис. 2.12), и ригели прямоугольного и таврового сечения с полкой в растянутой зоне для снижения строительной высоты перекрытий. В зданиях применяют сборные, монолитные и сборно-монолитные плиты перекрытий. Все они позволяют получить плоское перекрытие, однако, известны редко применяемые и более экономичные пространственные плиты перекрытий — например, шатровые. Экономичным поперечным сечением плит перекрытий является тавровое с полкой в сжатой зоне; но при этом ребра видны на потолке. Для получения гладкого потолка используют многопустотные или плоские плиты (последние — одни из самых неэкономичных). Пустоты в плитах перекрытий делают круглой или овальной формы. Сами плиты, как правило, выполняют с натяжением арматуры, повышая их жесткость и трещиностойкость, и снижая расход стали (рис. 2.13). Многопустотные плиты перекрытий стали изготовлять на специальных стендах непрерывного формования с использованием резательной технологии (плиты режут по длине на изделия необходимого пролета после формования). С использованием резательной технологии изготовляют и плоские плиты после формования их на опалубке большой площади.

Железобетонные фундаменты являются особо ответственными конструктивными элементами, потому что они, во-первых, должны обеспечивать надежное опирание, при отсутствии недопустимых осадок и кренов, всего здания или сооружения; во-вторых, они должны обладать необходимой прочностью и трещиностойкостью при больших (по сравнению с надфундаментными конструкциями) нагрузках; в-третьих, они недоступны для наблюдения за их состоянием в период эксплуатации. По конструкции различают типы железобетонных фундаментов: ленточные (под стены или из перекрестных лент под сетку колонн), отдельно стоящие, или столбчатые (под каждую колонну), сплошные плитные (под всем зданием или сооружением независимо от вида опирающихся конструкций) (рис. 2.14).

Фундаменты практически всегда проектируют индивидуально для каждого здания, так как грунтовые условия под зданиями чаще всего существенно отличаются друг от друга. Фундаменты служат для передачи нагрузок от вышележащих частей здания на грунтовое основание при обеспечении допустимых деформаций основания. Они распределяют большие сосредоточенные (от колонн) или линейные (от стен) нагрузки на грунтовое основание.

Под всеми этими фундаментами могут быть выполнены сваи, и тогда фундаменты становятся свайными ростверками.