Сущность железобетона.

Бетон и сталь имеют различные физико-механические свойства. Бетон является искусственным камнем и он, как и все естественные камни, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению. Прочность бетона на растяжение в 10¸15 раз ниже, чем при сжатии. Сталь имеет существенно большую прочность и одинаково хорошо сопротивляется как сжатию, так и растяжению.

Сущность железобетона состоит в том, что он представляет рациональное сочетание этих двух материалов – бетона и стали, которые работают совместно до разрушения.

Железобетон – это комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стальной арматуры, деформирующихся совместно вплоть до разрушения конструкции.

На примере бетонной балки рассмотрим, как используется прочность бетона в изгибаемом элементе (рис. 1.1а). При изгибе балки выше нейтрального слоя возникают сжимающие напряжения, а нижняя зона растянута. Максимальные напряжения в сечениях будут в крайних верхних и нижних волокнах сечения. Как только при загружении балки напряжения в растянутой зоне достигнут предела прочности бетона при растяжении R_bt, произойдет разрыв крайнего волокна, т.е. появится первая трещина. За этим последует хрупкое разрушение, т.е. излом балки. Напряжения в сжатой зоне бетона s_b в момент разрушения составят всего 1/10 ¸ 1/15 часть от предела прочности бетона при сжатии R_b, т.е., прочность бетона в сжатой зоне будет использована на 10% и меньше.

На примере железобетонной балки с арматурой рассмотрим, как здесь используется прочность бетона и арматуры (рис. 1.1б). Первые трещины в растянутой зоне бетона появятся практически при той же нагрузке, что и в бетонной балке. Но, в отличие от бетонной балки, появление трещины не приводит к разрушению железобетонной балки. После появления трещин растягивающее усилие в сечении с трещиной будет восприниматься арматурой, и балка будет способна воспринимать возрастающую нагрузку. Разрушение железобетонной балки произойдет только тогда, когда напряжения в арматуре достигнут предела текучести, а напряжения в сжатой зоне – предела прочности бетона при сжатии. При этом, вначале, когда в арматуре достигается предел текучести s_тек, балка начинает интенсивно прогибаться за счет развития в арматуре пластических деформаций. Этот процесс продолжается до тех пор, пока раздавится бетон сжатой зоны при достижении в нем предела прочности при сжатии R_b. Так как уровень напряжений в бетоне и арматуре в этом состоянии гораздо выше, чем величина R_bt, то это означает, что оно должно быть вызвано большей нагрузкой N>>F (рис. 1.1б).

а)
б)
Рис. 1.1. Сопоставление поведения под нагрузкой бетонной (а) и железобетонной (б) балок: F - предельная нагрузка (несущая способность), которую воспримет бетонная балка; N - то же, для железобетонной балки.

Вывод – целесообразность железобетона состоит в том, что растягивающие усилия воспринимает арматура, а сжимающие – бетон. Следовательно, основное назначение арматуры в железобетоне состоит в том, что именно она должна воспринимать растяжение ввиду незначительной прочности бетона растяжению. Путем армирования несущая способность изгибаемого элемента, по сравнению с бетонным, может повыситься более чем в 20 раз.

Конструкции армируют не только при работе их на растяжение и изгиб, но и при кручении, срезе, внецентренном и осевом сжатии. В этих случаях рабочую арматуру ставят для уменьшения размеров сечений элементов и снижения собственного веса конструкций, а также для обеспечения большей их надежности.

Основные физико-механические факторы, обеспечивающие совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетоне:

1) значительное сцепление между поверхностью стальной арматуры и бетоном при твердении. Под нагрузкой оба этих материала деформируются совместно;

2) близкие значения коэффициентов линейного расширения бетона (a_b = 1×10^-5 ¸ 1,5×10^-5 град°С^-1) и стали (a_st = 1,2×10^-5 град°С^-1), что исключает нарушение сцепления между ними при перепадах температуры в пределах +50° ¸ -70°С, так как они деформируются на одинаковую величину;

3) защищенность стали, заключенной в плотный бетон, от коррозии и непосредственного действия огня. Первое их этих обстоятельств обеспечивает долговечность железобетона, а второе – огнестойкость его при возникновении пожара. Толщина защитного слоя бетона и назначается именно из условий обеспечения необходимой долговечности и огнестойкости железобетона.

Достоинства железобетона:

- долговечность – при правильной эксплуатации железобетонные конструкции могут служить неопределенно долгое время без снижения несущей способности;

- хорошая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам, а также атмосферным воздействиям; весьма высокая сейсмостойкость;

- огнестойкость (практика показывает, что защитный слой в 1,5¸2 см достаточен для обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций при пожарах; в целях еще большего увеличения огне-, а также жаростойкости применяют специальные заполнители – базальт, диабаз, шамот, доменные шлаки и др., и увеличивают толщину защитного слоя до 3¸4 см);

- низкие эксплуатационные расходы по содержанию сооружений и уходу за конструкциями;

- относительная дешевизна (возможность использовать дешевые местные материалы – песок, щебень, гравий, составляющие до 70¸80% массы железобетона) и хорошие эксплуатационные качества (железобетону могут быть приданы любые целесообразные конструктивные и архитектурные формы).

Недостатки железобетона:

- относительно большой собственный вес (этот недостаток в некоторой степени устраняется при использовании легких заполнителей, а также при применении прогрессивных пустотных и тонкостенных конструкций, т.е., за счет выбора рациональной формы сечений и очертания конструкций);

- сравнительно высокая тепло- и звукопроводность, требующая в некоторых случаях устройства специальной изоляции;

- возможность появления трещин до приложения эксплуатационной нагрузки (от усадки и собственных напряжений в бетоне по технологическим причинам, а также от действия внешних нагрузок из-за низкого сопротивления бетона растяжению);

- трудности усиления существующих железобетонных конструкций при реконструкции зданий, когда увеличиваются нагрузки на них.