3.8. АРМИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

3.8. АРМИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Бетон имеет существенный недостаток, присущий всем каменным материалам искусственного и естественного происхождения: он хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Прочность бетона на растяжение составляет всего 7…10% его прочности на сжатие. Чтобы повысить прочность бетона на растяжение и изгиб, в него укладывают стальную проволоку или стержни, называемые арматурой. Арматура с латинского означает "вооружение". Бетон, вооруженный арматурой, способен на многое.

Немного истории

Цемент изобрели в 1824 — 1825 гг. практически одновременно, независимо друг от друга Егор Челиев в России и Джозеф Аспдин в Англии. Производство цемента и использование бетона быстро совершенствовалось и развивалось, но оставался существенный недостаток — плохое сопротивление бетона растяжению.

Открытие железобетона принадлежит парижскому садовнику Иосифу Монье, который решил вместо деревянных кадок для цветов сделать бетонные. Для прочности он уложил в бетон проволоку. Получились очень долговечные изделия. Так появился железобетон (патент от 1867 г.), в котором бетон и сталь дополняли друг друга. Металл предотвращал появление трещин при растяжении, а бетон защищал сталь от коррозии. Попытки создать железобетон предпринимались и раньше (1845 — В. Уилкинсон, Англия; 1849 — Г. Е. Паукер, Россия). Первые железобетонные конструкции появились в 1885 г.

Железобетон — это не два разнородных материала (бетон и сталь), а новый материал, в котором сталь и бетон работают совместно, помогая друг другу. Это объясняется следующими причинами.

Прочность сцепления арматуры с бетоном достаточно велика. Так, чтобы выдернуть из бетона пруток диаметром 12 мм, введенный на глубину 300 мм, потребуется сила не менее 400 кг. Сцепление стали с бетоном не нарушается и при сильных перепадах температур, так как коэффициенты их теплового расширения почти одинаковы.

Модуль упругости стали почти в 10 раз выше, чем бетона. То есть при совместной работе бетона со сталью напряжения стали в 10 раз выше, чем бетона, что ведет к перераспределению нагрузок, действующих в растянутой зоне балок. Основную нагрузку в растянутой зоне балки несет сталь, а в сжатой — бетон.

Бетон, благодаря своей плотности и водонепроницаемости, с одной стороны, и щелочной реакции цементного камня, с другой, защищает сталь от коррозии (пассивирование).

Кроме того, бетон, как сравнительно плохой проводник тепла, защищает сталь от сильного нагревания при пожарах. При температуре поверхности бетона в 1000°С арматура, находящаяся на глубине 50 мм, через 2 часа нагреется лишь до 500 °С.

При работе железобетонной конструкции на изгиб на предельных значениях нагрузки в растянутой зоне бетона могут возникнуть трещины толщиной менее 0,1…0,2 мм (так называемые волосяные трещины), которые не опасны с точки зрения сцепления арматуры с бетоном и коррозии металла.

Для того чтобы арматура быстрее включалась в работу бетона, её выпускают с рельефной поверхностью, снабжая насечками различной конфигурации. Железобетонная конструкция будет работать лучше, если основные силовые прутки арматурного каркаса будут соединены в единую сварную конструкцию с поперечными связями.

Цель армирования можно пояснить на железобетонных изделиях, работающих на изгиб, которые достаточно широко применяются в строительной практике. Балки над проемами окон и дверей, железобетонные панели и плиты перекрытия, балки и ригеля мостов и цеховых построек можно отнести к этой категории строительных изделий.

Немного "сопромата"

"Сопромат" — сопротивление материалов — наука о прочности конструкций. Любая конструкция, на которую действуют силы, испытывает внутренние напряжения, соответствующие величине и направлению действия этих сил. Задача проектировщиков — создать такую конструкцию, в которой уровень внутренних напряжений не будет выше тех, которые способны выдержать используемые материалы, а деформации конструкции не превысят допустимую величину.

Если взять бетонную балку, загруженную какими?либо силами, например, распределенной нагрузкой (q) (рис. 114, а), то в ней одновременно действуют напряжения двух видов: нормальные (?) и сдвиговые (?). Следует заметить, что величина этих напряжений меняется не только по длине балки, но и по высоте её поперечного сечения.

По длине балки, в каждом её поперечном сечении, напряженное состояние от воздействия внешних нагрузок может быть приравнено к одновременному действию двух нагружений — изгибающего момента (М изг) и перерезывающей силы (Q), величина которых в каждом сечении балки рассчитывается по определенным формулам "сопромата".

Наибольшая величина изгибающего момента будет в середине балки. К концам она будет уменьшаться до нуля. Графическое изображение такого изменения называется эпюрой изгибающих моментов М изг (рис. 114, в).

Эпюра перерезывающих сил Q (рис. 114, г) показывает, что наибольшая их величина приходится как раз на опоры, на которые опирается балка.

Рис. 114. Балка под нагрузкой "Р" и напряжения в ней: А — неармированная балка; Б — армированная балка; В — эпюра изгибающих моментов; Г — эпюра перерезывающих сил; 1 — бетонная балка; 2 — арматура; 3 — трещина от изгиба балки; 4 — трещина от перерезывающей силы; 5 — напряжения сжатия; 6 — напряжения растяжения

Что же происходит с такой балкой?

От действия изгибающего момента в ней возникают нормальные напряжения (сжатие–растяжение), которые по высоте сечения меняются от наибольшего сжатия вверху до наибольшего растяжения внизу. В нейтральной средней зоне поперечного сечения нормальные напряжения — нулевые. Наибольшие напряжения от изгибающего момента будут в середине пролета. Если бетон "не вооружен" арматурой, то внизу, в зоне действия растягивающих напряжений, могут возникнуть трещины (рис. 114, а).

В зоне действия максимальных перерезывающих сил возникают наибольшие касательные напряжения. Обращаем внимание любителей "сопромата" на то, что касательные напряжения создают в теле балки напряженное состояние, которое характеризуется одновременным действием нормальных напряжений сжатия и растяжения, ориентированных к горизонтали под углом в 45°. Растягивающая составляющая напряжений в зоне опор может спровоцировать появление наклонных трещин (рис. 114, а).

Армирование балки стальными прутками, усиливающими бетонный массив в зоне наибольших растягивающих напряжений в середине пролета и около опор, позволяет создать жесткую и прочную железобетонную конструкцию (рис. 114, б).

Внимание!

Растягивающие напряжения в балках около опор могут быть причиной возникновения наклонных трещин только при относительно большом расстоянии между опорами и малой толщине балки (плиты перекрытий, длинные надоконные перемычки, балки или ригеля мостов и т. п.). Поэтому при армировании лент фундамента или стен дома наклонные отгибы арматуры в зоне опор можно не выполнять.

Где лучше располагать арматуру

Наибольшая эффективность арматуры при изгибающих нагрузках создается при её расположении в зоне максимальных деформаций от растягивающих напряжений, как можно ближе к краю. Но бетон должен защищать арматуру от коррозии, да и обжатие арматуры бетоном должно быть полноценным со всех сторон. Поэтому арматуру располагают в массиве бетона не ближе 3..5 см от поверхности железобетонного изделия, притом чем плотнее бетон, тем меньше может быть это расстояние.

Напряженный бетон

Использование прутков повышенной прочности в качестве арматуры полностью не реализует их потенциальные возможности. При полном их нагружении растяжением в массиве бетона возникают относительно широкие трещины, снижающие коррозийностойкость арматуры. Для повышения эффективности ее работы процесс бетонирования и созревания бетона происходит при натянутой арматуре. Таким образом создается напряженный бетон, находящийся в сжатом состоянии и при отсутствии нагрузок.

Применение метода предварительного натяжения позволяет повысить эффективность работы арматуры и всей железобетонной конструкции. В толще бетона натянутая арматура создает напряжения сжатия, которые после сложения с напряжениями изгиба, действующими на конструкцию, образуют относительно небольшую составляющую напряжений растяжения (рис. 115, а).

Рис. 115. Примеры напряженного бетона: А — балка; Б — Останкинская телебашня; 1 — бетонное основание телебашни; 2 — трос натяжения; 3 — напряжение от веса; 4 — напряжение от натяжения троса; 5 — напряжения от изгиба; 6 — суммарное напряжение в поперечном сечении; 7 — бетон; 8 — форма; 9 — арматура в растянутом состоянии; 10 — железобетонная балка под нагрузкой

Это интересно

Останкинская телебашня в Москве построена в начале 70–х годов прошлого века. Тонкой иглой башня пронизывает московское небо, поражая воображение. Невольно задаешься вопросом: как такая тонкая конструкция выдерживает ветровую нагрузку? Основная часть телебашни выполнена в виде трубы переменного сечения, отлитой из высокопрочного железобетона. Внутри трубы натянуты мощные троса, нагружающие массив бетона сжатием и исключающие появление растягивающих напряжений в бетоне при изгибе башни от ветровых нагрузок (рис. 115, б). За натяжением тросов специалисты ведут тщательное наблюдение.

В предварительно напряженных железобетонных конструкциях более полно используются прочность стали и бетона, поэтому уменьшается масса изделий. Кроме того, предварительное обжатие бетона, препятствуя образованию трещин, повышает его долговечность. Железнодорожные шпалы, сделанные по такой технологии, обладают весьма высоким ресурсом при эксплуатации в самых суровых климатических условиях.

Арматура

Прутки арматуры и сварные арматурные сетки используются в производстве железобетонных изделий на заводах ЖБИ и при бетонировании, выполняемом непосредственно на строительной площадке (устройство фундамента, армирование стен, создание бетонных перекрытий и надоконных перемычек, бетонирование дорог и устройство отмостки…).

В зависимости от механических свойств и технологии изготовления арматура делится на классы и обозначается следующими буквами:

А — стержневая арматура;

В — проволока;

К — канаты.

Для обеспечения максимальной экономии целесообразно применять арматуру с наиболее высокими механическими свойствами.

Индустриализация арматурных работ успешно решается за счет широкого применения сварных сеток, плоских и объемных сварных каркасов.

Металлургическая промышленность выпускает прутки арматуры диаметром от 5,5 до 40 мм. Следует учитывать, что применение арматуры большого диаметра (больше 12 мм) в условиях индивидуального строительства нельзя считать оправданным. Большие поперечные сечения арматуры используются при больших пролетах балок, которые встречаются лишь в индустриальном строительстве. Подобное ограничение связано с тем, что арматура в процессе работы бетонной конструкции загружается растягивающими напряжениями. Арматура больших сечений при небольших габаритах строений не успевает загрузиться в полной мере, из?за чего полноценной совместной работы бетона и арматуры не происходит. Оптимальный диаметр прутков в условиях индивидуального строительства — 6…12 мм (армирование фундамента и стен, создание сейсмопояса).

Планируя выполнить стык прутков арматуры, индивидуальные застройщики не всегда хотят связываться с проведением сварочных работ. Простой перехлест арматуры на длине больше 60 диаметров прутков — достаточное условие для их соединения. Например, при диаметре прутков 12 мм, перехлест прутков должен быть не менее 72 см. Если законцовки прутков загнуть, то длину перехлеста можно уменьшить в два–три раза.

Достаточно часто застройщики применяют для армирования бетонных конструкций тот металл, который у них есть, или тот, который им предлагают знакомые.

Да, металл сейчас дорогой и такой подход к подбору арматуры вполне понятен. Но в этом есть некоторые ограничения.

Что нельзя применять для армирования:

— алюминиевые прутки (низкий модуль упругости и отсутствие сцепления с бетоном);

— листовую полосовую сталь (провоцирует появление трещин в плоскости листового материала при относительно малой площади поперечного сечения, слабое сцепление металла с бетоном по плоскости);

— полосы листового материала с просечками — отходы штамповочного производства (совсем малое реальное поперечное сечение арматуры);

— сетка–рабица (обладая свойствами пружины, никак не может выполнять армирующую роль);

— трубы, оставшиеся после демонтажа газопроводов, систем водоснабжения или центрального отопления (в полости труб может скапливаться вода, которая при замерзании разрушит трубу и бетон);

— массивные профиля в виде уголков, швеллеров, двутавров или рельсов (большая площадь сечения и относительно слабое сцепление бетона с плоскими участками металла затрудняют включение металла в работу, мешают созданию единой структуры железобетона);

— прутки арматуры длиной меньше 1 м (не успевают включиться в работу). Если арматура покрыта краской, жировыми или масляными пленками — все это необходимо снять, чтобы обеспечить хорошее сцепление металла с бетоном.

В последнее время в качестве арматуры в железобетонных конструкциях стали использовать изделия из стеклопластика и пластика с базальтовыми волокнами.

Арматурная сетка из стеклянных волокон, пропитанная битумом, используется для армирования асфальтобетонных покрытий и дорог, аэродромных покрытий, а также при проведении дорожных ремонтно–восстановительных работ. Выпускается по ТУ 2296-041-00204949-95. В технологии ТИСЭ применяется для армирования стен.

Лента выпускается в рулонах (75-80м) шириной 1 м. Ячейка — 25x25 мм. Разрывная прочность — 4 тонны на метр ширины. Сетка удобна в транспортировке и в раскрое (режется обычными ножницами), не создает "мостков холода", не ржавеет, инертна к электромагнитному излучению.

Гибкие связи из базальтовых волокон — прутки диаметром 5…8 мм с загнутыми законцовками. Длина гибкой связи согласуется с изготовителем. Прочная и жесткая гибкая связь не подвержена коррозии, хорошо стоит в бетоне, не создает "мостка холода". В технологии ТИСЭ применяется при возведении трехслойных стен без "мостков холода".

Замена металлического армирования стен на неметаллическое дает возможность сохранить природный электромагнитный фон Земли и тем самым улучшить экологическую среду в доме.