Железобетон
Железобето́н (нем. Stahlbeton) — строительный композиционный материал, состоящий из бетона и стали[1]. Запатентован в 1867 году Жозефом Монье[2] как материал для изготовления кадок для растений.
- В 1802 г. при строительстве Царскосельского дворца российские зодчие использовали металлические стержни для армирования перекрытия, выполненного из известкового бетона.
- В 1829 г. английский инженер Фокс реализовал армированное металлом бетонное перекрытие.
- В 1849 г. во Франции Ламбо построил лодку из армоцемента.
- В 1854 г. У. Б. Уилкинсон в Англии получил патент на огнестойкое железобетонное перекрытие.
- В 1861 г. во Франции Ф. Куанье[en] опубликовал книгу о 10-летнем опыте применения железобетона, а в 1864 году он построил церковь из железобетона.
- В 1865 г. У. Б. Уилкинсон построил в Англии дом из железобетона.
- В 1867 г. Ж. Монье, которого часто считают «автором» железобетона, получил патент на кадки из армоцемента.
- В 1868 г. Ж. Монье построил железобетонный бассейн, а с 1873 по 1885 гг. получил патенты на железобетонный мост, железобетонные шпалы, железобетонные перекрытия, балки, своды и железобетонные трубы.
- В 1875 г. Ж. Монье построил перекинутый через ров замка маркиза де Тилиэра во французском городке Шазле первый пешеходный железобетонный мост длиной 16 м и шириной 4 м[3].
- В 1877 г. первая книга по железобетону опубликована Т. Хайэттом[en] в США.
- В 1884 г. профессор механики И. Баушингер и инженер Г. А. Вайс[de] выполнили в Германии первые широко поставленные исследования для изучения особенностей работы железобетонных конструкций[3].
- С 1884 по 1887 гг. в Москве осуществлялось применение железобетона при устройстве плоских перекрытий, сводов, резервуаров. В это же время проводились испытания конструкций, были реализованы железобетонные перекрытия по металлическим балкам.
- В 1886 г. в США П. Джексон подал заявку на патент на использование преднапряжения арматуры при строительстве мостов.
- В 1886—1887 гг. инженер М. Кёнен[de] в Германии разрабатывает первый способ расчёта железобетонных конструкций.
- В 1888 г. патент на преднапряжение получен в Германии В. Дерингом, в 1896 г. в Австрии И. Манделем, в 1905—1907 гг. в Норвегии И. Лундом, в 1906 г. в Германии М. Кененом.
- В 1891 г. в России профессор Н. А. Белелюбский завершает пятилетний цикл широкомасштабных исследований железобетонных плит, балок, арок и мостов[3]. В этом же году выходит книга инж. Д. Ф. Жаринцева «Слово о бетонных постройках», а в 1893 г. — «Железобетонные сооружения».
- С 1892 по 1899 г. во Франции Ф. Геннебиком реализовано более 300 проектов с применением железобетона.
- В 1895 г. на втором съезде зодчих в России выступает А. Ф. Лолейт, создавший впоследствии основные положения современной теории железобетона.
- В 1899 г. инженерный совет министерства официально разрешает применять железобетон в России.
- В 1904 году в Германии и Швеции появились первые нормы по проектированию и применению железобетонных конструкций, позже, в 1906 г. во Франции, в 1908 г. в России.
- В 1908 году в Ливерпуле начато строительство Royal Liver Building — одного из первых высотных (98 м) железобетонных зданий в мире.
- В 1913—1916-е годы в России построена первая железобетонная Церковь Спаса Нерукотворного Образа в Клязьме[4].
Развитие теории железобетона в России в первой половине 20 века связано с именами А. Ф. Лолейта, А. А. Гвоздева, В. В. Михайлова, М. С. Боришанского, А. П. Васильева, В. И. Мурашева, П. Л. Пастернака, Я. В. Столярова, О. Я. Берга и других.
В XX веке железобетон стал наиболее распространённым материалом в строительстве (см. Пьетро Нерви) и сыграл значительную роль в становлении таких направлений архитектуры, как модернизм и функционализм.
|
В этом разделе не хватает
К положительным качествам железобетонных конструкций относятся:
К недостаткам железобетонных конструкций относятся:
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). В России железобетонные элементы принято рассчитывать: по 1-й и 2-й группе предельных состояний:
Задачи расчёта железобетонных конструкций по 1-й группе предельных состояний включают:
Армирование конструкций выполняется, как правило, отдельными стальными стержнями или сетками, каркасами. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в сжатые зоны при недостаточной прочности последней, а также по конструктивным соображениям. При расчёте железобетонных изгибаемых элементов основной целью является определение требуемой площади рабочей арматуры в соответствии с заданными усилиями (прямая задача) или определение действительной несущей способности элемента по заданным геометрическим и прочностным параметрам (обратная задача). По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты), центрально и внецентренно сжатые элементы (колонны центрально и внецентренно сжатые, растянутые элементы (элементы ферм). Изгибаемые элементы (балки, плиты)При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (см. рисунок), изгибающий момент и поперечная сила. Изгибаемые железобетонные элементы, как правило, рассчитывают по прочности следующих видов сечений:
В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной арматурой (см. рисунок). Элементы конструкции:
Верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположном направлении. Основные параметры конструкции:
Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения железобетонного элемента, бетон в которой в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рисунок). Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных или пространственных сечений (см. рисунок). Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас. Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента. Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры. Плиты армируются по такому же принципу, как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения. Кроме расчёта на прочность, для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролёта при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне). Сжатые элементы (колонны)При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (см. рисунок). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает. Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но в сущности эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если, кроме вертикальной силы, на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например, ветер, давление грунта на подпорную стенку). Типичное армирование колонны представлено на рисунке. 1 — продольная арматура В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание. Массивными считаются колонны, минимальная сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, то есть с учётом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения — террористические атаки, взрывы и т. д.) — они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т. о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем, и, кроме этого, малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т. н. жизнеутверждающим строительством (Sustainable construction). Изготовление железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические процессы:
Изготовление сборных железобетонных конструкцийСущность сборных железобетонной конструкций, против монолитных, состоит в том, что конструкции изготавливаются на заводах ЖБИ (железобетонных изделий), а затем доставляются на стройплощадку и монтируются в проектное положение. Основное преимущество технологии сборного железобетона в том, что ключевые технологические процессы происходят на заводе. Это позволяет достичь высоких показателей по срокам изготовления и качеству конструкций. Кроме того, изготовление предварительно напряжённых ЖБК возможно, как правило, только в заводских условиях. Недостатком заводского способа изготовления является невозможность выпускать широкий ассортимент конструкций. Особенно это относится к разнообразию форм изготавливаемых конструкций, которые ограничиваются типовыми опалубками. Фактически на заводах ЖБИ изготавливаются только конструкции, требующие массового применения. В свете этого обстоятельства, широкое внедрение технологии сборного железобетона приводит к появлению большого количества однотипных зданий, что, в свою очередь, приводит к уменьшению затрат на строительство. Такое явление наблюдалось в СССР в период массового строительства. Большое внимание на заводе ЖБИ уделяется технологической схеме изготовления. Используется несколько технологических схем:
В конвейерной и поточно-агрегатной технологиях используется опалубочный метод формования. Для изготовления предварительно напряжённых конструкций применяют два способа создания предварительного напряжения: натяжение на упоры и натяжение на бетон, а также два основных способа натяжения арматуры: электротермический и электротермомеханический. Разновидностью стендовой технологии является технология по методу безопалубочного формования (БОФ) с использованием предварительного напряжения. Оборудование линии безопалубочного производства включает:
Применяют формующие машины безопалубочного формования технологии слипформования, вибропрессования и технологии экструзии. Изготовление монолитных железобетонных конструкцийПри изготовлении монолитных железобетонных конструкций следует учитывать, что физико-механические характеристики арматуры относительно стабильны, а вот те же характеристики бетона изменяются во времени. Необходимо всегда находить компромисс между запасами при конструировании и проектировании (выбор форм и сечений — выбор между надёжностью, «жизнью», но тяжестью массивных конструкций и между изяществом, ажурностью, лёгкостью, но «мёртвостью» конструкций с большим модулем поверхности), стоимостью и качеством исходных материалов, затратами на изготовление монолитных железобетонных конструкций, усилением оперативного контроля работниками ИТР на всех этапах, назначением мероприятий по уходу за бетоном, защитой его во времени (созданием условий для наращивания во времени его характеристик, что может понадобиться к моменту начала эксплуатации для сопротивления прогрессирующему разрушению), контролем динамики набора основных прочностных и деформативных характеристик бетона.[5][6] То есть очень много зависит от того, с чьих позиций проектируют конструкции и технологию, исполняют и контролируют работы, и что ставится во главу угла: надёжность и долговечность, экономичность, технологичность выполнения, безопасность эксплуатации, возможность дальнейшего применения путём усилений и реконструкций, так называемый рациональный подход, то есть проектирование от обратного (сначала думаем, как следующие поколения будут всё это разбирать и заново использовать)[7]. Для защиты железобетонных конструкций применяются специальные полимерные составы, позволяющие изолировать поверхностный слой железобетона от негативных влияний внешней среды (химические агенты, механические воздействия). Для защиты железобетонного основания применяют различные типы защитных конструкций, позволяющих модифицировать эксплуатационные свойства минеральной поверхности — увеличить износостойкость, уменьшить пылеотделение, придать декоративные свойства (цвет и степень блеска), улучшить химическую стойкость. Полимерные покрытия, наносимые на железобетонные основания, классифицируют по типам: обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы, высоконаполенные покрытия. Другой метод защиты железобетонных конструкций заключается в покрытии арматуры фосфатом цинка.[8] Фосфат цинка медленно реагирует с коррозирующим химикатом (например, щёлочью) образуя устойчивое апатитное покрытие. Для защиты железобетонных конструкций от воздействия воды и агрессивных сред также применяется проникающая гидроизоляция, которая модифицирует структуру бетона, увеличивая его водонепроницаемость, что предотвращает разрушение бетонных конструкций и коррозию арматуры. Применение композиционных материалов для усиления железобетонных конструкцийУсиление композитами используются для продольного и поперечного армирования стержневых элементов, для создания армирующих усиляющих оболочек на колоннах и опорах мостов, эстакад, консолях колонн, для усиления плит, оболочек, элементов ферм и других конструкций. История примененияПервым крупным объектом в России, где применялось усиление композитными материалами (в частности, фиброармированный пластик — ФАП-арматура) стала эстакада третьего транспортного кольца в Москве в 2001 году[9]. Применение композиционных материалов имеет следующие преимущества:
КонструированиеРациональной степенью усиления с помощью системы ФАП является диапазон 10-60 % от начальной несущей способности усиливаемой конструкции[10]. Прочность сцепления материала усиления в подавляющем случае выше прочности на растяжение наиболее распространенных конструктивных бетонов (до класса В60). Применение современных материалов и технологий наклейки внешнего армирования при должном контроле качества строительных работ практически исключает возможность расслаивания конструкции по границе ФАП-бетон. Численный эксперимент, где работа бетона была показана с помощью критерия прочности Вилльяма и Варнке, показал, что вклад ФАП в общую прочность наклонного сечения в значительной мере зависит от наличия и процента армирования стальной поперечной арматурой. С увеличением процента армирования стальной арматурой эффективность системы усиления снижается. Основной вид разрушения усиленной балки — выкол бетона основания, начинающийся с точек максимальных главных растягивающих напряжений у свободных концов хомутов внешнего армирования[11]. Внешнее армирование железобетонных конструкций углеволокномСистемы внешнего армирования – наборы углеродных материалов, полимерных связующих, специальных праймеров, шпаклевок и ремонтных смесей, предназначенных для структурного усиления строительных конструкций: железобетонных, кирпичных, каменных или деревянных. Суть данного метода заключается в повышении прочности элементов, воспринимающих нагрузки в процессе эксплуатации зданий и сооружений, с помощью углеродных тканей, ламелей и сеток. Усиление строительных конструкций углеволокном повышает несущую способность без изменения структурной схемы объекта. Преимущества усиления конструкций углеволокном
Недостатки усиления конструкций углеволокном
|
