 |
Влияние высоких температур на железобетон
|
|
|
|
СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
Сцепление арматуры с бетоном
Совместное деформирование арматуры с бетоном, обеспечивающееся сцеплением и анкеровкой, служит основной предпосылкой деформирования железобетона под нагрузкой как конструктивного материала.
По определению сцепление — это связь по поверхности контакта между арматурой и бетоном, в силу которой величина продольного усилия в арматуре может стать переменной по ее длине.
Силы сцепления вызывают в бетоне сложное напряженно-деформированное состояние, в частности расклинивание. По отношению к арматуре силы сцепления могут быть сведены к распределенной нагрузке, направленной по ее оси, а иногда дополнительно к нагрузкам в виде распределенных по длине изгибающих и крутящих моментов.
Сопротивление сдвигу 
растет с увеличением марки цемента, уменьшением В/Ц, с увеличением возраста бетона (влияние усадки).
По длине заделки стрежня напряжения сцепления распределяются неравномерно, при этом наибольшее напряжение 
не зависит от длины заделки (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Распределение напряжений сопротивления сдвигу
Анкеровка — это закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности, способное воспринимать определенные величины нагрузки.
Сцепление, даже при не полностью обеспеченной анкеровке, играет существенную роль - образование первой трещины влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжение растянутой арматуры. От качества сцепления зависит расстояние между трещинами и ширина их раскрытия.
На Западе напряжения сцепления рассчитывают по заведомо неверным формулам, считая, что распределение этих напряжении равномерно по длине заделки. Полученные значения сравнивают с допускаемыми или расчетными сопротивлениями, которые приходится назначать в каждом изучаемом случае разными исходя из данных опыта.
|
|
|
В России напряжения сцепления вовсе не рассчитываются, но на основании опытов даются конструктивные правила относительно длин анкеровки, размеров поперечного армирования и т. п.
В различных опытах сила сцепления арматуры с бетоном определялась сопротивлением скольжению забетонированного стержня при его выдергивании или выталкивании. Как показали опыты, сила сцепления меняется в широких пределах и в основном зависит от трех факторов:
Ø склеивания арматуры с бетоном, благодаря клеящей способности цементного теста (адгезия);
Ø сил трения, возникающих на поверхности арматуры благодаря зажатию стержней в бетоне при его усадке;
Ø сопротивления бетона усилиям среза, возникающим из-за наличия неровностей и выступов на поверхности арматуры (рис.4.2).
Рис. 4.2. Зацепление выступов арматуры за бетон
Наибольшее влияние на сцепление оказывает третий фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления. Первый фактор оказывает наименьшее влияние – до 25% всей силы сцепления.
Арматура периодического профиля с сильно шероховатой поверхностью обладает более высоким и надежным сопротивлением скольжению благодаря зацеплению и заклиниванию ее выступов в бетоне. По сравнению с гладкими стержнями арматура периодического профиля обладает в 2-3 раза большей силой сцепления с бетоном.
Напряжение в бетоне под выступами арматуры при ее выдергивании может превосходить в 5-7 раз кубиковую прочность бетона, поэтому недопустимо снижение плотности бетона в зоне контакта его с арматурой. Наиболее надежное повышение сопротивления скольжению арматуры в бетоне достигается соответствующим конструированием арматуры: устройством крюков на концах гладких стержней, применением анкеров.
|
|
|
Сопротивление скольжению растянутой арматуры (на выдергивание) меньше, чем сопротивление скольжению сжатой арматуры (на выталкивание), что объясняется поперечными деформациями самого стержня. С увеличением диаметра стального стержня и повышением нормального напряжения в нем сила сцепления его с бетоном при растяжении уменьшается, а при сжатии – увеличивается (рис.4.3).
Рис. 4.3. Влияние диаметра арматуры на напряжения
Усадка железобетона
В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Опыты показывают, что усадка железобетона примерно вдвое меньше усадки бетона. Усадка железобетона, как и бетона, получает наибольшее развитие в первый год твердения и значительно превышает деформацию набухания (рис.4.5).
Рис. 4.5. Кривые усадки и набухания бетонных и железобетонных образцов
а – набухание в воде;
б – усадка на воздухе
Это объясняется тем, что арматура, обладающая значительно большим модулем упругости, вовлекается в совместное деформирование с бетоном за счет сил сцепления и тем самым препятствует свободным усадочным деформациям бетона (рис.4.6).
Рис. 4.6. Схема деформации армированного элемента от усадки бетона
а, б – симметричное и несимметричное армирование;
1 – поперечная арматура; 2 – продольная (рабочая) арматура; 3 – примерная эпюра напряжений сжатия и растяжения в бетоне
Вследствие этого в бетоне возникают начальные растягивающие напряжения, а в арматуре – сжимающие. Растягивающее усилие в бетоне равно сжимающему усилию в арматуре, т.к. процесс усадки происходит самоуравновешенно без внешней нагрузки.
Растягивающие напряжения бетона в железобетонном образце зависят от величины свободной усадки бетона, количества арматуры и класса бетона. При мощной арматуре растягивающие напряжения в бетоне возрастают и возможно появление усадочных трещин. Несимметричное расположение арматуры в сечении железобетонного образца повышает начальные усадочные напряжения, т.к. влияние такой арматуры при усадке скажется как действие продольной силы и изгибающего момента.
|
|
|
Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки будут складываться с напряжениями в растянутой зоне изгибаемого элемента и способствовать более раннему появлению трещин в бетоне. Но с появлением трещин влияние усадки уменьшается, а в стадии разрушения исчезает и не оказывает влияние на предельную несущую способность элемента.
При проектировании промышленных и гражданских зданий и сооружений большой протяженности предусматривают устройством деформационных швов, которые уменьшают неблагоприятное влияние усадки.
Ползучесть железобетона
Ползучесть железобетона является следствием ползучести бетона. Стальная арматура, как и при усадке, является внутренней связью, препятствующей свободным деформациям ползучести бетона. В железобетонном элементе при продолжительном действии нагрузки стесненная деформация ползучести приводит к перераспределению усилий в сечении между бетоном и арматурой. Процесс перераспределения напряжений происходит в течение длительного времени сначала интенсивно, а затем затухает.
Ползучесть и усадка протекают одновременно и совместно влияют на деформирование конструкций. В железобетонной колонне они действуют в одном направлении: уменьшают напряжения в бетоне и увеличивают их в арматуре. В изгибаемых элементах усадка и ползучесть оказывают противоположное влияние: под действием усадки напряжения в бетоне сжатой зоны увеличиваются, а в растянутой арматуре уменьшаются; а под действием ползучести, наоборот, напряжения в бетоне сжатой зоны уменьшаются, а в растянутой арматуре увеличиваются. Это приводит к увеличению прогибов.
Влияние высоких температур на железобетон
В железобетонных конструкциях, подверженных воздействию температуры до
100 0С, дополнительные напряжения невелики и не приводят к снижению прочности. При более высоких температурах прочность железобетона уменьшается (200-250 0С), при температуре 500-600 0С происходит полное разрушение бетона.
При проектировании железобетонных конструкций здания большой протяженности делят температурными швами на отдельные блоки, которые обычно совмещают с усадочными швами.
|
|
|
