"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).
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
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).
