Сущность железобетона как материала строительных конструкций

Сущность железобетона как материала строительных конструкций

Армированный стальными стержнями бетон называют железобетоном. Каменные конструкции, армированные металлом, были известны давно, но в современном виде железобетон появился лишь во второй половине XIX в., когда было освоено промышленное производство портландцемента. Патент на изобретение железобетона был выдан французу Ж. Монье в 1867 г., хотя известны попытки использования железобетона и до него (например, в 1849 г. инженером Г. Е. Паукером в России и в 1845 г. В. Уилкинсоном в Англии).

Интересно знать: Галилео. Истории изобретений. Железобетон

Первоначально железобетон применялся довольно ограниченно. В настоящее время это основной конструкционный материал и в жилищном, и в промышленном строительстве. Наиболее выгодно применять железобетон для строительных конструкций, работающих на изгиб.

Взаимодействие столь различных материалов, когда совместно работают бетон и расположенная в нём арматура, весьма эффективно. Бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и надежно защищает ее от коррозии. Бетон хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Это затрудняет его применение в плитах перекрытий, балках, где возникают не только сжимающие напряжения, но и растягивающие. Если в растянутую зону поместить стальную арматуру, которая значительно превосходит бетон по прочности, то несущая способность конструкции увеличится в 10-20 раз. При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения – растягивающее, воспринимаемое сталью, и сжимающее, воспринимаемое бетоном, и железобетонная конструкция успешно противостоит изгибающим нагрузкам.

Кроме того, бетон как сравнительно плохой проводник теплоты защищает сталь от сильного нагревания при пожарах. Стальные конструкции при пожаре быстро нагреваются, сталь размягчается и вся конструкция начинает деформироваться даже под собственным весом. В железобетонных конструкциях стальная арматура защищена от огня слоем бетона. Так, опыты показали, что при температуре поверхности бетона 1000°С арматура, находящаяся на глубине 50 мм, через 2 ч нагреется лишь до 500°С.

Преимущества железобетона:

1. Изделия из железобетона долговечны.
2. Высокая сопротивляемость атмосферным воздействиям.
3. Изделия из железобетона отличаются высокой прочностью.
4. Конструкции из ЖБИ огнеустойчивы.
5. Высокая сейсмостойкость.
6. Низкая себестоимость.

Но, несмотря на популярность данного строительного материала, в его использовании есть и недостатки:

1. Изделия из железобетона имеют очень большой вес.
2. Высокая тепло- и звукопроводность.
3. Трудно что-то изменить или укрепить.
4. Нужны квалифицированные рабочие для работы с таким материалом.
5. Появление трещин на бетоне.
6. Повышенные затраты во время транспортировки.

Из железобетона выполняют разнообразные строительные конструкции и изделия. Плиты из железобетона – это самый популярный из строительных материалов как в жилищном строительстве, так и в промышленном строительстве, даже, несмотря на выше перечисленные недостатки.

13.2. Классификация конструкций из железобетона

Железобетонные конструкции и изделия по способу производства разделяют на:

• монолитные (изготавливают непосредственно на месте строительства, укладывая бетонную смесь в опалубку);
• сборные (производят в виде крупноразмерных элементов на специализированных заводах, транспортируют к месту строительства и затем монтируют в сооружение);
• сборно-монолитные (представляют собой сочетание сборных элементов с монолитным бетоном).

По виду применяемого бетона различают конструкции из тяжёлого, лёгкого, ячеистого и специальных бетонов.

По способу армирования и состоянию арматуры конструкции могут быть:

• обычные;
• предварительно напряженные.

Монолитные железобетонные конструкции изготавливают непосредственно на месте строительства: подготавливают опалубку из металла, древесины или других материалов, затем укрепляют арматуру, производят подачу, укладку и уплотнение бетонной смеси. Распалубливание конструкции производят после твердения и достижения бетоном необходимой проектной прочности (Рис.13.1).

Рис. 13.1. Монолитные железобетонные конструкции

Преимущества: монолитные конструкции обладают высокой жесткостью; архитектурные формы зданий и сооружений из монолитного железобетона разнообразны, отличаются индивидуальностью и своеобразной пластикой.

Недостатки: при бетонировании монолитных конструкций в зимнее время возникают значительные трудности, затрачиваются материалы на изготовление опалубки и большое количество ручного труда.

Рис. 13.2. Сборные железобетонные изделия

Сборные железобетонные изделия и конструкции изготавливают на специализированных заводах, где производят сборные материалы для всех видов строительства (Рис.13.2). Они поставляются на строительство в готовом виде; значительно сокращается трудоемкость бетонных и железобетонных работ, ускоряются темпы и снижается стоимость строительства.

В настоящее время сборные бетонные и железобетонные изделия и конструкции изготавливают для всех основных частей современных зданий и сооружений:

• фундаментные плиты и блоки
• элементы каркаса зданий и междуэтажных перекрытий;
• стеновые панели и блоки;
• лестничные марши и площадки;
• элементы для специальных видов строительства (подземного, дорожного, гидротехнического, мостостроения) и т.д.

Сборно-монолитный железобетон – комбинация каркаса и монолита. В зависимости от типа и этапа работы они могут собираться как на заводской, так и на строительной площадке. Это, например, лестничные пролеты или блоки фундамента.

Самая высокая скорость возведения капитальных сооружений: все элементы здания прибывают в готовом виде, а монтаж занимает куда меньше времени, чем изготовление на месте (Рис.13.3).

Типовые размеры элементов исключают технические и проектные ошибки, отсутствуют работы по подгонке блоков.

Рис. 13.3. Сборно-монолитное перекрытие

Значительно повышает прочность материала предварительное натяжение арматуры. Для этого в форме перед заливкой бетона стержни, канаты, прутки растягивают до величины, не превышающей предела упругости, и в таком виде заливают бетоном. После того как бетон достигает нужной твердости, нагрузку снимают. Арматура стремится вернуться в первоначальное состояние и обжимает сцепленный со сталью бетон. Таким образом, получают блок, в котором каркас растянут, а бетон сжат.

Интересно знать: Схема монтажа сборно-монолитного здания

13.3. Виды арматурных сталей

В зависимости от своего функционального назначения существуют следующие виды арматуры:

• рабочая арматура (воспринимает усилия, возникающие под действием нагрузок на конструкцию и ее собственной массы);
• продольная рабочая арматура (воспринимает усилия растяжения или сжатия, действующие по продольной оси элемента);
• поперечная рабочая арматура (воспринимает усилия, действующие поперек оси балки);
• конструктивная или распределительная арматура (обеспечивает цельность конструкции) (Рис.13.4).

Рис.13.4. Виды арматуры

а – арматурные стержни; б – плоский каркас; в – пространственный каркас; г – арматурные сетки: 1–плоская; II – рулонная; д – арматурный блок; е – стержневая арматурная горячекатаная сталь: /–гладкая; //–периодического профиля; ж – каркас колонны из стержневой арматуры; з –то же, из жесткой арматуры; 1 – рабочие стержни прямые; 2 – то же, отогнутые; 3 – монтажные стержни; 4 – хомуты; 5 – распределительные стержни; 6 – сетки; 7 – пространственный каркас; 8 – арматурный выпуск; 9– уголок; 10– раскос.

По способу изготовления арматура бывает стержневая, холоднотянутая проволочная, проволочная обыкновенная.

Стержневая арматура бывает гладкой – с поперечным сечением, имеющим правильную круглую форму, и периодического профиля – с круглым сечением, но имеющую на поверхности рифление определенного узора, которое улучшает взаимное сцепление арматуры с затвердевшим бетоном (Рис.13.5).

Рис. 13.5. Стержневая арматура: а – гладкого профиля; б – периодического профиля.

13.4. Арматурные изделия и закладные детали

К арматурным изделиям относятся сварные сетки и каркасы, проволочные пучки и отдельные мерные стержни (Рис.13.6).

Рис.13.6. Виды арматурных изделий: а – плоские сетки; б, в – плоские каркасы; г, д, е – пространственные каркасы; ж, и – гнутые сетки; к – закладные детали

Сварные сетки – изготавливают из обыкновенной проволки Вр-I диаметром 3-5 мм и стержневой арматуры класса А – III диаметом 6-10мм.

Сварные каркасы могут быть плоскими и пространственными. Плоские каркасы состоят из одного или двух продольных рабочих стрежней, монтажного стержня и привариваемых к ним поперечных стержней. Пространственные каркасы получают путем сварки плоских каркасов.

Закладные детали служат для соединения сборных элементов при монтаже конструкций. Их приваривают к арматуре ж/б элемента или заанкеривают в бетоне.

Монтажные петли – за них зацепляют конструкцию крюками стропов при складировании, перемещении, монтаже, распалубке.

13.5. Предварительно напряжённые железобетонные конструкции

Применяют два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упоры и натяжение арматуры на бетон.

При натяжении арматуры на упоры ее помещают в форму, один конец закрепляют в упоре, а другой натягивают домкратом до заданного напряжения. Затем производят бетонирование. После приобретения бетоном заданной прочности арматуру освобождают из упора; происходит так называемый отпуск натяжения. В результате усилие натяжения арматуры передается на бетон (Рис. 13.7). Также применяют электротермический способ. Для этого разогревают стержни до температуры 300-500°С, пропуская через них электрический ток, заводят в форму и закрепляют на упорах. В процессе остывания длина стержней сокращается, что приводит к возникновению в арматуре необходимого натяжения.

При натяжении арматуры на бетон сначала изготавливают бетонную конструкцию, в которой предусмотрены каналы или пазы для напрягаемой арматуры. После того, как бетон наберет необходимую прочность, в каналы вводят арматуру и натягивают ее непосредственно на бетон конструкции. Затем под давлением в каналы вводят цементное тесто или цементно-песчаный раствор, которые после затвердевания создают необходимое сцепление арматуры с основным массивом бетона в конструкции (Рис.13.8).

Рис.13.7. Схема создания предварительного натяжения арматуры методом натяжения на упоры: I – натяжение арматуры и армирование элемента; II – готовый элемент; 1 – упор; 2 – домкрат.

Рис.13.8. Натяжение арматуры на бетон: I – элемент во время натяжения арматуры; II – готовый элемент; 2 – домкрат; 3 – анкер.

Защитный слой бетона создают размещением арматуры на некотором удалении от поверхности конструкций.

Назначение защитного слоя:

• закрепление армирования в толще конструкции;
• обеспечение совместного нагружения армирования и бетона;
• эффективная защита армирования от внешнего воздействия (атмосферной, химической или другой коррозии, повышенной влажности, мороза и других вредных факторов).

Толщина защитного слоя назначается в зависимости от вида и диаметра арматуры, размера сечения конструкции и класса по условиям эксплуатации (от 20 до 50мм) (Рис.13.9).

Рис.13.9. Защитный слой бетона

Железобетонные изделия и конструкции значительно превосходят бетонные по несущей способности и другим механическим свойствам. Особенно эффективны предварительно напряжённые конструкции (Рис. 13.10). В сравнении с обычными они обладают более высокой трещиностойкостью, лучше сопротивляются динамическим нагрузкам, хорошо противостоят коррозионным воздействиям [2, с.324].

Рис. 13.10. Армирование бетонной конструкции

БЛОК САМОКОНТРОЛЯ

Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь с презентациями:

Презентация «Глава 13.Понятие о железобетоне, его преимущества и недостатки»

Презентация «Глава 13. Предварительно напряжённые железобетонные конструкции»

Дайте ответ на следующие вопросы по теме:

1. Какой строительный материал называют железобетоном?
2. В чём проявляется эффективность железобетона?
3. Перечислите преимущества железобетона.
4. Назовите виды изготавливаемых железобетонных конструкций и изделий.
5. Перечислите преимущества и недостатки монолитных железобетонных конструкций?
6. Какие преимущества перед монолитными железобетонными конструкциями имеют сборные железобетонные изделия?
7. Что представляет собой сборно-монолитный железобетон?
8. Какие существуют виды арматурных сталей в зависимости от функционального назначения?
9. Что улучшает взаимное сцепление арматуры с затвердевшим бетоном?
10. Перечислите виды арматурных изделий.
11. Какие различают конструкции по способу армирования и состоянию арматуры?
12. Как создаётся предварительное натяжение арматуры методом натяжения на упоры?
13. Опишите процесс натяжения арматуры на бетон.
14. Каково назначение защитного слоя бетона?
15. Перечислите свойства железобетонных конструкций.

Что такое железобетон: характеристики и виды

Сегодня железобетонные конструкции широко применяются в строительных работах, без них не обходится ни одно современное строительство. Любые сооружения из железобетона отличаются надежностью, высокой огнестойкостью, продолжительным сроком службы. Они не требуют специальной защиты от разрушительного атмосферного воздействия. Со временем прочность бетона только усиливается, а защищенная им арматура вовсе не поддается коррозии. Из такого материала несложно возводить конструкции разнообразных форм.

Описание

Железобетон – это композитный высокопрочный стройматериал, который производится из бетона, стальных прутьев. Подобная комбинация позволяет воспользоваться основными преимуществами обоих материалов.

Бетон считается искусственным камнем. Он прекрасно выдерживает высокие нагрузки на сжатие, но в то же время не переносит растяжение. Металл характеризуется малой стойкостью к сжиманию и значительной устойчивостью к растягиванию. Сочетание стального каркаса и качественного бетона позволяет железобетонным конструкциям выдерживать как растяжение, так и сжатие материала.

Армирующие металлические прутки внутри железобетона соединяются посредством точечной сварки. Площадь сечения стержней определяется при расчете нагрузок. Способ соединения элементов в каркас зависит от удобства сварки, укладки цементной смеси, иных факторов.

Плюсы и минусы

Несмотря на то, что железобетон – это достаточно надежный стройматериал, он обладает как достоинствами, так и недостатками. Основные преимущества железобетонных изделий такие:

• Долговечность. При правильной нагрузке, надлежащей эксплуатации ЖБ конструкции служат продолжительный период времени. Причем их несущая способность вовсе не снижается.
• Сравнительно небольшой вес. Для достижения аналогичных показателей прочности монолитный материал должен весить в пять раз больше.
• Огнестойкость. Железобетонные элементы не поддерживают процесс горения.
• Самоуплотняемость. Под влиянием влаги прочность материала повышается.
• Устойчивость к коррозии. Применение специального вида цемента при производстве железобетонных изделий позволяет избежать коррозионных процессов.
• Технологичность. Можно выпускать элементы различных форм, придавать им любого оттенка с помощью добавок.
• Доступная цена. Монолитные и сборные ЖБ конструкции отличаются минимальной себестоимостью.

• Высокая тепло- и звукопроводность. По этой причине требуются дополнительные расходы на укладку утеплителя, выполнение шумоизоляции.
• Существует риск образования трещин. При этом несущая способность конструкции сохраняется лишь до определенного момента.
• Продолжительное изготовление. Монолитные элементы отвердевают на стройплощадке, соборные – на заводе. В обоих случаях процесс занимает много времени.
• Плохая воздухопроницаемость. Построенные из железобетона здания требуют установки вентиляционной системы, если в них длительно пребывают люди.

Важно! Применение в строительстве тяжеловесные ЖБ элементов требует создания мощного фундамента, поскольку почва не всегда способна выдержать огромные нагрузки.

Видео описание

Характеристики

Процесс изготовления железобетонной конструкции состоит из следующих этапов:

• Подготовка формы для заливки.
• Формирование каркаса.
• Замешивание цементного раствора.
• Заполнение формы.
• Ожидание отвердевания бетона.

Среди наиболее ценных для строительства свойств железобетона стоит отметить:

• высокую плотность;
• способность выдерживать значительные нагрузки;
• устойчивость к влиянию влаги, температурным колебаниям.

Бетон и металл имеют аналогичные коэффициенты расширения. Благодаря этому даже под воздействием чрезмерных температур сохраняется целостность железобетонных изделий.

Важно! Плотность и влагостойкость бетона предупреждают развитие коррозии металла, который заключен в него. Затвердевший раствор ограждает железо от огня при пожаре в месте размещения ЖБ- конструкции.

Область применения

Железобетонные изделия широко применяются в современном строительстве при возведении:

• жилых домов;
• промышленных зданий;
• защитных сооружений различного назначения;
• инженерных конструкций.

Разнообразные высокопрочные ЖБ элементы используются при постройке фундаментов, стен, межэтажных перекрытий, колодцев.

Если рассматривать узконаправленное применение железобетона, стоит отметить его востребованность при строительстве:

• мостов;
• гидроэлектростанций;
• аэродромов;
• контактирующих с водой сооружений;
• ядерных реакторов.

Важно! Чтобы повысить стойкость железобетонных изделий к воздействию влаги, в процессе их создания в бетон добавляют специальные вещества. Они отталкивают воду, придают материалу антикоррозийные свойства.

Виды железобетонных конструкций

Существует три разновидности ЖБК. Каждая из них обладает своими положительными и отрицательными сторонами, используется при проведении определенных строительных работ.

Монолитные

Производятся прямо на стройплощадке. Самая простая из них – фундамент. Создается он следующим образом: выкапывается котлован, монтируется арматурный каркас, который потом заливается жидким бетоном. Впоследствии застывания он превращается в камень. Прочностные характеристики фундаментного основания зависят от качества использованной арматуры и марки бетона.

Главные преимущества монолита – низкая материалоемкость, огнестойкость, долговечность, прочность, простота формирования. Среди недостатков стоит отметить вероятность образование трещин на монолитном фундаменте впоследствии усадки либо чрезмерных нагрузок, высокую звуко- и теплопроводность. Также к минусам следует отнести сезонность выполнения работ. Их допускается проводить лишь в теплый период года.

Читайте также:
Дома из железобетонных панелей – плюсы и минусы технологии

Сборные

Изготавливаются на заводе: заливаются в формы, отвердевают в определенных условиях. Затем они доставляются на стройплощадку, где применяются для строительства. Производство сборных ЖБ конструкций на специальных предприятиях позволяет уменьшить их стоимость, получить высокую производительность.

СЖБ характеризуется универсальностью, для строительства его допускается применять круглый год. Единственный минус подобных изделий – большая трудоемкость.

Сборно-монолитные

Нередко в строительстве одновременно применяется сборный и монолитный железобетон. Качество сцепления составляющих играет важную роль в такой технологии. Для достижения желаемого результата укладываются элементы различных форм, размеров.

Если поверхность СЖБ шероховатая, допускается обойтись без шпонок. На участках соприкосновения сборных элементов с бетоном важно предусмотреть выпуск поперечной арматуры. В монолите дополнительно проводится анкеровка. Комбинированный железобетон применяется в качестве опалубки для монолитных частей сооружения.

СЖБ конструкции обладают всеми плюсами вышеуказанных разновидностей. Они экономичны, позволяют быстро и качественно возводить здания.

Видео описание

Стены из монолитного железобетона

Наиболее распространенные железобетонные изделия

Производители выпускают огромное количество ЖБИ. Каждое из них предназначено для использования в конкретных целях, чем облегчает возведение различных объектов. Среди самых популярных ЖБ элементов стоит отметить следующие.

Читайте также:
Минимальная толщина стяжки пола из пескобетона и железобетона

Панели

Чрезвычайно востребованы в строительстве жилых и промышленных зданий. Они отличаются плоской прямоугольной формой, иногда содержат оконные и дверные проемы, выступы для подоконников. При транспортировке панельные изделия устанавливаются вертикально под малым наклоном. Если одновременно перевозятся несколько панелей, важно исключить их соприкосновение.

Фермы

Применяются для обустройства перекрытий в производственных постройках, культурных зданиях. Внешне это плоские прямоугольные конструкции, снабженные решетками. Транспортируются такие элементы в вертикальном положении.

Производятся фермы из различных видов бетона (тяжелого, легкого, конструкционного). При их использовании важно точно рассчитать несущую способность постройки.

Балки и ригели

Нашли широкое применение в создании фундаментов и покрытий, выполняют роль несущих деталей. Такие железобетонные элементы бывают прямоугольными, одно- или двухскатными. Их перевозка допускается лишь в вертикальном положении: при горизонтальной транспортировке существует вероятность повреждения изделий.

Сваи

Востребованы при строительстве сооружений различного назначения на неустойчивых грунтах. Транспортируются сваи горизонтально с обязательным применением специальных подкладок. На транспортное средство они складируются в несколько ярусов.

Стойки

Представляют собой прочные опорные элементы, предназначенные для линий электропередач, светильников. Перевозятся они в горизонтальном положении. Основная задача железобетонных стоек –удерживать электропровода на определенном расстоянии от поверхности земли.

Колонны

Несущие элементы культурных, промышленных и жилых сооружений имеют прямоугольную или двухветвую форму. Последняя предназначена для значительной крановой нагрузки. Транспортируют колонны штабелем: начальный ряд изделий укладывают непосредственно на грузовое место, следующие – поверх предыдущих.

Читайте также:
Фундамент на железобетонных сваях для частного дома: разновидности и этапы монтажа

Заключение

Железо и бетон – прекрасное сочетание. Современные ЖБ конструкции обладают множеством плюсов, их экономично выгодно применять при возведении сооружений различного назначения. В зависимости от способа изготовления, ЖБК бывают монолитные, сборные или комбинированные. Каждую из указанных разновидностей целесообразно использовать при проведении определенных строительных работ. Также стоит отметить наличие огромного разнообразия железобетонных изделий. Они производятся на предприятиях, затем перевозятся на стройплощадку. Применение железобетона в строительстве позволяет возводить различные объекты в короткие сроки.

Источник https://esychev.github.io/MaterialsScienceMCW/chapters/chapter_13/chapter13.html

Источник https://m-strana.ru/articles/zhelezobeton-eto/