Определение и сущность железобетона

Железобетоном называется строительный материал, в котором рационально соединены в монолитное целое бетон и стальная арматура, совместно до разрушения воспринимающие различные силовые воздействия. Возможно и такое определение: железобетоном называется совокупность бетона и арматурных изделий (сеток, каркасов, отдельных стержней и т.д.), уложенных в теле бетона в соответствии со статической работой конструкции.

Бетон, являясь искусственным камнем и, обладая высокой прочно­стью на сжатие, в 10...20 раз хуже сопротивляется растяжению, что практически не позволяет использовать его как конструктивный ма­териал для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструк­ций.

Стальные стержни, имеющиеся в железобетонных конструкци­ях и которые в дальнейшем мы будем называть арматурой, одинаково хорошо сопротивляются как растяжению, так и сжатию.

Идея создания железобетона из двух различных по своим механическим характеристикам материалов заключается в реальной возможности использовать бетон преимущественно в работе на сжатие, а арматуру — в работе на растяжение. Такое сочетание материалов целесообразно, так как сталь­ные стержни, поставленные в растянутой зоне элемента, прекрасно восполняют основной недостаток бетона как конструктивного стро­ительного материала.

Под железобетонными конструкциями будем понимать несущие элементы зданий и сооружений, изготавливаемые из железобетона, и сочетания этих элементов.

Идею железобетона можно достаточно хорошо проиллюстрировать следующим примером (рис. 1.1).

Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и под­верженная поперечному изгибу, испытывает растяжение продоль­ных волокон в зоне, находящейся ниже нейтрального слоя (рис. 1.1а). Такая балка обладает малой несущей способностью вследствие сла­бого сопротивления бетона растяжению. Она разрушается внезапно (хрупко) при возникновении первой же трещины в бетоне растяну­той зоны. Прочность бетона на сжатие в момент, предшествующий разрушению, в бетонной балке сильно недоиспользуется (напряже­ния в нормальных сечениях в сжатой зоне в этот момент едва до­стигают 5... 10% от прочности бетона на сжатие).

Рисунок 1.1 – Схемы разрушения балок: а – бетонная балка; б – железобетонная балка; 1 – нейтральная ось; 2 – трещина; 3 – сжатая зона4; 4 – растянутая зона; 5 – стальные стержни (арматура).

Такая же балка (рис. 1.1б), снабженная небольшим по площади количеством продольной арматуры по сравнению с площадью по­перечного сечения балки, размещенной в растянутой зоне, может иметь несущую способность до 20 раз превосходящую несущую спо­собность бетонной балки. Характер разрушения балки при не слишком большом насыщении её сечений арматурой плавный, постепен­ный (пластичный). В такой конструкции может быть полностью ис­пользована прочность бетона в работе на сжатие, а арматуры — на растяжение.

Арматуру, имеющую весьма высокое сопротивление сжатию, можно также использовать и для усиления бетона сжатой зоны.

Арматура может быть не только в виде стальных стержней. В качестве арматуры иногда используют нити, канаты, пряди и др. из стекловолокна и даже деревянные или бамбуковые рейки. Однако наиболее широко сейчас применяется стальная арматура.

Основой совместной работы бетона и арматуры (т. е. одинаковые деформации их смежных волокон) в железобетоне является выгод­ное природное сочетание некоторых важных физико-механических свойств этих материалов, а именно:

1. при твердении бетона между ним и поверхностью стальной арматуры возникают значительные силы сцепления (склеивания), вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала де­формируются совместно;

2. плотный бетон (с достаточным содержанием цемента от 200...250 до 300...400 кг/м³ и более) надёжно защищает заключённую в нём стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет её от непосредственного
воздействия огня и от механических по­вреждений;

3. сталь и бетон обладают близкими по величине коэффициентами температурного (линейного) расширения, поэтому при измене­нии температуры в пределах до 100°С (от -50°С до +50°С) в обоих материалах возникают несущественные начальные (внут­ренние) напряжения и скольжения арматуры в бетоне не наблю­дается; α_st = 0,000012°С^-1; α_bt = 0,00001° С^-1.