Железобетон – конструктивное соединение бетона и расположенной в нем арматуры, рационально объединенных в конструкциях для совместной работы как единое целое. Вот, к примеру, на фото ниже — участок монолитной железобетонной плиты, являющейся фундаментом для гаража.
Дадим, соответственно, определения бетону и арматуре.
Бетон – комплексный материал, в котором крупный (щебень) и мелкий (песок) заполнители, соединенные вяжущим (цемент), сопротивляются нагрузкам как одно монолитное тело. Непосредственно бетон образуется в результате скрепления заполнителей цементным камнем, который, в свою очередь, образуется в результате химической реакции между цементом и водой.
Арматура – стальные стержни, размещаемые в массе бетона в соответствии с расчетом, а также конструктивными и производственными требованиями.
Итак, железобетон формируется из бетона и арматуры. Однако если просто внедрить в бетонную смесь арматуру, то, после затвердевания, данное армобетонное соединение не всегда можно назвать железобетоном.
Железобетонная балка
Железобетонные балки находят широкое применение в гаражном строительстве, так как во многих проектах предусмотрено помещение гаража на две или три машины, а над ним еще полноценный жилой этаж. Поскольку перегородок в гараже нет, поддерживающей конструкцией для верхнего этажа являются железобетонные балки, опирающиеся на простенки между гаражными воротами.
Рассмотрим для понимания работы балки принцип формирования железобетонного элемента на примере бетонной (а не железобетонной!) балки, свободно лежащей на двух опорах и загруженной равномерно-распределенной нагрузкой.
При деформировании балки материал, расположенный в нижней области будет испытывать растяжение, в верхней – сжатие. Бетон существенно хуже сопротивляется растяжению относительно сжатия (в 10-20 раз в зависимости от его класса).
В итоге, в растянутой области появится трещина, которая, учитывая хрупкий характер разрушения бетона, практически мгновенно пронижет все сечение балки и приведет к ее разрушению (разделению на части). Причем в момент начала образования трещины резервы сжатой области будут недоиспользованы (в 10-20 раз). Пролет, который сможет перекрыть такая балка будет крайне мал, то есть опорные элементы (колонны, стены) придется ставить друг относительно друга близко, что затрудняет эксплуатацию помещений.
Заставить бетонную балку более эффективно сопротивляться изгибу можно путем внедрения в ее растянутую область элементов, выполненных из материала, хорошо сопротивляющегося растяжению. В качестве таких элементов и выступает стальная арматура.
Подобным усилением бетона растянутой области арматурой из бетонной балки формируется железобетонная.
Если теперь рассмотреть железобетонную балку (а не бетонную!), то трещина, после своего образования в растянутой области, уже не пронижет сечение мгновенно, так как растягивающие усилия возьмет на себя арматура и балка сможет сопротивляться дальнейшему увеличению нагрузки, что позволит увеличить ее пролет и использовать резервы сжатой области.
Таким образом, суть железобетона обусловлена, в первую очередь, прочностными свойствами бетона – слабое сопротивление растяжению относительно сжатия, что компенсируют установкой арматуры.
Можно подойти к железобетону и с другой стороны – с рассмотрения не бетонной, а стальной балки. При работе балки на изгиб материал, расположенный в нижней области будет испытывать растяжение, в верхней – сжатие. Сталь, кроме того, что хорошо работает на растяжение, также хорошо работает и на сжатие, поэтому наличие стали в сжатой и растянутой зонах является рациональным; однако стоимость стали крайне высока. Рациональным будет замена в определенных областях дорогой стали более дешевым материалом, например, бетоном.
Рациональным будет замена в определенных областях дорогой стали более дешевым материалом, например, бетоном. Но бетон плохо работает на растяжение, поэтому логично заменить сталь на бетон только в области сжатия.
Далее арматура и бетон объединяются друг с другом в единое целое для их совместной работы путем распространения бетона в растянутую область. Описанное формирует железобетонную балку из стальной с точки зрения экономической целесообразности.
В итоге, к формированию железобетонной балки можно подойти либо с рассмотрения изначально бетонной балки с последующим усилением ее растянутой области арматурой, либо с рассмотрения стальной балки с последующей заменой дорогой стали в ее сжатой зоне на более дешевый бетон.
Продолжая рассмотрение балки отметим, что кроме нормальных трещин в пролетной зоне (то есть трещин, образующихся перпендикулярно продольной оси), в приопорных зонах могут появиться наклонные трещины, что также обусловлено растягивающими усилиями.
Для предотвращения потери несущей способности от среза при развитии данных трещин в приопорные зоны устанавливают поперечную арматуру (хомуты).
Далее, зафиксируем положение хомутов путем их объединения сверху продольными стержнями. Заметим, что гибкие стержни будут располагаться в области сжатия, что создаст предпосылки для их выпучивания.
Учитывая это, а также возможность появления непроектных срезающих усилий на фоне хрупкого характера разрушения бетона, установим по длине балки в пролетной зоне поперечную арматуру (хомуты).
Тем самым сформировался пространственный арматурный каркас балки.
Железобетонная колонна
Для строительства гаражей железобетонные колонны также крайне актуальны — ведь часто требуется выполнить подпорки под балки или перекрытие в гаражном боксе на несколько машиномест.
Рассмотрим колонну, жестко защемленную внизу и нагруженную сверху сосредоточенной нагрузкой в центре тяжести верхнего торца. Данный элемент работает на центральное сжатие и, казалось бы, во внедрении в колонну арматуры нет необходимости, ведь бетон прекрасно работает на сжатие.
Однако введение арматуры в небольшом количестве существенно повышает несущую способность колонны, после чего станет возможным уменьшить размеры ее поперечного сечения и/или увеличить нагрузку на нее. Связан данный эффект с тем, что у стали на порядок выше прочность на сжатие относительно бетона. В итоге, в железобетонной колонне сопротивляться сжатию будет бетон совместно с арматурой.
Отметим, что СП «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» обязывает установку продольной арматуры в сжатых элементах в минимальном количестве, даже если для этого нет расчетных предпосылок. Связано это с возможностью появления непроектных ситуаций (в том числе неравномерных осадки грунтов) на фоне хрупкого характера разрушения бетона, что может неблагоприятным образом отразиться на несущей способности бетонного сжатого элемента.
На работу сжатого элемента существенное влияние оказывает значение эксцентриситета – смещения точки приложения сосредоточенной силы относительно центра тяжести поперечного сечения. При существенном эксцентриситете, со стороны противоположной его развитию, возникнет растяжение, введение арматуры куда уже является необходимостью.
Гибкие арматурные стержни, работая в колонне совместно с бетоном на сжатие, имеют тенденцию к выпучиванию с дальнейшей потерей устойчивости и выходу их из работы. Для предотвращения данных эффектов по длине сжатых элементов устанавливают поперечную арматуру (хомуты).
Так формируется арматурный каркас колонны.
Проектирование и расчет
Если подытожить вышесказанное, можно отметить, что задача проектирования железобетонных конструкций заключается в том, чтобы создать конструкцию, в которой наиболее полно использовались бы положительные свойства бетона и арматуры.
Плохую растяжимость бетона компенсируют установкой арматуры; арматура также помогает бетону сопротивляться сжатию. Введение арматуры в бетон обусловлено также хрупким характером разрушения бетона.
У стали, в сравнении с бетоном, есть свои недостатки. Она менее стойка к воздействию высоких температур и влаги. Эти недостатки компенсирует бетон, который, будучи расположенный вокруг арматуры, защищает ее.
Ряд нежелательных эффектов решается конструктивно. Так, потеря устойчивости арматурных гибких стержней предотвращается уменьшением их расчетной длинны путем установки поперечной арматуры (хомутов).
Что же касается непосредственно расчета железобетонных конструкций, то он заключается в подборе таких габаритов элементов и их поперечных сечений, а также армирования, при которых обеспечивалась бы несущая способность и жесткость отдельных элементов и конструкции в целом.
При этом, учитывая, что сталь существеннее дороже бетона, то по сути, результатом расчета является площадь арматуры, которую, в данном случае, называют рабочей. Арматуру же, устанавливаемую без расчета по конструктивным или технологическим соображениям, называют, конструктивной.
В заключении отметим, что принципы формирования железобетона (по сути, армирования) многопролетных балок, рам и других более сложных конструкций аналогичны рассмотренным выше. Расчет продольной арматуры ведут в соответствии с эпюрой изгибающих моментов, поперечной – в соответствии с эпюрой поперечных сил. Нежелательные эффекты (например, потеря устойчивости сжатых арматурных стержней) устраняют конструктивно. Для удобства монтажа, также конструктивно, арматуру объединяют в каркасы.
Принципы армирования плит перекрытий и стен исходят из принципов армирования, соответственно, балок и колонн, хотя характер их работы более сложен.