Железобетон
-
История железобетона
- Франсуа Куанье первым использовал железобетон в 1853 году.
- Уильям Б. Уилкинсон укрепил бетонную крышу в 1854 году.
- Генри Итон и У. И Т. Филлипс построили мост Хомерсфилд-Бридж в 1869-1870 годах.
- Таддеус Хайатт опубликовал отчет о железобетоне в 1877 году.
- Жозеф Монье получил патенты на армирование бетонных конструкций в 1877 году.
- Эрнест Л. Рэнсом усовершенствовал технологии железобетона в конце 19 века.
- G. A. Уэйсс и его фирма внесли значительный вклад в развитие железобетона.
-
Развитие железобетона
- В 1904 году Джулия Морган построила первую железобетонную конструкцию «Эль Кампаниль».
- В 1906 году землетрясение в Сан-Франциско изменило отношение к железобетону.
- В 1908 году Сан-Франциско изменил строительные нормы, разрешив использование железобетона.
- В 1910 году NACU опубликовала Стандартные строительные правила по использованию железобетона.
-
Использование в строительстве
- Железобетон используется для различных конструкций, включая плиты, стены, балки, колонны, фундаменты и каркасы.
- Железобетон может быть сборным или монолитно-монолитным.
- Проектирование и внедрение эффективной системы перекрытий важно для создания оптимальных конструкций.
-
Материалы и поведение
- Бетон состоит из заполнителей, вяжущего материала и воды.
- Обычный бетон устойчив к сжатию, но не к растяжению.
- Железобетон сопротивляется сжатию и растяжению благодаря арматуре.
- Арматура может быть стальной, полимерной или композитной.
-
Ключевые характеристики
- Высокая относительная прочность.
- Высокая устойчивость к растягивающему напряжению.
- Хорошее сцепление с бетоном.
- Термическая совместимость.
- Долговечность в бетонной среде.
-
Коэффициент теплового расширения и сцепление
- Коэффициент теплового расширения бетона аналогичен стали, что исключает внутренние напряжения.
- Цементная масса затвердевает, образуя однородную поверхность со стальными деталями.
- Шероховатая поверхность стальных прутьев улучшает сцепление.
-
Химическая среда и коррозия
- Щелочная среда в бетоне пассивирует сталь, делая её устойчивой к коррозии.
- При карбонизации бетона pH снижается, что может привести к коррозии стали.
- Сталь защищена при pH выше 11, но начинает корродировать при pH ниже 10.
-
Армирование и прочность
- Арматура должна подвергаться такому же напряжению, как и бетон.
- Передача нагрузки между бетоном и сталью достигается через соединение.
- Арматура может быть хорошо приклеена к бетону и защищена от коррозии.
-
Крепление арматуры
- Длина развертывания арматуры должна быть достаточной для предотвращения разрушения.
- Специальные крепления, такие как зубцы и крючки, могут потребоваться при недостаточной длине.
-
Антикоррозионные меры
- В холодном климате используется коррозионностойкая арматура.
- Арматура может быть покрыта эпоксидной смолой, горячим цинкованием или нержавеющей сталью.
- Фосфат цинка и нитрит кальция также используются для защиты арматуры.
-
Армирование балок
- Балка изгибается под действием изгибающего момента.
- Монолитно-армированная балка имеет арматуру только на растянутой поверхности.
- Балка с двойным усилением имеет арматуру на растянутой и сжатой поверхностях.
- Недостаточно усиленная балка выходит из строя из-за разрушения бетона.
- Сверхармированная балка выходит из строя из-за разрушения стали.
- Балка со сбалансированным армированием выходит из строя внезапно.
-
Проектирование и прочность
- Несущие элементы должны быть недостаточно усилены для предупреждения о разрушении.
- Характерная прочность — это прочность материала с менее чем 5% образцов с меньшей прочностью.
- Расчетная прочность учитывает коэффициент запаса прочности.
- Конечное предельное состояние — это теоретическая точка отказа с определенной вероятностью.
- Железобетонные конструкции проектируются по правилам и предписаниям кодексов.
-
Проектирование RC-элементов
- Используются методы WSD, USD или LRFD
- Анализ и проектирование могут быть линейными или нелинейными
- Нелинейные подходы применяются в некоторых случаях
-
Предварительно напряженный бетон
- Повышает несущую способность бетонных балок
- Арматурная сталь натягивается перед заливкой бетона
- Бетон всегда находится в состоянии сжатия, что снижает риск растрескивания
-
Распространенные виды разрушения железобетона
- Механические повреждения, коррозия, циклы замораживания/оттаивания
- Растрескивание из-за недостаточной арматуры или неправильного армирования
- Карбонизация, хлориды, щелочно-кремнеземная реакция, сульфаты
-
Карбонизация
- Химическая реакция между углекислым газом и гидроксидом кальция
- Важно контролировать глубину бетонного покрытия
- Хлориды вызывают коррозию арматуры, следует избегать их использования
-
Щелочно-кремнеземная реакция
- Реакция аморфного кремнезема с гидроксильными ионами
- Вызывает локальное набухание и растрескивание
- Условия: заполнитель, гидроксильные ионы, влажность бетона
-
Переработка цемента с высоким содержанием глинозема
- Устойчив к слабым кислотам и сульфатам, быстро схватывается
- Запрещен в Великобритании из-за обрушения балок
-
Сульфаты
- Вступают в реакцию с портландцементом, вызывая разрушение
- Концентрация сульфатов в почве должна быть проверена
- В США используется портландцемент ASTM C150 типа 5
-
Конструкция из стальных пластин
- Ускоряет возведение железобетонных конструкций
- Обеспечивает превосходную прочность
-
Фибробетон, армированный волокнами
- Используется в торкрет-бетоне и обычном бетоне
- Дешевле арматуры, изготовленной вручную
- Важны форма, размер и длина волокна
-
Тонкое и короткое волокно
- Эффективно в первые часы после заливки бетона
- Не увеличивает прочность на разрыв
-
Волокно обычного размера
- Увеличивает прочность на разрыв
- Используется для дополнения или частичной замены арматуры
-
Сталь
- Самый прочный из общедоступных волокон
- Выпускается различной длины и формы
- Используется на поверхностях, устойчивых к коррозии
-
Стекловолокно
- Недорогое и устойчивое к коррозии
- Менее пластичное, чем сталь
-
Базальтовое волокно
- Прочнее и дешевле стекла
- Недостаточно устойчиво к щелочной среде портландцемента
- Используется с пластиковыми связующими
-
Волокна премиум-класса
- Армированные графитом пластиковые волокна
- Почти так же прочны, как сталь
- Легче по весу и устойчивы к коррозии
-
Неметаллическая арматура
- Появилась относительно недавно
- Включает неметаллические арматурные стержни и волокна
- Обладает преимуществами в определенных областях применения
-
Армированный волокнами пластик/полимер
- Состоит из волокон полимера, стекла, углерода и других полимеров
- Устанавливается практически так же, как стальная арматура
- Обладает преимуществами в снижении коррозии и долговечности
-
Стеклопластик
- Прочнее или имеет лучшее соотношение прочности и веса
- Устойчив к коррозии, не требует защитного бетонного покрытия
- Обладает ограниченной огнестойкостью
-
Проблемы и решения
- Ограниченная огнестойкость требует защитной облицовки
- Эффективность поперечного армирования требует специальных методов проектирования
- Растет интерес к внешнему армированию существующих конструкций
-
Бренды и проекты
- Существует ряд брендов композитной арматуры
- Количество проектов с использованием композитной арматуры растет по всему миру