Бетон — расчет, сопротивление, сжатие, растяжение

Содержание:

1. Необходимость расчета сопротивления бетона нагрузкам на сжатие и растяжение 
2. Нормативное и расчетное сопротивление бетона
3. Основные критерии для расчета прочности и несущей способности бетона 
4. Что означает класс бетона по современным нормативам 
5. Дополнительные данные для оценки несущей способности бетона 
6. Оценка нагрузок на бетонную конструкцию для определения несущей способности 
7. Использование предварительно напряженных ЖБИ для повышения несущей способности конструкций

Необходимость расчета сопротивления бетона нагрузкам на сжатие и растяжение 

Общая прочность конструкции складывается из прочности ее составляющих, для которых определен характер взаимодействия. При разработке проекта жилого, коммерческого и промышленного сооружения создается раздел бетонных и железобетонных конструкций, в котором должны быть приведены данные о прочности частей и узлов, подтвержденные расчетами. Для проектирования бетонных узлов и конструкций используется таблица сопротивления бетона по классу на сжатие и растяжение по нормативным значениям. Важно учитывать, что нормативное растяжение, которое способен выдержать бетон, гораздо ниже нормативного сжатия того же материала в силу его свойств и структуры.

Нормативное и расчетное сопротивление бетона

До 2001-го года проектировщик мог опираться только на показатель прочности бетона, выраженный маркой "М" с указанием средней кубиковой прочности материала (15 х 15 см) в килограммах на квадратный сантиметр. Позднее, с изменением требований в СНиП 2.03.01 и СП 52-101-2003 был введен еще один показатель — класс бетона "В", отражающий сопротивление бетона сжатию в МПа. Для его определения кубиковый образец того же размера подвергают разрушающему воздействию до момента повреждения структуры материала. Сила, приложенная в момент, когда материал утрачивает целостность и прочность, фиксируется в МПа и указывается как класс бетона, например В30. Это осевая нагрузка на сжатие и растяжение, которая считается наиболее распространенной в бетонных конструкциях — на ее основе рассчитывается нормативное осевое сопротивление бетона сжатию. 

Итак, нормативное и расчетное сопротивления бетона — взаимосвязанные показатели, первый из которых используется при проектировании. Они отражают критерии прочности и несущей способности конструкции с точки зрения соответствия строительным и проектным требованиям. Особенность использования этих данных состоит в том, что расчет требуется при заливке бетонных и железобетонных монолитов, когда необходимо из нормативных значений получить расчетные. 

Марка бетона указывает среднюю степень прочности куба раствора в килограммах на квадратный метр. Класс бетона отражает прочность куба с точностью 0,95 в мегопаскалях с учетом неоднородности в диапазоне минимальных и максимальных значений. 

Основные критерии для расчета прочности и несущей способности бетона 

Расчетное сопротивление бетона обозначают как RB, RBT, для применения к определенной конструкции применяется коэффициент ybi. Этот коэффициент позволяет адаптировать результат расчета к задаче проектирования на объекте с конкретными условиями. Практически коэффициент составляет "1" при расчете эксплуатационной пригодности бетона и "1,3" при расчете максимальной несущей способности детали или узла. 

Расчет прочности и несущей способности бетона на растяжение предусматривает применение коэффициента ybi:

• 1,5 при наибольшей несущей способности материала с установленным классом по сжатию;
• 1,3 для расчета максимальной несущей способности по осевому растяжению;
• 1 для определения эксплуатационной нагрузки. 

Здесь стоит обратить внимание, что расчетное сопротивление бетона растяжению выводится больше чем для сжатия, поскольку монолит имеет имеет меньшую прочность на разрыв, чем на сжатие.  

Расчетное сопротивление бетона сжатию выводится при условии знания его класса. Для этого из таблицы берутся значения для подстановки в формулу Rb=Rbn/γb, где:

Rb — расчетные данные нагрузки для сжатия по оси;

Rbn — множитель, взятый по нормам для расчетов;

γb — коэффициент из таблицы.

Для расчета осевого растяжения применяется формула Rbt=Rbtn/γbt, где:

Rbt — расчетные данные для сопротивления осевому сжатию;

Rbtn — множитель, предусмотренный нормами;

γbt — коэффициент из таблицы.

Коэффициент может применяться для учета нагрузок:

• кратковременные - 1;
• длительно действующие - 0,9;
• для бетонного монолита с вертикальной заливкой — 0,9. 

Кроме того, в проекте используются дополнительные коэффициенты, отражающие воздействие природных условий, площадь сечения изделия, назначение и характер взаимодействия с другими деталями и узлами. 

Что означает класс бетона по современным нормативам 

Класс бетона отражает его способность выдерживать расчетные и нормативные нагрузки комплексно. Применявшийся раньше классификатор М (марка прочности) в килограммах на см.кв не давал полного представления о реальной и нормативной прочности. Указание класса бетона в готовой таблице позволяет сразу получить все необходимые значения. Если по старому стандарту можно получить представление о прочности материала на сжатие по среднему значению, то класс бетона позволяет представить прочность в зависимости от степени растяжения и сжатия. С точки зрения проектирования это более полный, комплексный показатель. 

Класс бетона отражает его способность оказывать осевое сопротивление в объеме 1 кубического метра по СП. При этом необходимо учитывать, что монолитные конструкции не обладают изотропностью свойств по всем осям и во всех частях — на отдельном участке монолита показатель может отличаться от нормативного и расчетного. 

Здесь можно ввести коэффициенты, применяемые для учета различных факторов, взяв из таблиц в нормативных документах. Переход к нормативным значениям прочности бетона на сжатие и растяжение позволяет упростить процесс проектирования и использовать готовые значения из таблиц. По принципу подстановки работают и автоматизированные программы для проектирования бетонных и железобетонных конструкций. При этом неоднородность материала учитывается в стандарте путем введения диапазона минимальных и максимальных значений прочности для расчетного и нормативного сжатия. 

Для расчета сопротивления бетона сжатию конструкции с учетом его неоднородности используется формула R=Rn/g, где g является коэффициентом степени прочности, который можно принять за 1 при однородности монолита. 

Например, бетон класса В25 пригоден для заливки фундамента, изготовления монолитных балок и плит, так как его прочность составляет 327 кг на кв.см. В частном строительстве для тех же целей допускается использование бетонов класса В20, если ограничена этажность и расчетная нагрузка от веса конструкции. 

Дополнительные данные для оценки несущей способности бетона 

Влагостойкость бетонного раствора указывает на способность ЖБК выдержать давление, оказываемое жидкими субстанциями. Это важно при проектировании подземных конструкций, фундаментов и цоколей, подводных сооружений и набережных. 

Воздухопроницаемость бетона позволяет косвенно оценить его прочность. Показатель находится в широком диапазоне значений 3 - 130 с/куб.см.

Морозостойкость отражает общее количество циклов полного промерзания и оттаивания без потери прочности и разрушения структуры бетона — диапазон значений от 50 до 100. 

Теплопроводность зависит от пористости и наполнения монолита воздухом. Она растет при снижении плотности бетона. Поэтому газобетоны и пенобетоны классифицируют как теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные и конструкционные — прочность регламентирована ГОСТ. Конструкционный бетон и блок из него обладают высокой теплопроводностью, поэтому при высокой прочности требуют утепления. 

Оценка нагрузок на бетонную конструкцию для определения несущей способности 

В ранее опубликованной статье мы описывали принципы расчета несущей способности бетонной плиты перекрытия. Переход к использованию готовых ЖБИ позволяет упростить проектирование, так как значения нагрузок на отдельную деталь уже нормированы. Достаточно сделать расчеты нагруженности для конкретного сооружения и подобрать изделия с параметрами из соответствующего диапазона. Например, бетонная плита фундамента класса В25 позволяет сформировать прочное основание для строительства в три и более этажей. Пустотную плиту перекрытия ПБ можно использовать в малоэтажном и проектном строительстве, зная, что класс бетона В15 - В25 в сочетании с оптимальными размерами позволяет создать надежную горизонтальную конструкцию облегченного веса. Это существенно улучшает соотношение собственного веса плиты и ее несущей способности. Дополнительный расчет не требуется, поскольку класс бетона уже внесен в таблицы вместе с показателями нормативной и расчетной прочности. 

Использование предварительно напряженных ЖБИ для повышения несущей способности конструкций   

Принцип предварительного напряжения железобетонной детали состоит в том, что при ее изготовлении намеренно создаются нагрузки, противоположные возникающим при эксплуатации. Эффект взаимной компенсации нагружения дает возможность повысить несущую способность детали без значительного прироста ее веса. 

Реализация предварительного напряжения в ЖБИ:

• при заливке раствора оставляют пустоты для арматуры, которая по мере твердения формы натягивается и перераспределяет нагрузки;
• арматура натягивается заранее, форма заливается раствором, что в процессе твердения дает эффект предварительного сжатия бетона;
• в формы смесь с цементом НЦ, которая взаимодействует с арматурой по мере твердения и увеличения собственного объема, создавая ее растяжение и эффект предварительного сжатия детали. 

Расчеты прочности на сжатие, растяжение и несущую способность таких изделий упрощаются за счет использования таблиц. Несущая способность при деформациях возрастает, а собственный вес остается в нормальных пределах. Более высокая стоимость в сравнении с ненапряженными армированными ЖБИ компенсируется за счет повышения прочности и несущих характеристик конструкции.