Основные принципы проектирования железобетонных конструкций

Железобетонные изделия изготавливают из бетона (цемент, песок, вода и наполнители) и стальной арматуры. Историю возникновения железобетона связывают с именем французского садовника Монье, который в период с 1877 по 1883 запатентовал железнодорожные шпалы, перекрытия, балки, своды и мосты из железобетона. С тех пор железобетон стал одним из самых популярных материалов, используемых для строительства.

Его использование в строительстве обосновано высокой жесткостью, сопротивляемостью агрессивным атмосферным воздействиям, пожаростойкостью, долговечностью, способностью выдерживать высокие динамические нагрузки. Сочетание бетона и арматуры удешевляет строительство, повышает технологичность процесса.

Монолитный железобетон и железобетонные изделия: различия

Железобетон монолитный применяют, преимущественно, в промышленном и гражданском строительстве, причем в последнее время часто стали сочетать монолитный железобетон и бетонные изделия, например, при строительстве жилых домов, несущие конструкции выполняются из монолита, а ограждающие и внутренние – из облегченных бетонных блоков.

Железобетонные изделия – гораздо более универсальны. Они применяются не только в массовом строительстве, но и в частном. Железобетон долговечнее прочих современных строительных материалов. Правильное изготовление, монтаж и эксплуатация железобетонных изделий продлевают несущую способность ЖБИ практически на неограниченное время, поскольку со временем, по мере испарения воды, бетон укрепляется, а металлическая арматура внутри бетона защищена от коррозии.

Прежде чем приступить к строительству или изготовлению железобетонных изделий, необходимо осуществить соответствующие расчеты для того, чтобы определить оптимальный состав бетона, подбора марки и диаметра стальных прутьев. Неправильный расчет может привести к тому, что конструкции будут разрушены преждевременно, и к завышению расходов на строительство.

Основы проектирования

При проектировании ЖБИ используют разные методы, направленные на расчет по пригодности их к нормальной эксплуатации и несущей способности изделий. По характеру деформационных нагрузок железобетонные изделия разделяют на изгибаемые элементы и центрально и внецентрально сжатые элементы. К первым относятся плиты и балки, ко вторым – колонны.

В применении к железобетону рассматривают 2 формы разрушения и 3 стадии напряженно-деформированного состояния.

Три стадии:

1. до появления в растянутой зоне бетона трещин (арматура и бетон совместно принимают растягивающие усилия);
2. после появления трещин (в местах трещин усилия воспринимаются арматурой, в остальных зонах – арматурой и бетоном совместно);
3. стадия разрушения (усилия в зоне изгиба арматуры достигают предела текучести материала).

Эти три стадии были положены в основу экспериментальных разработок методов расчета железобетонных изделий.

Формы разрушения:

1. по нормальным сечениям от действия изгибающего момента;
2. по наклонным сечениям от применения наклонных сил.

Расчет арматуры производится при установке в растянутые зоны бетона для предотвращения разрушающих деформаций. Устанавливают арматуру в направлениях действия растягивающих напряжений, при этом продольная арматура нормализует напряжение на бетон в нормальных сечениях, а поперечная – в наклонных. В сжатых элементах прутья продольной арматуры равноценно с бетоном воспринимают нагрузку, а поперечная арматура предохраняет изделие от деформаций относительно оси.

Методы расчета железобетонных изделий

• Метод, предусматривающий расчет соответствующих сечений по допускаемым напряжениям. В этом методе принят ряд допущений, суть которых сводится к тому, что площадь сечения арматуры заменяется площадью сечения бетона. При этом бетон рассматривается как упругий материал, что не позволяет определить настоящее напряжение в материалах и правильно рассчитать запас прочности изделия, приводит к перерасходу материалов, в частности арматуры. Тем более неэффективен, в связи с развитием новых видов бетона и сталей высокой прочности.
• Метод, предусматривающий расчет по разрушающим усилиям (по предельным состояниям), основан на установлении предельных состояний конструкции с введением системы расчетных коэффициентов, учитывающих максимально неблагоприятные сочетания нагрузок и наименьшие показатели прочности материалов. Этот метод позволяет несколько сэкономить ресурсы при производстве железобетонных изделий.

Значения нагрузок, соответствующих различным видам воздействия на изделие, а также показатели сопротивления различных марок стали для арматуры и марок бетона устанавливаются СНиП. Выделяют несколько видов нагрузок:

• постоянные – от действия несущих и ограждающих конструкций зданий, воздействия грунтов;
• длительные – от воздействия оборудования, стационарно установленного в помещениях, действия нагрузки в складских помещениях, временных нагрузках в жилых домах;
• кратковременные нагрузки – нагрузки, которые действуют на изделия и элементы непродолжительное время, например, при изготовлении, транспортировке и монтаже железобетонных изделий;
• особые нагрузки – сейсмические, взрывные, вызванные подвижками грунта и прочими аварийными состояниями, влияющими на изделие.

Таким образом, при проектировании железобетонных изделий необходимо, прежде всего, определиться с условиями их эксплуатации, рассчитать суммарные действия нагрузок в соответствии со СниП и определить состав бетонной смеси и качества стали арматуры. Правильный расчет может не только продлить срок службы железобетонных конструкций, но и сократить стоимость их производства.