Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Правда о железобетоне


Правда о железобетоне

Подавляющая часть зданий и сооружений на нашей планете построена из железобетона. Для его повсеместного распространения преградой не были ни климатические пояса, ни государственные границы, ни общественно-экономические условия. Он окружает нас всегда и везде, К его присутствию мы привыкли настолько, что почти не отдаем себе отчета о месте бетона в материальной культуре современного мира. А ведь он является тем столпом, на котором держится современное строительство. В нашей жизни он старательно скрывается за облицовкой и всевозможными покрытиями как нечто неприличное, чего не следует выставлять напоказ. А в сущности, мы должны им гордиться,

Париж, 1855 г. Первая всемирная выставка, Среди кринолинов, цилиндров и фраков “доброго старого времени”, рядом с огромным локомотивом Круппа и розовым монгольфьером последней модели затерялся, оставшись почти незамеченным, экспонат француза Ламбо – лодка из металлической сетки, покрытой цементом. Действие происходило под 50-метровыми стальными арками выставочного павильона, построенного специально для этого случая и являвшего собой чудо строительного искусства того времени. И это символично: под сводами из уже широко применяемого и сравнительно хорошо изученного материала – стали -скромно появился материал следующего века – железобетон.

Несмотря на такой документально засвидетельствованный факт, нынешние историки затрудняются назвать имя первооткрывателя этого исключительного материала. Сведений об отдельных изобретениях такого рода не так уж мало, но их половинчатый характер едва ли достаточное основание для присуждения лавров первооткрывателя. А ведь речь идет об открытии “столпа современного строительства”!

В 1861 г. француз Куанье опубликовал первую известную статью, посвященную будущему материалу. В статье описывались его предполагаемые возможности и подчеркивалось, что через некоторое время он займет ведущее положение. В 1967 г. Франция торжественно отмечала 100-летие железобетона, причем “героем дня” был садовник Монье. В 1867 г. он получил первый патент на необычайный симбиоз бетона и стали. Но история часто бывает несправедливой: запатентованные Монье армированные цветочные горшки, трубы и железнодорожные шпалы были эмпирическим продуктом, неким формальным железобетоном, который еще не был оплодотворен теоретической идеей. Она будет наполовину высказана только через 10 лет, а окончательно сформулирована еще 40 лет спустя, чтобы претвориться в жизнь в наши дни.

О бетоне мы рассказывали уже достаточно много. В сущности, это просто искусственный камень. Но, в отличие от природного камня, бетон может принимать различные конструктивные формы, застывать в самых необычных, нестандартных положениях, что делает его идеальным материалом для архитектурно-строительного творчества. С течением времени его прочность на сжатие (а она, как мы уже знаем, действительно каменная) не только не уменьшается, а, напротив, увеличивается. Хотя его рабочая диаграмма сильно отличается от рабочей диаграммы идеально упругого тела, но это не так уж страшно, Хуже то, что деформации реализуются не сразу после нагрузки, а медленно, постепенно, с течением времени; бетон ползет. Такая ползучесть бетона – весьма неприятное свойство, поскольку ведет к перераспределению усилий, которое трудно предусмотреть. Деформируемость бетона является причиной и другого типа перераспределения усилий, которое, в отличие от первого случая, оказывается даже желательным. Пластичность и “податливость” материала подобна аварийным клапанам в паровых котлах; благодаря этому опасность взрыва и катастрофы резко уменьшается. Более того, естественная “податливость” бетона приводит к более активному включению в работу слабо нагруженных сечений элемента, и конструкция используется более полноценно. Разумеется, поскольку это связано с пластическими деформациями, существует и оборотная сторона. Однако важнее другое – отсутствует опасность хрупкого, внезапного разрушения при работе бетона на сжатие.

Низкая цена и недефицитность бетона несколько омрачаются его исключительно малой прочностью на растяжение. Не трудно себе представить, где именно сильнее всего скажется это пренеприятное обстоятельство – в работе бетона на изгиб. Задолго до того, как будет полностью включена в работу зона сжатия и появятся описанные выше пластические явления, растягиваемая зона окажется на пороге разрушения.

А теперь несколько слов о “партнере” бетона — стали. Сталь – один из самых прочных материалов, известных человеку. Но и один из самых дорогих. В железобетоне используется почти исключительно прочность стали на растяжение, благодаря чему получается новый, сверходнородный композиционный материал. Замечательно в этом симбиозе то, что по сравнению со стальными конструкциями расход стали значительно снижается. Роль стали в железобетонных конструкциях подобна роли, которую играет в химических реакциях катализатор: относительно небольшие количества его превращают слабые или даже невозможные в иных условиях реакции в бурно протекающий процесс большого практического значения. Только в случае железобетона речь идет не о химических, а о механических свойствах.

Минимальный расход такого дорогого материала, как сталь, не оказывает большого влияния на стоимость нового продукта. Железобетон несколько дороже бетона, но намного дешевле стали.

Причем сталь в данном случае попадает в “хорошие руки”. Она защищена от коррозии, не нуждается в специальном уходе, а следовательно, и не требует дополнительных затрат. Более того, если даже в железобетонные конструкции закладывается арматура, которая находится в начальной стадии коррозии, то с течением времени она полностью очищается от ржавчины. Сталь хорошо защищена и от воздействия высоких температур, которые могли бы возникнуть во время пожара и самым неприятным образом отразиться на незащищенном металле. Кроме того, бетон и сталь, к счастью, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. В противном случае при изменении температуры возникали бы значительные внутренние напряжения, что сделало бы невозможным сосуществование этих двух материалов. Подобный иммунный барьер у живых организмов обычно ведет к гибели одного из “партнеров”, Между сталью и бетоном такой “иммунной несовместимости” нет.

В железобетоне, как в математике, минусы взаимно нейтрализуются, а плюсы складываются. В результате получается исключительно удачная композиция из двух совершенно противоположных материалов. Сталь сообщает бетону столь необходимую ему прочность на растяжение, а бетон надежно защищает ее от внешних воздействий. Но в чем же “общая идея” этого материала?

Впервые с ее описанием мы встречаемся в американском патенте № 206112, выданном 16 июля 1878 г. на имя Тадеуша Хайата, коренного американца польского происхождения. Там мы можем прочесть: “Цементобетон – это бетон, изготовленный из цемента ... в таком сочетании со сталью круглого сечения, что сталь помещается в областях, где есть растягивающие усилия”, В 1885 г. та же идея была высказана немцем Кёненом.

Действительно, главная, несущая арматура концентрируется в областях, где возникают напряжения-растяжения. Сначала методами строительной механики подробно исследуются усилия – изгибающие и крутящие моменты, нормальные и поперечные силы – и на основе полученной картины конструктор может судить о том, где в процессе эксплуатации или при аварийном состоянии могут возникнуть растягивающие напряжения. В соответствии с их величиной он определяет количество стали, которая должна быть вложена в определенные места железобетонной конструкции. На рис. 32 показаны принципиальные схемы трех наи-, более распространенных железобетонных элементов — балки, плиты и вертикальной диафрагмы высокого здания. Арматура уложена со стороны растягивающих напряжений в бетоне.

Рис. 32. Принцип армирования: сталь к концентрируется в областях, где возпикают растягивающие напряжения

Рис. 33. Принцип работы железобетона основан на прочном сцеплении бетона с арматурой. При совместной деформации 0,015% бетон перестает работать, разрывается. В этот момент напряжение “арматуры составляет около 300 кг/см2. После этого трещины свободно расширя-ются и арматура беспрепятственно растягивается до того момента, пока в ней не возникнут соответствующие напряжения большей величины

Но это лишь часть правды о железобетоне, Необходимо знать, что между сталью и бетоном возникает сильное сцепление, которое практически непреодолимо вплоть до полного разрушения, А это говорит о том, что их деформации идентичны.

Простейшую схему их совместной работы в зоне растяжения мы видим на рис. 33, где показаны символические представители двух материалов в виде тел длиной, равной 1, и сечением, тоже равным 1. Два ‘’ тела связаны в общий блок, который одинаково их деформирует (растягивает) . Таким образом символически отражается сцепление, которое является причиной одинаковых деформаций в двух материалах. Но так как у стали модуль упругости приблизительно в 10 раз больше, чем у бетона, она (в соответствии с законом Гука) при данных деформациях будет работать с растягивающими напряжениями, тоже в 10 раз большими.

В этом и заключается рациональное зерно железобетона. Предельная, разрушительная деформация для бетона при растяжении в среднем составляет 0,15 мм на метр длины. Легко подсчитать, что в этом случае (т. е. при полном использовании сопротивления бетона растяжению) в нем возникнет напряжение 30 кг/см2, а в стали, которая в 10 раз прочнее, – 300 кг/см2. Но напряжение 300 кг/см^ значительно ниже возможностей стали. Как мы помним, расчетное сопротивление арматурной стали класса A-I равно 21.00 кг/смХ Следовательно, несмотря на благопритона, поэтому пластификация там выражена слабо. С известными оговорками их диаграмма может считаться треугольной. С увеличением момента сжимающие напряжения постепенно достигают сравнительно большой величины, которая вполне обоснованно могла бы считаться максимально допустимой при проектировании железобетонных конструкций (стадия II напряженного состояния).

И действительно, стадия II десятки лет (а во многих странах и сейчас) была той базой, на которой проектировались железобетонные конструкции (конечно, если не принимать в расчет первых, архаичных образцов железобетона, основой расчета которых была стадия I)., Но посмотрим, что происходит потом.

С увеличением изгибающего момента начинает пластифицироваться и зона сжатия. Напряжения достигают прочности бетона на сжатие, “поддаются” и расположенные ниже слои. Постепенно диаграмма трансформируется в сильновыпуклую параболу, близкую к прямоугольнику (стадия III). Между тем арматура достигает предела текучести и тоже значительно “поддается”, появляются значительные трещины, и, поскольку бетон не так пластичен, не так деформируем, как сталь, он не выдерживает этого “состояния в деформациях“ и разрушается. Во всяком случае, разрушение начинается со сжимаемой зоны бетона.

Именно III стадия лежит в основе расчета железобетонных конструкций в СССР и других развитых странах, включая и НРБ. Многолетние исследования и богатый практический опыт дают достаточно оснований считать, что это не “балансирование на краю пропасти”, а единственно II целесообразный подход, отвечающий индивидуальности такого специфического материала, как железобетон.

Заслуживает внимания тот факт, что в различных сечениях одного 1 и того же элемента одновременно наблюдаются все стадии напряженного состояния. Так, например, балка, показанная на рис. 34, в середине | при максимальном моменте уже работает в стадии III, а с приближением к опорам и соответствующим уменьшением моментов последовательно переходит в стадии II, 1а и I,

Но у читателя не должно оставаться впечатление, что образование трещин в обычном железобетоне является чем-то полезным. Скорее, это неизбежное зло. При наличии трещин в зоне растяжения возникает опасность коррозии арматуры, а это и впрямь удар по одному из ценнейшю качеств железобетона. Ширина трещин должна ограничиваться, и в некоторых случаях, например в гидротехнических сооружениях, ограничение : это весьма существенное. С другой стороны, трещины значительно уменьшают общую прочность железобетонных элементов и конструкций, Кроме того, исключается возможность использования высокопрочных ‘ сталей, так как большие напряжения, которые они могут воспринять, сопровождаются значительными деформациями, т. е. образованием недопустимых трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растет гораздо быстрее, чем их стоимость, и их использование с экономической точки зрения является весьма целесообразным.

Но так или иначе трещины в обычных железобетонных конструкциях неизбежны, и мы вынуждены с этим мириться. Интересно, однако, что первое время специалисты совсем не хотели мириться с трещинами.

В течение первого десятилетия нынешнего века было выполнено множество железобетонных конструкций, и в результате наблюдений за ними в инженерном мире возникла паника. Было обнаружено трещинооб-разование. Для тогдашней строительной практики, имевшей дело со сталью, камнем и деревом, трещина была синонимом катастрофы, несомненным признаком цепной реакции грозной строительной аварии. Оказалось, что наличие арматуры в зоне растяжения не предотвращает растрескивания бетона. Мы об этом уже знаем, а тогдашние строители даже не подозревали.

Последовали самые крутые меры. В 1909 г. главный инженер немецких железных дорог от имени своего ведомства обязал инженеров-строителей повысить устойчивость бетона к образованию трещин с 30 до 150%. Этому примеру последовали и в других странах. Можно себе представить, каких мощных сечений и каких огромных количеств стали требовал подобный подход. Итак, на карту поставлено будущее железобетона...

Эти временные колебания, обусловленные низким уровнем тогдашних знаний, стимулировали поиски такого железобетона, который работал бы без трещин. Поэтому с самого начала развитие этого странного материала шло двумя различными, независимыми один от другого путями, вследствие чего до нас дошли принципиально различные его формы, настолько различные, что многие специалисты считают грубой ошибкой объединять их под общим названием “железобетон”.

Пусть сопротивление бетона растяжению невелико, рассуждали тогдашние специалисты, пусть он легко трескается, но зато он обладает большой прочностью на сжатие. Нельзя ли предварительно создать в нем настолько сильные сжимающие напряжения, чтобы в эксплуатационном состоянии напряжения растяжения были полностью нейтрализованы? В таком случае бетон теоретически почти не нуждается в арматуре; он превращается в новый материал, совершенно отличный от исходного, с гораздо большими возможностями.

Время убедительно доказало рациональность этой простой, на первый взгляд, идеи.

Рассмотрим пример на рис. 36, где представлена бетонная балка на двух опорах, которая воспринимает нагрузку, в десятки раз большую, чем та, что могла бы привести к образованию трещин и разрушению. В нижней ее части, т. е. там, где ожидаются эксплуатационные растягивающие напряжения, оставлен канал, через который протянут напрягающий элемент — высокопрочная сталь. С помощью мощных прессов канат растягивается — напрягается, а затем анкеруется в концах элемента. Получается внутренне уравновешенная система — растяжение в стали, которое вызывает сжатие в бетоне. Отдельные параметры напряжения могут быть рассчитаны таким образом, чтобы растягивающие напряжения от внешней нагрузки” были полностью нейтрализованы. Это можно видеть по диаграмме нормальных напряжений на рис. 36: диаграмма предварительного напряжения суммируется с напряжением от эксплуатационной нагрузки, в результате чего получается лишь сжатие по высоте всего сечения.

Разумеется, в бетоне могут также допускаться и определенные растягивающие напряжения, что приведет к экономии. В этом случае предварительно напряженный бетон будет работать в стадии, или, как принято в некоторых странах, — в стадии 1а. О трещинах не может быть и речи. Получается новый бетон, по поведению близкий к упругим материалам.

Рис. 36. Бесценная идея под названием “предварительно напряженный железобетон”

В сущности, то, что описано выше, является основным в идее предварительного напряжения. В действительности конструкции весьма разнообразны по форме, назначению и нагрузке, но подход один – детальное исследование действия нагрузок, выделение зоны растяжения и расчет параметров возникающих напряжений. Весьма интересны методы создания предварительных напряжений сжатия в бетоне. Здесь еще раз обна^ ружилась безграничная изобретательность человека. Среди множества с» мых разнообразных методов предварительного напряжения можно вы/1Я лить две основные группы: напряжение до бетонирования и напряжещЯ после бетонирования. В первом случае бетон укладывается на напряжеИ ную арматуру; после его схватывания арматура ослабляется и за счЯ сцепления, которое возникает между обоими материалами, передам усилие на бетон. Для предварительного напряжения используют тонкиЯ высокопрочные нити (струны, проволока), а также канаты, скрученные пучки и т. д. Это – высокоиндустриализованный метод производства предварительно напряженных железобетонных элементов, поэтому он! применяется в заводских условиях и предназначен для сборного строительства. На заводе элементы чаще всего изготовляют на длинном стенде. На натянутые напрягающие стальные элементы длиной в десятки метров укладывается бетон сразу для многих железобетонных изделий.

Основным недостатком этого метода является то, что проволока имеет прямолинейную форму, что ограничивает область применения таких железобетонных элементов. Зато напряжение после бетонирования» о котором мы уже рассказали (рис. 36), – метод почти универсальный.

Рис. 37. Рекламная балка из предварительно напряженного железобетона

Напрягающие элементы в виде пучков стальной проволоки, кабелей или канатов помещают в специально для этого оставленные каналы, приблизительно соответствующие траекториям главных растягивающих напряжений. После “натяжения” напрягающие элементы должны быть заанкерованы в конструкции, чтобы передать ей свою силу. А ведь конструкция может весить десятки, сотни и даже тысячи тонн! Поэтому необходимы специальные закрепляющие приспособления (анкеры). Универсальность и большие возможности этого метода несколько омрачаются его трудоемкостью, сложностью и замедлением темпов работ.
Почти полвека назад на одной выставке во Франции посетители удивленно останавливались перед странным экспонатом, как будто опровергающим законы механики и вызывающим мысль об антигравитации. Экспонат — модель мостовой балки в масштабе 1:10 — состоял из пяти отдельных бетонных частей (рис. 37) удивительно малого поперечного сечения, соединенных встык без каких бы то ни было связей между ними. Балка была невероятно тонкой, ее высота была в 33 раза меньше ее длины (у обычных железобетонных конструкций это соотношение в два-три раза меньше). Экспонат не только не падал, но еще спокойно выдерживал демонстрационную нагрузку в 1200 кг без видимого прогиба, причем отдельные его части оставались плотно пригнанными одна к другой.

Эта “умопомрачительная”, по определению тогдашних журналистов, конструкция была представлена и с определенной пропагандистской Целью. Она должна была привлечь внимание государственных ведомств и частных фирм к возможностям предварительного напряжения, поскольку, как можно видеть на рисунке, альфой и омегой всего был параболический (фактически скрытый от глаз) напрягающий кабель, который держал бетон в режиме постоянного и сильного сжатия.

Работа в режиме постоянного сжатия – вот объяснение как приведенного выше примера, так и всего направления в развитии железобетонных конструкций, названного “предварительно напряженный железобетон”, То сжатие в рассматриваемом случае было настолько велико, что полостью нейтрализовало действие внешней нагрузки и обеспечивало плотность швов между блоками. Отсюда следует одно важное требование к конструкциям такого рода – они неприменно должны быть высокопрочными. В противном случае предварительное напряжение израсходует сопротивление бетона сжатию, а внешняя нагрузка, увеличивая напряжения сжатия в отдельных точках, приведет к разрушению.

Такое же требование предъявляется к сталям для напрягаемой арматуры. Они должны быть специальными, высокопрочными, с огромным сопротивлением, так как иначе они не смогут создать в бетоне достаточно сильных предварительных напряжений. По рассмотренным выше причинам такие стали неприменимы в обычных железобетонных конструкциях, где при их действии в полную силу своих возможностей образовывались бы трещины недопустимой величины.

Положительных сторон у предварительного напряжения много. Так, например, конструкции этого рода легки, экономичны и по эстетическому воздействию значительно превосходят обычный железобетон. Их большая жесткость и несущая способность дают возможность перекрывать огромные пролеты, которые считались монополией только обычных железобетонных конструкций. Но обычный железобетон уже имеет конкурента, хотя тоже на основе вездесущей стали, но используемой в совсем малых количествах. По-видимому, это высшая форма строительства из бетона — форма, возможности которой далеко не исчерпаны.

Вот мы и рассказали о двух формах, в которых доказал свое право на жизнь один безнадежный материал. Пути обычного предварительно напряженного железобетона пересекаются. Имея свой специфический облик, возможности и области применения в современном строительстве, они прекрасно дополняют друг друга.





Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум