Как бетон реагирует на изгиб и как сделать его прочнее?

Представим, что вас попросили спроектировать бетонную балку для некоторых секций здания. Что вы выбираете? Чистый бетон или железобетон?Последний, правда? Но какой именно железобетон? Сбалансированный, недостаточно усиленный или чрезмерно усиленный?

Здесь мы ответим на этот вопрос, а также поговорим в более общем плане об истории бетона и его физических свойствах.

 

Сколько лет бетону?

Прежде чем мы углубимся в основную тему основной темы, давайте кратко рассмотрим интересную историю бетона. Возможно, вы уже более чем знакомы с бетоном, но, скорее всего, вы не понимаете, сколько ему лет. Фактически, поскольку сегодня он настолько распространен, вы, вероятно, принимаете этот чудесный материал как должное. Однако это в высшей степени несправедливо – бетон – очень древний и интересный материал.

Некоторые из первых свидетельств существования бетонных структур относятся к 6500 году до нашей эры. Существуют свидетельства того, что ранние конструкции, такие как полы, некоторые элементы жилых домов и подземные цистерны, были построены в некоторых регионах Сирии и Иордании, а также вдоль Дуная.

В следующий раз бетон, похоже, получил широкое распространение примерно в 3000 году до нашей эры. Древние египтяне обычно смешивали грязь с соломой для изготовления сушеных кирпичей. Чтобы связать эти кирпичи вместе, древние египтяне использовали комбинацию гипсового и известкового раствора, в том числе в пирамидах. Такой раствор представляет собой разновидность цемента, который является важным элементом бетона. Великие пирамиды Гизы, например, использовали где-то в районе полумиллиона тонн этого раствора. Некоторые исследования показали, что части некоторых пирамид могли быть построены с использованием строительной техники наливного бетона. Судя по всему, этот метод использовался на пирамидах вместо перетаскивания гигантских камней.

Одним из самых важных нововведений в ранней истории бетона стало появление римского бетона. Хотя римляне, конечно, не были первыми, кто изобрели бетон, они были первыми, кто использовал его повсеместно. Примерно ко 2-му веку до нашей эры римляне более или менее усовершенствовали эту технику, используя комбинацию вулканического пепла, извести и морской воды для образования смеси. И римляне, и греки добавляли пуццолановый пепел, предотвращающий распространение трещин. Затем эту смесь упаковывали в деревянные рамы для отверждения, и после затвердевания бетонные блоки складывались как кирпичи. Римский бетон был настолько хорошо сделан, что многие римские бетонные сооружения все еще стоят сегодня, например, купол Пантеона.

После падения Рима бетон переживал некоторый перерыв в своем развитии до 1793 года, когда Джон Смитон открыл более инновационный метод его изготовления. Позже, в 1800-х годах, Джозеф Аспдин изобрел портландцемент, открывший двери для современного использования бетона.

 

Какова прочность бетона на разрыв?

Бетон на протяжении всей истории использовался во многих строительных проектах по одной веской причине – он прочный, очень прочный. Более того, его довольно легко создать и использовать. Но не весь бетон одинаков. Сегодня качество бетона во многом определяется его прочностью. Хотя физические свойства бетона могут незначительно отличаться в зависимости от его состава, нам известны характеристики некоторых распространенных форм бетона.

Например, портландцемент (одна из наиболее распространенных форм бетона) имеет следующие физические свойства:

Плотность – ρ: 2240 – 2400 кг / м3 (140 – 150 фунтов / фут3)

Прочность на сжатие: 20-40 МПа (3000-6000 фунтов на кв. Дюйм)

Прочность на изгиб: 3-5 МПа (400-700 фунтов на кв. Дюйм)

Предел прочности – σ: 2-5 МПа (300-700 фунтов на кв. Дюйм)

Другие формы бетона, особенно те, которые используются для строительных целей, обычно должны иметь значительно улучшенную прочность на сжатие и растяжение, чем у «ванильного» портландцемента. Например, некоторые промышленные стандарты, такие как ACI 318, требуют, чтобы бетон имел прочность на сжатие от 5000 до 6000 фунтов на квадратный дюйм или более.

Когда мы говорим о прочности бетона, обычно предполагается, что это относится к его прочности на сжатие, как подробно описано выше. Но для многих структурных применений бетона также требуется, чтобы он сопротивлялся изгибу.

Это зависит от типа нагрузки, которую данная бетонная конструкция будет выдерживать, будь то все здание или только один этаж офиса. По этой причине для разных целей в здании используются разные типы бетона.

В зависимости от предполагаемого использования, рассматриваемый бетон необходимо будет оценить на его способность изгибаться или не изгибаться, сопротивляться растяжению, сдвигу (разные слои движутся в другом направлении) и сил кручения (скручивание). ), и т.д.

Что касается прочности бетона на растяжение, испытания показали, что, как правило, прочность бетона на растяжение обычно составляет около 10% от его прочности на сжатие (как мы видим выше для портландцемента). Какое давление выдерживает бетон? Ответ на этот вопрос зависит от того, что подразумевается под «давлением». Давление обычно определяется как «действие силы на какое-либо препятствие или противодействующую силу». Хотя вы можете предположить, что это означает давление на что-либо, это также может включать изгиб, изгиб, скручивание и т.д. Бетонной конструкции, в зависимости от ее применения (например, колонна, стена, пол). Каждое из этих различных “давлений” на кусок бетона будет обрабатываться бетоном по-разному. Фактически, большинство конкретных формул будут специально разработаны для противодействия той или иной из этих сил по-разному, в зависимости от предполагаемого использования. Если бетон будет использоваться для несущих колонн в высотном здании, таком как небоскреб, он должен иметь очень высокую прочность на сжатие (более 5000 фунтов на квадратный дюйм), а также высокую прочность на сдвиг и кручение.

Если бетон предназначен для пола, сжимающая сила будет менее важной, и, вероятно, потребуется наилучшая доступная прочность на растяжение и изгиб.

 

Как укрепляется бетон?

Как бы вы ни пытались поиграть с химией бетонной смеси, наступает момент, когда к ней нужно добавить что-то еще. Здесь железобетон вступает в свои права.

По сути, эта композитная конструкция сочетает в себе прочность бетона и стали, чтобы сделать материал даже более прочным, чем любой другой. Бетон очень хорошо сопротивляется сжимающим силам, но хуже сопротивляется другим силам, таким как сдвиг или растяжение. Поэтому его обычно считают хрупким материалом.

Сталь, с другой стороны, менее способна противостоять сжатию, но отлично противостоит сдвигу и растяжению – например, ветру, землетрясениям, вибрациям и т. д. Вот почему сталь часто называют пластичным материалом.

На практике это означает, что бетон будет выдерживать нагрузку до определенного момента, но затем резко разрушится. С другой стороны, сталь сначала сопротивляется, затем деформируется и, наконец, ломается при гораздо более высоких уровнях деформации, чем бетон.

Комбинируя два материала, вы создаете структуру, которая может противостоять сильному сжатию, а также выдерживать высокие усилия сдвига и растяжения.

Это позволяет использовать железобетон для создания больших пролетов, чем это было бы безопасно в противном случае. Железобетон был впервые создан в 19 веке и впоследствии произвел революцию в строительной отрасли.

 

В чем разница между железобетонными балками и перекрытиями?

Когда дело доходит до использования бетонных балок для перекрытия пустоты, основная сила или нагрузка на балки, как правило, направлена ​​вниз (благодаря силе тяжести). Это приведет к оседанию самой верхней части, в частности, составляющих волокон балки, что приведет к возникновению сжимающих сил по всей верхней половине бетонной балки. И наоборот, самая нижняя половина балки будет растягиваться или растягиваться.

Также есть тонкий участок балки, точно посередине его поперечного сечения, называемый «нейтральной осью», где волокна не испытывают ни растягивающих, ни сжимающих сил.

Как мы уже видели, сопротивление сжимающей силе – это хлеб с маслом для бетона, но он менее способен противостоять растягивающим силам (примерно 10% от его прочности на сжатие). Вышеупомянутый сценарий, по сути, является чем-то вроде кошмара.

Итак, как можно смягчить эту потенциальную проблему? Если вы читали раздел выше, вы, вероятно, уже знаете ответ – воткните немного высокопрочной стали в нижнюю часть балки!

Когда дело доходит до добавления стали в бетонные балки, есть несколько способов сделать это:

– сбалансированная секция;

– более усиленная секция;

– под усиленной секцией.

Как вы понимаете, у каждого есть свои сильные и слабые стороны.

Сбалансированные секции, как следует из названия, предлагают компромисс, при котором верх и низ балки одновременно достигают своих максимальных значений деформации или пределов. Это достигается за счет стратегического размещения ряда стальных стержней по самому нижнему периметру (относительно его поперечного сечения) бетона.

Излишне армированная секция, как следует из названия, включает больше стали, чем обычно требуется, для усиления бетонной балки. Добавление большего количества стали в основу бетона приведет к тому, что линия «NA» будет ближе к основанию балки, чем для неармированных или сбалансированных секций.

Напротив, у недоусиленных секционных балок, как вы уже догадались, меньше высокопрочных стержней, чем у сбалансированных. Это приводит к тому, что «NA» бетонной балки находится ближе к верху бетонной балки, чем у сбалансированных или армированных секций.

Под воздействием напряжения как уравновешенные, так и чрезмерно армированные секции приведут к тому, что самая верхняя бетонная половина балки сначала сломается. В случае армированных балок сталь принимает на себя основную нагрузку и разрушается задолго до того, как бетон.

Но разве это не проблема? Вообще-то, нет. Когда сталь достигает предела текучести при деформации, она начинает растягиваться и изгибаться.

Это приведет к изгибу балки, что даст инженерам не только визуальную индикацию надвигающейся катастрофы, но и время, чтобы что-то с ней сделать. С другой стороны, сбалансированные и чрезмерно усиленные секции выйдут из строя в кратчайшие сроки, прежде чем кто-либо получит хотя бы малейшее указание на проблему.

В любом случае балка в конечном итоге выйдет из строя, когда бетон раздробится и сломается.

Но у недостаточно усиленных секций есть и другие преимущества. Сверхармированные и до некоторой степени сбалансированные секции, как правило, дороже в строительстве по сравнению с недостаточно армированными секциями.

По этой причине в большинстве случаев бетонные балки с нижним усилением обычно предпочтительнее сбалансированных или чрезмерно армированных, поскольку они более экономичны и в целом более безопасны.

Итак, поехали. В следующий раз, когда вы окажетесь в споре о том, какой тип сечения бетонной балки выбрать, теперь вы можете с уверенностью ответить.

Источник: interestingengineering.com