Лекція "Короткий історичний огляд розвитку залізобетону"

Короткий історичний огляд розвитку залізобетону

Перший патент на використання залізобетону у будівництві одержано у Франції. Першою відомою конструкцією був човен, створений французом Ламбо у 1849 році з дротяної сітки, покритої цементним розчином.

Найпростіші залізобетонні балки та плити з’явилися в період 1860-1880 рр. Вони були досить примітивними, арматуру в них розміщали за інтуїцією, оскільки принципи роботи ЗБК ще не були відомі. Широкі пошуки конструктивних форм залізобетону і принципів його армування почалися приблизно із 1880 р.

У 1891 році в Петербурзі під керівництвом професора М.А.Белелюбського розпочалися дослідження залізобетонних плит, склепінь, труб, резервуарів та аркового мосту прольотом 17 м. У той же час розпочала систематичні дослідження ЗБК механічна лабораторія Інституту інженерів шляхів сполучення і у 1899 році на залізницях Росії почали застосовувати залізобетон.

У 1904 році в м. Миколаєві вперше в світі було збудовано залізобетонний маяк заввишки 40 м, а у 1908 році вперше в Європі зведено залізобетонні безбалкові перекриття складу молочних продуктів у Москві.

У 30-х роках француз Е.Фрейсіне запропонував і впровадив у будівництво попередньо напружений залізобетон.

У колишньому СРСР у період 20-х років створюються проектні організації, які розробляють проекти великих промислових підприємств та інженерних споруд: Волховська та Дніпровська ГЕС, Московський метрополітен, міст через р. Дніпро у Дніпропетровську, Перший державний підшипниковий завод, друкарня газети «Правда».

Починаючи із 1928 року, в будівельну практику ввійшли розроблені радянськими вченими Б.Власовим, О.Гвоздьовим, П.Пастернаком тонкостінні просторові покриття — оболонки, складки, бані.

Із розширенням використання залізобетону удосконалюються і методи розрахунку ЗБК. До 1938 року в СРСР ЗБК розраховували за методом допустимих напружень, суть якого полягає у тому, що залізобетон розглядали як пружний матеріал. Епюру напружень у стиснутій зоні бетону приймали трикутною. Справедливими вважалися гіпотеза плоских перерізів та закон Гука. Насправді залізобетон є пружно-пластичним матеріалом і уже при малих навантаженнях в ньому поряд з пружними виникають пластичні деформації. Тому виникає об’єктивна необхідність створення нової теорії розрахунку ЗБК, яка б відбивала їхній справжній напружено деформований стан.

У 1938 році в норми проектування було введено метод розрахунку ЗБК за руйнівними зусиллями, який запропонував на основі широких експериментальних досліджень А. Лолейт. Згідно з цією теорією розрахунок міцності залізобетонних елементів (далі ЗБЕ) виконували на стадії руйнування у припущенні, що і в бетоні і в арматурі одночасно досягаються граничні напруження. Епюру напружень у бетоні стиснутої зони спочатку приймали у вигляді кубічної параболи, а потім за пропозицією П. Пастернака замінили на прямокутну. При цьому методі розрахунку відпала необхідність у використанні гіпотези плоских перерізів та закону Гука. Основним недоліком цього методу розрахунку став єдиний коефіцієнт запасу міцності перерізу (відношення руйнівного зусилля до зусилля на стадії експлуатації), який не міг врахувати з достатньою точністю вплив великого числа факторів на несучу здатність конструкцій, а саме: відмінність міцнісних характеристик бетону та арматури, відхилення фактичних навантажень від прийнятих у розрахунках, вплив особливостей роботи матеріалів і конструкцій тощо.

Із 1955 року в СРСР почали застосовувати метод розрахунку ЗБК за граничними станами, відмінність якого від попереднього полягає у тому, що вводиться система коефіцієнтів, які гарантують конструкцію від настання будь-якого граничного стану: втрата міцності, стійкості, тріщиностійкості та жорсткості.

У 50-х роках В. Мурашов створює теорію тріщиностійкості та деформативності ЗБК з урахуванням реальних властивостей матеріалу.

Завдяки дослідженням, що їх розпочав у 1930 році В. Михайлов, почали застосовувати попередньо напружені ЗБК, які дали можливість ефективно використовувати високоміцні сталі і бетони.

У повоєнний період найбільшого поширення набули збірні, у тому числі попередньо напружені конструкції.

На даному етапі відбувається дальше удосконалення ЗБК, технології їх виготовлення і монтажу, розвиток теорії залізобетону. В практику будівництва впроваджуються різновиди залізобетону, які мають кращі фізико-механічні властивості у порівнянні із залізобетоном (армоцементні конструкції, сталефібробетонні конструкції, полімербетон тощо).

Залізобетон – це композиційний будівельний матеріал, в якому вдало сполучається робота бетонної матриці і сталевої арматури. Винаходу залізобетону передувало відкриття цементу. Змішаний у певних пропорціях з гравієм, піском і водою, цемент утворював бетон, який у першій половині 19 ст. став досить розповсюдженим матеріалом. Конструкції з бетону мали високу міцність на стиск, вогнестійкість, водостійкість, твердість, але, як і будь-який камінь, погано витримували навантаження на розтягання. Основним матеріалом для несучих конструкцій служило залізо у вигляді різного роду куткових і смуг. На відміну від бетонних металеві конструкції добре витримували розтяг і згин, але на відкритому повітрі кородували. У кінці 19 ст. стала відчуватися сильна потреба в новому будівельному матеріалі, що сполучив би в собі достоїнства заліза і бетону, але не мав би їхніх недоліків.

Винахід залізобетону зв'язують з ім'ям француза Жозефа Моньє, який у 1867 р. отримав свій перший патент на переносні садові діжки із заліза і цементного розчину. У 1869 р. він зробив патентну заявку на залізоцементні плити і перегородки. Широке застосування залізобетону в Європі стало можливе завдяки німецькому інженеру Вайсу, який викупив патенти Моньє, продовжив дослідження і правильно розташував арматуру в нижню зону чи балки плити. Винахід залізобетону зробив справжню революцію в будівництві, ліквідувавши дозволити безліч ускладнень, які до цього здавалися нездоланними.

Універсальність залізобетонної конструкції забезпечують такі фактори:

1) бетон добре працює на стиск, але погано витримує розтяг;

2) арматура компенсує зазначений недолік бетону, знаходячись у розтягнутій зоні конструкції сприймає напруження, що розтягують;

3) бетон захищає сталеву арматуру від корозії і дії високих температур;

4) спільній дії сталевої арматури і бетону сприяє добре зчеплення на межі розділу;

5) коефіцієнти температурного розширення бетону і сталі приблизно однакові.

За видом армування залізобетонні конструкції поділяють на: зі звичайним та попередньо напруженим армуванням.

Використання попередньо напружених залізобетонних конструкцій більш ефективне, тому що дозволяє знизити масу конструкції, повніше використовувати несучи здатність складових елементів, підвищує тріщиностійкість і довговічність композиції. У балках зі звичайного залізобетону під дією навантажень бетон розтягується разом з арматурою, в ньому з'являються дрібні тріщини, що відкривають доступ вологи до арматурної сталі. Дія вологи може призвести до корозії й руйнування арматури. Якщо ж сталеву арматуру до укладання в опалубку бетонної суміші розтягти, а потім, після затвердіння бетону, відпустити, то арматура, прагнучи повернутися в первісне положення, створить навантаження, що обтискає, і обтисне бетон. Виникаючі в такій конструкції під дією зовнішніх сил напруження, що розтягують, не приведуть до утворення небезпечних тріщин у бетоні. Розрізняють два основних види залізобетонних конструкцій з попереднім напруженням: з натягом арматури до і після бетонування. У першому випадку арматуру попередньо розтягують і кінці її закріплюють на упорах ферми, потім укладають бетонну суміш. Після того як бетонна суміш затверділа, кінці арматурних стрижнів звільняють від упорів. Другий спосіб передбачає виготовлення залізобетонних конструкцій з поздовжніми каналами, через які пропускають арматурні стрижні, потім їх розтягують і закріплюють на торцях конструкції. Канали заповнюють цементним розчином з метою захисту сталевої арматури від корозії.

За способом виготовлення розрізняють монолітні і збірні.

Монолітні залізобетонні конструкції зводять безпосередньо на будівельних майданчиках. Особливістю технології виготовлення монолітного залізобетону є те, що основні технологічні операції (монтаж опалубки, укладання арматури і бетонної суміші в опалубку, ущільнення, твердіння) здійснюються на місці проведення будівельних робіт. Звичайно їх застосовують при нестандартності й малій повторюваності елементів споруди, для зведення гідротехнічних, промислових, транспортних споруд. З використанням монолітного залізобетону можлива реалізація різноманітних архітектурних і конструктивних рішень будинків і споруд.

Збірні залізобетонні конструкції виготовляють на спеціалізованих заводах (ЗБК, ДБК), оснащених стаціонарними технологічними лініями з урахуванням специфіки конструкції. Перевагою збірного залізобетону порівняно з монолітним, є істотне підвищення продуктивності праці і якості будівництва, скорочення його, в тому числі за рахунок використання великорозмірних виробів та елементів конструкцій повної заводської готовності. Найбільш широке застосування одержали наступні способи виробництва: поточно-агрегатний, поточно-конвеєрний і стаціонарний, який поділяють на стендовий і касетний.

Поточно-агрегатний спосіб передбачає виготовлення виробів у формах, переміщуваних по окремих технологічних постах за допомогою піднімального крана. Цей спосіб кращий при дрібносерійному виробництві конструкцій довжиною до 12 м, шириною до 3 м і висотою до 1 м, складних за технологією виконання: багатошарових стінових панелей, плит покриттів;

Конвеєрний – забезпечує високу механізацію і продуктивність праці, тому що вироби виготовляють методом неперервного формування. Технологічна лінія являє собою металеву стрічку, що рухається, на якій від одного технологічного поста до іншого переміщується форма з бетонною сумішшю. Швидкість руху стрічки визначається самим тривалим процесом – тепловою обробкою і складає близько 25 м/год. Раціональна область застосування цієї технологічної лінії – виготовлення найпростіших, плоских виробів одного виду: панелей перекриттів, покриттів і внутрішніх перегородок, аеродромних і дорожніх плит.

При стендовому способі вироби формують у стаціонарних, непереміщуваних формах, твердіють вони на місці формування. Його доцільно використовувати для виготовлення таких великорозмірних виробів, як ферми, перенапружені великорозмірні балки.

За касетною технологією виготовляють плити перекриттів, панелі внутрішніх стін і перегородок. Формування і твердіння виробів відбувається у вертикальній формі-касеті, що складається з ряду відсіків, утворених сталевими вертикальними стінками, постаченими паровими сорочками для прогріву бетонних виробів. Достоїнством цього методу є скорочення виробничих площ.

Залежності від форми і розмірів:

- лінійні – колони, ригелі, балки, прогони, палі, ферми;

- площинні – плити покриттів та перекриттів, панелі стін і перегородок;

- блокові – блоки фундаментів, стіни підвалів;

- просторові – санітарні кабіни, елементи шахти ліфтів, колодязі.

Для фундаментів і підземних частин будівель використовують фундаментні блоки, плити, балки, панелі тощо.

Фундаментні блоки – це прямокутні паралелепіпеди з важкого бетону класу В 10. Довжина блоків досягає 3 м, товщина 40...60 см, висота 60 см.

Блоки стін підвалу – суцільні й порожнисті – виконують з важкого бетону класів В 7,5 і В 10 у вигляді паралелепіпедів прямокутної форми з розмірами: довжина – до 2,5 м, товщина – 50см і висота – 70см.

До виробів для каркасів будівель належать колони і горизонтальні в’язі- ригелі й прогони, якими з’єднують між собою колони, зварюючи закладні металеві деталі. Ці вироби виготовляють з важкого бетону класів В 15...В 40.

Стінові панелі поділяють на:

- панелі для зовнішніх стін неопалювальних будівель із важких та легких бетонів класу В 15 й вище;

- для опалювальних будівель – одношарові з легких або ніздрюватих бетонів і шаруваті з важкого бетону з теплоізоляційним прошарком;

- для внутрішніх стін, виготовлені з важкого чи легкого бетону класу не нижче ніж В 10;

- панелі перегородок, армовані й неармовані – з різних видів бетону.

Панелі зовнішніх стін житлових будівель можуть бути завдовжки 3600 і 7200 мм (на одну чи дві кімнати), висотою 2900 мм, товщиною 400 мм, масою 4 і 8 т відповідно.

Стінові блоки виконують суцільними й з внутрішніми пустотами з легкого бетону. Блоки мають конструктивну та монтажну арматуру і застосовуються для зовнішніх і внутрішніх стін.

Вироби для міжповерхових перекриттів – настили й панелі перекриттів (шириною на всю кімнату звичайно називають панелями, а вузькі – плитами). Можуть бути з порожнистих і суцільних ребристих плит.

Порожнисті плити перекриттів виготовляють з круглими і овальними пустотами, довжиною 6,9 та 12 м, шириною 2,4 або 1,5 м, товщиною 55 або 30 см. Плити виготовляють з важкого бетону класів В 15...В 25.

Для промислових будівель застосовують вироби, аналогічні за номенклатурою виробам для цивільних будівель, проте вони відрізняються розмірами, армуванням та конфігурацією. До них відносять: фундаменти під колони, вироби для каркасів будівель, колони, підкранові балки, балки покриттів, ферми та арки, оболонки. Вироби для інженерних споруд широко застосовують у транспортному, сільськогосподарському, гідротехнічному та інших видах будівництва. Це мостові конструкції, опори мережі електрифікації залізниць, шпали, тюбінги, плити покриттів доріг та аеродромів, силосні ями, траншеї, водоводи і т д.

Технологія виготовлення збірних і монолітних залізобетонних конструкцій складається з наступних основних технологічних етапів: вхідний контроль якості усіх використовуваних матеріалів, розрахунки складу бетонної суміші, приготування бетонної суміші, армування, укладання бетонної суміші і її формування, твердіння, розпалубка форми і витягування готового виробу.

Розрахунок складу бетонної суміші проводять з урахуванням умов експлуатації майбутніх конструкцій, виходячи з фактичних характеристик матеріалів, проектованого класу бетону ,способу ущільнення бетонної суміші і щільності армування. Правильність розрахунків перевіряють у лабораторних умовах шляхом виготовлення дослідних зразків з наступним контролем міцності.

Приготування бетонної суміші здійснюють в бетонозмішувачах із примусовим і гравітаційним змішуванням. Складові майбутнього бетону згідно з розрахунками, точно зважуються і дозуються. Перемішування в змішувачі бетонної суміші забезпечує її однорідність. Гравітаційні змішувачі, що працюють за принципом вільного падіння матеріалу, який перемішується, застосовують для одержання рухомих бетонних сумішей. При обертанні барабана такого змішувача відбувається багаторазовий підйом і скидання матеріалу з деякої висоти. Перемішування твердих сумішей здійснюється в змішувачах примусової дії. Більш ефективне перемішування досягається в цьому випадку за рахунок використання обертових лопат.

Галузі застосування залізобетонних конструкцій

Залізобетонні конструкції широко застосовуються у будівництві. Із монолітного та збірного залізобетону споруджують одно- і багатоповерхові виробничі будівлі , монтують стіни і несучі конструкції великопанельних будівель, розвивається будівництво житлових будинків із залізобетонних блок-кімнат. До складу громадських будівель входять переважно збірний залізобетонний каркас, плити перекриттів, стінові панелі.

ЗБК використовують для аркових, нерозрізних та розрізних балкових мостів на залізничних та автомобільних магістралях

Монолітний або збірно-монолітний залізобетон використовують у гідротехнічному будівництві — греблі, шлюзи, набережні, будівлі ГЕС тощо.

Залізобетон широко застосовують також у транспортному будівництві (попередньо напружені шпали та опори контактної мережі, шляхопроводи, естакади, станційні будівлі і споруди).

Інженерні споруди (резервуари, силоси, бункери, тунелі, підпірні стіни, підземні переходи, очисні споруди, телевізійні вежі, атомні реактори, залізобетонні платформи для добування нафти також проектують в основному із залізобетону. У зв’язку з різким збільшенням політної маси літаків злітно-посадкові смуги споруджують із монолітного залізобетону, часто попередньо напруженого.

Використовують монолітний залізобетон і в суднобудуванні, головним чином для будівництва плавучих дюків, понтонів, дебаркадерів, причальних споруд.

Відомі перші спроби використання залізобетону в машинобудуванні, наприклад для контртягарів, і у верстатобудуванні — для виготовлення станин потужних верстатів та пресів.