Классы бетона сопротивление растяжению

Любая бетонная конструкция должна переносить определенные в технической документации нагрузки в течение длительного времени без разрушений. В строительных проектах указываются основные характеристики, к которым относятся плотность, показатели расчетного сопротивления бетона, морозоустойчивость, водонепроницаемость. Проблема состоит в том, что даже самый качественный бетон неоднороден. Элементы имеют различные геометрические размеры и сечения, поэтому разные участки сооружения могут иметь неодинаковые свойства. Для уточнения характеристик материала вводится методика вычисления прочности.

Что такое расчетное сопротивление?

Расчетное сопротивление бетонной смеси – характеристика отражающая свойство материала противостоять внешним механическим нагрузкам. Его применяют при проектировании зданий и сооружений. Данный показатель получают из нормативных значений противодействия конкретной марки раствора делением на специальный коэффициент.

Этот коэффициент, применяемый для вычисления расчетного сопротивления бетона на сжатие обозначается γb и может принимать значения:

• 1,3 – для максимальных возможных величин по несущей способности;
• 1 – для максимальных значений по пригодности к эксплуатации.

Коэффициенты надежности материала при механическом растяжении обозначаются γbt, они могут быть равны:

• 1,5 – для максимальных показателей несущей способности во время определения класса на сжатие;
• 1,3 – для максимальных значений несущей способности на осевое растяжение;
• 1 – для максимальных величин по пригодности к эксплуатации.

Классы бетонов обозначаются от В10 до В60, значения их нормативного противодействия приводятся в специальных таблицах.

Как получить расчетное сопротивление?

Для получения расчетного сопротивления бетона по осевому сжатию определяется класс материала, из таблицы берутся его нормативные данные и производится вычисление по формуле:

Rb=Rbn/γb,

где Rb – расчетные данные на осевое сжатие, множитель Rbn – нормативные , γb – коэффициент.

Аналогично рассчитывают расчетное сопротивление бетона осевому растяжению:

Rbt=Rbtn/γbt,

где Rbt – расчетные значения на осевое растяжение, множитель Rbtn – нормативные показатели на растяжение, γbt – коэффициент для растяжения.

Учитывая условия, в которых будут эксплуатироваться бетонные конструкции, вводятся и другие коэффициенты γbi, учитывающие эти особенности:

• для непродолжительных статических нагрузок 1;
• для длительных статических нагрузок 0,9;
• элементы, заливаемые вертикально 0,9;
• коэффициенты, отражающие климатические особенности, назначение сооружения, площадь сечения указываются в документации отдельно.

Нормативное сопротивление

До 2001 года единственной характеристикой бетона указывающей на противодействие механической силе, считалась марка, обозначавшаяся буквой «М». Теперь, согласно СНиП 2.03.01 введена другая характеристика, так называемый класс прочности, обозначающаяся буквой «В». Для определения свойств железобетонных и бетонных конструкций были предложены нормативы, согласно СП 52-101-2003.

Для определения класса раствор заливают в куб с ребром 150 мм. Уплотняют его в форме и дают полностью затвердеть при температуре 18-20ºС в течение 28 суток. После этого образец поступает на испытание, и разрушается на специальном прессе. Сопротивление бетона осевой нагрузке, выраженное в МПа и является свойством, по которому определяется данная характеристика. Иногда для определения класса берется призменный образец, высота которого в четыре раза больше ребра основания.

Дополнительно образец подвергается проверке на осевое растяжение, который тоже необходимо учитывать при проведении вычислений.

При правильном определении класса не требуется делать дополнительных испытаний, поскольку они уже занесены в специализированные таблицы.

Используя эти таблицы можно, имея данные на сжатие, сразу определить показатели и на растяжение. По ним ясно видно – этот параметр для любого бетона на растяжение гораздо меньше, чем на сжатие, это обязательно учитывается при проектировании.

Эти параметры для различного класса прочности сводятся в специальную таблицу. Значения могут меняться в зависимости от условий определяемых соответствующими коэффициентами:

Из таблицы видно, что расчетное значение ниже нормативного, поскольку учитывает сторонние факторы, тип воздействия на бетонную конструкцию, возможную неоднородность материала, центр тяжести контура.

При определении противодействия бетона силовому воздействию учитывается его деформация. Для этого берется начальный параметр данной величины и делится на коэффициент, включающий в себя ползучесть, а также поперечную деформацию массива, его температурную деформацию в диапазоне -40 — +50ºС. При вычислении свойств напряженно деформированного элемента используют специальные диаграммы, демонстрирующие предельную нагрузку в зависимости от сечений и расположения детали и вида материала. Эта методика позволяет рассчитывать факторы, приводящие к появлению трещин.

График Зависимости напряжений от деформаций

При определении характеристик железобетонных конструкций применяют методику моделирования наклонных сечений. Учитывается толщина и тип арматуры, отдельно рассчитывается ее прочность.

Заключение

Сопротивление бетона рассчитывается в зависимости от действия на него различных сил, которые могут быть сжимающими, поперечными, изгибающими, а также под местным сжатием. Для внецентренно сжатых и растянутых элементов, находящихся под изгибом, момент рассчитывается для сечений, перпендикулярных их продольной оси.

Для элементов с сечениями в виде прямоугольника, квадрата или тавра применяются формулы, предельной нагрузки каждого элемента, для других сечений используются специальные нелинейные диаграммы.

Расчетное сопротивление позволит подобрать класс прочности и марку этого материала для получения оптимальных эксплуатационных свойств массива, элемента или детали. В отличие от нормативных показателей, данные учитывают геометрические особенности, условия эксплуатации, виды деформаций. Вводятся коэффициенты надежности по бетону, разновидности используемой арматуры и другие характеристики, влияющие на конечную прочность зданий и сооружений, где применяется литой бетон или конструктивные элементы из этого материла.

Класс бетона на сжатие и растяжение

В зависимости от соответствующего подбора состава и последующего испытания контрольных образцов определяют класс и марку бетона. Бетон имеет высокое сопротивление сжатию, вследствие чего этот материал широко применяют в различных железобетонных конструкциях.
Класс бетона по прочности на сжатие — это временное сопротивление, полученное в результате испытания на сжатие бетонных образцов кубической формы с размером ребра 150 мм, в возрасте 28 дней и при температуре их хранения 200 С.

Согласно ГОСТу установлены следующие классы по прочности бетона на сжатие.

Для легких бетонов: В10; В12,5; В15; В30; В20; В35; В40; где цифры обозначают давление в МПа.
Для тяжелых бетонов: В10; В12,5; В15; В30; В20; В35; В40; В50; В45; В55; В60.
В том же диапазоне до В40 для бетонов мелкозернистой структуры на песке с модулями крупности 2,1 и выше.
До В30 в том же диапазоне для мелкозернистых бетонов с модулем крупности не более 1.

Оптимальные значения прочности бетона на сжатие выбирают с учетом технико-экономических соображений: типа железобетонной конструкции, способа ее изготовления, условий эксплуатации и т. д.
Классы бетона по прочность на растяжение В1,2; В1,6; В2,4; В2; В2,8; В3,2 характеризуют прочность бетона на растяжение, при этом учитывают статистическую изменчивость прочности.

Основы прочности бетона

По своей структуре бетон неоднородный материал и поэтому под действием внешней нагрузки он находится в сложном напряженном состоянии. Набор прочности бетоном происходит в течение нескольких недель с его изготовления. При сжатии бетонного образца, воспринимают нагрузку более жесткие частицы, обладающие большим модулем упругости. По плоскостям соединения этих частиц возникают силы, способствующие нарушить их связь. В тоже время в ослабленных пустотами и порами местах происходит концентрация напряжения. Согласно теории упругости вокруг отверстий в материале, находящемся под действием сжатия возникает концентрация уравновешивающих сжимающих и растягивающих напряжений, параллельных сжимающей силе.

Так как бетон содержит много пустот и пор, то растягивающие напряжения у одной поры передаются на соседние, в результате чего в испытываемом образце при сжатии кроме продольных сжимающих напряжений возникают и растягивающие напряжения в поперечном направлении. Именно в поперечном направлении вследствие разрыва бетона происходит разрушение сжимаемого образца. Сначала появляются микроскопические трещины по всему объему сжимаемого образца, которые с возрастанием нагрузки соединяются, образуя трещины параллельные направлению действия сжимающей силы или под небольшим наклоном. Затем трещины раскрываются, и наступает разрушение бетонного образца.

Согласно результатам испытаний опытных образцов, прочность бетона на сжатие в 10 – 15 раз больше, чем прочность бетона при растяжении. Кроме того с увеличением класса бетона уменьшается относительная прочность при растяжении. Так же опыты показывают еще больший разброс прочности при испытании на растяжение по сравнению со сжатием и коэффициенты вариации прочностей бетонов.

Такие факторы, как увеличение количества цемента в бетонной смеси, применение шероховатого щебня, уменьшение водоцементного соотношения повышают прочность бетона при растяжении, что можно увидеть на графике набора прочности бетоном.

Испытание затвердевшего раствора

Для таких методов берут уже застывшие образцы с минимальным сроком выдержки 28 дней. Если нужно узнать особые качества, срок может меняться.

Испытания на прочность

Испытания на прочность можно разделить на два вида:

· механические, с разрушением бетона;

· механические неразрушающие. Дают возможность повторить манипуляцию на одном и том же образце для того, чтобы изучить изменения свойств материала во времени.

Многие из методов являются лабораторными с применением испытательных прессов и т.д. Некоторые можно осуществить собственноручно, имея соответствующие приборы.

Расчет закладных деталей

Расчет анкеров, приваренных втавр к плоским элементам стальных закладных деталей, на действие изгибающих моментов, нормальных и сдвигающих сил от статической нагрузки, расположенных в одной плоскости симметрии закладной детали (черт.2), должен производиться по формуле

(112)

где — суммарная площадь поперечного сечения анкеров наиболее напряженного ряда;

— наибольшее растягивающее усилие в одном ряду анкеров, равное:

(113)

— сдвигающее усилие, приходящееся на один ряд анкеров, равное:

(114)

— наибольшее сжимающее усилие в одном ряду анкеров, определяемое по формуле

(115)

Черт.2. Схема усилий, действующих на закладную деталь

В формулах (112)-(115):

— соответственно момент, нормальная и сдвигающая силы, действующие на закладную деталь; момент определяется относительно оси, расположенной в плоскости наружной грани пластины и проходящей через центр тяжести всех анкеров;

— число рядов анкеров вдоль направления сдвигающей силы; если не обеспечивается равномерная передача сдвигающей силы на все ряды анкеров, то при определении сдвигающего усилия учитывается не более четырех рядов;

— расстояние между крайними рядами анкеров;

— коэффициент, определяемый при анкерных стержнях диаметром 8-25 мм для тяжелого и мелкозернистого бетонов классов В12,5-В50 и легкого бетона классов В12,5-В30 по формуле

(116)

но принимаемый не более 0,7; для тяжелого и мелкозернистого бетонов классов выше В50 коэффициент принимается как для класса В50, а для легкого бетона классов выше В30 — как для класса В30,

здесь — в МПа;

— площадь анкерного стержня наиболее напряженного ряда, см ;

— коэффициент, принимаемый равным для бетона:

тяжелого. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,0

мелкозернистого групп:

А. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,8

Б и В. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,7

легкого. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

( — средняя плотность бетона, кг/м );

— коэффициент, определяемый по формуле

(117)

но принимаемый не менее 0,15;

здесь при (имеется прижатие);

при (нет прижатия); если в анкерах отсутствуют растягивающие усилия, коэффициент принимается равным единице.

Площадь сечения анкеров остальных рядов должна приниматься равной площади сечения анкеров наиболее напряженного ряда.

В формулах (113) и (115) нормальная сила считается положительной, если направлена от закладной детали (см. черт.18), и отрицательной — если направлена к ней. В случаях, когда нормальные усилия и , а также сдвигающее усилие при вычислении по формулам (113)-(115) получают отрицательные значения, в формулах (112)-(114) и (117) их принимают равными нулю. Кроме того, если получает отрицательное значение, то в формуле (114) принимается

При расположении закладной детали на верхней (при бетонировании) поверхности изделия коэффициент уменьшается на 20 %, а значение принимается равным нулю.

В закладной детали с анкерами, приваренными внахлестку под углом от 15 до 30°, наклонные анкера рассчитываются на действие сдвигающей сипы (при , где — отрывающая сила) по формуле

(118)

где — суммарная площадь поперечного сечения наклонных анкеров;

— см. п.3.44.

При этом должны устанавливаться нормальные анкера, рассчитываемые по формуле (112) при = 1,0 и при значениях , равных 0,1 сдвигающего усилия, определяемого по формуле (114).

Конструкция сварных закладных деталей с приваренными к ним элементами, передающими нагрузку на закладные детали, должна обеспечивать включение в работу анкерных стержней в соответствии с принятой расчетной схемой. Внешние элементы закладных деталей и их сварные соединения рассчитываются согласно #M12291 9056425СНиП II-23-81*#S. При расчете пластин и фасонного проката на отрывающую силу принимается, что они шарнирно соединены с нормальными анкерными стержнями. Кроме того, толщина пластины расчетной закладной детали, к которой привариваются в тавр анкера, должна проверяться из условия

(119)

где — диаметр анкерного стержня, требуемый по расчету;

— расчетное сопротивление стали на срез, принимаемое согласно #M12291 9056425СНиП II-23-81*#S.

При применении типов сварных соединений, обеспечивающих большую зону включения пластины в работу при вырывании из нее анкерного стержня, и соответствующем обосновании возможна корректировка условия (119) для этих сварных соединений.

Толщина пластины должна также удовлетворять технологическим требованиям по сварке.

К продольной оси элемента

Для изгибаемых, растянутых и внецентренно сжатых железобетонных элементов усилия, воспринимаемые нормальными к продольной оси сечениями при образовании трещин, определяются исходя из следующих положений:

сечения после деформации остаются плоскими;

наибольшее относительное удлинение крайнего растянутого волокна бетона равно

напряжения в бетоне сжатой зоны (если она имеется) определяются с учетом упругих или неупругих деформаций бетона, при этом наличие неупругих деформаций учитывается уменьшением ядрового расстояния r (см. п. 4.5);

напряжения в бетоне растянутой зоны распределены равномерно и равны по величине

напряжения в ненапрягаемой арматуре равны алгебраической сумме напряжений, отвечающих приращению деформаций окружающего бетона, и напряжений, вызванных усадкой и ползучестью бетона;

напряжения в напрягаемой арматуре равны алгебраической сумме ее предварительного напряжения (с учетом всех потерь) и напряжения, отвечающего приращению деформаций окружающего бетона.

Указания данного пункта не распространяются на элементы, рассчитываемые на воздействие многократно повторяющейся нагрузки (см. п.4.10).

При определении усилий, воспринимаемых сечениями элементов с предварительно напряженной арматурой без анкеров, на длине зоны передачи напряжения (см. п.2.29) при расчете по образованию трещин должно учитываться снижение предварительного напряжения в арматуре и путем умножения на коэффициент согласно поз. 5 табл.24*.

Расчет предварительно напряженных центрально-обжатых железобетонных элементов при центральном растяжении силой должен производиться из условия

где — усилие, воспринимаемое сечением, нормальным к продольной оси элемента, при образовании трещин и определяемое по формуле

4.5. Расчет изгибаемых, внецентренно сжатых, а также внецентренно растянутых элементов по образованию трещин производится из условия

где — момент внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения, относительно оси, параллельной нулевой линии и проходящей через ядровую точку, наиболее удаленную от растянутой зоны, трещинообразование которой проверяется;

— момент, воспринимаемый сечением, нормальным к продольной оси элемента, при образовании трещин и определяемый по формуле

здесь — момент усилия относительно той же оси, что и для определения ; знак момента определяется направлением вращения (“плюс” — когда направления вращения моментов и противоположны; “минус” — когда направления совпадают).

Усилие рассматривают:

для предварительно напряженных элементов — как внешнюю сжимающую силу;

для элементов, выполняемых без предварительного напряжения, — как внешнюю растягивающую силу, определяемую по формуле (8), принимая напряжения и в ненапрягаемой арматуре численно равными значениям потерь от усадки бетона по поз. 8 табл.5 (как для арматуры, натягиваемой на упоры).

Значение определяется по формулам:

для изгибаемых элементов (черт.19,а)

для внецентренно сжатых элементов (черт.19, б)

для внецентренно растянутых элементов (черт.19, в)

Значения определяются:

при расчете по образованию трещин в зоне сечения, растянутой от действия внешних нагрузок, но сжатой от действия усилия предварительного обжатия (см. черт.3.), по формуле

при расчете по образованию трещин в зоне сечения, растянутой от действия усилия предварительного обжатия (черт.20), по формуле

Черт.3. Схемы усилий и эпюры напряжений в поперечном сечении элемента

при расчете его по образованию трещин, нормальных к продольной оси элемента, в зоне сечения,

растянутой от действия внешних нагрузок, но сжатой от действия усилия предварительного обжатия

— при изгибе; б — при внецентренном сжатии; в — при внецентренном растяжении;

1 — ядровая точка; 2 — центр тяжести приведенного сечения

Черт.4. Схема усилий и эпюра напряжений в поперечном сечении элемента при расчете

его по образованию трещин, нормальных к продольной оси элемента, в зоне сечения,

растянутой от действия усилия предварительного обжатия

1 — ядровая точка; 2 — центр тяжести приведенного сечения

В формулах (127)-(130)

— расстояние от центра тяжести приведенного сечения до ядровой точки, наиболее удаленной от растянутой зоны, трещнообразование которой проверяется.

Значение определяется для элементов:

внецентренно сжатых, изгибаемых предварительно напряженных, а также для внецентренно растянутых, если удовлетворяется условие

по формуле

внецентренно растянутых, если не удовлетворяется условие (131), по формуле

изгибаемых, выполняемых без предварительного напряжения арматуры, по формуле

В формулах (132) и (133):

но принимается не менее 0,7 и не более 1,0;

здесь — максимальное напряжение в сжатом бетоне от внешней нагрузки и усилия предварительного напряжения, вычисляемое как для упругого тела по приведенному сечению;

— определяется согласно указаниям п.4.7;

.

Для стыковых сечений составных и блочных конструкций, выполняемых без применения клея в швах, при расчете их по образованию трещин (началу раскрытия швов) значение в формулах (123) и (125) принимается равным нулю.

При расчете по образованию трещин элементов на участках с начальными трещинами в сжатой зоне (см. п.1.18) значение для зоны, растянутой от действия внешней нагрузки, определенное по формуле (125), необходимо снижать на .

Коэффициент определяется по формуле

причем при получении отрицательных значений он принимается равным нулю.

В формуле (136):

— определяется по формуле (168) для зоны с начальными трещинами, но принимается не менее 0,45;

но не более 1,4;

здесь — расстояние от центра тяжести приведенного сечения до крайнего волокна бетона, растянутого внешней нагрузкой.

Для конструкций, армированных проволочной арматурой и стержневой арматурой класса А-VI и Ат-VII, значение , полученное по формуле (137), снижается на 15%.

Момент сопротивления приведенного сечения для крайнего растянутого волокна (с учетом неупругих деформаций растянутого бетона) определяется в предположении отсутствия продольной силы и усилия предварительного обжатия по формуле

Положение нулевой линии определяется из условия

В конструкциях, армированных предварительно напряженными элементами (например, брусками), при определении усилий, воспринимаемых сечениями при образовании трещин в предварительно напряженных элементах, площадь сечения растянутой зоны бетона, не подвергаемая предварительному напряжению, в расчете не учитывается.

При проверке возможности исчерпания несущей способности одновременно с образованием трещин (см. п.1.19) усилие, воспринимаемое сечением при образовании трещин, определяется по формулам (123) и (125) с заменой значения на при коэффициенте (см. п.1.27).

Расчет по образованию трещин при действии многократно повторяющейся нагрузки производится из условия

где — максимальное нормальное растягивающее напряжение в бетоне, определяемое согласно указаниям п.3.47.

Расчетное сопротивление бетона растяжению в формулу (140) вводится с коэффициентом условий работы , принимаемым по табл.16.

Класс бетона на сжатие и растяжение

В зависимости от соответствующего подбора состава и последующего испытания контрольных образцов определяют класс и марку бетона. Бетон имеет высокое сопротивление сжатию, вследствие чего этот материал широко применяют в различных железобетонных конструкциях.
Класс бетона по прочности на сжатие — это временное сопротивление, полученное в результате испытания на сжатие бетонных образцов кубической формы с размером ребра 150 мм, в возрасте 28 дней и при температуре их хранения 200 С.

Согласно ГОСТу установлены следующие классы по прочности бетона на сжатие.

Для легких бетонов: В10; В12,5; В15; В30; В20; В35; В40; где цифры обозначают давление в МПа.
Для тяжелых бетонов: В10; В12,5; В15; В30; В20; В35; В40; В50; В45; В55; В60.
В том же диапазоне до В40 для бетонов мелкозернистой структуры на песке с модулями крупности 2,1 и выше.
До В30 в том же диапазоне для мелкозернистых бетонов с модулем крупности не более 1.

Оптимальные значения прочности бетона на сжатие выбирают с учетом технико-экономических соображений: типа железобетонной конструкции, способа ее изготовления, условий эксплуатации и т. д.
Классы бетона по прочность на растяжение В1,2; В1,6; В2,4; В2; В2,8; В3,2 характеризуют прочность бетона на растяжение, при этом учитывают статистическую изменчивость прочности.

Основы прочности бетона

По своей структуре бетон неоднородный материал и поэтому под действием внешней нагрузки он находится в сложном напряженном состоянии. Набор прочности бетоном происходит в течение нескольких недель с его изготовления. При сжатии бетонного образца, воспринимают нагрузку более жесткие частицы, обладающие большим модулем упругости. По плоскостям соединения этих частиц возникают силы, способствующие нарушить их связь. В тоже время в ослабленных пустотами и порами местах происходит концентрация напряжения. Согласно теории упругости вокруг отверстий в материале, находящемся под действием сжатия возникает концентрация уравновешивающих сжимающих и растягивающих напряжений, параллельных сжимающей силе.

Так как бетон содержит много пустот и пор, то растягивающие напряжения у одной поры передаются на соседние, в результате чего в испытываемом образце при сжатии кроме продольных сжимающих напряжений возникают и растягивающие напряжения в поперечном направлении. Именно в поперечном направлении вследствие разрыва бетона происходит разрушение сжимаемого образца. Сначала появляются микроскопические трещины по всему объему сжимаемого образца, которые с возрастанием нагрузки соединяются, образуя трещины параллельные направлению действия сжимающей силы или под небольшим наклоном. Затем трещины раскрываются, и наступает разрушение бетонного образца.

Согласно результатам испытаний опытных образцов, прочность бетона на сжатие в 10 – 15 раз больше, чем прочность бетона при растяжении. Кроме того с увеличением класса бетона уменьшается относительная прочность при растяжении. Так же опыты показывают еще больший разброс прочности при испытании на растяжение по сравнению со сжатием и коэффициенты вариации прочностей бетонов.

Такие факторы, как увеличение количества цемента в бетонной смеси, применение шероховатого щебня, уменьшение водоцементного соотношения повышают прочность бетона при растяжении, что можно увидеть на графике набора прочности бетоном.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: