Железобето́н — распространëнный строительный материал, состоящий из бетона и стали. Изобретён железобетон французом Жозефом Монье, построившим несколько конструкций из нового материала, арматура в конструкции располагалась в центре её сеченияВасильев А. Основы теории надёжности автодорожных мостов и тоннелей. Александр Васильев. 2024. с. 25. Запатентован им в 1867 году. В 1885 году Монье построил из железобетона пешеходный мост.
История В 1802 году при строительстве Царскосельского дворца российские зодчие использовали металлические стержни для армирования перекрытия, выполненного из известкового бетона. В 1829 году английский инженер Фокс создал армированное металлом бетонное перекрытие. В 1849 году во Франции Ламбо построил лодку из армоцемента. В 1854 году У. Б. Уилкинсон в Англии получил патент на огнестойкое железобетонное перекрытие. В 1861 году во Франции Ф. Куанье опубликовал книгу о 10-летнем опыте применения железобетона, а в 1864 году он построил церковь из железобетона. В 1865 году У. Б. Уилкинсон построил в Англии дом из железобетона. В 1867 году Ж. Монье, которого часто считают «автором» железобетона, получил патент на кадки из армоцемента. В 1868 году Ж. Монье построил железобетонный бассейн, а с 1873 по 1885 годы получил патенты на железобетонный мост, железобетонные шпалы, железобетонные перекрытия, балки, своды и железобетонные трубы. В 1875 году Ж. Монье построил перекинутый через ров замка маркиза де Тилиэра во французском городке Шазле первый пешеходный железобетонный мост длиной 16 м и шириной 4 м — С. 34.. В 1877 году первая книга по железобетону опубликована в США. В 1879 году Дмитрий Жаринцов первым в России применил железобетон при строительстве порохового склада в Батуми. В 1884 году профессор механики И. Баушингер и инженер выполнили в Германии первые широко поставленные исследования для изучения особенностей работы железобетонных конструкций. С 1884 по 1887 годы в Москве осуществлялось применение железобетона при устройстве плоских перекрытий, сводов, резервуаров. В это же время проводились испытания конструкций, были реализованы железобетонные перекрытия по металлическим балкам. В 1886 году в США П. Джексон подал заявку на патент на использование преднапряжения арматуры при строительстве мостов. В 1886—1887 годах инженер в Германии разрабатывает первый способ расчёта железобетонных конструкций. В 1888 году патент на преднапряжение получен в Германии В. Дерингом, в 1896 году в Австрии И. Манделем, в 1905—1907 годах в Норвегии И. Лундом, в 1906 году в Германии М. Кененом. В 1891 году в России профессор Н. А. Белелюбский завершает пятилетний цикл широкомасштабных исследований железобетонных плит, балок, арок и мостов. В этом же году выходит книга инженера Д. Ф. Жаринцева «Слово о бетонных постройках», а в 1893 году — «Железобетонные сооружения». С 1892 по 1899 годы во Франции Ф. Геннебиком реализовано более 300 проектов с применением железобетона. В 1895 году на втором съезде зодчих в России выступает А. Ф. Лолейт, создавший впоследствии основные положения современной теории железобетона. В 1899 году инженерный совет министерства официально разрешает применять железобетон в России. В 1904 году в Германии и Швеции появились первые нормы по проектированию и применению железобетонных конструкций, позже, в 1906 году — во Франции, а в 1908 году — в России. В 1908 году в Ливерпуле начато строительство Royal Liver Building — одного из первых высотных (98 м) железобетонных зданий в мире. В 1895 для ускорения процесса строительства Храма в честь Успения Пресвятой Богородицы в Санкт-Петербурге на Васильевском острове гражданским архитектором Косяковым В. А. было решено использовать, вместо кирпича, железобетон для устройства основных арок и уже был освящён Главный придел. В 1896 году в Нижнем Новгороде построен пешеходный мост пролетом свыше 40м. В 1904 году в Николаеве сооружен первый в мире железобетонный маяк. В 1912 построена первая в России железобетонная конструкция — Рыбинская каланча. В 1913—1916-е годы в России построена первая железобетонная Церковь Спаса Нерукотворного Образа в КлязьмеСоборы.ру.
Развитие теории железобетона в России в первой половине 20 века связано с именами А. Ф. Лолейта, А. А. Гвоздева, В. В. Михайлова, М. С. Боришанского, А. П. Васильева, В. И. Мурашева, П. Л. Пастернака, Я. В. Столярова, О. Я. Берга и других.
В XX веке железобетон стал наиболее распространённым материалом в строительстве (см. Пьетро Нерви) и сыграл значительную роль в становлении таких направлений архитектуры, как модернизм и функционализм.
Характеристики К положительным качествам железобетонных конструкций относятся: долговечность; низкая стоимость — железобетонные конструкции значительно дешевле стальных; пожаростойкость в сравнении со сталью; технологичность — несложно при бетонировании получать любую форму конструкции; химическая и биологическая стойкость; высокая сопротивляемость статическим и динамическим нагрузкам.
К недостаткам железобетонных конструкций относятся: невысокая прочность при большой массе — прочность бетона при сжатии в среднем в 10 раз меньше прочности стали. В больших конструкциях железобетон «несёт» больше своей массы, чем полезной нагрузки.
Выделяют сборный железобетон (ж/б конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (сборка арматурного каркаса, выставление съëмной опалубки и бетонирование с помощью автобетононасосов — работы выполняются непосредственно на строительной площадке), а также сборно-монолитный (сборные конструкции используются как несъëмная опалубка — сочетаются преимущества монолитных и сборных конструкций). Имеется достаточно широкий ассортимент готовых стандартизированных железобетонных изделий, таких как колодезные кольца, плиты перекрытий, сваи, опоры, фундаментные блоки и так далее.
Основные принципы проектирования и расчёта железобетонных конструкций В России железобетонные элементы принято рассчитывать: по 1-й и 2-й группе предельных состояний: по несущей способности (прочность, устойчивость, усталостное разрушение); по пригодности к нормальной эксплуатации (трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).
Задачи расчёта железобетонных конструкций по 1-й группе предельных состояний включают: проверка прочности конструкций (нормальные, наклонные, пространственные сечения); проверка конструкции на выносливость (при действии многократно повторных нагружений); проверка устойчивости конструкций (формы и положения).
Армирование конструкций выполняется, как правило, отдельными стальными стержнями или сетками, каркасами. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в сжатые зоны при недостаточной прочности последней, а также по конструктивным соображениям.
При расчёте железобетонных изгибаемых элементов основной целью является определение требуемой площади рабочей арматуры в соответствии с заданными усилиями (прямая задача) или определение действительной несущей способности элемента по заданным геометрическим и прочностным параметрам (обратная задача).
По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты), центрально и внецентренно сжатые элементы (колонны), растянутые элементы (элементы ферм).
Изгибаемые элементы (балки, плиты) При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (см. рисунок), изгибающий момент и поперечная сила. Изгибаемые железобетонные элементы, как правило, рассчитывают по прочности следующих видов сечений: по нормальным сечениям — сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента, по наклонным сечениям — при действии поперечных сил (срез или раздавливание сжатой зоны бетона), по наклонной полосе между наклонными сечениями (трещинами), от действия момента в наклонном сечении.
В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной арматурой (см. рисунок).
Элементы конструкции: Верхняя (сжатая) арматура Нижняя (растянутая) арматура Поперечная арматура Распределительная арматура Верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположном направлении.
Основные параметры конструкции: L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально H² B — ширина сечения a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды s — шаг поперечной арматуры.
Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения железобетонного элемента, бетон в которой в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рисунок).
Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных или пространственных сечений (см. рисунок).
Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.
Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента.
Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры.
Плиты армируются по такому же принципу, как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.
Кроме расчёта на прочность, для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролёта при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).
Сжатые элементы (колонны) При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (см. рисунок). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает.
Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но в сущности эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если, кроме вертикальной силы, на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например, ветер, давление грунта на подпорную стенку).
Типичное армирование колонны представлено на рисунке.
на рисунке: 1 — продольная арматура 2 — поперечная арматура
В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание.
Массивными считаются колонны, минимальная сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, то есть с учётом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения — террористические атаки, взрывы и т. д.) — они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т. о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем, и, кроме этого, малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т. н. жизнеутверждающим строительством (Sustainable construction).
Изготовление железобетонных конструкций Изготовление железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические процессы: Подготовка арматуры Опалубочные работы Армирование Бетонирование Уход за твердеющим бетоном
Изготовление сборных железобетонных конструкций