Железобетонные конструкции

Железобетонные конструкции — это строительные изделия и элементы зданий и сооружений, выполненные из железобетона — композитного материала, в котором бетон и стальная арматура работают совместно под нагрузкой. Железобетонные конструкции являются одним из основных типов несущих и ограждающих конструкций в современном строительстве благодаря высокой прочности, долговечности, огнестойкости и относительно невысокой стоимости.

История

Идея объединения бетона, хорошо работающего на сжатие, и стали, эффективно сопротивляющейся растяжению, возникла в середине XIX века. Первые патенты на армирование бетона металлическими стержнями были получены в 1850-х годах во Франции (Ж. Ламбо) и Великобритании (У. Уилкинсон). Однако основоположником железобетона как строительного материала считается французский садовник Жозеф Монье, который в 1867 году запатентовал железобетонные кадки для растений, армированные металлической сеткой. Впоследствии он получил патенты на железобетонные балки, трубы и плиты.

В 1880-х годах немецкий инженер Г. Вайс и француз Ф. Куанье разработали первые теоретические основы расчета железобетонных конструкций. В 1890-х годах железобетон начал активно применяться в промышленном и гражданском строительстве в Европе и США. В России первые железобетонные конструкции появились в конце XIX века: в 1886 году был построен первый железобетонный мост, а в 1890-х — здания с железобетонными перекрытиями.

Массовое внедрение железобетона в строительство произошло в первой половине XX века, особенно после Второй мировой войны, когда потребовалось быстрое восстановление городов и развитие промышленности. В СССР железобетон стал основным материалом для индустриального строительства: были разработаны типовые серии жилых домов, промышленных цехов, мостов и гидротехнических сооружений.

Классификация

Железобетонные конструкции классифицируются по нескольким признакам.

По способу изготовления

• Сборные конструкции — изготавливаются на заводах железобетонных изделий (ЖБИ) в виде готовых элементов (плиты, балки, колонны, фундаментные блоки), которые доставляются на строительную площадку и монтируются. Основное преимущество — высокая скорость строительства и заводское качество.
• Монолитные конструкции — бетонируются непосредственно на месте строительства в опалубку (форму) с установленной арматурой. Позволяют создавать конструкции любой конфигурации, обеспечивают высокую несущую способность и герметичность. Недостаток — большая трудоемкость и длительность работ.
• Сборно-монолитные конструкции — сочетают элементы сборных и монолитных технологий: сборные части служат опалубкой или несущим каркасом, а монолитный бетон заполняет полости и обеспечивает совместную работу.

По виду армирования

• С обычным армированием — арматурные стержни располагаются в растянутой зоне бетона (например, в нижней части балки или плиты).
• С предварительно напряженным армированием — арматура (обычно высокопрочная проволока или канаты) перед бетонированием натягивается, а после затвердевания бетона отпускается, создавая в конструкции сжимающие напряжения. Это позволяет уменьшить прогибы и трещины, увеличить пролет и несущую способность. Широко применяется в мостах, большепролетных покрытиях, напорных трубах.

По конструктивному типу

• Линейные — балки, колонны, ригели, стойки.
• Плоскостные — плиты перекрытий и покрытий, стеновые панели, диафрагмы жесткости.
• Пространственные — оболочки, купола, своды, резервуары, градирни.

По назначению

• Несущие — воспринимают основные нагрузки (фундаменты, колонны, балки, фермы).
• Ограждающие — защищают от внешних воздействий (стеновые панели, плиты покрытий).
• Специальные — для гидротехнических сооружений, дорог, аэродромов, резервуаров.

Устройство и характеристики

Материалы

Основными компонентами железобетона являются бетон (смесь цемента, заполнителей — песка и щебня, воды) и стальная арматура. Бетон обеспечивает прочность на сжатие, защищает арматуру от коррозии и огня, а арматура воспринимает растягивающие усилия.

Совместная работа бетона и арматуры обеспечивается за счет:

• Сцепления — адгезии бетона к поверхности арматуры.
• Обжатия — усадка бетона создает дополнительное сцепление.
• Механического зацепления — для арматуры периодического профиля (рифленой).

Основные свойства

• Прочность — способность сопротивляться разрушению под нагрузкой. Характеризуется классами бетона по прочности на сжатие (например, B15, B25, B40) и классами арматуры (А240, А400, А500).
• Жесткость — способность сопротивляться деформациям (прогибам, изгибу). Обеспечивается модулем упругости бетона и арматуры.
• Трещиностойкость — способность ограничивать раскрытие трещин. В предварительно напряженных конструкциях трещины практически отсутствуют.
• Огнестойкость — способность сохранять несущую способность при пожаре. Железобетонные конструкции относятся к несгораемым, предел огнестойкости обычно составляет 1–3 часа.
• Долговечность — срок службы железобетонных конструкций при нормальной эксплуатации составляет 50–100 лет и более, при условии защиты арматуры от коррозии.
• Водонепроницаемость — зависит от плотности бетона и наличия трещин. Для гидротехнических сооружений применяют специальные марки бетона.

Недостатки

• Большой собственный вес (плотность около 2500 кг/м³), что требует мощных фундаментов.
• Низкая прочность на растяжение (без армирования).
• Трудоемкость демонтажа и переработки.
• Возможность коррозии арматуры при повреждении защитного слоя бетона.
• Ограниченная морозостойкость при нарушении технологии.

Применение

Железобетонные конструкции применяются во всех отраслях строительства:

• Промышленное строительство — каркасы цехов, фундаменты под оборудование, резервуары, дымовые трубы, градирни.
• Гражданское строительство — жилые и общественные здания (панельные и монолитные дома, школы, больницы, торговые центры).
• Транспортное строительство — мосты, путепроводы, тоннели, дорожные покрытия, аэродромные плиты.
• Гидротехническое строительство — плотины, дамбы, каналы, шлюзы, набережные.
• Энергетика — реакторные отделения АЭС, опоры ЛЭП, фундаменты ветрогенераторов.
• Сельское хозяйство — силосные башни, коровники, зернохранилища.

Примеры известных сооружений

• Пантеон (Париж) — одно из первых общественных зданий с железобетонным куполом (1889–1891).
• Мост «Золотые Ворота» (Сан-Франциско) — хотя стальной, его железобетонные опоры являются одними из крупнейших в мире.
• Останкинская телебашня (Москва) — железобетонная конструкция высотой 540 м (1967).
• Бурдж-Халифа (Дубай) — железобетонный каркас здания высотой 828 м (2010).
• Жилые дома серий К-7, П-44, П-3 — типовые панельные дома, массово строившиеся в СССР и России.

Интересные факты

• Первый железобетонный мост в России был построен в 1886 году через реку Черную в Санкт-Петербурге.
• В СССР в 1960-х годах ежегодно производилось более 100 млн м³ сборного железобетона — больше, чем в любой другой стране мира.
• Предварительно напряженный железобетон был изобретен французским инженером Эженом Фрейсине в 1928 году.
• Железобетонные конструкции способны выдерживать землетрясения до 8–9 баллов при правильном проектировании.

Источники

• Байков В. Н., Сигалов Э. Е. «Железобетонные конструкции: Общий курс». — М.: Стройиздат, 1991.
• СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции».
• СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».
• «История развития железобетона» / под ред. А. А. Гвоздева. — М.: Госстройиздат, 1962.
• Энциклопедия «Строительство» / под ред. В. А. Кучеренко. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.