Железобетон является конструкционным материалом, сущность которого определяется совместной работой бетона и арматуры. Так же как и в бетоне, свойства железобетона задаются при проектировании. Главное отличие железобетона от бетона заключается в том, что это армированный материал, в котором арматурный каркас представляет собой несущий элемент конструкции. Согласно классификации К. В. Сахновского, железобетонные конструкции разделяются по следующим признакам.
по методу выполнения: монолитные, сборные и сборно-монолитные;
по виду бетона: тяжелый, с объемной массой выше 1800 кг/м³, применяется для массового производства сборных железобетонных и монолитных несущих конструкций; легкий железобетон с объемной массой 1200—1800 кг/м³, все шире применяется в сборном домостроении;
по виду арматуры: с гибкой и жесткой арматурой.
Если бетон — его состав, масса, технологические и иные свойства— играет большую роль в железобетонных конструкциях, определяя его технические и некоторые эстетические качества, то роль арматуры значительно шире. Арматура является несущим каркасом сооружения. Она располагается в зонах, работающих на растяжение, где бетон работает плохо. Она конструируется с учетом растягивающих напряжений, возникающих в разных частях будущего здания и прямо выражает внутреннюю игру сил, что особенно наглядно выражено в рамных монолитных конструкциях. По этому поводу хорошо сказал пионер железобетона Ф. Эннебик: «Арматура, как нервы в организме, пронизывает все сооружение и всякое воздействие, приложенное к сооружению в каком-либо месте, передается через арматуру всему сооружению и заставляет его принимать участие в сопротивлении этому воздействию».
Арматурные каркасы некоторых сложных сооружений, созданных П. Л. Нерви, например, опорные элементы стадиона Фламинио в Риме напоминают скорее скульптурные произведения. Способы армирования покрытий и консолей бывают иногда у П. Л. Нерви чрезвычайно изобретательны. Все это указывает на необходимость творческого подхода к конструированию арматуры.
Гибкая арматура в виде отдельных стержней, сварных сеток и каркасов является основным и наиболее распространенным видом. До 50-х годов применялось армирование отдельными стержнями, сейчас наиболее характерно армирование сетками и каркасами. Изменились и марки арматурной стали: раньше (до 50-х годов) использовались «мягкие» стали Ст.З (240 МПа) и Ст.О (190 МПа); с повышением марок цементов и бетонов начали применять более прочные стали, например Ст.5 (250 МПа) и 25 Г2С (400 МПа) и др. Для железобетона применяется арматура круглого и периодического (для увеличения силы сцепления с бетоном) профиля. По технологии изготовления различают арматуру холодно-сплющенную, холоднотянутую, горячекатаную. Для изготовления предварительно напряженных конструкций используется высокопрочная холоднотянутая проволока периодического профиля и канатная проволока диаметром 1,8—5 мм. В качестве жесткой арматуры используются прокатные и сварные профили из стали различных марок (Ст.5, Ст.З, Ст.О и др.). Жесткая арматура обычно используется в монолитных конструкциях высотных зданий.
Главным направлением совершенствования арматуры для железобетона является повышение ее прочности (см. рис. на с. 33). Доля эффективных видов арматурной стали сейчас составляет около 50%, к 1980 г. ее предполагается увеличить до 65%. Осваивается, согласно ГОСТ 5781—75, ассортимент арматурных сталей класса Ас-II и А-III, расширяется применение эффективных видов арматуры классов A-V, Ат-V, Aт-VI, Aт-VII. Намечается расширение производства сварных арматурных сеток.
По виду напряженного состояния железобетонные конструкции разделяются в зависимости от их статической работы в сооружении на элементы, работающие на сжатие, растяжение, изгиб, кручение, внецентренные нагрузки. Для понимания архитектором конструктивной логики, а следовательно, и возможной формы железобетонного элемента напряженное состояние имеет определяющее значение. В отличие от инженера-конструктора, который рассматривает железобетонный элемент только (или главным образом) с точки зрения напряженного состояния, и инженера-технолога, который рассматривает этот же элемент по методу его выполнения, архитектор должен видеть в том же элементе его функциональное назначение и пространственную форму.
На этой основе разработана специальная классификация конструктивных систем и элементов зданий, которая более подробно изложена в гл. II. Здесь же, поскольку речь идет о железобетоне как о материале и видах его как конструкции, уместно пользоваться классификацией К. В. Сахновского, который предлагает различать конструкции, работающие на: изгиб (плиты, панели, балки); внецентренное сжатие (колонны, рамы, арки, своды); внецентренное растяжение (резервуары и бункера); центральное растяжение (затяжки, подвески, цилиндрические резервуары); кручение с изгибом (бортовые балки перекрытий, мачты и др.). Кроме того, большое значение для классификации железобетонных конструкций имеет участие данного элемента в пространственной работе всей системы или его самостоятельная работа (несущие, самонесущие или навесные конструкции).
Армоцемент — вид железобетона — ферроцемент или армоцемент впервые предложен П. Л. Нерви в 1948 г., почти 100 лет спустя после Ж. Ламбо, построившего в 1849 г. лодку из проволочной сетки, покрытой с обеих сторон цементным раствором. В процессе создания нового материала и конструкций из него П. Л. Нерви были решены сложнейшие проблемы: получение тонкостенных конструкций (30 мм), отказ от обычной опалубки, сборность в сочетании с малой массой, пространственная жесткость конструкций благодаря складчатой или изогнутой форме.
Для изготовления армоцементных элементов применяются «жирный» раствор (800—1000 кг цемента на 1 м³ песка), тонкие арматурные сетки (диаметр проволоки 0,5—1,5 мм, размер ячейки до 1 см). В результате получается как бы склеенный цементным раствором пакет арматурных сеток, обладающий большой упругостью и трещиностойкостью. Армоцемент работает в конструкции почти как однородный материал, что выгодно отличает его от обычного железобетона. При устройстве большепролетных покрытий из сборных армоцементных элементов применяется обычно сборно-монолитная конструкция. Так, например, в сводах павильона в Турине (1948) в верхней части сборных элементов были проложены арматурные стержни, которые затем замоноличивались со сборными, образуя как бы монолитные арки. Архитектурные возможности армоцемента поистине огромны, они блестяще продемонстрированы в ряде уникальных сооружений, но пока армоцемент еще не стал материалом массового использования.
Предварительно напряженный железобетон представляет собой новую разновидность (даже класс) конструкций, новую технологию изготовления элементов, и новые приемы конструирования зданий. Метод предварительного напряжения восходит к природным явлениям. В технике идея «обжатия» растянутых элементов впервые предложена А. В. Гадолиным (1861), а применительно к железобетону реализована Э. Фрейссине (1928). В СССР благодаря работам А. А. Гвоздева, В. В. Михайлова, С. Е. Фрайфель-да, А. П. Коровкина и др. были разработаны теоретические и технологические основы метода. Производство предварительно напряженных железобетонных конструкций неуклонно растет. Так, в СССР в 1975 г. было произведено 25,3 млн. м³ конструкций, в 1980 г. намечается увеличить их выпуск до 32,3 млн. м³, что составит 11,4% общего производства.
Предварительное напряжение арматуры осуществляется различными методами до или после твердения бетона (механическое натяжение с анкерными устройствами, электротермический метод и др ). Применение предварительного напряжения препятствует образованию трещин в бетоне; высокая трещиностойкость— главное достоинство этих конструкций. Это качество в свою очередь дает возможность эффективно использовать несущую способность арматуры и бетона высоких марок. В результате снижается масса конструкций на 30%, уменьшается сечение элементов, возрастает величина пролетов, повышаются жесткость, долговечность и предел выносливости. К недостаткам предварительно напряженных конструкций относится прежде всего известная сложность технологии, требующая точных специальных устройств, высокой квалификации обслуживающего персонала. Предварительно напряженный железобетон используется в строительстве мостов, промышленных и общественных зданий, из него изготовляют панели, балки, колонны, фермы и другие элементы.
Применение идеи предварительного напряжения железобетона получило отражение в творчестве крупнейших инженеров нашего времени. — Н. В. Никитина и П. Л. Нерви. Так, например, решающую роль в эффективности конструкции, легкости и стройности формы телевизионной башни в Останкино сыграла новая система армирования с напряженной арматурой, расположенной за пределами бетонного сечения. Это позволило создать управляемое во времени предварительное напряжение — живую конструкцию.
Источник: В.Е. Ясиевич. Бетон и железобетона в архитектуре. М. Стройиздат 1980 г.