Что работает на растяжение хуже металл или бетон

Обновлено: 10.01.2025

Какой материал лучше работает на растяжение

Строительные материалы | Механические свойства

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.

Прочность — способность материалов сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределам прочности. Так называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах. Предел прочности при сжатии и растяжении RСЖ(Р), МПа, вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р, Н, к площади поперечного сечения F, мм2:

Предел прочности при изгибе RИ, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента M, Нхмм, к моменту сопротивления образца , мм3:

Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже (в 5-50 раз) на растяжение и изгиб. Другие материалы — металл, древесина, многие пластмассы — хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.

Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества. Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:

Коэффициент конструктивного качества для тяжелого бетона марки 300 равен 12,5; стали марки Ст5-46, древесины дуба при растяжении — 197. Материалы с более высоким коэффициентом конструктивного качества являются и более эффективными.

Упругость — способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.

Упругость оценивается пределом упругости буп, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, PУП, Н, к площади первоначального поперечного сечения F0, мм2:

Пластичность — способность материалов изменять свою форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.

Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Релаксация — способность материалов к самопроизвольному снижению напряжений при постоянном воздействии внешних сил. Это происходит в результате межмолекулярных перемещений в материале. Релаксация оценивается периодом релаксации — временем, за которое напряжение в материале снижается в е = 2,718 раза, где е — основание натурального логарифма. Период релаксации составляет от 1 х 10-10 секунд для материалов жидкой консистенции и до 1 х 1010 секунд (десятки лет) у твердых.

Твердость — способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала.

Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.

Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.

Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость.

Истираемость — способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И в г/см2 вычисляется как отношение потери массы образцом m1-m2 в г от воздействия истирающих усилий к площади истирания F в см2;

Определяется И путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог.

Износ — свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости. Износ определяют на пробах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Чем больше потеря массы пробы испытанного материала (в процентах к первоначальной массе пробы), тем меньше его сопротивление износу.

Хрупкость — свойство материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки, без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и др.

Для чего бетону арматура? Секрет железобетона

Бетон - это камень, изготовленный человеком. Его прочность на сжатие, как и у природных камней, в 10-20 раз превосходит прочность на растяжение. Представьте, как кирпич пытаются раздавить - для разрушения потребуется большая нагрузка, однако если начать его растягивать, нагрузки для его разрушения потребуется на порядок меньше. Часто такие материалы используют в тех случаях, где они будут работать на сжатие - опоры, фундаменты и т.д. Как отмечалось в одной из моих статей , такие камни не годятся в роли балок - плохо работают на изгиб - появляются трещины в растянутой зоне.

При изгибе появляется трещина в теле бетона в растянутой зоне При изгибе появляется трещина в теле бетона в растянутой зоне

Поэтому людям пришла в голову идея ввести в растянутую зону бетона арматуру, ведь прочность стали на растяжение в сотни раз выше, чем у бетона. Кстати, первыми железобетонными конструкциями были лодка и цветочная клумба (подробнее тут ). Таким образом, бетонная балка, усиленная арматурой, сможет лучше сопротивляться изгибу не разрушаясь.

Разрушение железобетонной балки при изгибе Разрушение железобетонной балки при изгибе

Почему тогда просто не использовать стальные балки, для чего все эти хитрости? Зачем арматуре бетон?

Бетон защищает арматуру от коррозии, а также бетон обладает более высокой огнестойкостью, он дольше может сопротивляться высоким температурам. При пожаре сначала выйдет из строя стальная балка, затем только железобетонная. Но для этого нужно соблюдать защитный слой, но об этом в следующий раз.

Спасибо за внимание, подписывайтесь на канал, будем развиваться в сфере строительства вместе!

Зачем бетону нужна арматура, деформация бетонной конструкции!

Ведя разговор о бетоне, нельзя забывать о железобетоне. За счет исключительных качеств, он широко применяется в современном строительстве. Железобетон – это прежде всего бетон, в который вводятся стальные стержни называемые арматурой. Само слово «арматура» – итальянского происхождения и в переводе на русский означает «вооружение». Зачем же нужно «армировать» бетон?

Деформация конструкции вследствие сжатия и растяжения

На строительные конструкции действуют сжатие и растяжение. Из-за этого конструкции деформируются. Для примера, наглядно можно представить обе силы, если взять обыкновенную резинку, положить ее на две опоры и нажать на нее в середине. Резинка сожмется в верхней части, но зато растянется в нижней. В средней же части длина резинки не изменится. Та условная линия, которая разделяет резинку на две части – сжатую и растянутую, называется нейтральной осью. При работе бетонной конструкции на изгиб получается аналогичная картина ее деформации.

Конструкции из бетона при изгибе разрушаются при очень малой нагрузке. Прочность же стального стержня на растяжение в 100 – 200 раз выше, чем у бетона. Значит, если заставить оба материала (бетон и сталь) работать как одно целое, т. е. добиться одинаковой прочности в зоне сжатия и в зоне растяжения изгибаемой конструкции, то можно в несколько раз повысить прочность сооружения на изгиб. Для этого в растянутую часть вводят несколько стальных стержней (арматуру) определенного сечения. Теперь уже конструкция не ломается при изгибе и может выдерживать во много раз большую разрушающую нагрузку.

Может возникнуть вопрос, как же могут совместно работать в одной конструкции два таких разнородных материала, как бетон и сталь?

Все дело в их свойствах: большая прочность на сжатие; высокая прочность арматурной стали на растяжение; большая сила сцепления бетона со сталью; почти одинаковое изменение длины бетона и стали при изменении температуры.

За счет прочного сцепления бетона с арматурой, ее нельзя выдернуть. При твердении бетон уменьшается в объеме и обжимает арматуру, а значит еще прочнее сцепляется с ней. Сила сцепления с арматурой будет возрастать со временем и тем больше, чем плотнее бетон и чем больше шероховатость поверхности арматуры.

Очень малая теплопроводность бетона весьма полезна для железобетонных конструкций: бетон хорошо защищает арматуру от резких изменений температуры.

Что эффективнее: бетонные здания или металлические?

Нас часто ставят перед задачей сравнить здание из бетона со зданиями на основе металлического каркаса, поставляемыми ГК ААА ЕвроАнгар. При этом заказчик в 90% случаев ставит вопрос следующим образом: посчитайте мне стоимость металла на здание такими-то размерами, и я сравню ее со стоимостью бетонного здания.

Почему это ошибка? Как и что, в действительности, необходимо сравнивать? На эти вопросы мы постарались ответить ниже.

Почему нельзя просто сравнить стоимость бетона и стоимость металла? Давайте пофантазируем, как это сделать?

Из курсов строительных материалов известно, что есть некий абстрактный показатель легкости (тяжести) конструкций, где за этот показатель принимают отношение плотности материала к его прочности. Для металлических конструкций, изготовленных из стали марки С345 данный показатель равен 2,453 (7850 кг/куб.м / 3200 кг/кв.см = 2,453), а для наиболее распространенной марки бетона В25 он составляет 13,228 (2500 кг/куб.м / 189 кг/кв.см = 13,228). Получается, что сталь лучше бетона в 5,4 раза? (13,228/2,453 = 5,4). Но, что будет если посчитать деньги, стоимость 1 тонны металла в деле (т. е. с учетом изготовления, доставки, монтажа) не должна превышать стоимость тонны бетона больше чем в 5,4 раза, в противном случае выгодней строить из бетона. Стоимость куба бетона по состоянию на 1 апреля 2020 года составляет 12 500 рублей за куб, или 5000 руб./тонна (12 500 руб./куб.м /2,5 тн/куб.м = 5 000 руб./тн). Выходит, конкурентная стоимость металла не должна быть выше 27 000 руб. за тонну (5 000 * 5,4 = 27 000 руб./тн). По данным на 1 апреля 2020 года стоимость металла в деле составляет порядка 135 000 руб/тн. Казалось бы вопрос закрыт, строим из бетона? Не спешите делать вывод. Дело в том, что у бетона есть обратная сторона — прочность бетона при работе на растяжение на порядок ниже, чем при сжатии. Тот же коэффициент легкости, хотя для бетона скорее тяжести, марки В25 равен 153,37 (2 500 кг/кв.м / 16,3 кг/кв.см = 153,37), то есть бетон в 62,52 раза тяжелее стали. Для того, чтобы бетонные конструкции были можно было хотя бы сравнению с металлическими, в несущих конструкциях должна соблюдаться следующая пропорция: >75% объема бетона должно работать на сжатие, и <25% объема бетона — на растяжение. При такой пропорции стоимость бетонных конструкций в здании будет ниже, чем у аналогичных металлических конструкций.

Давайте разберемся, в каких конструкциях данная пропорция соблюдается.

Фундаменты — практически любые фундаменты столбчатые, ленточные, свайные, плитные. В данном случае сложно рассчитывать на то, что металл может в обозримом будущем конкурировать с бетоном в данном типе конструкций, в основном это обусловлено коррозионной стойкостью. Правда, надо отдать должное винтовым фундаментам — попытки применения чисто металлических фундаментов предпринимаются. Эффективными можно признать металлические фундаменты при сооружении зданий в вечной мерзлоте и при сильно отрицательных температурах возведения. В расчет мы не берем экстремальные расстояния по доставкам строительных материалов, где выигрыш металлических конструкций становится очевидным.

Относительно невысокие здания с малыми пролетами, причем относительность данных параметров зависит от многих составляющих, в основном от нагрузок. Многоэтажное здание с шагом колонн (несущих стен) порядка 6 м и высотой более 60 метров выгоднее строить с применением металлического каркаса. На площадках с сейсмичностью данный параметр падает до 24 м. При шаге колонн около 12 м эффективность металла достигается уже при высоте здания порядка тех же 24 м, не говоря уже о сейсмоопасных районах.

В большепролетных зданиях (с пролетами более 12 м) эффективность металлического каркаса по тем же показателям уже абсолютна. Это связано с тем, что все множество большепролетных зданий при любых высотах заведомо хуже распределения 75/25. Нельзя не отметить, что при высотах зданий до 15 метров использование комбинированных решений (колонны железобетонные, а покрытие металлическое) будет более эффективным, чем применение только металлического каркаса (в случае, если нам не приходится воспринимать серьёзный распор), и есть высокие требования по огнестойкости конструкций, в основном это здания с первой степенью огнестойкости.

Здания с применением металла выигрывают в сравнении с бетонными во всех случаях, за исключением конструкций фундаментов, зданий с рабочей ячейкой 6×6 метров и комбинированных большепролетных зданий с малоуклонной (до 5%) кровлей.

Если ваше здание не подпадает под эти параметры — смело стройте из металла. В пограничных случаях имеет смысл провести сравнение, но в любом случае выигрыш не составит сколько-нибудь существенных показателей. Фактически, проработка сравнения вариантов может обойтись дороже последующей экономии. Здесь лучше делать выбор на основании доступности тех или иных материалов.

Стали, Дерево и Бетон: Сравнение

Какие материалы чаще всего используются в конструкционной инженерии?

Структурное проектирование зависит от знания материалов и их соответствующих свойств, чтобы мы могли лучше прогнозировать поведение различных материалов применительно к конструкции.. В общем-то, три (3) наиболее часто используемые строительные материалы стали, бетон и дерево / древесина. Знание преимуществ и недостатков каждого материала важно для обеспечения безопасного и экономически эффективного подхода к проектированию конструкций..

Конструкционная сталь

Сталь - это сплав, состоящий в основном из железа и углерода. Другие элементы также смешиваются в сплаве, чтобы получить другие свойства. Одним из примеров является добавление хрома и никеля для создания нержавеющей стали. Увеличение содержания углерода в стали имеет целью увеличение прочности материала на растяжение.. Увеличение содержания углерода делает сталь более хрупкой, что нежелательно для конструкционной стали.

Преимущества конструкционной стали

Сталь имеет высокое соотношение прочности и веса. таким образом, мертвый груз стальные конструкции относительно небольшой. Это свойство делает сталь очень привлекательным конструкционным материалом для высотных зданий., длиннопролетные мосты, сооружения, расположенные на земле с низким содержанием грунта и в зонах с высокой сейсмической активностью.
тягучесть. Сталь может подвергаться большой пластической деформации до разрушения, тем самым обеспечивая большой запас прочности.
Предсказуемые свойства материала. Свойства стали можно прогнозировать с высокой степенью достоверности. Сталь фактически демонстрирует упругое поведение до относительно высокого и обычно четко определенного уровня напряжения. В отличие от железобетона, свойства стали существенно не меняются со временем.
Скорость эрекции. Стальные элементы просто устанавливаются на конструкцию, делая за очень короткое время строительства. Это обычно приводит к более быстрой экономической отдаче в таких областях, как затраты на рабочую силу.
Легкость ремонта. Металлоконструкции в целом можно отремонтировать быстро и легко.
Адаптация сборных конструкций. Сталь отлично подходит для изготовления и массового производства.
Повторное использование. Сталь может быть повторно использована после разборки конструкции.
Расширение существующих структур. Стальные здания можно легко расширить, добавив новые бухты или крылья. Стальные мосты могут быть расширены.
Предел выносливости. Стальные конструкции имеют относительно хорошую усталостную прочность.

Недостатки конструкционной стали

Общая стоимость. Сталь очень энергоемкая и, естественно, более дорогая в производстве. Стальные конструкции могут быть более дорогостоящими, чем другие типы конструкций..
Огнезащитные. Прочность стали существенно снижается при нагревании при температурах, обычно наблюдаемых при пожарах в зданиях.. Сталь также проводит и передает тепло от горящей части здания довольно быстро. следовательно, стальные каркасы в зданиях должны иметь соответствующую противопожарную защиту.
Обслуживание. Сталь, подверженная воздействию окружающей среды, может повредить материал и даже загрязнить конструкцию в результате коррозии.. Стальные конструкции, подверженные воздействию воздуха и воды, такие как мосты и башни, регулярно красятся. Применение атмосферостойких и коррозионно-стойких сталей может устранить эту проблему.
Восприимчивость к выпучиванию. Благодаря высокому соотношению прочности и веса, стальные компрессионные элементы, В основном, более стройный и, следовательно, более подвержен деформации, чем, сказать, железобетонные компрессионные элементы. В следствии, необходимо больше конструктивных соображений, чтобы улучшить сопротивление изгибу тонких стальных сжимающих элементов.

фигура 1. Обзор металлоконструкций

Железобетон

Бетон - это смесь воды, цемент и заполнители. Соотношение трех основных компонентов важно для создания бетонной смеси желаемой прочности на сжатие. Когда арматурные стержни добавляются в бетон, два материала работают вместе с бетоном, обеспечивая прочность на сжатие, и сталь, обеспечивающую прочность на растяжение.

Преимущества железобетона

Прочность на сжатие. Железобетон обладает высокой прочностью на сжатие по сравнению с другими строительными материалами.
Предел прочности. Благодаря предоставленной арматуре, железобетон также может выдерживать достаточное напряжение растяжения.
Огнестойкость. Бетон обладает хорошей способностью защищать арматурные стальные стержни от пожара в течение длительных периодов времени.. Это выигрывает время для арматурных стержней, пока не погаснет пожар.
Материалы из местных источников. Большинство материалов, необходимых для производства бетона, легко добываются на месте, что делает бетон популярным и экономически выгодным выбором.
долговечность. Железобетонная строительная система более долговечна, чем любая другая строительная система.
Формуемость. Железобетон, как текучий материал в начале, может быть экономически отлито в практически неограниченный диапазон форм.
Низкие эксплуатационные расходы. Железобетон рассчитан на прочность, с использованием недорогих материалов, таких как песок и вода, которые не требуют обширного ухода. Бетон предназначен для того, чтобы полностью покрыть арматуру таким образом, чтобы арматура не нарушалась. Это делает стоимость обслуживания железобетонных конструкций очень низкой.
По строению вроде фундаментов, плотины, пирсы и т. д.. железобетон - самый экономичный строительный материал.
жесткость. Он действует как жесткий элемент с минимальным прогибом. Минимальный прогиб хорош для исправности зданий.
Удобство для пользователя. По сравнению с использованием стали в структуре, менее квалифицированная рабочая сила может использоваться при строительстве железобетонных конструкций.

Недостатки железобетона

Долгосрочное хранение. Бетон нельзя хранить после его смешивания, так как цемент реагирует с водой и смесь затвердевает. Его основные ингредиенты должны храниться отдельно.
Время отверждения. Бетон имеет 30-дневный период отверждения. Этот фактор сильно влияет на график строительства здания. Это замедляет скорость монтажа монолитного бетона по сравнению со сталью, тем не мение, это может быть значительно улучшено с использованием сборного железобетона.
Стоимость форм. Стоимость форм, используемых для литья RC, относительно выше.
Большое поперечное сечение. Для многоэтажного здания секция железобетонной колонны (RCC) больше, чем стальной профиль, так как прочность на сжатие ниже в случае RCC.
усадка. Усадка вызывает развитие трещины и потерю прочности.

фигура 2. Типичный пример железобетона

лесоматериалы

Дерево органическое, гигроскопичный и анизотропный материал. Его тепловой, акустическое, электрический, механический, эстетический, работает, и т.д. свойства очень подходящие для использования можно построить удобный дом, используя только деревянные изделия. С другими материалами, это почти невозможно. Дерево, очевидно, является как общим, так и историческим выбором в качестве конструкционного инженерного материала.. тем не мение, в последние несколько десятилетий, был сделан переход от дерева в пользу инженерных изделий или металлов, таких как алюминий.

Преимущества пиломатериалов

Предел прочности. Для того, чтобы быть относительно легким строительным материалом, древесина превосходит даже сталь, когда дело доходит до разрывной длины (или длина самоподдержки). Проще говоря, он может лучше выдерживать свой вес, что позволяет увеличить пространство и уменьшить количество необходимых опор в некоторых конструкциях зданий.
Электрическая и тепловая стойкость. Обладает естественной устойчивостью к электрической проводимости при сушке до стандартной влажности (MC) уровни, обычно между 7%-12% для большинства пород древесины. Его прочность и размеры также не сильно зависят от тепла., обеспечение устойчивости готового здания и даже последствия для безопасности при определенных ситуациях пожара.
Звукопоглощение. Его акустические свойства делают его идеальным для минимизации эха в жилых или офисных помещениях.. Дерево поглощает звук, а не отражать или усиливать его, и может помочь значительно снизить уровень шума для дополнительного комфорта.
Местный источник. Древесина является строительным материалом, который можно выращивать и выращивать в результате естественных процессов, а также в рамках программ по пересадке и управлению лесным хозяйством.. Выберите сбор урожая и другие методы, позволяющие продолжить рост, в то время как собирают более крупные деревья.
Экологически чистый. Одна из самых больших проблем многих строительных материалов, в том числе бетон, металл, и пластмассы, это то, что когда они отбрасываются, они занимают невероятно много времени для разложения. При воздействии естественных климатических условий, древесина будет разрушаться намного быстрее и фактически пополнять почву в процессе.

Недостатки бруса

Усадка и набухание древесины - один из ее главных недостатков..

Древесина является гигроскопичным материалом. Это означает, что он будет поглощать окружающие конденсируемые пары и теряет влагу для воздуха ниже точки насыщения волокна. Еще одним недостатком является его ухудшение. Агенты, вызывающие разрушение и разрушение древесины, делятся на две категории: биотический (биологический) и абиотический (небиологический). Биотические агенты включают грибки гниения и плесени, бактерии и насекомые. Абиотические агенты включают солнце, ветер, вода, определенные химические вещества и огонь.

фигура 3. Деревянный / деревянный каркас

Резюме

Чтобы лучше описать сталь, бетон и дерево. Давайте суммируем их основные характеристики, которые будут выделять каждый материал.

Стали очень сильны как на растяжение, так и на сжатие и, следовательно, имеют высокую прочность на сжатие и растяжение. Сталь имеет предел прочности около 400 в 500 МПа (58 - 72.5 KSI). Это также пластичный материал, который дает или отклоняется до отказа. Сталь выделяется своей скоростью и эффективностью в строительстве. Его относительный легкий вес и простота конструкции позволяют рабочей силе 10 в 20% меньше по сравнению с аналогичной конструкцией на основе бетона. Стальные конструкции также имеют отличную прочность.

бетон очень сильное сжатие и, следовательно, имеет высокую прочность на сжатие, около 17 МПа до 28 МПа. С более высокой силой до или превышающей 70 МПа. Бетон позволяет проектировать очень прочные и долговечные здания, и использование его тепловой массы, сохраняя его внутри оболочки здания, может помочь регулировать внутреннюю температуру. В строительной промышленности все шире используется сборный железобетон., который предлагает преимущества с точки зрения воздействия на окружающую среду, стоимость и скорость строительства.

Дерево устойчив к электрическим токам, что делает его оптимальным материалом для электроизоляции. Прочность на растяжение также является одной из основных причин выбора древесины в качестве строительного материала.; его удивительно сильные качества делают его идеальным выбором для тяжелых строительных материалов, таких как конструкционные балки. Дерево намного легче по объему, чем бетон и сталь, с ним легко работать и он легко адаптируется. Это прочный, приводит к меньшему тепловому мосту, чем его аналоги и легко включает в себя сборные элементы. Его конструктивные характеристики очень высоки, а прочность на сжатие аналогична прочности бетона. Несмотря на все это, древесина используется более широко для жилых и малоэтажных сооружений. Он редко используется в качестве основного материала для высотных сооружений..

Это наиболее распространенные строительные материалы, используемые для строительства. Каждый материал имеет свой уникальный набор преимуществ и недостатков.. В конечном итоге они могут быть заменены материалами, которые практически не имеют ограничений по сравнению с технологическими достижениями в будущем.. Несмотря на, наши нынешние строительные материалы останутся актуальными на долгие десятилетия.

Сталь против бетона

Для возведения зданий, мостов, опор высоковольтных линий и многих других сооружений используются сталь, дерево или бетон. Хотя древесина способна выдерживать высокую нагрузку (см. раздел 2.19), для оценки эффективности материалов целесообразнее сравнить сталь с бетоном. Руководствуясь концепцией MIPS, «стальная группа» в Вуппертальском институте, которую возглавляет Криста Лидтке, сравнила стальные и бетонные опоры, несущие магистральные провода сети напряжением 110 кВ. Их функцию можно определить как передачу электроэнергии напряжением 110 кВ в течение фиксированного периода времени, например 40 лет. С помощью такого определения была оценена оборачиваемость материалов или входящий поток на единицу выполненной работы — MIPS (Лидтке и др., 1993).

В соответствии с положениями упомянутой концепции сталь предпочтительнее по двум основным причинам.

q На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материала, чем на стальные (соответственно 90 тонн и 36 тонн для типичной опоры в Центральной Европе). Сама бетонная опора весит около 45 тонн, а стальная — 6 тонн.

q Стальные опоры служат в 2 с лишним раза дольше, чем бетонные, правда, через каждые 10—20 лет, в зависимости от климатических условий, требуется профилактический ремонт.

Кроме того, стальные опоры можно делать из чугунного и стального лома, что тоже смещает баланс в пользу стали. Здесь достижим фактор 2,5.

В общем и целом переход от бетонных опор к стальным обеспечивает шестикратное увеличение эффективности использования материала (см. рис. 8).

Для линий электропередач, опор, мостов и т. д. традиционно использовалась только сталь. Но после Второй мировой войны бетон завоевал ведущие позиции даже в странах с развитой сталелитейной промышленностью. Историко-экономический анализ Лидтке и соавторов показывает, что причины вытеснения стали бетоном мало связаны с затратами. Скорее, это было данью моде или объяснялось субъективным выбором инженерных школ. Бетон считался более современным и более «изящным», но сооружения из него нуждаются в частом ремонте, и потому он может потерять свою привлекательность.

Преимущества стали еще более очевидны, если оптимизировать эффективность ее производства. Она по-прежнему производится в кислородных конвертерах, при этом вхолостую тратятся энергия, вода и материалы. Внедряемый метод электрической выплавки все еще далек от того, чтобы заменить старые способы, хотя он требует значительно меньшей массы материалов, чем оксигенизация. На тонну электростали — одна десятая часть топлива, одна восьмая воды, одна пятая воздуха и менее одной сороковой части других материалов по сравнению с традиционной конвертерной сталью. С другой стороны, на электрическую выплавку идет на 30% больше электроэнергии. Если при этом учитывать «экологический рюкзак», который обычно формируется в условиях Германии, то баланс уже не выглядит столь выигрышным для этого метода. И все же, «фактор четыре» в повышении эффективности материалов при переходе от кислородной стали к электростали можно обосновать.

Коммерческий интерес к конструкциям и сооружениям, имеющим большой срок службы, и, следовательно, интерес к стали можно подстегнуть, если опоры, мосты и другие подобные сооружения сдавать в аренду, а не продавать. При лизинге строительная фирма уделяла бы чрезвычайно большое внимание долговечности и малым эксплуатационным затратам. Действительно, быть может, уже настало идеальное время для введения концепции лизинга. У многих муниципальных корпораций в Германии и других странах высокая задолженность, и им пришлось бы занять деньги для строительства новых мостов. Договора о долгосрочной аренде станут привлекательными, когда их стоимость не будет превышать обременительных капитальных и эксплуатационных затрат на бетонные мосты — если, конечно, технологии углеродных волокон, которые подешевеют с развитием новых отраслей типа производства гиперавтомобилей, не выиграют эту гонку благодаря своей высокой коррозионной стойкости, усталостной прочности и другим возможностям уменьшения веса, растущим как снежный ком.

Металл против стеклопластика: на чем держится бетон

Без арматурного каркаса невозможна ни одна монолитная бетонная конструкция. Прочность, устойчивость к деформациям — все это обеспечивается именно арматурным каркасом. За много десятилетий все привыкли к тому, что арматура — это металлические прутья или проволока. Не так давно на рынке появилась композитная арматура — стеклопластиковая или стеклобазальтовая, под нее даже разработан свой собственный свод правил — СП 295.1325800.2018 «Конструкции бетонные армированные полимерной композитной арматурой». Разбираемся, в чем различия между этими двумя типами арматуры и в чем заключаются некоторые секреты обустройства металлического арматурного каркаса.

Как работает арматура

Монолитный бетон — и прочный, и долговечный, и универсальный материал. Но у него есть один большой изъян — он хрупкий. Именно поэтому, чтобы придать всей монолитной конструкции устойчивость к деформациям и разрушению, бетон укрепляется своеобразным «скелетом» — арматурным каркасом. Именно арматура удерживает общую конструкцию: например, стальной прут на растяжение прочнее бетона в две сотни раз — и после заливки и застывания вся масса приобретает единые свойства.

Так что, если мы хотим получить прочный бетонный монолит, нужно, чтобы внутри него обязательно был каркас из арматуры. Это касается подавляющего большинства случаев: и для фундамента, и в перекрытиях, и в лестницах, и в других монолитных конструкциях.

Арматурный каркас бывает плоским (горизонтальный или вертикальный) или пространственным. Выбирается способ монтажа в зависимости от того, какую работу должна выполнять конструкция.

Два типа арматуры

Металлическая арматура — это стальной прокат, длинные пруты разного сечения (от 6 до 40 мм). Пруты эти бывают гладкими или ребристыми. Гладкий профиль (класс А1) используют, чтобы делать конструкционные перемычки. Ребристый обеспечивает более серьезное сцепление с бетоном, поэтому из него собирают несущий каркас для ленточных и плитных фундаментов. Разумеется, ребристый профиль дороже. Чтобы строить дома, в качестве рабочей арматуры используют арматуру классов А300 и А400. Металлическая арматура может быть сварена в сетчатый каркас, но этого делать не рекомендуется: прут станет хрупким из-за перегрева. Лучше вязать ее специальной проволокой или пластиковыми хомутами.

Композитная арматура была придумана около сорока лет назад. Она чаще всего бывает стеклопластиковая, но иногда бывает и стеклобазальтовая (сделанная из расплава горной породы и выскопрочного полимерного волокна). Профиль композитной арматуры чаще всего ребристый, сечение может быть от 4 до 20 мм. Такой каркас связывается проволокой или пластиковыми хомутами.

К достоинствам стеклопластиковой арматуры причисляют:

повышенную прочность;
устойчивость к коррозии;
удобство в транспортировке и монтаже.

Пластиковая арматура никогда не заржавеет — а значит, не нужно пытаться во что бы то ни стало выдерживать защитный слой бетона. Она прочная — бетонная конструкция будет хорошо удерживать форму десятилетиями.

Зато есть у «новичка» и серьезный недостаток — у стеклопластиковой арматуры модуль упругости примерно втрое меньше, чем у стальной. Иными словами, при пиковой нагрузке по упругости стальная арматура растянется, а стеклопластиковая — порвется, то есть плита перекрытия просто рухнет моментально. Так что многие профессионалы рынка не советуют использовать такую арматуру в фундаментах, особенно в ленточных и плитных.

И еще одна проблема стеклопластиковой арматуры — она не очень выгодна, армирование стальными прутьями выходит дешевле, даже с учетом сильного подорожания металла в строительстве за последнее время. Так что многие эксперты сомневаются в целесообразности использования подобных каркасов в частном домостроении.

Секреты армирования бетона

Прежде чем делать арматурный каркас, нужно все хорошо рассчитать: в зависимости от нагрузки, от типа грунта и уровня его промерзания. Есть умельцы, которые умеют рассчитать параметры «скелета» бетонной конструкции самостоятельно. Но если вы никогда этого не делали — лучше оставить эту работу специалистам. Но есть и общие правила, о которых было бы не лишне знать каждому начинающему домовладельцу.

Читайте также: