Бетон и металл в строительстве:железобетонные конструкции

Сложность и многоуровневость современного строительства требуют от инженеров применения материалов с предсказуемыми характеристиками и высокой эксплуатационной надёжностью. В этом контексте бетон и металл формируют тандем, ставший стандартом для гражданского, промышленного и инфраструктурного строительства. Однако инженерный взгляд требует более глубокой оценки — действительно ли их сочетание можно считать безусловно оптимальным, или это результат рационального компромисса?

Механика материалов: фундаментальная несовместимость?

Различие в работе на сжатие и растяжение

Бетон — композитный материал, хорошо воспринимающий сжимающие напряжения (до 40–100 МПа в зависимости от класса прочности), но слабый на растяжение (1.5–4 МПа). Металл, напротив, обеспечивает высокую растягивающую и изгибающую прочность (σтек до 250–500 МПа для конструкционных сталей). В этом заключается базовая предпосылка к совместному использованию материалов — распределение сил по принципу «каждому — по возможностям».

Такой подход реализуется в железобетоне: бетон воспринимает сжатие, арматура — растяжение. Прочность сцепления между бетоном и сталью (адгезия + механическая зацепка) — основной параметр, определяющий долговечность и несущую способность элемента.

Совместимость по модулю деформации

Ещё один критически важный аспект — совместимость по деформациям. Модуль упругости стали в 10–15 раз выше, чем у бетона (Eстали ≈ 200 ГПа, Eбетона ≈ 20–35 ГПа), что при неучёте в проектировании приводит к неравномерному распределению внутренних усилий. Поэтому при расчёте композитных конструкций вводится приведение сечений по модулю упругости, чтобы обеспечить корректную оценку жёсткости и устойчивости.

Совместная работа в конструкциях: расчётные модели

Армирование и железобетон

Железобетонные конструкции рассчитываются на основании предельных состояний:

  • по несущей способности (I группа) — оценка прочности бетона и арматуры;

  • по деформациям и трещиностойкости (II группа) — контроль прогибов, раскрытия трещин, условий эксплуатации.

Пример: при расчёте изгибаемой железобетонной балки учитывается момент трещинообразования, расчётный момент сопротивления (MRd) и прогиб по методике СП 63.13330. При этом крайне важно соблюдение минимальных защитных слоёв (20–35 мм) для предотвращения коррозии арматуры.

Сборно-монолитные и композитные решения

В композитных системах (сталебетонных колоннах, ригелях и плитах) используются специальные соединительные элементы:

  • анкерные штыри, привариваемые к стальному профилю;

  • перфопрофили, обеспечивающие сцепление бетона с металлом;

  • механические зацепы — шипы, выпуски арматуры, сварные закладные.

Их цель — обеспечить совместную работу материалов, предотвратить скольжение и «расползание» в зоне действия поперечных и крутящих усилий.

Расчёт проводится с применением метода граничного равновесия, с учётом пластического течения стали и диаграммы «деформация–напряжение» бетона с учетом второго предела прочности.

Температурные и реологические эффекты

Различие температурного расширения

Коэффициент линейного температурного расширения для бетона составляет (10–12)·10–6/°C, для стали — около 12·10–6/°C. Это означает, что при суточных или сезонных колебаниях температуры возникают внутренние напряжения, которые следует учитывать в расчётах.

Пренебрежение температурными деформациями может привести к отрыву обетонированного металла, разрушению сцепления, трещинообразованию.

Ползучесть и усадка бетона

Бетон подвержен ползучести — медленному нарастанию деформаций под постоянной нагрузкой. Это особенно важно при проектировании многоэтажных зданий с металлическим каркасом и железобетонными перекрытиями, где длительное неравномерное оседание может вызывать деформации балок, смещение узлов и напряжения в ограждающих конструкциях.

Расчёт ползучести выполняется с использованием коэффициента φ(t,t0) по нормативам, в зависимости от возраста бетона, условий влажности, температуры и напряжённого состояния.

Конструктивные решения: примеры реализации

1. Обетонированные стальные колонны (Concrete-Encased Columns)

Широко применяются в высотном строительстве. Внутри колонны размещается H-образный стальной профиль, залитый высокопрочным бетоном. Такое решение обеспечивает:

  • повышение огнестойкости;

  • увеличение несущей способности при сжатии;

  • предотвращение потери устойчивости при боковой нагрузке.

Расчёт ведётся по методике EC4 (EN 1994), с учётом совместного сопротивления и фазы «после пластического течения».

2. Композитные перекрытия с профилированной сталью

Металлический профлист служит как армирующий элемент, как опалубка и как рабочая поверхность для сцепления с монолитным бетоном. Ключевое преимущество — снижение массы, упрощение монтажа, ускорение строительства. Расчётная схема — неразрезная балка с переменным моментом инерции.

3. Балки с обетонированной полкой

Решение актуально для мостов и рамных конструкций. Снижается чувствительность к локальным перегрузкам, повышается жёсткость и виброустойчивость. Применяется как в сталежелезобетонных пролетах, так и в многоэтажных зданиях..

Проблемы и риски: инженерный анализ

  1. Коррозия арматуры и металлических элементов при недостаточной защите — особенно в сульфатных и морских условиях. Требует введения добавок, использования оцинкованной арматуры, применения катодной защиты.

  2. Отсутствие совместной деформации — при ошибках в узлах (отсутствие анкеров, неправильное сцепление). Влечёт за собой локальные разрушения и перераспределение усилий.

  3. Ошибки в расчётах при ползучести бетона, приводящие к недоучёту деформаций на длительном интервале времени (более 5–10 лет).

  4. Дефицит проектной культуры в части EC4 и СП 266.1325800 — композитные конструкции пока не имеют такой глубокой нормативной базы, как классический железобетон или сталь.

Сочетание бетона и металла в инженерных конструкциях — это не только технологическая необходимость, но и результат глубокого анализа, инженерного расчёта и нормативного регулирования. Эти материалы обладают взаимодополняющими свойствами, и при грамотном проектировании их совместная работа позволяет создавать устойчивые, жёсткие и долговечные конструкции, особенно в условиях сложных нагрузок и агрессивной среды.

Тем не менее, инженер должен осознавать все подводные камни — от температурных деформаций до риска коррозии и ошибок в расчётах ползучести. Только при всестороннем учёте всех факторов и соблюдении стандартов сочетание бетона и металла превращается из компромисса в оптимальное инженерное решение.

                                                                 

Автор статьи: Царёв Владимир Сергеевич

Подписывайтесь на мою страницу в VK: Перейти

 

21.05.2025 
Просмотров: 493