Бетонные конструкции
Бетон — это смесь цемента, песка, мелких камней (заполнителя) и воды. Сначала он как густая паста, потом твердеет, как камень.
Важны два вида нагрузки. Сжатие — это давление, которое сдавливает. Растяжение — это нагрузка, которая тянет. Бетон отлично выдерживает сжатие. Растяжение он выдерживает плохо: примерно в десять раз хуже, чем сжатие.
Поэтому неармированный бетон (без стали) применяют там, где нагрузка в основном сжимает: фундаменты, толстые стены, гравитационные плотины, облицовка каналов, плиты фермерских дорог на твёрдом грунте и небольшие запруды.
Неармированный бетон трескается, если его изгибать. Поэтому его делают толстым и коротким, а не длинной тонкой балкой.
Железобетонные конструкции
Когда балка изгибается, её нижняя сторона растягивается, а верхняя сжимается. Мы кладём стальные прутья (арматуру) ближе к растянутой стороне. Сталь прочная при растяжении. Бетон удерживает прутья на месте, берёт на себя часть сжатия и защищает сталь от ржавчины.
Почему это работает? Бетон крепко сцепляется с прутом, а при нагреве и охлаждении они расширяются и сжимаются почти одинаково. Поэтому они работают как единое целое.
Вокруг прутьев нужен слой бетона, который называется защитный слой. Он не пускает воду и воздух, и прутья не ржавеют. Обычно он составляет около 2–5 см, а для водяных баков больше.
На ферме железобетон используют для водяных баков, силосов, мостов, водопропускных труб, затворов каналов, перепадов воды, полов в коровниках и зданий с балками и плитами.
Стальные конструкции
Стальная конструкция собирается из прокатных стальных деталей, таких как уголки, швеллеры и двутавровые балки, которые соединяют болтами, заклёпками или сваркой. Сталь прочная и при сжатии, и при растяжении.
Плюсы: она прочная при небольшом весе, быстро монтируется, перекрывает большие пролёты, а старые детали можно использовать снова. Минусы: она ржавеет, если её не красить или не оцинковать, теряет прочность при сильном пожаре, а длинные тонкие детали могут потерять устойчивость (изогнуться вбок) при сжатии.
Ферма соединяет прутья в треугольники. Треугольник не может изменить форму, поэтому каркас остаётся жёстким. Применение на ферме: каркасы теплиц и коровников, зернохранилища, башни водяных баков, опоры для труб полива и ворота.
Как выбрать из трёх
- В основном сжатие, большой вес, долгий срок службы: неармированный бетон.
- Изгиб, давление воды, прочность и долговечность, без последующего переноса: железобетон.
- Большой пролёт, малый вес, быстрая работа, возможен перенос или расширение: сталь.
Учитывай также стоимость, местные материалы, грунт под основанием и срок, на который строят.
Попробуй сам: опыт с печеньем
Возьми сухое печенье. Сожми его плашмя между ладонями: раздавить трудно. Теперь возьми за оба конца и согни: оно ломается при небольшом изгибе. Печенье похоже на бетон: хорошо переносит сжатие и плохо изгиб. Теперь высуши плитку глины с тонкой палочкой, вдавленной в нижнюю сторону, и согни её: она выдержит дольше. Палочка играет роль стальных прутьев.
Главные формулы и определения
- Сжатие = давит; Растяжение = тянет
- Неармированный бетон: прочный при сжатии, слабый при растяжении
- Железобетон = бетон + стальные прутья в растянутой зоне
- Защитный слой = слой бетона вокруг прута (защищает от ржавчины)
- Сталь: прочная и при сжатии, и при растяжении; лёгкая для своей прочности; ржавеет и теряет устойчивость
Разобранные примеры
1. Плита фермерской дороги лежит на твёрдом грунте и только выдерживает давление машины сверху. Неармированный бетон или железобетон?
Грунт поддерживает плиту по всей длине, поэтому она почти не изгибается. Для лёгкого движения хватит неармированного бетона. Можно добавить немного стальной сетки, чтобы ограничить трещины.
2. Мост через канал — это балка на двух стенах. Какая сторона балки растягивается и куда класть прутья?
Балка на двух опорах прогибается вниз. Растягивается низ. Поэтому главные прутья кладут ближе к низу.
3. Консоль (балка, закреплённая одним концом, со свободным другим) несёт груз. Куда класть главные прутья?
Консоль изгибается так, что растягивается верх. Поэтому главные прутья кладут ближе к верху, около закреплённого конца.
4. Фермеру нужен навес шириной 12 м без столбов внутри, и построить его надо быстро. Какая конструкция подойдёт?
Стальной каркас с фермами. Он лёгкий, перекрывает большой пролёт и быстро ставится.
5. Балка шириной 300 мм, защитный слой 40 мм с каждой стороны. Какой ширины пространство между защитными слоями?
300 - 40 - 40 = 220 мм.
6. Неармированный бетон выдерживает растяжение 3 Н на мм2, прежде чем треснет. Низ балки растянут с силой 5 Н на мм2. Будет ли трещина? Что это исправит?
5 больше 3, значит, трещина появится. Стальные прутья берут растяжение на себя, и бетону уже не нужно его выдерживать.
Частые ошибки
- Думать, что бетон прочный во всём. Он прочный только при сжатии.
- Класть прутья в середину или наверх балки на двух опорах. Им место ближе к растянутому низу.
- Делать слишком тонкий защитный слой, из-за чего сталь ржавеет, а бетон разрушается.
- Считать, что сталь никогда не подводит. Тонкая сталь теряет устойчивость, ржавеет и слабеет при пожаре.