Правильная конструкция железобетонных колонн и балок очень важна для обеспечения прочности конструкции здания и, в частности, для того, чтобы выдерживать землетрясения и другие стихийные бедствия.
Здесь мы рассмотрим конструкцию колонн жби, размещение бетона и стали и то, как они придают прочность конструкции.
Конструкционная прочность зданий
Недавно появились новости о серьезных землетрясениях в разных частях мира, и мы знакомы с изображениями разрушенных или обрушившихся зданий.
Если ваш дом спроектирован и построен в соответствии с надлежащими принципами и стандартами проектирования строительных конструкций, тогда ваш дом должен быть безопасным, к сожалению, многие дома спроектированы и построены в соответствии с проектами, которые не могут соответствовать нормам разумного инженерного проектирования.
Вероятно, один из самых распространенных и тревожных недостатков — это здания с плохо спроектированными конструкциями или даже без них.
Конечно, в любом здании всегда будет риск, однако хорошо построенная конструкция, даже если она повреждена в результате стихийных бедствий, часто тем не менее может выдержать такие силы и часто означает разницу между жизнью и смертью.
К сожалению, подобно тому, как некоторые люди носят неудобную обувь на высоком каблуке ради моды, многие люди, очевидно, готовы отказаться от разумного структурного дизайна ради чистых линий здания.
Нигде это не проявляется так ярко, как при проектировании несущих колонн здания.
Что такое несущие колонны?
Структурные колонны — это вертикальные железобетонные колонны, которые стоят на фундаменте и поддерживают здание, они поддерживают стены, полы и крыши, а в сочетании с железобетонными балками они образуют прочный каркас, который позволяет зданию выдерживать некоторые довольно разрушительные силы, такие как как наводнения, сильные ветры, землетрясения, оползни и просадки грунта.
Обычные строительные колонны в домах обычно имеют площадь 20 на 20 см, что шире средней стены. В последние годы проектировщики зданий не хотят, чтобы структурные колонны выступали из стен и портили чистый вид их зданий, поэтому они стали использовать в своих конструкциях «тощие» колонны прямоугольной формы (широкие и тонкие), чтобы их можно было спрятать в стене. стены. «Тощий» — это, конечно, технический термин.
Для инженеров-строителей это серьезная проблема. Чтобы понять, почему, давайте посмотрим на основы проектирования железобетона.
Основы железобетонного проектирования
Комбинация бетона и стали придает железобетону огромную прочность. Бетон твердый и не поддается сжатию, но он хрупкий и легко трескается. Сталь скрепляет бетон, он не растягивается и не ломается. Когда мы объединяем эти два элемента, мы получаем очень прочный материал, если сталь правильно спроектирована и расположена внутри бетона.
Положение стали очень важно. В железобетонном полу мы используем два отдельных слоя горизонтальных стальных стержней, заделанных в бетон. Теперь, если мы поставим груз на пол, пол попытается прогнуться, но для этого верхние стальные стержни должны будут сжаться или смяться и / или нижние стержни должны будут растянуться или сломаться.
Если два слоя стали расположены близко друг к другу, то количество стальных стержней, которые должны быть сжаты или растянуты, чтобы допустить провисание, невелико, и пол не будет очень прочным, но если мы увеличим расстояние между слоями стали, степень растяжения и сжатия стали, необходимое для провисания, намного больше — пол будет намного прочнее.
Сталь, которую мы используем, должна быть достаточно прочной, чтобы не ломаться и не растягиваться, а бетон должен быть достаточно толстым, чтобы надежно удерживать сталь на месте и не трескаться.
Если мы рассмотрим тот же эффект в бетонной колонне, мы увидим, что прочность колонны во многом определяется размером стальных стержней и расстоянием между стержнями в бетоне.
В большинстве случаев колонны удерживают предметы, они должны поддерживать только вес, однако во многих случаях (например, во время землетрясений) на колонны действуют боковые силы, и поэтому они должны быть в состоянии противостоять растрескиванию или изгибу.
Легко понять, что если мы сделаем бетонную колонну с единственным стальным стержнем в центре, колонна будет легко гнуться и трескаться.
Если мы поместим четыре (или более) стальных стержня в форме квадрата по центру колонны, точно так же, как пол, для того, чтобы колонна изогнулась, некоторые стержни должны быть сжаты, а другие — растянуты или сломаны. и чем дальше друг от друга находятся стержни (пока они заключены в бетон), тем больше стойкость колонны к изгибу.
Тонкие колонны могут быть опасны
Однако если мы сделаем столбец прямоугольным, т.е. широким, но не очень толстым, чтобы его можно было спрятать в стене, то колонна может иметь высокую прочность в направлении стены но не под прямым углом к стене.Типичная современная прямоугольная «тонкая» колонна может иметь ширину 30 см, но толщину всего 15 см, что делает ее значительно слабее.
Чтобы компенсировать слабость тонких колонн, дизайнеры могут размещать прямоугольные колонны под прямым углом друг к другу в разных частях здания, однако это не замена использованию квадратных колонн. Они также обычно ставят шесть стальных стержней вместо четырех в тонкие колонны, что действительно помогает, но обычно они имеют меньший диаметр, чтобы попытаться вставить их в бетон. Любой инженер скажет вам, что достаточно уменьшить диаметр стального арматурного стержня на очень небольшую величину, чтобы значительно снизить его прочность.
К сожалению, у тонких колонн есть и другие серьезные недостатки.
- Кислород в воздухе может проникать в бетон на расстояние 6-7 см и окислять (ржаветь) арматурную сталь. Рекомендуется, чтобы арматурная сталь в конструкционном бетоне была покрыта слоем толщиной не менее 6 см, чтобы предотвратить ржавление стали. Это особенно важно в пределах 50 км от моря из-за наличия соли в воздухе. Если наша колонна имеет толщину всего 15 см, и у нас есть 6-сантиметровое покрытие из бетона поверх стали, у нас остается только 3 см для размещения наших двух слоев стальных стержней. Очевидно, что невозможно построить бетонную колонну толщиной 15 см с достаточным бетонным покрытием, чтобы должным образом защитить стальные арматурные стержни.
- Типичная стена имеет толщину всего 15 см и имеет слой штукатурки (цементной штукатурки), вероятно, толщиной около 0,5 см, которая покрывает стену, чтобы сгладить ее. Эта штукатурка наносится как на колонну, так и на кирпичи или цементные блоки, которые образуют стена между колоннами. Для этого столбцы можно сделать еще тоньше, теперь мы уменьшили толщину столбцов до 14 см.
- Залить бетонные колонны непросто, потому что бетон нужно заливать сверху вниз в опалубку — обычно в «форму» из фанеры глубиной 3 метра. Бетон не должен быть слишком влажным, а мелкие камни в бетоне должны проходить сквозь арматурные стержни на своем пути вниз. Бетон должен подвергаться вибрации во время процесса, чтобы убедиться, что бетон достигает дна формы и что все воздушные зазоры заполнены. Это достаточно сложно с квадратной колонной, но намного сложнее с колонной толщиной 15 см. Тонкие колонны часто страдают от плохой конструкции.
Если вы хотите убедиться, что ваше здание безопасно, лучше всего использовать квадратные колонны.