Warum verwenden wir mehrere Bewehrungsstäbe anstelle eines Stabes mit großem Durchmesser in Stahlbeton?
Antworten:
Es gibt einige Gründe.
Ich gehe zunächst davon aus, dass Sie über das Ersetzen eines Bündels kleiner Bewehrungsstäbe durch einen einzigen mit angemessener Größe sprechen: dh anstelle von (7,54 cm 2 ) mit (8,04 cm 2 ).
Ein Grund ist die Verbesserung der Konstruierbarkeit. Stahlbetonbalken haben auch eine Querbewehrung, und es ist sehr üblich, Bewehrungsstäbe an den vier Ecken der Querbewehrung anzubringen, um alles zu einem selbsttragenden Käfig zusammenzubinden (dies verhindert auch das Quetschen von Beton an den Ecken der Querbewehrung). Das bedeutet aber nur, dass Sie eine untere Grenze von 2 Bewehrungsstäben in jede Fläche (obere und untere) legen sollten. Aber warum nicht (8,04 cm 2 ) anstelle von ?15 ϕ 8
Mehrere kleine Bewehrungsstäbe verbessern das Verhalten der Beton-Stahl-Grenzfläche. Die Gesamtoberfläche zur Übertragung der Zugkräfte vom Stahl auf den Beton an den Verankerungen ist größer, wodurch die Zugspannung verringert und somit die Verankerungs- und Überlappungsspleißlängen verkürzt werden. Dies reduziert auch die Risse, die sich im Beton entwickeln.
Schließlich kann man normalerweise auch mit kleineren Bewehrungsstäben effizienter sein: Wenn Sie tatsächlich 7,5 cm 2 benötigen, benötigen Sie entweder (7,54 cm 2 ), (7,85 cm 2 ), (8,59 cm 2 ), (8,04 cm 2 ), (9,42 cm 2 ), (9,82 cm 2 ) oder (8,04 cm 2 ). bietet die effizienteste Verwendung von Stahl und bringt so wenig Extra wie möglich. Dies ist jedoch offensichtlich nicht immer der Fall. Es ist nur oft so.10 ϕ 10 7 ϕ 12,5 4 ϕ 16 3 ϕ 20 2 ϕ 25 1 ϕ 32 ϕ 8
Jetzt gehe ich davon aus, dass Sie über die Verwendung einer lächerlich großen Stahlstange sprechen: dh anstelle von (68,2 cm 2 ) . Einige der hier angesprochenen Punkte sind immer noch gültig, auch wenn Sie davon sprechen, vernünftig zu sein, aber ihre Bedeutung ist verringert.1 ϕ 94
Ein Grund sind die Kosten. Dieses Konzept impliziert die Herstellung von Bewehrungsstäben mit benutzerdefiniertem Durchmesser für jeden Träger (ansonsten sagen Sie nur, dass die aktuelle Bewehrung zu klein ist), was die Verwendung von Skalierung zur Kostensenkung behindern würde. Eine Fabrik kann die Stückkosten eines Riegels , indem sie Millionen davon herstellt. Wenn für jeden Balken auf jeder Baustelle ein benutzerdefinierter Durchmesser erforderlich ist, sind solche Kosteneinsparungen nicht möglich.
Außerdem würde eine einzelne Bewehrung fast 54 kg / m wiegen, was bedeutet, dass Sie einen Kran verwenden müssten, um sie in Position zu bringen, während von einem einzelnen Arbeiter einzeln einzeln von Hand platziert werden kann.20 ϕ 20
Außerdem muss der Stahl an den Enden Ihres Trägers wahrscheinlich gebogen werden. Je größer der Durchmesser der Bewehrung ist, desto größer ist ihr Biegeradius.
Und dann ist da noch Folgendes:
Da der Schwerpunkt Ihres Stahls weiter von der Betonoberfläche entfernt ist, ist er auch weniger effizient: Sie benötigen mehr Stahl, um die gleiche Festigkeit zu erzielen. Dies gilt auch für den ersten Teil dieser Antwort, in dem es um vernünftige Größen ging, aber dann ist der Unterschied offensichtlich viel geringer.
Aber warum nicht ein Stahlblech anstelle einer großen kreisförmigen Bewehrung verwenden? Zum Teufel, da es keine Zwischenräume mehr zwischen den Bewehrungsstäben geben würde, könnten Sie ein Blatt wählen, das dünner als die Durchmesser mehrerer Bewehrungsstäbe ist und daher auch effizienter! Dann würde sich jedoch Ihre Oberfläche verringern und die Übertragungsspannungen und damit die Verankerungs- und Überlappungsspleißlängen erhöhen. Ein Blatt ist auch ein zweidimensionales Element, so dass es andere transversale Verhaltensweisen geben kann, die zu Problemen führen können. Wie würden Sie den Beton für die Unterseite des Balkens gießen?
Am Ende des Tages ist die beste Faustregel (oder die, die ich zu verwenden versuche), Ihr Bestes zu geben, um alles in so wenige Bewehrungsstangen wie möglich einzupassen, aber diese Schichten so weit wie möglich zu füllen ( während immer noch bequemer Platz für richtiges Betonieren bleibt, einschließlich des notwendigen Platzes für den Vibrator). Die einzige Ausnahme ist die letzte Schicht (am weitesten von der relevanten Fläche des Balkens entfernt), die leerer gelassen werden kann (vorzugsweise jedoch mit einer Anzahl von Balken, die es ermöglichen, einem symmetrischen Muster der vorherigen Schichten zu folgen). Nun, gleichen Sie dies mit der Effizienz des Stahls aus: Wenn dies die Verwendung einer großen Bewehrung erfordert und zu einer angenommenen Stahlfläche führt, die viel größer ist als wenn eine andere Schicht mit einer kleineren Bewehrung hinzugefügt würde, ist möglicherweise eine andere Schicht am besten.
Der Hauptzweck der Bewehrung besteht darin, die Zugfestigkeit von Beton zu verbessern. In der Praxis stammen die meisten dieser Belastungen eher aus Biegung als aus reiner Spannung.
Wenn ein Balken, der Biegekräften ausgesetzt ist, die größte Spannung an den Kanten und Flächen des Balkens aufweist, würde es nicht viel bewirken, wenn nur eine große Stange in der Mitte verläuft, da dieser Teil der Struktur bis zum Beginn nur eine sehr geringe Belastung aufweist Scheitern.
Wenn Bewehrungsstäbe mit kleinerem Durchmesser über die gesamte Struktur verteilt sind, wird auch die Last vom Beton auf den Stahl effektiver verteilt, da zwischen beiden ein größerer Kontaktbereich für die Haftung besteht.
In der Praxis wird die Größe und Platzierung der Stahlbewehrung durch die erwartete Belastung der Struktur bestimmt und ist ein Kompromiss zwischen Festigkeit, Gewicht, Kosten und den praktischen Aspekten der Montage des Stahlwerks während des Baus.
Aus rein konzeptioneller Sicht bietet eine große Stange mit derselben Fläche wie mehrere kleinere Stangen die gleiche Momentenkapazität für einen Betonbalken. Dies setzt voraus, dass sich die Mitte der Balken alle in derselben Tiefe befindet.
Die Verteilung der Stäbe (mehrere kleinere Stäbe) hilft, Risse zu begrenzen, indem die Zugkraft über eine größere Betonbreite verteilt wird.
Mehrere kleinere Stangen helfen auch bei der Betrachtung der Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen Beton und Betonstahl. Ein einzelner großer Balken hat eine geringere Oberfläche als mehrere kleinere Balken. Dies bedeutet, dass für eine gegebene Last die Spannung zwischen der Oberfläche der Stange und dem Beton im Fall einer einzelnen Stange größer ist. Dies hat Anwendungen auf die Entwicklungslänge der Bewehrung.
Zusätzlich zu Wasabis Antwort - was großartig ist - benötigen Stangen mit großem Durchmesser eine verrückte Entwicklungslänge und Überlappungslänge .
Als Faustregel für die Entwicklung und die Überlappungslänge gelten 40 Durchmesser. Für 20-mm-Stangen sind das große, aber vernünftige 80 cm, für 32-mm-Stangen 128 cm und für 50-mm-Stangen 2 m.
Probleme mit der Rundenlänge können durch die Verwendung mechanischer Steckverbinder vermieden werden. Eine Entwicklungslänge von 2 Metern würde jedoch viel Stahl verschwenden und einen großen Raum benötigen, der sehr oft nicht verfügbar ist.
Beton und Stahl verhalten sich drastisch unterschiedlich: Es wird angenommen, dass Beton keine Zugspannung aushalten kann, sobald erste Risse auftreten, während Stahl ein ideales Material für Zugspannung ist. Optimalerweise wäre es ideal, dünne, winzige Stahlstränge zu haben, im Gegensatz zu wenigen großen, ähnlich wie Glasfaser homogen funktioniert.
Zumal wir wissen, dass unsere Konstruktionsannahmen stark vereinfacht sind, um die Arbeit des Ingenieurwesens praktisch zu machen. Dinge wie Klima und Sonneneinstrahlung, Feuchtigkeit, das Eindringen von Ätzmitteln durch Risse in einem Element wirken sich alle auf das Verhalten eines Elements aus. Wie oben erwähnt, hängen die Fläche und die Kontaktfläche der Stahlstange in einem nachteiligen Leistungsverhältnis von zwei für die Fläche der Stange zusammen, die die Spannung durch Hautreibung auf Beton überträgt.
Andererseits sollten praktische Anforderungen während des Baus zugelassen werden, wie z. B. Stangen, die unter dem Fußgängerverkehr von Arbeitern oder im Wohnraum nicht leicht verformt werden können, um den Durchgang vorübergehender Rohre oder Leitungen zu ermöglichen. Hier kamen technische Codes ins Spiel, um einen einheitlichen und vorhersehbaren Spielplan zu erstellen. Der Maschinenbauingenieur oder Hardware-Designer weiß also, was er spezifiziert oder erwartet.
Der kleine Durchmesser des Stabschwerpunkts liegt nahe der Betonoberfläche. Ein größerer Durchmesser des Stabschwerpunkts ist weit von der Betonoberfläche entfernt. kleiner Stabdurchmesser leicht zu handhaben als der größere Stabdurchmesser. Je größer der Durchmesser der Bewehrung ist, desto größer ist ihr Biegeradius.
Ich denke, dass 4 bar D1 besser sind als 1 bar D2 (gleiche Zugfläche, aber mehr Klebefläche).
Darüber hinaus sind größere Stäbe spröder, während kleinere Stäbe eine dominante Oberflächenausbeute aufweisen (elastischer und plastischer als spröde). Es erhöht die Sicherheit, wenn ein Fehler auftritt.