Железобетон. 1. Сущность железобетона. История развития. Области применения

• Название: 1. Сущность железобетона. История развития. Области применения
• Дата: 17.01.2022
• Размер: 1.61 Mb.
• Имя файла: Железобетон.pdf
• Тип: Документы; #333206
• страница: 2 из 13

6. Метод расчѐта строительных конструкций по предельным состояниям. Группы предельных
состояний, система расчѐтных коэффициентов.
Метод расчета конструкций по предельным состояниям является дальнейшим развитием метода расчета по разрушающим усилиям. При расчете по этому методу четко устанавливают предельные состояния конструкций и используют систему расчетных коэффициентов, введение которых гарантирует, что такое состояние не наступит при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов. Прочность сечений определяют по стадии разрушения, но безопасность работы конструкции под нагрузкой оценивают не одним синтезирующим коэффициентом запаса, а указанной системой расчетных коэффициентов. Конструкции, запроектированные и рассчитанные по методу предельного состояния, получаются несколько экономичнее.
Две группы предельных состояний
Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, т. е. теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или местные повреждения.
Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных состояний: по несущей способности (первая группа); по пригодности к нормальной эксплуатации (вторая группа).
Расчет по предельным состояниям первой группы выполняют, чтобы предотвратить следующие явления: хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности с учетом в необходимых случаях прогиба конструкции перед разрушением); потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций и т.п.) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение ч подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов; расчет на всплытие заглубленных или подземных резервуаров и т. п.); усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющейся подвижной или пульсирующей нагрузки: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов и перекрытий под неуравновешенные машины и т.п.); разрушение от совместного воздействия силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (агрессивность среды, попеременное замораживание и оттаивание и т. п.).
Расчет по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить следующие явления: образование чрезмерного и продолжительного раскрытия трещин (если по условиям эксплуатации они допустимы); чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).
Расчет по предельным состояниям конструкции в целом, а также отдельных ее элементов или частей выполняют для всех этапов: изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации. При этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов.
7. Суть предварительного напряжения железобетонных конструкций. Потери преднапряжения.
Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. При малых предварительных напряжениях в арматуре и малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения стечением времени будет утрачен вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и других технологических и конструктивных факторов.
Начальные предварительные напряжения в арматуре не остаются постоянными, с течением времени они уменьшаются. Различают первые потери предварительного напряжения в арматуре, происходящие при изготовлении элемента и обжатия бетона, и вторые потери, происходящие после обжатия бетона.
Первые потери.
1. Потер и от релаксации напряжений в арматуре при натяжении на упоры; зависят от способа натяжения и вида арматуры.
2. Потери от температурного перепада, т. е. от разности температуры натянутой арматуры и устройств, воспринимающих усилие натяжения при пропаривании или прогреве бетона
3. Потери от деформации анкеров, расположенных у натяжных устройств, вследствие обжатия шайб, смятия высаженных головок, смещения стержней в зажимах или захватах при механическом натяжении на упоры I
4. Потери от трения арматуры: а) о стенки каналов или поверхность конструкции при натяжении на бетон б) об огибающие приспособления при натяжении на упоры
5. Потери от деформации стальных форм при изготовлении предварительно напряженных элементов с натяжением арматуры домкратами

6. Потери от быстронатекающей ползучести бетона зависят от условий твердения, уровня напряжений и класса бетона; развиваются они при обжатии и в первые два—три часа после обжатия
Вторые потери. 1. Потери от релаксации напряжений в арматуре при натяжении на бетон высокопрочной арматурной проволоки и стержневой арматуры принимаются такими же, как и при натяжении на упоры.
8. Потери от усадки бетона и соответствующего укорочения элемента зависят от вида бетона,, способа натяжения арматуры, условий твердения.
9. Потери от ползучести бетона зависят от вида бетона, условий твердения, уровня напряжений.
10. Потери от смятия бетона под витками спиральной или кольцевой арматуры
11. Потери от деформаций обжатия стыков между блоками сборных конструкций.
Потери от усадки и ползучести существенно зависят от времени и влажности среды.
Для конструкций, эксплуатируемых при влажности воздуха окружающей среды ниже 40 %, потери от усадки и ползучести бетона увеличивают на 25 %; для конструкций, эксплуатируемых в районах с сухим жарким климатом, — на 50 %.
При натяжении арматуры на упоры учитывают: первые потери — от релаксации напряжений в арматуре, температурного перепада, деформации анкеров, трения арматуры об огибающие приспособления, деформации стальных форм, деформации бетона от быстронатекающей ползучести вторые потери — от усадки и ползучести
При натяжении арматуры на бетон учитывают: первые потери — от деформации анкеров, трения арматуры о стенки каналов
; вторые потери — от релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона, смятия бетона под витками арматуры, деформации стыков между блоками (для сборных конструкций, состоящих из блоков)
Суммарные потери при любом способе натяжения они могут составлять около 30 % начального предварительного напряжения. В расчетах конструкций суммарные потери следует принимать не менее 100
МПа.
8. Виды изгибаемых элементов и их конструктивные особенности.
Наиболее распространенные изгибаемые элементы железобетонных конструкций — плиты и балки. Балками называют линейные элементы, длина которых значительно больше поперечных размеров. Плитами называют плоские элементы, толщина которых значительно меньше длины и ширины. Из плит и балок образуют многие железобетонные конструкции, чаще других — плоские перекрытия и покрытия, сборные и монолитные, а также сборно-монолитные. Плиты в монолитных конструкциях делают толщиной 50...100 мм, в сборных — меньшей толщины.
Плиты и балки могут быть однопролетными и многопролетными. Такие плиты деформируются подобно балочным конструкциям при различного рода нагрузках, если значение последних не изменяется в направлении, перпендикулярном пролету.
Армируют плиты сварными сетками. Сетки укладывают в плитах так, чтобы стержни их рабочей арматуры располагались вдоль пролета и воспринимали растягивающие усилия, возникающие в конструкции при изгибе под нагрузкой, в соответствии с эпюрами изгибающих моментов. Поэтому сетки в плитах размещаются понизу, а в многопролетных плитах — также и поверху, над промежуточными опорами.
Стержни рабочей арматуры принимают диаметром 3...10 мм, располагают их на расстоянии (с шагом) 100...200 мм одна от другого. Защитный слой бетона для рабочей арматуры принимают не менее 10 мм, в особо толстых плитах (толще 100 мм) —не менее 15 мм.
Поперечные стержни сеток (распределительную арматуру) устанавливают для обеспечения проектного положения рабочих стержней, уменьшения усадочных и температурных деформаций конструкций, распределения местного воздействия сосредоточенных нагрузок на большую площадь. Общее сечение поперечных стержней принимают не менее 10 % сечения рабочей арматуры, размещенной в месте наибольшего изгибающего момента; располагают их с шагом 250...300 мм, но не реже чем через 350 мм.
Железобетонные балки могут быть прямоугольного, таврового, двутаврового, трапециевидного сечения.
Высота балок к колеблется в широких пределах; она составляет 1/10... 1/20 часть пролета в зависимости от нагрузки и типа конструкции. В целях унификации высоту балок назначают кратной 50 мм, если она не более 600 мм, и кратной 100 мм — при больших размерах, из которых предпочтительнее значения, кратные 100 мм до высоты 800 мм, затем высоты 1000, 1200 мм и далее кратные 300.
Ширину прямоугольных поперечных сечений Ъ принимают в пределах (0,3...0,5) И, а именно значения 100, 120, 150, 200, 220, 250 мм и далее, кратные 50 мм, из которых предпочтительнее 150, 200 мм и далее кратные ЮО.
Для снижения расхода бетона ширину балок назначают наименьшей. В поперечном сечении балки рабочую арматуру размещают в растянутой зоне сечения в один или два ряда с такими зазорами, которые допускали бы плотную укладку бетона без пустот и каверн (рис. 3.4). Расстояние в свету между стержнями продольной арматуры, ненапрягаемой или напрягаемой с натяжением на упоры, должно быть не менее^ наибольшего диаметра стержней, а для нижних горизонтальных (при бетонировании) и верхних стержней также не менее соответственно 25 и 30 мм. Если нижняя арматура расположена более чем в два ряда, то горизонтальное расстояние между стержнями в третьем (снизу) и выше расположенных рядах принимают не менее 50 мм
Продольную рабочую арматуру в балках (как и в плитах) укладывают согласно эпюрам изгибающих моментов в растянутых зонах, где она должна воспри- нимать продольные растягивающие усилия, возникающие при изгибе конструкции под действием нагрузок. Для экономии стали часть продольных арматурных стержней можно не доводить до опор и обрывать в пролете там, где они по расчету на восприятие изгибающего момента не требуются. Площадь сечения продольной рабочей арматуры в изгибаемых элементах должна определяться расчетом, но составлять не менее 0,05 % площади сечения элемента.
В железобетонных балках одновременно с изгибающими моментами действуют поперечные силы, что вызывает необходимость устройства поперечной арматуры. Количество ее определяют расчетом и по конструктивным требованиям.
Продольную и поперечную арматуру объединяют в сварные каркасы, а при отсутствии сварочных машин- в вязаные
В предварительно напряженных балках особое значение имеет конструирование приопорных участков. Здесь происходит передача значительных усилий обжатия с арматуры на бетон через торцовые анкеры (при натяжении на бетон) или при арматуре без анкеров на концевых участках арматуры в зоне ее анкеровки. Здесь же при внеосевом воздействии напрягаемой арматуры на элемент возникают местные перенапряжения в торцовой части элемента, из-за чего могут образоваться трещины, раскрывающиеся по торцу и поверху на конце элемента.
Поэтому надо усиливать концевые участки предварительно напряженных элементов.
Арматурные предварительно напрягаемые элементы, натягиваемые на бетон, необходимо снабжать анкерами. То же относится к арматурным элементам, натягиваемым на упоры, если сцепление их с бетоном недостаточно,— к гладкой проволоке, многопрядным канатам. Эта анкеровка должна быть надежной на всех стадиях работы конструкции.
Особых анкерных устройств на концах напрягаемых арматурных элементов не требуется для натягиваемой на упоры высокопрочной арматурной проволоки периодического профиля, арматурных канатов однократной свивки, стержневой арматуры периодического профиля.
По концам предварительно напряженных элементов при арматуре без анкеров, а также при наличии анкерных устройств производят местное усиление бетона с помощью дополнительных сетей или хомутов, охватывающих все продольные стержни. Длину участка усиления принимают равной двум длинам анкерных устройств, а при отсутствии анкеров — не менее 0,6 L
Р
и не менее 200 мм.
В предварительно напряженных элементах на их концевых участках при арматуре без анкеров по нормам не допускается образования трещин при совместном действии всех нагрузок (кроме особых).
9. Расчѐт прочности нормальных сечений изгибаемых элементов прямоугольного профиля.
Элементы прямоугольного профиля с одиночной арматурой (без предварительного напряжения). Они имеют следующие геометрические характеристики :
(3.8) где h
0
и b — рабочие высота и ширина сечения.
Высоту сжатой зоны x: определяют из выражения
(3.9)
Условие прочности,имеет вид
(3.10)
Удобно пользоваться также выражением моментов, взятых относительно оси, проходящей через центр тяжести сжатой зоны:

(3.11)
Формулы (3.9) и (3.10) или (3.11) применяют совместно. Они действительны при
Коэффициент армирования
(3.12) и процент армирования с учетом соотношений (3.9) и могут быть представлены следующим образом:
;
.(3.13)
Отсюда можно установить максимально допустимое содержание арматуры в прямоугольном сечении по предельным значениям
Несущая способность элемента может быть удовлетворена при различных сочетаниях размеров поперечного сечения элемента и количества арматуры в нем
Прочность сечения с заданными b,h, Аs (материалы и момент М предполагаются известными) проверяют в такой последовательности: из выражения (3.9) находят высоту сжатой зоны х, проверяют ее по условию и затем используют в выражении (3.10) или (3.11). Сечение считается подобранным удачно, если его несущая способность, выраженная по моменту, превышает заданный расчетный момент не более чем на 3...5 %.
Сечения подбирают по заданному моменту по выражениям (3.9) и (3.10) или (3.11) при знаке равенства в них.
В практике для расчета прямоугольных сечений с одиночной арматурой используют табл. 3.1. С этой целью формулы (3.10) и (3.11), приводят к виду
;(3.14)
(3.15) где
(3.16)
(3.17)
Из равенства (3.14) находят выражение для определения рабочей высоты сечения
(3.18)
По выражениям (3.16) и (3.17) для коэффциентов и составлена табл. 3.1. Пользование этой таблицей значительно сокращает вычисления.
10. Расчѐт прочности нормальных сечений изгибаемых элементов прямоугольного профиля с
двойной арматурой.
Если в изгибаемом элементе предусматривается продольная арматура в сжатой (при действии нагрузки) зоне (с
), учитываемая в расчете, то для предотвращения выпучивания продольных стержней поперечную арматуру ставят: в сварных каркасах на расстояниях не более
, в вязаных каркасах — не более 15 d (d — наименьший диаметр сжатых продольных стержней) и не более 500 мм.
Условие прочности изгибаемого элемента прямоугольного сечения, армированного двойной арматурой (при отсутствии
):
(3.19)
Уравнение для определения высоты сжатой зоны
(3.20)
При этом имеется в виду соблюдение условий
Если при одиночной арматуре оказывается, что
, то арматура в сжатой зоне требуется по расчету. В условиях применения бетонов класса В30 и ниже в сочетании с арматурой класса не выше А-Ш можно расчет выполнять по формуле
(3.21) в которой определяют из табл. 3.1 для значения
, вычисленного по формуле
11. Расчѐт прочности нормальных сечений изгибаемых элементов таврового профиля
В сравнении с прямоугольным тавровое сечение значительно выгоднее, ибо при одной и той же несущей способности (несущая способность железобетонного элемента не зависит от площади сечения бетона растянутой зоны) расходуется меньше бетона вследствие сокращения размеров растянутой зоны. По той же причине более целесообразно тавровое сечение с полкой в сжатой зоне, так как полка в растянутой зоне не повышает несущей способности элемента.
Тавровое сечение, как правило, имеет одиночное армирование.
При большой ширине полок участки свесов, более удаленные от ребра, напряжены меньше. Поэтому в расчет вводят эквивалентную ширину свесов полки.
Она принимается равной: в каждую сторону от ребра — не более половины расстояния в свету между ребрами с и не более 1/6 пролета рассчитываемого элемента; в элементах с полкой толщиной без поперечных ребер или с ребрами при расстоянии между ними более размера между продольными ребрами, вводимая в расчет ширина каждого свеса не должна превышать
При расчете тавровых сечений различают два случая положения нижней границы сжатой зоны: в пределах полки и ниже ее.
Нижняя граница сжатой зоны располагается в пределах полки, т. е.
, сечениях с развитыми свесами. В этом случае тавровое сечение рассчитывают как прямоугольное с размерами
, поскольку площадь бетона в растянутой зоне на несущую способность не влияет.
Расчетные формулы (для элементов без предварительного напряжения):
(3.22)
(3.23) или
(3.24) где
—коэффициент из табл.,
Нижняя граница сжатой зоны размещается ниже полки, т. е.
в сечениях со слаборазвитыми свесами. В этом случае сжатая зона сечения состоит из сжатых зон ребра и свесов полки.
Положение нижней границы сжатой зоны определяется из уравнения
(3.25)
Условие прочности при моментах, вычисляемых относительно оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через точку приложения равнодействующей усилий в растянутой арматуре, имеет следующий вид:
(3.26)
Для тавровых сечений должно быть соблюдено условие

Ориентировочно высота тавровой балки может быть определена (из опыта проектирования) по формуле
(3.27) которая предусматривает измерение h в см, а М — в кН-м. Ширину ребра обычно принимают равной
(3.28)
Размеры полки чаще всего известны из компоновки конструкции. Сечение арматуры A
s по расчетному моменту определяют в зависимости от расчетного случая. Если нейтральная ось проходит в пределах полки, то A
s находят из расчета сечения как прямоугольного с одиночной арматурой при размерах b и h, используя табл.
Расчетный случай таврового сечения может быть определен по следующим признакам: если известны все данные о сечении, включая A
s
, то при
(3.29) граница сжатой зоны проходит в полке; при обратном неравенстве она пересекает ребро; если известны размеры сечения и задан расчетный изгибающий момент, но A
s неизвестно, то при
(3.30) граница сжатой зоны проходит в полке; при обратном неравенстве она пересекает ребро.
Для случая, когда граница сжатой зоны проходит ниже полки, формулы (3.25) и (3.26) можно преобразовать:
(3.31)
(3.32) где коэффициенты принимают по табл. 3.1.
Эти формулы используют для подбора сечения.
Если требуется определить A
s
, то из (3.32) вычисляют
(3.33) затем из табл. находят соответствующее вычисленному, и, согласно формуле (3.31),
(3.34)
Если необходимо проверить прочность сечения при всех известных данных, то расчетный случай лучше установить по формуле (3.30) и затем (если граница сжатой зоны ниже полки) по выражению (3.25) вычислить высоту сжатой зоны х, после чего воспользоваться формулой (3.26).