Железобетон. 1. Сущность железобетона. История развития. Области применения
 Скачать 1.61 Mb.
|
|
23. Определение кривизны оси изгибаемых элементов на участках без трещин. Кривизну оси железобетонных элементов на участках, где не образуются трещины, определяют как для сплошного приведенного сечения в стадии I напряженно-деформированного состояния: (7.111) где М — изгибающий момент; В — жесткость приведенного сечения, Для бетонов — тяжелого, мелкозернистого, легкого при плотном мелком заполнителе при кратковременном действии нагрузки (7.112) где 0,85 — коэффициент, учитывающий снижение жесткости под влиянием неупругих деформаций бетона растянутой зоны. При длительном действии нагрузки кривизна (7.113) где — коэффициент, учитывающий снижение жесткости (увеличение кривизны) при длительном действии нагрузки под влиянием ползучести бетона сжатой зоны: при средней относительной влажности воздуха выше 40 % при средней относительной влажности воздуха 40 % и ниже Кривизну оси, вызванную выгибом от кратко- временного действия усилия предварительного обжатия, также определяют по формуле (7.111) при значении изгибающего момента в которой определяют по формуле (2.27). Кривизну оси, вызванную выгибом под влиянием ползучести бетона от усилия предварительного обжатия, принимают равной тангенсу угла наклона эпюры деформаций (7.114) где — деформации бетона, вызванные ползучестью, на уровне центра тяжести растянутой арматуры и крайнего сжатого волокна бетона. Потери тогда Полное значение кривизны (7.115) для элементов без предварительного напряжения принимают Если начальные трещины в сжатой зоне при действии нагрузок закрыты, значение кривизны увеличивается на 25 %, остальных кривизн — на 15 % 24. Определение кривизны оси изгибаемых элементов на участках с трещинами. На участках, где образуются нормальные к продольной оси элемента трещины в стадии II, общее деформированное состояние определяют средними деформациями растянутой арматуры средними деформациями бетона сжатой зоны и средним положением нейтральной оси с радиусом кривизны . Для железобетонного элемента в зоне чистого изгиба кривизна оси и средние деформации арматуры и бетона связаны зависимостью После сокращения на кривизна оси при изгибе представляется как тангенс угла наклона на эпюре средних деформаций: (7.116) Принимая во внимание, что кривизнаоси при изгибе (7.117) После подстановки в выражение (7.117) значений напряжений в арматуре и бетоне получают выражение для определения кривизны: (7.118) Знаменатель в выражении (7.118) характеризует собой одну и ту же жесткость железобетонного сечения при изгибе: по растянутой зоне (7.119) по сжатой зоне (7.120) по обеим зонам сечения (7.121) Выражения кривизны и жесткости с учетом значений упругопластических моментов сопротивления принимают следующий вид: (7.122) (7.123) В общем случае для предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементов при систему внешних сил и усилий предварительного обжатия заменяют эквивалентной системой с моментом и суммарной продольной силой Тогда напряжения в бетоне сжатой зоны и в растянутой арматуре (7.124) Общее выражение кривизны оси при изгибе после подстановки значений напряжений в бетоне сжатой зоны и в растянутой арматуре принимает вид . (7.125) Кривизна оси при изгибе и жесткость В на участках элементов с трещинами с течением времени изменяются и поэтому в расчетах их определяют с учетом ряда физических факторов: работы бетона на растяжение на участках между трещинами, характеризуемой коэффициентом ; неравномерности деформаций бетона сжатой зоны на участках между трещинами, характеризуемой коэффициентом ; неупругих деформаций бетона сжатой зоны, характеризуемых коэффициентом Значения и определяют с учетом длительности действия нагрузки. Значения коэффициента установлены нормами для тяжелых бетонов и бетонов на пористых заполнителях в зависимости от характера действующей нагрузки и условия эксплуатации конструкции. При кратковременном действии нагрузки при длительном действии нагрузки: в условиях средней относительной влажности воздуха выше в условиях средней относи- тельной влажности воздуха Следует обратить внимание, что установлены значения не собственно коэффициентов а произведений которые при принятой для расчета в стадии II прямоугольной эпюры напряжений в бетоне сжатой зоны с коэффициентом полноты w=1 численно равны значениям v. 25. Определение прогибов изгибаемых элементов без трещин в растянутой зоне. Прогиб железобетонных элементов, не имеющих трещин в растянутых зонах, определяют по жесткости приведенного сечения Вис учѐтом значений коэффициента при длительном действий нагрузки. Полное значение прогиба (7.126) где — прогиб от кратковременной нагрузки; — прогиб от постоянной и длительно действующих нагрузок; — выгиб от кратковременного действия усилия предварительного обжатия Р с учетом всех потерь; — выгиб вследствие ползучести бетона от обжатия, Выгиб предварительно напряженных элементов постоянной высоты, вызванный внецентренным обжатием: (7.127) Выгиб предварительно напряженных элементов постоянной высоты, вызванный ползучестью бетона от обжатия: (7.128) 26. Определение прогибов изгибаемых элементов с трещинами в растянутой зоне Прогиб железобетонных элементов, имеющих трещины в растянутых зонах, определяют по кривизне оси при изгибе (7.129) где — изгибающий момент в сечении х от единичной силы, приложенной по направлению искомого перемещения; определяют по формуле (7.125). При определении перемещений железобетонных элементов постоянного сечения допускается на каждом участке, в пределах которого изгибающий момент не меняет знака, вычислять кривизну для наиболее напряженного сечения и далее принимать ее изменяющейся прямо пропорционально эпюре изгибающих моментов. Это допущение равносильно тому, что жесткость В вычисляют для наиболее напряженного сечения и далее принимают постоянной. Для предварительно напряженных элементов, к которым предъявляют требования 2-й и 3-й категорий по трещиностойкости, такие допущения в ряде случаев приводят к существенному завышению прогиба против действительного значения, так как участки с трещинами в растянутой зоне могут иметь ограниченную протяженность. В таких случаях прогиб (7.130) При этом эпюру кривизны по длине пролета железобетонного элемента разбивают на несколько участков в виде кусочно-линейной функции и вычисляют интеграл перемещений перемножением эпюр, пользуясь правилом Верещагина. Кривизну на каждом уча- стке без трещин и с трещинами определяют по формулам (7.111), (7.112) и (7.125). . (7.125) Кривизна оси при изгибе и жесткость В на участках элементов с трещинами с течением времени изменяются и поэтому в расчетах их определяют с учетом ряда физических факторов: работы бетона на растяжение на участках между трещинами, характеризуемой коэффициентом ; неравномерности деформаций бетона сжатой зоны на участках между трещинами, характеризуемой коэффициентом ; неупругих деформаций бетона сжатой зоны, характеризуемых коэффициентом Значения и определяют с учетом длительности действия нагрузки. Значения коэффициента установлены нормами для тяжелых бетонов и бетонов на пористых заполнителях в зависимости от характера действующей нагрузки и условия эксплуатации конструкции. При кратковременном действии нагрузки при длительном действии нагрузки: в условиях средней относительной влажности воздуха выше в условиях средней относи- тельной влажности воздуха Следует обратить внимание, что установлены значения не собственно коэффициентов а произведений которые при принятой для расчета в стадии II прямоугольной эпюры напряжений в бетоне сжатой зоны с коэффициентом полноты w=1 численно равны значениям v. 27. Оптимальное проектирование железобетонных конструкций. Конструкции промышленных и гражданских зданий состоят из отдельных элементов, связанных в единую систему/ Отдельные элементы зданий — плиты и балки перекрытий, колонны, стены и др. — должны обладать прочностью и устойчивостью, достаточной жесткостью, трещиностойкостью и участвовать в общей работе здания. При загружении одного из элементов здания в работу включаются и другие элементы, происходит работа пространственной системы. Здание в целом должно надежно сопротивляться деформированию в горизонтальном направлении под влиянием различных нагрузок и воздействий, т. е. должно обладать достаточной пространственной жесткостью. Учет пространственной работы зданий приводит к более экономичным конструктивным решениям. Конструктивные схемы зданий, удовлетворяющие изложенным требованиям, могут быть каркасными и панельными (бескаркасными), многоэтажными и одноэтажными. Каркас многоэтажного здания образуют основные вертикальные и горизонтальные элементы — колонны и ригели. Каркас одноэтажного зда- ния образуют колонны, заделанные в фундамент, и ригели, шарнирно или жестко соединенные с колоннами. В каркасном здании горизонтальные воздействия (ветровые, сейсмические и т. п.) могут восприниматься совместно каркасом и вертикальными связевыми диафрагмами, соединенными перекрытиями в единую пространственную систему, или же при отсутствии вертикальных диафрагм только каркасом как рамной конструкцией. В многоэтажном панельном здании горизонтальные воздействия воспринимаются совместно поперечными и продольными стенами, также соединенными перекрытиями в пространственную систему. Железобетонные конструкции при всех возможных конструктивных схемах зданий должны быть индустриальными и экономичными. Их проектируют так, чтобы максимально использовать машины и механизмы при иизготовлении и монтаже зданий и свести к минимуму затраты ручного труда и расход строительных материалов. В наибольшей степени этим требованиям отвечают сборные железобетонные конструкции заводского изготовления. С изменением температуры железобетонные конструкции деформируются — укорачиваются или удлиняются; вследствие усадки бетона—укорачиваются. При неравномерной осадке основания части конструкций взаимно смещаются в вертикальном направлении. В большинстве случаев железобетонные конструкции представляют собой статически неопределимые системы и поэтому от изменения температуры, усадки бетона, а также от неравномерной осадки фундаментов в них возникают дополнительные усилия, что может привести к появлению трещин или к разрушению части конструкции. Чтобы уменьшить усилия от температуры и усадки, железобетонные конструкции делят по длине и ширине температурно-усадочными швами на отдельные части — деформационные блоки. Производство сборых железобетонных элементов наиболее эффективно в том случае, когда на заводе изготовляют серии однотипных элементов. Технологический процесс при этом совершенствуется, снижается трудоемкость изготовления и стоимость изделий, улучшается их качество. Отсюда вытекает важнейшее требование, чтобы число типов элементов в здании было ограниченным, а применение их — массовым (для возможно большего числа зданий различного назначения). С этой целью элементы типизируют, т. е. для каждого конструктивного элемента здания отбирают наиболее рациональный, проверенный на практике, тип конструкции с наилучшими по сравнению с другими решениями технико-экономическими показателями (расход материалов, масса, трудоемкость изготовления и монтажа, стоимость). Выбранный таким образом тип элемента принимают для массового изготовления. Чтобы одни и те же типовые элементы можно было широко применять в различных зданиях, расстояние между колоннами в плане, (сетку колонн) и высоту этажей унифицируют, т.е. приводят к ограниченному числу размеров. Основой унификации служит единая модульная система, предусматривающая градацию размеров на базе модуля 100 мм или укрупненного модуля, кратного 100 мм. Сборные железобетонные элементы конструкций зданий в процессе проектирования необходимо укрупнять. При монтаже зданий из укрупненных элементов сокращается число монтажных операций по их подъему и установке, уменьшается число стыковых сопряжений, выполняемых во время монтажа, повышается степень заводской готовности элементов, а следовательно, уменьшается объем отделочных работ на площадке. 28. Специфические требования, предъявляемые к гидротехническим бетонам. Гидротехнический бетон предназначается для конструкций, находящихся в воде или периодически соприкасающихся с водой, поэтому он должен обладать свойствами, необходимыми для длительной нормальной службы этих конструкций в данных климатических эксплуатационных условиях. Из гидротехнического бетона возводят плотины, шлюзы, гидростанции, набережные, сооружения промышленной гидротехники (градирни, отстойники и т.п.). Эти сооружения возводятся на долгий срок и их строительство требует огромного количества бетона. Требования к гидротехническому бетону: • Минимальная стоимость • Прочность • Долговечность • Водостойкость • Водонепроницаемость • морозостойкость • тепловыделение при твердении • Усадка • Трещиностойкость Противоречивые на первый взгляд требования высокого качества и низкой стоимости можно выполнить, если выделить наружную зону массивного сооружения, подвергающуюся непосредственному влиянию среды, и внутреннюю зону. Бетон наружной зоны в зависимости от расположения в сооружении по отношению к уровню воды делят на бетон подводный (находящийся постоянно в воде), переменного уровня воды и надводный, находящийся выше уровня воды. В самых суровых условиях служит бетон, расположенный в области переменного уровня воды, он многократно замерзает и оттаивает, находясь все время во влажном состоянии. Этот бетон должен обладать высокой плотностью и морозостойкостью. Правильный выбор цемента, применение морозостойких заполнителей, подбор состава плотного бетона и тщательное производство бетонных работ обеспечивают получение долговечного бетона. Требования к свойствам гидротехнического бетона: Бетон внутренней зоны защищен наружным бетоном от воздействия среды. Главное требование к этому бетону - минимальная величина тепловыделения при твердении. Требования к физикомеханическим свойствам бетона внутренней зоны не столь высоки: марки по прочности М 100, M 150, по водонепроницаемости В2, В4. Марку бетона по водонепроницаемости назначают в зависимости от напорного градиента, равного отношению максимального напора (м) к толщине конструкции (м) или к толщине бетона наружной зоны конструкции (при наличии зональной разрезки). Напорный градиент, м До 5 5-10 10-12 12 и более Марка бетона по водонепроницаемости В4 В6 В8 В12 Стойкость бетона к воздействиям среды определяется его свойствами: морозостойкостью, малым водопоглощение, небольшими деформациями усадки. Марку бетона по морозостойкости назначают в зависимости от климатических условий и числа расчетных циклов попеременного замораживания и оттаивания в течение года. Гидротехнический бетон имеет морозостойкость от Мрз100 до Мрз500. Водопоглощение гидротехнического бетона характеризуется капиллярным водонасыщением при погружении в воду. Водопоглощение бетона зоны переменного уровня воды не должно превышать 5%. Другое требование к гидротехническому бетону - линейная усадка. Линейная усадка бетона не должна превышать 0,3 мм/м, величина набухания - 0,3 мм/м. Гидротехнический бетон применяют для возведения монолитных сооружений и изготовления сборных железобетонных конструкций и изделий. Сборные железобетонные конструкции используют для устройства мостовых переходов через плотины и при сооружении машинных зданий гидроэлектростанций. Долговечность железобетонных свай значительно повышается после пропитки битумом или полимером. 29. Коррозия гидротехнических бетонов. Способы улучшения свойств гидротехнических бетонов. Защиту строительных конструкций следует осуществлять применением коррозионно-стойких для данной среды материалов и выполнением конструктивных требований (первичная защита), нанесением на поверхности конструкций металлических, оксидных, лакокрасочных, металлизационно- лакокрасочных и мастичных покрытий, смазок, пленочных, облицовочных и других материалов (вторичная защита), а также применением электрохимических способов. При проектировании бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивной среде, их коррозионную стойкость следует обеспечивать применением коррозионно-стойких материалов, добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона и его защитную способность для стальной арматуры, снижением проницаемости бетона технологическими приемами, установлением требований к категории трещиностойкости, ширине расчетного раскрытия трещин, толщине защитного слоя бетона. В случае недостаточной эффективности названных выше мер должна быть предусмотрена защита поверхности конструкции: лакокрасочными покрытиями; оклеечной изоляцией из листовых и пленочных материалов; облицовкой, футеровкой или применением изделий из керамики, шлакоситалла, стекла, каменного литья, природного камня; штукатурными покрытиями на основе цементных, полимерных вяжущих, жидкого стекла, битума; уплотняющей пропиткой химически стойкими материалами. Меры защиты железобетонных конструкций от коррозии следует проектировать с учетом вида и особенностей защищаемых конструкций, технологии их изготовления, возведения и условий эксплуатации. Для бетонных и железобетонных конструкций следует предусматривать бетон нормируемой проницаемости. Проницаемость бетона характеризуется прямыми показателями (маркой бетона по водонепроницаемости или коэффициентом фильтрации). Косвенные показатели (водопоглощение бетона и водоцементное отношение) являются ориентировочными и дополнительными к прямым. 30. Расчѐт и конструирование элементов, усиленных косвенным армированием. Если в коротком сжатом элементе установить поперечную арматуру, способную эффективно сдерживать поперечные деформации, то этим можно существенно увеличить его несущую способность. Такое армирование называется косвенным. В практике для элементов с круглым или многоугольным поперечным сечением получило распространение косвенное армирование элемента в виде спиралей или сварных колец. Для элементов с прямоугольным сечением применяют объемное косвенное армирование в виде часто размещенных поперечных сварных сеток. Косвенное армирование в виде поперечных сеток широко применяют для местного усиления железобетонных сборных колонн вблизи стыков, а также под анкерами и в зоне анкеровки предварительно напрягаемой арматуры. Опытами выявлено наличие повышенного сопротивления бетона сжатию в пределах ядра, заключенного внутри спирали или сварной сетки. Спирали и кольца подобно обойме сдерживают поперечные деформации бетона, возникающие при продольном сжатии, и тем самым обусловливают повышенное сопротивление бетона продольному сжатию, в том числе и после появления в нем первых продольных трещин. Бетон в пределах ядра сопротивляется внешним воздействиям даже после отслаивания наружного слоя бетона и до тех пор, пока в поперечной арматуре напряжения не достигнут предела текучести. Продольные деформации элементов, усиленных косвенной арматурой, весьма велики и тем больше, чем сильнее поперечное армирование. Прочность сжатых элементов при наличии в них продольной и косвенной арматуры любого вида рассчитывают по формулам (4.6), (4.7), (4.8), в которых учитывают лишь часть бетонного сечения, ограниченную крайними стержнями сеток, кольцами или спиральной косвенной арматурой, а вместо сопротивления бетона применяют приведенное его сопротивление определяемое по эмпирическим зависимостям: при армировании сварными сетками (4.51) при армировании спиралями и кольцами (4.52) где — расчетное сопротивление растяжению стержней сеток или спиралей; — коэффициент косвенного армирования сварными сетками; — эксцентриситет приложения продольной нагрузки (без учета влияния прогиба); — расчетное сопротивление растяжению спирали или колец; —диаметр бетонного сечения внутри спирали; — коэффициент косвенного армирования спиралью или кольцами, В формулах (4.51) и (4.52): (4.53) (4.54) (4.55) где — соответственно число стержней, площадь сечения од- ного стержня, его длина (считая в осях крайних поперечных стержней) одного направления; —то же, другого направления; — площадь сечения бетона, заключенного внутри контура сеток (считая в осях крайних стержней); — шаг сеток (размер вдоль элемента); — коэффициент эффективности косвенного армирования; — площадь поперечного сечения стержня спирали или колец; — шаг колец или навивки спирали. Для элементов из мелкозернистого бетона следует принимать значение коэффициента μ, согласно формулам (4.53) и (4.54) не более 0,04. В случае применения высокопрочной продольной арматуры классов A-IV, A-V, A-VI ее расчетное сопротивление сжатию в сжатых элементах с косвенным армированием сварными сетками определяют по формуле (4.56) В этой зависимости (4.57) для арматуры класса A-IV и для арматуры классов A-V и A-VI. Значение принимают в пределах при арматуре класса A-IV и при арматуре классов A-V и А-VI. Граничное значение вычисляют по формуле (2.42), в которой значение находят с учетом влияния косвенного армирования по экспериментальной зависимости (4.58) В этой формуле где \i вычисляют по формуле (4.53) для сеток или (4.54) для спиралей; — величины, устанавливаемые по рекомендациям подглавы 2.6, формуле (2.42), в которой вычисляют для элементов с высокопрочной арматурой по зависимости (4.59) но принимают не более 900 МПа для арматуры класса A-IV и 1200 МПа для арматуры классов A-V и A-VI. Гибкость элементов, характеризующаяся отношением не должна превышать 55 при армировании сетками и 35 при армировании спиралями (здесь — радиус инерции части сечения элемента, вводимой в расчет). Критическую силу внецентренно сжатого элемента с косвенным армированием определяют с учетом прогиба элемента вследствие его деформирования. Для этого используют формулу (4.18), в которой момент инерции вычисляют по части сечения, ограниченной крайними стержнями сеток или спиралью (кольцами). Выражение (4.18) в целом должно быть умножено на коэффициент (4.60) где — равно высоте или диаметру бетонной части сечения, учитываемой в расчете. При пользовании формулой (4.18) величину необходимо вычислять не по формуле (4.23), а по зависимости (4.61) (4.62) Косвенное армирование целесообразно выполнять по расчету, если несущая способность элемента, определяемая по приведенным здесь формулам , выше его несущей способности, определяемой по полному сечению элемента и значению расчетного сопротивления бетона без учета косвенной арматуры. Элементы с косвенным армированием дополнительно рассчитывают на трещиностойкость бетона защитного слоя в эксплуатационных условиях конструкций. Расчет выполняют по тем же формулам, по которым рассчитывают прочность, но при эксплуатационных значениях нагрузок , с учетом всей площади сечения бетона в элементе, при расчетных сопротивлениях бетона и арматуры по второй группе предельных состояний, а именно: при При определении в этом расчете граничного значения относительной высоты сжатой зоны по формуле (2.42) принимают а величину При расчете критической силы по формуле (4.18) величина согласно формуле (4.23), устанавливается при вместо Граничные стержни сварных сеток, спирали и кольца должны охватывать все продольные рабочие стержни арматуры. Колонны с кольцевым и спиральным армированием целесообразно применять в условиях, когда при больших нагрузках необходимо использовать элемент с возможно меньшим поперечным сечением. Эффект косвенного армирования резко снижается в гибких колоннах из-за продольного изгиба, поэтому оно чаще всего практикуется для элементов с отношением Опыт применения косвенного армирования показал, что приведенное сечение спирали (см. рис. 4.11, а). (4.63) должно составлять не менее 25 % площади сечения продольной арматуры, иначе спиральное армирование малоэффективно. В практике спирали (кольца) изготовляют из стержневой арматуры классов A-I, A-II, А-Ш диаметром 6...14 мм или проволоки Вр-I; принимая их шаг применяют не менее 40 мм и не более диаметра сечения элемента, но не более 100 мм. Спирали и кольца, образующие диаметр менее 200 мм, применять не рекомендуется. Если усилие от одного железобетонного элемента к другому передается через стык не через всю поверхность торца, а только через ее часть — центрирующую прокладку, то прочность элемента под прокладкой проверяют по формуле (4.64) где —площадь смятия; —приведенная призменная прочность бетона, (4.65) где — коэффициент, учитывающий повышение несущей способности бетона при местном смятии; — аналогичный коэффициент, относящийся к косвенному армированию. (4.66) (4.67) Интенсивность сетчатого армирования на единицу длины в одном и противоположном направлениям не должна отличаться более чем в 1,5 раза. Для сварных сеток применяют ту же арматуру, что и для спиралей. Размеры ячеек сеток принимают не менее 45 мм и не более меньшей стороны сечения элемента, но не более 100 мм; шаг мм, но ширины сечения и 150 мм. При усилении концевых участков сжатых элементов устанавливают не менее четырех сварных сеток. Зона усиления по длине элемента должна быть не менее 10 d при продольной арматуре из стержней периодического профиля и 20 d при гладких стержнях. |