Наглядное пособие по основам силового сопротивления элементов железобетонных и каменных конструкций (для студентов заочного факультета) Лекторы – доценты кафедры Строительных конструкций, к. т. н. Козлов Александр Вячеславович к. т. н. Алешин Андрей Николаевич к. т. н. Семашкин Дмитрий Александрович
Л е к ц и я 1 Введение Сущность железобетона Бетон – искусственный камень, у которого прочность на сжатие в порядок (примерно раз в 10) превосходит прочность на растяжение. Поэтому он мало пригоден для конструкций, подверженных растяжению или изгибу – он разрушится от разрыва растянутой зоны при очень небольших нагрузках, задолго до исчерпания прочности сжатой зоны.
Л е к ц и я 1 Введение Сущность железобетона Если в растянутую зону ввести стальную арматуру (стержни, канаты и т. п. ) и обеспечить ее надежное сцепление с бетоном, то после образования трещин она возьмет на себя все растягивающие усилия, оставив бетону только сжимающие. А прочность арматуры на растяжение в сотни раз выше чем у бетона. Бетон – материал более долговечный, чем арматурная сталь, он (бетон) менее подвержен коррозии. Кроме того, по сравнению со сталью, бетон обладает более высокой огнестойкостью, т. е. дольше сохраняет несущую способность при действии высокой температуры, что особенно важно для эвакуации при пожаре. Поэтому арматура, уложенная внутрь бетонного тела, хорошо защищена слоем бетона от коррозии и высокой температуры. У бетона и арматуры практически одинаковые коэффициенты температурного расширения.
Л е к ц и я 1 Введение Сущность железобетона Железобетон – это композиционный материал, представляющий собой рациональное сочетание бетона и стальной арматуры. Единственным и достаточным условием существования железобетона как материала является совместность работы бетона и арматуры. Совместность работы бетона и арматуры обеспечивается: 1. Сцеплением арматуры с бетоном. 2. Анкеровкой арматуры в бетоне. Сцепление арматуры с бетоном достигается с помощью: 1. Механического зацепления. 2. Склеивания (адгезии, прилипания). 3. Трения. Так как для гладкой арматуры фактор зацепления практически отсутствует или крайне мал, то основным условием непродергивания арматуры в бетоне является трение и склеивание. Учитывая незначительность трения и склеивания арматуре придают периодический профиль.
Л е к ц и я 1 Физико–механические свойства бетона Прочностные характеристики бетона Кубиковая прочность бетона на сжатие R. Для определения прочности бетона на сжатие принят стандартный куб со стороной 150 мм (его прочность соответствует 1). Если из того же бетона изготовить куб со стороной 200 мм, то он покажет прочность 0, 93. А со стороной 100 мм – прочность 1, 1. Существует специальная таблица переводных коэффициентов результатов испытаний нестандартных образцов в результаты стандартных.
Л е к ц и я 1 Физико–механические свойства бетона Прочностные характеристики бетона Кубиковая прочность бетона на сжатие R. При осевом сжатии кубы разрушаются в поперечном направлении. Наклон трещин разрыва обусловлен силами трения между подушками пресса и гранями куба. Направленные внутрь, они препятствуют свободным поперечным деформациям куба и создают эффект обоймы. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб принимает вид двух усеченных пирамид, сложенных малыми основаниями. Если влияние сил трения устранить путем смазки контактных поверхностей, поперечные деформации проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а
Л е к ц и я 1 Физико–механические свойства бетона Прочностные характеристики бетона Призменная прочность бетона на сжатие Rb. Наиболее точно соответствует реальной прочности бетона в конструкциях, ее определяют испытанием стандартных призм размерами 150 х600 мм. Этот размер выбран, поскольку с увеличением отношения h/a>4 влияние сил трения на торцах уменьшается, в то же время влияние гибкости при этом не сказывается до h/a=8. Но изготовление призмы требует вчетверо больше бетона, чем изготовление куба, а их испытание – довольно трудоемкое дело и требующее дополнительных приборов. Поэтому в строительной практике призмы заменены кубами размерами 150 х150 мм, хотя их прочность R примерно на 35 % выше, чем Rb. Это, главным образом, вызвано влиянием сил трения между плитами пресса и опорными гранями куба. Rb и R связаны между собой
Л е к ц и я 1 Физико–механические свойства бетона Прочностные характеристики бетона
Л е к ц и я 1 Физико–механические свойства бетона Прочностные характеристики бетона Прочность бетона на срез Rsh. В чистом виде срез – это разделение образца на части по сечению, параллельно которому приложена перерезывающая сила. При этом значительное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающие, как шпонки, в плоскости среза.
Л е к ц и я 1 Бетон Классы и марки бетона по прочности на сжатие Марка М – это средняя кубиковая прочность бетона Rm в (кг/см 2). Например, марка бетона М 200 означает, что кубы, сделанные из этого бетона, при испытании на прессе должны выдержать в среднем 200 (кг/см 2). Этот, довольно простой способ определения прочности не учитывает важного показателя – разброса результатов испытаний. Получается, что бетон с однородными показателями приравнивается к неоднородному бетону, если их средняя прочность одинакова. Этот подход привел к тому, что конструкции, выполненные из бетона одной и той же марки, могут иметь разную надежность.
Л е к ц и я 1 Бетон Классы и марки бетона по прочности на сжатие Учет однородности материала, заложенный в современных Нормах, обеспечивается тем, что в качестве основной характеристики принята не марка бетона, а его класс, который представляет собой прочность стандартных кубов, полученную с обеспеченностью 0, 95. Установить класс бетона по результатам испытаний кубов помогает теория вероятностей. Классом бетона по прочности на осевое сжатие В (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размерами ребра 15 см, испытанных через 28 суток хранения при температуре 200 С по ГОСТу с учетом статистической изменчивости прочности.
Л е к ц и я 1 Бетон Классы и марки бетона по прочности на сжатие Как и любой другой материал, бетон обладает неоднородной прочностью – от Rmin до Rmax. Считается, что распределение контрольных результатов испытаний при достаточном количестве образцов подчиняется закону нормального распределения.
Л е к ц и я 1 Бетон Классы и марки бетона по прочности на сжатие
Л е к ц и я 1 Бетон Классы и марки бетона по прочности на сжатие На оси абсцисс кривой распределения наименьшее контролируемое значение прочности для заданного класса – временное сопротивление В – расположено на расстоянии λσ влево от значения Rm.
Л е к ц и я 1 Бетон Классы и марки бетона по прочности на сжатие То есть В=Rm-λσ или В=Rm(1 -λVm). В теории вероятностей при обеспеченности 0, 95 коэффициент λ=1. 64. Таким образом: B=Rm(1 -1. 64 x 0. 135)=0. 78 Rm
Л е к ц и я 2 Бетон Классы и марки бетона В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий их эксплуатации, назначают следующие основные показатели качества бетона: - Класс прочности на осевое сжатие В – в проекте указывают всегда как основную характеристику (B 3. 5…B 60); - Класс по прочности на осевое растяжение Вt – назначают при необходимости и при условии контроля на производстве (Вt 0. 8… Вt 3. 2); - Марка по морозостойкости F (F 50…F 500) – характеризуется количеством циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии без потери прочности более 15%; - Марка по водонепроницаемости W (W 2…W 12) – характеризует предельное давление воды в кг/см 2, при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый образец. - Марка по средней плотности D (D 800…D 2400) – характеризует среднюю плотность (кг/см 3);
Л е к ц и я 2 Бетон Физико – механические свойства Структура бетона В результате взаимодействия цемента и воды в бетонной смеси происходит химическая реакция гидратации цемента, т. е. процесс образования химических соединений минералов цемента с водой. Большая часть этих химических соединений представляет собой студнеобразную масс –гель. Некоторые же соединения имеют кристаллическую структуру. В условиях термовлажностного режима происходит твердение цементного теста: кристаллы пронизывают массу геля и срастаются между собой, а гель, приобретая более густую консистенцию, постепенно твердеет с уменьшением своего объема. При перемешивании бетонной смеси цементное тесто обволакивает зерна заполнителей и в результате твердения зерна заполнителей оказываются скрепленными в единый монолит. Затвердевшее цементное тесто называют цементным камнем.
Л е к ц и я 2 Бетон Физико – механические свойства Количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, в основном определяется требованиями удобоукладываемости. Из этого количества воды только малая часть - примерно 20% от веса цемента - вступает в химическое соединение с цементом, а остальная часть является избыточной. Избыточная вода разбавляет гель и частично, вместе с воздухом, заполняет микропоры (капилляры) твердеющего бетона, постепенно испаряясь. Таким образом, по структуре бетон представляет собой грубо неоднородное тело, в котором бессистемно расположены зерна заполнителя различной крупности и формы, скрепленные цементным камнем, и которое содержит поры и пустоты, заполненные водой и воздухом. Такая структура бетона определяет его особые физико – механические свойства. Происходящие в процессе твердения бетона физико – химические явления (кристаллизация, уменьшение объема геля, испарение избыточной воды и др. ) приводят к изменению свойств бетона с течением времени.
Л е к ц и я 2 Бетон Физико – механические свойства Усадка бетона При твердении на воздухе бетон уменьшается в объеме (усадка), а при твердении в воде – несколько увеличивается (набухание). По данным опытов величина усадки в 2 -3 раза больше величины набухания. Усадка вызвана рядом причин. Основными из них являются уменьшение объема твердеющего геля и капиллярные движения и испарения воды в микропорах. Усадка бывает двух видов. Химическая усадка – связана с взаимодействием цемента и воды. Примерно оценивается в 5%–от общей с потерей влаги из Основная усадка связана усадки, когда конструкция находится в воздушной среде. капилляров. Поверхностные слои, которые быстрее высыхают, испытывают растяжение, а внутренние – сжатие. Это вызывает появление усадочных трещин в поверхностных слоях, а во внутренних слоях – сжимающих напряжений.
Л е к ц и я 2 Бетон Физико – механические свойства Усадка бетона Также свободным деформациям усадки цементного камня по всему объему конструкции препятствуют заполнители, что приводит к возникновению дополнительных внутренних начальных напряжений. Начальные напряжения, возникающие под влиянием усадки, непосредственно не фигурируют в расчете прочности конструкций. Их учитывают расчетными коэффициентам к характеристикам прочности. Уменьшить начальные усадочные напряжения в бетоне можно конструктивными мерами – армированием элементов и устройством усадочных швов в конструкциях, а также технологическими мерами – подбором состава, увлажнением поверхности бетона и т. д.
Бетон Л е к ц и я 2 Деформативные свойства Упруго-пластические свойства. Бетон – материал упруго-пластический, вследствие чего закон Гука для него При действии внешней нагрузки деформации бетона состоят из двух неприменим. частей: упругой (εel) – обратимой и пластической (εpl) – необратимой. εbu – предельная сжимаемость бетона (2%% или 0. 002); εb. max – максимальная сжимаемость на нисходящей Rb – временное сопротивление бетона ветви диаграммы; сжатию. εbtu – предельная растяжимость бетона; Rbt – временное сопротивление бетона
Бетон Л е к ц и я 3 Деформативные свойства
Бетон Л е к ц и я 3 Деформативные свойства Деформативность бетона также зависит от скорости его нагружения v: при мгновенном загружении (например, ударе) пластические деформации ничтожно малы, при кратковременном – весьма заметны, при длительном – очень велики (в несколько раз больше чем упругие). Прочность же при длительном нагружении, наоборот, уменьшается, что в расчетах учитывается коэффициентом условий работы γb 2. Пластические свойства бетона вызывают такое явление, как ползучесть: рост во времени деформаций (εп) при постоянном напряжении (σb). Чем выше напряжения (σb) или чем ниже прочность бетона (Rb), тем больше деформации ползучести (εп). Наиболее интенсивно деформации ползучести (εп) проявляются в первое время после приложения нагрузки, затем они постепенно затухают в течении нескольких лет.
Арматура Л е к ц и я 3 Общие сведения Стальная арматура - это гибкие или жёсткие стержни из стали, в основном соединенные между собой различными способами, размещённые в массе бетона в соответствии с эпюрами изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, от нагрузок, действующих на конструкцию. Арматуру в железобетонных конструкциях устанавливают преимущественно для восприятия растягивающих усилий (As), и, реже, для усиления бетона сжатых зон конструкций (As’). Арматура, площадь сечения (Аs или As’) которой определяют расчётом на действие нагрузок и воздействий, называется рабочей. По характеру воспринимаемых усилий (от изгибающего момента или от перерезывающей силы) и, как следствие, пространственной ориентации, арматура может быть продольной и поперечной. Арматура, устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям (без расчета), называется монтажной (конструктивной). Она обеспечивает проектное положение рабочей арматуры в конструкции, более равномерно распределяет усилия между отдельными ее стержнями, а также может воспринимать обычно не учитываемые расчетом от усадки бетона, температурных колебаний и т. п. Рабочую и монтажную арматуру объединяют в арматурные изделия – сварные и вязаные каркасы и сетки которые и размещают в железобетонных элементах в
Арматура Л е к ц и я 3 Общие сведения Устройство продольной рабочей арматуры для восприятия усилий от изгибающего момента
Арматура Л е к ц и я 3 Общие сведения Устройство продольной и поперечной рабочей арматуры для восприятия усилий от изгибающего момента и перерезывающей силы
Арматура Л е к ц и я 3 Общие сведения Арматуру классифицируют по четырем основным признакам. По технологии изготовления различают стержневую и проволочную арматуру. По способу последующего упрочнения горячекатанная арматура может быть термически упрочненной (подвергнутой термической обработке) или упрочненной в холодном состоянии вытяжкой (волочением). По форме поверхности арматура бывает гладкой и периодического профиля. Профиль значительно улучшает сцепление с бетоном. По способу применения при армировании железобетонных элементов различают напрягаемую (подвергаемую предварительному натяжению) и ненапрягаемую арматуру.
Арматура Л е к ц и я 3 Механические свойства арматурных сталей Характеристики прочности и деформаций арматурных сталей устанавливают по диаграмме σs – εs, получаемой из испытаний образцов на растяжение. В зависимости от характера диаграммы, различают ”мягкие” и ”твердые” арматурные стали. ”Мягкая” арматура (А 240, А 300, А 400) на диаграмме растяжения имеет три главных участка: упругие деформации (действует закон Гука) от 0 до σpl ; площадку текучести при напряжениях σpl (предел текучести) и упруго-пластические деформации (криволинейный участок). В расчетах учитывают 1 и 2 участки. Текучесть стали в той или иной степени учитывается расчетах. Третий участок в расчетах не участвует – деформации там настолько велики, что в реальных условиях соответствуют разрушению конструкции.
Арматура Л е к ц и я 3 Механические свойства арматурных сталей ”Твердая” или высокопрочная арматура (классов А 500, А 600 и выше, В-II, Вр-II, К-7, К-19) не имеет физического предела текучести, она упруго деформируется до предела пропорциональности, а затем диаграмма постепенно искривляется. В качестве границы безопасной работы принят условный предел текучести σ0. 2 , при котором остаточные, т. е. пластические удлинения составляют 0, 2%. У высокопрочных сталей прочность выше, чем у ”мягких”, но зато меньше удлинение при разрыве δ, т. е. у них хуже пластические свойства, они более хрупкие. При малых δ может произойти хрупкое (внезапное) обрушение конструкции даже при небольших перегрузках: арматура разорвется, когда прогибы малы, а раскрытие трещин незначительно – т. е. когда конструкция не ”подает сигналов” предупреждающих об своем опасном Поэтому состоянии. арматура любого класса должна иметь величину равномерного относительного удлинения при разрыве δ, как правило, не менее 2%.
Арматура Л е к ц и я 3 Механические свойства арматурных сталей В обычных конструкциях (без предварительного напряжения) применение сталей с Rs >400 МПа (4000 кг/см 2) нецелесообразно, поскольку если напряжения в ней (стали) достигнут больших значений, то начнется раздробление сжатой зоны бетона вследствие превышения его (бетона) предельной сжимаемости εbu = 0. 2%=0. 002. σ=E∙ε – закон Гука; εs= εb – деформации бетона примерно соответствуют деформациям арматуры; Es=2 100 000 кг/см 2 εbu = 0. 2%=0. 002. σ=2 100 000 (кг/см 2)∙ 0. 002=4200 (кг/см 2) В обычных (не предварительно напряженных) нормально армированных конструкциях разрушение происходит при одновременном достижении предельных значений прочности как в бетоне, так и в арматуре.
Арматура Л е к ц и я 3 Механические свойства арматурных сталей Арматура класса А 240 имеет самые высокие пластические свойства. Именно поэтому монтажные петли практически всегда делают из арматуры данного класса, позволяющей загибать стержни с малыми радиусами кривизны. Если аналогичные петли изготавливать из высокопрочной стали, то в них образуются трещины, которые приведут к излому петель, если не в процессе изготовления, то в процессе подъема самой конструкции, что более опасно.
Железобетон Л е к ц и я 3 Сцепление арматуры с бетоном
Железобетон Л е к ц и я 3 Сцепление арматуры с бетоном Сцепление характеризуется длиной зоны анкеровки lan, т. е. такой длиной заделки арматуры в бетоне, которая обеспечивает полное использование прочности стали. Т. е. если стержень заделан на величину lx>lan, то выдернуть его из бетона невозможно, он разорвется или потечет в другом месте при усилии Ns=Rs∙As; если на величину lx<lan, то он выдернется, недоиспользовав свою прочность. Тогда говорят, что стержень слабо заанкерен в бетоне. Чем лучше сцепление, тем выше τсц, тем меньше lan. Эпюра τсц для простоты расчетов принимается прямоугольной, а эпюра Ns – треугольной, хотя в Длину зоны анкеровки эпюры носят криволинейный действительности обе определяют по эмпирической формуле, учитывающей профиль арматуры, характер усилия (сжатие или растяжение), диаметр стержня, расчетные сопротивления бетона (Rb) и арматуры (Rs). Задача конструктора состоит в том, чтобы обеспечить заделку арматуры по обе стороны от опасного сечения на величину не менее lan.
Железобетон Л е к ц и я 3 Сцепление арматуры с бетоном Зависимость lan от диаметра арматуры. При увеличении диаметра вдвое площадь сечения увеличивается вчетверо. Вчетверо (при той же прочности) увеличивается и усилие в стержне. Чтобы удержать этот стержень в бетоне от выдергивания, нужно вчетверо больше сил сцепления, в то время как периметр, а значит площадь контакта арматуры с бетоном возросли только вдвое. Следовательно, нужно еще вдвое увеличить площадь контакта, т. е. вдвое увеличить длину анкеровки. Зависимость lan от сопротивления арматуры Rs. С увеличением Rs растет и выдергивающее усилие Ns=Rs∙As. Для удержания арматуры требуется увеличить сумму сил Tсц, а это возможно (при прочих равных условиях) только увеличив длину анкеровки арматуры в бетоне. Поэтому, чем выше Rs, тем больше требуемая величина lan. Зависимость lan от прочности бетона Rb. Чем выше прочность бетона (Rb) тем выше его адгезия (силы склеивания) с металлом. Чем выше прочность бетона, тем лучше его выступы сопротивляются силам зацепления выступов арматуры. Поэтому чем выше Rb тем меньше величина lan.
Железобетон Л е к ц и я 3 Сцепление арматуры с бетоном Если арматуру невозможно заделать на величину lan, то ее необходимо заанкерить дополнительно. Например концы монтажных петель загибают в ”крюки”, концы рабочих стержней в узлах ферм загибают в ”лапы” или привают к ним ”коротыши”.
Железобетон Л е к ц и я 4 Усадка железобетона В железобетонных конструкциях усадка протекает иначе, чем в бетонных, поскольку присутствует влияние арматуры. Усадка ж. б. меньше, чем бетона, так как арматура препятствует его свободным деформациям. При этом от усадки в арматуре возникают сжимающие усилия, а в бетоне – растягивающие. Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетоны εsl и стесненной усадки армированного элемента εsl, s : εbt= εsl- εsl, s возникают средние растягивающие напряжения в бетоне: σbt=εbt. Ebt. Следует отметить, что εbt это условные псевдодеформаци, на самом деле их нет. Они могли бы быть при отсутствии арматуры. Однако фактическое отсутствие деформаций εbt влечет появление напряжений в бетоне и арматуре.
Железобетон Л е к ц и я 4 Усадка железобетона Наибольшие значения этих напряжений находятся в зоне контакта с арматурой. Деформации εsl, s являются для арматуры упругими, и в ней возникают сжимающие напряжения εsl=εsl, s. Es. Уравнение равновесия внутренних усилий в ж. б. элементе в нашем случае имеет вид: σs. As=σbt. A где As – площадь сечения арматуры, A – площадь сечения элемента. Отсюда σs= σbt(A/As)= σbtμ. Где μ=(Аs/A)100% – коэффициент армирования (в большинстве случаев для нормально армированных конструкций μ примерно 3%). Усадка зависит от величины свободной усадки бетона (т. е. класса бетона), процента армирования элемента и соотношения модулей упругости бетона и арматуры. С увеличением содержания арматуры растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, и если они достигают предела прочности на растяжение Rbt , образуются усадочные трещины. Во избежание этого протяженные конструкции делят усадочными швами на блоки. Поскольку внутренним усилиям от усадки эквивалентны усилия от понижения температуры (для 0
Железобетон Л е к ц и я 4 Ползучесть железобетона После приложения нагрузки N бетон и арматура укорачиваются на величину, соответствующую относительной деформации εsl, s (благодаря сцеплению, они работают совместно). В бетоне устанавливается сжимающее усилие Nb 1, а в арматуре Nsc 1. Затем, вследствие ползучести, деформации увеличиваются на величину εpl. Поскольку арматура работает упруго, сжимающие напряжения в ней с течением времени возрастают по закону Гука на величину Δσsc=εpl. Es, а усилие – на величину ΔNsc=σsc. As , т. е. Nsc 2=Nsc 1+ΔNsc. Но если Nsc увеличивается, а внешняя сила N постоянна, то, в соответствии с условием равновесия (N=Nb 1+Nsc 1=Nb 2+Nsc 2 ), уменьшаются усилие и напряжения в бетоне. Происходит перераспределени е напряжений: бетон частично разгружается, а арматура дополнительно нагружается.
Железобетон Л е к ц и я 4 Коррозия бетона и арматуры в железобетоне Коррозия бетона. На основании опыта эксплуатации конструкций и экспериментальных исследований процессы, протекающие при коррозии бетона, разделены на 3 группы. В первую группу объединены все те процессы коррозии, которые возникают в бетоне при действии мягких вод, когда составные части цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой (особенно при фильтрации через бетон). Для повышения стойкости бетона к этой коррозии используют бетон повышенной плотности, естественную или искусственную карбонизацию поверхностного слоя бетона, специальные цементы (в частности пуццолановые), гидроизоляцию поверхности бетона, облицовку или пропитку бетона. Ко второй группе относятся те процессы коррозии, которые развиваются в бетоне при действии вод, содержащих химические вещества (кислые и магнезиальные соли), вступающие в реакцию с составляющими цементного камня. При этом продукты реакции либо легко растворяются и уносятся водой, либо в виде аморфной массы, не обладающей вяжущими свойствами, остаются на месте реакции. Для защиты бетона от этой коррозии осуществляют выбор специального вяжущего и надежную изоляцию поверхности в виде покрасок, облицовок и т. д.
Железобетон Л е к ц и я 4 Коррозия бетона и арматуры в железобетоне В третью группу входят такие процессы коррозии, при развитии которых в порах и капиллярах бетона происходит накопление малорастворимых солей. При этом их кристаллизация вызывает возникновение значительных напряжений в стенках пор и капилляров, что приводит к разрушению структурных связей бетона. Сюда же относятся процессы коррозии при действии сульфатов, когда разрушение бетона вызывается ростом кристаллов гидросульфоалюминатом кальция. Основные мероприятия по борьбе с этой коррозией сводятся к выбору цемента в зависимости от условий службы конструкции и степени агрессивности среды, введение воздухововлекающих, пластифицирующих добавок, повышение плотности бетона различными способами, в том числе применением низких В/С. В естественных условиях наблюдается воздействие на бетон одновременно ряда факторов, но, как правило, один из них является решающим.
Железобетон Л е к ц и я 4 Коррозия бетона и арматуры в железобетоне Коррозия арматуры. В подавляющем большинстве случаев коррозия арматуры происходит при содействии кислорода, входящего в состав воздуха и воды. Коррозия, продуктом которой является ржавчина, вызывается также химическими или электрохимическими реакциями, в которых участвует кислород. Продукты ржавчины накапливаются на арматуре, давят на бетон, вызывают в нем появление трещин, а затем и отслоение защитного слоя. Коррозия всегда начинается с поверхности металлического изделия и постепенно распространяется вглубь. В железобетоне арматура покрыта тонкой эластичной пленкой затвердевшего цементного теста, которая защищает ее от доступа воздуха и воды. В зависимости от вида конструкции толщина защитного слоя бетона колеблется от 10… 20 мм и более. Однако если в защитном слое образуются трещины, то создаются благоприятные условия для развития коррозии. Особенно подвержена коррозии арматура в бетоне сооружений, находящихся в районах, загрязненных примесями окиси азота, сернистого газа и т. д. Эти газы растворяются в капельках влаги и, попадая на поверхность металла, сильно ускоряют процесс коррозии. Наиболее вредным является сернистый газ. Растворяясь в воде, этот газ образует серную кислоту. Защитить арматуру от такой активной коррозии могут специальные антикоррозионные покрытия, а для предупреждения коррозии необходимо обеспечить трещиностойкость конструкций, добиваться высокой плотности бетона для уменьшения его проницаемости,
Основы теории сопротивления железобетона Л е к ц и я 5 Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Эксперименты с изгибаемыми железобетонными элементами показали, что при постепенном увеличении внешней нагрузки можно выделить три основные стадии НДС. Стадия 1. Начальная нагрузка на элемент. Продолжается до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно. При малых нагрузках на элемент напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят в основном упругий характер. Зависимость между напряжениями и деформациями – линейная, эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения – треугольные.
Основы теории сопротивления железобетона Л е к ц и я 5 Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Стадия 1 а. С увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. Этим характеризуется конец стадии 1. В расчетах для упрощения эпюру растянутого бетона принимают прямоугольной. По этой стадии производят расчет на образование трещин.
Основы теории сопротивления железобетона Л е к ц и я 5 Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Стадия 2. Начинается после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами – бетоном и арматурой совместно. С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется. Конец стадии 2 характеризуется началом заметных пластических деформаций в арматуре. Стадия 2 – стадия эксплуатации, по ней производят расчеты прогибов и ширины раскрытия трещин.
Основы теории сопротивления железобетона Л е к ц и я 5 Три стадии НДС железобетонных изгибаемых элементов Стадия 3. Стадия разрушения. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в стержневой арматуре достигают своего предела текучести. Напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают временного сопротивления сжатию. Разрушение начинается с арматуры растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такое разрушение называется пластическим. В элементах с избыточным содержанием арматуры (переармированных) разрушение происходит по бетону сжатой зоны. Стадия 2 переходит в стадию 3 внезапно. Разрушение переармированных элементов происходит при неполном использовании растянутой арматуры и называется хрупким.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Классический метод расчета по допускаемым напряжениям Поскольку железобетон в явном виде был изобретен больше столетия назад, то специальные методы расчета до 1930 х годов отсутствовали. Поэтому расчет ж. б. конструкций осуществлялся также, как и расчет любых других конструкций: рассматривалась только упругая работа с некоторыми особенностями материаловедения. В то время существовал классический метод расчета по допускаемым напряжениям. Суть его заключалась в том, что для стадии эксплуатации определялись напряжения, возникающие в бетоне и арматуре, а для надежной работы конструкции, эти напряжения не должны были превышать допускаемые. Т. е. σb≤[σb], σs≤[σs], причем [σb]=Rb/k; где к – коэффициент запаса. Для упрощения расчетов использовались приведенные сечения. Например для центрально-нагруженного элемента: N=A[σ ]+A [σ ] – максимальная допускаемая нагрузка на элемент; b s s σ=ε·E – закон Гука; n=Es/Eb – коэффициент приведения; N=A·[σb]+ n·As·[σb] - максимально допускаемая нагрузка на элемент по приведенному сечению. N=(A+n·As)·[σb]
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Классический метод расчета по допускаемым напряжениям Для однородного упруго работающего материала такой метод расчета давал полную ясность с каким запасом работает конструкция. Недостатки классического метода: ü Бетон рассматривается как упругий материал, без учета усадки, ползучести, деградационных процессов. ü Нет реального представления о запасе прочности, который меняется в процессе эксплуатации (в силу переменного модуля упругости бетона). ü Для данного расчета необходимо знать напряжения внутри материала, определить которые бывает затруднительно.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Гипотеза о предельном равновесии В 1933 году Артур Фердинандович Лоллейт выдвинул гипотезу предельного равновесия. Постулаты гипотезы предельного равновесия: 1. Перед разрушением сечение железобетонных конструкций находится в равновесии. 2. Перед разрушением материал конструкции находится в предельном состоянии: Σх=0; Rb·b·x=Rs·As ΣM=0; M- Rb·b·x(h 0 -x/2) =0 или M-Rs·As·(h 0 -x/2)=0 3. Напряжения в бетоне растянутой зоны принимают равными нулю. Гипотеза предельного равновесия: Разрушение железобетонных нормально армированных конструкций происходит, как правило, при достижении предельных значений прочности как бетона, так и арматуры.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по разрушающим (предельным) нагрузкам Метод расчета по разрушающим нагрузкам основывается на гипотезе предельного равновесия. Суть метода заключается в том, что сначала определяют максимальную или предельную нагрузку на конструкцию, а затем применяют к ней коэффициент запаса. Т. е. сначала определяется Nmax , а эксплуатационная нагрузка составляет Nmax/k, где к – коэффициент запаса. Например, для центрально сжатой колонны: Nразр=Rb·A+Rs·As – разрушающая нагрузка на элемент; Nэкспл=Nразр/k – эксплуатационная нагрузка. Преимущества: ü Простота представления разрушающего усилия. ü Четкое знание коэффициента запаса для данной нагрузки в конструкции. Недостатки: ü Неясность в применении высокопрочных сталей. ü Не учитываются колебания нагрузки и характеристики материала, которые носят вероятностный характер. ü Не рассматривается эксплуатационная надежность сооружения (возможность ü Нормальной эксплуатации).
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Этот метод был введен в СССР в качестве руководящего принципа расчетов строительных конструкций с 1 января 1955 г. В дальнейшем метод распространился по всему миру и был положен в основу стандартов ИСО и Еврокода, где получил название “метод частных коэффициентов надежности”. Два названия метода “предельных состояний” и “частных коэффициентов надежности” отражают наиболее существенные стороны метода, при этом каждая из них имеет определенную независимость. Если рассматривать метод с точки зрения использования предельных состояний, то следует учесть, что в основе лежит идея отказа от детального анализа всех состояний конструкции, кроме предельных, для которых и формулируются расчетные требования к сооружению. Например, приняв за предельное состояние условие прочности, и запроектировав конструкцию таким образом, чтобы с достаточной степенью вероятности можно было говорить о том, что она не разрушится в течении всего срока службы, мы ничего не можем сказать об уровнях напряжений в ней при обычных (не предельных) условиях эксплуатации.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Метод с точки зрения предельных состояний. С этой точки зрения почти равноправными могут оказаться конструкция плотины, обычный уровень загружения которой не очень далек от предельного (например 80% от расчетного), и конструкция дымовой трубы, обычный уровень загружения которой примерно 15% от расчетного значения. На первый взгляд о равноправии не может идти речи. Однако в идее метода предельного равновесия предполагается одинаковая вероятность нарушения предельного условия в обоих случаях – и исчерпание 20% запаса в случае плотины, и исчерпание 85% запаса в случае трубы.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Метод с точки зрения частных коэффициентов надежности. С этой точки зрения можно сказать о том, что вместо одного общего коэффициента запаса используется произведение нескольких (частных) коэффициентов, каждый из которых связан с определенной стороной проблемы безопасности: характером нагрузки, свойствами материала, степенью ответственности объекта и т. д. Именно детализация в применении комбинации частных коэффициентов надежности обеспечивает равную вероятность реализации предельного состояния двух сооружений, обычное состояние которых резко отличается степенью близости к предельному. Данная точка зрения чаще присутствует в описании метода, и переход от единого коэффициента запаса к нескольким считается главным отличием метода предельных состояний от применявшегося до него метода расчета по допускаемым напряжениям. В этом смысле прижившееся в отечественной литературе название “метод предельного равновесия” не выполняет своей роли, а наиболее распространенная трактовка метода, скорее может быть отнесена к названию “метод частных коэффициентов надежности”, применяемых за рубежом.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Предельные состояния. Предельное состояние – это состояние конструкции, при наступлении которого конструкция перестает удовлетворять предъявленным к ней требованиям, т. е. теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получает недопустимые значения деформаций или ширины раскрытия трещин. 1 -ое предельное состояние должно обеспечить прочность, устойчивость, выносливость конструкций. 2 -ое предельное состояние служит для предотвращения образования и чрезмерного раскрытия трещин (если те предусмотрены по условиям эксплуатации), а также чрезмерных перемещений (прогибов, углов поворота). Между 2 группами предельных состояний есть качественная разница: - 1 группа защищает от обрушения; - 2 группа отвечает за комфортность эксплуатации. Для 2 -й группы предельных состояний есть 3 основных вида ограничений по деформациям: - Конструктивные (деформации не должны мешать другим конструкциям); - Технологические (не должны мешать работе оборудования);
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Коэффициенты запаса (частные коэффициенты надежности). С учетом возможной изменчивости нагрузок в большую сторону, а прочностных характеристик – в меньшую, расчетная несущая способность элемента определяется с использованием системы коэффициентов надежности и условий работы. 1. Коэффициенты надежности по нагрузке γf – принимаются в зависимости от статистической изменчивости нагрузки, ее вида, предельного состояния (0. 9≤ γf ≤ 1, 4). 2. Коэффициенты надежности по бетону γb – принимают в зависимости от вида бетона и вида напряженного состояния (0. 9≤ γf ≤ 1, 4 ). 3. Коэффициент надежности по арматуре γs – принимают в зависимости от класса арматуры и группы предельных состояний (1≤ γs ≤ 1, 2 ). 4. Коэффициенты условий работы бетона γbi – учитывают особенности свойств бетона, характер загружения конструкции, условия эксплуатации и т. д. (0, 45≤ γs ≤ 1, 35). 5. Коэффициенты условий работы арматуры γsi – принимается в зависимости от вида арматуры, ее назначения и условий применения, характера загружения конструкции и т. д. (0, 19≤ γsi ≤ 1).
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Нормативные и расчетные сопротивления бетона и арматуры. Нормативное сопротивление бетона сжатию Rbn - это призменная прочность с обеспеченностью 0, 95. Нормативное сопротивление арматуры растяжению Rsn - это физический или условный предел текучести с обеспеченностью 0, 95. Строительные конструкции должны обладать запасом несущей способности, который предохраняет их от неприятных случайностей и обеспечивает долговечность. Поэтому в расчетах по прочности используют не нормативные, а более низкие – расчетные сопротивления материалов - взятые с запасом по отношению к нормативным. Rb= Rbn/γb - расчетное сопротивление бетона сжатию; Rs= Rsn/γs – расчетное сопротивление арматуры растяжению; Значение γ тем больше, чем больший разброс прочности у материала. Если у конструкции в процессе эксплуатации чрезмерно раскрылись трещины или прогибы превысили допустимые значения, то в большинстве случаев последствия этого не столь опасны как при обрушении. Поэтому в расчетах по 2 -ой группе предельных состояний в основном используют нормативные сопротивления Rbn , Rsn.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям В рамках 2 -ой группы предельных состояний к конструкциям предъявляются требования по трещиностойкости. 1 -ая категория трещиностойкости - трещины не допускаются (резервуары, газгольдеры, бассейны и т. д. ); 2 -ая категория – допускается ограниченное раскрытие трещин, т. е. трещины допускаются при кратковременной нагрузке с определенной шириной раскрытия. При снятии кратковременной нагрузки трещины должны закрыться. 3 -я категория - трещины с шириной раскрытия до (0, 3 – 0, 4)мм допускаются как при кратковременном, так и при длительном загружении конструкции. К таким конструкциям относится большинство: перекрытия жилых и общественных зданий, многие производственные сооружения, т. е. там, где длительное раскрытие трещин не приводит к коррозии арматуры. Сущность метода расчета по предельным состояниям заключается в том, что максимальное усилие в сечении при неблагоприятных обстоятельствах изменчивости нагрузки в большую сторону не должно превышать предельную (минимальную) несущую способность сечения, определенную при наименьших возможных значениях прочностных характеристик материала.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Классификация нагрузок При общих прочностных расчетах, корректнее говорить не об нагрузках, а об воздействиях на сооружение. В первом приближении воздействия условно можно разделить на внешние и внутренние, а с другой стороны – на силовые и кинематические. Характер воздействия Внешние воздействия Силовые воздействия Нагрузки Кинематические воздействия Неравномерная осадка Внутренние воздействия Предварительно Температурные е напряжение перемещения Однако следует учесть, данная классификация не учитывает специфических особенностей взаимодействия сооружения с окружающей средой (коррозия, химическое взаимодействие, выкрашивание и т. д. ). Например грунтовые воды могут быть агрессивны к бетону фундамента.
Развитие методов расчета ж. б. конструкций Л е к ц и я 6 Метод расчета по предельным состояниям Классификация нагрузок Силовые нагрузки и воздействия (в дальнейшем нагрузки) более подробно классифицируются следующим образом: Постоянные Нормативные Нагрузки Длительные Временные Расчетные Кратковременные Особые
конструкции Л е к ц и я 7 Сущность и создание предварительного напряжения Определение Это конструкция, в которой до приложения внешней нагрузки искусственно создают внутренние напряжения, как правило, противоположные по знаку тем напряжениям, которые будут возникать при действии внешней нагрузки. Способы создания Существует два основных способа создания предварительного напряжения рабочей арматуры: 1 способ – “натяжение арматуры на бетон”. Сначала бетонируют конструкцию, оставляют в ней каналы. В через эти каналы пропускают арматуру. После набора бетоном необходимой прочности арматуру натягивают, а ее концы закрепляют на торцах конструкции. При этом происходит сжатие (обжатие) бетона. Поскольку усилие натяжения передается на уже затвердевший бетон, способ называется “натяжением на бетон”.
конструкции Л е к ц и я 7 Сущность и создание предварительного напряжения 2 способ - “натяжение арматуры на упоры” Сначала натягивают арматуру и закрепляют ее концы на упорах стенда или формы. Затем бетонируют конструкцию. После набора бетоном необходимой прочности арматуру отпускают с упоров. Упруго укорачиваясь, арматура обжимает бетон за счет сил сцепления.
конструкции Л е к ц и я 7 Преимущества преднапряженных конструкций Преимущества заключаются в повышении трещиностойкости и жесткости конструкции. Сравним работу балок с обычной арматурой S и напрягаемой арматурой Sp. У обычной балки прогиб f начинается с 0 и растет по мере роста нагрузки F. У преднапряженной балки до приложения нагрузки F от действия силы обжатия P уже имеется выгиб (отрицательный прогиб) fcp. Очевидно, что при одинаковом значении F прогиб преднапряженной балки будет меньше обычной. Таким же образом преднапряжение влияет и на трещинообразование. Кроме того, преднапряжение позволяет применять высокопрочные бетоны и арматуру, что дает снижение расхода материалов и собственной массы конструкции.
конструкции Л е к ц и я 7 Влияние преднапряжения на прочность конструкций Непосредственного влияния на прочность конструкции предварительное напряжение не оказывает. Если рассмотреть центрально растянутый элемент, то видно, что после образования трещин вся растягивающая сила N воспринимается только арматурой. Ее несущая способность Nsu=Rs. As и определяет прочность элемента, независимо от того, был он преднапряженным или нет. Влияние натяжения на прочность арматуры На первый взгляд, должна снижаться – ведь к началу приложения внешней нагрузки арматура уже растянута и использовала часть своей прочности. В действительности дело обстоит иначе. При передаче на бетон силы обжатия P арматура и бетон совместно укорачиваются, поэтому в арматуре растягивающее усилие уменьшается на величину ΔP, а бетон обжимается силой Nb=P- ΔP. Чтобы восстановить исходное состояние, к железобетонному элементу надо приложить внешнюю растягивающую силу N=Nb+ΔP, т. е. N=P. Следовательно прочность арматуры сохраняется.
конструкции Л е к ц и я 7 Способы натяжения арматуры Арматуру натягивают или механическим (гидродомкратом, грузом, рычагом) или электротермическим методом. Сущность электротермического метода. Изготавливают стержни с определенной, точно выверенной длиной, с анкерами по концам. Затем стержни нагревают сильным током до температуры не выше 350… 4000 С (иначе произойдет разупрочнение арматуры). При нагреве стержни удлиняются и в таком состоянии их закрепляют на упорах. В процессе охлаждения стержни стремятся укоротиться, т. е. вернуться в исходное состояние, а упоры этому препятствуют – в результате в арматуре возникают растягивающие усилия. Следует отметить, что канаты (К-7, К-19) нельзя натягивать электротермическим методом, поскольку невозможно обеспечить одинаковый нагрев всех проволок. Арматуру классов В-II, Вр-II а также классов Ат1200 и выше натягивать таким способом можно, но не имеет смысла, поскольку нагрев до 350… 4000 С позволяет достичь предварительного напряжения не выше 650 -700 МПа, в то время как прочностные возможности этих классов намного выше. Для натяжения подобной арматуры применяют либо электротермомеханический метод, совмещающий электротермический и механический методы, либо просто механический метод.
конструкции Л е к ц и я 7 Потери предварительных напряжений в арматуре От момента натяжения арматуры до начала приложения внешней нагрузки на элемент часть величины предварительного натяжения σsp безвозвратно теряется в результате релаксации напряжений стали, температурного перепада, деформации анкеров, трения отогнутой арматуры, деформации формы, ползучести и усадки бетона и т. д. Потери напряжений разделяют на первые и вторые. Первые потери проявляются в процессе изготовления, до окончания обжатия бетона. Вторые потери – после изготовления, до начала эксплуатации конструкции. Потери так разделяют потому, что преднапряженная конструкция в разные периоды испытывает разные нагрузки, на действие которых необходимо проверять прочность и трещиностойкость. Сразу после изготовления – силу обжатия и собственный вес при подъеме и перевозке. В это время в напрягаемой арматуре проявились только первые потери, сила обжатия еще велика, а прочность бетона мала. К началу эксплуатации проявились и первые, и вторые потери, сила обжатия уменьшилась, а прочность бетона выросла до проектного значения.
конструкции Л е к ц и я 7 Потери предварительных напряжений в арматуре Зависимость потерь напряжений от способа натяжения арматуры. При натяжении на упоры. К первым потерям относят потери: ü ü От релаксации напряжений стали (σ1); От перепада температуры (σ2); От деформации анкеров (σ3); От трения арматуры об огибающие приспособления (σ4); ü От деформации формы (σ5); ü От быстронатекающей ползучести (σ6); Ко вторым потерям относят потери: ü От усадки бетона (σ8); ü От длительной ползучести бетона (σ9);
конструкции Л е к ц и я 7 Потери предварительных напряжений в арматуре Зависимость потерь напряжений от способа натяжения арматуры. При натяжении на затвердевший бетон релаксация напряжений стали и полная ползучесть бетона проявляются уже после обжатия, поэтому: К первым потерям относят потери: ü От деформации анкеров (σ3); ü От трения арматуры о стенки каналов (или о поверхность бетона) (σ4); Ко вторым потерям относят потери: ü ü От релаксации напряжений в бетоне (σ7); От усадки бетона (σ8); От ползучести бетона (σ9); Некоторые другие, связанные с особенностями самой конструкции.
конструкции Л е к ц и я 7 Контролируемое напряжение в арматуре σcon Это напряжение в арматуре, которое контролируют приборами в процессе изготовления преднапряженной конструкции и величина которого зависит от технологии изготовления. При механическом натяжении на упоры. Контроль осуществляется в ходе самого натяжения, потери от деформаций анкеров и от трения арматуры при перегибах (при их наличии) происходят также в ходе натяжения, поэтому σcon= σsp – σ3 – σ4. При электротермическом натяжении. Заготовочную длину стержней назначают не только с учетом создания предварительного напряжения σsp , но и с учетом потерь напряжения от деформаций анкеров (σ3) и деформаций формы (σ5). В этом случае σcon= σsp – σ4. При натяжении на бетон контроль осуществляют в ходе натяжения, когда одновременно с натяжением арматуры происходит упругое укорочение бетона, которое учитывают при назначении величины σcon. Значение σcon необходимо указать в чертежах преднапряженной конструкции, а если технология изготовления неизвестна, то указываются поименные расчетные значения первых потерь (кроме потерь от быстронатекающей ползучести).
конструкции Л е к ц и я 7 100 суток для преднапряженного железобетона Это срок с момента изготовления конструкции, в течение которого она должна быть загружена проектной нагрузкой. Именно исходя из этого срока выведены формулы для определения потерь напряжений от усадки и ползучести бетона. Если конструкция загружена в более раннем возрасте, то это благоприятное состояние: меньше потери напряжений, больше сила обжатия, выше жесткость и трещиностойкость. Если конструкция пролежала на складе более 100 суток, то потери напряжений превысят расчетные значения. Такую конструкцию необходимо пересчитать (а иногда испытать) и, возможно, использовать под более низкие нагрузки.
конструкции Л е к ц и я 7 Передаточная прочность бетона Это кубиковая прочность бетона в момент обжатия Rbp. Как правило, она меньше проектной прочности (класса В). Ждать, пока бетон наберет 100% проектной прочности, - нецелесообразно, особенно в условиях заводского изготовления. Поэтому назначают такую минимальную величину Rbp, которая обеспечила бы прочность и трещиностойкость конструкции при обжатии, подъеме и перевозке, полагая, что до приложения эксплуатационных нагрузок бетон наберет проектную прочность. Следует учесть, что: ü чем ниже Rbp, тем больше потери от ползучести, тем меньше сила обжатия; ü чем выше Rbp, тем больше продолжительность термообработки, тем дороже конструкция. Опыт показывает, что в большинстве случаев оптимальной является величина Rbp=0. 7 В.
конструкций Л е к ц и я 8 Размерности при расчетах Если в качестве единицы силы используется Н (или к. Н: 1 к. Н=1000 Н), то в качестве единицы длины удобно использовать мм. Во-первых на чертежах все размеры наносятся в мм. Во-вторых, напряжения и прочность в Нормах приводятся в МПа (1 МПа = 1 Н/мм 2). Если в ходе расчета получаются числа, имеющие слишком много знаков, то их легко отбрасывать, “передвигая” запятую на 3 или 6 разрядов, прибавляя при этом к размерностям приставку кило- или мега- соответственно. Основные соотношения размерностей: Распределенная по площади нагрузка: 1 к. Н/м 2 = 1 к. Па = 1·10 -3 (Н/мм 2); Погонная нагрузка: 1 к. Н/м = 1 Н/мм; Изгибающий момент: 1 к. Н·м=1·106 (Н·мм)
Изгибаемые ж. б. элементы Л е к ц и я 8 Нормальные и наклонные сечения Исчерпание несущей способности изгибаемых элементов может произойти как от изгибающего момента при небольшой или нулевой поперечной силе (нормальное сечение), так и от поперечной силы при сравнительно небольшом значении момента (наклонное сечение). Это связано с направлением главных напряжений σm: там, где действуют только изгибающие моменты, а поперечные силы малы, направления σm совпадают с направлениями нормальных напряжений σх – на этих участках образуются нормальные трещины, а расчетными являются нормальные сечения. Там, где значения перерезывающих сил достаточно велики, там σm направлены под углом к оси элемента – на этих участках под воздействием главных растягивающих напряжений σmt образуются наклонные трещины, а расчетными являются наклонные сечения.
Нормальные сечения Л е к ц и я 8 Граничная высота сжатой зоны. Это такая высота (абсолютная х. R или относительная ξR = х. R/h 0), при которой в предельной по прочности стадии, т. е. в 3 -ей стадии непосредственно перед разрушением, напряжения в сжатом бетоне σb и в растянутой арматуре σs одновременно достигают своих предельных значений (расчетных сопротивлений), т. е. σb=Rb и σs=Rs - такое сечение называют нормально армированным. Если армирование уменьшить, то высота сжатой зоны тоже уменьшится и станет меньше граничной, т. е. х< х. R – такое сечение называют слабо армированным. Если армирование увеличить, то окажется что х>х. R - такое сечение называется переармированным. Следует иметь в виду, что понятия нормально-, слабо- и переармированные сечения условны, применяются только в сугубо практической деятельности и отсутствуют в Нормах.
Нормальные сечения Л е к ц и я 8 Слабо-, нормально- и переармированные сечения. По условиям статики, в предельной стадии усилие в сжатой зоне бетона равно усилию в растянутой арматуре, т. е. Nb = Ns или Rb ∙Ab = Rs ∙As или Rb∙ b∙x= Rs∙As. Очевидно, что с увеличением As увеличивается и Ab, следовательно увеличивается x. Слабо армированное сечение при х< х. R деформации в арматуре достигли начала площадки текучести (εs= εpl), а в бетоне не достигли предельной сжимаемости (εb<εbu). На первый взгляд прочность бетона недоиспользуется и сечение работает нерационально. Однако у арматуры есть площадка текучести, а значит, по мере текучести стали, когда деформации в ней увеличиваются с εpl до εpl 1 , увеличиваются и деформации бетона, достигая в итоге εbu. Нормально армированное сечение при х=х. R работает наиболее рационально: εb и εs одновременно достигают значений εbu и εpl, а напряжения - значений Rb и Rs соответственно. В переармированном сечении при х>х. R деформации бетона достигают εbu , а деформации арматуры не достигают εpl , т. е. прочность бетона Rb используется полностью, а прочность арматуры Rs – нет. Слабо- и нормально армированные сечения имеют общий признак – в них бетон и арматура полностью используют свою прочность, поэтому принцип их расчета
Нормальные сечения Расчет прочности прямоугольных сечений с одиночной арматурой. Л е к ц и я 8 По условиям статики, в предельной стадии усилие в сжатой зоне бетона равно усилию в растянутой арматуре Rb∙b∙x= Rs∙As. 1. Исходя из этого равенства определяют высоту сжатой зоны бетона х= Rs∙As/ Rb∙b; 2. По найденному значению х определяют относительную высоту сжатой зоны ξ=х/h 0, и сравнивают с предельным значением ξR (зависит от класса арматуры и берется из специальных таблиц). Если ξ≤ ξR - то случай 1, если ξ> ξR - то случай 2. 3. Если ξ≤ ξR то x≤x. R и растянутая арматура S работает с полной отдачей, а усилия в ней составляют Rs∙As. Поскольку фактическая криволинейная эпюра заменена условно прямоугольной, то равнодействующая сжимающих сил в бетоне Rb∙b∙x, приложенной в центре тяжести сжатой зоны, т. е. посредине высоты х. Плечо внутренней пары сил составляет (h 0 -0. 5 x). Таким образом несущая способность сечения составляет M=Rb∙b∙x∙(h 0 -0. 5 x) или М= Rs∙As∙ (h 0 -0. 5 x); Если ξ> ξR , то расчет производят аналогично случаю 1, но при x=x. R= ξR∙h 0; т. е. M=Rb∙b∙x. R∙(h 0 -0. 5 x. R)
Нормальные сечения Л е к ц и я 8 Расчет прочности прямоугольных сечений с одиночной арматурой с помощью табличных коэффициентов. M=Rb∙b∙x∙(h 0 -0. 5 x)
Нормальные сечения Л е к ц и я 8 Расчет прочности прямоугольных сечений с двойной арматурой
Нормальные сечения Л е к ц и я 8 Конструктивные требования
Л е к ц и я 8 Нормальные сечения Конструктивные требования Схема расположения арматуры в горизонтальном ряду a 3 принимается: Ø не менее 20 мм при h≥ 250 мм; Ø не менее 15 мм при h<250 мм; Ø не менее d aw принимается: Ø не менее 15 мм при h≥ 250 мм; Ø не менее 10 мм при h<250 мм;
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Типовые задачи
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Типовые задачи
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Типовые задачи
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Тавровые сечения. Преимущества и недостатки.
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Тавровые сечения. Преимущества и недостатки.
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Тавровые сечения. Преимущества и недостатки.
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Тавровые сечения с полкой в сжатой зоне. Расчет прочности.
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения
Л е к ц и я 9 Нормальные сечения Подбор арматуры в тавровом сечении с полкой в сжатой зоне
Л е к ц и я 1 0 Наклонные сечения Основные схемы разрушения Место образования, наклон, раскрытие и развитие по высоте наклонных трещин зависят от вида нагрузок, формы сечения, вида армирования и т. д. В наклонных сечениях имеют место те же 3 стадии НДС, как в нормальных сечениях. После образования наклонной трещины изгибаемый элемент разделяется на две части, связанные между собой: в сжатой зоне - бетоном над наклонной трещиной, в растянутой зоне - продольной арматурой, хомутами и отгибами, пересекающими наклонную трещину. При увеличении нагрузки наклонная трещина раскрывается, и разрушение происходит по одному из 3 х случаев.
Л е к ц и я 1 0 Наклонные сечения Основные схемы разрушения Случай 1 – раздробление бетона стенки по наклонной полосе между наклонными трещинами от главных сжимающих напряжений. Такое разрушение возможно при малой ширине b сечения элемента (тавровое, двутавровое, коробчатое) в зоне действия поперечных сил. После образования наклонных трещин бетон между ними испытывает действие главных сжимающих напряжений, и, одновременно, растягивающих усилий от поперечной арматуры. Т. е. полоса бетона между наклонными трещинами находится в условиях двухосного напряженного состояния (сжатие-растяжение). Прочность бетона при этом ниже, чем при одноосном напряженном состоянии.
Л е к ц и я 1 0 Наклонные сечения Основные схемы разрушения Случай 2 – излом по наклонному сечению от доминирующего действия изгибающего момента М. Под воздействием постепенно возрастающего изгибающего момента главные растягивающие напряжения преодолевают сопротивление бетона на осевое растяжение и образуется наклонная трещина с максимальным раскрытием в растянутой зоне. Бетон растянутой зоны из деформирования выключается и все растягивающие усилия передаются на продольную и поперечную арматуру. Происходит взаимный поворот частей элемента вокруг мгновенного центра вращения, расположенного в центре тяжести О сжатой зоны сечения. Случай реализуется при слабой продольной арматуре или недостаточной ее анкеровке на опоре.
Л е к ц и я 1 0 Наклонные сечения Основные схемы разрушения Случай 3 – сдвиг по наклонному сечению от доминирующего действия поперечной силы. Образование наклонной трещины начинается в середине боковых граней, где касательные напряжения от поперечной силы достигают своего максимального значения. Вследствие неупругих свойств бетона касательные напряжения распределяются равномерно по сечению, поэтому наклонная трещина раскрывается примерно одинаково по всей длине. При разрушении происходит взаимное смещение частей элемента по вертикали. Случай реализуется при наличии в конструкции достаточно мощной продольной растянутой арматуры, для которой выполнены требования Норм по анкеровке. Наличие Такой арматуры препятствует повороту частей балки, разделенной наклонной трещиной.
Л е к ц и я 1 1 Наклонные сечения Основные схемы разрушения Случай 3 – сдвиг по наклонному сечению от доминирующего действия поперечной силы. Условие прочности Qu ≤ Qb + Qsw Расчет на поперечную силу разделяется на два случая. 1 -й случай — трещина начинается у грани опоры (рис. а): с ≤ 2 h 0, Qb = Mb /c; Qsw = qsw∙c. 2 -й случай — трещина начинается на отдалении от опоры (рис. б): с > 2 h 0; Qb = Mb /c; Qsw =qsw∙(2 h 0 ).
Л е к ц и я 1 1 Наклонные сечения Основные схемы разрушения
Л е к ц и я 1 1 Наклонные сечения Основные схемы разрушения Расчет наклонных сечений (определение ”c”) при действии сосредоточенной нагрузки F Если расстояние от опоры до силы a ≤ 2 h 0 (1 -й случай, рис. а), то c = a, но не менее cmin = 0, 6 h 0, Если a > 2 h 0 (2 -й случай, рис. б), то при вычислении Qb = Mb /c величина c = a, но не более cmax = 3 h 0, а при вычислении Qsw = ϕswqswc величина c = 2 h 0.
Л е к ц и я 1 1 Наклонные сечения Расчет коротких консолей Короткие консоли испытывают воздействие больших поперечных сил при относительно небольших изгибающих моментах, поэтому их разрушение всегда происходит не по нормальным, а по наклонным сечениям. Опыты показали, что короткие консоли работают по схеме, близкой к работе кронштейна. Роль подкоса выполняет наклонная сжатая полоса (призма) бетона, а роль растянутой связи – растянутая арматура S. Условие прочности призмы выводится из ее геометрии: N ≤ Nbu, где N = Q/sinθ – продольное усилие в призме от внешней нагрузки, Nbu= 0, 8∙Rb ∙b∙lsup ∙sinθ ∙ϕw – несущая способность призмы. Отсюда Q ≤ 0, 8∙Rb∙b∙lsup∙sin 2θ∙ϕw Здесь Q – нагрузка на консоль, b – ширина сечения призмы (колонны), lsupsinθ – высота сечения (lsup – ширина площадки опирания балок или ригелей), 0, 8 – коэффициент условий работы, ϕw ≥ 1– коэффициент, учитывающий влияние поперечной арматуры Sw на повышение призменной прочности бетона.
Л е к ц и я 1 1 Наклонные сечения Расчет коротких консолей Усилие в арматуре S можно определить из суммы проекций сил на горизонтальную ось, а можно – из суммы моментов сил относительно точки опирания подкоса (точка О на рис. ). Нормы рекомендуют второй способ, тогда As = M/Rs∙h 0, где M = Q∙l 1. Если условие прочности бетонной призмы не выполняется, то повышать класс бетона не следует – это отразится на стоимости всей колонны. Увеличение поперечного армирования дает ограниченный эффект. Поэтому лучше всего увеличить высоту консоли, что позволит увеличить угол θ, т. е. уменьшить усилие в призме и увеличить площадь ее поперечного сечения. Если высота сечения консоли заведомо ограничена (архитектурными, технологическими или иными требованиями), применяют консоли с жесткой арматурой.
Л е к ц и я 1 1 Наклонные сечения Расчет коротких консолей Короткие консоли с жесткой арматурой Рассчитывают так же, как и с гибкой арматурой, только в роли подкоса используют наклонные стальные пластины П, соединенные на сварке с арматурными стержнями – растянутыми S и конструктивными (слабо сжатыми) S’. Усилия в пластине и в арматуре находят из решения силового треугольника: Nп = Q/sinθ; Ns = Nпcosθ. Пластины рассчитывают без учета продольного изгиба, поскольку бетон препятствует потере устойчивости. Расчетными также являются сварные швы, соединяющие пластины с арматурой.
Л е к ц и я 1 2 Сжатые элементы Эксцентриситет приложения силы N
Л е к ц и я 1 2 Сжатые элементы Эксцентриситет приложения силы N
Л е к ц и я 1 2 Сжатые элементы Эксцентриситет приложения силы N Куб при действии некоторой равномерно распределенной нагрузки по всему сечению будет сжиматься достаточно равномерно, соответственно гибкость куба будет близка к 0 и потому значение коэффициента продольного изгиба будет близко к 1. Согнуть куб практически не возможно. А если это будет не куб, а стойка квадратного сечения, имеющая точно такие же размеры поперечного сечения, то чем больше будет длина стойки, тем больше будет гибкость стойки и значит вероятность того, что стойка не просто сожмется, а еще и выгнется, будет выше.
Л е к ц и я 1 2 Сжатые элементы Случаи больших и малых эксцентриситетов
Л е к ц и я 1 2 Сжатые элементы Случаи больших и малых эксцентриситетов
Л е к ц и я 1 2 Сжатые элементы Устойчивость внецентренно сжатых элементов
Л е к ц и я 1 2 Сжатые элементы Увеличение несущей способности сжатых элементов Если все пути (увеличение армирования, повышение прочности бетона, увеличение сечения элемента) исчерпаны, можно применить или жесткое или косвенное армирование. Жесткая арматура – это стальной сердечник сварного или прокатного профиля. Вокруг сердечника по периметру сечения необходимо установить гибкую продольную и поперечную арматуру, соблюдая рекомендации о максимальном суммарном проценте армирования 15%. Косвенная арматура – это сварные сетки (б) или спирали (а), охватывающие снаружи продольные стержни и препятствующие поперечному расширению бетона, повышая его сопротивление продольному сжатию. 1 – стальной сердечник; 2 – гибкая продольная арматура; 3 – поперечная арматура.
Л е к ц и я 1 3 Растянутые ж. б. элементы Область применения В условиях растяжения работают нижние пояса ферм и элементы решетки, затяжки арок, стенки круглых и прямоугольных резервуаров и т. д. Для растянутых элементов эффективно применение высокопрочной предварительно напряженной арматуры.
Л е к ц и я 1 3 Растянутые ж. б. элементы Расчет центрально-растянутых элементов В процессе работы реальной конструкции всегда присутствуют случайные факторы, которые могут привести к смещению продольной силы N. Для центрально растянутых элементов это не опасно, т. к. после образования трещин в них работает только арматура, напряжения в которой по достижении предела текучести выравниваются.
Л е к ц и я 1 3 Растянутые ж. б. элементы Расчет внецентренно-растянутых элементов при малых е 0
Л е к ц и я 1 3 Растянутые ж. б. элементы Расчет внецентренно-растянутых элементов при больших е
Л е к ц и я 1 3 Расчет ж. б. элементов Расчет элементов с использованием областей прочности
состояний Общие сведения Л е к ц и я 1 4
состояний Расчет момента образования трещин Л е к ц и я 1 4
состояний Расчет момента образования трещин Л е к ц и я 1 4 Если трещиностойкость не обеспечивается, то расчет выполняют с учетом неупругих деформаций. В этом случае эпюра растягивающих напряжений принимается трапециевидной – в соответствии с двух линейной диаграммой, однако ”ручное” решение задачи становится трудно выполнимым.
состояний Расчет по раскрытию трещин Л е к ц и я 1 4 Продолжительное и непродолжительное раскрытие трещин После того, как трещина образовалась, ширина ее раскрытия не остается неизменной: при увеличении нагрузки трещина расширяется, при уменьшении сужается. В реальных условиях нагрузка тоже меняется: ü продолжительное время действуют постоянная и длительная нагрузки, которые вызывают раскрытие трещин на ширину аcrc 1; ü непродолжительное время действуют кратковременная нагрузка, которая совместно с постоянной и длительной увеличивает раскрытие трещин до ширины аcrc, ü а как только кратковременная нагрузка снимается, ширина вновь уменьшается до величины аcrc 1. Очевидно, что аcrc> аcrc 1. Следовательно: аcrc - это ширина непродолжительного раскрытия трещин от суммарного действия постоянных, длительных и кратковременных нагрузок, аcrc 1 - ширина продолжительного раскрытия от действия только постоянных и длительных нагрузок.
состояний Расчет по раскрытию трещин Л е к ц и я 1 4 Предельно допустимая ширина раскрытия трещин acrc, u По старым Нормам По новым Нормам (СП) Условие Раскрытие acrc, u , мм В помещении; На открытом воздухе; В грунте выше или ниже грунтовых вод; Продолжительное 0. 4 Обеспечение сохранности арматуры Продолжительное 0. 4 Непродолжительное 0. 3 Непродолжительно 0. 3 е Продолжительное 0. 3 Продолжительное В грунте при Ограничение 0. 3 переменном проницаемост Непродолжительное 0. 2 Непродолжительно 0. 2 уровне и конструкций е грунтовых вод Предельные значения acrc, u в новых Нормах изложены не в конкретной, а в обтекаемой форме и оставляют проектировщику право самому определять нужные предельные значения.
состояний Расчет по раскрытию трещин Л е к ц и я 1 4 Расчет ширины непродолжительного раскрытия трещин от действия полной нагрузки представляет собой условный четырехэтапный процесс. 1) вычисляют ширину продолжительного раскрытия трещин от длительного действия постоянной и длительной нагрузок Fl (точка 2), которую в СП обозначили как acrc 1. 2) вычисляют ширину непродолжительного раскрытия трещин от кратковременного действия полной нагрузки Ftot (точка 3), которая обозначена как acrc 2. 3) вычисляют ширину непродолжительного раскрытия трещин от кратковременного действия постоянных и длительных нагрузок Fl (точка 4), которую в СП обозначают как acrc 3. 4) Отсюда получают ширину непродолжительного раскрытия трещин acrc (точка 1): acrc = acrc 1 + acrc 2 – acrc 3, где разность (acrc 2 – acrc 3), т. е. расстояние между точками 3 и 4, есть приращение ширины непродолжительного раскрытия трещин при Fl – постоянная и длительная нагрузка; Fsh – кратковременная Ftot – полная нагрузка; действии кратковременной нагрузки Fsh. нагрузка; Fcrc – нагрузка в момент образования трещин.
состояний Расчет по раскрытию трещин Л е к ц и я 1 4
состояний Расчет по раскрытию трещин Л е к ц и я 1 4 Вн. растяжение
состояний Расчет по раскрытию трещин Л е к ц и я 1 4
Л е к ц и я 1 5 состояний Расчет по деформациям
Л е к ц и я 1 5 состояний Расчет прогибов
Л е к ц и я 1 5 состояний Расчет прогибов
Л е к ц и я 1 5 состояний Расчет прогибов
Л е к ц и я 1 5 состояний Расчет прогибов
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Пластический шарнир
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Пластический шарнир
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Пластический шарнир может возникнуть только в слабо армированном сечении, поскольку в переармированном сечении арматура предела текучести не достигает, а в нормально армированном сечении достижение предела текучести происходит одновременно с разрушением бетона сжатой зоны, и взаимного поворота примыкающих частей не происходит. В статически определимой конструкции образование ПШ превращает ее в механизм и вызывает разрушение. В статически неопределимых системах образование ПШ только устраняет лишнюю связь, и чем больше лишних связей, тем большее число ПШ можно допустить без риска разрушения конструкции.
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Перераспределение моментов в изгибаемых ж. б. элементах
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Перераспределение моментов в изгибаемых ж. б. элементах
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Перераспределение моментов в изгибаемых ж. б. элементах
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Перераспределение моментов в изгибаемых ж. б. элементах Наступает предельное равновесие: в пролете образуется еще один ПШ, после чего балка превращается в механизм (три шарнира на одной прямой) и происходит разрушение.
Л е к ц и я 1 5 Перераспределение усилий в изгибаемых ж. б. элементах Перераспределение моментов в изгибаемых ж. б. элементах
Л е к ц и я 1 6 Эпюра материалов
Л е к ц и я 1 6 Эпюра материалов
Л е к ц и я 1 6 Вопрос Как можно оптимизировать эпюру материалов в случае предварительно напряженной арматуры?
Л е к ц и я 1 6 Эпюра материалов
Л е к ц и я 1 6 Вопрос
Л е к ц и я 1 6 элемента
Л е к ц и я 1 6 элемента
Л е к ц и я 1 6 элемента Подобное параболическое очертание используется в панелях-оболочках КЖС (крупноразмерные, железобетонные, сводчатые).
Л е к ц и я 1 6 элемента Треугольное очертание применяется в подстропильных балках, воспринимающих в середине пролета большие сосредоточенные силы от опорных реакций стропильных балок и ферм.
Л е к ц и я 1 7 Проектирование железобетонных зданий и сооружений Общие принципы проектирования: 1. Сооружение должно отвечать поставленной цели; 2. Сооружения должно быть экономичным; 3. Сооружение должно отвечать экологическим основам; 4. Сооружение должно быть долговечным и ремонтопригодным. Основные виды сооружений: Ø Сборные; Ø Сборно – монолитные; Ø Монолитные; Преимущества сборных конструкций Ø Возможность контроля производства конструкций в заводских условиях; Ø Высокая скорость возведения;
Л е к ц и я 1 7 Проектирование железобетонных зданий и сооружений Недостатки сборного железобетона: Ø Более высокая материалоемкость в связи со стыками; Ø Трудность выполнения неразрезных конструкций; Проектирование каркасов железобетонных зданий В общем виде каркасы ж. б. зданий проектируются исходя из следующих предпосылок о работе железобетона: ü Упругого поведения конструкций при малых нагрузках; ü Образования и раскрытия трещин при более значительных эксплуатационных нагрузках, т. е. появления неупругого деформирования и изменения первоначальных деформативных свойств. Однако методы строительной механики в достаточной степени не разработаны для решения подобных задач. Поэтому при проектировании возможны два варианта.
Л е к ц и я 1 7 Проектирование железобетонных зданий и сооружений 1 Вариант Статическая неопределимость рамного каркаса раскрывается методами строительной механики в упругой постановке. В настоящее время раскрытие статической неопределимости сооружения в упругой постановке как правило производится методом конечных элементов (МКЭ) на ЭВМ. Проектировщик, основываясь на данных расчета, получает картину НДС конструкций (эпюры M, N, Q) уже как для железобетонных элементов сооружения. Затем определяется необходимое сечение, классы бетона и арматуры, ее диаметр и расположение. Но реальная работа конструкции отличается от полученного упругого решения, т. к. происходит перераспределение усилий в системе. Поэтому проектировщик может за счет изменения армирования изменить полученные упругие решения, приближая их к реальным. В связи с перераспределением усилий по сравнению с упругой системой
Л е к ц и я 1 7 Проектирование железобетонных зданий и сооружений Определить такое изменение можно с помощью условия предельного равновесия с помощью построения добавочной эпюры. При проектировании статически неопределимых систем опорные моменты разрешено уменьшать не более чем на 30%, либо необходимо пересмотреть саму конструкцию. Это вызвано требованиями к ограничению раскрытия трещин в сечениях, где образуется пластический шарнир. Чем больше снижается величина момента, тем больше деформируется (течет) арматура, тем шире раскрывается трещина.
Л е к ц и я 1 7 Проектирование железобетонных зданий и сооружений Поэтому расчет по методу предельного равновесия (т. е. с учетом ПШ) запрещено для конструкций, эксплуатация которых предусмотрена в агрессивной среде. 2 вариант Заключается в том, что конструкция изначально рассматривается как статически неопределимая система, но имеющая податливые связи, переменное значение жесткости элемента в зависимости от величины нагрузки на него и возможность перераспределения усилий. Для ограниченного класса сооружений в настоящее время получены точные решения. Однако, как правило, число параметров переменных в таких системах весьма ограниченно и их еще предстоит доработать.
Л е к ц и я 1 7 Конструктивные схемы многоэтажных промышленных зданий Рамная конструкция В основе расчета лежат поперечные и продольные рамы. Конструктивные особенности: Ø Жесткие узлы; Ø Полная передача нагрузок как горизонтальных так и вертикальных на Такие конструкции менее экономичны, но из-за раму. четкости расчетной схемы широко распространены.
Л е к ц и я 1 7 Конструктивные схемы многоэтажных промышленных зданий Рамно-связевая конструкция Вертикальная нагрузка воспринимается каркасом, либо только каркасом совместно с диафрагмой. В качестве диафрагм жесткости используются поперечные стены, лестничные клетки, лифтовые шахты или специальные ядра жесткости. В этой системе соединения узлов в раме могут быть жесткими или условно-жесткими.
Л е к ц и я 1 7 Конструктивные схемы многоэтажных промышленных зданий Связевая конструкция На горизонтальную нагрузку работает только ядро жесткости (при наличии) либо продольные и поперечные связи.
Л е к ц и я 1 7 Унификация сборных железобетонных элементов Автоматизация производственных процессов ставит перед проектированием специфическое требование унификации. Унификация – это обоснованное сокращение числа общих параметров зданий и их элементов путем устранения функционально неоправданных различий между ними. Унификация обеспечивает приведение к единообразию и сокращению основного числа объемно-планировочных размеров здания (высот этажей, пролетов перекрытий, размеры проемов и. д. ). Как следствие, это приводит к единообразию размеров и форм конструктивных элементов здания. Т. е. унификация позволяет применять однотипные изделия в зданиях различного назначения. При отсутствии единого методического руководства, проектные организации закладывают в проекты большое количество однотипных деталей, которые, незначительно отличаясь в размерах и конструктивном оформлении, вызывают дорогостоящую переоснастку технологических процессов. Заводы, имеющие слишком широкий номенклатурный ряд, используют свои производственные мощности в среднем на 50%.
Л е к ц и я 1 7 Унификация сборных железобетонных элементов Возможность сокращения количества типов несущих конструкций достигается унификацией нагрузок. Например, для конструкций перекрытий гражданских зданий различного назначения, обобщенный унифицированный ряд нагрузок включает всего 7 величин: 50; 70; 150; 200; 300; 400; 500 кг/см 2. При этом геометрические размеры сечения железобетонного элемента перекрытия часто остаются постоянными для различных нагрузок, а изменяется только армирование и класс бетона. Унификация основных геометрических параметров объемно-планировочных и конструктивных элементов и технических параметров несущих и ограждающих конструкций создало основу для составления единого каталога индустриальных строительных изделий для зданий и сооружений различного назначения.
Л е к ц и я 1 7 Единый каталог индустриальных изделий Каталог включает строительные изделия, предназначенные для строительства зданий различного назначения. Номенклатурный перечень индустриальных изделий сопровождается основными генеральными размерами, данными о несущей способности и теплоизоляции, а также технико-экономическими показателями по расходу бетона, стали и т. д. В общем случае каталог состоит из трех частей: Ø Изделия, предназначенные для массового строительства; Ø Изделия, освоенные производством, но подлежащие замене на более рациональные; Ø Изделия, применяемые в экспериментальном строительстве. Т. о. Единый каталог – это постоянно развивающаяся система, отражающая непрерывное развитие строительства. В наибольшей степени этому соответствует издание каталога в виде отдельных серий, состоящих из отдельных листов, заменяемых по мере обновления. С учетом этого разрабатывается соответствующая система маркировки изделий и листов каталога.
Л е к ц и я 1 7 Единый каталог индустриальных изделий Разработка основных частей Единого каталога проводится в 2 этапа: Ø Составление номенклатуры изделий и их типоразмеров; Ø Составление рабочих чертежей, экспериментальная проверка и включение соответствующих листов в каталог; По мере накопления опыта, экспериментальные типы изделий включаются в основную каталога, а устаревшие изделия основной части переводятся в группу изделий, подлежащих замене.
Л е к ц и я 1 7 Методы стандартизации В большинстве случаев обычных приемов и методов конструирования оказывается недостаточно для создания типизированного конструктивного комплекса. В ходе конструктивного оформления типа и сортамента индустриальных изделий необходимо заранее правильно определить метод изготовления, транспортировки и монтажа. В совокупности таких конструктивно – технологических принципов заключается комплексная форма проектирования. Классификация объектов – установление функциональных, конструктивных и технологических общностей для типизируемых сооружений. Типизация сооружений – выявляет необходимый для унификации минимум сходных признаков. Проектирование – выявление основных типов сооружений, применительно к которым целесообразна разработка типовых проектов. Для экономического эффекта стандартные элементы типизированных конструкций должны повторяться в возможно
Л е к ц и я 1 7 Методы стандартизации Изготовление – выявление типовых технологических процессов, снижающих трудоемкость и себестоимость изготовления изделий вследствие их многократного повторения и возможности перехода к поточному производству на специализированном оборудовании. Монтаж - разработка единых каталогов инвентарного оборудования и карт типовых технологических процессов монтажа и способов организации строительства.
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции Материалы Для сооружения каменных конструкций применяются различные виды природных и искусственных камней. Армокаменные конструкции содержат в себе еще и стальную арматуру. К природным камням тяжелых пород относят известняк, песчаник, гранит. К легким природным камням относят известняк-ракушечник, туф. К искусственным камням относят: Ø Кирпич различного вида; Ø Камни керамические; Ø Камни из тяжелого и легкого бетона.
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции Материалы Растворы для каменной кладки могут быть: Ø цементными; Ø известковыми; Ø глиняными; Ø гипсовыми; Ø смешанными. Прочность раствора также характеризуется его маркой. Свежеуложенный раствор (или оттаявший раствор замороженной кладки) имеет нулевую прочность. Выбор марки камней и растворов производится в зависимости от степени долговечности здания и условий эксплуатации конструкций. Для армирования каменных конструкций применяют сталь А-240, А-300 и обыкновенную холоднотянутую гладкую проволоку класса В-I.
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции Прочностные характеристики каменной кладки. Камень и раствор в кладке находятся в условиях сложного напряженного состояния даже при равномерном распределении нагрузки по всему сечению сжатого элемента. Они одновременно подвержены внецентренному и местному сжатию, изгибу, срезу, растяжению. Это объясняется тем, что плотность и жесткость раствора по длине и ширине шва неоднородна различных факторов: Ø неравномерность водоотдачи и усадки; вследствие Основной причиной разрушения сжатого камня является изгиб и растяжение. Ø неровное расстилание раствора каменщиком; На прочность кладки влияют размеры и Ø наличие вертикальных швов и пустот. форма камней, способ перевязки швов, сцепление раствора с камнем и т. д.
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции Стадии работы каменной кладки на сжатие. В работе кирпичной кладки на сжатие различают четыре стадии. Первая стадия соответствует нормальной эксплуатации кладки, когда усилия, возникающие в кладке под нагрузкой, не вызывают видимых повреждений. Переход кладки во вторую стадию работы характеризуется появлением небольших трещин в отдельных кирпичах. В этой стадии кладка еще несет нагрузку, и дальнейшего развития трещин при неизменной нагрузке не наблюдается.
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции увеличении и нагрузки происходит При развитие возникновение новых трещин, которые соединяются между собой, пересекая значительную часть кладки в вертикальном направлении. Это третья стадия работы. При длительном действии этой нагрузки, даже без ее увеличения, вследствие развития пластических деформаций, будет происходить дальнейшее развитие трещин, расслаивающих кладку на тонкие гибкие столбики. Третья стадия переходит в четвертую – стадию разрушения от потери устойчивости расчлененной трещинами кладки. Т. к. разрушение сжатой кладки происходит вследствие потери устойчивости образовавшихся после ее растрескивания гибких столбиков, то прочность кладки даже при очень прочном растворе всегда меньше прочности кирпича на сжатие.
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции Зависимость прочности кирпичной кладки от прочности кирпича и раствора
Л е к ц и я 1 8 Каменные и армокаменные конструкции Работа кладки на растяжение. Разрушение растянутой кладки может произойти по неперевязанному (а) и перевязанному сечениям (б) сечению. При неперевязанном сечении кладка разрушается в основном по плоскости соприкосновения камня и раствора в горизонтальных швах. раствору, либо по камням и раствору (если предел прочности раствора при растяжении окажется меньше сцепления между камнем и раствором, то кладка разрушится по раствору). Центральное растяжение кладки по перевязанному сечению встречаются в круглых резервуарах, силосах и других сооружениях а по неперевязанному сечению – во
Л е к ц и я 1 9 Каменные и армокаменные конструкции Деформативность каменной кладки Каменная кладка является упругопластическим материалом. При действии проявляются как деформации. упругие, Неупругие нагрузки так и в ней неупругие деформации проявляются при длительном действии нагрузки.
Л е к ц и я 1 9 Каменные и армокаменные конструкции
Л е к ц и я 1 9 Каменные и армокаменные конструкции Расчет внецентренно сжатых элементов. Характер НДС конструкции при внецентренном сжатии в основном зависит от величины эксцентриситета e 0 приложения продольной силы. При больших эксцентриситетах наряду со сжимающими напряжениями в части сечения развиваются растягивающие напряжения, которые могут привести к образованию трещин в горизонтальных швах кладки. Ввиду сложности напряженного состояния внецентренно сжатых элементов при расчете прочности исходят из следующих допущений: Ø Эпюра напряжений в сжатой части сечения принимается прямоугольной; Ø Растянутая зона, если она имеется, из работы исключается; Ø Неравномерность распределения напряжений по сечению элемента учитывается коэффициентом ω.
Л е к ц и я 1 9 Каменные и армокаменные конструкции
Армокаменные конструкции Несущая способность каменной кладки может быть повышена введением в Л е кц и я 2 0 рабочее сечение более прочных материалов для совместной работы их с кладкой. Наиболее распространенным способом усиления кладки является ее армирование, которое бывает двух видов: сетчатое (поперечное) из стальных сеток, укладываемых в горизонтальные швы (сетки бывают прямоугольными и типа ”зигзаг”); продольное – из продольных арматурных стержней с хомутами, устанавливаемых снаружи кладки (продольное внешнее армирование ) или внутри (продольное внутреннее армирование) в швах между кирпичами.
Армокаменные конструкции Поперечное армирование применяют, как правило, для повышения несущей Л е кц и я 2 0 способности кладки на сжатие. Продольное армирование устраивают для увеличения несущей способности кладки на растяжение при изгибе и внецентренном сжатии. Кроме армирования, кладка может быть усилена железобетоном в виде так называемых комплексных конструкций, и стальными или железобетонными обоймами. Армированная штукатурка Стальная обойма Железобетонная обойма
Армокаменные конструкции Л е кц и я 2 0
Армокаменные конструкции Элементы с поперечным (сетчатым) армированием. Л е кц и я 2 0 Сетки типа ”зигзаг” укладываются в 2 х смежных рядах кладки так, чтобы направление стержней в них было взаимно перпендикулярным. Такая пара по несущей способности считается равноценной одной прямоугольной. Минимальное значение сетчатого армирования принимается 0. 1%. Максимальный процент армирования не рекомендуется принимать более 1%. Сетки типа ”зигзаг” более эффективны по сравнению с прямоугольными, особенно в кладке ранних возрастов и в свежевыложенной кладке. Это имеет практическое значение при необходимости повышения прочности зимней кладки в момент оттаивания.
Л е кц и я 2 0 Армокаменные конструкции
Л е кц и я 2 0 Армокаменные конструкции
Каменные конструкции возводимые в зимнее время В настоящее время каменные работы в зимних условиях выполняют следующими Л Ø е Ø кц Ø и я 2 0 способами: на растворах с химическими добавками, обеспечивающими твердение на морозе без обогрева; способом замораживания с отогревом. Кладка на растворах с химическими добавками. При введении некоторых добавок раствор набирает прочность, хотя и медленно, и на морозе. Самыми распространенными противоморозными добавками являются поташ и нитрат натрия. Марка раствора с хим. добавками, применяемого для зимней кладки, д. б. не менее М 50. Для повышения несущей способности кладки на этом растворе применяют сетчатое армирование.
Каменные конструкции возводимые в зимнее время Кладка на растворах с химическими добавками. Л е кц и я 2 Ø 0 Ø Несущую способность кладки, выполненной на растворах с хим. добавками, рассчитывают на эксплуатационные нагрузки для законченного здания и на промежуточные стадии загружения, определяемые темпами возведения кладки зимой. При основном расчете конечную расчетную прочность зимних растворов с хим. добавками принимают равной их летней марке, если кладку выполняют при температуре выше -200 С, и на одну марку ниже для температуры ниже -200 С. В связи с тем, что растворы с хим. добавками обладают повышенной гигроскопичностью, а также коррозирующим действием на пористые силикатные материалы, для данного способа кладки вводятся следующие ограничения: кладку на растворах с добавками поташа и нитрата натрия нельзя применять для влажных помещений; растворы с хим. добавками не применяются для кладки конструкций, подвергающихся воздействиям температур выше +500 С, и расположенных вблизи высоковольтных
Каменные конструкции возводимые в зимнее время Кладка способом замораживания. Л е кц и я 2 0 Этот способ заключается в том, что раствор после его расстилания и укладки камня сразу же замерзает и не твердеет, а приобретает лишь временную морозную (криогенную) прочность, которая при оттаивании теряется. После оттаивания и твердения при положительной температуре раствор, как правило, имеет меньшую прочность и большую деформативность, чем раствор, не подвергавшийся замораживанию. Причем снижение прочности раствора тем больше, чем ниже температура его замерзания. Данный способ имеет следующие ограничения для конструкций: подвергающихся в стадии оттаивания вибрациям или динамическим нагрузкам; подвергающихся в стадии оттаивания воздействию поперечных нагрузок, превышающих 10% величины продольных; и ряд других ограничений.
Каменные конструкции возводимые в зимнее время Кладка способом замораживания с отогревом. Л е кц и я 2 Ø 0 Ø Сущность метода заключается в том, что замерзший раствор и кладку нижележащих этажей отогревают до тех пор, пока кладка не достигнет несущей способности, необходимой для возведения последующих этажей. Кладку внутренних стен и столбов отогревают со всех сторон (двух или четырех). Дополнительные указания к проектированию. При разработке проектов каменных зданий и сооружений следует учитывать возможность их возведения в зимних условиях. В проектах зданий и сооружений, каменные конструкции которых будут возводиться зимой, необходимо указывать рекомендуемый способ выполнения зимней кладки и соответствующие ему ограничения: Предельная высота стен на момент оттаивания раствора; Способы усиления конструкции стен нижних этажей, если в этом возникает необходимость;
Л е к ц и я 2 1 Конструктивные схемы каменных зданий Продольные и поперечные стены каменных зданий вместе с перекрытиями и покрытиями образуют пространственную систему, работающую на восприятие всех нагрузок, действующих на здание. Пространственная жесткость каменных зданий зависит от жесткости всех элементов, составляющих эти здания: Ø стен; Ø столбов; Ø перекрытий; Ø покрытий. Жесткость элементов, образующих здание, зависит от: Ø размеров поперечных сечений; Ø пролетов и высот; Ø условий сопряжения отдельных элементов между собой.
Л е к ц и я 2 1 Конструктивные схемы каменных зданий Прочность и устойчивость стен и столбов проверяется расчетом. Отношение высоты стены или столба к толщине независимо от результатов расчета не должно превышать величин, вычисляемых по п. 9. 17 − 9. 20 СП 15. 13330. 2012 ”Каменные и армокаменные конструкции”. Это отношение характеризуется коэффициентом β = H/h где Н – высота этажа, h – толщина стены или меньшая сторона прямоугольного сечения столба). Коэффициент β не должен превышать величин, приведенных в таблице 29 (для кладки из каменных материалов правильной формы) СП и зависит от группы кладки (устанавливается в зависимости от вида кладки и марки раствора, конструктивного назначения стены(несущая, ненесущая), способа ее опирания, наличия и величин проемов и т. д. )
Л е к ц и я 2 1 Конструктивные схемы каменных зданий По степени пространственной жесткости здания с несущими стенами подразделяются на две конструктивные схемы: Ø здания с жесткой пространственной конструктивной схемой; Ø здания с упругой пространственной конструктивной схемой. Отнесение здания к одной из конструктивных схем зависит от расстояния между поперечными устойчивыми конструкциями, жесткости покрытия и перекрытий и группы
Л е к ц и я 2 1 Конструктивные схемы каменных зданий К зданиям с жесткой конструктивной схемой относят многоэтажные промышленные и гражданские здания с часто расположенными поперечными стенами. В этих зданиях ветровые и другие горизонтальные нагрузки, воспринимаемые продольными стенами, передаются от них на перекрытия, а от них на поперечные стены, обладающие большой жесткостью в поперечном направлении. А усилия от поперечных стен передаются через фундаменты на основание. Чтобы обеспечить такую последовательную передачу горизонтальных усилий, необходима высокая жесткость междуэтажных перекрытий и поперечных стен. К зданиям с упругой конструктивной схемой относятся в основном одноэтажные промышленные здания, у которых при отсутствии жестких горизонтальных связей, поперечные устойчивые конструкции располагаются на расстояниях превышающих Lпред. В этих зданиях устойчивость обеспечивается поперечной устойчивостью самих продольных стен и столбов за счет их собственного веса и заделки в основание, а также за счет жесткости покрытия.
Л е к ц и я 2 1 Расчет несущих стен каменных зданий Расчет продольных стен в зданиях с жесткой конструктивной схемой В многоэтажных зданиях с жесткой конструктивной схемой стены и столбы рассматриваются как вертикальные неразрезные многопролетные балки, опертые на неподвижные опоры – перекрытия. С целью упрощения расчета допускается рассматривать стену или столб расчлененными по высоте на однопролетные балки с расположением опорных шарниров в уровне низа плит или балок перекрытий. Нагрузка, действующая на стену или столб каждого этажа, состоит из нагрузки от вышележащих этажей и нагрузки от перекрытия, опирающего на стену или столб рассматриваемого этажа.
Л е к ц и я 2 1 Расчет несущих стен каменных зданий Расчет поперечных стен в зданиях с жесткой конструктивной схемой Здания с жесткой конструктивной схемой воспринимают полную ветровую нагрузку своими поперечными стенами и участками продольных стен. Эти поперечные стены рассчитываются как консоли, заделанные в фундамент. Поперечные сечения таких консолей могут иметь форму двутавра, швеллера. На рассчитываемую консоль действуют следующие виды нагрузок: - вертикальная (от собственного веса, перекрытия, покрытия); - горизонтальная (от ветра); Таким образом, консоль следует рассчитывать как сжато- изогнутый элемент, на который действует продольная сжимающая сила N и изгибающий момент М.
Л е к ц и я 2 1 Расчет несущих стен каменных зданий Расчет несущих стен в зданиях с гибкой конструктивной схемой Элементы здания с упругой конструктивной схемой рассматривают как конструкции рамной системы, выделяя один ряд поперечных конструкций. Стойками рам являются каменные стены и столбы, жестко заделанные в фундаменты в уровне пола, а ригелями – покрытия и перекрытия, принимаемые абсолютно жесткими в своей плоскости и шарнирно связанными со стойками. Каждая поперечная рама, состоящая из вертикальных и горизонтальных элементов, расположенных на одной оси, рассчитывается независимо от других рам.
Л е к ц и я 2 1 Список использованных источников 1. Байков, В. Н. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учебник для вузов / В. Н. Байков, Э. Е. Сигалов. – 5 -е изд. , перераб. и доп. – М. : Стройиздат, 1991. – 767 с. 2. Бондаренко, В. М. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для вузов / В. М. Бондаренко и др. – М. : Высшая школа, 2004. – 876 с. 3. Бородачев, Н. А. Автоматизированное проектирование железобетонных и каменных конструкций: Учеб. пособие для вузов / Н. А. Бородачев. – М. ; Стройиздат, 1995. – 211 с. 4. Габрусенко В. В. Основы расчета железобетона. 200 вопросов и ответов: Учеб. пособие. – Новосибирск: НГАСУ, 2001. – 112 с. 5. Кумпяк, О. Г. Железобетонные и каменные конструкции. Учебное издание / Кумпяк, О. Г. и др. – М. : Издательство АСВ. – 2008. – 472 с. 6. СНи. П 52 -01 -2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – М. : 2004. – 23 с. 7. СП 52 -101 -2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры (одобрен постановлением Госстроя РФ от 25. 12. 2003 г. № 215). – М. : Госстрой. – 2004. 8. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52 -101 -2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. – М. : ОАО ЦНИИПромзданий. – 2005. – 214 с. 9. СП 52 -102 -2004. Предварительно напряженные железобетонные конструкции. – М. : Госстрой. – 2005. – 15 с.
Л е к ц и я 2 1 Список использованных источников 10. Пособие по проектированию предварительно напряженных железобетонных конструкций из тяжелого бетона (к СП 52 -102 -2004). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. - М. : ОАО ЦНИИПромзданий. – 2005. – 158 с. 11. СП 52 -103 -2007. Железобетонные монолитные конструкции зданий. – М. : Госстрой. – 2007. – 22 с. 12. СНи. П II-22 -81*. Каменные и армокаменные конструкции / Госстрой России. – М. : ГУП ЦПП, 2003. – 53 с. 13. СНи. П 2. 01. 07 -85*. Нагрузки и воздействия/ Госстрой России. – М. : ГУП ЦПП, 2000. – 76 с. . 14. СНи. П 2. 01 -83*. Основания зданий и сооружений/ Госстрой России. – М. : ГУП ЦПП, 2008. – 49 с. 15. Рекомендации по расчету прочности и трещиностойкости узлов преднапряженных железобетонных ферм. – М. : НИИЖБ Госстроя СССР, 1987. – 47 с. 16. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения (к СНи. П 2. 03. 01– 84), – М. : ЦИТП, 1986. 17. ГОСТ Р 21. 1101– 2009. СПДС. Основные требования к проектной и рабочей строительной документации. 18. ГОСТ 21. 501– 93. СПДС. Правила выполнения архитектурно-строительных рабочих чертежей.
Скачать презентацию Наглядное пособие по основам силового сопротивления элементов железобетонных
Наглядное_пособие_по_осн_силового_сопрот_Козлов_Алешин_часть_1.pptx