Проектирование сечений обделок и крепей Материал обделки и характер работы Бетонные Внецентренносжатые Железобетонные Внецентренносжатые Изгибаемые Стальные Внецентренносжатые Изгибаемые Внецентренно растянутые
Проектирование ориентировочно принятых размеров сечений обделки и крепи производится в строгом соответствии с действующими нормами и правилами. Сечения бетонных и железобетонных конструкций проектируются на основании указаний СП 52 -101 -2003 (СП 63. 13330. 2011), металлических – СП 53102 -2005 (СП 16. 13330. 2011), деревянных – СП 64. 13330. 2011. Последовательность расчета может быть принята следующей: вначале выбирается класс материала конструкции (класс бетона, класс арматурной стали, марка чугуна, стали) и определяются соответствующие расчетные характеристики принятых материалов. Во всех формулах принятые расчетные характеристики бетона (расчетное сопротивление на осевое сжатие Rb и осевое растяжение Rbt) в необходимых случаях умножаются на коэффициенты условий работы: γb 1 = 0, 9 – для бетонных и железобетонных конструкций при действии только постоянных и длительных нагрузок; γb 2 = 0, 9 – для бетонных конструкций. Далее выбирается, обосновывается расчетное предельное состояние конструкции, и определяются наиболее опасные сечения обделки или крепи, подлежащие проектированию. Такими сечениями являются сечения с максимальным изгибающим моментом и соответствующей ему нормальной силой и сечение с максимальной нормальной силой и соответствующим ей изгибающим моментом. При переменной толщине крепи необходимо также проверить сечение с минимальной толщиной. После этого производится проектирование наиболее опасных сечений.
При проектировании железобетонных обделок и крепей необходимо соблюдать ряд конструктивных мероприятий. Толщина монолитных конструкций принимается кратной 5 см, сборных – 1 см. Толщина защитного слоя бетона а и а' для конструкций, контактирующих с грунтом, должна быть не менее 40 мм, а при наличии дополнительных защитных мероприятий – 30 мм. Для сборных конструкций минимальные значения а и а' уменьшают на 5 мм. Толщина защитного слоя конструктивной арматуры также принимается на 5 мм меньше по сравнению с требуемой для рабочей арматуры. Во всех случаях толщину защитного слоя бетона следует также принимать не менее диаметра стержня рабочей арматуры. Минимальные расстояния в свету между стержнями арматуры принимают, исходя из обеспечения совместной работы арматуры с бетоном и качественного изготовления конструкции, связанного с укладкой и уплотнением бетонной смеси. Эти расстояния должны быть не менее диаметра наибольшего стержня и не менее - 25 мм – при горизонтальном или наклонном положении стержней при бетонировании для нижней арматуры, расположенной в один или два ряда, и 30 мм – для верхней арматуры; - 50 мм – при вертикальном положении стержней при бетонировании, а также при расположении нижней арматуры более чем в два ряда (кроме стержней двух нижних рядов).
Наибольшие расстояния между осями стержней продольной арматуры, обеспечивающие эффективное вовлечение в работу бетона, равномерное распределение напряжений и деформаций, а также ограничение ширины раскрытия трещин между стержнями арматуры должны быть не более 200 мм при толщине конструкции t≤ 150 мм, 1, 5 t и 400 мм при t>150 мм. Площадь сечения продольной растянутой Аs и сжатой арматуры Аs' следует принимать не менее следующих величин: для внецентренно сжатых конструкций при гибкости: λ≤ 17 - Аs, Аs'= 1 10 -3 bh ; при 17<λ≤ 35 - А , А '= 1, 5· 10 -3 bh ; 0 s s при 35<λ<83 - Аs, Аs'= 2· 10 -3 bh 0; при λ≥ 83 - Аs, Аs' = 2, 5· 10 -3 bh 0; для изгибаемых конструкций – Аs, Аs'= 1· 10 -3 bh 0. 0 Продольную рабочую арматуру рекомендуется принимать класса А 400(А-III) с Rs=Rsc= 355 МПа или класса А 500(А-IV) с Rs=435 МПа и Rsc=400 МПа. Арматура классов А 240(А-I) с Rs=Rsc= 215 МПа и А 300 (А-II) с Rs=Rsc= 270 МПа обычно используется как монтажная.
Внецентренносжатые бетонные конструкции Проектирование внецентренно сжатых бетонных конструкций зависит от величины эксцентриситета e 0η. Если e 0η≤ 0, 45 t – продольная сила N от внешних нагрузок горного давления расположена в пределах сечения обделки и несущая способность проверяется из условия: Rb – расчетная призменная прочность бетона конструкции; b – ширина конструкции в продольном направлении; t – толщина конструкции монолитной обделки или крепи; M и N – изгибающий момент и нормальная сила в рассматриваемом сечении конструкции от расчетных нагрузок; ea – случайный эксцентриситет, вызванный неоднородностью бетона по сечению; для статически неопределимых конструкций ea = 0, для статически определимых – из выражения:
ea = max η – коэффициент продольного изгиба, учитывающий увеличение эксцентриситета е 0 за счет гибкости конструкции λ=l 0/i; l 0 – расчетная длина конструкции, зависящая от схемы ее закрепления; для двухшарнирных арок l 0= 0, 54 S, для бесшарнирных арок l 0=0, 365 S; S - длина дуги отдельного блока или полусвода по средней линии. Для рамных конструкций обделок расчетная длина определяется в зависимости от схемы закрепления со смежными конструкциями по п. 6. 218 СП 52 -101 -2003. – радиус инерции сечения; где Ib и Ab – соответственно момент инерции и площадь поперечного сечения; L – геометрическая длина конструкции. Если λ≤ 14, то η= 1, а при λ≥ 14 коэффициент продольного изгиба η определяется из выражения Ncr – условная критическая сила, определяемая из выражения
где D – жесткость бетонной конструкции D= Кb Еb Ib, Еb – модуль упругости бетона, Кb – коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки и внецентренность ее приложения: Мl –изгибающий момент в сечении от временных длительных и постоянных нагрузок на обделку, т. е. без учета кратковременных нагрузок; М – изгибающий момент в сечении от всех нагрузок. e = 0, 15.
Если e 0η>0, 45 t, то предельное состояние конструкции наступает со стороны растянутой зоны бетона. Проектирование бетонной обделки или крепи в этом случае производится из условий: - при проектировании конструкции в упругой стадии, когда появление трещин в растянутой зоне не допускается - при проектировании конструкции в упругопластической стадии, т. е. когда допускается наличие трещин в растянутой зоне Rвt – расчетное сопротивление бетона на растяжение Повышаем класс бетона или увеличиваем толщину обделки
Изгибаемые бетонные конструкции Применяется для крепления дна котлована. Запрещается применять, если это угрожает жизни людей или сохранности нижерасположенного оборудования. М – максимальный изгибающий момент в сечении конструкции; W – момент сопротивления для крайне растянутого волокна бетона. Для прямоугольного сечения
Внецентренносжатые железобетонные конструкции В этом случае целью проектирования является определение площадей сечения рабочей продольной арматуры в сжатой As' и растянутой Аs зонах. При этом задаются толщиной конструкции t, классом бетона В и арматуры А. Возможны два варианта армирования конструкции – несимметричное, когда As'≠Аs и симметричное, когда As'=Аs. При проектировании следует отдавать предпочтение несимметричному армированию, т. к. в этом случае более рационально используется работа сжатой зоны бетона. Проверка прочности типовой конструкции для реальных условий. При несимметричном армировании площади сечений арматуры в сжатой AS' и растянутой зонах АS, соответствующие их минимуму в сечении, определяются из выражений:
е – расстояние от точки приложения силы N до равнодействующей усилий в растянутой арматуре, e = e 0 η + 0, 5(h 0 – a’) h 0= t - a – рабочая высота сечения конструкции; а и а' – толщина защитного слоя по растянутой и сжатой арматуре соответственно; Rs и Rsc – расчетное сопротивление арматуры на растяжение и сжатие; 0, 55 – граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона Rs – в МПа Если AS'≤ 0, то арматура в сжатой зоне не нужна и принимается по конструктивным соображениям. Сечение арматуры в растянутой зоне определяют по реальному значению относительной высоты сжатой зоны бетона ξ.
При симметричном армировании, когда As=As', площадь сечения рабочей арматуры определяется в зависимости от величины эксцентриситета e 0η. При e 0η≥ 0, 3 h 0 или относительной высоте сжатой зоны бетона имеем случай больших эксцентриситетов. В этом случае Если e 0η≤ 0, 3 h 0 или т. е. для случая малых эксцентриситетов, площадь сечения арматуры определяется из выражений
При проектировании внецентренно сжатых железобетонных конструкций также необходимо учитывать увеличение эксцентриситета e 0 за счет гибкости конструкции. Коэффициент продольного изгиба η, входящий в параметр e, определяется как для бетонных конструкций, однако при вычислении жесткости конструкции D необходимо учитывать ее увеличение за счет арматурного каркаса. В этом случае приведенная жесткость определяется из выражения
Так как искомые площади сечения арматуры АS и AS' зависят от общего коэффициента армирования μ 0, то при их определении используют метод последовательных приближений. На первом этапе задаются величиной μ 0, например 0, 01, и вычисляют по соответствующим формулам параметры D, Ncr, η, е и As, As΄. Найденный из расчета общий коэффициент армирования сравнивают с ранее принятым при определении жесткости D. Если разница не превышает 5%, расчет считается законченным. В противном случае производится перерасчет в определении параметров D, Ncr, η, e при скорректированном значении μ 0. При гибкости конструкции 14≤λ≤ 35 и μ 0≤ 0, 025 условную критическую силу допускается определять из выражения:
Проверку прочности типовых конструкций для реальных условий производят по формуле (равенство « 0» изгибающего момента относительно растянутой арматуры) При этом, если, ξ>ξR т. е. в случае малых эксцентриситетов, величину ξ корректируют, вычисляя по формуле
Изгибаемые железобетонные конструкции Проектирование изгибаемых железобетонных конструкций, например типа «стена в грунте» , производят в зависимости от величины относительной высоты сжатой зоны бетона ξ. Вначале вычисляют параметр А 0 по формуле: Если А 0≤А 0 R, вычисленное как и для внецентренно сжатых конструкций, то арматура в сжатой зоне не требуется. Площадь сечения арматуры в растянутой зоне определяется из выражения
При A 0>A 0 R, то сжатую зону бетона следует усилить арматурой. Площади сечения растянутой и сжатой арматуры, соответствующие минимуму их суммы, находятся по формулам: Поперечная арматура (хомуты) как при расчете внецентренно сжатых конструкций, так и изгибаемых, определяется из расчета на поперечную силу Q, либо устанавливается по конструктивным соображениям. Расчетное сопротивление арматурной стали в этом случае Rsw = 0, 8 Rs, а диаметр стержней dsw принимают не менее 6 мм и не менее 0, 25 наибольшего диаметра продольной арматуры.
Стыки бетонных и железобетонных блоков и тюбингов необходимо рассчитывать на прочность и трещиностойкость при наиболее неблагоприятном возможном распределении контактных усилий в стыке. Предельную нормальную силу в цилиндрическом стыке (несущую способность стыка) Nnp следует определять по формуле где е – возможный эксцентриситет в стыке; при отсутствии данных принимается равным t/30.
Стальные конструкции внецентренносжатые Металлические обделки и крепи работают в основном в условиях внецентренного сжатия. В этом случае проверяются как прочность, так и устойчивость конструкции по указаниям СНи. П II-23 -81* или СП 53 -102 -2004. Проверка прочности осуществляется по формуле Аn и Wn – соответственно площадь и момент сопротивления сечения конструкции нетто, т. е. с учетом ослаблений; γс– коэффициент условий работы, γс = 0, 85 для подземных конструкций; Ry – расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу. 200 МПа для Ст. 3, 230 МПа для Ст. 4 и 260 МПа для Ст. 5. Устойчивость конструкции проверяется с учетом продольного изгиба по формуле
φе – коэффициент продольного изгиба, зависящий от условной гибкости конструкции λ и приведенного относительного эксцентриситета mef = ηm Е = 2. 1*10^5 МПа – модуль упругости стали η – коэффициент влияния формы сечения профиля и условной гибкости Зная условную гибкость конструкции приведенный отн. эксцентриситет по табл. СНи. П (методичка) определяем коэффициент продольного изгиба φе ≤ 1
Расчетная длина l 0 при определении гибкости конструкции λ = определяется в зависимости от схемы закрепления концов конструкции и ее геометрической длины l следующим образом: - при шарнирном закреплении концов l 0=l; - при одном защемленном конце, а другом шарнирно-неподвижном l 0=0, 7 l; - при защемлении обоих концов l 0=0, 5 l; - при одном защемленном конце, а втором свободном l 0=2 l; Для сводчатых конструкций расчетная длина определяется по вышеизложенным рекомендациям. Если элементы металлической крепи работают в условиях центрального сжатия или растяжения, то их проектирование производится по формулам: - из условия прочности - из условия устойчивости
Изгибаемые конструкции, например крепи котлованов из двутавров или забуренных труб, обвязочные балки, проектируются из условия прочности по формулам: – касательные напряжения в рассматриваемом сечении; Q – расчетная поперечная сила; Sx – статический момент (брутто) сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси, Sx. y. = 0, 57 Wx. y. ; Ix – момент инерции (брутто) поперечного сечения крепи относительно главной оси сечения, перпендикулярной к плоскости изгиба; – толщина стенки профиля; Rs – расчетное сопротивление стали сдвигу, Rs=0, 58 Ry. Геометрические характеристики поперечных сечений шахтных профилей приведены в приложении 3, а двутавровых профилей – в приложении 4.
Так как для труб, применяемых для крепей котлованов D, где D – наружный диаметр трубы, то при вычислении геометрических характеристик сечения допускается использовать формулы для тонкостенного кольца:
Скачать презентацию Проектирование сечений обделок и крепей Материал обделки и
4. Проектирование сечений обделок и крепей.ppt