Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
52
Определение курса. Его цели и задачи.
Цель преподавания дисциплины – формирование знаний студентов ПГС, позволяющих принимать оптимальные решения в практической работе в области проектирования, изготовления и возведения кон-ций зданий и сооружений.
Задачи:
- изучение физико-механических характеристик ЖБК и К
- усвоение прогрессивных методов расчета
изучение нормативной обязательной и рекомендуемой литературы
- на основании знаний производить экономическую оценку и обоснование принимаемых конструкций.
Исторические сведения о возникновении и развитии ЖБ
1850-Фр. Ламбо изготовил из стержней квадратного сечения каркас лодки и обмазал ц.п. расвором (4-5см).
1854-Анг. Уилкинсон и Фр. Куанье применили ЖБК при постройке жилых зданий.
1867-Фр. Монье получил патент на изготовление цветочных кадок из железа и ц.п. раствора.
1879-ЖБ применен при постройке зданий артиллеристского городка в Батуми.
1885-инженеры Вайс и Баушингер провели первые опыты по определению прочности и огнестойкости ЖБК. Ученый Кенен высказал предположение, что сталь нужно располагать в тех частях сечения, где наблюдаются растягивающие усилия. Он предложил 1-й метод расчета плит.
1886-1991 – наибольшее применение в СССР. Белелюбский провел серию испытаний ЖБК и получил результаты во много раз превосходящие результаты зарубежных ученых.
191(9)1-появление 1-го нормативного док-та в России для ЖБИ.
Конец 19в можно считать этапом развития ЖБ, который повсеместно вошел в практику и появление первых методов расчета, которые основывались на законах сопромата.
1925-1932-Келдыш, Люлейт, Гвоздев, Пастернак, Михайлов на базе экспериментальных работ обобщили методы расчета стержневых систем, которые позволили построить и запроектировать много уникальных зданий.
1936-впервые был применен преднапряженный б-н в стр-ве. Тогда же появились и тонкостенные пространственные кон-ции, поэтому этот период можно считать вторым этапом развития.
Индустриализация стр-ва, развитие преднапряженного ЖБК, создание и применение высокопрочных материалов, разработка новых методов расчета – можно считать третьим этапом развития ЖБК.
1965- останкинская башня (250м).
Ученые которые внесли большой вклад в развитие и создание ЖБК (Байков, Голышев, Бондаренко, …).
В настоящее время в области ЖБ создается нормативная база на основе гармонизации с международными стандартами. При создании зданий общественного назначения все большее применение находит монолитный ЖБ и сборномонолитные кон-ции зданий возводимые с использованием высокопрочных строительных материалов.
Сущность ЖБ.
ЖБ-ном наз. комплексный строй материал в котором сочетается и совместно работает 2 различных по своим физмех св-вам материала (бетон и сталь).
Особенности ЖБК можно проследить на примере работы б-нных и ЖБ-ных балок.
сс<<fcm
сс –напряжение в сжатой зоне б-на
fcm –средняя прочность б-на на сжатие
Бетон имеет значительно меньшую прочность на растяжение, чем на сжатие, поэтому несущая способность б-ной балки определяется моментом, когда значение растягивающих напряжений в нижней зоне достигает предела прочности б-на на растяжение, при этом прочность сжатой зоны используется лишь на 10-15%. Разрушение такой балки наступает с появлением 1-й трещины в растянутой зоне и происходит мгновенно.
сс=fcm
Аsi*fsy
сс=fcm (Аpi*fpy)
Несущую способность балки можно значительно повысить за счет увеличения прочности растянутой зоны, путем введения в неё хорошо работающей на растяжение стали. С появлением первых трещин в бетоне растянутой зоны разрушение не происходит, т.к растягивающее напряжение воспринимают стальные стержни.
Разрушение произойдет когда растягивающее напряжение в ар-ре достигнет предела текучести или когда сжимающее напряжение в верхней зоне достигнет предела прочности б-на на растяжение. Прочность Жб бакли в 10 раз выше Б-ной.
сс – напряжение в сжатой зоне сечения
fcm – средняя прочность б-на на сжатие
Аs(р)у – площадь ненапрягаемой (напрягаемой) арматуры
Fs(р)у– прочность не-//-(напрягаемых) арматурных стержней.
Характерной особенностью работы ЖБК при эксплуатационных нагрузках явл наличие трещин в растянутой зоне б-на. Однако во многих кон-циях трещины не допускаются или значительно ограничивается ширина их раскрытия. Увеличения воспринимаемой нагрузки к моменту появления трещин в растянутой зоне, (а также применение высокопрочных сталей) можно достигнуть путем предварительного искуственного натяжения ар-ры и обжатия б-на растянутой зоны, такая балка наз предварительно напряженной. Внешние нагрузки прикладываемые к балке вначале гасятся предварительным обжатием бетона в нижней зоне, а затем вызывают в ней растягивающие напряжения, как в обычной балке. ТО предв напр отдаляет момент образования трещин, а в случае их появления ограничивает ширину их раскрытия, уменьшает величину прогибов, практически не влияя на несущую способность.
Сущность ЖБ-на заключается в использовании для восприятия сжимающих напряжений, возникающих в кон-ции от внешних нагрузок, хорошо работающего на сжатие б-на, а для восприятия растягивающих напряжений – сталь.
Факторы обеспечивающие совместную работу б-на и ар-ры.
ЖБ может воспринимать нагрузки при условии совместной работы б-на и ар-ры, которая обеспечивается следующими основными факторами:
1. наличие сцепления по поверхности контакта б-на с ар-ными стержнями за счет склеивания, трения и мех защемления.
2. б-н и сталь обладают примерно одинаковыми коэф-тами линейного расширения (б-н -12*106 сталь-7-15*106), что не приводит к нарушению сцепления при изменении т-ры(-20;50)
3. б-н надежно защищает заключенную в нем ар-ру от агрессивного воздействия окр среды.
Преимущества и недостатки ЖБ.
Преимущества: высокое сопротивление статическим и динамическим нагрузкам; долговечность; огнестойкость; сейсмостойкость; использование местного сырья; незначительные расходы на ремонт и содержание;возможность работы в условиях спец воздействия окр среды.
Недостатки: значительная масса; звуко и теплопроводность; высокая энергоемкость, стоимость лесов и опалубки; удорожание и усложнение б-ных работ в зимнее время; необходимость для монолитного б-на длительной выдержки при естественном твердении; затруднение проверки армирования после твердения б-на (методы неразрушающего контроля, приборы ИЗС); раннее появление трещин ведет к коррозии ар-ры.
Способы изготовления и возведения ЖБК.
В зависимости от особенностей зданий и соо-ний, а также условий строит-ва ЖБК могут быть монолитными, сборными и сборномонолитными.
Монолитные изготавливают в рабочем положении непосредственно на месте возведения сооружения. Применяют спец опалубку внутренняя поверхность которой повторяет контуры б-ной кон-ции, устанавливают в нее необходимую ар-ру, производят укладку бетонной смеси и тщательно ее уплотняют. Снимают опалубку после достижения б-ном заданной прочности.
Достоинства монолита:
Кон-ции можно придать любую форму. Они х-ются высокой жесткостью, отсутствием стыковых соединений.
Недостатки:
Удорожание при зимнем производстве работ, уст-во сложных опалубочных с-м с невысокой их оборачиваемостью, увеличение по сравнению со сборными кон-циями расхода ар-рной стали и б-на, т.к сложно применить преднапряжение
Для приготовления мон кон-ций перспективным явл применение напрягающего б-на.
Сборные кон-ции. Изготавливают на спец заводах. На стройплощадке ведется укрупнительная сборка. Массовое производство сборного ЖБ 1930г.
Достоинства:
-механизация и автоматизация процессов изготовления
-снижение затрат на оснастку и раб об-вание
-изготовление предварительно напряженных кон-ций
-применяют технологию безопалубочного формования.
При заводском способе изготовления возможно применение различных хим добавок => сократить термообработку и в перспективе перейти на литьевые технологии.
Недостаток сборных ЖБК:
-создание спец заводов
-повышение транспортных и монтажных расходов
-металлоемкости стыковых соединений
-установка доп связей для создания неразрезности к-ции.
Сборномонолитные к-ции представляют собой эк-ки обоснованное сочетание сборных ЖБК и монолитного б-на со спецармированием. Эти кон-ции позволяют восстановить неразрезность, использовать сборные к-ции как несъемную опалубку. Сочетают в себе положительные с-ва сборного и монолитного ЖБ. Дает возможность в качестве сборных кон-ций использовать преднапряженные эл-ты.
Специфика их проектирования – наличие 2-х стадий:
1.монтажная – работают сборные кон-ции.
2.эксплуатационная – совместная работа М и Сб кон-ций.
Область применения ЖБК и перспективы развития
Применение: энергетическое стр-во (атомные, тепловые, гидростанции); опоры линий эл передач: в транспортном, автомобильном и жд стр-ве; стр-во аэродромов, сельское стр-во; стр-во метрополитенов; стр-во шахт; военная отрасль.
Перспективы развития. Приоритетное направление:
1.разработка высокопрочных, быстротвердеющих, легких и кор стойких б-нов с применением хим добавок.
2.разработка новых видов кон-ций.
3.создание новых типок металлической и не -//- ар-ры.
4.введение безопалубочного формования в преднапряженных кон-циях.
5.совершенствование технологий возведения монолита.
6.сов-вание долговечности и надежности к-ций.
7.сов-вание теорий расчета.
Повсеместное использование в стр-ве преднапряженных кон-ций.
Виды бетона для ЖБК.
Б-ном наз искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения правильно подобранной смеси вяжущего, воды, заполнителей.
К физ свойствам б-на относят: водонепроницаемость, Мрз, кор стойкость, жаростойкость, огнестойкость, звуко и теплопроводность, кислотостойкость, усадка и набухание.
К мех с-вам: сопротивление (прочность) при различных видах воздействия, деформативные с-ва б-на, сжимаемость-растяжимость под нагрузкой, ползучесть и температурные деф-ции, усадка, набухание.
Б-ны классифицируются по ряду признаков:
1.по назначению: конструкционные, специальные.
2.по виду вяжущего: цементные, силикатные, гипсовые, полимерцем, напрягающие ц-ты, смешанные.
3.по плотности: особотяжелые (>2500), тяжелые (2500-2200), облегченные (2200-1800), легкие (1800-500).
4.по виду заполнителей: на плотных и на пористых зап-лях, искусств и естественные.
5.по структуре: плотные, крупнопористые, поризованые, ячеистые.
6.по зерновому составу: крупнозернистые, мелкозернистые.
7.по условиям твердения: естественное твердение, подвергнутые тепловой обработке при атм давлении, автоклавной обработке при высоком давлении.
В зависимости от условий эксплуатации б-ны должны обладать спец свойствами.
Основные свойства:
Морозостойкость(F) –способность м-ла сопротивляться попеременному замораживанию и оттаиванию.
Водонепроницаемость(W) – способность не пропускать воду.
Огнестойкость – способность б-на сохранять прочность при пожаре (1000-11000С).
Жаростойкость – способность б-на сохранять прочность при длительном воздействии высоких т-р (2000С).
Кор стойкость – способность не вступать в хим реакции с окр средой.
Под прочностными свойствами б-на принято понимать нормативные расчетные характеристики, прочность б-на при длительном и кратковременном воздействии нагрузок, прочность на срез, скалывание и выносливость.
Под деформативными с-вами б-на понимают объемные и силовые деформации, происходящие в его структуре при работе в различных условиях и при различных видах нагружения.
Структура бетона.
На прочностные характеристики особое влияние оказывает структура бетона.
При затворении смеси заполнителей и цемента водой начинается хим реакция. В результате соединения минералов цемента с водой образуется гель, со взвешенными в воде частицами цемента и незначительными кристалликами. В процессе перемешивания гель обволакивает зерна заполнителя и постепенно твердеет, а кристаллы соединяются в кристаллическую решетку.
Основной фактор влияющий на структуру б-на В/Ц.
Избыточная вода при нарушении В/Ц частично вступает в реакцию с менее активными частицами цемента, а также заполняет многочисленные поры и капилляры.
Поры занимают 1/3 объема цем камня. Структура бетона неоднородна, состоит из 3-х фаз: твердой, жидкой, газообразной.
В результате длительных процессов с ростом упругих кристаллических сростков, уменьшения объема твердеющего геля, изменения водного баланса в б-не проявляются упругопластические с-ва, как во взаимодействии с температурновлажностным режимом так и под нагрузкой.
Кристаллические сростки отвечают за упругие с-ва, гелевое составляющее - за пластические. Имеющиеся известные теории прочности к б-нам непременимы.
Суждение о прочности и деформативности б-на основаны на экспериментальных данных.
Структура б-на.
На структуру влияют: В/Ц, применяемые добавки, условия твердения, наличие возрастного фактора.
1-цементный камень; 2-щебень; 3-песок; 4-порывоздуха или воды.
В настоящее время к структуре б-на при изготовлении кон-ций предъявляется требование обеспечивающее ее однородность, т.е создаются б-ны в составы которых входят супер и гиперпластификаторы. Их наз высококачественными, они также / на: очень высококачественные и ультра высококачественные. В их основе мелкозернистые б-ны и фибробетоны.
Прочностные характеристики бетона.
Прочность твердого тела – способность сопротивляться внешним воздействиям не разрушаясь. Прочность на сжатие явл важнейшим классификационным показателем, характеризующим технические с-ва б-на.
В СНБ она обозначается fс и определяется как максимальное сжимающее напряжение в б-не при одноосном напряженном состоянии.
fcm-среднее значение прочности получаемое при испытании образцов.
FG C,CUBE –гарантированная прочность б-на – на осевое сжатие с учетом статической изменяемости, установленное на кубах 150*150*150мм, гарантируемое предприятием изготовителем.
fck-нормативное сопротивление б-на сжатию - контролируемая прочностная х-ка б-на, определяемая с учетом статической изменчивости, нормативная обеспеченность которой -0,95.
fcd-расчетная прочность б-на-величина получаемая в результате деления fck на С (коэф безопасности=1,5(Б)
С –класс б-на по прочности на сжатие. Синтетическая мера качества б-на, соответствующая его гарантированной прочности.
С12/15 15 - гарантированная прочность изготовителем 12 – нормативная прочность б-на.
При контроле конкретных значений классов по прочности б-на появляется проблема выбора геометрии стандартного образца. В большинстве случаев испытаниям подвергают образцы цилиндрической и призматической формы. Исследованиями доказано, что образцы цилиндрической формы (d=150 и h=300мм) достаточно хорошо приближаются к прочности традиционных бетонов в сжатой зоне кон-ции и дают достаточно объективную оценку прочности б-на в условиях одноосного сжатия.
Однако при составлении СНБ учитывалось обстоятельство, что испытания кубов основной способ контроля б-на, поэтому в обозначении класса б-на прочность полученная в результате испытания кубов – знаменатель, числитель – нормативная прочность (испытания цилиндрических образцов).
Существует переходной коэф-т от гарантированной прочности к нормативной (Кр)-коэф-т призменной или цилиндрической прочности. (Кр=0,3-1,0 Кр=0,8 - разброс).
Поэтому нормативная прочность
fck=0,8* FG C,CUBE
Среднее значение прочности определяют с учетом гарантированной обеспеченности по ф-ле
fcm= fck+t*S fck= fck0,05= fcm -t*S
где t- принятая обеспеченность при техническом измеринии 95% (t=1,64)
S- среднеквадратическое отклонение S≤5МПА
Для статической оценки показателей качества б-на используется з-н распределения случайных величин.
На кровай нормального распределения изменчивости прочности ось ординат с буквой n соответствует кол-ву испытаний, а ось абсцис fc – прочности образцов полученной в результате испытания.
Площадь заключенная под кривой нормального распределения есть область доверительной вероятности. Вершина этой кривой спроецированая на ось fc соответрствует средней прочности б-на (марка), а класс б-на находится в точке fck (в 5% квантили), ограничивающую площадь слева 5%.
При проектировании БК, ЖБК норм ы устанавливают следующие классы конструкционных б-нов по прочности на сжатие: С8/10, 12/15,16/20,20/25,25/30,30/37,35/45,40/50,45/55,50/60,55/67,60/75,70/85,90/105;
Легкие б-ны: LС12/15…LC45/50.
Бетонные кон-ции С8/10, ЖБК С12/15, преднапр С25/30.
Помимо прочностных х-к б-на на сжатие сущ нормативные и средние значения сопротивления и прочности б-на на растяжение.
Т.к определение прочности б-на трудоемкий процесс в расчетах допускается определение прочности на растяжение в зависимости от прочности на сжатие.
fctm =r*fcm2/3
r=0.3
fcmk =0.7*fctm
нормативные документы допускают контроль прочности б-на на осевое растяжение косвенными методами, через прочность б-на на растяжение при изгибе fct,fl и прочность б-на при скалывании fct,sp
fct,ах=0,5* fct,fl
fct,ах=0,9* fct,sp
fct,ах-прочность б-на на осевое растежение
fct,fl=Pn*l/b*h2
fctsp=2Pn/П*а2
помимо перечисленых х-к прочности б-на и видов б-на сущ ряд прочностей, которые определяют при расчетах кон-ций в зависимости от воздействий и условий эксплуатации:
-прочность на смятие (местное сжатие)
-просность на срез, кручение
-прочность при длительном действии нагрузки, кратковременном нагружении, циклическом нагружении.
Прочность б-на при длительном разрушении разрушается значительно быстрее со временем, чем при кратковременной нагрузке, т.к появившиеся пластические деф-ции увеличиваются, суммируются со временем и приводят к показателям качества кон-ции не соответствующим нормальной эксплуатации.
Прочность б-на не остается величиной постоянной, а нарастает с течением времени, причем наиболее интенсивно процесс протекает в течение 28 суток, а затем замедляется, но не прекращается, при условиях положительной т-ры (-50С и необходимой влажности).
Средняя прочность б-на на сжатие в возрасте t сутокдля изделий подвергнутых тепловой обработке:
fcm(t)-средняя прочность б-на на сжатие при t>28сут
fcm- -//- при t=28сут
fcmp-прочность после окончания тепловой обработки
t-возраст при t>28сут
tp-возраст после тепловой обработки
Объемные деформации б-на
Усадка и набухание
К ним относятся: усадка, которая рассматривается как объемное сокращение б-на в результате физ хим процессов проходящих при взаимодействии цемента с водой, изменением влажности цем камня и карбонизацией б-на, те это свойства микроструктуры твердеющего цем камня.
Усадка /на: химическую и физическую.
Химическая усадка связана с потерей воды при протекании процессов гидратации вяжущих. При схватывании и твердении цем вяжущего происходит изменение объема, тк молекулы входящие в состав новообразования располагаются плотнее, чем в свободном состоянии.
Дополнительные эффекты также возникают на стадии формирования структуры, связанные с действием поверхностного натяжения воды – аутогенная усадка.
Физ. усадка – потеря части свободной влаги б-на при ее испарении из открытых пор и капилляров в атмосферу.
Химическая и аутогенная составляющие усадки проявляются особенно интенсивно в первые часы твердения б-на. Эта усадка может также проявляться и при твердении б-на в воде. При хранении уже затвердевшего б-на во влажных или водных условиях будет происходить физ. набухание.
В соответствии с нормативными требованиями величину относительной деформации полной усадки б-на в произвольный момент времени t
СS(t,t0)= СS,d(t,t0)+ СS,a
физ.у. хим.у.
СS,d(t,t0)- относительная деформация физ усадки бетона к моменту времени t обусловленная его высыханием.
СS,a – хим относительная деформация (и аутогенная), обусловленные процессом твердения вяжущего.
СS(t,t0)= СS,d(∞)*βds(t-ts)
СS,d(∞) – базовая отн. деф-ция физ усадки б-на
βds(t-ts) – коэф-т учитывающий скорость развития усадки в зависимости от рассматриваемого возраста б-на.
Хим усадка определяется
СS,a=СS,а(∞)*βаs(t)
СS,a- базовая относительная хим усадка
βаs(t) – коэф-т учитывающий скорость нарастания хим усадки в момент времени t.
Физ усадка, особенно значение ее предельных деформаций СS(t0,∞), находится в зависимости от В/Ц, те от марки по удобоукладываемости. Эти деф-ции нормируются СНиП.
Если изменяется подвижность б-на, те удобоукладываемость имеет марку П1, марка по жесткости Ж1-Ж3 и особожесткие СЖ1-СЖ3 вводится коэфт предельных деформаций 0,7. Если смеси более подвижные П4,П5 – 1,2
0,7СS(t0,∞) 1,2СS(t0,∞)
Температурные деформации
температурные деф-ции х-ютсякоэфтом температурного расширения, (t=1-10-51/0C) t=-20 +100 0C
В эксплуатационных ситуациях t мало чем отличается от подобного коэфта для сталей t(S)=1,2*10-5
Коэфт бетонов колеблется (0,75…1,45)*10-5 1/0С
t для бетонов зависит от концентрации крупного заполнителя и его минералогического состава.
Для легких бетонов t(L) зависит от мин состава и колеблется в пределах (0,4-1,4)*10-5
Факторы влияющие на объемные деформации
Основные факторы влияющие на объемные деформации следующие:
1.кол-во, вид и активность цемента.
2.В/Ц.
3.температурновлажностные условия окр среды.
4.возраст б-на.
5.крупность заполнителя и межзерновая пустотность.
6.объемное содержание цем камня в бетоне.
7.присутствие добавок и ускорителей твердения.
Силовые относительные деформации бетона
силовые относительные деформации – развивающиеся в б-не, главным образом, вдоль направления действия сил.
Силовые относительные деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия /:
1.ОД при однократном загружении кратковременной нагрузкой.
2.ОД при длительном действии однократно пиложенной нагрузки.
3.ОД при многократно повторяющемся действии нагрузки.
СОТ При однократном загружении кратковременной нагрузкой
Деформирование б-на более наглядно можно наблюдать на диаграмме состояний б-на, которая устанавливает связь между напряжениями и продольными относительными деформациями (ОД) б-на.
Эти деформации вплоть до разрушения б-на следует рассматривать в качестве обобщенной х-ки мех свойств б-на.
σС=F/Ac
εC=Δl/l0
F - усилие пресса
σС - напряжение б-на
Ac - площадь б-на
εCU – предельная деф-ция б-на на сжатие
εC1 – максимальная деф-ция б-на на сжатие, отвечающая максимальное его прочности
диаграмма состоит из 2-х характерных участков: восходящая и нисходящая ветвь.
Восходящая ветвь описывает зависимость σС от εC до напряжений в вершине диаграммы, которые при данном виде загружения принято наз пределом кратковременной прочности б-на. Эта зависимость получается с использованием традиционных методов испытания.
Нисходящая ветвь для получения зависимости σС от εC требует спец оборудования и явл наиболее трудоемкой частью эксперимента.
Проявление упругих деформаций появляется и зависит от скорости загружения образца. С увеличением скорости загружения при постоянном σС упругие деф-ции возрастают пропорционально возрастанию скорости.
Деформация б-на при различных скоростях загружения.
При мгновенной скорости загружения б-н деформируется только упруго.
Для хар-ки упруго-пластических свойств б-на используют модуль деформации, устанавливающий зависимость между напряжениями и относительными деформациями в любой точке диаграммы деформирования.
Модуль упругости б-на (Е) как и прочность- важная х-ка несущих кон-ций.
Значение (Е) влияет на жесткость кон-ции, а значит на размеры геометрических сечений и их армирование. Чем меньше Е, тем больше требуется повышение жесткости кон-ции за счет увеличения размеров и армирования.
На диаграмме деформирования СС можно проследить за изменением модуля деформации. При =0 он имеет максимальное значение и наз начальным модулем упругости. Обозначается Есо и представляет собой tg угла наклона касательной к кривой проходящей в начале координат =0.
Есо= tg0
Учитывая нелинейную связь между напряжением и деформацией определяют также модуль полных деформаций, учитывающий упругие и пластические деф-ции (Ес)
Есо= tg1 тангенс угла наклона касательной к кривой в ее произвольной точке.
Практическое значение для расчета ЖБК имеет средний модуль упругости Есm – тангенс угла наклона к секущей, проходящей через =0 и точку на кривой =0,4fcm.
Нормы устанавливают значение Есm с учетом сткуктурно механической модели б-на и технологических свойств бетонной смеси.
Изменение Есm во времени может быть определено по ф-ле Есm(t)
Есm(t)= [fсm(t)/ fсm(28c)]* Есm(28c)
Модули б-на х-ют его продольные деф-ции, которые на графике представлены
СU - предельными деф-циями б-на
С1 - деф-ции соответствующие пиковому значению прочности (сжатие).
Значения СU получены экспериментальным путем и для расчета б-нов класса С50/60 её принимают постоянной=3,50/00.
СU =3,50/00
Помимо продольных сущ поперечные деф-ции б-на (коэф-т Пуассона) С=0,20
В практике для диапазона напряжений 0,5-0,6fck значение находится в пределах 0,15-0,24.
Если в кон-ции допускаются трещины в растянутой зоне С=0.
СОТ при длительном действии однократно приложенной нагрузки
если сжимающая нагрузка действует на б-ный образец длительное время его деф-ция возрастает стремясь к некоторому пределу через несколько лет.
Ползучесть – медленно нарастающая пластическая деф-ция при неизменном уровне напряжений.
С наибольшей интенсивностью эти деф-ции нарастают первые 3-4 месяца действия нагрузки и продолжают развиваться в течение 3-4 лет и более.
Изменение деф-ции б-ного образца с момента изготовления и работы его под нагрузкой в период времани с t0 по t3 можно наблюдать на графике зависимости деформации от времени.
(К графику)
Упругие деф-ции εel; εel1
Пластисеские деф-ции εрl; εрl1
С течением времени t=t0-t1 образец не загружен, в нем развиваются усадочные деф-ции εCS.
Приложение нагрузки в момент времени t1 вызывает мгновенную упругую деф-цию εel и часть пластических деф-ций εрl (ползучесть б-на), которая затем проявляется в течение длительного времени от t1 до t2, практически при постоянном уровне напряжений, вплоть до стабилизации.
В момент времени T2 полная относителная деф-ция будет = сумме 3-х деф-ций:
εС=εСS(t,t0)+εel +εрl
если в возрасте t2, когда деф-ции ползучести стабилизируются, снять нагрузку – образец изменит свою длину на величину мгновенной деф-ции εel1 и к моменту времени t3 появятся дополнительные деф-ции пластичности εрl1. Эти явления принято наз упругим последствием б-на. Т.о относительные деф-ции б-на действуют совместно хотя их рассматривают как независимые процессы.
Изменение деф-ции ползучести б-на можно также проследить на графике σС-εС , в зависимости от скорости нагружения.
График зависимости деф-ций ползучести от скорости первоначального загружения.
Опыты показывают независимо с какой скоростью был достигнут уровень напряжения σС/fС конечные деф-ции ползучести будут с течением времени одинаковые.
Ползучесть также зависит от величины напряжения, с возрастанием которого она тоже увеличивается.
В общем случае величина деф-ции ползучести зависит от:
1.возраст б-на
2.относительный уровень напряжения σС/fС
3.воздействие окр среды (t и влажность RH)
4.технологические параметры б-ной смеси (объемное содержание цем камня, В/Ц, активность и вид ц-та, вид заполнителя, способ уплотнения и тепловлажностной обработки.)
5.геометрические размеры поперечного сечения.
Зависимость деф-ции ползучести от времени выдержки под нагрузкой.
При расчетах ЖБК ползучесть учитывается при помощи коэфта ползучести Ф(t,t0) – отношение относительной деф-ции ползучести в момент времени t к упругой относительной деф-ции возникающей под нагрузкой в момент времени t0.
Ф(t,t0)= εрl(t)/ εel(t0)
Величину Ф определяют по следующей зависимости
Ф(t,t0)=Ф0*βС(t-t0)
Ф0 – базовый коэфт ползучести, определяемый в зависимости от средней прочности.
Ф0= ФRH*16.8/(0.1+t0.2)fcm
ФRH – учитывает влияние влажности и размеров сечения.
βС(t-t0) – коэфт учитывающий деф-ции ползучести во времени от t0 до t.
Если не требуется большая точность расчетов, то используется предельной значение коэфта ползучести Ф(∞,t0) (определяется графически).
Ползучесть влияет на величину предельных деф-ций б-на и в результате ее развития модуль упругости б-на уменьшается. Для учета этого явления в расчетах ЖБК используют эффективный модуль упругости б-на, который определяется в зависимости от предельных деф-ций ползучести.
Ec,eff=Ecm(t0)/(1+Ф(∞,t0))
Ecm(t0)=[fcm(t0)/fcm]0.3*Ecm
σС,MAX≤ σСR σСR=СR*fcd
Сот при многократно повторяющемся действии нагрузки
Зависимость σС от εС при цикличном нагружении.
Характер развития деф-ций при данном виде загружения зависит от величины повторно прикладываемых напряжений и кол-ва циклов.
При напряжении ниже предела выносливости с увеличением циклов происходит накопление остаточных пластических деф-ций с постоянным переходом зависимости от криволинейной формы (выпуклой) к линейной. С дальнейшим увеличением напряжения происходит дальнейшее накопление остаточных пластических деформаций, однако б-н в этот период может работать как упругий материал пока напряжения не превысят предел выносливости.
После невыполнения условия σС,MAX≤ σСR, после некоторого числа циклов, в б-не интенсивно начинают возрастать пластические деформации, главным образом за счет возникновения и развития микротрещин. Обе ветви диаграммы становятся вогнутыми и при достижении б-ном предельных деф-ций происходит его разрушение.
Показатели качества бетона.
При проектировании ЖБК в зависимости от назначения и условий эксплуатации нормами устанавливаются показатели качества б-на, а соответственно и кон-ции.
К показателям качества кон-ции (б-на) классы по прочности на сжатие и растяжение, марка по Мрз (F50…F500), марка по водлнепроницаемости (W2…W12),
Марка по плотности D (2300-2500)-тяжелые;
(1800-2400)-средние; (1800-2000)-легкие
марка напрягающего Б по самонапряжению Sp(0,6-4).
Показатели качества б-на определяются в лабораторных условиях, периодичность их определения регламентируется ГОСТом или СТБ и обязательно указывается в паспортах на кон-ции и изделия.
Виды бетона.
Конструкционные: тяжелые, легкие.
Специальные: полимерб-ны, б-нполимеры, сульфатолюминатные и напрягающие б-ны.
Фиброб-н – дисперсно-армированый волокнами, повышает растяжение и сопротивление удару.
В настоящее время новое поколение б-нов: высококачественные (ультравысококачественные) 150МПа.
Арматура для ЖБК.
Требования к арматуре.
Ар-ра – линейно протяженные эл-ты, предназначенные в ЖБК для восприятия растягивающих (главным образом) и сжимающих усилий.
Ар-ру в ЖБК применяют в виде отдельных стальных стержней, проволоки, канатов или выполненных разнообразных арм-ных изделий.
Необходимое кол-во рабочей ар-ры размещаемой в конции определяется расчетом сечений на действие усилий или устанавливается по конструктивным требованиям.
Требования:
1.максимально высокое нормативное сопротивление.
2.хорошие упругие свойства (предел упругости и пропорциональности).
3.высокие пластические св-ва, гарантирующие от преждевременного хрупкого разрушения кон-ции.
4.высокая вязкость (наибольшее число безопасных перегибов) позволяет избежать снижения прочности в процессе изготовления.
5.способность ар-ры к наилучшему сцеплению с б-ном (рифленая поверхность).
Кроме того ар-ные стали должны обладать свариваемостью, стойкостью против хладноломкости (т=-30), пределом выносливости (выдерживать число циклов n=1*105) и реалогическими свойствами, к которым относятся ползучесть и релаксация.
Под релаксацией ар-ных сталей понимают снижение во времени начального уровня напряжений при постоянной величине деформаций.
Ар-ра для ЖБК существует нескольких видов и наименований. Ее классифицируют по признакам: назначение; способ изготовления; профиль поверхности; способ применения.
По назначению / на:
-рабочая (продольная, поперечная)
-конструктивная
-монтажная.
Рабочая – по расчету. Конструктивная – по конструктивным и технологическим соображениям. Она воспринимает на всегда учитываемые расчетом усилия от усадки б-на, изменения температуры, а также равномерно распределяет усилия между стержнями.
Монтажная – обеспечивает проектное положение рабочей ар-ры, подъем при транспортировании и монтаже.
По способу изготовления различают:
-горячекатаную (стержневая)
-холоднотянутую – вытяжка в холодном состоянии (проволока).
По профилю поверхности: гладкого профиля; периодического профиля.
Гладкая – в монтажных целях. Период. профиля - основная ар-ра для ЖБК, т.к имеет хорошее сцепление с б-ном.
Стержневая арматура.
А)Гладкий профиль
Б)периодического профиля
В)проволочная холоднокатаная
Г)канаты
Канаты представляют собой витую проволоку, которая набирается в пучки и обладает высокими прочностными х-ками
Технология изготовления термически упрочненной ар-ры заключается в обработке стали высокими температурами.
Холоднотянутые виды ар-ры получают путем вытяжки с определенным удлинением.
По способу применения в ЖБК ар-ру / на напрягаемую и не напрягаемую.
Все перечисленные виды ар-ры относятся к гибким.
Помимо гибкой ар-ры в ряде случаев применяют жесткую из прокатных или сварных двутавров, швеллеров, уголков.
Механические и деф-нные свойства ар-ных сталей.
Механические свойства ар-ных сталей:
1.характеристики прочности и деформативности устанавливаемые по диаграмме σS-εS , сюда относится физ предел текучести, временное сопротивление разрыву, условный предел текучести, условный предел упругости.
2.пластические свойства: относительное удлинение при испытании на разрыв, изгиб в охлажденном состоянии, относительное удлинение после разрыва.
3.свариваемость.
4.хладноломкость – склонность к хрупкому разрушению при т-ре ниже -30.
5.реалогические св-ва: ползучесть (большие напряжения и большие т-ры), релаксация.
6.усталостное разрушение.
7.динамическая прочность.
Основной х-кой учитываемой в расчетах ЖБК явл прочность и деформативность.
Характер прочности и деформативности устанавливается на диаграмме σS-εS, при испытании образцов на растяжение
Для ар-ных сталей имеющих физ предел текучести рассматривают следующие основные этапы работы образца под нагрузкой, которым свойственны характерные деф-ции.
1.упругие деф-ции εр и и соответствующие им напряжения равные fp - предел пропорциональности.
2. упругопластические деф-ции εре , которые соответствуют напряжению fe– соответствующие пределу упругости.
3.пластические деформации εSy , соответствующие физическому пределу текучести.
4.деформации εSU , соответствующие временному сопротивлению f1 или пределу прочности.
Диаграмма 2 для высокопрочных сталей устанавливает условный предел текучести ε0,2=fsy , соответствующий остаточным деформациям εSY=0.2% , а также устанавливает пропорциональный предел σ0.02=fp при котором остаточные деф-ции =0,02%.
Предел упругости для высокопрочных сталей принимается 0,8fsy=fe.
Для расчета ЖБК используют модуль упругости для сталей имеющих физ предел текучести. Es=200кН/мм2
Для сталей с условным пределом текучести используют модуль деформации, который для стержневой ар-ры равен
Es=200кН/мм2 , а для канатной Es=190кН/мм2
Назначая ар-ру для ЖБК особое внимание уделяют свариваемости, реалогическим свойствам, усталостному разрушению и динамическому упрочнению.
Свойства ар-ной стали зависят от хим состава, способа производства и обработки.
Стали имеющие физ площадку текучести наз мягкими. Содержание углерода 0,2-0,4%. Увеличение углерода приводит к увеличению прочности, но снижает деформативность и свариваемость.
Изменение свойств стали достигается введением легирующих добавок. Повышение прочности можно достигнуть термическим упрочнением и механической вытяжкой.
Стали с одинаковыми прочностными и деформативными св-вами объединяются в классы, при этом к одному классу могут относиться стали с разным хим составом, т.е разных марок.
Классы АРМ стали учитывают способ производства и механ характеристики.
В классы включены горячекатаная, термомехан упрочненаая, холодно деформированя.
|
Классы ар-ры |
Номинальный диаметр, мм |
Вид поверхности |
|
|
СНиП |
СНБ |
||
|
А-1 |
S240 |
5.5…40 |
Гладкая |
|
A-3 |
S400 |
6…40 |
Период проф |
|
Стержень |
S500 |
3…40 |
Гл. и период проф. |
|
Вр-1 |
S500 |
||
|
А-V АтСК Ат-V Ат-VС АтК АтС |
S800 |
10…32 |
Стержневая, период пр, кольцевой и серповидный |
|
А-7 |
S200 |
6…32 |
-//- |
|
канаты |
S1400 |
К7…К19 |
канаты |
|
В-2 |
3…5 |
Гладкая |
|
|
Вр-2 |
3…5 |
С вмятинами |
С- свариваемость;К- кор стойкость; Т- терм упрочненная.
Для расчета ж.б.к. используют нормативные и расчетные сопротивления арматуры. Нормативные сопротивление арматуры – гарантируемое производителем значение физического либо условного предела текучести арматуры с обеспеченностью не менее 0,95 (и ).Расчетные сопротивления арматуры (и ненапряженные и преднапряженные) определяют путем деления нормативного сопротивления на частный коэффициент безопасности по арматуре -,принимаемый для стержневой арматуры =1,1, для проволочной =1,2, для преднапряженной арматуры =1,25.
Арматурные изделия
С целью индустриализации арматурных работ и сокращения их трудоемкости отдельные стержни объединяют с помощью сварки или вязки в сетки, каркасы армоблоки. Сетки изготавливают рулонными или плоскими, рабочая арматура в них может располагаться в продольном, поперечном или обоих направлениях. Стержни, перпендикулярные рабочим стержням, выполняют функцию монтажной (распределенной) арматуры.
Для изготовления сеток используют S500 диаметром 3-5 мм, S400 диаметром 6-10мм, в отдельных случаях плоские сетки выполняют диаметром 10-20 мм класса S240, S400(сетки фундаментов).
В рулонных сетках диаметры продольных стержней могут также достигать 8 мм, наибольшая ширина рулонных сеток 3,5 м, а длина ограничивается массой 100-500 кг. Плоские сетки имеют максимальную ширину 2,5 м, длину до 9 м.
Сварные каркасы состоят из продольных (D) и монтажных (d1) стержней, объединенных поперечными рабочими стержнями (d), рабочей арматурой (рис.9.2а). Рабочие стержни могут располагаться в 2 ряда (рис.9.2б), когда к основному рабочему стержню допускается приварка дополнительного рабочего стержня (D1). Плоские каркасы объединяют пространственные каркасы или крупные арматурные блоки (рис.9.2в).
Качество точечной электросварки каркасов зависит от соотношения свариваемых продольных и поперечных стержней арматуры, которые должны быть в соотношении 1/3-1/4.
Плоские каркасы в пространственные можно объединить и с помощью хомутов, т.е. обвязывать плоские каркасы поперечной арматурой.
Изготавливают также проволочные изделия, которые объединяют в отдельные пучки, называемые канатами. Проволоки, объединяемые в канаты, имеют диаметр 1-3 мм, их обвивают вокруг центральной прямолинейной проволоки по спирали.
Стыки арматуры
Обычно рабочие стержни арматуры и арматурного изделия должны поектироватъся целыми на весь пролет элемента. Если это невозможно, следует предусматривать их стыкование по длине или ширине элемента. Соединение арматурных стержней без сварки допускается при диаметре менее 25 мм, не рекомендуется более 25 мм, а диаметр 36 мм и более запрещается. Также не допускается соединение без сварки рабочей арматуры в растянутых зонах изгибаемых и внецентренно растянутых элементов, где она используется с полным расчетным сопротивлением, также с центрально растянутыми и при стыковке арматуры S500 и выше.
В заводских условиях осуществляют стыковку стержней по длине при диметре 10/40 мм.
Стыковая контактная сварка dн1=dн2
Без сварки можно соединять арматурные сетки нахлесткой, величина которой () зависит от поверхности используемых стержней (гладкая или периодическая) и площади их сечения на длине участка СНБ 11.2.47-11.2.49.
При проектировании сварных соединений учитывают:
1.свариваемость металла;
2.наличие технологического оборудования;
3.возможнось контроля качества соединений;
4.втд и способ приложения нагрузки.
Основные типы выполнения сварных соединений:
а)дуговая ручная сварка ():
ln=6…8dн
S240;S500
б) дуговая ручная с накладками из стержней:
dn=10…40мм
S240;S500;S400
в)ванная одноэлектродная в инвентарной форме:
dn 1/ dn 2=0.5-1 l<=1.2 dn 1
г) дуговая ручная под слоем флюса:
D=(1.5-2.5)dн
dн=8-40мм
/dн=0,5-0,65
применение арматуры в ЖБК
Выбор класса арматурной стали, применяемой в ж.б.к., производят в зависимости от типа конструкции, наличия преднапряжения, условий возведения и эксплуатации. В качестве ненапрягаемой рабочей арматуры применяют в основном S400,S500. А класса S240 допускается использовать в качестве продольной ненапрягаемой рабочей арматуры только при специальном обосновании. S240 – обязательные монтажные петли.
Допускается в качестве ненапрягаемой арматуры применение S600 при наличии нормативного документа, регламентирующего качество (=1,2).
В качестве напрягаемой арматуры применяют S800, S1200,S1400. Допускается S1000. =1,25 для преднапрягаемой арматуры.
При длине до 12 м в преднапрягаемных конструкциях преимущественно используют S800,S1400, при длине более 12 м рекомендуют S1400.
Ж.Б.К.
Заводское производство ЖБК
Проектируя ж.б.к. предусматривают использование высокопроизводительных машин при их изготовлении, удобство монтажа на строительной площадке, поэтому ж.б.к. и изделия должны быть оптимальных габаритов, экономичных форм сечения, рациональных способов армирования, т.е. конструктивные решения и технология изготовления должны быть тесно взаимосвязаны.
Существует несколько технологических схем изготовления ж.б.к.:
1.конвеерная (изготовление изделий в формах, установленных на вагонетках и перемещаемых по рельсам конвейера от одного агрегата к другому, выполняя в процессе последовательно необходимые технологические операции).
2.стендовая (изделия в процессе изготовления и тепловой обработки остаются неподвижными, а агрегаты, выполняющие технологические операции, перемещаются вдоль форм). Кассетная технология – это разновидность стендовой.
3.поточно-агрегатная (форма с изделием перемещается от одного агрегата к другому кранами, а агрегаты, выполняющие технологические операции, неподвижны, ритм перемещения не является принудительным).
4.вибропрокатная (изделие формуют на непрерывно движущейся ленте, поверхность которой образует форму изделия).
P.S. На ж.б. заводах одновременно используют несколько технологических схем, т.к. изготовить весь комплект изделий для возведения здания по 1-ой технологии невозможно.
Совместная работа арматуры и бетона
Условия совместной работы
Основной фактор, обуславливающий совместную работу арматуры и бетона – это надежное сцепление арматуры с бетоном, снижение которого приводит к чрезмерному раскрытию трещин, уменьшению жесткости и прочности конструкций. Работая совместно с арматурой бетон, обеспечивает ее защиту от коррозий и действия высоких температур.
Совместная работа бетона с арматурой в ж.б.к. возможна при выполнении следующих условий:
1.близких значений коэффициентов теплового расширения этих материалов;
2.при действии усилий от нагрузки силы сцепления должны обеспечивать условие .
3.правильным определением необходимого количества арматуры, размещаемой в конструкции, т.е. должен быть выдержан минимальный коэффициент армирования сечения , который равен:
Если это условие не выполняется, конструкция рассматривается как бетонная.
Факторы влияющие на величину напряжения сцепления арматуры с бетоном.
Силы сцепления, приходящиеся на единицу поверхности арматуры, обуславливают напряжение сцепления арматуры с бетоном по длине элемента.
Факторы, влияющие на величину сцепления арматуры с бетоном, следующие:
1.трение арматуры с бетоном (“+” к таким силам сцепления) Величина этих сил 0,6-1,5 МПа.
2.вид и тип поверхности стержня. Круглые стержни являются наиболее оптимальными, “+” рифление поверхности до 50% .
3.адгезия (склеивание).
4.химическое взаимодействие между сталью и бетоном.
5.прочность бетона и его технологические параметры.
6.направление продольной силы.
Параметры: с, В/С, способ уплотнения, направление бетонирования, условие твердения.
Определение расчетной длины анкеровки ненапрягаемой ар-ры в бетоне
Cхема сцепления А с Б для определения lbd.
При выдергивании арматурного стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления ,
которые распределяются вдоль стержня неравномерно рис.10.1(в). Наибольшее их значение действует на некотором расстоянии от торца элемента. Для оценки напряжения сцепления используют усредненное значение напряжения на длине заделки стержня, определяемое как предельное напряжение сцепления . Усилие F вызывает появление растягивающих напряжений в стержне, имеющем площадь сечения (стержня) , максимальное значение . Из условия равновесия в предельном состоянии определяем длину базовой анкеровки:
U-длина окружности стержня (=);
-площадь арматуры стержня;
- предельное напряжение сцепления;
Зависимость показывает, что длина анкеровки увеличивается при увеличении диаметра и увеличении сопротивления арматурного стержня, поэтому для уменьшения длины анкеровки целесообразно использовать стержень меньшего диаметра.
Определение расчетной длины анкеровки ненапрягаемой ар-ры в бетоне
Расчетная длина анкеровки ненапрягаемых стержней равна:
--определяется по таблицам СНБ;
-нормируется в зависимости от поверхности стержня и его работы;
-базовая анкеровка;
-требуемая по расчету площадь продольной арматуры;
- площадь арматуры, принятая по сортаменту;
-длина минимальной анкеровки, принимаемая максимальной из 3-ех значений.
Для растянутых стержней > max (0,6; 15d; 100 мм);
Для сжатых стержней > max (0,3; 15d; 100 мм);
Конструктивные требования по анкеровке
ненапрягаемой ар-ры в бетоне
Продольные стержни растянутой и сжатой арматуры должны быть заведены за нормальные продольные оси элементов сечения, в котором они используются с полным расчетным сопротивлением на величину . Гладкие арматурные растянутые стержни в вязаных каркасах и сетках должны заканчиваться крюками, лапками и петлями, которые выполняются с учетом пункта СНБ 11.2.30.
Длина анкеровки концов отогнутой арматуры должна быть не менее в растянутом бетоне d20, в сжатом бетоне d10.
Обрываемые в пролете стержни арматуры заводят за точку теоретического обрыва в растянутой зоне 0,5h+20d и не менее , где h-высота конструкции в точке теоретического обрыва; в сжатой зоне 20d и не менее 250 мм.
Усадка и ползучесть бетона в ЖБК
В ж.б.к. стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной осадке бетона. Согласно опытным данным усадку и набухание ж.б.к. почти в 2 раза меньше, чем в бетоне.
Деформации стесненной усадки бетона в ж.б. элементах приводят к возникновению начальных напряжений, растягивающих в бетоне, сжимающих в арматуре. При достаточно высоком содержании арматуры в бетоне элемента могут возникнуть усадочные трещины.
Усадка бетона в статически неопределимых ж.б.к. рассматривается как внешнее воздействие, вызывающее появление дополнительных усилий в элементах. Средняя деформация усадки равна (приравнивается к коэффициенту линейного расширения).
Это позволяет заменить расчет на действие усадки расчетом на температурное воздействие. Отрицательное влияние усадки в этом случае может быть снижено путем устройства деформационных швов, которые обычно совмещают с температурными, и называют температурно-усадочными швами.
В предварительно напряженных элементах влияние усадки также учитывается путем снижения напряжения в напрягаемых арматурных стержнях. Напряжения, возникающие в бетоне этих конструкций то усадки, являются растягивающими и зависят от класса бетона, коэффициента армирования и, прежде всего, от деформаций свободной усадки бетона.
В ж.б.к под действием внешних сил происходят деформации ползучести, при которых арматура также является внутренней связью, препятствующей этой свободной деформации. В арматуре и бетоне возникают дополнительные напряжения от деформации ползучести, и при длительном действии нагрузки ползучесть приводит к перераспределению напряжений между арматурой и бетоном, т.к. эти 2 материала связаны между собой силами сцепления.
С течением времени напряжения в бетоне уменьшаются, а в арматурном элементе без преднапряжения возрастают. Этот процесс происходит непрерывно, пока деформации ползучести не достигнут своего предела.
В зависимости от вида ж.б.к и их напряженного состояния ползучесть может оказывать положительные или отрицательные влияния на их работу:
1. в коротких сжатых элементах полностью используются прочность арматуры и бетона.(+)
2.в изгибающих элементах увеличивают прогиб.(-)
3.в гибких сжатых элементах увеличивают начальный эксцентриситет и снижает несущую способность.(-)
4. в преднапряженных конструкциях приводит к потере предварительного напряжения.(-)
5.в статически неопределенных системах ползучесть помогает перераспределению усилий, смягчает концентрацию напряжений.(+)
Коррозия и защитный слой б-на
Коррозия ж.б.к зависит от условий эксплуатации и по этому признаку СНБ устанавливает классы по условиям эксплуатации, в которых перечислены все возможные виды коррозии ж.б.к.:
1.действие Cl;
2.карбонизация бетона;
3.МРЗ;
4.химические и биологические воздействия.
Коррозия бетона зависит прочности и плотности, свойств цемента и агрессивности среды.
Коррозия арматуры зависит от недостаточного содержания цемента, наличия в нем вредных добавок, чрезмерного раскрытия трещин и недостаточной толщины защитного слоя бетона. Коррозия арматуры может не зависеть от коррозии бетона.
Уменьшают коррозию:
1.ограничиваят агрессивность среды в процессе эксплуатации.
2.применяют плотные бетоны на сульфатостойких вяжущих.
3.устанавливают на поверхности бетона защитные покрытия.
4.ограничение ширины раскрытия трещин и увеличение толщины защитного слоя (0,2-0,4 мм допустимая ширина трещин; толщина защитного слоя min 15 мм).
Min расстояние между поверхностью стержней и ближайшей поверхностью бетона называется толщиной защитного слоя бетона.
Он обеспечивает:
1.совместную работу бетона и арматуры.
2.защиту арматуры от коррозии, высоких температур и воздействий окружающей среды.
При назначении толщины защитного слоя учитывают:
1.вид и размеры конструкций;
2.условия эксплуатации;
3.d и назначение арматуры (рабочее или распределительное);
Толщина защитного слоя должна быть:
1.не менее d арматуры, если он меньше или равен 40 мм.
2.max размера заполнителя, если он <32 мм.
3.max размера заполнителя 5 мм, если он >32 мм.
Но во всех случаях не менее 15 мм - нормальное условие эксплуатации и в соответствии с табл. 11.4 СНБ.
Для фундаментов толщина защитного слоя не менее:
1.при отсутствии бетонной подготовки 80 мм.
2.при наличии бетонной подготовки 45 мм.
3.при выполнении из сборного ж.б. 45 мм.
Толщина защитного слоя бетона для поперечной и распределенной арматуры в конструкциях, работающих в нормальных и слабоагрессивных средах, следует принимать не менее 15 мм.
Особенности преднапряженных конструкций
Сущность предварительно напряженного ЖБ и его классификация
ПН ЖБК это конструкции в к-х начальное напряжение напрягаемой ар-ры обеспечивает необходимую степень обжатия б-на в процессе их изготовления и эксплуатации.
Отличие ПНК от обычных заключается:
-В обычных ЖБК, ар-ная сталь выполняет пассивную роль, она не может воспрепятствует разрушающему Б-Н действию нагрузки, но смягчает последствия после образования трещин от действия этой нагрузки. В ПНК ар-ра выполняет активную роль и праектировщик создает силы оказывающие противодействие внешним нагрузкам, к-е стремятся разрушить конструкцию.
Классификация ПНК по следующим признакам:
1по принципу действия предварительного ар-ния:
-одноосные предварительно напряженные
- двуосные предварительно напряженные
- объемные ПНК
2 по методу изготовления:
-с растяжением ар-ры на упоры - самонапряженные
- с растяжением ар-ры на Б-Н - сборно-монолитные
3 по степени предварительно напряжения
- полное ПН (напряжение (на уровне цента ПН ар-ры )
- ограниченное ПН ()
- частичное ПН (напрягаемая ар-ра устанавливается из условия ограничения раскрытия ширины трещин)
Способы создания предварительно напряжения в ар-ре
ПНК- могут быть выполнены 3 методами:
-при натяжении ар-ры на упоры - самонапряжение (физико- хим метод)
- при натяжении ар-ры на Б-Н
Натяжение на упоры применяют в заводских условиях для изготовления ЖБК малых и средних пролетов. Ар-ру укладывают в форму до бетонирования и после натяжения до заданного значения напряжения закрепляются на упорах. Далее эл-ты бетонируют и когда Б-Н достигает необходимой передаточной прочности ар-ру освобождают с упоров. Стремясь восстановить свою первоначальную длину ар-ра обжимает Б-Н поскольку имеет с ним надежное сцепление.
Рис Последовательность технологических операций при натяжении ар-ры на упоры
1 напрягаемая ар-ра 2 упоры 3 технологические анкера 4 ЖБ элемент
а) натяжение ар-ры ее закрепление (анкеровка) б) бетонирование Б-на и его хранение до набора передаточной прочности в) освобождение от технологического закрепления
Натяжение ар-ры на Б-Н. Предварительно изготовляют Б-ный или слабо ар-ный Б-Н, а затем после достижения передаточной прочности выполняют его обжатие. В этом случае ар-ру загонят в пазы или каналы , устраивают при Бет-нии элементов (Ø канала\ паза) на 5- 15 мм больше Ø ар-ры. Натяжение осуществляют на Б-Н при помощи специальных домкратов 2-ого действия. Сцепление ар-ры с Б-ном создают при последующим заполнении цем. или цем./пес раствором каналов/пазов в к-х находится ар-ра. Если инъектирование не выполняют к-ции называют ПН-ыми без сцепления ар-ры с Б-ном.
1 напрягаемый стержень 2 домкрат 3 анкера 4 Канал/паз 5 ЖБ эл-нт
а) создание напряжения в стержне б) заполнение Б-ном канала/паза и обжатие Б-ного эл-нта
В зависимости от технологических особенностей натяжения ар-ры сущ-ют следующие способы ПН-ия:
1 Механический способ: в создании удлинения ар-ры соотвествующему заданному контролируемому напряжению получают вытяжкой ар-рного эл-нта с помощью натяжных механизмов
2 Электро- термический способ – необходимое удлинение напрягаемой ар-ры получают электронагревом ар-раы до сотвествующей температыры с последующей фиксаций ее на упорах заданной длинны(t=300-450°C)
3 Комбинированный это совокупность 1 и 2
4 Физико- хим. в создании напряжения в ар-ре расположенной в к-ции засчет энергии расширения напрягающего Б-на в процессе твердения.
Назначение напряжений в предварительно напряженной ар-ре
ПН-м следует назначать с учетом допустимых отклонений р, таким образом , чтобы для стержней и проволочный ар-ры выполнялось следующие условие:
- не позволяет произойти разрыву
стержня
- создать необходимые нормальные
условия эксплуатации
р- допустимое отклонение
Кр- коэф-т 0,9-стержневая ар-ра 0,8- проволочная ар-ра
-электр-терм. и электро-термо-мех.
l - длина натягиваемого стержня или расстояние между наружными крайними упорами
- механич. способ.
Потери напряжений ар-ре
Напряжение в ар-ых эл-нтах не остается постоянным во времени, в результате потери к-е начинаются с момента их натяжения и развивается в течении всего периода эксплуатации к-ции самые максимальные потери напряжения фиксируются в период передачи усилия с ар-ры на Б-н( в период обжатия). В общем случая рассматривается 2 вида потерий: 1-ые потери(технологические) в момент времени t=tо; 2-ые эксплуатационные t>to
Технологические:
а) Механический способ натяжения
проволока (13,1)
стержневая (13,2)
б) Электро- термический способ, электро- термо- механическмй
(13.3)
(13.4)
Если значение получается с минусом, то в дальнейшем расчетах приравнивают к нулю.
(13,5)
(13,6)
При отсутствии технологии изготовления, можно принять =60°C
(13,7)
(13,8)
L- длина напрягаемого стержня
- обжатие опрессованных шайб, высаженных головок можно принимать равное 2 мм (или по ф-ле)
4) Потери вызванные проскальзыванием напрягаемой ар-ры в анкерных устройствах. (при натяжение ар-ры на Б-Н)
(13,9)
если , то
ap -величина проскальзования, x - длина участка от натягивающего устройства до расчетного сечения; x0 - длина зоны проскальзования
При натяжении на упоры усилие обжатия с ар-ры на Б-н передается за счетсил сцепления и при обеспеченных конструктивных условиях, величина этих потерь приравнивается нулю.
5)Потери вызванные деформациями стальной формы, при закреплении ее на упорах напрягаемой ар-ры
(13,10)
- домкраты
При отсутствии технологии натяжения . При электро- термическом способе, электро- термо- механическом натяжении, эти потери учитываются при определении полного удлинения ар-ры, поэтому =0.
6) Потери вызванные трением ар-ры о стенки каналов или о поверхности Б-ых конструкций
(13,11)
- натяжение на бетон
- угол поворота
7) Потери вызванные трением напрягаемой ар-ры о огибающие приспособления при ее натяжении на упоры.
(13,12)
- усилие обжатия
- ; х- длина участка от натяжного устройства до расчетного сечения; Θ- суммарный угол поворота огибающие приспособления
8) Потери вызванные упругой деформацией Б-на (на уровне напрягаемой ар-ры )
(13,13) (на упоры)
(13,14)(натяж. на Б-н)
- усилие предварительного напряжения с учетом потерь к моменту обжатия Б-на.
- момент инерции Б-ного сечения;
- расстояние между центрами тяжести сечения и центром тяжести напрягаемой ар-ры.
В первом случае эти потери 2-8%, во втором – 1-4%.
Усилие предварительного обжатия к моменту времени t=to действующие непосредственно после передачи усилия с преднапряженной ар-той на Б-н конструкции
(13,15)
при натяж. на упоры
(13,16)
при натяж. на бетон
(13,17)
Эксплуатационные потери
Эксплуатационные потери к к моменту времени t>to дополнительно учитываются к первым технологическим
9) Реологические потери, от усадки и ползучести Б-на, долговременной релаксации ар-ры
(13,18)
(13,19)
10) Потери от смятия Б-на по виткам спиральной или кольцевой ар-ры:
(13,20)
Дext- наружный Ø-р конструкции
11) Потери, вызванные деформацией обжатия стыков между блоками
(13,21)
Среднее усилие предварительного обжатия в момент времени t>tо, с учетом всех потерь
(13,22) (на упоры)
(13,23) (натяж. на Б-н)
Эта величина должна быть
или (13,24)
При расчете по предельным состояниям расчетное усилие предварительного обжатия Pd в водится в расчет с учетом коэф-та =1
Анкеровка предварительно напряженной ар-ры (ПНА)
Напрягаемая ар-ра в ПНК-иях должна иметь надежную анкеровку на кольцевых участках . Установка анкеров если ар-ра натягивается на Б-н, силы сцепления с Б-ном недостаточны и по длине зоны передачи напряжений возможно образование трещин. Установка анкеров не требуется, если использована стержневая горячекатаная переодического профиля проволока S1400, канаты. Однако в процессе закрепления ар-ры на упорах применение временных анкеров. Можно заанкеровать при помощи приваренных шайб цагловых зажимов, высаженных оголовок, высаженных и приваренных шайб, приваренных каратышей
Ø (13,25)
=0,25
-длина участка преднапрягаемой ар-ры
Экспериментальные основы теории сопротивления ЖБК
Основные составляющие при решении задачи связанных с расчетом ЖБК
Основные составляющие при решении задачи связанных с расчетом конструкций:
а) статистическая (динамическая), уст. связь между внешними нагрузками действующих на конструкции и внутр. усилиями в любом ее сечении, условия равновесия
б) геометрическая , связывает перемещения и деформации
в) физическа, заключается в определении закона по к/му σε (напряжения зависят от деформаций).
При эксплуатационных нагрузках з-ны физики неприменимв, т.е. ф-лы сопротивления упругих материалов для ЖБК непригодны, т.к. под нагрузкой помимо упругих свойств он проявляет и пластические. Теория сопротивления ЖБК строится на опытных данных , з-на механики и исходит из действительно напряженно-деформированного состояния элементов на разных стадиях нагружения внешней нагрузкой . На экспериментальной основы были решены основные задачи теории ЖБК (сжатие, растяжение, изгиб, внецентренное сжатие и растяжение, кручение с изгибом, трещиностойкость, и др. ), Продолжаются исследования при сложных видах деформациях.
Стадии ПН состояния нормального сечений изгибаемых элементов(НДС)
Опыты с различными ЖБ эл-ми показали ,что постепенном увеличении внешней нагрузки можно наблюдать характерные стадии НДС. При нагрузки балки с постепенно возрастающей нагрузкой монотонно возрастают деформации в Б-не и ар-ре. Соотношения между этими деформациями определятся условиями деформативности, к-е можно представить в виде плоского поворота нормального сечения (гипотеза плоских сечений) .
Б-н и ар-ра проходят последовательно упругую, упруго- пластическую, а затем и пластическую области работы. При экспериментальном наблюдении за ЖБ балкой выделили 3 стадии НДС:
- ПЕРВАЯ ст. до появления трещин в Б-не растянутой зоны
-ВТОРАЯ ст. после появления трещин в Б-не растянутой зоны
- ТРЕТИЯ ст. стадия разрушения
- ПЕРВАЯ ст.
Первая ст. НДС – нормального сечения характеризует сопротивление ЖБ эл-та работающего без трещин при этом рассматривают 2 промежуточных состояния нормального сечения в зависимости от величины относительной деформации наиболее растянутой грани сечения.
Стадия 1а имеет место на начальных этапах нагружения, когда величина изгибающего момента не велики Б-н в жатой и растянутой зоне сечения работает в области упруго деформации (линейная зависимость). Нейтральная ось (Н.О.) сечения расположена примерно на уровне центра тяжести приведенного сечения. Модели упругости сжатого и растянутого Б-на – начальному модулю упругости. По мере увеличения нагрузки возростают продольные и относительные деформации Б-на в нормальном сечении. В Б-не растянутой зоны развиваются значительные пластические деформации и связь между напряжениями и деформациями становится не линейной наступает стадия 1б, пришедствующая образованию нормальных трещин в растянутой зоне сечения.
Стадия 1 считается завершенной при образовании нормальных трещин и перераспределением усилий между ар-рой и Б-ном. До момента образования трещин роль ар-ры пассивна 10-12% придельных напряжений воспринимает. Таким образом характерные черты Стадии 1 НДС :
1 отсутствие нормальных трещин в растянутой зоне сечения
2 деформации линейно распределены относительно по высоте сечения
3 отсутствует нарушение сцепления ар-ры и Б-на.
- ВТОРАЯ ст.
Ст. 2 характеризует нормальное сечение имеющие нормальные трещины. Н.О. в этом случаи смещается по направлению к более жатой зоне, уменьшая высоту. Существенно возрастает роль ар-ры в основном воспринимающая растягивающие усилия, к/е уравновешенное усилиями в сжатой зоне Б-на и ар-ры Аs2. Первоначально в ст. 2 развитие нормальных трещин по высоте незначительно. По мере увеличения нагрузки образовавшиеся трещины развиваются в глубь сечения еще больше сокрощая высот сжатой зоны. Ст. 2 характеризуется уже нелинейной зависимостью между напряжениями и относительными деформациями в Б-не в сжатой зоне, уменьшается и значения модуля деформации, зависимость между прогибом и моментом становится нелинейной. Таким образом характерные черты Стадии 2 НДС :
1наличие нормальных трещин в растянутой зоне, ширина раскрытия к/х от уровня нагружения.
2 относительные продольные деформации в Б-не и ар-ре , а так же напряжения по длине элемента распределены неравномерно.
Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к переходу испытываемой балки в придельное состояние , т.е. в стадию разрушения 3. При возможно 2 случая разрушения.
- ТРЕТИЯ ст
I-ый случай разрушения – относительная деформация растянутой ар-ры достигает придельных значений, соотвестующие приделу текучести условному или физическому. А относительная деформация наиболее сжатой грани Б-на еще не достигает придела сжимаемости .Трещины развиваются без прироста нагрузки в глубь по высоте сечения, сокращая при этом высоту сжатой зоны Б-на. Разрушения эл-та может начаться при превышении εst >εsy , и закончится при εс >εсu .
Во II-ом случаи относительные деформации сжатого Б-на достигает придельных значений прежде чем растянутая ар-ра , разрушение происходит хрупко по сжатому Б-ну. Такой вид разрушений характерен для переармированных сечений и является опасным. Ар-ра в таких эл –тах растянутой зоны сечения полностью не используется. Проектирование конструкций должно быть гарантировано от наступления разрушения по сжатой зоне сечения. Таким 3 ст. НДС определяет придельное состояние ЖБ элементов по прочности и при проектировании в расчет включают оптимальный случай разрушения, когда одновременно наступает придел текучести в растянутой ар-ре и придельные деформации Б-на в сжатой зоне сеченияю.
По длине пролета рассматриваемой ЖБ балки одновременно при одном уровне напряжений имеет место все рассматриваемые стадии НДС в зависимости от величины изгибающего момента при выполнении расчетов по методу придельного состояния стадия 1б лежит в основе расчета образования трещин. Стадия 2 НДС лежит в основе расчета трещиностойкости и деформаций(2-ое придельное состояние). Стадия 3 НДС - расчет по прочности как правило I-ый случай(1-ое придельное состояние).
Стадии НДС нормального сечения рассмотренные на примере изгибаемой балки будут иметь место в случаи совместного действия момента и продольной силы (М, Nsd) при этом в зависимости от соотношения момента к продольной силы будет изменятся характер распределения деформаций по нормальному сечению, а следовательно и разрушению в ст.3. Для элементов в к/х преобладающий момент (изгибаемые , внецентренно сжатые и растянутые с большим эксцентриситетом) будет иметь место двузначная эпюра деформаций и напряжений, т.е. сечение будет разделено на сжатую и растянутую зону. К таким элементам так же последовательно реализуется все рассмотренные выше НДС и разрушение может произойти точно так же как и в изгибаемой балке по сжатому или растянутому сечению.
Для элементов в к/х преобладающим является продольная сила , растягивающие и сжимающие деформации характеризуются однозначной неравномерной эпюрой распределения ,т.е. все сечение оказывается растянутым или сжатым. Во внецентренно сжатых элементах с малым эксцентриситетом, сопротивление сечения может продолжаться вплоть до разрушения элементов в к/х преобладающие наступления придельного состояния в Б-не сжатой зоны без образования трещин. Но внецентренно растянутых элементах с малым эксцентриситетом (Хtot) после завершения ст.1 сечение сопротивляется с трещинами при отсутствии сжатой зоны сечения. Для внецентренно сжатых с малым эксцентриситетом разрушение элемента произойдет по случаю II ст. 3 (по сжатому Б-ну). Во внецентренно растянутых элементах с малым эксцентриситетом (Хtot) по случаю I ст. 3 (по растянутой ар-ре) (см. рис.)
В условиях центрального приложения продольной силы элемент будет сопротивляться в условиях равномерного распределению по сечению продольных деформаций и напряжений. Тогда прочность центрально сжатых элементов будет рассчитываться по придельным усилиям воспринимаемым сжатым Б-м разрушение пойдет по сл.II ст. 3 .А центрально растянутые элементы по придельным усилиям в растянутой ар-ре сл. I ст. 3. Таким образом в процессе нагружения ЖБ элементов при переходе от одного к другому в качественно новому состоянию постоянно происходит перераспределение усилий воспринимаемых Б-ном и ар-рой в нормальном сечении.
Особенность НДС преднапряженных элементов проявляется главным образом в ст.1. При обжатии преднапряженных изгибаемых элементов под влияением высоких напряжений развиваются неупругие деформации и эпюра сжимающих напряжений принимает криволинейный характер . В процессе последовательного загружения внешней нагрузкой , предварительно сжимающие напряжения погашаются , а возникающие растягивающие напряжения приближаются к временному сопротивлению бетону растяжению.
Эпюры напряжений и деформаций преднапряженного изгибаемого элемента 1-я ст. НДС. При значительном возрастании внешней нагрузки вызывающие образование трещин напряжения в сжатой зоне и высота сжатой зоны увеличиваются. Интервал между 1-ой и 3-ей ст. НДС сокращается. Дальнейшая работа преднапряженного изгибаемого элемента аналогично ненапрягаемой изгибаемой конструкции в 2-ой и 3-ей ст. НДС. Таким образом в процессе нагружения ЖБ элементов при переходе от одного к другому в качественно новому состоянию, постоянно присходит перераспределение усилий воспринимаемых Б-ном и ар-рой в нормального сечения.
Метод расчета сечений по допускаемым напряжениям.
Исторически сформировался. В нем за основу взята: 2 стадия НДС и приняты следцющие предпосылки:
1.б-н растянутой зоны не работает, растягивающие усилия воспринимает ар-ра.
2.б-н сжатой зоны работает упруго, зависимость между и линейная согласно з-ну Гука.
3.нормальные продольные оси, плоские до изгиба, остаются плоскими и после изгиба (гипотиза плоских сечений).
Согласно принятых предпосылок в б-не сжатой зоны принимается треугольная эпюра напряжений и постояннное значение =Es/Ec.
РИСУНОК
Напряжение в б-не и ар-ре при этом методе расчета ограничивались допускаемыми напряжениями, которые устанавливались как некоторые доли временногосопротивления б-на сжатию.
С=0,45fcm S=0,5fyd
Недостаток: отношение к б-ну как к упругому мат-лу, еоторое приводит к излишнему расходу м-ла, не дает возможность проектироавть кон-ции с заранее заданным коэфтом запаса прочности, не позволяет определить истинное напряжение в материалах.
Метод расчета сечений по разрушающим усилиям.
1938г. Метод основывается на 3-й стадии НДС: работа б-на растянутой зоны не учитывается, в расчетные ф-лы вводится предел прочности б-на при сжатии и предел текучести ар-ры вместо допускающих напряжений. При этом отпадает необходимость в . Эпюра напряжений в сжатой зоне принята прямоугольной.
РИСУНОК.
Усилия допускаемые при эксплуатации кон-ций, определялись делением разрушающего усилия на общий коэфт запаса прочности.
Nэкс=Np/k Mэкс=Mp/k
При определении разрушающих усилий эл-тов вместо гипотизы плоских сечений принимается принцип пласттического разрушения (лолейта): предельных усилий оюновременно достигает и б-н и ар-ра (3 НДС случай 1).
Т.о. при расчете сечений методом разрушающих усилий в расчетных ф-лах вводится единый коэфт запаса прочности К. Появляется возможность определить близко к действительности работу кон-ции, но возможность отклонения фактических нагрузок и прочностных характеристик м-лоы от их расчетных значений конкретно не учитывается. Применение высокопрочных материалов также сдерживалось при применении этого метода. Поэтому совершенствуя его с 1955г вводится новый метод расчета сечений по предельным состояниям.
Метод расчета сечений по предельным состояниям.
Прочность сечений по новому методу стала определяться также по стадии 3 НДС. Но безопасность работы под нагрузкой оценивают уже не одним коэфтом запаса, а системой расчетных коэфтов.
При расчете по этому м-дучетко устанавливается предельное состояние кон-ции. Предельным считается состояние, при котором кон-ция пересает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям в процессе эксплуатации, т.е теряет способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения и местные повреждения.
Метод предельных состояний основывается на положениях, которые направлены на обеспечение безопасной работы кон-ций с учетом изменчивости с-в мат-лов, нагрузок и воздействий, геометрических х-к кон-ций, условий их работы и степени ответственности проектируемых объектов.
При расчете по методу предельных состояний выделяют 2 группы придельных состояний:
1 гр. явл наиболее важным и ответственными, т.к предопределяют безопасность кон-ции и включают:
1.расчет по прочности
2.расчет по устойчивости формы и устойчивости положения (опрокидывание, сколььжение, всплытие)
3.расчет на выносливость при многократно повторяющемся действии нагрузки. FsdRrd.
Расчет по предельным состояниям 1-й группы производят из условия, по которому усилия от расчетных воздействий не должны превышать предельных усилий, которые может воспринимать кон-ция в растнутом сечении с трещинами.
Расчеты по предельным состояниям 2-й гр. включают расчеты по образованию, раскрытию и закрытию трещин – рачет по трещиностиойкости.
Расчет по деф-циям, включающий расчет прогибов и перемещений.
При расчете по предельным состояниям 2-й гр проверяют условия согласно которым расчетная ширина раскрытия трещин и величина прогиба не должны установление допустимые значения, указаные в СНБ. Эти значения обуславливают условия нормальной эксплуатации кон-ции.
WkWk,lim akalim
ak – расчетный прогиб.
Вывод: расчеты по предельным состояниям должны с назначенной надежностью гарантировать кон-ции от наступления предельных состояний и первой и второй группы.
При расчете по предельным состояниям учитывают факторы влияющие на изменение нагрузки и механических характеристик материалов, а также благоприятные и неблагоприятные условия изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации конструкции.
Нагрузки (воздействия), механические характеристики материалов, коэффициенты по безопасности нагрузки и материалов устанавливаются в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» и СНБ 5.03.01-02.
В соотвествии с требованиями СНиП 2.01.07-85 в расчетах используют постоянные и временные нагрузки. Разделение этих нагрузок на постоянные и временные производят в зависимости от продолжительности их действия на конструкции.
Постоянные нагрузки: вес несущих и ограждающих конструкций зданий, вес и давление грунтов, воздействия предварительного напряжения. Временные нагрузки, в свою очередь, подразделяются на длительные (А) – вес стационарного оборудования, снеговая нагрузка в зависимости от районов строительства составляющая 0,3…0,6 от полной; кратковременные нагрузки (Б) – вес людей, материалов, деталей при ремонте и обслуживании, нагрузки от подвесных и мостовых кранов, снеговые и ветровые нагрузки (0,4…0,7), температурные и климатические воздействия; особые нагрузки (В) – сейсмические, взрывные, от резкого нарушения технологического процесса.
Помимо этого нормативами устанавливаются по заранее заданной вероятности превышения средних значений или по номинальным значениям нормативные нагрузки.
Они могут быть постоянные и временные.
При расчете конструкции на прочность и устойчивость (первавя группа предельных состояний) используют расчетные нагрузки, которые получают умножением нормативных нагрузок на коэффициент запаса по нагрузке , который находится в пределах от 1,1 до 1,4 (из СНиП 2.01.07-85).
Существуют также различные сочетания нагрузок, которые подразделяют на основные сочетания. Сюда входят постоянные, длительные и кратковременные нагрузки.
Основные сочетания этих нагрузок дополняют коэффициентом сочетаний
Помимо основных сочетаний существует особое сочетание нагрузок, которые включают постоянные нагрузки, длительные, возможные кратковременные и одну из особых нагрузок
Для того, чтобы обеспечить требуемую надежность конструкции необходимо для бетона и арматуры назначить такие величины расчетных сопротивлений, которые были бы не ниже фактических в конструкции.
Изменение прочности материалов имеет случайный характер и подчиняется вероятностно-статистическим законам.
Поэтому для оценки прочностных характеристик бетона и арматуры в методах расчета ЖБК используют вероятностный подход (з-н нормального распределения Гаусса). Исходя из этого закона устанавливают нормативные значения прочности материалов, для которых принимают значение обеспеченности 0,95.
Кроме того в силу неоднородности бетона и стали учесть отклонение статистическим путем по сечениям и длине конструкции не представляется возможным поэтому отклонение прочности материалов в конструкциях, которые могут возникнуть учитывают путем введения специальных частных коэффициентов безопасности по материалу, которые также будут больше 1.
При расчете по второй группе предельных состояний коэффициенты безопасности по нагрузке и материалам принимают =1, т.е. в расчетах используют нормативные значения сопротивления бетона и арматуры и нормативные значения усилий от внешних воздействий.
Определение предельных усилий в ЖБК следут производить на основе расчетных схем (моделей). В наибольшей степени отвечающих действительному характеру работы конструкции в рассматриваемом предельном состоянии.
При расчете конструкций по первой группе предельных состояний используют линейно-упругий, нелинейный и пластические методы расчета.
При расчете по второй группе предельных состояний при определении усилий применяют, как правило, линейно-упругие или нелинейные методы.
Линейно-упругий (выполнение закона Гука)
Нелинейный метод расчета учитывает упругопластический характер деформаций конструкции и позволяет более реально определить распределение усилий в сечении.
Пластические методы расчета – допускается, что конструкция не подвергается никаким деформациям и ведет себя под нагрузкой, как идеально жесткое тело.
Упругими деформациями бетона и арматуры пренебрегают.
Расчеты ЖБК предусматривают при использовании выше перечисленных методов применять следующие расчетные модели.
Модель сечений, нормальных к продольной оси, наклонных к продольной оси и пространственную или блочную и стержневую модель, осевую, плоскую, пространственную.
В общем случае расчеты ЖБК на действие M и N любой формы поперечного сечения с любым расположением арматуры по сечению, с любым приложением внешних воздействий по первой и второй группам предельных состояний производят на основе общей деформационной расчетной модели сечений.
Эта модель предусматривает совместное использование:
При использовании деформационной расчетной модели критерием исчерпания прочности ЖБК по нормальному сечению принято условие достижения сжатым бетоном и растянутой арматурой предельных относительных деформаций, которые устанавливаются СНБ и не должны превышать для сжатого бетона центрально сжатого сечения 2%o, изгибаемые и внецентренно сжатые сечения 3,5%о, во всех промежуточных ситуациях на уровне 3/7 h - 2%o.
Относительная деформация арматуры должна удовлетворять условию
, но меньше 10%o
Расчет прочности нормальных сечений простой симметеричной формы (прямоугольные, тавровые, двутавровые) с арматурой сосредоточенной у наиболее растянутой и наиболее сжатой и усилиями действующими в плоскости симметрии сечений допускается производить по альтернативной модели (по предельным усилиям), которая использует только лишь:
Расчет изгибаемых элементов по нормальному сечению с одиночным армированием по первому предельному состоянию (по несущей способности).
А) по деформационной модели
Б) по альтернативной
а) б)
Схема прямоуг. сжимаемого элемента с одиночным армированием.
А) относит. деформаций
Б) относит. напряжений
В изгибаемых элементах прямоугольного сечения расчетный момент Мsd вызванный действием внешних нагрузок должен быть меньше либо равен Мrd; Мsd<Mrd, деформации бетона и арм-ры должны быть в пределах допустимых значений, в этом случае прочность нормальных сечений изгибаемых элементов будет обеспечена.
При расчете прочности изгибаемого элемента с одиночным армированием по деформационной модели необходимо прежде всего определить величину равнодействующей в бетоне сжатой зоны сечения и ее точку приложения в пределах сжатой зоны.
При расчете таких сечений изгибаемых элементов, опред-ные усилия в бетоне сжатой зоны должны быть уравновешены усилиями в растянутой арматуре.
Для расчета прочности используется расчетная линейно-параболич. Диаграмма, связывающая напряжения и относительные деформации в сжатой зоне.
При этом значение деформации в бетоне должно:
ФОРМУЛЫ!!!
Для вычисления равнодействующей в бетоне сжатой зоны удобно пользоваться средними напряжениям равномерно распределенными по высоте сжатой зоны сечения.
Тогда в общем случае среднее напряжение в сжатой зоне сечения равны
А2- площадь за границей сжатой зоны
Кf2-коэф. Полученный интегрированием зависимости σ,ε на участке от 0 до ω.
Точки приложения равнодействующей усилий в сжатой зоне сечения определяет:
Для других классов бетонов К2 определяют аналогично.
При установленном значении средних напряжений и положения равнодействующей сжимающих усилий определяет высоту сжатой зоны бетона из условия равновесия, моментов относительно растянутой ар-ры. Предварительно установив также значения величины относительно плеча пары сил (η).
Относительно деформации (εst) растянутой ар-ры определяют с целью сравнения их с предельными значениями, через использование гипотезы плоских сечений и полученные значения формулы(17)
Гипотеза плоских сечений относительно деформации по высоте сечения изменяется пропорционально расстояниям от рассматриваемой фибры до нейтральной оси.
Если это условие не выполняется, это означает, растяжение ар-ры в сечении не доиспользуется и имеет место хрупкое разрушение по бетону сжатой зоны (опасное).
При выполнении условия сечение работает при полной используемой растянутой продольной ар-ры в области2, разрушение сечения произойдет по растянутой зоне.
Граничные значения высоты сжатой зоны при которой выполняются эти условия называется:
Подставляя значение Хlim; Мrd можно определить значение λm,lim.
Которая будет равна:
Расчет прочности нормальных сечений ЖБК по методу предельных усилий(альтернативная модель).
Расчет прочности нормальных сечений простой геометрической формы(прямоуг., тавровые, двутавровые в которых силы действуют в плоскости симметрии, а ар-ра расположена у наиболее сжатых и наиболее растянутых граней сечения. Используют, только уравнения равновесия всех предельных сил и уравнения равновесия усилий относительно выбранной оси.
При этом сжимающие напряжения считают равномерно расположенными по высоте сжатой зоны сечения (прямоугольная эпюра напряжений).
Прочность конструкции по этому методу расчета определяется предельными усилиями в сжатом бетоне, в сжатой ар-ре и растянутой ар-ре.
При этом считают что разрушение конструкции должно происходить пластически (принцип Лолейта). Характер разрушения сечений предопределен поведением растянутой ар-ры деформации, а следовательно и напряжения в которой зависят от высоты сжатой зоны сечения.
Эксперементом утановлено что в предельном состоянии связь между приращениями относительной деформацией ар-ры и относительной высотой сжатой зоны сечения Хeff/d-ξ в общем случае имеет вид гиперболы.
ω-характеризует полноту эпюры напряжений в сжатом бетоне
Из графика вдно что с увеличением ξ,ε s- уменшается проходя через 0 и испытывая деформации укорочения.
Напряжения в продольной ар-ре σs определяется также по гиперболической зависимости от высоты сжатой зоны. Значение σs определяют по деформациям
Значение ξlim относительной высоты сжатой зоны, при которой продольное состояние элемента наступает одновременно с достижением растянутой ар-ры σs=fyd
σs,lim= fyd.-для ар-ры S240,S400,S500.
σsc,u-предельн. Напряжение в ар-ре сжатой зоны сечения принимаемая 500 Н/мм.
Таким образом, если ξ< ξlim растянутая ар-ра достигает предела текучести и тем самым реализуе принцип пластического разрушения. Если ξ>ξlim разрушение будет происходить, по сжатому бетону(хрупко).
Расчетные уравнения методом предельных усилий.
А) Изгибаемые элементы
Прочность изгиб. Элементов имеющих как min одну плоскось смметри и изгибающхся в этой плоскости определют из условия Msd<Mrd
При этом условная высота сжатой зоны опред-ся з уравнения
При этом должно выполнятся условие ξ< ξlim Хeff<ξlim*d
Если это условие не выполняется, то для элементов из бетона C25/30 и ниже с ар-рой S240,S400,S500, производят дальнейший расчет из условия Хeff=ξlim*d
При расчете сечений имеющих полку в сжатой зоне следует ограничивать значение ее расчетной ширины Вf, из условия что размер свеса полки в каждую сторону от ребра должен быть не более1/6 пролета инее более:
-при наличии поперечных ребер, или при hf>0.1h –1/2 расстояния в свету.
-при 0.05h<hf<0.1h -3hf
-при hf<0.05h -свесы не учитываются.
Расчет изгиб. элементов имеющих тавровое или двутавровое сечение следует производить соблюдая условие:
А) Если граница сжатой зоны находится в пределах высоты сжатой полки
Расчет производят как для прямоуг. сечения Bf*d
Б) Если граница сжатой зоны проходит вребре расчет производим
Расчет ЖБ элементов по прочности наклонных сечений.
Усилия, действующие в наклонных поперечных сечениях и форма разрушения сечений.
В общем случае при опорных сечениях ЖБК (модель-балка) могут одновременно действовать поперечная сила, момент и продольная сила. В отличие от раннее рассматриваемой зоны чистого изгиба, где действуют главным образом нормальные напряжения.
Т.е. приопорная зона ЖБК работает в условиях плоского напряженного состояния при совместном действии, нормальных касательных напряжений, что приводит к образованию наклонных или диагональных трещин ориентированных под некоторым углом θ к направлению продольной растянутой арматуры.
Первоначальное положение трещин определяется траекториями главных растягивающих напряжений.
Экспериментальные исследования показали, что начальный угол наклона диагональных трещин не остается постоянным, в процессе нагружения он развивается в обе стороны пересекая продольную растянутую арм-ру под углом θ от 30 до 60º.
Т.о. при совместном действии момента и поперечн. сил в ЖБ элементе возникает система наклонных или диагональных трещин разделяющих элемент на отдельные блоки.
Эти блоки связаны между собой в нижней зоне растянутой продольной ар-рой, а над вершиной трещины уцелевшей частью сжатого бетона и поперечной арм-рой.
Схема наклонного сечения и действующие усилия в нем.
В общем случае по линии АВС в расчетном наклонном сечении действует Fcc1 и Vcd – составляющая сbл в бетоне сжатой зоны над наклонной трещиной.
Vax и Vay – составляющие поперечной силы, возникающие за счет зацепления по краям трещины.
Vd – составляющая поперечных сил возникающая в растянутой ар-ре от нагельного эффекта.
Vsw – поперечная сила воспринимаемая поперечной ар-рой или хомутами.
В результате раскрытия трещин величина поперечной силы Vsw достигает предела текучести и величина поперечной силы достигает Vsw=const (Vu—>0).
В балке вплоть до разрушения сохраняется равновесие между внешней поперечной силой Vsd и суммой составляющих сопротивления наклонного сечения.
При расчете наклонных сечений учитывают характер разрушения балки и величину двух составляющих Vсd и Vsw. В отдельных упрощенных расчетах используются лишь значения Vsw.
Разрушение ЖБ балки по наклонному сечению имеет одну из четырех перечисленных форм.
Формы разрушения ЖБ балки по наклонным сечениям.
Виды расчетных моделей, используемые при расчете прочности наклонных сечений.
При расчете наклонных сечений по прочности при совместном действии изгибающих моментов продольных и поперечных сил, нормы допускают применение упрощенных идиализированных моделей.
1)Общая деформационная модель для наклонных сечений(общий метод) с диагональными трещинами, которые включают уравнения равновесия и условия совместности деформаций для ЖБ элемента в условиях плоского напряженно деформируемого состояния. Модель предусматривает рассмотрения диаграмм деформирования бетона в элементе с диагональными трещинами и ар-ре. Рассматриваются также зависимости связывающие касательные напряжения и перемещения в сечении вдоль диагональных трещин.
2)Модель наклонных сечений включающая уравнения равновесия внешних и внутренних сил в расчетном наклонном сечении.
3)Стержневая модель включающая сжатые и растянутые пояса соединенные между собой сжатыми и растянутыми подкосами(модель ферменной аналогии ) использующая уравнение равновесия внешних и внутренних сил в наклонном сечении.
Принципы расчета ЖБК по прочности наклонных сечений
Для того чтобы выяснить необходимость расчета поперечной арм-ры необходимо проверить прочность наклонного сечения на действие поперечных сил в котором отсутствует поперечная вертикальная или отогнутая наклонная арм-ра, т. е. проверить условие Vsd<Vrd,ct (1)
(17.1)
Но не менее (17.2)
;
Формула (17.1) имеет империческую основу и включает ряд конструктивно технологических факторов, влияние прочности бетона при срезе, пролета среза, размеров элемента наличие или отсутствие продольных сил.
σср – это влияние вызванное действием продольной нагрузки или предварительным напряжением σср=NED/Ac
Для участков конструкции формула (17.1) претерпевает изменение в зависимости от вида нагрузки и расстояния ее приложения. Нагрузка может быть (равномерно распред., сосредоточенной)
В конструкциях, где условие, определенное формулой (17.1) и (17.2) выполняется для конструкции, где Vsd<Vrd расчет поперечной арм-ры не производиться ее устанавливают с учетом конструктивных требований согласно значения min % армирования оперенной арм-ры.
Если условие не выполняется расчет производят поперечной арм-ры ли хомутов в соответствии с одной из принятых моделей наклонных сечений.
Для практических инженерных расчетов используют модель наклонных сечений, ее приближенный метод расчета в соответствии с которым расчет по сжатой и растянутой зонам наклонной трещины выполняют независимо друг от друга, при этом для оценки прочности по сжатой зоне используют уравнение равновесия поперечных сил на ось x, считая что разрушение по сжатой зоне происходит при преимущественных деформациях сдвига, а по растянутой зоне разрушение происходит при преимущественных деформациях от поворота двух блоков разделенных наклонной трещиной.
Поэтому нормами рассматривается два случая расчета:
1) Расчет по наклонному сечению на действие поперечных сил
2) На действие по наклонному сечению изгибающих моментов
1 Расчет элементов по первому случаю с преобладанием в наклонном сечении(по наклонной трещине)производится из условия :
Схема усилий в сечении наклонном к продольной оси элемента при расчете его на действие поперечной силы.
усилие поперечные, воспринимаемые бетоном под вершиной наклонной трещины.
сумма проекций на нормаль продольной оси элемента, перед. усилий в поперечных стержнях(хомутах)- щих опасную наклонную трещину.
сумма проекций на нормаль продольной оси элемента, перед. усилий отгибов - щих опасную наклонную трещину.
линейное усилие в хомутах
2 Расчет элементов на действие изгибающего момента для определения прочности наклонного сечения.
Схема усилий в сечении наклонном продольной оси элемента при расчете его по прочности на действие изгибающего момента.
, т.е. момент воспринимаемый в наклонном сечении ,т.е. его внутр. усилия склад. из - момента относительно оси, проходящей ч/з т.А в продольной арматуре , - щей наклонную трещину; момент относительно той же оси от усилий в хомутах , - щих растянутую зону наклонного сечения. В случае армирования хомутами, нормальными к продольной оси элемента с равномерным шагом ,его можно определить по формуле:
момент относительно той же оси от усилий в отгибах,- щих растянутую зону наклонного сечения.
Высота сжатой зоны наклонного сечения определяется из условия равновесия проекций на продольную ось элемента , усилий в бетоне сжатой зоны и в арматуре, - щей растянутую зону наклонного сечения.
Расчет в наклонных сечениях на действие момента следует производить в местах обрыва или отгиба продольной арматуры , в приопорной зоне балок и у свободного края консолей или в местах резкого изменения конфигурации сечения.
Расчет наклонных сечений по стержневой модели производим в соответствии с алгоритмом (см.пр.р.)
Сжатые элементы
Определение расчетного эксцентриситета
При расчете прочности сжатых элементов в расчет вводят эксцентриситет, который определяется по формуле:
- расчетный эксцентриситет
- эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести сечения
случайный эксцентриситет , принимаемый равным большему значению из 3-х:
1 ; где расчетная длинна или расстояние м/ду точками закрепления элемента
2 где высота сечения элемента в плоскости действия расчетного момента
3 для монолитной к-ции стен и оболочек; для сборных к-ций
В центрально сжатых элементах за расчетный эксцентриситет принимают , где наиб. случайный эксцентриситет из 3-х.
В расчетах монолитных к-ций выполненных в условиях строит. бетонных к-ций допускается принимать равным для , а общий эксцентриситет
эксцентриситет , вызванный ползучестью бетона
Расчет центрально сжатых ж/б элементов Для расчета сжатых ж/б элементов необ. соблюдение этого условия
коэф. , учитывающий влияние продольного изгиба и случайных эксцентриситетов , принимается по таблице или рассчитывается.
высота сечения элемента
сумма всех эксцентриситетов
полная площадь продольной арматуры в сечении
Сечение центрально сжатых ж/б элементов будет представлять собой квадрат, кольцевое сечение с симм. армированием. Площадь арматуры в центрально сжатых ж/б элементах определяют преобразуя ф-лу N-1
Для сжатых элементов применяют арматуру класса :
- для рабочей арматуры S-400, S-500
- для хомутов или поперечной арматуры S-240, S-400
- бетон класса и выше
Расчетная схема усилий:
Для центрально сжатых ж/б элемента:
Внецентренно-сжатые ж/б элементы
Схема усилий и эпюра напряжений в сечении , нормальном к продольной оси элемента при расчете его по прочности в случае больших эксцентриситетов.
При расчете сечений внецентренно-сжатых ж/б элементов следует различать 2 случая :
1 случай больших эксцентриситетов, когда
2 случай малых эксцентриситетов, когда
Расчет таких элементов следует производить из условия как для элементов ,принимая
Высоту сжатой зоны сечения определяют из формулы:
(2)
В случае малых эксцентриситетов расчет допускается производить из выше записанного условия ; но при этом для бетона по прочности и ниже в формуле (2) заменяется на , которое равно :
Для бетонов класса по прочности и выше при расчет производят по деформационной модели.
В сжатых элементах для усиления прочности бетона (колонны по торцам усиливаются косвенным армированием – сетками или спиралями), поэтому в расчетах сопротивление бетона заменяют на приведенные сопротивления бетона :
При армировании сварными сетками значение приведенной прочности бетона определяют как сумму сопротивления бетона на этом участке и сеток косвенного армирования .
расчетное сопротивление арм. сеток
коэф. арм. сеток
коэф. Косвенного армирования
Учет влияния гибкости сжатых элементов на их несущую способность
При расчете сж. элементов д.б. гарантия что при наиболее невыгодных комбинациях нагрузок не производить потери устойчивости всей системы или ее отдельных элементов. Поэтому при расчете ст. к-ций учитывается влияние гибкости и начальных несовершенств сж. элементов. Гибкость сж. элементов и зависимость от расчетной длинны сж. элемента и радиуса инерции.
приним. По табл. СНБ для колонн многоэтажных зданий рассчитывается по формуле
расстояние м/ду вн. границами гориз.элементов перекрытий обеспечивающих гориз. потдержку колонны в рассм. направлении.
зависит от коэф. жесткости сопрягаемых элементов и определяется по формуле или монограмме
Гибкость влияет на величину расчетного эксцентриситета
Растянутые элементы
1 Центрально-растянутые элементы
2 Внецентренно-растянутые элементы
1) Центрально-растянутые элементы – элементы в которых точка приложения расчетной силы N совпадает с точкой приложения равнонод. усилий в продольной арматуре.
Центрально-растянутыми элементами явл. Затяжки арок и растянутые элементы решетки ферм, стенки круглых резервуаров. Продольная напряг. и ненапряг. арматура в центрально-растянутых элементах предназначается для восприятия растягивающих усилий.
2)При проектировании центрально-растянутых элементов используют высокопрочную арматуру S - 800,1200,1400
Внецентренно-растянутые элементы – элементы у которых действие внешней растягивающей силы N не совпадает с линией действия равнонод. усилий. Внецентренное-растяжение возникает в нижних поясах бескаркасных ферм, бункерах, силосах.
Если расчетная продольная сила приложена за пределами расстояния м/ду арматурой и - случай больших эксцентриситетов
В этом случае расчет прочности сечения производят принимая прямоугольные эпюры направленные в сж. Зоне бетона как для изгибающих эдементов
Если полученная из расчета высота в расчет подставляем
по формуле или табл.
Каменные и армокаменные конструкции.
“Каменные и армокаменные конструкции” СНиП II-22-81.
1. Общие сведения
Каменная кладка состоит из искусственных или природных камней, объединенных в монолитный материал с помощью раствора.
Достоинством каменной кладки являются: огнестойкость, хорошая тепло и звукоизоляционная способность, долговечность, незначительные эксплуатационные расходы (наружн. и внутр. стены, столбы, фундаменты и т.д.)
К недостаткам каменной кладки относится большая собственная масса, большие затраты ручного труда при возведении. Для устранения этих недостатков каменную кладку во многих случаях проектируют из крупных блоков, панелей с большой степенью заводской готовности.
Для увеличения сопротивления внешним силовым воздействиям кладка армируется стальными продольными стержнями, сетками или железобетоном (рис. 1)
Рисунок 1 – Виды кладки
а) с поперечным сетчатым армированием; б) с продольным армированием; в) комплексные конструкции
Конструкции из армированных кладок называют армокаменными (рис. а и б), а из кладки и совместноработающего бетона – комплексными.
2. Материалы для каменных конструкций
Для каменных конструкций применяют искусственные и природные камни.
Искусственные камни:
- кирпич керамический сплошной (несущие стены, столбы), керамический пустотелый (наружные стены отапливаемых зданий), керамические и бетонные камни, блоки из тяжелого бетона (стены и фундаменты).
Природные камни из тяжелых пород (известняки, песчаники, граниты (облицовка стен, кладка фундаментов);
камни легких пород: туф, известняк, ракушечник (в некоторых районах возводят стены).
Основной характеристикой каменных материалов является прочность (марка) кгс/см2
М 250-1000 – высокопрочные
75-200 – средней прочности
4-50 – низкой прочности
К каменным материалам также предъявляются требования по МРЗ, водостойкости, объемной массе, % пустотности (наружные стены, фундаменты).
МРЗ установлены для каменной кладки от 10 до 300.
Наиболее часто применяются МРЗ 15 – МРЗ 50.
Растворы для каменных кладок. В зависимости от применяемого вяжущего различают следующие виды:
Прочность раствора также характеризуется его маркой (7,07 см ребро куба, на 28 сутки). Нормами установлены марки марки от 4 до 200. Для наружных стен назначают марку раствора не ниже 10, для цоколей при влажном грунте не ниже 25.
3. Прочность каменной кладки
Прочность каменной кладки зависит от прочности и вида камня и раствора, возраста кладки, её качества и др. факторов.
Камни и раствор в кладке находятся в условиях сложного напряженного состояния из-за неровной поверхности кирпича или камня, а также неодинаковой толщины и плотности раствора.
Различают прочность кладки при сжатии, растяжении, срезе, местном смятии.
В расчет вводят сопротивления кладок различных видов на растворах разных марок, установленные в результате статистической обработки испытаний образцов. Прочность по не перевязанному сечению ниже, чем по перевязанному.
При расчете стен, столбов, простенков применяют прочность кладки при сжатии R. Эта характеристика всегда меньше прочности камня, какой бы высокопрочный не был раствор.
При расчете цилиндрических резервуаров используется прочность при осевом растяжении кладки – Rt;
При расчете обсыпных подпорных стен используются также расчетный сопротивления кладки на растяжение при изгибе Rtb и срезе Rsq.
Все перечисленные сопротивления приведены в нормах.
4. Деформативность каменной кладки
Как и в бетоне деформации кирпичной кладки под нагрузкой складываются из упругой и неупругой , проявляемые при длительном действии нагрузки. Основным их источником являются деформации ползучести, развивающиеся в растворных швах.
При (1)
где Ru – временное сопротивление кладки сжатию, кладка работает упруго.
Для неармированной кладки деформации выражаются начальным модулем упругости
, (2)
где - упругая характеристика кладки
,
где K – коэффициент зависящий от вида кладки
Для армированной кладки
(3)
При более высоких напряжениях модуль деформаций становится переменной величиной, равной в каждой точке кривой секущего модуля деформации
(4)
При расчете конструкций по прочности в соответствии с нормами
(5)
При определении деформации кладки от продольных или поперечных сил, периода колебания каменной кладки, жесткости, модуль деформации принимается равным
(6)
Особенности расчета каменных и армокаменных конструкций
Расчет каменных и армокаменных конструкций ведут по методу предельных состояний: первая – по несущей способности (прочности и устойчивости), вторая – по образованию и раскрытию трещин и по деформациям.
По I группе предельных состояний расчет выполняют для всех видов конструкций и всегда, по II группе предельных состояний – для конструкций, где не допускаются трещины или ограничена ширина их раскрытия.
Цель расчета – подбор сечений элементов конструкций или проверка имеющихся сечений.
Расчетную несущую способность определяют в зависимости от геометрических размеров сечения, расчетного сопротивления кладки R и коэффициентов условий работы.
Расчетное сопротивление определяют с учетом разброса механических свойств с помощью коэффициента и равно:
(7)
где Ru – временное сопротивление кладки
=2 – при работе кладки на сжатие
=2,25 – при работе кладки на растяжение
В расчеты также вводятся коэффициенты надежности по нагрузке и коэффициенты условий работы
Расчет по несущей способности производят из условия:
(8)
где F – расчетное усилие
Fu – расчетная несущая способность элемента
Вычисленные напряжения, деформации и ширина раскрытия трещин не должны превышать предельных значений, установленных СНиП II-22-81
Расчет неармированных конструкций
Расчет прочности центрально-сжатых элементов по несущей способности производят в предположении равномерного распределения напряжений по сечению по формуле:
(9)
где N – расчетная продольная сила;
mg – коэффициент, учитывающий снижение несущей способности вследствие ползучести кладки;
- коэффициент, учитывающий снижение несущей способности элемента за счет продольного изгиба, зависящего от гибкости элемента и упругой характеристики кладки ;
А – площадь поперечного сечения элемента
- отношение расчетной длины к радиусу инерции сечения
- для прямоугольного сечения (h – наименьший размер сечения)
В элементах (стенах и столбах многоэтажных зданий), имеющих неподвижные горизонтальные опоры этажа.
В элементах, имеющих упругую верхнюю опору (стенах и столбах одноэтажных промышленных зданий)
- для многопролетных зданий
- для однопролетных зданий
- в свободностоящих стенах и столбах
Значение коэффициентов и т.д. определяют согласно условий защемления концов элемента в зависимости от расположения расчетных сечений по высоте l0.
Подбор сечения сжатых элементов производят путем последовательных приближений.
Предварительно определяют по нормам расчетное сопротивление кладки сжатию, задавшись маркой и видом камня и раствора. Размеры столба или стены вычисляют по формуле (9) при mg=1 и =0,9.
По найденным размерам определяют гибкость элемента, уточняют по СНиП II-22-81 “Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования” значения mg и и производят повторный расчет.
Расчет прочности внецентренно сжатых элементов
Если продольная сжимающая сила N приложена с эксцентриситетом или в сечении одновременно действует центрально-приложенная сила N и изгибающий момент М, то конструкции каменных зданий работают как внецентренно сжатые ( - эквивалентно одной силе N).
При малых эксцентриситетах – все сечение сжато (рис. 2.2, а). По мере увеличения - возникает растяжение (рис. 2.2, б). Когда эти растягивающие напряжения превысят прочность шва на растяжение, образуются трещины (рис. 2.2, в).
При этом под нагрузкой работает сечение высотой h-t и эксцентриситет уменьшается на величину t/2.
При расчете прочности внецентренно сжатых элементов используют эмпирические формулы, основанные на следующих допущениях:
Расчет внецентренно сжатых элементов производится по формуле:
(10)
(11)
- коэффициент, принимаемый в зависимости от гибкости и видов кладки; для керамического кирпича при (принимается по нормам)
- расчетная продольная сила от длительной нагрузки
- эксцентриситет от действия длительной нагрузки
- коэффициент продольного изгиба, равный среднему арифметическому между коэффициентом продольного изгиба для всего сечения высотой h и коэффициентом продольного изгиба для сжатой части сечения высотой hc
для прямоугольного сечения hc=h-2
При расчете несущих и самонесущих стен толщиной 25 см и менее следует учитывать случайный эксцентриситет , равный
2 см – для несущих стен;
1 см – для самонесущих.
В дальнейших расчетах этот эксцентриситет суммируется с эксцентриситетом (от продольной силы)
Площадь сжатой зоны сечения (прямоугольного) определяют по формуле
(12)
при .
Небольшое раскрытие трещин допускается в:
При несоблюдении этого неравенства помимо расчета прочности необходим расчет кладки по раскрытию трещин.
Также предусмотрено минимальное расстояние 2 см от линии действия силы до более сжатого края сечения, а наибольшая величина эксцентриситета + не должна превышать:
|
Во внецентренно сжатых без продольного армирования в раст. зоне |
Для стен толщиной 25 см и < |
|
|
Для основных сочетаний нагрузок |
0,9 y |
0,8 y |
|
Для особых сочетаний нагрузок |
0,95 y |
0,85 y |
Расчет на смятие (местное сжатие)
При действии нагрузки на ограниченную область в кладке возникает местное сжатие или смятие. При этом несущая способность сечения определяется из условия:
, (13)
где - величина местной нагрузки;
- коэффициент полноты эпюры давления от местной нагрузки равномерно распр. =1, треугол. =0,5
- коэффициент, учитывающий пластическую работу материала (для кирпичн. и виброкирп. кладки =(1,5-0,5));
- расчетное сопротивление при местном смятии , где . Учитывая максимально допустимое значение (от вида кладки и схемы расположения). - расчетная площадь сечения кладки (по всей ширине b). - расчетное сопротивление кладки сжатию.
- площадь смятия
Для кладки из кирпича и бетонных камней допускается , если под опорами изгибаемых элементов не требуется установка распределительных плит.
Расчет прочности изгибаемых элементов
Стены здания между колоннами, подпорные стенки с контрфорсами (верт.) и т.п. конструкции работают на изгиб. Проектирование предусматривает их изготовление из кладок, работающих только по перевязанному сечению.
При этом кладку рассматривают как упругий материал, а сечение рассматривают на действие изгибающего момента M и поперечных сил Q. При действии M должно выполняться условие:
(14)
где - расчетное сопротивление кладки растяжению по перевязанному шву;
W – момент сопротивления кладки при упругой её работе.
При действии Q должно выполняться след. условие:
(15)
где - расчетное сопротивление кладки главным растягивающим напряжениям при изгибе, численно равным ;
b – ширина сечения
z – плечо пары сил; z=2h/3 – для прямоуг. сечения
Расчет по образованию и раскрытию трещин (швов кладки) внецентренно сжатых элементов ()
При этом расчете определяют краевые напряжения в сечениях по неперевязанному шву, в предположении упругой работы кладки, которые не должны превышать расчетного сопротивления кладки неперевязанному сечению, умноженному на коэффициент условий работы:
(16)
где - расчетная продольная сила;
W – момент сопротивления сечения;
- коэффициент условий работы, зависит от предположительного срока службы конструкции, характера и условий работы, определяемый по нормативу. Полагая, что , преобразуя формулу (16), получим:
(17)
где - момент инерции сечения;
(h-y) – расстояние от центра тяжести сечения до наиболее удаленной растянутой грани
Конструкции, в которых по условиям эксплуатации не может быть допущено появление трещин в штукатурке покрытий или других, должны быть проверены по допускаемым деформациям растянутых поверхностей на действие нормативной нагрузки, приложенных после нанесения покрытия.
При осевом растяжении:
(17)
при внецентренном сжатии
(18)
Е – модуль деформации кладки
- передельная деформация кладки, назначается от вида штукатурки. При изгибе
Армокаменные конструкции
1. Сетчатое армирование (поперечное)
В кирпичных столбах и простенках малой гибкости при усиливают каменные сжатые элементы поперечным армированием сетками. Арматурные стержни сеток, работая на растяжение повышают несущую способность кладки и препятствуют её расширению в поперечном направлении (особенно эффективно в центрально сжатой кладке).
Для изготовления сеток используется арматура из сталей классов A-I (S240), Вр-I (S500).
При диаметре проволоки 3…6 мм применяются прямоугольные сетки (рис. 2.5, а). Расстояние между стержнями c1 и c2 должно быть не более 12 см и не менее 3 см. Сетки зигзаг (рисунок 2.5, б) укладывают в двух смежных горизонтальных швах так, чтобы направление стержней было взаимно перпендикулярно.
Наибольший диаметр проволоки 8 мм. Сетки укладывают по высоте кладки S не реже чем через 5 рядов кладки из обыкновенного кирпича или 40 см для других видов камней. Степень насыщения кладки сетчатой арматурой характеризуется процентом армирования кладки по объему ().
Для сеток с квадратными ячейками
(19)
где - площадь сечения арматуры;
с – размер ячейки;
S – расстояние между сетками по высоте
Расчет элементов с поперечным армированием при центральном сжатии аналогично расчету центрально сжатых неармированных элементов
(20)
См. обозначения ф-лы (9)
- расчетное сопротивление при центральном сжатии для армированной кладки из кирпича марки М25 и выше:
(21)
для кладки на растворе ниже М25:
(22)
R1 – расчетное сопротивление сжатию неармированной кладки в указанные сроки твердения
RS – расчетное сопротивление арматуры с учетом коэффициентов работы. A-I и Вр-I
R25 – расчетное сопротивление кладки при марке раствора 25
Продольное армирование
Продольная арматура может быть установлена внутри кладки (рис. 1, б) или снаружи. Марку раствора применяют не ниже 50; арматурную сталь классов A-I-A-III и Вр-I. Во всех случаях продольная арматура связывается с кладкой хомутами, расстояние между которыми в сжатых элементах должно быть:
- снаружи 15d
- внутри 20d
Т.к. работа армокаменных конструкций с продольным армированием аналогична работе ЖБК того же типа, поэтому расчет их производят по той же методике, что и ЖБК.
Однако в центрально сжатых и изгибаемых элементах сопротивление кладки используется лишь на 85%, поэтому в расчеты сопротивления кладки вводят коэффициент работы 0,85
Для центрально сжатых элементов:
(23)
Продольная арматура применяется в центрально сжатых элементах в виде исключения (выгоднее увеличить сечение или армировать сетками).
Для возведения комплексных конструкций (применяются редко в сейсмических районах) (рис. 1, в) применяют бетон класса B7,5…B10, арматуру A-II и A-III. Площадь сечения арматуры должна быть не менее 0,2% и не более 1,5% площади сечения бетона.
Центрально сжатые:
(24)
Расчет изгибаемых элементов по наклонному сечению
Расчет конструкции по наклонному сечению производят от совместного действия поперечных сил, момента и, если имеются, продольных сил. Расчет таких сечений производят отдельно на действие момента и отдельно на действие поперечных сил. При расчетах учитывают, каким путем пойдет разрушение наклонного сечения:
Во всех случаях поперечная арматура должна быть использована до предельного значения, т.е. до fsay. Важно также учитывать, чтобы не разрушился и бетон между наклонными трещинами. В сечении вплоть до разрушения должно сохраняться равновесие, т.е. поперечная сила от внешних нагрузок Vsd – поперечное усилие сжатой зоны над трещиной, поперечной силы Vd воспринимаемой частично растянутой арматурой и Vsw – усилиями, воспринимаемыми поперечной арматурой. Расчетом, как правило, учитывается Vcd и Vsw.
На практике используют расчет на действие поперечной силы по наклонному сечению. В результате этого расчета определяют поперечную силу, которую могут воспринимать поперечная арматура и бетон работая совместно /альтернативный метод расчета/.
(тяжелый бетон)
- учитывает работу сжатой полки таврового сечения
S240, S400, S500 (класс А для хомутов)
S=50500
Sopt=100150 мм А=2 диаметром (68 мм)
Приняв поперечную арматуру и проверив усилия в наклонном сечении от совместной работы бетона сжатой зоны и поперечной арматуры проверяют условие обеспечения прочности по наклонной сжатой полосе бетона между трещинами
;
Изгибаемые элементы прямоугольного сечения с одиночным армированием. Подбор арматуры по деформационной модели.
Критерием исчерпания прочности ЖБК по нормальному сечению при использовании деформационной расчетной модели принято условие достижения деформаций сжатого бетона и растянутой арматуры их предельных значений
При этом предельные относительные деформации бетона находятся в пределах 3,5%о (табл. 6.1 СНиП). При расчете прочности прямоугольных сечений необходимо в первую очередь определить величину равнодействующей в бетоне сжатой зоны сечения и её точку приложения в пределах сжатой зоны. При расчете используют линейно-параболическую диаграмму, связывающую напряжение и деформации.
Для определения средних напряжений в сжатой зоне бетона и точке приложения равнодействующей:
Для
Алгоритм решения:
Алгоритм расчета прямоугольных сечений с двойным армированием:
1. Подбор арматуры с двойным армированием изгибаемого элемента начинают с определения её минимального количества, располагаемого в сжатой зоне сечения
где при - арматура использована полностью
при
2.
если или , то сжатая арматура по расчету не требуется.
3. При найденной определяем величину относительного плеча пары сил:
и величину равнодействующих усилий в сжатом бетоне
4.
Изгибаемые элементы с армированием в сжатых и растянутых зонах (двойное армирование)
отсюда можно найти
Для изгибаемого элемента с двойным армированием должно соблюдаться условие
Т.к. при решении задач определение прочности и армирования изгибаемых элементов, внутреннее усилие, т.е. момент в сечении, определяют, как правило, относительно центра растянутой арматуры
т.е.
=>
Алгоритм для решения задач с двойным армированием
3.
4.
;
Сечение будет наиболее экономичным, если на бетон передается максимальные сжимающие усилия, а оставшаяся величина приходится на арматуру . Это будет иметь место в сечении, если
Конструктивные требования по перечной арматуре.
Диаметры поперечных стержней А следует принимать:
1. В изгибаемых элементах в вязаных каркасах при высоте до 800 мм включительно – 6 мм.
при высоте более 800 мм – 8 мм.
В сварных каркасах из условия свариваемости 0,25 диаметра продольной арматуры.
2. Во внецентренно сжатых линейных элементах: в вязаных каркасах 0,25 диаметра рабочей арматуры и не более 12 мм.
в сварных каркасах не менее диаметра из условия сварки 0,25 диаметра рабочей арматуры и не более 14.
Шаг хомутов в плитах высотой более 300 мм и балках высотой более 100 мм по расчету и по конструктивным соображениям. На приопорных участках длиной 0,25, при высоте не более 0,5 и 150 мм.
При h>450 мм шаг равен и не более 300 мм. В средней части элемента независимо от высоты и не более 500 мм.