Железобетонные конструкции.

Тема занятия 2. Физико-механические свойства бетона и арматуры.

Сущность железобетона. Бетон, как показывают опыты, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению, поэтому включение стальной арматуры в растянутую зону элементов существенно повышает их несущую способность. Например, прочность железобетонной балки по сравнению бетонной (неармированной) балкой возрастают в 15-20 раз. Сталь имеет высокие сопротивление не только растяжению, но и сжатию и включение ее в бетон в виде арматуры сжатого элемента заметно повышает его несущую способность.

Совместная работа бетона и арматуры. Совместное сопротивление бетона и стальной арматуры внешним нагрузкам обусловливаются выгодным сочетанием физико-механических свойств этих материалов, а именно:

при твердении бетона между ним и стальной арматурой возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах оба материала деформируется под нагрузкой совместно;

плотный бетон защищает включенную в нем стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет ее от непосредственного действия огня;

сталь и бетон обладают близкими по значению коэффициентами линейного расширения, поэтому при изменениях температуры в пределах до 100⁰ С в обоих материалах возникают несущественные начальные напряжения и скольжения арматуры не наблюдается.

Железобетону присуще образование трещин в бетоне в растянутых зонах конструкций даже при эксплуатационных нагрузках небольшой интенсивности. Раскрытие этих трещин во многих случаях невелико и не мешает нормальной эксплуатации конструкций. Однако в определенных условиях необходимо предотвратить образование таких трещин или ограничить ширину их раскрытия. Для этого до приложения нагрузки бетон растянутых зон подвергают предварительному интенсивному обжатию посредством растяжения рабочей арматуры. Такой железобетон называют предварительно напряженным.

Достоинства и недостатки железобетона.

К основным преимуществом железобетона относятся: огнестойкость, долговечность, высокая механическая прочность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям, малые эксплуатационные расходы, хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных материалов. Недостатки железобетона: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок и усилений; необходимость выдержки до приобретения прочности, появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий.

Области применения и способы возведения железобетонных конструкций.

Железобетон применяют в самых разнообразных отраслях строительства: промышленное, гражданское и сельскохозяйственное строительства; транспортное, энергетическое и гидромелиоративное строительство, а также горная промышленность.

По способу возведения различают: железобетонные конструкции сборные, изготовляемые преимущественно на заводах и затем монтируемые на строительных площадках; монолитные, полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сборных железобетонных элементов заводского изготовления и монолитных частей конструкций. В последние время монолитный бетон с каждым годом получает все большее признание и производства конструкций и сооружений из такого бетона в значительной степени индустриализовано.

Бетон для железобетонных конструкции.

Классификация бетонов. Бетон для железобетонных конструкций должен обладать необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью для защиты арматуры от коррозии. В зависимости от назначения сооружения бетон также должен удовлетворять специальным требованиям: морозостойкости, жаростойкости при длительном воздействии высоких температур, коррозионной стойкости при агрессивном воздействии среды, водонепроницаемости и др.

Бетоны классифицируют по следующим признакам: основному назначению - конструкционные,специальные; по виду вяжущего – цементные, силикатные, шлаковые и т.д.; по виду заполнителей – плотные, пористые, на специальных заполнителях; по структуре – плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые.

Структура бетона. Прочность и деформативность бетона в значительной степени зависят от его структуры. Как известно из курса строительных материалов, бетон является весьма неоднородным. Он представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность и присутствует все три фазы- твердая, жидкая и газообразная. Структуру бетона можно представить в виде пространственной решетки из цементного камня, состоящего из геля и кристаллических сростков, заполненных зернами песка и щебня, пронизанной большим количеством микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.

Неоднородность и дефективность бетона носит случайный характер. Поэтому механические свойства бетона целесообразно оценивать с точки зрения вероятностного подхода и описания его напряженно-деформированного состояния.

В сжатом неоднородном теле нагрузка создает сложное напряженное состояние. Напряжение концентрируется на более жестких частицах. В этом случае происходит концентрация напряжений в местах, ослабленных пустотами и порами. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, возникают не только напряжения сжатия, но и напряжения растяжения, действующие по площадкам, параллельным сжимающей силе.

Растягивающие напряжения, суммируясь, достигают значительных величин, вызывая разрушение сжимаемого образца вследствие разрыва бетона в поперечном направлении.

Прочность бетона: кубиковая и призменная прочность.

Кубиковой прочностью бетона называют временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Силы трения, возникающие по опертым граням, оказывают ощутимое влияние на кубиковую прочность вследствие того, что они препятствуют развитию свободных поперечных деформаций. Влияние сил трения по мере удаления от этих граней уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усеченных пирамид. Если устранить влияние сил трения (смазкой контактных поверхностей), трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы и сопротивление куба значительно уменьшится. Согласно стандарту, кубы испытывают без смазки поверхностей, вследствие чего их прочность зависит от размеров кубов. Так, если прочность куба с ребром 15 см принять за , то кубы с ребром 10 см покажут прочность 1,12 , а с ребром 20 см- 0,93 .

Кубиковая прочность непосредственно в расчетах не используется, а служат только для контроля качества бетона.

Призменной прочностью называют временное сопротивление сжатию бетонных призм. Она является основной расчетной характеристикой прочности бетона сжатых элементов. Призменная прочность меньше кубиковой. Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы влияние сил трения на прочность уменьшается и при отношении оно практически становится равным нулю, а значение становится постоянным и равным примерно 0,75 .

Прочность бетона на растяжение.

Прочность бетона на растяжение зависит от прочности цементного камня. При растяжении прочность бетона в 10-20 раз меньше прочности на сжатие. Связь между временным сопротивлением бетона на сжатие и растяжение может быть выражена формулами:

.

Опытным путем определяют испытаниями на разрыв образцов в виде восмерок, на раскалывание цилиндрических образцов или на изгиб бетонных балок.

Прочность бетона на срез.

В реальных конструкциях срез в чистом виде не встречается. Прочность бетона на срез в 1,5-2 раза больше, чем его прочность на растяжение. Объясняется это сопротивлением зерен крупного заполнителя срезывающим усилиям.

Значения временного сопротивления не нормируется, однако при необходимости оно может быть определено по эмпирической формуле:

.

Деформативность бетона.

При проектировании железобетонных конструкций помимо прочностных свойств необходимо учитывать и деформативные. Деформации бетона бывают двух видов .Объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности и силовые, развивающиеся вдоль направления действия сил. В свою очередь силовые деформации подразделяются на три вида: при однократном кратковременном нагружении; длительном нагружении многократно-повторном действии нагрузки. Объёмные деформации. Различают деформации от изменения температуры и усадки бетона. Повышение или понижение температуры вызывает изменение объёма бетона. Деформации усадки и набухания. Свойство бетона уменьшаться в объёме при твердении в сухой среде называют усадкой, а при твердении во влажной среде бетон увеличивается в объёме – происходит набухание. Деформация усадки связана с потерей воды на испарение и на гидратацию цемента. Усадка тем больше, чем больше содержание в бетоне цемента, воды и чем ниже влажность окружающей среды. Деформация бетона при набухании значительно меньше, чем при усадке. Из-за неравномерного высыхания внутренние слои бетона препятствуют свободной усадке поверхностных слоёв, в результате чего поверхностные слои оказываются растянутыми, что может привести к возникновению усадочных трещин.

Силовые деформации. 1. Деформации при однократном кратковременном нагружении. При непрерывном нагружении испытываемого образца зависимость может быть представлена в виде плавной кривой (Рис 2.1.). Полная деформация бетона равна сумме деформаций, состоящей из упругой части и пластической т.е. . Упругие деформации бетона соответствуют мгновенной скорости нагружения образца, деформации неупругие развиваются во времени. При растяжении бетонного образца также возникает деформация складывающаяся из упругой и пластической деформации. При разгрузке в образце возникают остаточные деформации, которые со временем уменьшаются. Это явление называется упругим последствием. 2. Деформации при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается в первые 3 – 4 месяца и может продолжаться несколько лет (Рис. 1.1.). На диаграмме рис.1.1. участок 0–1 характеризует деформации, возникающие при загружении; участок 1 – 2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном напряжении. Свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки называют ползучестью бетона. Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная ползучесть имеет место при малых напряжениях и связана с перераспределением напряжений с гелевой составляющей цементного камня на заполнители. При в бетоне возникают микротрещины, линейная зависимость нарушается и наступает нелинейная ползучесть. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформации ползучести прекращаются. Деформация ползучести увеличивается с уменьшением влажности среды, увеличением водоцементного отношения и количества цемента. Загруженный в раннем возрасте бетон обладает большей ползучестью, чем старый. С повышением прочности бетона и прочности заполнителей ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны.

Рис. 2.1. Диаграмма зависимости s-e при сжатии и растяжении бетона

1 Область упругих деформаций;

2 Область пластических деформаций.

3. Деформации при многократно-повторном загружении. Многократное повторение циклов загружения и разгрузки приводит к постепенному накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого числа циклов неупругие деформации выбираются, пластические деформации достигают своего предельного значения и бетон начинает работать упруго. Такой характер работы имеет место до напряжений, не превышающих предела выносливости . При больших напряжениях неупругие деформации неограниченно возрастают, что приводит к разрушению образца. Показатели качества бетона. Классы и марки бетона. Основной характеристикой прочности бетона является его класс. Классом бетона по прочности на сжатие (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных после выдержки в течении 28 суток при температуре и относительной влажности воздуха более 90%. Данный показатель характеризует наименьшее контролируемое значение кубиковой прочности бетона (МПа), с 95% обеспеченностью. Все остальные показатели прочности бетона (призменная прочность, прочность на сжатие при изгибе, прочность при осевом растяжении и др.) являются величинами, зависящими от кубиковой прочности и определяются с помощью коэффициентов без специальных испытаний. Для конструкций, работающих преимущественно на растяжение, устанавливается класс бетона по прочности на растяжение и контролируется на производстве. Нормами установлены следующие классы бетона: а) по прочности на сжатие: для тяжёлых бетонов – В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; для лёгких бетонов – В3,5-В40. б) по прочности на растяжение: 0,8; 1,2; 1,6; 2,0; 2,4; 2,8; 3,2 МПа. Марка бетона по морозостойкости F назначается для конструкций, подвергающихся в увлажнённом состоянии многократному замораживанию и оттаиванию. Эта марка характеризуется количеством циклов замораживания и оттаивания бетона при снижении его прочности на сжатие не более, чем на 15%. Нормами установлены марки F50; 75; 100; 150; 200; 300; 400; 500. Марка бетона по водопроницаемости W назначается для конструкций, работающих под давлением воды. Марка W характеризует предельное давление в кг/см², при котором вода ещё не просачивается через бетонный образец толщиной 150 мм. Нормами установлены марки W 2; 4; 6; 8; 10; 12. Марка бетона по плотности Д характеризует его среднюю плотность в кг/м³ и назначается для бетонов, к которым предъявляются требования теплоизоляции. Нормами установлены следующие марки Д. Тяжёлый бетон – от Д 2200 до Д 2500; лёгкий бетон от Д 800 до Д 2000 и т.п.

Арматура для железобетонных конструкций. Виды арматуры.По функциональному назначению арматура подразделяется на рабочую, конструктивную и монтажную. Рабочая арматура, устанавливаемая по расчёту, предназначается для восприятия растягивающих, а иногда и сжимающих усилий. Назначение конструктивной арматуры состоит в обеспечении цельности конструкции, например, конструктивная поперечная арматура, увеличивает сцепление бетона с продольной арматурой, предохраняет продольные сжатые стержни от выпучивания, распределяет действие сосредоточенных сил на большую площадь, принимает на себя температурные и усадочные напряжения. Монтажная арматура обеспечивает проектное положение рабочей арматуры и служит для создания жёстких каркасов. По способу изготовления различают арматуру стержневую (горячекатаную) и проволочную (холоднотянутую). По форме поверхности арматуру выпускают гладкой и периодического профиля. По способу применения арматуру делят на напрягаемую, т.е. подвергаемую предварительному напряжению, и ненапрягаемую.

Классификация арматуры. В зависимости от механических свойств арматура делится на следующие классы. Стержневая арматура: а) горячекатаная гладкая класса А-I; периодического профиля классов A-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI. б) термически и термомеханически упрочнённая периодического профиля классов Aт-IIIс, Aт-IVс, Aт-IVк, Aт-V, Aт-VI. Буква с указывает на возможность стыкования сваркой, буква к – на повышенную коррозийную стойкость. в) упрочнённая вытяжкой, периодического профиля класса A-IIIb. Проволочная арматура: г) арматурная холоднотянутая проволока обыкновенная гладкая класса B-I и периодического профиля класса Bp-I, а также высокопрочная гладкая проволока класса B-II и периодического профиля класса Bp-II. д) арматурные канаты семипроволочные класса К-7 и девятнадцатипроволочные класса К-19. Класс арматурной стали выбирают в зависимости от типа конструкции, наличия предварительного напряжения и условий эксплуатации.

Физико-механические свойства арматурных сталей. Основные физико-механические свойства сталей устанавливают по диаграмме , получаемой путём испытания на растяжение стандартных образцов. По характеру диаграмм арматурные стали можно условно разделить на две группы: 1. стали, имеющие площадку текучести; 2. стали, не имеющие площадку текучести. Стали, имеющие площадку текучести (мягкие стали), обладают физическим пределом текучести до 500 МПа и удлинением после разрыва до 25 % (Рис.2.2.).

Рис. 2.2. Диаграмма зависимости s-e для арматурных сталей

Стали высоколегированные и термически упрочнённые характеризуются отсутствием ярко выраженной площадки текучести (твёрдые стали). Для таких сталей установлен предел текучести , при котором остаточные деформации составляют 0,2% и удлинение до (4-8)%. Кроме того, устанавливается условный предел упругости , при котором остаточные деформации составляют 0,02%. Помимо этого характеристиками диаграмм являются предел прочности (временное сопротивление) и предельные удлинения при разрыве . В некоторых случаях работы железобетонных элементов необходимо учитывать и другие свойства арматурных сталей: пластичность, свариваемость, реологические свойства, динамическую прочность и т.п.

Арматурные изделия. Сварные каркасы (Рис.2.3.) могут быть плоскими и пространственными. Они образуются из продольных и поперечных стержней.

Рис. 2.3. Арматурные изделия:

а - пространственный каркас; б – плоские каркасы

Сварные сетки (Рис.1.4.) бывают с поперечной или продольной рабочей арматурой, рулонные и плоские. Изготавливаются сетки из обыкновенной арматурной проволоки диаметром 3-5 мм класса B-I, Bp-I и арматуры класса A-I, A-II, A-III диаметром стержней 6….10 мм. Стандартные сетки изготавливаются шириной до 3,8 м и длиной до 9 м.

Рис. 2.4. Сварные сетки

Арматурные канаты и пучки. Для упрощения армирования отдельные проволоки объединяют в канаты и пучки. Канаты изготавливают из 7 и 19 проволок одного диаметра, навивая на центральную прямолинейную проволоку остальные в один или несколько слоёв. Диаметр проволоки 2-5 мм. Пучки состоят из параллельных проволок (14, 18, 24 шт.) или канатов и обматываются мягкой проволокой.

Соединение арматуры. Соединение арматурных стержней, каркасов и сеток осуществляется сваркой или внахлёстку. Для соединения арматурных стержней в заводских условиях применяют контактную стыковую сварку на специальных сварочных машинах. Для соединения встык при монтаже принимают дуговую ванную сварку в инвентарных формах. При d>20 мм дуговую сварку осуществляют с накладками. Стык стержней внахлёстку без сварки допускается применять с перепуском концов стержней на 20… 50 диаметров в тех местах, где прочность арматуры используется не полностью. Стыки внахлёстку допускаются в растянутых элементах. Стыки сварных сеток в рабочем направлении можно выполнить внахлёстку. В каждой сетке при этом в зоне стыка должно быть расположено не менее двух поперечных стержней, приваренных ко всем продольным стержням сетки. Стыки в нерабочем направлении также выполняются внахлёстку. Длину перепуска принимают равной 50 мм при диаметре распределительной арматуры до 4 мм и равный 100 мм при арматуре более 4 мм.

Основная литература: 1[4-5, 9-30, 36-52], 2[14-21, 24-33], 4[164-178].

Дополнительная литература: 5[6-19], 7[19-38], 9[8-10, 14-53].

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит сущность железобетона?

2. На чем основана совместная работа арматуры и бетона?

3. Каковы основные преимущества железобетона?

4. Как различаются железобетонные конструкции по способу возведения?

5. Что представляет собой структура бетона?

6. Что такое ползучесть бетона? От чего она зависит?

7. Что такое усадка бетона, каковы причины ее возникновения? Факторы влияющие на усадку?

8. Что такое класс и марка бетона?

9. Что такое призменная прочность бетона?

10. Чем характеризуется прочность бетона при однократном кратковременном и длительном нагружении?

11. Как подразделяется арматура по своему назначению и технологии изготовления?

12. Какие существует классы арматурной стали?

13. Какие существуют способы упрочнения арматуры?

14. Виды арматурных изделий?

15. Как осуществляется сварка арматуры? Способы соединения арматуры в заводских условиях и на монтаже?

Тема занятия 3. Физико-механические свойства железобетона.

Сцепление арматуры с бетоном. Совместная работа арматуры бетона в значительной степени является результатом их надёжного сцепления. Сцепление арматуры с бетоном обеспечиваются в основном тремя факторами:

1. склеиванием металла с бетоном, возникающим благодаря клеящей способности цементного раствора;

2. трением по поверхности арматуры, вызванным давлением бетона вследствие его усадки;

3. механическим зацеплением за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры;

В основном прочность сцепления арматуры с бетоном зависит от механического воздействия. Этот фактор обеспечивает примерно ¾ общего сопротивления, поэтому если применяется арматура гладкая, то её сопротивление скольжения в значительной степени уменьшается. В зоне сцепления арматуры с бетоном напряжённое состояние носит сложный характер (Рис.3.1.).При выдёргивании стержня из бетона усилие с арматуры на бетон передаётся через касательные напряжения сцепления , которые распределяются по длине заделки стержня неравномерно. Сдвигающие напряжения не зависят от длины заделки и заканчиваются на расстоянии от места приложения силы. Среднее значение напряжения сцепления можно определить как частное от деления усилия F в стержне на площадь заделки.

, (3.1)

где d - диаметр арматурного стержня. Для гладких стержней МПа, для стержней периодического профиля увеличивается до 7 МПа. Прочность сцепления арматуры с бетоном повышается с увеличением прочности бетона и его возраста, поэтому все факторы, положительно влияющие на прочность цементного камня, оказывают положительное влияние и на . Выражая продольное усилие через напряжение , из формулы (3.1) получим:

, (3.2)

Из формулы (3.2.) видно, что длина заделки (зона анкеровки), при которой обеспечивается сцепление, должна быть тем больше, чем выше прочность арматуры и диаметр стержня и может быть уменьшена с увеличением . Для уменьшения следует ограничивать диаметр арматуры, повышать класс бетона и применять арматуру периодического профиля.

Анкеровка арматуры в бетоне. Анкеровка – это закрепление арматуры в бетоне, либо посредством сил сцепления, либо специальными анкерными устройствами. Анкеровка арматуры периодического профиля обеспечивается в основном за счёт сил сцепления. Анкеровка гладкой арматуры осуществляется с помощью устройства крюков на концах. Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления. Продольные стержни растянутой и сжатой арматуры должны быть заведены за нормальное к продольной оси элемента сечение, в котором они учитываются с полным расчётным сопротивлением, на длину зоны анкеровки , определяемую по формуле

, (3.3)

где и - коэффициенты, определяемые по таблице [14]; R_s – расчётное сопротивление арматуры; R_b - расчётное сопротивление бетона осевому сжатию.

Усадка и ползучесть бетона в железобетонных конструкциях. Стальная арматура вследствие сцепление ее с бетоном является внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона при твердении на воздухе и свободному набуханию бетона при твердении в воде. Стесненная деформация усадки бетона в железобетонном элементе приводит к возникновению начальных напряжений: растягивающих в бетоне, сжимающих в арматуре. При достаточно высоком содержании арматуры в бетоне элемента могут возникнуть усадочные трещины. Усадке бетона в статически неопределимых железобетонных конструкциях препятствует лишние связи. В таких системах усадка рассматривается как внешнее воздействие (подобно температурному), вызывающее появление усилий в элементах. Средняя деформация усадки равна 15 10^-5, что равносильно понижению температуры на 15⁰С. Это позволяет заменить расчет на действие усадки расчетом на температурные воздействие. Отрицательное влияние усадки в этом случае может быть снижено путем устройства деформационных швов, которое обычно совмещают с температурными и называют температурно-усадочными. В предварительно напряженных элементах усадка бетона также оказывает отрицательное влияние, приводя к уменьшению предварительного напряжения в арматуре. Арматура в железобетонных конструкциях, являясь, как и при усадке, внутренней связью, препятствует свободной деформации ползучести в бетоне. Вследствие сцепления арматуры с бетоном при продолжительном действии нагрузки ползучесть приводит к перераспределению напряжений между арматурой и бетоном. С течением времени напряжения в бетоне уменьшаются, а в арматуре элементов без предварительного напряжения возрастают. Этот процесс происходит непрерывно, пока деформации ползучести не достигнут своего предельного значения. В зависимости от вида железобетонных конструкций и напряженного состояния ползучесть может оказывать положительное или отрицательное влияние на их работу. В коротких центрально сжатых элементах ползучесть оказывает положительное влияние, обеспечивая более полное использование прочностных свойств арматуры. В гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов и снижение несущей способности. В изгибаемых элементах ползучесть приводит к увеличению прогибов, в предварительно напряженных железобетонных конструкциях – к потерям предварительного напряжения. В статически неопределимых системах ползучесть играет положительную роль, смягчая концентрацию напряжений и вызывая перераспределение усилий.

Защитный слой бетона. Для защиты арматуры от внешних воздействий, а также обеспечения совместной работы бетона и арматуры служит защитный слой бетона. Толщину защитного слоя устанавливают на основании опыта эксплуатации и в зависимости от вида и размеров конструкции, диаметра и назначения арматуры и т.п. Однако во всех случаях она должна быть не менее диаметра рабочей арматуры. В плитах и стенках толщиной до 100 мм – 10 мм; при толщине >100 мм, а также в балках и рёбрах с высотой h<250 мм-15 мм; в балках с высотой h 250 мм и в колоннах – 20 мм; в сборных фундаментах – 30 мм; для арматуры монолитных фундаментов при наличии бетонной подготовки – 35 мм, при её отсутствии – 70 мм. Для поперечной и распределительной арматуры при h<250 мм – 10 мм, при мм – 15 мм. Расстояние от торца элементов до концов продольной арматуры должно быть (10-20) мм.

Предварительно напряжённые железобетонные конструкции. Предварительно напряжёнными называются такие конструкции, у которых до приложения внешней нагрузки создаётся напряжённое состояние. В железобетоне создают начальные сжимающие напряжения в тех зонах, которые под воздействием внешних нагрузок будут испытывать растяжение. Предварительное напряжение позволяет существенно уменьшить расход стали за счёт использования арматуры высокой прочности, повысить трещиностойкость, увеличить жёсткость, уменьшить прогибы. Существуют две схемы создания предварительного напряжения в железобетонных конструкциях: а) натяжением арматуры на упоры и б) натяжением арматуры на бетон. При натяжении арматуры на упоры до бетонирования в арматуре создаётся напряжённое состояние растяжения. Затем элемент бетонируют. После приобретения бетоном необходимой прочности R_bp арматуру освобождают с упоров. Стремясь восстановить свою первоначальную длину, арматура обжимает бетон. Натяжение арматуры на бетон применяют при большепролётных конструкциях.

Рис. 3.1. Сцепление арматуры с бетоном

В этом случае сначала изготавливают бетонный элемент, в котором устанавливают каналы и пазы для размещения напрягаемой арматуры. После приобретения бетоном необходимой прочности осуществляют натяжение арматуры. Каналы заполняют цементно-песчаным раствором под давлением (инъецируют). Натяжение арматуры может быть произведено механическим, электротермическим и электротермомеханическим способами. При механическом способе натяжение осуществляют с помощью гидравлических домкратов и намоточных машин. Электротермический способ заключается в том, что арматуру разогревают током до температуры 300-350⁰. Затем укладывают в формы и закрепляют. При остывании в ней создаётся напряжённое состояние. После укладки и твердения бетона арматуру освобождают с упоров и, вследствие её укорочения, происходит обжатие бетона. Электротермомеханический способ натяжения представляет сочетание механического и электротермического способов, применяемых совместно. Анкеровка напрягаемой арматуры Анкеровка напрягаемой арматуры в бетоне во многих случаях осуществляется за счёт сцепления арматуры с бетоном. При отсутствии или недостаточности сил сцепления анкеровку выполняют с помощью специальных анкерных устройств. При применении в качестве напрягаемой арматуры высокопрочной проволоки периодического профиля, арматурных канатов, стержневой арматуры периодического профиля, натягиваемой на упоры, установка постоянных анкеров не требуется. Установка анкеров обязательна для арматуры, натягиваемой на бетон, а также для арматуры, натягиваемой на упоры, при недостаточном сцеплении. Длина зоны передачи напряжений для напрягаемой арматуры без анкеров (т.е. длина зоны самозаанкеривания её за счёт сил сцепления с бетоном, Рис.3.2.) определяется по формуле

, (3.4)

где - напряжения, принимаемые равными большему из значений R_s и с учётом потерь; , - коэффициенты, определяемые по таблице __[13]; R_bp – передаточная прочность бетона. Тип анкера выбирают, исходя из производственных возможностей и вида арматуры. Для стержневой арматуры периодического профиля рекомендуется применять анкеры в виде высаженных головок, обжатых шайб, приваренных коротышей (Рис.3.2.). Проволочные канаты, пучки и пакеты натягиваются усилиями большой величины. Для анкеровки таких арматурных изделий применяют специальные анкеры (Рис.3.2.).

Рис. 3.2. Виды анкеров

Предварительные напряжения в арматуре и бетоне. Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре не должно быть слишком низким, иначе эффект предварительного напряжения будет утрачен с течением времени, вследствие потерь этого напряжения. С другой стороны, величина предварительного напряжения не должна быть слишком высокой в связи с опасностью обрыва при натяжении или развития недопустимых неупругих деформаций. В связи с этим рекомендуется назначать предварительное напряжение в следующих пределах:

и ,

где p – допустимое отклонение, принимаемое при механическом способе натяжения при электротермическом - , l -длина стержня, м. Возможные отклонения от заданного значения предварительного напряжения учитываются с помощью коэффициента точности натяжения.

; (3.5)

. (3.6)

Знак плюс принимается при неблагоприятном влиянии предварительного напряжения; знак минус – при благоприятном; n_p – число напрягаемых стержней в сечении элемента.

Передаточную прочность бетона к моменту обжатия R_bp устанавливают так, чтобы не создавался слишком высокий уровень напряжения , сопровождающийся значительными деформациями ползучести и потерей предварительного напряжения. Рекомендуется принимать R_bp не менее 11 МПа, при стержневой арматуре класса Ат-VI и арматурных канатах – не менее 15,5 МПа, а также не менее 50% прочности бетона.

Усилие предварительного обжатия бетона. Усилие предварительного обжатия Р_0, необходимое при определении напряжений в бетоне, а также при расчёте по образованию трещин и эксцентриситет приложения указанного усилия относительно центра тяжести приведённого сечения (Рис. 3.3.):

; (3.7)

,

где и - напряжения в ненапрягаемой арматуре, вызванные усадкой и ползучестью бетона.

Рис. 3.3. Схема усилий предварительного напряжения арматуры

Предварительно сжимающие напряжения в ненапрягаемой арматуре и принимают равными: в стадии изготовления – потерям напряжений от быстронатекающей ползучести ; в стадии возведения и эксплуатации – сумме потерь напряжений от ползучести и усадки бетона . Предварительные напряжения и принимают: в стадии изготовления – с учётом первых потерь; в стадии возведения и эксплуатации - с учётом первых и вторых потерь.

Напряжения в бетоне. Напряжения в бетоне в рассматриваемом сечении определяют как для упругих материалов по формулам сопротивления материалов. При этом усилие предварительного обжатия рассматривают как внешнюю силу.

(3.8)

Поскольку бетон и арматура имеют разные физико-механические свойства, в расчётах используют приведённые поперечные сечения с учётом ослаблений, в которых площадь сечения арматуры заменяют эквивалентной площадью сечения бетона. Приведение выполняют, исходя из равенства деформации арматуры и бетона с помощью отношения модулей упругости . Геометрические характеристики приведённого сечения:

. (3.9)

Статический момент площади приведённого сечения относительно растянутой грани.

. (3.10)

Расстояние от центра тяжести приведённого сечения до растянутой грани

. (3.11)

Момент инерции приведённого сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести приведённого сечения

. (3.12)

Расстояние до верхней и нижней границы ядра сечения от центра тяжести приведённого сечения составляют:

; , (3.13)

где . (3.14)

Метод расчета железобетонных конструкции по предельным состояниям. Стадии напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов. Рассмотрим изменение напряженного состояния железобетонного изгибаемого элемента при изменении нагрузки от нуля до момента его разрушения. При этом можно наблюдать три характерные стадии. Стадия I. (рис.3.4). При малой нагрузке работает все сечение. Напряжения в бетоне сжатой и растянутой зон и в арматуре невелики, деформации носят упругий характер, эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон – треугольные. По мере увеличения нагрузки в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. Конец стадии I наступает тогда, когда удлинение крайних волокон растянутого бетона и его сопротивление достигают предельных величин. При дальнейшем увеличении нагрузки в сечении появляются трещины и элемент переходит в новое качественное состояние. Напряженное состояние стадии I положено в основу расчета по образованию трещин. Стадия II. При дальнейшем увеличении нагрузки трещины постепенно раскрываются. Растягивающие усилия в местах трещин воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной. По мере роста напряжений увеличиваются пластические деформации в бетоне сжатой зоны и эпюра нормальных напряжений искривляется. Эта стадия называется эксплуатационной. По этой стадии производится расчет ширины раскрытия трещин и деформации. Стадия III (стадия разрушения). При дальнейшем возрастании нагрузки напряжения в бетоне и арматуре увеличиваются. При достижении в арматуре напряжений предела текучести происходит дальнейшее раскрытие трещин и сокращение высоты сжатой зоны, вследствие чего напряжения в бетоне сжатой зоны достигают значений временного сопротивления сжатию и происходит его разрушение. Разрушение сечения носит пластический характер, его называют случаем первым. В элементах с избыточным содержанием арматуры (переармированных) разрушение элемента происходит вследствие раздавливания бетона сжатой зоны, при этом прочностные свойства арматуры используются не полностью, так как напряжения в ней не достигают предела текучести. Такое разрушение носит хрупкий характер. В стадии III эпюра напряжений в сжатой зоне имеет криволинейный вид, близкий к прямоугольному. Эта стадия, представляющая предельные состояния, положена в основу расчета прочности. По длине элемента внутренние усилия меняются, вследствие чего сечения испытывают

Рис. 3.4. Стадии напряженно-деформированного состояния

разные стадии напряженно-деформированного состояния. В предварительно напряженных элементах до приложения внешней нагрузки напрягаемая арматура обжимает сечение. При загружении внешней нагрузкой сжимающие напряжения постепенно погашаются, становятся равными нулю, затем в этих зонах возникают растягивающие напряжения. В последующем преднапряженный элемент проходит те же стадии напряженно-деформированного состояния, что и элемент без предварительного напряжения.

Основная литература: 1[55-71, 76-80], 4[179-185].

Дополнительная литература: 5[20-30, 39-41], 7[39-43, 47-49].

Контрольные вопросы:

1. Какими факторами обеспечивается сцепление арматуры с бетоном?

2. От чего зависит и как определяется длина зоны анкеровки?

3. Усадка бетона в железобетонных конструкциях и влияние ее на напряженное состояние?

4. Ползучесть бетона в железобетонных конструкциях и ее влияние на деформативность элементов?

5. Назначение и минимальные толщины защитного слоя?

6. Каковы основные преимущества преднапряженных конструкций?

7. Каковы два основных способа создания предварительных напряжений в арматуре и в чем их особенность?

8. Что такое передаточная прочность бетона?

9. Как обеспечивается усиление концевых участков преднапряженных элементов?

10. Какие виды анкерных устройств применяются в преднапряженных элементах?

11. Как ограничивается предварительное напряжения в элементе?

12. Стадии напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов? Какие из этих стадий используется при расчете прочности, трещиностойкости, прогибов?

13. Особенности напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных конструкций?

Тема занятия 4. Расчет прочности изгибаемых элементов по нормальным сечениям. Виды изгибаемых элементов и их конструктивные особенности. Изгибаемые железобетонные элементы применяются в виде плит и балок. Плиты и балки могут быть как самостоятельно работающими конструкциями, так и элементами более сложных конструкций (ребристые перекрытия, элементы каркаса сооружения и т.п.). Плитами называют плоские конструкции, у которых толщина h мала по сравнению с двумя другими размерами b и l. Балки являются линейными конструкциями, их поперечные размеры b и h значительно меньше пролета l. Плиты и балки бывают однопролетные или многопролетные, а по способу изготовления - сборные или монолитные (рис. 4.1. а, б). Монолитные плиты обычно выполняют толщиной кратной 10 мм и не менее: для покрытий - 40 мм, для междуэтажных перекрытий гражданских и промышленных зданий соответственно 50 и 60 мм. Их армируют сварными сетками, которые состоят из рабочих стержней, идущих вдоль пролета, и монтажных стержней перпендикулярного направления. Рабочую арматуру располагают в растянутых зонах плит для восприятия растягивающих усилий, которые возникают при изгибе плиты. Она размещается в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Поэтому в однопролетных плитах рабочая арматура укладывается понизу (рис. 4.2. а), а в неразрезных плитах в пролетах - понизу, а над промежуточными опорами поверху (рис. 4.2. б).

Рис. 4.1. Перекрытия из железобетонных элементов:

а-сборное; б-монолитное; 1-плиты; 2-балки

Монтажная арматура обеспечивает проектное положение рабочей арматуры при бетонировании. Кроме того, она воспринимает температурные и усадочные напряжения. При действии сосредоточенных нагрузок монтажная арматура распределяет их воздействие на большую площадь, поэтому ее также называют распределительной. Рабочие стержни принимают диаметром 3-12 мм, располагая их в средней части пролета с шагом не менее 200 мм, над опорами - 100-200 мм, на остальных участках плиты шаг должен быть не более 400 мм. Монтажные стержни имеют диаметр 3-8 мм, шаг 250-350 мм. Площадь сечения их должна быть не менее 10% сечения рабочей арматуры. Расстояние между рабочими и монтажными стержнями принимают кратными 50 мм. Обычно плиты армируют сварными стандартными сетками. В некоторых случаях применяют сварные нестандартные сетки, а также вязаные сетки из отдельных стержней (плиты сложной конфигурации в плане с большим числом отверстий и т.д.). Для рабочей арматуры сварных стандартных сеток при диаметре стержней 3-5 мм используют холоднотянутую проволоку класса Вр-I, а при диаметре 6-12 мм - горячекатаную сталь класса А-Ш.

Рис. 4.2. Армирование железобетонных плит:

а - однопролетная; б - многопролетная плиты;1 –рабочая арматура; 2-распределительная арматура.

При армировании плит отдельными стержнями применяют также стали класса А-I и А-II. Сборные плиты перекрытий могут быть сплошные, ребристые и многопустотные. Они изготавливаются из тяжелого, легкого и ячеистого бетона. Минимальная толщина плит составляет 25-35 мм. Армируются плиты сварными сетками и сварными каркасами (в ребрах). Толщина защитного слоя, как и в монолитных плитах, не менее 10 мм, а в толстых плитах (толще 100 мм) - не менее 15 мм. Поперечное сечение железобетонных балок бывает прямоугольным, тавровым, двутавровым, трапециевидным (рис. 4.3.). Наибольшее распространение получили балки прямоугольного и таврового сечений. В зависимости от нагрузки и типа конструкции высота сечения балок h колеблется в пределах от 1/10 до 1/20 части пролета. Ее принимают кратной 50 мм при размерах до 600 мм и кратной 100 мм при больших размерах. Ширину прямоугольных сечений b назначают в пределах (0,3÷0,5) h. В сборных элементах, для снижения веса, ширина берется наименьшей из условия размещения арматуры с минимальными расстояниями между стержнями и минимальными защитными слоями арматуры так, чтобы можно было выполнить плотную укладку бетона без пустот и каверн.

Рис. 4.3. Формы поперечных сечений железобетонных балок и схемы их армирования:

1 - напрягаемая арматура.

Балки армируют сварными, реже вязаными каркасами. Каркасы состоят из продольных рабочих и монтажных стержней, а также поперечных (иногда наклонных) стержней в сварных каркасах и хомутов (иногда отгибов) в вязаных каркасах. Продольную рабочую арматуру в балках, как и в плитах, размещают в растянутых зонах в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Для продольного армирования в качестве ненапрягаемой арматуры используют стержни диаметром 12÷32 мм. Стержни могут размещаться в один или два ряда по высоте сечения. Площадь сечения продольной рабочей арматуры А_S должна составлять не менее 0,05% площади сечения бетона. Иногда продольную рабочую арматуру ставят также в сжатой зоне сечения. Это следует делать при недостаточной прочности бетона сжатой зоны, а также при действии в сечении моментов обоих знаков. Монтажная продольная арматура в балках принимается диаметром 10÷12 мм. Она ставится по производственным соображениям - для объединения всех стержней в арматурный каркас, устойчивый при бетонировании. В поперечных сечениях балок одновременно с изгибающим моментом действуют поперечные силы. Этим вызвана необходимость установки поперечной арматуры (поперечных стержней сварных каркасов или хомутов вязаных каркасов). Количество поперечной арматуры - число стержней в поперечном сечении, их диаметр и шаг в продольном направлении определяются расчетом и конструктивными требованиями. Наименьший диаметр поперечных стержней сварных каркасов назначается из условия свариваемости с продольной арматурой. Диаметр хомутов вязаных каркасов принимают не менее 6 мм, при высоте балок до 800 мм и не менее 8 мм при большей высоте. По расчетно-конструктивным требованиям расстояние между поперечными стержнями (или хомутами) в продольном направлении в элементах без отгибов должно быть: в балках высотой до 400 мм - не более h /2 и не более 150 мм; в балках высотой более 400 мм - не более h /3 и не более 500 мм. Такое требование предъявляется к приопорным участкам балки длиной, равной 1/4 пролета при равномерно распределенной нагрузке. В остальной части пролета расстояние между поперечными стержнями (хомутами) принимается равным не более 3/4 h и не более 500 мм.В балках шириной 150 мм и более устанавливают два и более каркасов; при ширине менее 150 мм допускается установка одного плоского каркаса. Плоские сварные каркасы объединяют в пространственные путем приварки поперечных стержней диаметром 5-6 мм через 1÷1,5 м. При армировании вязаными каркасами хомуты в балках прямоугольного сечения выполняют замкнутыми (рис. 4.4.); в монолитных балках таврового сечения, связанных с обеих сторон монолитной плитой, хомуты могут быть открытыми. В балках шириной более 350 мм устанавливают многоветвевые хомуты.

Рис. 4.4. Армирование железобетонных балок вязаными каркасами:

1 - продольные рабочие стержни; 2 - продольные монтажные стержни;

3 -рабочие стержни с отгибами; 4 - хомуты.

Поперечные стержни (хомуты) в балках высотой более 150 мм ставят даже в том случае, если они не требуются по расчету; при высоте сечения менее 150 мм поперечную арматуру можно не использовать, если удовлетворяются требования расчета. Если высота балок более 700 мм, то у боковых граней ставят продольные стержни на расстояниях по высоте не более чем 400 мм. Эти стержни вместе с поперечной арматурой воспринимают усилия от усадки бетона, температурных деформаций, кроме того, они сдерживают раскрытие наклонных трещин на боковых гранях балок. Характерными сечениями предварительно напряженных балок являются тавровые и двутавровые. Здесь предварительно напряженная арматура размещается в соответствии с эпюрами изгибающих моментов и поперечных сил, при этом она не входит в состав каркасов.

Если однопролетная балка имеет небольшую высоту, то предварительно напряженную арматуру располагают в растянутой зоне прямолинейно по всей длине элемента (рис. 4.5,б). Кроме арматуры А_sp иногда ставят также арматуру у противоположной грани балки в количестве (0,15÷0,25) А_{sp .} В балках большой высоты части напрягаемой арматуры располагают прямолинейно в растянутой зоне, а часть отгибают кверху (рис. 4.5,а). Такое армирование снижает величину растягивающих напряжений в верхней зоне бетона вблизи опор и улучшает работу балки на главные растягивающие напряжения. В предварительно напряженных элементах, кроме напрягаемой, устанавливают также ненапрягаемую арматуру (рабочую и монтажную), располагая ее ближе к поверхности балки таким образом, чтобы поперечная арматура (хомуты) могла охватить всю продольную арматуру (рис.4.6.). Для предварительно напряженных балок особое значение приобретает конструирование приопорных участков. Именно здесь возникают большие местные напряжения в результате передачи значительных усилий обжатия с арматуры на бетон. Чтобы ограничить раскрытие трещин в торцовой части балки, а также обеспечить надежную анкеровку напряженной арматуры, производят местное усиление ее концевых участков с помощью дополнительных сеток и хомутов, охватывающих все продольные стержни. Последние располагаются на участке не менее 0,6 ℓρ.

Рис. 4.5. Схемы армирования предварительно напряженных балок

а – криволинейной напрягаемой арматурой; б – прямолинейной напрягаемой арматурой.

О напряженном состоянии изгибаемых железобетонных элементов. Расчет прочности изгибаемых элементов по нормальным сечениям производится по стадии III напряженно-деформированного состояния. В этой стадии как в предварительно напряженном, так и в обычном элементе характер разрушения может быть двояким. Это связано с количеством арматуры и ее механическими свойствами. Если количество арматуры не превышает некоторой определенной величины, то разрушение элемента начинается с текучести растянутой арматуры; при этом в сечении образуется «пластический шарнир», трещины раскрываются, прогибы резко нарастают и происходит раздавливание бетона сжатой зоны. Если количество арматуры больше определенной величины («переармированная» балка), то разрушение начинается со сжатой зоны бетона. При этом напряжения в растянутой арматуре не достигают предельных значений, т.е. прочность арматуры используется не полностью. В соответствии с этими причинами разрушения различают два случая расчета изгибаемых элементов по нормальным сечениям: случай 1 – напряжение в бетоне и растянутой арматуре достигают своих предельных значений R_b и R_S; случай 2 – напряжение в сжатом бетоне достигает предельного значения сопротивления сжатию R_b, а в растянутой арматуре действует напряжение σ _S < R_S. При расчете нормальных сечений используются такие величины, как высота сжатой зоны х и рабочая высота сечения h₀ (т.е. полная высота сечения h за вычетом расстояния a от растянутой грани балки до равнодействующей усилий в арматуре). Отношение ξ= x/h₀ называется относительной высотой сжатой зоны бетона. Граница между случаями 1 и 2 устанавливается в зависимости от относительной высоты сжатой зоны ξ. Если ξ ≤ ξ _R, то имеет место случай 1, если ξ _> ξ _R, то имеет место случай 2, где ξ _R - граничное значение относительной высоты сжатой зоны, которое определяется по эмпирической формуле

. (4.1)

Здесь – напряжение в арматуре. Для ненапряженной арматуры классов А-Ι, А-II, А-III, Вр-I, ; для предварительно напряженной арматуры классов А-IV и выше , где - коэффициент, зависящий от класса арматуры и способов натяжения. Для арматуры классов В-II, Вр-II, К-7, К-19 ; -предельное напряжение в сжатой арматуре, равное 400 МПа при и =500 МПа при ; - характеристика деформативных свойств сжатой зоны бетона:

, (4.2)

где для тяжёлого бетона; для мелкозернистого и лёгкого бетона. Из (4.1.) видно, что граничная относительная высота сжатой зоны бетона зависит от свойств материалов (R_b, R_s). Именно она определяет, по какому расчётному случаю работает конкретное сечение железобетонного элемента. Необходимо отметить, что при проектировании сечений основным является расчёт по случаю 1, поскольку во втором случае не полностью используется прочность арматуры. Такие сечения стараются не проектировать. Величина при оптимальном армировании изменяется в пределах: для балок ; для плит .

Рис. 4.6. Размещение напрягаемой арматуры в растянутой зоне балок

а – армирование стержнями периодического профиля; б – армирование канатами или пучками; в – армирование высокопрочной проволокой; 1 – напрягаемая арматура; 2 – продольная ненапрягаемая арматура; 3 – поперечная арматура

Расчёт прочности нормальных сечений элементов прямоугольного профиля с одиночной арматурой. Для расчёта прочности сечений используют три уравнения: равенство нулю суммы проекций всех сил на продольную ось элемента () и суммы моментов внутренних усилий относительно центра тяжести растянутой арматуры () и центра тяжести сжатой зоны бетона (). Эпюра напряжений в бетоне по всей высоте сжатой зоны принимается прямоугольной. Внутренние усилия в предельном состоянии равны: в растянутой арматуре и - в бетоне сжатой зоны. М- максимальный изгибающий момент от внешней нагрузки (рис. 4.7.).

Рассмотрим 1-ый случай , т.е. . Условие прочности в этом случае имеет вид

(4.3)

или

, (4.4)

где h₀ –рабочая высота сечения h₀= h-а; а - расстояние от центра тяжести арматуры до растянутой грани. В плитах а = 1,5-2 см, в балках при расположении арматуры в один ряд а = 3-4 см; х - высота сжатой зоны бетона, которая определяется из условия:

R_sA_s=R_bbx, (4.5)

Откуда . (4.6)

Рис. 4.7. Расчётная схема изгибаемого элемента с одиночной арматурой

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: