Области применения ж/б и каменных конструкций. Сущность ж/б и причины его успешного развития. Преимущества и недостатки ж/б как конструкционного материала

Каменные конструкции применяют в качестве несущих конструкций для внецентренно сжатых элементов с ограниченным эксцентриситетом приложения внешних сил. Армокаменные конструкции расширяют область применения каменных конструкций, приближая их к ж/б. Каменные конструкции недостаточно совершенны для зданий и сооружений, подвергающихся динамическим воздействиям, для строительства в сейсмических районах, в условиях воздействия агрессивной среды, систематических технологических температур выше 100⁰С, в зонах вечной мерзлоты, просадочных и набухающих грунтов. Наряду с искусственными каменными материалами рекомендуется применять природные каменные материалы, выпиливаемые из массивов горных пород.

Каменные конструкции из штучных материалов продолжают занимать большой объем в современном строительстве. Развитие каменных конструкций идет по пути укрупнения штучных материалов и применения крупных каменных блоков и панелей.

Возникновение и развитие строительных конструкций, в том числе ж/б, неразрывно связано с условиями материальной жизни общества, развитием производительных сил и производственных отношений. Появление ж/б совпадает с периодом ускоренного роста промышленности, торговли и транспорта во второй половине XIX века, когда возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений. Технические возможности производства ж/б к тому времени уже имелись – цементная промышленность и черная металлургия были достаточно развиты.

Период возникновения ж/б (1850-1885 г) характеризуется появлением первых конструкций из армированного бетона во Франции и США.

Ж/б конструкции широко используют в капитальном строительстве при воздействии при воздействии температур не выше 50⁰С и не ниже 70⁰С. В каждой отрасли промышленности и жилищно-гражданском строительстве имеются экономичные формы конструкций из сборного, монолитного или сборно-монолитного ж/б.

Во многих случаях конструкции из ж/б целесообразнее каменных или стальных.

Большое применение ж/б находит при устройстве набережных, тепло и гидроэлектрических станций, плотин шлюзов и других гидротехнических сооружений. Ж/б является незаменимым строительным материалом в санитарно-техническом и подземном строительстве. он в значительной степени вытеснил древесину и металл при горных разработках. На изготовление ж/б линейных конструкций расходуется в 2-3 раза, а на изготовление плит, настилов, труб в 10 раз меньше металла, чем на стальные конструкции.

Ж/б конструкции, особенно предварительно напряженные, получили массовое использование в строительстве и имеют широкую перспективу развития.

Причинами появления и успешного развития ж/б являются: 1) бетон хорошо работает на сжатие и плохо на растяжение. Арматура помогает бетону воспринимать растягивающие и другие усилия; 2) температурные деформации бетона и арматуры близки по величине. При изменении температуры конструкции не возникает высоких внутренних напряжений; 3) бетон надежно защищает сталь от коррозии за счет высокого рН; 4) исходными материалами для изготовления бетона и стали широко распространены в земной коре – они относительно дешевы; 5) из бетона могут быть изготовлены конструкции разных форм.

Ж/б называют комплексный строительный материал, в котором бетон и стальная арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой как единое цело монолитное тело. Ж/б можно рассматривать как комплексный армированный материал, обладающий анизотропией (т. е. зависимостью механических и деформативных свойств от направления действия внешних нагрузок), обусловленной армированием и нелинейностью деформирования, связанной с трещинообразованием, пластическими свойствами бетона и стали.

Как и любой другой искусственный или естественный каменный материал, бетон сопротивляется разрыву примерно в 15-20 раз слабее, чем сжатию. Кроме того, он является хрупким материалом.

Под ж/б конструкциями без предварительного напряжения понимают конструкции, в которых арматура уложена без предварительного натяжения. Практика эксплуатации таких конструкций показывает, что при ударных, вибрационных и особенно знакопеременных нагрузках происходит опасное раскрытие трещин, что снижает их несущую способность по выносливости. Основными недостатками ж/б конструкций без предварительного напряжения являются: 1) раннее образование трещин в растянутых зонах элементов вследствие слабого включения в работу арматуры в этот момент и быстрое их раскрытие до предельно допустимой величины; 2) быстрый рост прогибов элементов до предельной величины после образования трещин в их растянутой зоне; 3) невозможность использования для армирования высокоэффективных сталей повышенной и высокой прочности, позволяющих в несколько раз сократить расход стали в строительстве из-за быстрого раскрытия трещин и быстрого роста прогибов; 4) чрезмерная массивность из-за большого собственного веса; 5) недостаточная выносливость.

Под предварительно напряженными понимают ж/б конструкции, элементы, изделия, в которых предварительно, т. е. в процессе изготовления, искусственно созданы в соответствии с расчетом начальные напряжения растяжения в части или во всей рабочей арматуре и обжатие всего или части бетона.

Трещиностойкость предварительно напряженных конструкций в 2-3 раза больше трещиностойкости конструкций без предварительного напряжения.

Недостатки:

- предварительно напряженные конструкции характеризуются повышенной трудоемкостью проектирования и изготовления. Они требуют большей тщательности в расчете и конструировании;

- за счет применения материалов повышенной прочности масса предварительно напряженных конструкций оказывается значительно меньше массы ж/б конструкций без предварительного напряжения, однако она остается выше массы металлических и деревянных конструкций.

- большая тепло- и звукопроводность ж/б требует усложнения конструкции и дополнительного применения прокладок из тепло- и звукоизолирующих материалов;

- усиление предварительно напряженных конструкций не сложнее усиления ж/б конструкций, но значительно сложнее усиления стальных и особенно деревянных конструкций.

- предварительно напряженные конструкции несгораемы, но их огнестойкость ниже огнестойкости ж/б конструкций без предварительного напряжения. Это связано с тем, что критические температуры, до которых возможно безопасное нагревание предварительно напряженной арматуры, ниже по сравнению с ненапрягаемой арматурой.

- предварительно напряженные конструкции отличаются недостаточной коррозионной стойкостью.

3. Классы и марки бетона: методы определения, использования при проектировании ж/б конструкций

СНиП 2.03.01-84* приводит механические свойства и основы расчетные методики для тяжелых бетонов средней плотности, легкого, ячеистого и самонапрягающегося. Остальные бетоны рассчитывают по специальным нормативным документам.

В нормативах прочностные свойства бетона определяют:

- классом по прочности на сжатие (В). Для тяжелых бетонов классы от В 3,5 до В 60.

Класс – кубковая прочность бетона в МПа, определенная с надежностью 95% по стандартной методике с последующей привязкой к стандартам ряда.

Зная класс бетона по нормам мы можем установить расчетное сопротивление бетона при сжатии () – призменная прочность с надежностью более 99%.

- классом бетона по прочности на растяжение, определяемый для конструкций, основной работой которых является работа на растяжение, - прочность при растяжении в МПа с надежностью 95% по стандартной методике с последующей привязкой к стандартному ряду.

Помимо прочностных свойств у бетона различают 4 марки:

- марка по морозостойкости (F50-500) – количество циклов замораживания и оттаивания бетона водонасыщенном состоянии, при котором снижение прочности бетона не превышает установленных норм, а внешние признаки разрушения отсутствуют.

Марку по морозостойкости принимают для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременного замораживания и оттаивания.

- марка по водонепроницаемости (W2-12) – наибольшее давление воды (МПа), при котором не наблюдается просачивание через стандартный образец, испытанный по условиям государственного стандарта. Марку по водонепроницаемости принимают для конструкций, к которым предъявляют требования ограничения водопроницаемости

- марка по средней плотности (D 800-2000) гарантированная собственная масса бетона (кг/м³), контролируемую на базовых образцах в установленные сроки, согласно государственным стандартам. Марку по средней плотности принимают для конструкций, к которым предъявляют требования теплоизоляции.

- марка бетона по самонапряжению (S_p 0,6-4) гарантированное значение предварительного напряжения в бетоне (МПа), создаваемое в результате его расширения при наличии продольной арматуры в количестве 1% и контролируемое на базовых образцах в установленные сроки, согласно государственному стандарту. Эту марку принимают для самонапрягающихся конструкциях в зависимости от требований по трещиностойкости жесткости.

Класс по прочности при растяжении указывают во всех проектах ЖБК. Все остальные указывают только при необходимости.

Чем больше требуемых характеристик в проекте, тем дороже обойдется конструкция.

4. Классы стальной арматуры. Рабочие диаграммы () арматуры, для ж/б. механические характеристики арматуры.

Под арматурой понимают гибкие или жесткие стальные стержни, размещенные в массе бетона, в соответствии с эпюрами изгибающих моментов, поперечными и продольными силами, действующими на конструкцию в стадии ее эксплуатации. Назначение арматуры – воспринимать растягивающие усилия (при изгибе, внецентренном сжатии, центральном и внецентренном растяжении), а также усадочные и температурные напряжения в элементах конструкций.

Арматуру классифицируют по функциональному назначению, способу изготовления и виду поверхности. По функциональному назначению различают арматуру рабочую и монтажную.

Под рабочей понимают арматуру, площадь сечения которой определяют расчетом на действие внешней нагрузок. Под монтажной понимают арматуру, устанавливаемую без расчета (по конструктивным или технологическим соображениям).

Способ изготовления и форма поверхности определяют вид арматуры. Различают арматуру: горячекатаную стержневую, холоднотянутую проволочную и термически упрочненную гладкую и периодического профиля, напрягаемую и ненапрягаемую. В зависимости от предела текучести (физического или условного) всю арматуру разделяют на классы:

А I диаметр 6-40мм (гладкая)

А II диаметр 10-40 мм (периодического профиля)

А III диаметр 6-40 мм

А IV диаметр 10-28 мм

А V диаметр 10-32 мм

А VI диаметр 10-28 мм

А VII диаметр 10-28 мм.

Проволочная арматура (от слова волочение, через фильеры), делится на классы:

Вр I диаметр 3, 4, 5 мм низкоуглеродистая периодического профиля.

В II диаметр 3-8 мм, высокоуглеродистая гладкая

Вр III диаметр 3-8 высокоуглеродистая рифленая.

К-7 диаметр 6, 9, 12, 15

К -19 диаметр 14.

Для стержневой арматуры повышенной прочности и высокопрочной проволоки, так называемых твердых сталей, четкого предела текучести на диаграмме нет, поэтому пользуются понятием условного предела упругости и условного предела текучести. За условный предел упругости принимают напряжение, при котором возникают остаточные относительные деформации, равные 0,02% от предельных остаточных деформаций. Это напряжение обозначают . За условный предел текучести принимают напряжение, соответствующее остаточным деформациям величиной 0,2%. Основным показателем прочности является временное сопротивление разрыву

При действии многократно повторяющейся нагрузки величина предела текучести стали снижается, а разрушение приобретает хрупкий характер. Это снижение тем больше, чем больше число повторений нагрузки и чем меньше коэффициент асимметрии цикла.

За предел выносливости принимают прочность, при которой не наблюдается хрупкого разрушения стали при числе циклов раз.

Нормами механические характеристики арматуры характеризуются 5 величинами: , где коэффициент надежности арматуры, расчетное сопротивление стали при растяжении;

- нормативное сопротивление стали при растяжении, за него принимают физический или условный предел текучести с надежностью 95%;

- расчетное сопротивление поперечной арматуры при растяжении, принимают равными соответствующим расчетным сопротивлениям арматуры растяжению, но не более 400 МПа. - предельная сжимаемость бетона ;

- модуль упругости стали.

5. Цели и способы создания предварительного напряжения ж/б конструкций. Потери предварительного напряжения.

Предварительное напряжение ж/б конструкций производится в следующих целях:

1) повышение трещиностойкости конструкции, увеличение нагрузок, при которых образуются трещины, уменьшение ширины раскрытия трещин;

2) уменьшение деформаций (прогибов, перемещения);

3) снижение расхода стали за счет использования высокопрочной арматуры.

Предварительное обжатие конструкций выполняют в основном двумя способами: натяжением арматуры на упоры (до бетонирования) и на бетон (после бетонирования и затвердения бетона).

При натяжении арматуры на упоры усилия натяжения арматуры временно передают на специальные упоры жестких стендов, матриц или на форму.

При натяжении арматуры на бетон прочность бетона к моменту обжатия конструкции принимают не менее прочности .

При производстве предварительно напряженных конструкций получили распространение четыре метода предварительного натяжения арматуры;

Механический сущность его заключается в том, что необходимое относительное удлинение (, где - абсолютно удлинение) арматуры соответствующее заданному предварительному натяжению в ней () получают вытяжкой арматуры натяжными механизмами (гидравлические и винтовые домкраты, грузовые устройства с системой блоков, рычагов и оттяжек и т. д.) посредством технологических или комбинированных зажимов.

Он пригоден при натяжении арматуры как на упоры, так и на бетон. Механическим способом чаще всего натягивают канатную, пучковую и проволочную арматуру.

Основные преимущества механического способа натяжения заключаются в точности и быстроте получения заданных предварительных напряжений в арматуре. Основные недостатки: достаточно дорогое натяжное оборудование и сложность производства работ.

Сущность электротермического метода заключается в том, что необходимое относительное удлинение арматуры, соответствующее заданному напряжению в ней получают электрически нагревом арматуры до соответствующей температуры.

Концы нагретой арматуры надежно анкеруют в упорах формы или стенда, препятствующих ее укорочению при охлаждении, что создает предварительное напряжение.

После приобретения бетоном передаточной прочности анкеры отпускают и арматура, стремясь сократиться до первоначального состояния, обжимает бетон с заданным напряжением.

Комбинированный метод представляет собой совокупность механического и электротермического методов натяжения арматуры. Усилие механического натяжения при этом принимают не более 25-30% от общего усилия натяжения арматуры, что полностью исключают обрывы арматуры. В этом заключается главное преимущество комбинированного метода натяжении арматуры. Комбинированным методом целесообразно натягивать высокопрочную проволочную, канатную, пучковую арматуру.

Натяжение арматуры на упоры производят механическим, электротермическим или комбинированным методами, а на бетон – только механическим способом.

Физико-механический метод сущность его заключается в самонапряжении ж/б конструкций вследствие использования энергии расширяющегося цемента ВРЦ. Опыты показали, что бетоны на таком цементе после достижения прочности 15-20 МПа, обеспечивающей достаточное сцепление бетона тс арматурой, расширяясь, вынуждают удлиняться арматуру. В ней создаются предварительные напряжения, обжимающие бетон.

Предварительное напряжение арматуры после отпуска натяжных устройств с течением времени постепенно снижается на величину потерь вследствие постепенного уменьшения начального относительного удлинения арматуры.

Потери предварительного напряжения происходят как при натяжении арматуры на бетон, так и на упоры и могут достигать значительной величины – около 30% начального предварительного напряжения.

В целях уточнения расчетов полные потери предварительного напряжения разделяют на две группы - первые потери, происходящие до обжатия бетона, и - вторые потери, происходящие после обжатия бетона. Во всех случаях величину полных потерь принимают не менее 100 МПа.

Первые потери.

1. Потери от релаксации напряжений арматуры при натяжении на упоры развиваются в течение 5-7 суток и зависят от вида арматуры, способа ее натяжения величины предварительного натяжения.

2. Потери от температурного перепада при тепловой обработке конструкций принимают равным , где - разность между температурой арматуры и упоров стенда.

3. Потери от деформации анкеров, расположенных у натяжных устройств, вследствие сжатия шайб, прокладок, смятия высаженных головок и деформаций самих анкеров. Их учитывают только при механическом способе натяжения арматуры. .

4. Потери от трения арматуры об огибающие приспособления при натяжении на упоры .

5. Потери от деформации стальной формы при изготовлении конструкции . При отсутствии данных о конструкции форм принимают

6. Потери от быстронатекающей части ползучести бетона происходят в процессе обжатия элемента усилиями арматуры, натягиваемой на упоры .

Вторые потери

7. Потери от релаксации напряжений арматуры при натяжении не бетон принимают равным потерям при натяжении на упоры .

8. Потери от усадки тяжелого бетона, вызывающей укорочение элемента .

9. Потери от ползучести бетона в возрасте не менее 100 суток, вызывающей укорочение элемента .

10. Потери от смятия бетона под витками спиральной или кольцевой арматуры учитывают только в конструкциях цилиндрической формы, подвергаемых обжатию навивкой арматуры на затвердевший бетон.

11. Потери от деформаций обжатия стыков между блоками сборных конструкций, которые обжаты арматурой, натягиваемой на бетон.

12.

6. Основные стадии работы изгибаемых ж/б конструкций без предварительного напряжения

При изгибе, центральном и внецентренном растяжении, внецентренном сжатии, когда внешняя нагрузка возрастает от нуля до разрушающей, в опасной зоне по длине элементов последовательно наблюдают три характерные стадии напряженно-деформируемого состояния, отличающиеся между собой как в количественном, так и в качественном отношении.

Под стадией I понимают напряженно-деформируемое состояние элемента до образования трещин в его растянутой зоне, т. е. когда бетон растянутой зоны сохраняет сплошность и работает под воздействием нагрузки упруго (напряжения почти пропорциональны деформациям); эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения близки к треугольным. Усилия в растянутой зоне в основном воспринимает бетон. Роль растянутой рабочей арматуры незначительна, напряжения в ней во много раз ниже предела текучести арматуры. Стадию I называют стадией упругой работы элемента. Она наступает при относительно малой внешней нагрузке (15-20% разрушающей).

I стадия	II стадия	III стадия

С увеличением нагрузки интенсивно развиваются неупругие деформации в растянутой зоне элемента; эпюра становится криволинейной; величина напряжений приближается к временному сопротивлению бетона на осевое растяжение. Когда деформации удлинения крайних растянутых волокон достигнут предельной величины, наступает конец стадии I.

За расчетную эпюру стадии I принимают треугольную эпюру напряжений в сжатой зоне и прямоугольную в растянутой зоне нормального сечения.

По стадии I рассчитывают элементы на образование трещин и деформации (перемещения) – до образования трещин.

При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины и он постепенно выключается из работы. Наступает новое напряженно-деформированное состояние элемента – активное образование и открытие трещин в бетоне его растянутой зоны.

Под стадией II понимают напряженно-деформированное состояние элемента, когда в бетоне его растянутой зоны интенсивно образуются и раскрываются трещины. В местах трещин растягивающие усилия в основном воспринимает арматура и частично бетон над трещиной, а на участках между трещинами – арматура и бетон совместно, так как на этих участках сцепление арматуры с бетоном не нарушается. По мере возрастания нагрузки в местах трещин начинают появляться заметные неупругие деформации арматуры, свидетельствующие о приближении напряжений в арматуре к пределу текучести, т.е. конце стадии II.

По мере удаления от краев трещины растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре – уменьшаются. Однако бетон в растянутой зоне играет малую роль, хотя и оказывает влияние на работу арматуры, уменьшая ее деформации.

Эпюра нормальных напряжений в бетоне сжатой зоны по мере увеличения нагрузки за счет развития неупругих деформаций бетона постепенно искривляется.

Стадия II сохраняется значительное время и характерна для эксплуатационных нагрузок (65% разрушающих), так как при эксплуатации многих элементов допускается появление трещин. По стадии II рассчитывают величину раскрытия трещин и кривизну (жесткость) элементов. На стадии II основан старый метод расчета сечений – по допускаемым напряжениям.

Под стадией III понимают стадию разрушения ж/б элемента. По продолжительности она самая короткая. Напряжения в арматуре достигают физического или условного предела текучести, а в бетоне – временного сопротивления осевому сжатию. Криволинейность эпюры нормальных напряжений сжатия становится ярко выраженной и приближается по очертанию к кубической параболе или параболе более высокого порядка. Бетон растянутой зоны из работы элемента почти полностью исключается.

По стадии III выполняют расчет нормального сечения по прочности. Разрушение происходит от раздробления бетона сжатой зоны, арматура при этом не рвется.

Различают два характерных случая разрушения элемента.

Под случаем 1 понимают пластический характер разрушения нормально армированного элемента вследствие замедленного развития местных пластических деформаций арматуры. Разрушение начинается с появления текучести арматуры, вследствие чего быстро растет прогиб и интенсивно уменьшается высота сжатой зоны сечения за счет развития трещин по высоте элемента и проявления неупругих деформаций в бетоне сжатой зоны над трещиной. Участок элемента, на котором наблюдается текучесть арматуры и пластические деформации сжатого бетона, деформируется практически при постоянном предельном моменте. Поэтому такие участки носят название пластических шарниров.

Случай 2 наблюдают при разрушении элементов с избыточным содержанием растянутой арматуры. Разрушение таких элементов всегда происходит внезапно от полного исчерпания несущей способности бетона сжатой зоны, при неполном использовании прочности дефицитной растянутой арматуры. Несущая способность такого элемента практически перестает быть зависимой от площади сечения продольной арматуры, а является функцией прочности бетона, формы и размеров сечения.

Под нормально армированными понимают элементы, в которых полностью используется несущая способность арматуры. Элементы, разрушающиеся по случаю 2, называют переармированными, потому что несущая способность арматуры в них полностью не используется.

7. Основные стадии работы изгибаемых предварительно напряженных ж/б конструкций

Напряженно-деформированные состояния предварительно напряженных элементов после образования трещин в бетоне растянутой зоны сходны с элементами без предварительного напряжения. Основная разница проявляется в стадии I. Она заключается в том, что нагрузка, вызывающая образование первых трещин в предварительно напряженных конструкциях, вследствие погашения предварительного обжатия бетона в 2-3 раза превосходит такую же нагрузку ж/б конструкций без предварительного напряжения.

До начала стадии I предварительно напряженные конструкции испытывают несколько качественно отличных между собой напряженно-деформированных состояний.

Состояние 1	Состояние 2	Состояние 3
Состояние 4	Состояние 5	Состояние 6
Состояние 7	Состояние 8

Состояние 1 – арматуре задано контролируемое предварительное напряжение , произведены анкеровка ее концов в неподвижных упорах и бетонирование элемента.

Состояние 2 – вследствие релаксации напряжений стали, податливости зажимов и упоров и деформации формы предварительные напряжения арматуры уменьшаются на величину первых потерь (), т. е. потерь, происходящих до предварительного обжатия бетона.

Состояние 3 – после того, как бетон набрал передаточную прочность, произвели отпуск концов арматуры. Она, стремясь восстановить первоначальную длину, благодаря сцеплению арматуры с бетоном надежно обжимает последний. Напряжения в арматуре за счет быстронатекающей ползучести и упругого обжатия бетона уменьшаются на величину . Величина этого напряжения является обратимой потерей, так как при приложении внешней нагрузки, вызывающей растягивающие напряжения, в арматуре повысятся на величину равную им. Вследствие центрального обжатия сечения элемента напрягаемой арматурой он получает предварительный выгиб от усилия предварительного обжатия бетона.

Предварительное напряжение в арматуре .

Состояние 4 – из-за проявления деформаций усадки, и ползучести бетона предварительное напряжение арматуры уменьшается на величину вторых потерь , т.е. потерь, происходящих после обжатия бетона. В результате произойдет полное проявление всех потерь и предварительные напряжения в арматуре: .

С установившимися предварительными напряжениями растяжения в арматуре и обжатия в бетоне растянутой зоны предварительно напрягаемый элемент поступает на стройку.

Напряженно-деформированные состояния 1-4 в расчетном сечении предварительно напряженного элемента проявляются до его загружения внешней нагрузкой.

Состояние 5 – элемент загружают внешней нагрузкой . Постепенно возрастая, полностью погашает предварительное обжатие бетона в расчетном сечении изгибаемого элемента.

В этот момент напряжения в напрягаемой арматуре .

С этого момента работа предварительно напряженного элемента качественно не отличается от работы элемента с ненапрягаемой арматурой и с дальнейшим ростом внешней нагрузки состояние 5 последовательно переходит в стадии I, II, III.

8. Основные положения расчета прочности нормальных сечений изгибаемых ж/б элементов

Изгибаемыми называют элементы, подверженные действию одного изгибающего момента или изгибающего момента с поперечной силой. Нормальные сечения изгибаемых элементов симметричны относительно плоскости изгиба и характеризуются наличием в них одновременно сжатой и растянутой зон. К изгибаемым элементам относятся плиты и балки междуэтажных и чердачных перекрытий и покрытий, подвесные панели наружных стен (ненесущие), фундаментные, обвязочные и подкрановые балки, консоли.

Расчет прочности по нормальным сечениям обусловлен возможным изломом элементов в этих сечениях под действием внешнего изгибающего момента. Цель расчета сводится к определению размеров поперечного сечения элемента и площади поперечного сечения растянутой рабочей арматуры, гарантирующих надежную работу ж/б конструкций в течение заданного срока службы зданий.

Прочность нормальных сечений элементов рассчитывают на усилия, полученные из расчета ж/б конструкций на воздействие внешних статических нагрузок.

Дано: .

Требуется определить: площадь растянутой и сжатой арматуры, которая будет обеспечивать прочность.

Элемент с одиночной арматурой – конструкция, где расчетной является только растянутая арматура.

Для учета сжатой арматуры в расчетах необходимо принимать дополнительные меры для обеспечения ее устойчивости, что чаще всего невыгодно.

Дано: .

Требуется определить: площадь растянутой арматуры, которая будет обеспечивать прочность.

В целях упрощения расчетов по подбору размеров нормальных сечений изгибаемых элементов и площади сечения рабочей арматуры рекомендуется пользоваться коэффициентами и , вычисленными в зависимости от относительной высоты сжатой зоны . Коэффициент позволяет основное уравнение прочности записать в таком виде: , Принимаем .

Элементы с двойной арматурой принимаются в случае, если элемент с одиночной требуемую величину момента воспринять не может.

Сжатую арматуру необходимо закреплять от потери устойчивости, в соответствии с правилами норм.

Дано: , , , .

Требуется определить: площадь растянутой и сжатой арматуры, которая будет обеспечивать прочность.

дополнительное условие

Принимаем .

9. Основные положения расчета прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов

Расчет сжатых и внецентренно сжатых элементов

10. Композитные материалы, армированные стеклотканью, углеродными или арамидными волокнами, могут применяться на внешних поверхностях для восстановления утерянной несущей способности колонн в случае потери части сечения арматуры вследствие ее коррозии или для повышения несущей способности в случае увеличения действующих нагрузок.

11. 4.3.1. Повышение несущей способности колонн на действие продольной силы может быть обеспечено наклейкой композита в продольном или поперечном направлении.

12. а) Усиление наклейкой композита в продольном направлении

13. Для определения необходимой площади композита следует определить по СНиП 2.03.01-84* недостающую площадь продольной арматуры A_s,def. Требуемая площадь композита составляет:

14. (4.67)

15. б) Усиление наклейкой в поперечном направлении

16. Прямоугольные сечения колонн с соотношением сторон могут быть усилены для повышения несущей способности при осевом сжатии путем создания эффекта обоймы композитным материалом в направлении перпендикулярном оси элемента.

17. Необходимая толщина оболочки из композиционного материала определяется из выражения:

18. (4.68)

19. где: (4.69)

20. , e _bu = 0,003 максимальная деформация бетона при сжатии, R_f - максимальная прочность на растяжение композита, e _fu - максимальная деформация при растяжении композита.

21. При проектировании должно соблюдаться условие:

22. E_f e _f £ 0,75 R_f. (4.70)

23. Несущая способность усиленной колонны проверяется по формуле:

24. (4.71)

25. где: R_l = 0,0038 K ₁ R_f, (4.72)

26. (4.73)

27. 4.3.2. Круговое обертывание ФАП вокруг определенных типов элементов, работающих на сжатие, создает ограничение деформированию в поперечном направлении путем создания обоймы с ориентацией волокон в поперечном направлении и приводит к увеличению прочности при сжатии. При увеличении сжимающих нагрузок обойма испытывает растяжение, сдерживая развитие поперечных деформаций. Вклад продольно расположенных волокон на прочность при сжатии бетонного элемента игнорируется. Для надежной работы обоймы необходим ее плотный контакт с элементом; величина сцепления с бетоном здесь решающего влияния не оказывает.

28. 4.3.3. Сжимающие напряжения, воспринимаемые сплошным сечением бетона, ограниченного обоймой ФАП, могут быть вычислены с использованием выражений (4.74) - (4.75) и применением коэффициентов запаса прочности y _f.

29. Для ненапряженных железобетонных элементов, имеющих стальную спиральную арматуру:

30. , (4.74)

31. а для ненапряженных элементов со стальной поперечной арматурой:

32. , (4.75)

33. где y _f - коэффициент запаса, равный 0,95.

34. 4.3.4. Прочность на сжатие круглого бетонного элемента с напряжением в обойме s _f можно вычислить с помощью выражения (4.76)

35. (4.76)

36. Выражение (4.76) раньше использовалось в расчетах эффективности стальной обоймы. Исследования показали, что это выражение также применимо для бетонных элементов с обоймами из ФАП. Прочность бетона в обойме можно вычислить с помощью выражения (4.76). Максимальные расчетные напряжения в обойме определяются выражением (4.77):

37. (4.77)

38. Если элемент испытывает деформации сжатия и сдвига, расчетная деформация в обойме ФАП должна быть ограничена в соответствии с (4.78):

39. e _fe = 0,004 £ 0,75e _fu. (4.78)

40. 4.3.5. Обойма ФАП наиболее эффективна для круглых поперечных сечений. Ограничивающее давление, обеспечиваемое обоймой ФАП, наклеенной по окружности радиусом r можно вычислить, используя выражение (4.79):

41. (4.79)

42. Испытания показали, что обойма ФАП в квадратных и прямоугольных элементах также может обеспечить увеличение прочности на сжатие элемента. Коэффициент эффективности k_a для круглых поперечных сечений можно принять равным единице, а для квадратных или прямоугольных сечений - по выражению (4.82).

43. При использовании обойм из ФАП увеличивается общая пластичность сечения из-за способности развивать при сжатии более высокую деформацию до разрушения. Обойма ФАП может также отсрочить искривление стальной продольной арматуры, работающей на сжатие, и усилить место нахлесточного соединения стальной продольной арматуры.

44. 4.3.6. Обоймы ФАП также используются для повышения сейсмостойкости колонн, опор мостов и т.п. Они рассчитываются на восприятие ограничивающего напряжения, достаточного для развития деформации сжатия при заданных смещениях. Максимально используемая деформация сжатия бетона для ограниченных обоймой ФАП круговых железобетонных элементов вычисляется по выражению (4.80):

45. (4.80)

46. Максимальная расчетная деформация сжатия для круглых, квадратных и прямоугольных поперечных сечений с обоймой ФАП вычисляется с помощью уравнения (4.80) и используя k_а = 1. Коэффициент армирования ФАП прямоугольных сечений r _f вычисляется из выражения (4.81):

47. (4.81)

48. Коэффициент эффективности усиления для квадратных и прямоугольных сечений определяется на основе размеров поперечного сечения и степени армирования стержневой арматурой (4.82) - рис. 4.7:

49. (4.82)

50.

51. Рис. 4.7. Активные зоны при усилении прямоугольных сечений колонн

52. Следует учитывать, что для прямоугольных сечений с соотношением высоты к ширине, превышающим 1,5, или размерами поперечного сечения b или h, превышающими 900 мм, ограничивающим воздействием обоймы ФАП следует пренебрегать, если испытания не покажут ее эффективность.