Расчет нормальных сечений на основе нелинейной деформационной модели

3.72. При расчете по прочности усилия и деформации в нормальном сечении определяют на основе нелинейной деформационной модели, использующей уравнения равновесия внешних сил и внутренних усилий в сечении элементов, а также следующие положения:

- распределение относительных деформаций бетона и арматуры по высоте сечения элемента принимают по линейному закону (гипотеза плоских сечений, см. черт.3.39);

- связь между осевыми сжимающими напряжениями бетона и относительными его деформациями принимают в виде двухлинейной диаграммы (черт.3.37), согласно которой напряжения определяются следующим образом:

при ;

при ;

где - приведенный модуль деформации бетона, равный

;

=0,0015;

=0,0035;

- см. табл.2.2;

- сопротивление бетона растянутой зоны не учитывается (т.е. принимается =0) за исключением расчета бетонных элементов, указанных в п.1.4, б, а также бетонных элементов, в которых не допускаются трещины; в этих элементах связь между осевыми растягивающими напряжениями бетона и относительными его деформациями также принимаются в виде двухлинейной диаграммы с заменой на =0,0008; на =0,00015; на , где - см. табл.2.2;

- связь между напряжениями арматуры и относительными ее деформациями принимают в виде двухлинейной диаграммы (черт.3.38), согласно которой напряжения принимают равными:

при ;

при ,

где ;

- см. табл.2.6;

=2·10 МПа;

=0,025.

Черт.3.37. Двухлинейная диаграмма состояния сжатого бетона

Черт.3.38. Диаграмма состояния растянутой арматуры

Черт.3.39. Эпюры деформаций и напряжений в сечении, нормальном к продольной оси железобетонного элемента, в общем случае расчета по прочности

а) - двухзначная эпюра деформаций

б) - однозначная эпюра деформаций

3.73. Переход от эпюры напряжений в бетоне к обобщенным внутренним усилиям рекомендуется осуществлять с помощью процедуры численного интегрирования по нормальному сечению. Для этого нормальное сечение в направлении плоскости изгиба (нормальной нейтральной оси) разделяется на участки малой ширины, напряжения в которых принимают равномерно распределенными и соответствующими деформациям на уровне середины ширины участка.

В общем случае положение нейтральной оси и максимальные деформации (черт.3.39) определяют из уравнений равновесия внешних и внутренних усилий:

; (3.144)

; (3.145)

; (3.146)

где и - моменты внешних сил относительно выбранных координатных осей, действующих в плоскости осей соответственно и ;

, , , - площадь, координаты центра тяжести -го участка бетона и напряжение на уровне его центра тяжести.

, , , - площадь, координаты центра тяжести -го стержня арматуры и напряжение в нем.

Напряжения и определяются в соответствии с диаграммами на черт.3.37 и 3.38.

Растягивающие напряжения арматуры и бетона , а также продольную растягивающую силу рекомендуется учитывать в уравнениях (3.144)-(3.146) со знаком "минус".

Координатные оси и рекомендуется проводить через центр тяжести бетонного сечения.

3.74. Расчет нормальных сечений железобетонных элементов по прочности производят из условий

; (3.147)

, (3.148)

где и - относительные деформации соответственно наиболее сжатого волокна бетона и наиболее растянутого стержня арматуры от действия внешних нагрузок, определяемые из решения уравнений (3.144)-(3.146);

и - предельные значения относительных деформаций соответственно сжатого бетона и растянутой арматуры, принимаемые согласно п.3.75.

Для изгибаемых и внецентренно сжатых бетонных элементов, в которых не допускаются трещины, расчет производится с учетом работы растянутого бетона в поперечном сечении элемента из условия

, (3.149)

где - относительная деформация наиболее растянутого волокна бетона, определяемая из решения уравнений (3.144)-(3.146);

- предельное значение относительной деформации растянутого бетона, принимаемое согласно п.3.75.

3.75. Предельное значение относительных деформаций бетона принимают при двухзначной эпюре деформаций (сжатие и растяжение) в поперечном сечении элемента равными (см. п.3.72).

При внецентренном сжатии или растяжении элементов и распределении в поперечном сечении элемента деформаций бетона одного знака предельные значения относительных деформаций бетона определяют в зависимости от отношения относительных деформаций бетона на противоположных сторонах сечения по формулам

; (3.150)

. (3.151)

Предельное значение относительной деформации растянутой арматуры принимают равным 0,025.

3.76. Расчет на основе нелинейной деформационной модели производится с помощью компьютерных программ.

При действии в нормальном сечении двух моментов и по обеим координатным осям и и продольной сжимающей силы компьютерную программу рекомендуется составлять на основе следующего алгоритма:

1. Задаются направлением нейтральной оси: в 1-м приближении это направление определяется как для упругого материала, т.е. принимается угол наклона нейтральной оси к оси равным .

2. Определяют характер эпюры деформаций путем сравнения внешней продольной силы и внутреннего усилия , определенного по формуле (3.146) при значениях в крайних точках, равных и 0. При - эпюра однозначная, при - эпюра двухзначная.

3. При двухзначной эпюре деформаций последовательными приближениями подбирают такую высоту сжатой зоны , при которой выполняется равенство (3.146); при этом в крайней сжатой точке принимается , деформации сжатого бетона каждого -го участка принимаются равными , а деформации каждого -го стержня арматуры - , где и - расстояния от нейтральной оси до центра тяжести соответственно -го участка бетона и -го стержня арматуры. В случае, если , принимается , и тогда , , где - расстояние между наиболее растянутым стержнем арматуры и наиболее сжатой точкой бетона в направлении, нормальном нейтральной оси. Деформации растянутой арматуры принимаются со знаком "минус".

4. При однозначной эпюре деформаций последовательными приближениями подбирают такое отношение деформаций в крайних точках , при котором выполняется равенство (3.146); при этом в крайней сжатой точке всегда принимается деформация , определенная по формуле (3.150), деформации сжатого бетона каждого -го участка принимаются равными , а деформации каждого -го стержня - , где и - расстояния от наименее сжатой точки до центра тяжести соответственно -го участка бетона и -го стержня арматуры в направлении, нормальном нейтральной оси, - см. черт.3.39, б.

5. По формулам (3.144) и (3.145) определяются моменты внутренних усилий и . Если оба эти момента оказываются больше или меньше соответствующих внешних моментов и относительно тех же осей, то прочность сечения считается обеспеченной или необеспеченной.

Если один из моментов (например ) меньше соответствующего внешнего момента (т.е. ), а другой больше (т.е. ), задаются другим углом наклона нейтральной оси (большим, чем ранее принятый) и вновь проводят аналогичный расчет.

При действии растягивающей силы или при ее отсутствии расчет можно производить аналогичным образом. При расчете бетонных элементов с учетом работы растянутого бетона значения заменяются на , а на (см. пп.3.72 и 3.75).