Рис)Внецентренно сжатые бетонные элементы

В условиях сжатия работают многие конструкции и элементы конструкций: колонны одноэтажных и многоэтажных зданий, верхние пояса ферм и элементы решетки, арки и другие конструкции.

Внецентренно сжатые элементы испытывают воздействие продольной сжимающей силы N, приложенной с эксцентриситетом относительного центра тяжести сечения, или воздействие силы N и изгибающего момента М. Одновременное действие силы N и момента М эквивалентно действию только одной силы N, приложенной с эксцентриситетом е_о = М / N относительно центра тяжести сечения.

Существует класс конструкций, в которых в соответствии со статическим расчетом продольная сила действует по оси, проходящей через центр тяжести сечения. Однако фактически и в этих конструкциях имеет место эксцентриситет, вызванный случайными причинами. Поэтому при расчете по прочности таких элементов должен учитываться случайный эксцентриситет е_а, принимаемый равным большему из значений:

e_а = L / 600, е_а = h / 30,где L — длина элемента; h — размер поперечного сечения.

Кроме того, для конструкций, образуемых из сборных элементов, следует учитывать их возможное взаимное смещение, зависящее от вида конструкций, способа монтажа и т. п. При отсутствии для таких конструкций экспериментально обоснованных значений случайного эксцентриситета его следует принимать не менее 1 см.

При расчете статически определимых конструкций случайный эксцентриситет е_а суммируется с эксцентриситетом е_о = М/N, определенным расчетом.

Для конструкций статически неопределимых делается послабление, обусловленное возможностью перераспределения усилий в элементах конструкции, и значение эксцентриситета принимается равным определенному только из расчета, но не менее случайного. К внецентренно сжатым элементам со случайным эксцентриситетом относятся верхние пояса ферм при узловой передаче нагрузки, сжатые элементы решетки ферм в т. п.

В крайних колоннах одноэтажных промышленных зданий, рамах, арках эксцентриситет определяется расчетом.

Поперечное сечение сжатых элементов, как правило, принимают: при малых эксцентриситетах — квадратное, круглое, кольцевое, при больших - прямоугольное, двутавровое.

В любом случае размеры сечений сжатых элементов должны быть такими, чтобы гибкость элемента в любом направлении не превышала предельных значений:

l = l₀ / i £ 200 – для любых железобетонных элементов;

l = l₀ / h £ 60 – для элементов прямоугольного сечения;

l = l₀ / i £ 120 (l = l₀ / h £ 35) – для колонн зданий;

l = l₀ / i £ 90 (l = l₀ / h £ 26) – для бетонных элементов.

Здесь l₀ - расчетная длина элемента, зависящая от условий закрепления его концов; i - радиус инерции элемента(рис)

Для колонн обычно применяют бетон классов В 15...30. В последние годы разработаны проекты и начато внедрение элементов из бетонов более высоких классов.

Для колонн промышленных зданий, несущих тяжелую крановую нагрузку, а также для нижних этажей многоэтажных зданий применяют бетон классов В30 и В40, а в отдельных случаях — В50 – В60. Бетон класса В15 применяют только в колоннах, поперечные размеры которых назначают конструкт

 

85. Классификация сжатых элементов по типу армирования. Как конструируется продольная и поперечная гибкая арматура сжатых элементов?

В зависимости от особенностей армирования сжатые элементы различают:

1) по виду продольного армирования: с гибкой продольной арматурой и хомутами (а);

с жесткой (несущей) продольной арматурой (б);

2) по виду поперечного армирования: с обычным поперечным армированием (хомутами) (а); с косвенной арматурой, учитываемой в расчете (в, г). (рис)

Арматура сжатых элементов состоит из продольных и поперечных стержней (хомутов), расположенных, как правило, на равных расстояниях друг от друга. Продольная арматура ставится по расчету и воспринимает часть нагрузки, действующей на элемент. Хомуты, в основном, предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Кроме того, хомуты препятствуют развитию поперечных деформаций элемента, тем самым несколько повышая сопротивляемость бетона сжатию.

Расположение продольной арматуры может быть симметричным (А_s = А’_s) относительно центра тяжести сечения и несимметричным. Симметричное армирование применяют в элементах с малым эксцентриситетом и при действии моментов двух знаков, близких по величине. Оно проще в изготовлении, но при больших эксцентриситетах менее экономично.

Насыщение поперечного сечения сжатых элементов продольной арматурой оценивают коэффициентом (процентом) армирования m (m %).

Оптимальный процент армирования по экономическим соображениям принимают 1...2 %. Минимальный устанавливают в зависимости от гибкости элемента; он обеспечивает восприятие не учитываемых расчетом воздействий (температурных, усадочных и др.) и предотвращает хрупкое разрушение при образовании трещин. В элементах с расчетным эксцентриситетом m %_min = 0,05…0,25 %, а в элементах со случайным эксцентриситетом увеличивается вдвое. Рекомендуется максимальное значение m % = 3 %.

Ненапрягаемая арматура колонн изготовляется в виде сварных каркасов, вязаные каркасы менее индустриальны и применяются относительно редко. Для продольной рабочей арматуры целесообразно использовать горячекатаные стали классов А-III, Ат-III и А-II диаметром не более 40 мм и не менее: в сборных элементах — 16 мм, в монолитных — 12 мм.

Стержни диаметром более 40 мм трудно обрабатываются, а менее 12...16 мм не обеспечивают достаточной жесткости каркасов при их монтаже.

Для удобства бетонирования и обеспечения надежного сцепления арматуры с бетоном расстояние в свету между продольными стержнями принимают: при вертикальном бетонировании не менее 50 мм; при бетонировании в горизонтальном положении не менее 25 мм для нижней арматуры и не менее 30 мм для верхней и в обоих случаях не менее диаметра стержня.

Максимально допустимое расстояние между осями стержней составляет 400 мм. Если расстояние между осями продольных стержней превышает 400 мм, то следует предусматривать установку между ними дополнительных стержней диаметром не менее 12 мм.

Колонны сечением 400х400 мм можно армировать четырьмя стержнями. Если плоские каркасы противоположных граней колонны имеют промежуточные продольные стержни, то последние по крайней мере через один и не реже чем через 400 мм связывают между собой с помощью шпилек. Шпильки не ставят при ширине грани колонны 500 мм, если число стержней у этой грани не превышает 4.

Поперечные стержни (хомуты) должны располагаться на расстояниях не более 15d в вязаных каркасах и 20d в сварных (d - наименьший диаметр продольных сжатых стержней). Расстояние между поперечными стержнями (хомутами) во всех случаях не должно превышать 500 мм. Расстояние между хомутами в пределах стыка сжатой арматурs внахлестку без сварки должно быть не более 10d.

Диаметр поперечных стержней (хомутов) устанавливают без расчета и в вязаных каркасах принимают равным не менее 5 мм, а также не менее 0,2d при хомутах из обыкновенной проволоки класса В-I диаметром 5 мм или из стали класса А-III и 0,25 d при хомутах из стали других видов (d - наименьший диаметр продольных сжатых стержней).

В сварных каркасах минимальный диаметр поперечных стержней принимают из условия сварки.

 

86. Назначение поперечных стержней в сжатых элементах. Сущность косвенного армирования. В каких случаях его целесообразно применять?

Арматура сжатых элементов состоит из продольных и поперечных стержней (хомутов), расположенных, как правило, на равных расстояниях друг от друга. Продольная арматура ставится по расчету и воспринимает часть нагрузки, действующей на элемент. Хомуты, в основном, предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Кроме того, хомуты препятствуют развитию поперечных деформаций элемента, тем самым не сколько повышая сопротивляемость бетона сжатию.

Для элементов с круглым или многоугольным поперечным сечением получило распространение косвенное армирование в виде спиралей или сварных колец. Для элементов с прямоугольным сечением применяют объемное косвенное армирование в виде часто размещенных поперечных сварных сеток. Косвенное армирование в виде поперечных сеток широко применяют для местного усиления железобетонных сборных колонн вблизи стыков а также в зоне анкеровки предварительно напрягаемой арматуры.

Спирали и кольца, подобно обойме, сдерживают поперечные деформации бетона, возникающие при продольном сжатии, и тем обусловливают повышенное сопротивление бетона продольному сжатию, в том числе и после появления в нем первых продольных трещин.

Косвенное армирование целесообразно по расчету, если несущая способность элемента, определяемая по формулам, выше его несущей способности, определяемой по полному сечению элемента и значению расчетного сопротивления бетона Rb без учета косвенной арматуры.

Элементы с косвенным армированием дополнительно рассчитывают против образования трещин в бетоне зажитного слоя в эксплуатационных условиях конструкции, расчет выполняют по тем же формулам, по которым рассчитывают их прочность, но при эксплуатационных значениях нагрузок с учетом всей площади бекона сечения элемента, при расчетных сопротивлениях бетона и арматуры по второй группе предельных состояний.

Колонны с кольцевым и спиральным армированием целесообразно применять в условиях, когда при больших нагрузках необходимо использовать элемент с возможно меньшим поперечным сечением. Эффект косвенного армирования резко снижается в гибких колоннах из за продольного изгиба, поэтому оно чаще всего практикуется для элементов с отношением l₀/d<10. При усилении концевых участков сжатых элементов устанавливают не менее четырех сварных сеток. Зона усиления по длине элемента должна быть не менее 10d при продольной арматуре из стержней периодического профиля и 20d при гладких стержнях.

 

87. Как выглядит схема армирования железобетонной колонны? Для чего применяют хомуты? Как назначается диаметр и шаг хомутов? Как выглядит схема усиления колонн косвенным армированием? В чем сущность косвенного армирования?

Слева: схема армирования сжатых элементов: 1) продольные стержни; 2) поперечные;

Справа: армирование сжатых элементов со случайными эксцентриситетами

Арматура сжатых элементов состоит из продольных и поперечных стержней (хомутов), расположенных, как правило, на равных расстояниях друг от друга. Продольная арматура ставится по расчету и воспринимает часть нагрузки, действующей на элемент. Хомуты, в основном, предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Кроме того, хомуты препятствуют развитию поперечных деформаций элемента, тем самым не сколько повышая сопротивляемость бетона сжатию.

Колонны сечением 400х400 мм можно армировать четырьмя стержнями. Если плоские каркасы противоположных граней колонны имеют промежуточные продольные стержни, то последние по крайней мере через один и не реже чем через 400 мм связывают между собой с помощью шпилек. Шпильки не ставят при ширине грани колонны 500 мм, если число стержней у этой грани не превышает 4.

Поперечные стержни (хомуты) должны располагаться на расстояниях не более 15d в вязаных каркасах и 20d в сварных (d - наименьший диаметр продольных сжатых стержней). Расстояние между поперечными стержнями (хомутами) во всех случаях не должно превышать 500 мм. Расстояние между хомутами в пределах стыка сжатой арматурs внахлестку без сварки должно быть не более 10d.

Диаметр поперечных стержней (хомутов) устанавливают без расчета и в вязаных каркасах принимают равным не менее 5 мм, а также не менее 0,2d при хомутах из обыкновенной проволоки класса В-I диаметром 5 мм или из стали класса А-III и 0,25 d при хомутах из стали других видов (d - наименьший диаметр продольных сжатых стержней).

В сварных каркасах минимальный диаметр поперечных стержней принимают из условия сварки.

Для элементов с круглым или многоугольным поперечным сечением получило распространение косвенное армирование в виде спиралей или сварных колец. Для элементов с прямоугольным сечением применяют объемное косвенное армирование в виде часто размещенных поперечных сварных сеток. Косвенное армирование в виде поперечных сеток широко применяют для местного усиления железобетонных сборных колонн вблизи стыков а также в зоне анкеровки предварительно напрягаемой арматуры.

Спирали и кольца, подобно обойме, сдерживают поперечные деформации бетона, возникающие при продольном сжатии, и тем обусловливают повышенное сопротивление бетона продольному сжатию, в том числе и после появления в нем первых продольных трещин.

Косвенное армирование целесообразно по расчету, если несущая способность элемента, определяемая по формулам, выше его несущей способности, определяемой по полному сечению элемента и значению расчетного сопротивления бетона Rb без учета косвенной арматуры.

 

88. Каковы два случая разрушения внецентренно сжатых элементов? Чем они характеризуются?

На основании многочисленных экспериментов установлено, что величина разрушающего усилия зависит от величины эксцентриситета e₀.

При действии продольной силы с малым эксцентриситетом или при сильной растянутой арматуре сечение элемента может оказаться полностью сжатым или иметь незначительную растянутую зону. Соответственно арматура А’_s сжата, а арматура А_s, расположенная у грани, более удаленной от продольной силы, может быть и сжатой, и растянутой. Разрушение элемента в этом случае начинается со стороны сжатой зоны, что отвечает условию x>x_R.(рис)

При загружении элемента продольной силой с большим эксцентриситетом или при наличии в растянутой зоне не очень сильной арматуры разрушение начинается со стороны растянутой грани сечения. Вначале появляются трещины в растянутом бетоне, которые по мере увеличения напряжений в арматуре раскрываются все шире; нейтральная ось перемещается ближе к сжатой грани.

Когда в растянутой арматуре достигается предел текучести, начинается разрушение элемента, вызванное достижением предельных сопротивлений в сжатом бетоне и сжатой арматуре. Такой вид разрушения внецентренно сжатых элементов наблюдается при относительной высоте сжатой зоны x£x_R.

Таким образом, на основании опытов различают два основных случая разрушения внецентренно сжатых элементов:

1. Первый случай (случай больших эксцентриситетов), когда напряженное состояние приближается к изгибу и определяется в предельном состоянии достижением расчетного сопротивления в растянутой арматуре и сжатом бетоне.

2. Второй случай (случай малых эксцентриситетов), когда напряженное состояние приближается к центральному сжатию и определяется в предельном состоянии достижением расчетного сопротивления в сжатом бетоне.

Границей между этими двумя случаями является граница переармирования или условие прочности сжатой зоны для изгибаемых элементов.

В общем случае для сечений, имеющих по крайней мере одну ось симметрии и эксцентриситет в плоскости, проходящей через эту ось:при x£x_R - первый случай (случай больших эксцентриситетов);при x>x_R - второй случай (случай малых эксцентриситетов

 

89. Как определяют случайный и расчетный эксцентриситет? Как устанавливают случайные эксцентриситеты продольной сжимающей силы? Порядок расчета сжатых элементов при случайных эксцентриситетах.

Существует класс конструкций, в которых в соответствии со статическим расчетом продольная сила действует по оси, проходящей через центр тяжести сечения. Однако фактически в этих конструкциях имеет место эксцентриситет, вызванный случайными причинами (не однородность свойств материалов по сечению, начальная кривизна оси элемента, неучитываемые горизонтальные силы и т. п.).

Поэтому при расчете по прочности таких элементов должен учитываться случайный эксцентриситет е_а, принимаемый равным большему из значений:

e_а = L / 600, е_а = h / 30, где L — длина элемента; h — размер поперечного сечения.

Кроме того, для конструкций, образуемых из сборных элементов, следует учитывать их возможное взаимное смещение, зависящее от вида конструкций, способа монтажа и т. п. При отсутствии для таких конструкций экспериментально обоснованных значений случайного эксцентриситета его следует принимать не менее 1 см.

При расчете статически определимых конструкций случайный эксцентриситет е_а суммируется с эксцентриситетом е_о = М/N, определенным расчетом.

Для конструкций статически неопределимых делается послабление, обусловленное возможностью перераспределения усилий в элементах конструкции, и значение эксцентриситета принимается равным определенному только из расчета, но не менее случайного.

К внецентренно сжатым элементам со случайным эксцентриситетом относятся верхние пояса ферм при узловой передаче нагрузки, сжатые элементы решетки ферм в т. п.

В крайних колоннах одноэтажных промышленных зданий, рамах, арках эксцентриситет определяется расчетом

Поперечное сечение сжатых элементов, как правило, принимают: при малых эксцентриситетах — квадратное, круглое, кольцевое, при больших - прямоугольное, двутавровое.

Эксперименты показали, что сопротивление коротких центрально-сжатых элементов внешнему усилию слага-ется из сопротивления бетона и продольной арматуры. При этом обычно бетон достигает своего предела проч-ности, а арматура - предела текучести; это обусловлено достаточно большими неупругими деформациями сильно напряженного бетона.

На несущую способность длинных (гибких) сжатых железобетонных элементов заметное влияние оказывают - случайные эксцентриситеты; - явление продольного изги-ба; - длительное воздействие нагрузки.

Некоторые элементы прямоугольного сечения, а имен-но с симметричным армированием стержнями из стали классов A-I, A-II, A-III при l₀≤20h и эксцентриситете e0=еa в практике допускается рассчитывать по несущей способности (предельное состояние первой груп-пы) как центрально-сжатые, исходя из условия

N≤ηφ(RbA+Rsc (As + A's)). (1)

Здесь N - продольное сжимающее усилие, вычисленное при расчетных нагрузках; A=hb - площадь сечения элемента; h и b - высота и ширина сечения; η - коэффициент условий работы, равный 0,9 при h<200 мм и 1 при h>200 мм; φ - коэффициент, учитывающий дли-тельность загружения, гибкость и характер армирования элемента, вычисляемый по зависимости

φ=φb+2(φr - φb)Rsc(As+A`s)/RbA (2)

но принимаемый не более φr; причем значения φr и φb находят по таблице.

Несущую способность сжатого элемента со случай-ными эксцентриситетами при всех известных данных о размерах поперечного сечения элемента, армирования, материалах и нагрузке проверяют по формуле 1 для чего предварительно находят коэффициент φ.

Если предварительно приняты размеры поперечного сечения и необходимо найти лишь площадь сечения ар-матуры, следует воспользоваться выражением (1), где φ - устанавливается методом последовательного приближения. Поперечные размеры центрально-сжатого элемента и площадь сечения арматуры при заданных нагрузке, рас-четной длине и материалах определяют, первоначально задаваясь значениями φ=η = 1, As+A's=μA=0,01A. Из условия (2) вычисляют А и назначают размеры поперечного сечения элемента с учетом их унификации. Затем вычисляют отношение lo/h и подбирают (As+A`s) способом, указанным выше. Если окажется, что процент армирования рассчитанного сечения не удовлетворяет условию μmin %≤μ %≤μmax % (3%), то поперечные размеры элемента следует из-менить и повторно вычислить значения φ, (As+A`s). Се-чение можно считать подобранным удовлетворительно, если μ=1...2%.