Тема 3. Основные методы расчета прочности.

 

3.1. Экспериментальные данные о работе железобетона под нагрузкой. Три стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов. Развитие методов расчета сечений. Метод расчета конструкций по предельным состояниям. Две группы предельных состояний. Классификация нагрузок. Степень ответственности зданий и сооружений.

Экспериментальные исследования по изучению совме­стной работы двух различных по своим физико-механи­ческим свойствам материалов — бетона и стальной ар­матуры —  проводились с самого начала появления желе­зобетона. Экспериментами установлено, что нелинейные деформации бетона и трещины в растянутых зонах ока­зывают существенное влияние на напряженно-деформи­рованное состояние железобетонных элементов. Допу­щения о линейной зависимости между напряжениями и деформациями и основанные на этих допущениях фор­мулы сопротивления упругих материалов для железобе­тона часто оказываются неприемлемыми.

Теория сопротивления железобетона строится на опытных данных и законах механики и исходит из дей­ствительного напряженно-деформированного состояния элементов на различных стадиях нагружения внешней нагрузкой. По мере накопления опытных данных методы расчета железобетонных конструкций совершенствуются.

Опыты с различными железобетонными элементами - изгибаемыми, внецентренно растянутыми, а также внецентренно сжатыми с двузначной эпюрой напряжений показали, что при постепенном увеличении нагрузки можно наблюдать три характерные стадии напряженно-деформированного состояния:

- стадия I — до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия вос­принимаются арматурой и бетоном совместно;

- стадия II — после появления трещин в бетоне растя­нутой зоны, когда растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами — арматурой и бетоном совместно;

- стадия III — стадия разрушения, характеризующаяся относительно коротким периодом работы элемента, ког­да напряжения в растянутой стержневой арматуре до­стигают физического или условного предела текучести, в высокопрочной арматурной проволоке —временного сопротивления, а напряжения в бетоне сжатой зоны — временного сопротивления сжатию. В зависимости от степени армирования элемента последовательность раз­рушения зон — растянутой и сжатой — может изме­няться.

Метод расчета по допускаемым напряжениям, метод расчета по разрушающим усилиям как этапы развития методов расчета сечений железобетонных элементов.

Метод расчета конструкций по предельным состояни­ям является дальнейшим развитием метода расчета по разрушающим усилиям. При расчете по этому методу четко устанавливают предельные состояния конструкций и используют систему расчетных коэффициентов, введе­ние которых гарантирует, что такое состояние не насту­пит при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов.

Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных со­стояний: по несущей способности (первая группа); по пригодности к нормальной эксплуатации (вторая группа).

Классификация нагрузок: постоянные, временные (длительные и кратковременные), особые.

Степень ответственности зданий и сооружений опре­деляется размером материального и социального ущер­ба при достижении конструкциями предельных состоя­ний. При проектировании конструкций следует учитывать коэффициент надежности по назначению γ_n, значение ко­торого зависит от класса ответственности зданий или сооружений. На коэффициент надежности по назначению следует делить предельные значения несущей способно­сти, расчетные значения сопротивлений, предельные зна­чения деформаций, раскрытия трещин или умножать на этот коэффициент расчетные значения нагрузок, усилий или иных воздействий.

Вопросы для самоконтроля.

1. Экспериментальные данные о работе железобетона под нагрузкой.

2. Три стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов.

3. Развитие методов расчета сечений.

4.  Метод расчета конструкций по предельным состояниям.

5. Две группы предельных состояний.

6.  Классификация нагрузок.

7. Степень ответственности зданий и сооружений.

 

Тема 4. Предварительное напряжение железобетонных конструкций

 

4.1. Предварительно напряженный железобетон и способы создания предварительного напряжения.

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

Обжатие бетона в предварительно напряженных конструкциях на заданную величину осуществляется предварительно натя­нутой арматурой, стремящейся после отпуска натяжных устройств возвратиться в первоначальное состояние. При этом проскальзывание арматуры в бетоне исключается их взаимным естественным сцеплением, а при недостаточности естественного сцепления — специальной искусственной анкеровкой торцов ар­матуры в бетоне.

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

Натяжение арматуры на упоры производят механическим, электротермическим или электротермомеханическим способом, а натяжение арматуры на бетон, как правило, — механическим способом.

Для напрягаемой арматуры характерны потери предварительного напряжения. Начальные предварительные напряжения в арматуре не оста­ются постоянными, с течением времени они уменьшаются. Эти потери могут достигать 30% начального предварительного на­пряжения. Различают первые потери, происходящие при изготов­лении элемента и обжатии бетона, и вторые потери, происходя­щие после обжатия бетона.

Вопросы для самоконтроля.

1.   Предварительно напряженный железобетон.

2.  Способы создания предварительного напряжения.

 

Тема 5. Изгибаемые элементы

 

5.1. Конструктивные особенности. Расчет прочности по нормальным сечениям. Расчет прочности элементов по наклонным сечениям.

Наиболее распространенные изгибаемые элементы железобетонных конструкций - плиты и балки. Плиты и балки могут быть однопролетными и многопролетными.

Армируют плиты сварными сетками и отдельными стержнями. Стержни рабочей арматуры укладывают вдоль пролета, чтобы они воспринимали растягивающие усилия, возникающие в конструкции при изгибе под нагрузкой, в соответствии с эпюрами изгибающих моментов. Поэтому сетки в плитах размещаются понизу, а в многопролетных плитах - также и поверху, над промежуточными опорами, то есть в соответствии с эпюрой моментов.

Железобетонные балки могут быть прямоугольного, таврового, двутаврового и трапециевидного сечения. Продольную рабочую арматуру укладывают согласно эпюрам изгибающих моментов в растянутых зонах. В железобетонных балках одновременно с изгибающими моментами действуют поперечные силы, необходимо устанавливать поперечную арматуру. Ее количество определяют из расчета наклонных сечений и по конструктивным соображениям.

Прочность изгибаемых железобетонных элементов любого симметричного профиля по нормальным сечениям, согласно первой группе предельных состояний, рассчитывают по III стадии напряженно-деформированного состояния. В расчетной схеме усилий принимают, что на элемент действует изгибающий момент М, вычисляемый от расчетных значений нагрузок, а в арматуре и бетоне действуют усилия, соответствующие напряжениям, равным расчетным сопротивлениям.

При совместном действии M и Q в железобетонном элементе возникает система наклонных трещин, разделяющих элемент на отдельные блоки, которые связаны между собой продольной арматурой в растянутой зоне, поперечной арматурой и нетреснувшей частью бетона над вершиной наклонной трещины в сжатой зоне.

Разрушение по наклонному сечению возможно по одной из трех схем:

А) При достижении предела текучести в растянутой арматуре либо выдергивании ее из бетона приопорной зоны произойдет поворот двух частей конструкции относительно центра сжатого бетона;

Б) При достаточном количестве продольной арматуры и надежном ее заанкеривании в бетоне (то есть при невозможности реализации первой схемы разрушения) может произойти срез сжатого бетона над наклонной трещиной от действия поперечной силы.

В) От раздавливания сжатого бетона между смежными наклонными трещинами.

В общем случае расчет должен обеспечивать конструкцию от всех перечисленных случаев разрушения.

Вопросы для самоконтроля.

1. Конструктивные особенности изгибаемых элементов.

2. Расчет прочности по нормальным сечениям.

3. Расчет прочности элементов по наклонным сечениям.