КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине Железобетонные конструкции Курс лекций. Для специальностей «Архитектура» и «Промышленное и гражданское строительство»

федеральное агентство по образованию

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

кАФЕДРА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Железобетонные конструкции»

для специальностей «Архитектура» и «Промышленное и гражданское строительство»

 

 

Тюмень-2007

Курс лекций разработали:

 

Составили:

к.т.н., доцент кафедры «Строительные конструкции» В.Ф.Бай

ассистент кафедры «Строительные конструкции» Ю.В.Наумкина

Рецензент:

к.т.н., доцент кафедры «Строительные конструкции» Р.Х.Бикбов

 

Содержание

Лекция №1. Введение.. 5

1.1. Краткий исторический обзор. 5

1.2. Области применения железобетонных и каменных конструкций.. 7

1.3. Перспективы развития.. 8

Лекция №2. Общие положения.. 10

2.1. Сущность железобетона.. 10

2.2. Достоинства и недостатки железобетонных конструкций.. 11

2.3. Виды железобетонных конструкций.. 11

Лекция №3. Бетон.. 12

3.1. Общие сведения.. 12

3.2. Классификация бетонов. 12

3.3. Структура бетона.. 12

3.4. Собственные деформации бетона.. 13

3.5. Прочность бетона.. 13

3.5.1. Кубиковая прочность. 13

3.5.2. Призменная прочность. 14

3.5.3. Прочность бетона на осевое растяжение. 14

3.5.4. Прочность бетона на срез и скалывание. 15

3.5.5. Классы и марки бетона. 15

3.5.6. Прочность бетона при длительном действии нагрузки. 17

3.5.7. Прочность бетона при многократно повторяемых нагрузках. 17

3.5.8. Динамическая прочность бетона. 17

3.6. Деформативность бетона.. 17

3.6.1. Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой. 18

3.6.2. Деформации при длительном действии нагрузки. 19

3.6.3. Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. 19

3.6.4. Предельные деформации бетона перед разрушением.. 20

3.6.5. Модуль деформации. 20

Лекция №4. Арматура.. 21

4.1. Виды арматуры... 21

4.2. Физико-механические свойства сталей.. 21

4.3. Классификация арматуры... 23

4.4. Применение арматуры в конструкциях.. 24

4.5. Арматурные сварные изделия.. 24

4.6. Арматурные проволочные изделия.. 25

4.7. Соединения арматуры... 25

4.8. Неметаллическая арматура.. 25

Лекция №5. Железобетон. Свойства.. 26

5.1. Сцепление арматуры с бетоном.. 26

5.2. Условия совместной работы бетона и арматуры... 26

5.3. Анкеровка арматуры в бетоне. 27

5.4. Защитный слой бетона в железобетонных элементах.. 27

5.5. Собственные напряжения в железобетоне. 28

5.6. Коррозия железобетона и меры защиты от нее. 28

Лекция №6. Основы теории сопротивления железобетона.. 28

6.1. Стадии напряженно-деформированного состояния (НДС) 28

6.2. Метод расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям.. 30

6.2.1. Две группы предельных состояний. 31

6.2.2. Классификация нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки. 31

6.2.3. Нормативные и расчетные сопротивления бетона. 32

6.2.4. Нормативные и расчетные сопротивления арматуры.. 33

6.2.5. Коэффициенты метода предельных состояний. 33

Лекция №7. Изгибаемые элементы... 34

7.1. Конструктивные требования к армированию элементов. 34

7.2. Конструирование плит. 34

7.3. Конструирование балок.. 35

7.4. Расчет сечений изгибаемых балок по предельным состояниям I группы... 36

7.4.1. Общий способ расчета прочности по нормальным сечениям.. 36

7.4.2. Расчет прочности по нормальным сечениям элементов. 37

прямоугольного и таврового профилей. 37

7.4.3. Расчет прочности элементов по наклонным сечениям.. 42

Лекция №8. Внецентренно-сжатые элементы... 46

8.1. Конструирование внецентренно-сжатых элементов. 46

8.2. Расчет прочности внецентренно-сжатых элементов. 47

8.3. Учет влияния гибкости на несущую способность внецентренно-сжатых элементов. 49

8.4. Сжатые элементы, усиленные косвенным армированием.. 50

8.5. Расчет прочности элементов на местное действие нагрузки.. 50

Лекция №9. Растянутые элементы... 53

9.1. Конструктивные особенности.. 53

9.2. Расчет прочности центрально-растянутых элементов. 54

9.3. Расчет прочности внецентренно-растянутых элементов. 54

приложение 1. 53

приложение 2. 53

Литература.. 53

Лекция №1. Введение

Краткий исторический обзор

Появление железобетонных конструкций связано с большим ростом промышленности, транспорта и торговли во второй половине XIX в. Исследования покрытий Царскосельского Дворца показали, что русские мастера еще… Первым изделием из железобетона была лодка, построенная Ламбо во Франции в 1850 г. Первые патенты на изготовление…

Области применения железобетонных и каменных конструкций

Каменные конструкции применяют в качестве несущих конструкций для внецентренно-сжатых элементов с ограниченным эксцентриситетом приложения внешних… Железобетонные конструкции широко используют в капитальном строительстве при… Во многих случаях конструкции из железобетона (особенно предварительно напряженного) целесообразнее каменных или…

Перспективы развития

Железобетонные конструкции, особенно предварительно напряженные, получили массовое использование в строительстве и имеют широкую перспективу для… Основными направлениями в совершенствовании железобетонных конструкций… 1) удовлетворение требований непрерывно развивающихся «Технических правил но экономному расходованию строительных…

Лекция №2. Общие положения

Сущность железобетона

Разрушение бетонных балок происходит от разрыва нижних наиболее растянутых волокон (рис. 1, а). При этом несущая способность сжатой зоны балки… При достаточном армировании железобетонная балка разрушится при полном…

Достоинства и недостатки железобетонных конструкций

· высокая прочность: · большая долговечность; · высокая степень огнестойкости;

Виды железобетонных конструкций

1. Сборные конструкции – конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных элементов.

2. Монолитные конструкции – конструкции, возведение которых осуществляют непосредственно на строительной площадке.

3. Сборно–монолитные конструкции – комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон, укладываемый на месте строительства, работает под нагрузкой как одно целое.

Лекция №3. Бетон

Общие сведения

Для обеспечения долговечной и нормальной эксплуатации бетон для железобетонных конструкций должен иметь необходимые для этого физико-механические свойства:

• прочность;
• хорошее сцепление с арматурой;
• непроницаемость для защиты арматуры от коррозии;
• специальные требования: морозостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.

 

Классификация бетонов

1. По структуре:

а) плотные;

б) крупнопористые;

в) поризованные;

г) ячеистые.

2. По плотности:

а) особо тяжелые (ρ > 2500 кг/м³);

б) тяжелые (ρ = 2200 ÷ 2500 кг/м³);

в) облегченные (чаще мелкозернистые) (ρ = 1800 ÷ 2200 кг/м³);

г) легкие (ρ = 800 ÷ 1800 кг/м³).

3. По виду заполнителей:

а) на плотных заполнителях (щебень, песок, гравий);

б) на пористых заполнителях (естественных – пемза, перлит, ракушечник; искусственных – керамзит, шлак);

в) на специальных заполнителях.

4. По зерновому составу:

а) крупнозернистые;

б) мелкозернистые.

5. По условиям твердения:

а) бетоны естественного твердения;

б) бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при атмосферном давлении;

в) бетоны, подвергнутые автоклавной обработке при высоком давлении и температуре.

 

Структура бетона

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. Существенным фактором является количество воды, применяемой для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением В/Ц. Для химического соединения воды с цементом необходимо, чтобы В/Ц ≈ 0,2; однако для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси В/Ц=0,5…0,6 (подвижные бетонные смеси); В/Ц=0,3…0,4 (жесткие бетонные смеси). Избыточная химически несвязанная вода образует поры и капилляры в цементом камне, а затем, испаряясь, освобождает их. Таким образом, с уменьшением В/Ц уменьшается пористость цементного камня и прочность бетона увеличивается.

Структура бетона представляет собой пространственную решетку из цементного камня, заполненную зернами песка и щебня различной крупности и формы, пронизанную большим числом микропор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.

 

Собственные деформации бетона

Усадке бетона препятствуют заполнители, которые становятся внутренними связями, вызывающими в цементном камне начальные растягивающие напряжения. … Неравномерное высыхание бетона, снаружи больше, а внутри меньше, приводит к… Уменьшить начальные усадочные напряжения можно: конструктивными мерами (армирование, устройство усадочных швов);…

Прочность бетона

Прочность бетона зависит от многих факторов, как-то:

• структура бетона;
• марка цемента;
• водоцементное отношение В/Ц;
• вид мелкого и крупного заполнителя;
• условия твердения;
• вид напряженного состояния;
• форма и размеры сечения;
• длительность действия нагрузки.

 

Кубиковая прочность

Силы трения между подушками пресса и гранями куба препятствуют свободным поперечным деформациям куба и соответственно упрочняют бетон сверху и… Если устранить силы трения смазкой контактных поверхностей, прочность…  

Рис. 3. Характер разрушения бетонной призмы.

Прочность бетона на осевое растяжение

Прочность бетона на растяжение в 15…20 раз меньше, чем при сжатии. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением В/Ц, применением щебня с шероховатой поверхностью. Временное сопротивление бетона осевому растяжению R_bt определяют испытаниями:

1) на разрыв – образцов в виде восьмерки (рис. 4, а);

2) на раскалывание – образцов в виде цилиндров (рис. 4, б);

3) на изгиб – бетонных балок (рис. 4, в): ,

где χ – учитывает криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны.

а) б)

 

 

в)

Рис. 4. Схемы испытания образцов для определения прочности бетона

при осевом растяжении:а - на разрыв; б – на раскалывание; в – на изгиб.

Прочность бетона на срез и скалывание

Срез – разделение элемента на 2 части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы (рис. 5, а). Временное сопротивление бетона на срез: .

Сопротивление бетона скалыванию (рис. 5, б) возникает при изгибе балок до появления в них наклонных трещин: .

а) б)

Рис. 5. Схемы испытания образцов на срез (а) и скалывание (б).

Классы и марки бетона

Качество конструкционного бетона характеризуется классами и марками в зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации. Строительные нормы устанавливают следующие показатели качества бетона:

• класс бетона по прочности на осевое сжатие B;
• класс бетона по прочности на осевое растяжение B_t;
• марка по морозостойкости F;
• марка по водонепроницаемости W;
• марка по средней плотности D;
• марка по самонапряжению S_p.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие B (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при температуре 20±2^оС с учетом статистической изменчивости прочности (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Кривые распределения прочности,

как случайной величины:

n и R – соответственно количество кубов, имеющих одинаковую прочность, и величина прочности; 1 – опытные значения n и R; 2 – теоретическая кривая, характеризующая разброс прочности с учетом статистической изменчивости (кривая Гаусса)

 

 

Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию, установленное при испытании партии стандартных кубов:

,

где n₁, n₂, …, n_k – число случаев, в которых было установлено временное сопротивление соответственно R₁, R₂, …, R_k, n – общее число испытаний.

 

Среднее квадратичное отклонение прочности бетона в партии, характеризующее изменчивость прочности:

,

где Δ₁=R₁-R_m; Δ₂=R₂-R_m; …; Δ_k=R_k-R_m – отклонения.

 

Коэффициент вариации прочности бетона в партии:

.

Наименьшее контролируемое значение – временное сопротивление B – расположено на расстоянии χS_m влево от значения R_m, т.е.:

,

где χ – число, показатель надежности.

 

Исходя из значения χV_m оценивают обеспеченность гарантируемых значений прочности бетона не менее B. В нормах на проектирование установлена обеспеченность (доверительная вероятность) 0,95. Это имеет место при χ=1,64.

Для тяжелых бетонов установлены классы B 7,5 ÷ B 60.

 

Аналогичным образом определяют класс бетона по прочности на осевое растяжение.

Класс бетона по прочности на осевое растяжение: B_t 0,8 ÷ B_t 3,2

 

Марка бетона по морозостойкости – характеризуется числом выдерживаемых бетоном циклов попеременных замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. После определенного числа циклов производят испытания бетонных кубов на сжатие. Снижение прочности на 15 % при таком количестве циклов определяет марку бетона по морозостойкости. F 50 ÷ F 500.

 

Марка бетона по водонепроницаемости – характеризуется предельным давлением воды (кг/см²), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый стандартный образец. W 2 ÷ W 12.

 

Марка бетона по средней плотности – гарантированная собственная масса бетона (кг/м³): тяжелый бетон D 2200 ÷ D 2500.

 

Марка бетона по самонапряжению - значение предварительного напряжения в бетоне, МПа, создаваемого в результате его расширения при коэффициенте продольного армирования μ = 0,01, и контролируется на образцах-призмах размером 10×10×40см.

S_p 0,6 ÷ S_p 4.

 

Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. При благоприятных условиях твердения прочность бетона может нарастать годами. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедляется или прекращается.

 

Прочность бетона при длительном действии нагрузки

Предел длительного сопротивления бетона осевому сжатию составляет R_bl ≈ 0,9R_b, т.к. при длительном действии нагрузки под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем R_b.

 

Прочность бетона при многократно повторяемых нагрузках

При действии многократно повторяемых нагрузок прочность бетона сжатию под влиянием развития структурных микротрещин уменьшается. Предел прочности бетона (предел выносливости) R_f зависит от числа циклов нагрузки – разгрузки n и отношения попеременно возникающих минимальных и максимальных напряжений .

При n ~ 10⁷ R_f ≈ 0,5÷0,7 R_b.

 

Динамическая прочность бетона

При динамической нагрузке большой интенсивности, но малой продолжительности, имеет место увеличенное временное сопротивление бетона – динамическая прочность. Это явление объясняется энергопоглощающей способностью бетона, работающего только упруго в течение короткого промежутка нагружения динамической нагрузкой. Чем меньше время τ нагружения, тем больше коэффициент динамической прочности бетона . При τ=0,1 сек R_d ≈ 1,2R_b.

 

Деформативность бетона

Виды деформаций бетона:

1. Объемные – во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности.
2. Силовые – от действия внешних сил.

Бетону свойственно нелинейное деформирование, поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия делят на 3 вида: деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой, деформации при длительном действии нагрузки и деформации при многократно повторяющемся действии нагрузки.

Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой

Деформация бетона: (рис. 7),

где ε_е – упругая деформация, ε_pl – упругопластическая деформация.

Если образец загружать по этапам и замерять деформации дважды – сразу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой, получим ступенчатую линию (рис. 8). При достаточном числе загружений, ступенчатая линия зависимости σ_b – ε_b может быть заменена плавной кривой. Таком образом, упругие деформации бетона соответствуют лишь мгновенной скорости загружения образца, а неупругие развиваются во времени.

Рис. 7. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне

при сжатии и растяжении:

I – область упругих деформаций; II – область пластических деформаций;

1 – загрузка; 2 – разгрузка; ε_bu – предельная сжимаемость;ε_btu – предельная растяжимость;

ε_ер – доля неупругих деформаций, восстанавливающихся после разгрузки.

 

С увеличением скорости загружения V при одном и том же напряжении σ_b неупругие деформации уменьшаются (рис. 9).

 

Рис. 8. Диаграмма σ_b – ε_b в сжатом бетоне при Рис. 9. Диаграмма σ_b – ε_b в сжатом бетоне при

Различном числе этапов загружения. различной скорости загружения.

Деформации при длительном действии нагрузки

Участок 0-1 (рис. 10) характеризует деформации, возникающие при загружении. Участок 1-2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном… Свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций с течением… При длительном действии постоянной нагрузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения в бетоне…

Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки

Многократное повторение действия нагрузки приводит к накапливанию неупругих деформаций (рис. 11). После большого количества циклов эти деформации постепенно выбираются, ползучесть достигает предельного значения, бетон начинает работать упруго.

С каждым последующим циклом кривая зависимости σ_b – ε_b постепенно становится прямой, характеризующей упругую работу. Такой характер работы наблюдается при . При больших значениях неупругие деформации начинают неограниченно расти, при этом кривизна σ_b – ε_b меняет знак.

 

Рис. 11. Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне

при многократном повторном загружении бетонного образца:

1 – первичная кривая; 2 – конечная кривая.

 

 

Предельные деформации бетона перед разрушением

Это предельная сжимаемость и предельная растяжимость . Зависят от:

• прочности бетона;
• класса бетона;
• состава бетона;
• длительности приложения нагрузки.

При сжатии в среднем .

При растяжении в среднем .

При изгибе в крайнем сжатом волокне в среднем .

 

Модуль деформации

.   Модуль полных деформаций бетона (рис.12) при сжатии соответствует полным деформациям; является величиной…

Лекция №4. Арматура

Виды арматуры

а) стальная; б) стеклопластиковая; в) углепластиковая.

Физико-механические свойства сталей

а) б) Рис. 13. Диаграммы σs – εs при растяжении арматурной стали: а – мягкая малоуглеродистая сталь с площадкой текучести;

Классификация арматуры

Наименование и класс арматуры	d, мм	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Модуль упругости, МПа
Стержневая горячекатаная:   гладкая класса A-I   периодического профиля классов:   A-II   A-III   A-IV   A-V   A-VI	6…40     10…40   6…40   10…22   10…32   10…22			21 · 104     21 · 104   20 · 104   19 · 104   19 · 104   19· 104
Стержневая термически упрочненная классов:   Ат – IIIс   Aт – IVс   Ат – V   Aт - VI	10…38   10…28   10…28   10…28		-	20 · 104   19 · 104   19 · 104   19· 104
Обыкновенная арматурная проволока периодического профиля класса Вр-I	3…5		-	17· 104
Высокопрочная арматурная проволока:   гладкая класса В-II   периодического профиля класса Вр-II	3…8     3…8		4…6     4…6	20 · 104 20 · 104

П р и м е ч а н и е: дополнительной буквой «С» указывается на возможность стыкования сваркой, буквой «Т» - на термическое упрочнение арматуры.

 

Применение арматуры в конструкциях

В качестве ненапрягаемой рабочей арматуры применяют A – III. Для косвенного армирования используют Bp – I. Иногда может применяться в качестве рабочей арматуры A – II. A - I используют в качестве монтажной и для поперечных стержней каркасов.

В качестве напрягаемой арматуры применяют: Aт - IVс, Aт – V, Aт – VI, A - IV, A – V, A – VI, В – II, Вр – II, К – 7, К – 19.

Хорошо свариваются: А–I – A–VI, Aт – IIIс, Aт – IVс, Вр – I.

Нельзя сваривать: Aт – V, Aт – VI, В – II, Вр – II, т.к. теряется эффект упрочнения.

Арматурные сварные изделия

б) плоские. Максимальная ширина сетки – 3800 мм; длина ограничивается массой сетки не… Основные параметры сеток в соответствии с ГОСТ 8478-81 (рис. 14):

Арматурные проволочные изделия

Наиболее эффективная напрягаемая арматура – канат (рис. 16, а). Периодический профиль каната обеспечивает надежное сцепление с бетоном, а большая длина позволяет избежать стыков.

а) б)

 

 

Рис. 16. Арматурные проволочные изделия:

а – арматурные канаты; б – арматурный пучок.

Арматурные пучки (рис. 16, б) состоят из отдельных параллельно расположенных проволок или канатов. Проволоки (14, 18 или 24 шт.) или канаты располагают по окружности с зазорами и обматывают мягкой проволокой.

 

 

Соединения арматуры

1. Сварные стыки (рис. 17, а, б, в)
2. Стыки арматуры внахлестку без сварки (рис. 17, г)

Перепуск концов стержней на 20…50d. Допускается применять в местах, где прочность арматуры используется не полностью.

а) в)

 

 

б) г)

 

 

Рис. 17. Соединения арматуры:

а – контактная сварка «встык»; б – дуговая ванная сварка;

в – сварка с накладками; г – «внахлестку» без сварки.

 

Неметаллическая арматура

Стеклопластиковая арматура – получается из стекловолокон, объединенных в арматурный стержень с помощью связующих пластиков из синтетических смол.

Достоинства: обладает высокой прочностью и низким модулем упругости.

Недостатки: склонность к разрушению от щелочных реакций и старение, характеризуемое снижением прочности во времени.

 

Лекция №5. Железобетон. Свойства

Сцепление арматуры с бетоном

Надежное сцепление арматуры с бетоном создается тремя основными факторами: 1) сопротивление бетона усилиям смятия и среза, обусловленное выступами на… 2) за счет сил трения, возникающих на поверхности арматуры благодаря обжатию стержней бетоном при его усадке;

Условия совместной работы бетона и арматуры

1) сцепление арматуры с бетоном, исключающее продергивание арматуры в бетоне;

2) примерное равенство коэффициентов температурного удлинения (укорочения) бетона и арматуры, так как в материалах с разными коэффициентами линейных температурных деформаций при перепадах температуры возникают собственные напряжения, что снижает сцепление между материалами.

; .

3) способность бетона надежно предохранять арматуру от коррозии и действия огня.

 

Анкеровка арматуры в бетоне

Анкеровка – это закрепление концов арматуры в бетоне.

Анкеровка обеспечивается:

• выступами периодического профиля арматуры;

• загибами арматуры (класс A - I);

• стержнями поперечного направления;

• при помощи специальных анкеров на концах стержней.

 

Защитный слой бетона в железобетонных элементах

Защитный слой необходим для обеспечения совместной работы арматуры с бетоном, защиты арматуры от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т.д.

Конструктивные требования к защитному слою бетона в железобетонных конструкциях приведены в СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции».

 

Собственные напряжения в железобетоне

1) при значительном перепаде температур возникают внутренние напряжения, происходит снижение прочности бетона, прочности сцепления арматуры с бетоном.

2) т.к. арматура обладает модулем упругости, в 10…20 раз превышающем модуль деформации бетона, то когда бетон испытывает пластические деформации, арматура – только упругие, соответственно арматура воспринимает часть нагрузки и разгружает бетон, сдерживая в нем развитие деформаций ползучести, т.е. происходит перераспределение усилий;

3) усадка и ползучесть действуют одновременно и совместно влияют на работу конструкции под нагрузкой;

4) релаксация напряжений арматуры и бетона;

5) напряжение от ползучести бетона при быстром разгружении тяжело и длительно нагруженных конструкций. В момент снятия нагрузки обратимые (упругие) деформации бетона вызывают в бетоне начальные напряжения растяжения, которые могут превышать предел прочности бетона на растяжение.

 

Коррозия железобетона и меры защиты от нее

Коррозия бетона – из-за недостаточной плотности бетона; от воздействия фильтрующей воды, разрушающей цементный камень (белые хлопья на поверхности бетона); под влиянием газовой или жидкой агрессивной среды.

Коррозия арматуры – продукт коррозии имеет больший объем, чем арматура, соответственно создается значительное давление на окружающий слой бетона, вдоль стержней возникают трещины и отколы бетона с обнажением арматуры.

Меры защиты от коррозии железобетона:

• снижение фильтрующей способности бетона (спец. добавки);
• повышение плотности бетона;
• увеличение толщины защитного слоя бетона;
• применение лакокрасочных покрытий, оклеечной изоляции;
• применение кислотостойких бетонов.

 

Лекция №6. Основы теории сопротивления железобетона

Основные задачи:

1. Оценка напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции.

1. Определение конфигурации элемента.
2. Определение площади бетона.
3. Определение требуемого количества рабочей арматуры.

 

Стадии напряженно-деформированного состояния (НДС)

I стадия. В начале I стадии бетон растянутой зоны сохраняет сплошность, работает упруго, эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой… Стадия I – стадия упругой работы элемента. С увеличением нагрузки развиваются… а) б)

Метод расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям

Для предельных состояний I группы условие прочности обеспечивается, если усилие, возникающее в элементе от внешних воздействий, не будет превышать… , где F – усилие от расчетных нагрузок (M, N или Q); Fu – предельное усилие, которое может выдержать элемент…

Две группы предельных состояний

Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных состояний. Предельные состояния I группы(группа непригодности к эксплуатации): … Предельные состояния II группы(группа непригодности к нормальной эксплуатации):

Классификация нагрузок.

Нормативные и расчетные нагрузки.

а) технологические (от веса людей в жилых и общественных зданиях, оборудования и кранов в промышленных зданиях); б) атмосферные (от снега, ветра, изменений температуры, гололед); в) собственный вес несущих и ограждающих конструкций;

Нормативные и расчетные сопротивления бетона

Расчетные сопротивления бетона получают путем деления нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по материалу: - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию, где - коэффициент надежности… - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению, где - коэффициент надежности по бетону при растяжении, зависящий…

Нормативные и расчетные сопротивления арматуры

Расчетные сопротивления арматуры растяжению определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по материалу: … , где - коэффициент надежности по арматуре, зависящий от класса арматуры.

Коэффициенты метода предельных состояний

§ коэффициент надежности по нагрузке учитывает возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону от их нормативных значений, как в силу… Коэффициенты установлены в СНиП 2.01.07–85* “Нагрузки и воздействия”. § коэффициент надежности по назначению (коэффициент ответственности) учитывает степень ответственности сооружения и…

Лекция №7. Изгибаемые элементы

Конструктивные требования к армированию элементов

; , где As,min – минимальная площадь сечения рабочей продольной арматуры; -… Минимальный процент армирования рабочей продольной арматуры в изгибаемых элементах . Максимальное содержание рабочей…

Конструирование плит

Минимальная толщина плит: 40 мм – плиты покрытий; 50 мм – плиты перекрытий жилых и общественных зданий;

Конструирование балок

Конструктивные требования к размерам. Высота h кратно 50 мм, если h < 600 мм и кратно 100 мм, если h > 600… Ширина , а именно 100, 120, 150, 200, 220, 250 мм и далее кратно 50мм.

Расчет сечений изгибаемых балок по

Предельным состояниям I группы

Общий способ расчета прочности по нормальным сечениям

Рассмотрим однопролетную железобетонную балку (рис. 25), свободно лежащую на двух опорах, симметрично загруженную двумя сосредоточенными силами. На определенной ступени загружения в балке образуются нормальные и наклонные трещины, в соответствии с этим прочность изгибаемых элементов рассчитывают как по нормальным, так и по наклонным сечениям.

Прочность изгибаемых железобетонных конструкций рассчитывают по III стадии НДС.

 

 

Рис. 25. Схема изгибаемой железобетонной балки:

а-а – нормальное сечение; б-б – наклонное сечение.

 

Рис. 26. Схема усилий при расчете прочности изгибаемых элементов

По нормальному сечению.

В расчетной схеме усилий (рис. 26) принимают, что на элемент действует изгибающий момент M, а в арматуре и бетоне действуют усилия, соответствующие… В бетоне сжатой зоны сложную криволинейную эпюру напряжений заменяют… Сечение элемента может быть любой симметричной формы.

Расчет прочности по нормальным сечениям элементов

Прямоугольного и таврового профилей

Элементы прямоугольного профиля с одиночной арматурой (рис. 27).

Высоту сжатой зоны х определяют из уравнения равенства нулю суммы проекций всех нормальных усилий на продольную ось элемента:

.

Рис. 27. Прямоугольное сечение с одиночной арматурой и схема усилий.

 

Условие прочности по сжатой зоне:

. (1)

Условие прочности по растянутой арматуре:

. (2)

Данные формулы применяют при условии .

 

В практике для расчета прямоугольных сечений с одиночной арматурой используют табличный метод. С этой целью формулы (1) и (2) преобразуют следующим образом:

,

где ; ; .

. (3)

 

.

. (4)

Для коэффициентов , и составлена таблица (приложение 1). По формуле (3) определяют , затем по таблице в зависимости от находят соответствующие и . Проверяют условие . Если условие выполняется, находят требуемое количество арматуры по формуле (4).

Элементы прямоугольного профиля с двойной арматурой (рис. 28).

 

Если при расчете прочности элемента прямоугольного профиля с одиночной арматурой оказалось, что , значит прочности сжатой зоны бетона недостаточно и арматура в этой зоне требуется по расчету.

Рис. 28. Прямоугольное сечение с двойной арматурой и схема усилий.

 

Условие прочности по сжатой зоне изгибаемого элемента, армированного двойной арматурой:

. (5)

Из уравнения равенства нулю суммы проекций всех нормальных усилии на продольную ось элемента:

.

Если при расчете прочности элемента прямоугольного профиля с одиночной арматурой оказалось, что , принимают , затем по таблице находят соответствующее значение . Формулу (5) преобразуем следующим образом:

;

. (6)

Требуемую площадь сжатой арматуры A’_s можно определить из формулы (6):

.

Из уравнения равенства нулю суммы проекций всех нормальных усилий на продольную ось элемента находят требуемую площадь растянутой арматуры:

.

Элементы таврового профиля.

Расчеты прочности некоторых железобетонных конструкций (многопустотные и ребристые плиты перекрытий) сводятся в итоге к расчету таврового сечения (рис. 29). Тавровое сечение образуется из полки и ребра. Основное преимущество таврового сечения перед прямоугольным – это отсутствие «лишнего» бетона в растянутой зоне, поэтому в сравнении с прямоугольным тавровое сечение значительно выгоднее, т.к. при одной и той же несущей способности (бетон растянутой зоны не влияет на несущую способность) расход бетона значительно меньше.

При большой ширине полок участки свесов, более удаленные от ребра, напряжены меньше. Поэтому в расчеты вводят только часть полки, участвующей в работе – не более половины расстояния в свету между ребрами c и не более 1/6 пролета рассматриваемого элемента (рис. 30, а).

При консольных свесах полок (рис. 30, б) вводимая в расчет ширина свеса должна составлять:

- при . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . не более 6;

- при . . . . . . . . . . . . . . не более 3;

- при . . . . . . . . . . . . . . . . . . . свесы полок в расчете не учитывают.

а)

 

б)

Рис. 29. Плиты перекрытий и их расчетные сечения:

а – многопустотная плита; б – ребристая плита.

 

а)

 

б) Рис. 30. Участки свесов тавровых сечений,

вводимые в расчеты:

а – в составе монолитного перекрытия;

б – при консольных свесах полок.

 

Два расчетных случая в элементах таврового профиля

Расчетный случай зависит от положения границы сжатой зоны бетона.

1 случай. Граница сжатой зоны проходит в полке . В этом случае тавровое сечение рассчитывают как прямоугольное с размерами (рис. 31), поскольку бетон в растянутой зоне на несущую способность не влияет.

Рис. 31. 1 случай положения границы сжатой зоны бетона в элементах таврового профиля.

2 случай. Граница сжатой зоны находится в ребре (рис. 32). Расчет проводят по формулам таврового профиля.

 

 

Рис. 32. 2 случай положения границы сжатой зоны бетона в элементах таврового профиля.

Определение расчетного случая

При решении прямой задачи, т.е. когда необходимо определить требуемое количество растянутой арматуры, предполагают, что нижняя граница сжатой зоны проходит по нижней грани полки (рис. 33), определяют величину несущей способности таврового сечения на изгиб и сравнивают с величиной изгибающего момента от действия внешних нагрузок.

- граница сжатой зоны находится в полке;

- граница сжатой зоны находится в ребре.

Рис. 33. К определению расчетного случая в элементах таврового профиля.

При решении обратной задачи, т.е. когда требуется проверить несущую способность элемента при известном количестве арматуры в элементе, граница сжатой зоны определяется из уравнения равенства нулю суммы проекций всех нормальных усилий на продольную ось элемента: ; , при расчетным сечением является прямоугольник, а при - сечение таврового профиля.

 

Расчет арматуры растянутой зоны в элементах таврового профиля (рис. 34).

Рис. 34. К расчету растянутой арматуры в элементах таврового профиля.

Условие прочности по сжатой зоне:

(7)

Заменяя на из условия прочности (7) определяют значение :

, затем по таблице находят соответствующее значение . Проверяют условие .

Из уравнения равенства нулю суммы проекций всех нормальных усилий на продольную ось элемента:

определяют неизвестное количество требуемой растянутой арматуры:

.

Если , необходима арматура в сжатой зоне.

 

Расчет арматуры сжатой зоны в элементах таврового профиля (рис. 35).

Рис. 35. К расчету сжатой арматуры в элементах таврового профиля.

Принимаем , т.е. бетон сжатой зоны работает до предела.

Условие прочности:

. (8)

Используя из условия прочности (8) определяют неизвестное количество требуемой сжатой арматуры:

.

Из уравнения равенства нулю суммы проекций всех нормальных усилий на продольную ось элемента:

определяют неизвестное количество требуемой растянутой арматуры:

.

Расчет прочности элементов по наклонным сечениям

На приопорных участках под действием поперечной силы и изгибающего момента в сечениях, наклонных к продольной оси элемента, развиваются напряженно-деформированные состояния, как и в нормальных сечениях.

Главные растягивающие и главные сжимающие напряжения действуют под углом к оси (рис. 36).

а) б)

Рис. 36. Линии главных сжимающих и растягивающих напряжений.

 

Если главные растягивающие напряжения превысят сопротивление бетона растяжению R_bt, возникают наклонные трещины. Растягивающие усилия в наклонной трещине передаются на арматуру. При дальнейшем увеличении нагрузки наклонные трещины раскрываются, напряжения в арматуре доходят до предела текучести и происходит разрушение элемента вследствие раздробления бетона над вершиной наклонной трещины (рис. 37).

 

Рис. 37. Схема разрушения элемента

По наклонному сечению.

  Разрушение изгибаемого элемента по наклонному сечению происходит по одному из… 1. Раздробление бетона наклонной сжатой полосы между наклонными трещинами (рис. 38). Происходит при малой ширине…

Лекция №8. Внецентренно-сжатые элементы

Поэтому различают 2 вида эксцентриситетов: расчетные и случайные. Расчетный эксцентриситет ео получают из статического расчета (рис. 42).  

Рис. 42. Внецентренно-сжатый элемент

С расчетным эксцентриситетом

 

 

Случайный эксцентриситет е_а – величина неопределенная. Причиной возникновения могут являться неточность монтажа, неоднородное бетонирование, первоначальная кривизна элемента, случайные горизонтальные силы и другие случайные факторы. Случайный эксцентриситет принимают не менее 1/600 длины элемента, не менее 1/30 высоты его сечения и не менее 10 мм.

В статически-определимых системах: .

В статически-неопределимых: , но не менее .

К элементам со случайными эксцентриситетами относятся сжатые элементы ферм. В остальных случаях обычно эксцентриситеты имеют расчетную величину.

 

 

Конструирование внецентренно-сжатых элементов

Для сжатых элементов применяют бетон классов по прочности на сжатие В15 ÷ В30, арматуру классов А-II, A-III. Диаметр продольной стрежневой… Продольную и поперечную арматуру объединяют в плоские и пространственные…  

Расчет прочности внецентренно-сжатых элементов

1 случай (). Внецентренно-сжатые элементы с большими эксцентриситетами продольной силы (рис. 45, а). Элемент ведет себя, как изгибаемый. Часть… 2 случай (). Внецентренно-сжатые элементы с малыми эксцентриситетами (рис. 45,…  

Учет влияния гибкости на несущую

Способность внецентренно-сжатых элементов

Гибкий внецентренно-сжатый элемент под влиянием момента прогибается, вследствие чего начальный эксцентриситет eо продольный силы N увеличивается… Расчет таких элементов следует выполнять по деформированной схеме. Допускается… ,

Сжатые элементы, усиленные косвенным армированием

Для круглых и многоугольных поперечных сечений применяют косвенное армирование в виде спиралей или сварных колец (рис. 49, а), для прямоугольных… а) б) Косвенное армирование применяют вблизи стыков сборных колонн, под анкерами и в зоне анкеровки предварительно…

Расчет прочности элементов на местное действие нагрузки

При местном сжатии прочность бетона выше, чем обычно. Повышение прочности бетона зависит: - от схемы приложения нагрузки;

Лекция №9. Растянутые элементы

Конструктивные особенности

Центрально-растянутые элементы – это элементы, в нормальном сечении которых точка приложения продольной растягивающей силы N совпадает с точкой приложения равнодействующей усилий в продольной арматуре.

К центрально-растянутым элементам относятся затяжки арок, нижние пояса и нисходящие раскосы ферм и другие элементы (рис. 51).

Рис. 51. Центрально-растянутые элементы.

Центрально-растянутые элементы проектируют, как правило, предварительно-напряженными.

Основные принципы конструирования центрально-растянутых элементов:

- стержневую рабочую арматуру без предварительного напряжения соединяют по длине сваркой;

- стыки внахлестку без сварки допускаются только в плитных и стеновых конструкциях;

- растянутая предварительно-напряженная арматура в линейных элементах не должна иметь стыков;

- в поперечном сечении предварительно напряженную арматуру размещают симметрично (чтобы избежать внецентренного обжатия элемента);

Внецентренно-растянутые элементы – это элементы, которые одновременно растягиваются продольной силой N и изгибаются моментом М, что равносильно внецентренному растяжению силой N с эксцентриситетом e_o относительно продольной оси элемента. При этом различают 2 случая: когда продольная растягивающая сила N приложена между равнодействующими усилий в растянутой и сжатой арматуре, и положение, когда сила приложена за пределами данного расстояния.

К внецентренно-растянутым элементам относятся нижние пояса безраскосных ферм и другие конструкции.

Внецентренно-растянутые элементы армируют аналогично изгибаемым элементам, а при положении N в пределах сечения – аналогично армированию центрально-растянутых элементов.

Внецентренно-растянутые также обычно подвергаются предварительному напряжению, что существенно повышает их трещиностойкость.

 

Расчет прочности центрально-растянутых элементов

Разрушение центрально-растянутых элементов происходит после того, как в бетоне образуются сквозные трещины, и он выключится из работы, а в арматуре напряжения достигнут предела текучести.

Несущая способность центрально-растянутого элемента обусловлена предельным сопротивлением арматуры без участия бетона:

,

где R_s – расчетное сопротивление арматуры растяжению,

A_s,tot – площадь сечения всей продольной арматуры.

 

 

Расчет прочности внецентренно-растянутых элементов

Случай малых эксцентриситетов (продольная сила N приложена между равнодействующими усилий в растянутой и сжатой арматуре (рис. 52)). В этом случае всё сечение растянуто. В предельном состоянии в бетоне образуются сквозные поперечные трещины. Бетон в…

Приложение 1

0,01	0,995	0,01	0,36	0,82	0,295
0,02	0,99	0,02	0,37	0,815	0,301
0,03	0,985	0,03	0,38	0,81	0,309
0,04	0,98	0,039	0,39	0,805	0,314
0,05	0,975	0,048	0,4	0,8	0,32
0,06	0,97	0,058	0,41	0,795	0,326
0,07	0,965	0,067	0,42	0,79	0,332
0,08	0,96	0,077	0,43	0,785	0,337
0,09	0,955	0,085	0,44	0,78	0,343
0,1	0,95	0,095	0,45	0,775	0,349
0,11	0,945	0,104	0,46	0,77	0,354
0,12	0,94	0,113	0,47	0,765	0,359
0,13	0,935	0,121	0,48	0,76	0,365
0,14	0,93	0,13	0,49	0,755	0,37
0,15	0,925	0,139	0,5	0,75	0,375
0,16	0,92	0,147	0,51	0,745	0,38
0,17	0,915	0,155	0,52	0,74	0,385
0,18	0,91	0,164	0,53	0,735	0,39
0,19	0,905	0,172	0,54	0,73	0,394
0,2	0,9	0,18	0,55	0,725	0,399
0,21	0,895	0,188	0,56	0,72	0,403
0,22	0,89	0,196	0,57	0,715	0,408
0,23	0,885	0,203	0,58	0,71	0,412
0,24	0,88	0,211	0,59	0,705	0,416
0,25	0,875	0,219	0,6	0,7	0,42
0,26	0,87	0,226	0,61	0,695	0,424
0,27	0,865	0,236	0,62	0,69	0,428
0,28	0,86	0,241	0,63	0,685	0,432
0,29	0,855	0,248	0,64	0,68	0,435
0,3	0,85	0,255	0,65	0,675	0,439
0,31	0,845	0,262	0,66	0,67	0,442
0,32	0,84	0,269	0,67	0,665	0,446
0,33	0,835	0,275	0,68	0,66	0,449
0,34	0,83	0,282	0,69	0,655	0,452
0,35	0,825	0,289	0,7	0,65	0,455

Приложение 2

Литература

 

1. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции/Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2001. – 76с.
2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия/Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2003, с измен.
3. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1991. – 767с.
4. Бондаренко В.М., Суворкин Д.Г. Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. для вузов. - М., Высшая школа, 1987.

 

 

Предварительное напряжение в железобетонных конструкциях

Сущность предварительного напряжения

Обжатие бетона на величину σbp осуществляется предварительно натянутой арматурой, которая после отпуска натяжных устройств стремится… Начальные сжимающие напряжения создают в тех зонах бетона, которые… Железобетонные элементы без предварительного напряжения работают при наличии трещин: ,

Способы и методы натяжения арматуры

1. На упоры (до бетонирования). Арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец закрепляют в упоре, другой – натягивают домкратом до… 2. На бетон. Сначала изготавливают бетонный элемент, в котором…  

Виды обжатия

1. Одноосное обжатие.

2. Двуосное обжатие.

3. Трехосное обжатие.

 

Виды анкеров

1. Высаженная головка.

2. Анкеровка с помощью коротких стержней.

3. Винтовой анкер.

 

Значения предварительных напряжений

Предварительные напряжения σsp и σ’sp в арматуре S и S’ следует назначать с учетом допустимых отклонений р таким образом, чтобы… ; , где - при механическом способе натяжения арматуры;

Потери предварительных напряжений

Первые потери: 1. Потери от релаксации напряжений в арматуре при натяжении на упоры; зависят… При механическом способе натяжения арматуры: