Размеров испытываемого образца

6. Проектирование внецентренно сжатых элементов. Расчет, конструктивные требования.

Внецентренно сжатые элементы – элементы, в которых расчетные продольные сжимающие силы N действуют с эксцентриситетом продольного усилия е₀ по отношению к вертикальной оси элемента или на которые одновременно действуют осевая продольная сжимающая сила N и изгибающий момент М.

Рис. 12.3. Внецентренно сжатая колонна с начальным эксцентриситетом е₀

Совокупность осевой продольной сжимающей силы N и изгибающего момента М можно заменить силой N, действующей с начальным эксцентриситетом .

Начальный эксцентриситет в любом случае принимают не менее случайного коэффициента.

Для элементов статически определимых систем проектный эксцентриситет е₀ принимают не менее суммы начального и случайного эксцентриситета, т.е. .

Для элементов статически неопределимых систем проектный эксцентриситет е₀ принимают не менее е_а, т.е.

В соответствии с характером силового воздействия профиль внецентренно сжатых элементов принимается обычно развитым в плоскости действия момента и может быть прямоугольным, тавровым, двутавровым, коробчатым, кольцевыми т.д.

При гибкости элементов по п.3.3 СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» необходи­мо учитывать влияние на их несущую способность прогибов в плоскости эксцентриситета продольного усилия и в нормальной к ней плоскости путем умно­жения значений е₀ на коэффициент (см. п. 3.6).

В случае расчета из плоскости эксцентриситета про­дольного усилия значение е₀ принимается равным значению случайного эксцентриситета е_а.

Рис. 12.4. Расчетная схема внецентренно сжатого элемента

При случайном эксцентриситете еа

1 – геометрическая ось элемента;

2 – продольная арматура;

3 – хомуты

Основные расчетные положения внецентренно сжатых элементов

При нагружении внецентренно сжатых элементов до предела их несущей способности (стадия III) в зависимости от величины эксцентриситета наблюдаются 2 случая разрушения:

случай 1 – случай больших эксцентриситетов (рис.12.5);

случай 2 – случай малых эксцентриситетов (рис.12.6).

Случай 1. Напряженное состояние (как и разрушение) близко к напряженному состоянию изгибаемых элементов по случаю 1. В стадии II НДС в растянутой зоне образуются нормальные трещины, а в стадии III – наступает плавное разрушение элементов. При этом напряжения в растянутой и сжатой арматуре и в бетоне сжатой зоны сечения достигают своих предельных значений: , т.е. разрушение происходит при одновременном исчерпании несущей способности растянутой арматуры и бетона и арматуры сжатой зоны сечения. При этом элементы следует проектировать, чтобы соблюдалось условие ( ), иначе арматура будет находиться за пределами бетона сжатой зоны, и ее прочность не будет использована. Если в расчетных уравнениях принимают .

Рис. 12.5. Расчетная схема внецентренно сжатого элемента (случай 1)

1 – геометрическая ось элемента; 2 – центр тяжести бетона сжатой зоны; 3 – хомуты

Условие несущей способности элемента:

При расчете внецентренно сжатых элементов по случаю 1 возможно применение таблиц:

Таким образом, расчет при помощи таблиц внецентренно сжатых элементов аналогичен расчету при помощи таблиц изгибаемых элементов с двойной арматурой.

Случай 2. Этот случай объединяет 2 варианта наряженного состояния: когда все сечение сжато или когда часть сечения слабо растянута. В обоих вариантах разрушение элемента наступает вследствие исчерпания несущей способности бетона сжатой зоны и сжатой арматуры. При этом прочность растянутой арматуры недоиспользуется, напряжения в ней остаются низкими. В целях упрощения расчетов действительные эпюры сжимающих напряжений заменяют прямоугольной эпюрой с ординатой . Напряжения в растянутой арматуре равны , в сжатой арматуре – .

Рис. 12.6. Расчетная схема внецентренно сжатого элемента (случай 2)

1 – геометрическая ось элемента; 2 – центр тяжести бетона сжатой зоны; 3 – хомуты

Напряжения в сжатой арматуре получают из условия, что в стадии разрушения деформации бетона и арматуры, благодаря их сцеплению, одинаковы:

Отсюда предельные сжимающие напряжения в продольной арматуре :

.

Условие несущей способности элемента:

По СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции» определяют по эмпирической зависимости:

, где определяют по п.3.12*.

По этой формуле находят для классов арматуры A-I (А240), A-II (А300), A-III (А400) и при бетоне класса В30 и ниже. Для других классов арматуры и класса бетона выше В30 определяют по формулам (67), (68) СНиП 2.03.01-84*.

Напряжение принимают со своим знаком; оно должно находиться в следующих пределах .

При – ; при –

По СП 52 –101-2003 расчет по случаю1 ведется по формуле (6.21) п.6.2.15; расчет по случаю 2 ведется по формуле (6.22) п.6.2.15.

Расчет внецентренно сжатых элементов с учетом продольного изгиба

Под действием расчетной силы N гибкие сжатые элементы ( ) изгибаются, вследствие чего в статически неопределимых системах проектный эксцентриситет увеличивается до ; в статически определимых системах – . Таким образом, снижается несущая способность элементов вследствие увеличения изгибающего момента.

Влияния изгиба на несущую способность сжатых элементов учитывают посредством расчета конструкций по деформированной схеме, принимая во внимание неупругие деформации бетона и арматуры и наличие трещин. Из-за сложности такого расчета нормы допускают расчет конструкций по недеформированной схеме с учетом влияния изгиба на эксцентриситет элементов посредством умножения последнего на коэффициент :

,

где N_crс – условная критическая сила по Эйлеру.

– формула Эйлера

Рис. 12.7. Продольный изгиб

С учетом опытных значений коэффициентов СНиП 2.03.01-84* рекомендует критическую силу для элементов любой формы определять по формуле (20):

,

где коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки на про­гиб элемента в предельном состоянии (т.е. коэффициент, учитывающий ползучесть при длительном приложении нагрузки).

По формуле (21) СНиП 2.03.01-84*

;

– коэффициент, принимаемый в зависимости от вида бетона по табл. 30;

– относительный эксцентриситет, принимаемый по формуле (22) СНиП 2.03.01-84*

коэффициент, учитывающий влияние предварительного напряжения армату­ры на жесткость элемента; при равно­мерном обжатии сечения напрягаемой арматурой определяется по фор­муле (59) СНиП 2.03.01-84*:

, при

момент инерции сечения всей арматуры относительно центра тяжести всего сечения:

;

принимают без учета коэффициентов условий работы.

Если , необходимо увеличить размеры поперечного сечения или изменить статическую схему, т.к. при значениях возрастает опасность резкого уменьшения несущей способности элементов вследствие чрезмерного их прогибания.

Если , то .

Если N_crс < N ( ), то необходимо увеличить размеры сечения элемента кратно 50мм.

По СП 52-101-2003 значение условной критической силы определяется из формулы (6.24) п. 6.2.16.