1. Создание предварительного напряжения в железобетоне радикальное средство по использованию высокопрочной арматуры. Какое влияние оказывает предварительное напряжение арматуры на прочность железобетонных конструкций?

В процессе изготовления конструкций путём натяжения арматуры создаются начальные сжимающие напряжения. В бетоне эти напряжения создаются там, где в последующем будут зоны растяжения.

Предварительное напряжение позволяет:

1. отдалить момент трещинообразования

2. повысить жёсткость, уменьшить деформации

3. применять высокопрочную арматуру, что позволяет экономить металл.

Значения предварительного напряжения _sp в арматуре, расположенные в раст. и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормами с учётом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

_sp+р  R_sn , _sp- р 0.3 R_sn

p=0.05 _sp - при механическом способе натяжения

р=30+360/L - при электротермическом способе

Арматуру натягивают до значений начальных контролируемых напряжений _con,  ^_con. Обычно принимают _con= ^_con (рис. состояние 1)

После бетонирования и твердения в процессе тепловой обработки происходят первые потери предварительных напряжений.

Затем при освобождении с упоров форм и отпуске натяжения арматуры благодаря сцеплению материалов создаётся обжатие бетона, предварительные напряжения в ар-ре в результате быстронатекающей ползучести и упругого обжатия бетона уменьшаются. (рис. состояние 2)

При этом вследствие несимметричного армирования А_sp  А^ _sp(А^ _sp-площадь сечения напрягаемой ар-ры)и внецентренного обжатия элемент получает выгиб, затем происходят 2^ые потери напряжений ар-ры. После загружения внешней нагрузкой погашаются напряжения обжатия в бетоне. При увеличении нагрузки в растянутой зоне возникают трещины.

Напрягаемая ар-ра площадью сечения А^ _sp, расположенной в сжатой зоне, сжатой от действия внешней нагрузки, деформируется совместно с бетоном сжатой зоны.

При предельных сжимающих напряжениях в бетоне напряжение в напрягаемой арматуре этой зоны: _sс = _scu - ^_sp.

 ^_sp R_sc- ненапрягаемая ар-ра сжата

 ^_spR_sc - растянута

Рис. 3. Прямоугольное сечение с двойной арматурой и схема усилий при расчете прочности элемента по нормальному сечению

1—нормальные трещины; 2—граница сжатой зоны

Если в изгибаемом эл-те предусматривается продольная ар-ра в сжатой зоне, то поставив А_вs и zb = h_o0.5 x в формулу:

М  R_b A_bc z_b R_sc A^_s (h_o -a ) + _sc A_sp (h_o -a ), получим

(1)

Подставив А_bs в формулу:R_s A_s+_s6R_s A_sp- R_b A_bc-R_scA_s-_scA_sp=0, получим ур-ние для определения высоты сжатой зоны:

R_b b_x= R_sA_s – R_sc A_s (2)

При этом имеется ввиду соблюдение условия: x_уh_o.

Если при одиночном армировании оказывается что x_уh_o, то арматура требуется по расчёту. Используют ф-лы:

Если заданы параметры b и h , а требуется определить площадь сечения арматуры А_s и A_s, то из условия 1, учитывая _m=(1-0.5);

=z/h_o=1-0.57. При x=_уh_o находим :

Если заданы размеры сечения b и h и площадь сечения сжатой арматуры A_s и нужно определить площадь сечения ар-ры A_s , то из условия 1, принимая во внимание 3 находим _m. Если _m  _R находят  и из равенства 2 получаем :

Если _m  _R , то заданного кол-ва арматуры по площади сечения A_s недостаточно.

При проверке прочности сечения (данные все известны) вычисляют высоту зоны из ур-я 2, затем проверяют условие 1.

Создаваемое искусственно предварительное напряжение в ар-ре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. Внешняя нагрузка, вызывающая образование трещин и прогибов, значительно увеличивается (в несколько раз). Напряжения в бетоне сжатой зоны и высота этой зоны также значительно возрастают.

Трещиностойкостью ж/б конструкций называют её сопротивление образованию трещин в стадии 1 напряжённо- деформированного состояния или сопротивление раскрытию трещин в стадии 2 ндс.

К трещиностойкости ж/б конструкций или её частей при расчёте предъявляют различные требования в зависимости от вида применяемой ар-ры. Эти требования относятся к появлению и раскрытию нормальных и наклонных к продольной оси трещин и подразделяются на 3 категории по степени ответственности.

Предварительно- напряжённые эл-ты должны отвечать требованиям 1,2 и 3 категории, в зависимости от условий работы, ответственности и класса ар-ры.

Предельные прогибы устанавливаются различными требованиями: технологическими (нормальная работа кранов), конструктивными (влияние соседних эл-ов), физиологическими, эстетико-психологическими.

Трещиностойкость эл-ов проверяют расчётом в сечениях, нормальных к продольной оси, а при наличии поперечных сил- также и в сечениях, наклонных к продольной оси.

Сопротивление образованию трещин центрально- растянутых эл-ов: NN_crc , где N- продольная сила от внешней нагрузки

N_crc – предельное усилие в сечении перед образованием трещин.

N_crc= R_bt,ser(A+2A_s)+P , где А – площадь сечения элемента

А_s – суммарная площадь сечения напрягаемой и ненапрягаемой ар-ры; Р- усилие предварительного обжатия :Р=_sp А_sp+  _sp А _sp-_sА_s -_s.

Сопротивление образованию трещин изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых эл-ов. Расчёт по образованию трещин, нормальных к продольной оси эл-та: ММ_crc, где М- момент внешних сил (при изгибе), при внецентренном сжатии или растяжении М=Nc₁.

М_crc=R_bt,serW_pl+M_rp – момент образования трещин (по методу ядровых моментов)

M_rp=P(е₀P+r), где M_rp- момент усилия обжатия Р относительно оси, проходящей через условную ядровую точку, наиболее удалённую от растянутой зоны.

W_pl – упругопластический момент сопротивления ж/б сечения по растянутой зоне в предположении, что продольная сила отсутствует.

е_0р-эксцентриситет от ядровой точки, наиболее удалённой от растянутой зоны до ЦТ приведённого сечения.

Определение ширины раскрытия трещин, нормальных к продольной оси.

Нормы рекомендуют определять ширину раскрытия трещин на уровне оси растянутой арматуры по следующей эмпирической формуле (в мм)

где — коэффициент армирования сечения (ребра таврового сечения), принимаемый в расчете не более 0,02; А,—площадь сече­ния растянутой арматуры; б—коэффициент, принимаемый равным при учете: кратковременных нагрузок и непродолжительного дейст­вия постоянных и длительных нагрузок—1; продолжительного действия постоянных и длительных нагрузок для конструкций из тяже­лого бетона п нормальных условиях эксплуатации—1,5; ц—коэф­фициент, зависящий от вида и профиля продольной растянутой арматуры, принимаемый: для стержней периодического профиля рав­ным I, для проволоки классов Вр-1, Вр-11 п канатов— 1,2, для глад­ких горячекатаных стержней—1,3, для проволоки классов B-I, B-II—1,4; (р;—коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки, принимаемый: при непродолжительном действии нагрузки равным 1, при продолжительном действии нагрузки—1,5; Оа—на­пряжение и продольной арматуре или приращение напряжений пос­ле погашения обжатия в растянутой арматуре

Приращение напряжения в растянутой ар-ре (после превышения усилием от внешней нагрузки усилия обжатия) в сечении с трещиной: _sp=(N-P)/A_sp7

Если ар-ра без предварительного напряжения _s=N/A_s:

 _s=(M-P(z₁-е_sp))W_s – для изгибаемых эл-ов

M=N(е-z₁) – для внецентренно сжатых

M=N(е+z₁) – для внецентренно растянутых

Кривизна оси при изгибе и перемещения ж/б элементов.

Для ж/б элементов на участках с трещинами. Общее выражение кривизны оси при изгибе:

_s- коэф-т работы бетона на растяжение на участках между трещинами;

_в- коэф-т, характеризующий неравномерности деформаций бетона сжатой зоны на участках между трещинами;

- коэф-т, характеризующий неупругие деформации бетона сжатой зоны.

_s и  определяют с учётом длительности нагрузки.

Перемещение ж/б элементов.

Полный прогиб элементов определяют с учётом длительности действия нагрузки: f=f₁-f₂+f₃-f₄, где

f₁- прогиб от непродолжительного действия всей нагрузки

f₂- прогиб от непродолжительного действия постоянной и длительной нагрузок

f₃- прогиб от продолжительного действия постоянной и длительной нагрузок

f₄- выгиб, вызванный ползучестью бетона от обжатия.

Рис. VII.16. Прогиб железобе­тонного элемента при действии кратковременной и длительной нагрузок

Полный прогиб предварительно- напряжённых элементов определяется с учётом длительности действия нагрузки по полной кривизне:

2. Прочность бетона. Назовите основные нормированные прочностные характеристики бетона. Как они используются в расчётах железобетонных конструкций?

Кубиковая прочность (R) бетона при сжатии- характеристика никогда прямо в расчёт не вводится, но по ней можно охарактеризовать все другие характеристики. Опятами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если временное сопротивление сжатию бетона для базового куба с ребром 15 см равно R, то для куба с ребром 20 см оно уменьшается и равно приблизительно 0,93 R , а для куба с ребром 10 см увеличивается и равно 1,1R.

Рис. 1.4. Характер разрушения бетонных кубов

а—при трении но опорным плоскостям; б—при отсутст­вии трения

Призменная прочность бетона при сжатии. Ж.б конструкции по форме отличаются от кубов, поэтому кубиковая прочность бетона не может быть непосредственно использована в расчётах прочности элементарных конструкций. Поэтому исп. призменная прочность R_b – временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Она меньше кубиковой и уменьшается с увеличением отношения h/a.

Рис. 1.5. График зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров испы­тываемого образца

R_b0.75R –это основная характеристика прочности бетона.

Прочность бетона при срезе и скалывании. Сопротивление срезу зёрен крупных заполнителей, работающих как шпонки в плоскости среза, оказывает существенное влияние. При срезе распределение напряжений по площади сечения считается равномерным. Временное сопротивление бетона при срезе можно определить по эмпирической формуле:

R_sh=

В ж.б конструкциях чистый срез встречается редко- обычно он сопровождается действием продольных сил.

Прочность бетона при осевом растяжении- это прочность бетона при растяжении, выявляемая путём испытания контрольных образцов.

R_bt=M/(W ), где W-момент сопротивления сечения

M-изгибающий момент

- коэф. учитывающий криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне, вследствие развития пластических деформаций.

3. Деформативность бетона. Дайте определение понятию «усадка бетона». Как происходит усадка железобетона? Каким образом учитывается усадка бетона при расчёте и конструировании элементов железобетонных конструкций?

Усадкой бетона наз. свойство уменьшения в объёме при твердении в обычной воздушной среде. Усадка бетона зависит от: кол-ва и вида цемента- чем больше цемента на ед объёма бетона, тем больше усадка; кол-ва воды- чем больше W/C, тем больше усадка; крупности заполнителей- при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше.

В железобетонных конструкциях стальная ар-ра вследствие её сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Усадка железобетона вдвое меньше, чем усадка бетона. Стеснённая деформация усадки бетона приводит к появлению в железобетонном эл-те начальных, внутренне уравновешенных напряжений - растягивающих в бетоне и сжимающих в ар-ре. Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного эл-та  _sl и стеснённой усадки армированного эл-та  _sl,s. e _bt=e _sl -e _sl,s (1) , возникают средние растягивающие напряжения в бетоне _bt=e _btE_bt. (2)

Наибольшие значения этих напряжений находятся в зоне контакта с ар-рой. Деформация e _sl,s является для ар-ры упругими, и в ней возникают сжимающие напряжения _s=e _sl,sE_s.(3)

Уравнение равновесия внутренних усилий эл-та, армированного двусторонней симметричной ар-рой, имеет вид s_sA_s=e _btA. Отсюда

s_s=s_bt(A/A_s)= s_bt/ (4), где - коэф. армирования.

Подставляя в (1) деформации, выраженные через напряжения по (2),(3),(4) s_bt / E’_bt=e _sl -s_bt /E_s, найдём значение растягивающих напряжений в бетоне s_bt=e _sl E / (1/₁+ / _bt), где =E_s/E_b-отношение модулей упругости ар-ры и бетона.

При усадке железобетона растягивающие напряжения в бетоне зависят от свободной усадки бетона e _sl, коэф. армирования , класса бетона. С увеличением содержания ар-ры в бетоне растягивающие напряжения s_bt увеличиваются, и если они достигают временного сопротивления при растяжении R_bt, возникают усадочные трещины. Растягивающие напряжения в бетоне при стеснённой усадке эл-та, армированного односторонней ар-рой, возрастают вследствие внецентренного приложения к сечению усилия в ар-ре. Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных эл-ов, которые испытывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние усадки уменьшается. В стадии разрушения усадка не влияет на несущую способность статически определимого железобетонного эл-та.

В статически неопределимых железобетонных конструкциях лишние связи препятствуют усадке железобетона и поэтому усадка вызывает появление дополнительных внутренних усилий.

Начальные напряжения, возникающие под влиянием усадки, не учитываются непосредственно в расчёте прочности ж/б конструкций; их учитывают расчётными коэффициентами, охватывающими совокупность характеристик прочности, а также конструктивными мерами- армированием элементов. Уменьшить начальне усадочные напряжения можно технологическими мерами- подбором состава, увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, а также устройством усадочных швов в конструкциях.

Для того чтобы уменьшить дополнительные усилия от усадки, железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий большой протяжённости делят усадочными швами на блоки.

4. Деформативность бетона. Дайте определение понятию «ползучесть бетона» и объясните физическую сущность данного явления. От каких факторов зависит ползучесть бетона и железобетона? Назовите положительные и отрицательные стороны этого явления при эксплуатации статически определимых и неопределимых железобетонных конструкций

Свойства бетона, характеризующиеся нарастанием неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях называют ползучестью бетона.

Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурой составляющей не кристаллический сросток и зерна заполнителей. Одновременно развитию деформаций ползучести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается. С ростом напряжений ползучесть бетона увеличивается; зависимость деформации - время при напряжениях δ_в1< δ_в2< δ_в3

Загруженный в раннем возрасте бетон обладает большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Технологические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увеличением w/c и кол-ва цемента на единицу объёма бетонной смеси ползучесть возрастает. С повышением прочности зёрен заполнителей, с повышением прочности бетона, его класса она уменьшается. Бетоны на простых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны.

Ползучесть ж/б является следствием ползучести бетона. Стальная арматура становится связью, препятствующей свободной ползучести бетона. Стеснённая ползучесть в ж/б элементах под нагрузкой приводит к перераспределению усилий между арматурой и бетоном. На работу ж/б элементов ползучесть бетона оказывает различное влияние:

– в коротких сжатых элементах обеспечивает полное использование прочности бетона и арматуры;

– в гибких сжатых эл-тах вызывает увеличение начальных эксцентриситетов, что может снизить их несущую способность;

– в изгибаемых эл- тах вызывает увеличение прогибов;

– в предварительно напряженных конструкциях приводит к потере предварительно напряжения.

5. Назначение и виды арматуры. С помощью диаграммы «напряжения относительные деформации» проанализируйте работу под нагрузкой обычных и упрочнённых арматурных сталей. Дайте определение понятию физический предел упругости, и условный предел текучести. Какие применяются способы упрочнения арматурных сталей?

Назначение арматуры:

– Восприятие растягивающих усилий;

– Усиление сжатого бетона в изгибаемых и внецентренно нагруженных элементах.

Арматура бывает:

1) Рабочая (устанавливается по расчету);

а) Гибкая (круглая);

б) Жесткая (профиль);

2)Конструктивная (монтажная) ­– обеспечивает проектное положение рабочей арматуры.

В зависимости от технологии изготовления различают:

1) Горячекатаная стержневая арматура класса А;

2) Холоднотянутая проволочная арматура класса В.

По форме поверхности:

1) Гладкая;

2) Периодического профиля.

По способу применения при армировании железобетонных конструкций:

1) Ненапряженная (обычная);

2) Предварительнонапряженной.

Хар-ки прочности и деформаций арм. стали, устанавливаются по диаграммы «σ_s-ξ_s» , получаемой при испытании образцов на растяжение.

Рис. 1.18. Диаграммы Gs—8s при растяжении арматурной стали

а—с площадкой текуче­сти (мягкой); б—с ус­ловным пределом теку­чести

Горячекатаная арматурная сталь с площадкой текучести на диаграмме (мягкая сталь) обладает значительным удлинением после разрыва- до 25% (рис.а). Напряжения, при которых деформации развиваются без заметного увеличения нагрузки наз. физическим пределом текучести арматурной стали. σ_у, напряжение, непосредственно предшествующее разрыву носит название временного сопротивления арматурной стали σ_u .

Существенного повышения прочности горячекатной стали (в несколько раз) достигают термическим упрочнением или холодным деформированием. Высоколегированные и термически упрочнённые стали, переходят в пластическую область постепенно без ярко выраженной площадки текучести (рис. б).для этих сталей устанавливают условный предел текучести – напряжение σ_0.2 , при котором остаточные деформации составляют 0,2%, а также условный предел упругости- напряжение σ_0.02 , при котором остаточные деформации равны 0,02% и предел упругости σ_se = 0,8 σ_0.2 .пластические деформации арматурных сталей при напряжениях, превышающих предел упругости в диапазоне σ_s =(0,8…1,3) σ_0.2 , могут определяться по эмпирической зависимости:ε_s,pl=0,25(σ_s/ σ_0.2 -0,8)³.

При термическом упрочнении осущ. Закалка арматурной стали (нагревом до 800,900°С и быстрым охлаждением) затем частичный отпуск (нагреваем до 300-400ºС и постепенное охлаждаем). Сущность упрочнения холодным деформированием арм. стали состоит в следующем: при искусственной стяжке в холодной сост-нии до напряжения, превышающее предел текучести σ_к ‹ σ_у, под влиянием структурных изменений кристаллической решётки (наклёпа) арм. сталь упрочняется. При повторной вытяжке, поскольку пластические деформации уже выбраны, напряжение σ_к становится новым пределом текучести (рис.а ).Вытяжка в холодном состоянии позволяет получать высокую прочность стержней большого диаметра. Многократное волочение позволяет получать высокопрочную проволоку- В-II , Bр-II.

В качестве ненапрягаемой арматуры применяют имеющие сравнительно высокие показатели прочности ар- ры АТ-III, A-III, проволоку Вр-I. Возможно применение А-II, если прочность арматуры A-III, не полностью используется в конструкции из-за чрезмерных деформаций или из- за раскрытия трещин. Арматуру класса A-I можно применять в качестве монтажной, хомутов, вязаных каркасов, поперечных стержней сварных каркасов. В качестве напрягаемой рекомендуется применять стержневую термически упрочнённую арматуру классов Aт-6, Ат-5, горячекатаную А-6, А-5, для элементов длиной свыше 12 м целесообразно применять арматурные канаты и прочную проволоку. Допускается применение стержней А-4, А-5.

В конструкциях, эксплуатируемых при отрицательных температурах не применяют арматуру подверженную хладноломкости. Хорошо сваривается контактной сваркой горячекатаная арматура от А-I до A-6, Aт-4.