4. Робота та розрахунок міцності стиснутих та розтягнутих залізобетонних елементів

4. 1. Конструктивні особливості стиснутих елементів

Залізобетонні елементи, в яких стискуюча сила діє по осі, називають центрально стиснутими. У реальних умовах внаслідок відхилення розмірів перерізу від проектних, несиметричності розміщення арматури, неоднорідності бетону по площі перерізу, неточності монтажу та інших причин стискуюча сила зміщується на деяку відстань від поздовжньої осі, яку називають випадковим ексцентриситетом е_а.

Прикладом позацентрово стиснутих елементів є колони одно- та багатоповерхових будівель, елементи ферм, арок, оболонок та ін. У відповідності з характеристиками силових дій поперечний переріз стиснутих елементів приймають звичайно розвиненим у площині дії моменту, цей переріз може бути прямокутним, тавровим, двотавровим, коробчастим, а інколи і квадратним, круглим або кільцевим. Стиснуті елементи проектують з ненапружуваною і напружуваною арматурою. Попереднє напруження стиснутих елементів доцільно застосовувати лише при відносно великих ексцентриситетах прикладання сили поздовжнього стиску N і великій гнучкості елементів, що поліпшує їхню роботу у стадії виготовлення, транспортування і монтажу.

В усіх випадках стиснуті елементи з важкого бетону і бетону на пористих заповнювачах повинні мати гнучкість   l_o/i  200 у будь-якому напрямі, а колони будівлі   120.

По характеру армування стиснуті елементи поділяються на три типи:

• з гнучкою поздовжньою арматурою і поперечними стержнями (хомутами);

• з гнучкою поздовжньою арматурою і поперечною арматурою у вигляді спіралей та сіток (непряме або посереднє армування);

• з жорсткою поздовжньою робочою арматурою.

Мінімальні розміри перерізу стиснутих елементів 250x250 мм. Для таких елементів використовують різноманітні бетони класів В15…В50; в якості поздовжньої арматури звичайно використовують арматуру класів А240, A400 і A500 діаметром 12…40 мм. У якості поперечної арматури використовують арматуру класів А240 або Вр-I. Діаметр хомутів у в'язаних каркасах приймають не менше 5 мм і не менше 0,2 – 0,25 максимального діаметру поздовжньої арматури. Діаметри поперечних стержнів у зварних каркасах призначають виходячи із умов зварювання. Поперечні стержні (хомути), що утримують поздовжню арматуру від втрати стійкості, мають знаходитись на відстані 500мм, а також:

• при використанні в'язаних каркасів - на відстані не більш 15·d.

• при використанні зварних каркасів - на відстані не більш 20·d,

де d - діаметр поздовжньої арматури.

2. Випадки роботи та руйнування стиснутих елементів

Рис. 4.1. Схема роботи стиснутого елемента

Позацентровий стиск може бути викликаний дією сили з ексцентриситетом (рис. 4.1.б) або спільною дією осьової поздовжньої сили та згинального моменту (рис. 4.1.а).

Відстань між напрямом сили стиску і поздовжньою віссю елемента е_о називають ексцентриситетом.

У загальному випадку:

е_о = M/N + e_a, (4.1)

де e_a - так званий випадковий ексцентриситет, приймають не менше одного з наступних значень:

• e_a  1/600·l , де l – довжина елемента;

• e_a  1/30·h , де h – висота перерізу елемента;

• e_a  1 см.

Для елементів статично невизначних конструкцій величину ексцентриситету е_о приймають рівною ексцентриситету, отриманому з статичного розрахунку конструкції (е = М/N) – силовому ексцентриситету, але не менше e_a. Для елементів статично визначених конструкцій ексцентриситет е_о приймають за формулою (4.1).

Враховуючи вагомий вплив гнучкості стиснутих елементів на їх несучу здатність, такі конструкції у загальному випадку необхідно розраховувати по деформованій схемі. Проте СНиП [9] допускає виконувати розрахунок конструкції по недеформованій схемі, враховуючи при λ14 вплив прогину стиснутого елементу на його міцність шляхом множення ексцентриситету е_о на коефіцієнт   1:

Критична поздовжня сила _cr враховує геометричні характеристики перерізу, тривалість дії навантаження, пластичні властивості бетону і т.п., визначається згідно норм. Якщо N  _cr, то належить збільшити розміри перерізу.

Експериментальні дослідження показали, що можливі два випадки руйнування стиснутих залізобетонних елементів.

Випадок 1 – при відносно великих ексцентриситетах. Руйнування елементу розпочинається із розтягненої зони при досягненні арматурою межі текучості або надмірних деформацій. Цей випадок реалізується при _R.

Випадок 2 – при відносно малих ексцентриситетах. Руйнування елементу відбувається по стиснутій зоні при досягненні бетоном граничного опору на стиск до появи у розтягненій або слабо стиснутій арматурі межі текучості або надмірних деформацій.