Лекция №8

1. Область применения сжатых железобетонных элементов.

Принципы конструирования арматуры.

Конструктивные особенности колонн

К центрально сжатым элементам условно относят: промежуточные колонны в зданиях и сооружениях; верхние пояса ферм, загруженных по узлам; восходящие раскосы и стойки ферменной решетки (рис. 1), а так же некоторые другие конструктивные элементы. В действительности, из-за несовершенства геометрических форм элементов конструкций, отклонения их реальных размеров от назначаемых по проекту, неоднородности бетона и других причин обычно центральное сжатие в чистом виде не наблюдается, а происходит внецентренное сжатие с так называемыми случайными эксцентриситетами.

По форме поперечного сечения сжатые элементы со случайным эксцентриситетом выполняют чаще всего квадратными или прямоугольными, реже круглыми, многогранными, двутавровыми. Размеры поперечного сечения колонн определяют расчетом. В целях стандартизации опалубки и арматурных каркасов размеры прямоугольных колонн назначают кратными 50 мм, предпочтительнее кратными 100 мм. Чтобы обеспечить хорошее качество бетонирования, монолитные колонны с поперечными размерами менее 250 мм не рекомендуется применять. В условиях внецентренного сжатия находятся колонны одноэтажных производственных зданий, загруженные давлением от кранов, верхние пояса безраскосных ферм, стены прямоугольных в плане подземных резервуаров, воспринимающие боковое давление грунта или жидкости и вертикальное давление от покрытия (рис. 2). В них действуют сжимающие силы N и изгибающие моменты М поперечные силы Q.

Расстояние между направлением сжимающей силы и продольной осью элемента ео называется эксцентриситетом. В общем случае в любом месте элемента статически определимых конструкций значение эксцентриситета определяют по выражению:

eo= M/N+ea (1)

где еа - случайный эксцентриситет.

Для элементов статически неопределимых конструкций принимают:

eo= M/N, но не менее еа (2)

Рис. 1. Центрально-сжатые элементы (со случайными эксцентриситетами

1– промежуточные колонны (при одинаковом двустороннем загружении); 2- верхний пояс ферм (при узловом приложении нагрузки); 3- восходящие раскосы; 4- стойки

F- нагрузка от покрытия.

Рис. 2. Внецентренно сжатые элементы

а- колонна производственного здания; б- верхний пояс бесраскосной фермы; в- стена подземного резервуара;

F- нагрузка от покрытия; D - давленuе от крана.

По нормам случайные эксцентриситеты еа следует принимать равными большему из следующих значений: 1/30 высоты сечения элемента; 1/600 длины элемента (или ее части между местами, закрепленными от поперечных перемещений). В сборных конструкциях следует учитывать возможность образования случайного эксцентриситета вследствие смещения элементов на опорах из-за неточности монтажа; при отсутствии опытных данных значение этого эксцентриситета принимают не менее 10 мм.

Внецентренно сжатые элементы целесообразно выполнять с развитыми поперечными сечениями в плоскости действия момента.

Для сжатых элементов применяют бетон классов по прочности на сжатие не ниже В15, для сильно загруженных - не ниже В25.

Конструирование сжатых элементов

Колонны армируют продольной стержневой арматурой диаметром 12...40 мм (рабочая арматура), преимущественно горячекатаной стали класса A-400-500 и термомеханически упрочненной А540, а также поперечной стержневой горячекатаной арматурой классов A-400 А-300, А-240 и проволокой класса В-500 (рис. 3). Продольную и поперечную арматуру сжатых со случайными эксцентриситетами и внецентренно сжатых элементов объединяют в плоские и пространственные каркасы, сварные или вязаные (рис. 4…5).

Насыщение поперечного сечения продольной арматурой элементов, сжатых со случайными эксцентриситетами, оценивают коэффициентом μ по формуле или процентом армирования (значения в 100 раз больше), где под As подразумевается суммарная площадь сечения продольных стержней. В практике для сжатых стержней обычно принимают армирование не более 3%.

Рис. 3. Схема армирования сжатых элементов

l- продольные стержни; 2- поперечные стержни; а1- защитный слой бетона продольной арматуры; aw- то же поперечной арматуры

Во внецентренно сжатых элементах с расчетными эксцентриситетами продольные стержни размещают вблизи коротких граней поперечного сечения элемента (рис.1.4.5): арматуру S с площадью сечения As у грани, более удаленной от сжимающей силы, и арматуру S' с площадью сечения А': у грани, расположенной ближе к продольной силе. Насыщение поперечного сечения внецентренно сжатых элементов оценивают коэффициентом армирования по площади сечения рабочих стержней продольной арматуры, расположенных у одной из коротких граней. Армирование внецентренно сжатых стержней составляет 0,5...1,2 % площади сечения элемента.

Если площади сечения арматуры S и S' одинаковы, армирование называют симметричным; оно предпочтительнее, чем несимметричное армирование.

Минимальная площадь сечения продольной арматуры S и S' во внецентренно сжатых элементах, согласно нормам, допускается равной, %:

0,05 в элементах при lo/i<17;

0,1 17≤lo/i≤35;

0,2 35≤lo/i≤83;

0,25 lo/i>83.

Здесь i- радиус инерции сечения элемента в плоскости эксцентриситета продольной силы; 10- расчетная длина сжатого элемента.

Соединять продольные стержни по длине элемента не рекомендуется.

Рис. 4. Армирование сжатых элементов со случайными эксцентриситетами

а- сварными каркасами; б- вязаными каркаса; 3- хомуты; 1- сварные каркасы; 2- соединительные стержни; 3- хомуты; 4 - дополнительные хомуты; 5- шпильки.

Рис. 5. Армирование внецентренно сжатых элементов

а- сварными каркасами; б- вязанными каркасами.

Рабочие стержни в поперечном сечении колонны размещают возможно ближе к поверхности элемента с соблюдением минимальной толщины защитного слоя аi, которая .по, нормам должна быть не менее диаметра стержне и арматуры и не менее 20 см (см. рис. 3).

Колонны сечением до 400Х400 мм можно армировать четырьмя продольными стержнями (см. рис. 4), что соответствует наибольшему допустимому расстоянию между стержнями рабочей арматуры. Наименьшее расстояние между ними в свету допускается 50 мм если стержни при бетонировании расположены вертикально; а при горизонтальном расположении - 25 мм для нижней и 30 мм для верхней арматуры, но при всех случаях не менее наибольшего диаметра стержня. При расстоянии между рабочими стержнями более 400 мм следует предусматривать промежуточные стержни по периметру сечения элемента с тем, чтобы расстояние между продельными стержнями не превышало 400 мм.

Поперечные стержни ставят без расчета, но с соблюдением требований норм. Расстояние между ними (по условию предотвращения бокового выпучивания продольных стержней при сжатии) s (см. рис. 3) должно быть при сварных каркасах не более 20d, при вязаных 15d, но не более 500 мм (здесь d- наименьший диаметр продольных сжатых стержней). Расстояния s округляют до размеров, кратных 50 мм.

Диаметр поперечных стержней d в сварных каркасах должен удовлетворять условиям свариваемости. Диаметр хомутов вязаных каркасов принимают не менее 5 мм и не менее 0,25 d, где d- наибольший диаметр продольных стержней. Толщина защитного слоя поперечных стержней aw должна быть не менее 15 мм.

В местах стыков каркасов на длине перепуска стержней расстояние между поперечными стержнями должно быть не более 10d (d- диаметр соединяемых стержней). Если общее насыщение элемента арматурой более 3 %, то поперечные стержни необходимо устанавливать на расстоянии друг от друга не более 10 d и не более 300 мм.

Плоские сварные каркасы объединяют в пространственные с помощью поперечных стержней, привариваемых контактной точечной сваркой к угловым продольным стержням плоских каркасов (см. рис. 5,а). Если в сварных каркасах у больших граней сечения элемента размещены промежуточные стержни, то эти стержни (принадлежащие противоположным каркасам) соединяют между собой дополнительными шпильками, устанавливаемыми по длине элемента с шагом, равным шагу поперечных стержней плоских каркасов.

В вязаных каркасах продольные стержни укрепляют хомутами на перегибах хомутов по крайней мере через один, при ширине грани не более 400 мм и числе продольных стержней у этой грани не более четырех допускается охват всех продольных стержней одним хомутом (см.рис. 5,б).

Предварительное напряжение применяют для внецентренно сжатых элементов с большими эксцентриситетами сжимающей силы, когда изгибающие моменты значительны и вызывают растяжение части сечения, а также для элементов очень большой гибкости, Повышение трещиностойкости и жесткости элемента посредством предварительного напряжения полезно в первом случае для эксплуатационного периода, во втором для периода изготовления, транспортирования и монтажа.

Применять очень гибкие центрально-сжатые элементы нерациональоно, поскольку несущая способность их сильно снижается вследствие большой деформативности. Во всех случаях элементы из тяжелого бетона и бетона напористых заполнителях должны иметь гибкость в любом направлении:

λ= lo/i≤200 (3)

а колонны зданий:

λ= lo/i≤120 (4)

Контрольные вопросы:

134. Назовите классификацию сжатых элементов по типу армирования.

135. Как определяется эксцентриситет в сжатых элементах?

136. Перечислите принципы конструирования продольной и поперечной арматуры колонн.

137. Каковы конструктивные особенности сжатых элементов при эксцентриситетах больше случайного?

138. В чем заключаются особенности расчета гибких сжатых элементов (учет влияния продольного изгиба)?