20. Конструирование и расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов .

20.1. Конструирование однопролетных балок, плит и панелей

Железобетонные балки могут иметь различную форму поперечного сечения. Наиболее распространена:

- прямоугольная форма сечения (рис. 20.1, а);

- тавровая с полкой поверху (рис. 20.1, б);

- двутавровая (рис. 20.1, в).

Также применяются:

- тавровая с полкой понизу (рис. 20.1, г);

- трапециевидная (рис. 20.1, д);

- полая (рис. 20.1, е) и др.

Тавровое сечение могут иметь как отдельные балки, так и входящие в состав ребристого перекрытия, состоящего из плиты, монолитно связанной с балками (рис. 20.1, ж).

Рис. 20.1. Типы поперечных сечений балок

В зависимости от расчетной схемы балки могут быть;

- однопролетные;

- многопролетные.

Рисунок

Высота поперечных сечений балок обычно составляет 1/10-1/20 пролета, ширина 1/2-1/4 высоты. В целях унификации размеров поперечных сечений высоту балок принимают кратной 50 мм при h≤500 мм и 100 мм при h>500 мм; ширину балок принимают равной 100, 120. 150, 180, 200, 250 мм и далее, кратной 50 мм.

Различают 3 вида арматуры:

- продольную рабочую арматуру располагают у растянутой грани балки с соблюдением минимально необходимой толщины защитного слоя;

- поперечную арматуру устанавливают для усиления сопротивления по наклонным сечениям;

- монтажную арматуру, установленную из конструктивно-производственных соображений для крепления поперечной арматуры и образования пространственного арматурного каркаса.

Балки армируют:

- преимущественно сварными каркасами (рис. 20.2, а);

- реже вязаными (рис. 20.2, б).

В сварных сетках растянутые стержни 2 доводятся до опор, а стержень 3 обрывается в пролете, в зависимости от эпюры материалов. Стержни 1 - монтажные, а 4 - поперечные для воспринятия поперечных сил.

В вязаных каркасах продольные растянутые стержни 7 доведены до опоры, а стержень 6 имеет отгибы, стержни 5 - монтажные, хомуты 8 открытые, а 9 - замкнутые.

Рис. 20.2. Армирование однопролетных балок

Рис. 20.3. Поперечные сечения балок, армированных сварными и вязаными каркасами:

а – четырехветвевые хомуты вязаных каркасов; б – армирование балок таврового сечения; в – расстояние в свету между продольными стержнями; 1 – арматура диаметром 10-12мм у боковых граней балок; 2 – продольные стержни сварной сетки для армирования полки таврового сечения

Количество плоских сварных сеток в сечении балки может быть различным. При ширине сечения балки до 100-150 мм устанавливают одну сетку, при большей ширине сечения - две и более. Для экономии стали часть продольной рабочей арматуры, количество которой определяют по наибольшему моменту, может быть оборвана в пролете в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Однако не менее двух стержней (при ширине балки 150 мм и более) всегда должно быть доведено до опоры. Отдельные плоские сетки соединительными стержнями объединяются в пространственный каркас, что придает им устойчивость и облегчает изготовление балок.

При армировании вязаными каркасами для воспринятия поперечных сил устанавливают хомуты: открытые при числе продольных стержней у сжатой грани не более двух или замкнутые при большем числе стержней, а также во всех случаях, когда сжатая арматура учитывается расчетом. При ширине балки более 350 мм рекомендуется принимать четырехветвевые хомуты, образуемые из двух двухветвевых хомутов, устанавливаемых в одной плоскости (рис. 20.3, а). В вязаных каркасах часть продольной рабочей арматуры на приопорных участках целесообразно отгибать и заводить в сжатую зону (см. рис. 20.2, б). На этих участках обычно требуется меньшее количество продольной растянутой арматуры, но в то же время необходима арматура для воспринятия поперечных сил-главных растягивающих напряжений). Отгибы устраивают под углом 45°, однако в высоких балках (высотой более 800 мм) угол наклона отгибов может быть увеличен до 60°, а в низких балках и в плитах уменьшен до 30°. Стержни отгибают по дуге окружности радиусом не менее 10 d и заканчивают прямыми участками длиной не менее 10 d в сжатой зоне и 20d - в растянутой. Концы стержней -из круглой (гладкой) стали в вязаных каркасах должны заканчиваться крюками для обеспечения надежной анкеровки в бетоне.

Продольная рабочая арматура должна приниматься диаметром 10-40 мм. Диаметр хомутов вязаных каркасов принимается не менее 6 мм при высоте сечения балки до 800 мм и не менее 8 мм при большей высоте. Монтажная продольная арматура должна быть диаметром 10-12 мм.

При высоте сечения балок более 700 мм около каждой боковой грани рекомендуется устанавливать продольные стержни диаметром 10-12 мм через каждые 400 мм по высоте сечения (рис. 20.3, б). Суммарная площадь сечения этих стержней должна составлять не менее 0,1% площади поперечного сечения ребра балки. В отдельных балках таврового сечения наряду со сварными каркасами для армирования полки применяют также сварные сетки (рис. 20.3, б).

Для удобства укладки и уплотнения бетонной смеси, а также для надежного сцепления арматуры с бетоном расстояния в свету между отдельными продольными стержнями (или между стержнями соседних плоских сварных каркасов) принимают не менее диаметра стержней и не менее: для нижней арматуры-25 мм и для верхней-30 мм (рис. 20.3, в). При расположении арматуры более чем в два ряда по высоте сечения расстояния между продольными стержнями в горизонтальном направлении (кроме стержней двух нижних рядов) должно быть не менее 50 мм.

Расстояние между поперечными стержнями (хомутами) при высоте сечения балки h≤450 мм принимают до ^l/2 h и не более 150 мм, а при большей высоте сечения - до 1/3 h и не более 300 мм. Это требование распространяется на приопорные участки балки, а также на отдельные участки, если по расчету необходимо поперечное армирование. Длину приопорных участков принимают равной 1/4 при равномерно распределенной нагрузке и расстоянию от опоры до ближайшего к ней груза при сосредоточенных нагрузках. Для балок высотой не менее 300 мм на остальной части пролета расстояние между поперечными стержнями может быть увеличено до ³/4 h, но не более чем до 500 мм.

Плитами называют железобетонные элементы, в которых один размер (толщина) значительно меньше двух других. Плиты могут быть:

- гладкими;

- ребристыми.

В зависимости от расчетной схемы (по числу пролетов):

- однопролетными (рис. 20.4, а) ;

- многопролетными (рис. 20.4, б).

Рис. 20.4. Армирование балочных сплошных плит:

а — однопролетная свободно опертая плита; б — многопролетная неразрезная плита, монолитно связанная с балками; 1 — распределительная (монтажная) арматура; 2 — рабочая арматура; 3 — главные балки; 4 — второстепенные балки; 5 — арматурная сетка второстепенной балки

По способу изготовления:

- сборными;

- монолитными;

- сборно-монолитными.

Плиты армируют сетками, состоящими из стержней, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях:

- рабочая арматура расположена (см. ниже);

- распределительная и монтажная арматура расположена перпендикулярно рабочей арматуре. Она необходима:

- для распределения сосредоточенных нагрузок в направлении, перпендикулярном рабочей арматуре;

- для сдерживания температурных и усадочных деформаций бетона;

- для связи рабочих стержней и создания сетки, удобной для переноса и укладывания в конструкцию.

Сплошные плиты обычно имеют толщину h=50-100 мм.

Балочные плиты, в которых отношение большего пролета к меньшему l₂/l₁>3, а также все плиты, независимо от отношения размеров в плане, опертые только по двум противоположным краям, имеют рабочую арматуру в одном направлении: в первом случае - вдоль пролета l₁, во втором - перпендикулярно линии опирания плит.

В плитах, изгибаемых в двух направлениях, например в плитах с отношением, l₂/l₁≤3 при котором изгибающими моментами в направлении l₂ пренебречь нельзя, рабочую арматуру располагают в обоих направлениях.

В балочных плитах рабочая арматура должна быть расположена ближе к растянутой грани плиты, чем монтажная, при условии соблюдения минимально допустимой толщины защитного слоя. В плитах, изгибаемых в двух направлениях, ближе к растянутой грани располагают арматуру, параллельную короткой стороне l₁, так как в этом направлении значения изгибающих моментов выше, чем в направлении стороны l₂.

В свободно опертых плитах арматурные сетки размещают только у нижней растянутой грани, а в неразрезной многопролетной плите в соответствии с эпюрой моментов - как у нижней грани (в пролете), так и у верхней (над опорами).

Расчетные пролеты плит принимают равными: при монолитной связи плиты с поддерживающими ее балками - пролету в свету; при свободном опирании - пролету в свету плюс половина толщины плиты.

Диаметр рабочей арматуры плит принимают 5-12 мм; монтажной (распределительной) - 4-8 мм. Общую площадь сечения рабочей арматуры определяют расчетом, а монтажной арматуры - по конструктивным соображениям; она должна составлять не менее 10% расчетной площади сечения рабочей арматуры в сечении с наибольшим изгибающим моментом. Расстояния между стержнями в целях более полного вовлечения в совместную работу арматуры и бетона, а также во избежание продавливания бетона в ячейках сетки принимают: между осями рабочих стержней в средней части пролета и над опорами (вверху) - не более 200 мм при толщине плиты h_п≤150 мм и не более 1,5 h_п при h_п>150 мм; на всех остальных участках - не более 350 мм; между осями стержней распределительной арматуры - также не более 350 мм.

Для армирования плит целесообразны стандартные сварные сетки - рулонные и плоские, рабочая арматура которых изготовляется из обыкновенной арматурной проволоки диаметром 3-5 мм или из горячекатаной стали периодического профиля класса A-III диаметром б-10 мм.

Сборные железобетонные плиты, применяемые для междуэтажных перекрытий, покрытий, лестничных площадок и других конструкций, целесообразно изготовлять в виде крупноразмерных ребристых или пустотелых элементов.

Рис. 20.5. Армирование сборных панелей;

1 — арматурные сетки полки; 2 — плоские сетки ребер

Учитывая, что бетон растянутой зоны в стадии разрушения не участвует в воспринятии усилий, площадь сечения бетона растянутой зоны может быть уменьшена до размеров, минимально необходимых лишь для размещения в ней растянутой арматуры. Уменьшение площади бетона приводит к снижению расхода материалов и собственной массы конструкций. Такие плиты проектируют с ребрами, обращенными вниз (рис. 20.5, а). Когда необходимо получить гладкую поверхность потолка, могут быть применены плиты с ребрами, обращенными вверх, или пустотелые (рис. 20.5, б). В ребристых и пустотелых панелях, изготовляемых на заводе с применением стальных форм и периодическим контролем качества изделий, толщина полок может быть уменьшена до 25-30 мм.