5.4.1. Область распространения и простейшие конструкции железобетонных колонн

Железобетонные колонны, как и стальные, обладают большой несущей способностью и относительно недороги из-за использо­вания местных материалов. Они широко применяются в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в качестве элементов каркаса зданий, сооружений и отдельных опор. Могут изготовляться монолитными и сборными.

Наиболее простым и в то же время широко распространен­ным примером такой колонны является колонна квадратного сечения (рис. 5.17, а). Колонны обычно выполняются сплош­ного сечения, при больших длинах и нагрузках они могут быть решетчатыми, по высоте — постоянного и переменного сечений. Колонны переменного сечения предназначены для передачи нагрузок, расположенных на различных высотах. Например, в промышленных зданиях нагрузка от ферм или балок покры­тия передается на оголовок колонны, а ниже передаются нагруз­ки от мостовых кранов. При этом для опирания подкрановых балок и в связи со значительным увеличением нагрузки возни­кает необходимость увеличивать и размеры сечения нижней ча­сти колонны (рис. 5.17, б).

При центральном сжатии более экономичны круглое или квадратное сечения колонн, при внецентренном сжатии сечение ко­лонны вытягивается в направлении действия изгибающих момен­тов, тем самым увеличивая в этом направлении жесткость.

5.4.2. Характер потери несущей способности железобетонной колонны и предпосылки для расчета

Основным случаем потери несущей способности железобетон­ных колонн является потеря общей устойчивости. Если просто поставить продольные стержни арматуры в бетон без закрепления их поперечными стержнями, то до определенного значения на­грузки арматура и бетон работают совместно, но затем стальные стержни теряют устойчивость, причем раньше, чем весь элемент, выпучиваются и разрушают защитный слой бетона (рис. 5.18, а). Для исключения этого явления к продольным стержням прива­риваются или привязываются проволокой поперечные стержни (рис. 5.18, б), которые уменьшают расчетную длину рабочих про­дольных стержней и предотвращают их значительное выпучива­ние. При правильной постановке поперечных стержней бетон и продольная арматура разрушаются одновременно. Отсюда основ­ными целями расчета являются:

1. подбор необходимого количества продольной арматуры (при достаточном сечении колонны) с целью обеспечения общей устой­чивости;

2. постановка поперечных стержней на расстояниях, исключа­ющих потерю продольной арматурой устойчивости раньше, чем произойдет потеря общей устойчивости колонны.

5.4.3. Расчет сжатых железобетонных колонн со случайным эксцентриситетом

Чаще всего поперечное сечение колонн выполняют квадратно­го, прямоугольного и круглого вида, возможны и другие формы сечений (рис. 5.19).

В сжатых железобетонных элементах сложно добиться центрального сжатия, так как несовершенство геометрических форм колонн, особенности опирания на них конструкций, неточность постановки арматуры, неоднородность бетона и т.п. приводят к тому, что практически все сжатые железобетонные элементы мож­но рассматривать как внецентренно сжатые. Для практических расчетов элементы, на которые действует сжимающая сила, приложенная без эксцентриситета (отсутствует изгибающий момент), разрешено условно относить к центрально сжатым. Такие элементы принято называть сжатыми элементами со случайным I эксцентриситетом. Случайный эксцентриситет обозначается е_а и I принимается равным большему из двух значений: ^]/_т длины элемента, до ширины сечения, но не менее 10 мм. В дальнейшем не 1 будем акцентировать на этом внимание, так как наличие случайного эксцентриситета (при симметричном армировании сечения I и отношении IJh < 20) не влияет на расчет.

Рассмотрим простые случаи расчета колонн, ограничив их сле­дующими условиями:

• на колонны действует нагрузка, приложенная со случайным | эксцентриситетом;

• рассматриваемые колонны будем принимать прямоугольного поперечного сечения;

продольное армирование выполняется стержнями арматуры, рас-I положенными вдоль двух сторон по углам сечения (симметричное I армирование: A_s = А',) — это наиболее простой случай (рис. 5.20, а). I Возможно армирование шестью, восемью и большим количеством стержней (рис. 5.20, б), но при этом возникают особенности расчета, на которые мы не будем указывать;

• отношение расчетной длины колонны /₀ к меньшей стороне поперечного сечения не должно превышать 20, т.е. l₀/h < 20 ;

• коэффициент (процент) армирования ц, т.е. отношение пло­щади поперечного сечения арматуры к площади сечения колон­ны, чаще всего находится в пределах от 0,004 до 0,03 (0,4—3%):

(5.13) (5.13, а)

При значениях ц меньше указанных в табл. 5.5 колонна счита­ется бетонной; при значениях ц больше 3% меняются расчетные формулы. Оптимально, если процент армирования принимается в пределах 1—2 %.

Базовая формула (5.2) N< <pRA выведена для однородного ма­териала, для железобетонной колонны она преобразуется как сум­ма несущих способностей бетона и арматуры. При принятых стан­дартных обозначениях прочностных характеристик арматуры и бетона и учете некоторых особенностей в их работе основная рас­четная формула для центрально-сжатых колонн прямоугольного (квадратного) сечения принимает вид

(5.14)

На первый взгляд, формулы (5.2) и (5.14) полностью различа­ются, но, если представить несущую способность колонны как сумму несущих способностей стали и бетона, можно увидеть со­ответствие базовой формулы и формулы, применяемой для рас­чета железобетонных колонн со случайным эксцентриситетом:

Остановимся подробнее на каждой из величин, входящих в формулу (5.14), и порядке их определения:

R_sc — расчетное сопротивление сжатой арматуры (табл. 2.8); R_b — расчетное сопротивление бетона сжатию (призменная прочность) (табл. 2.6);

у_Ь2 — коэффициент условий работы бетона (для тяжелого бетона и при учете постоянных, длительных и кратковременных на-! грузок у*2 = 0,9, табл. 15 СНиП 2.03.01-84*).

В случае если колонна бетонируется в вертикальном положе­нии (высота слоя бетонирования свыше 1,5 м, следует призменную прочность бетона дополнительно умножать на коэффициент условия работы у_и = 0,85 (для тяжелого бетона), а при бетониро­вании монолитных железобетонных колонн с наибольшим разме­ром сечения менее 30 см — на коэффициент у_Ь5 = 0,85; Ъ и h — размеры поперечного сечения колонны, см; A_s и A'_s — площади сечения арматуры, соответственно по одной стороне сечения и по другой стороне (см. рис. 5.20); как правило, они определяются расчетом из формулы (5.14).

В колоннах со случайным эксцентриситетом растянутая арма­тура, которая обозначается А„ отсутствует, так как все ее сечение сжато, но в расчетах сохранены обозначения, принятые для внецентренно сжатых колонн, где возможно наличие растянутой и сжатой арматуры;

Ф — коэффициент продольного изгиба колонны:

(5.15)

где ф_Л и ф_Л._А определяются по табл. 5.6 в зависимости от отноше­ния расчетной длины колонны /₀ к меньшей стороне сечения ко­лонны h и от отношения нагрузок — соответственно длительной части нагрузки ко всей нагрузке NJN.

При расчете колонн гражданских зданий расчетную длину мож­но принимать равной высоте этажа /₀ = Я_эт (в общем случае /₀ « ц/);

(5.16)

где ц— коэффициент армирования (формула 5.13):

Из формулы (5.15) следует, что продольный изгиб железобе­тонной колонны зависит от продольного изгиба бетона (учиты­вается коэффициентом ф_А) и арматуры (учитывается коэффици­ентом ф,_Л).

На основании формулы (5.14) решаются два типа задач: под­бор сечения арматуры (тип 1) и проверка несущей способности колонны (тип 2).

Общий порядок подбора сечения рабочей арматуры (тип 1)

1. Определяют нагрузку, если она не задана по условию задачи (полное значение нагрузки /V и ее длительную часть N).

2. Устанавливают расчетную схему.

3. Принимают расчетную длину колонны /₀ (при расчете колонн гражданских зданий расчетную длину можно принимать равной высоте этажа /₀ = Н_ж, в общем случае /₀ = ц/).

4. Задаются следующими значениями и находят величины, за­висящие от них:

а) принимают размеры поперечного сечения b, h (рекоменду­ется размеры сечения принимать не менее 30 см и далее кратно 5,0 см);

б) принимают материалы для колонны:

• обычно принимают тяжелый бетон классов прочности В20— В35 и находят расчетное сопротивление бетона сжатию R_b, (см. табл. 2.6); коэффициент условия работы у_и = 0,9;

• принимают класс арматуры, обычно A-III, A-II, и находят расчетное сопротивление арматуры сжатию R_sc (табл. 2.8); в) принимают коэффициент армирования ц = 0,01—0,02. 5. Определяют коэффициент а, по формуле (5.16)

где ф₄ и ф_Л.₄ находят по табл. 5.6 в зависимости от найденных ранее отношений IJh и N,/N; если значения IJh и NJN не совпали с табличными, необходимо провести интерполирование. В табл. 5.6приведены значения для ц>_ь и ц>_хЬ при отсутствии в сечениях колонн промежуточных стержней (см. рис. 5.20, а).

• если в результате получают отрицательное значение, это го­ворит о том, что бетон один (без арматуры) справляется с нагруз­кой (в этом случае иногда возможно уменьшить размеры попереч­ного сечения колонны и заново произвести расчет или колонна армируется конструктивно, учитывая, что арматуру необходимо ставить обязательно, чтобы обеспечить минимальный процент армирования) (см. табл. 5.5);

• если получают положительное значение требуемой площади арматуры, то по полученной площади назначаем диаметр армату­ры (Приложение 3);

• для армирования принимают 4 стержня арматуры (при h < 400 мм) и располагают их по углам колонны (возможно армировать и боль­шим количеством стержней, но здесь рассматривается самый про­стой случай);

• при подборе арматуры следует учитывать, что диаметр про­дольных стержней монолитных колонн должен быть не менее 12 мм; в колоннах с размером меньшей стороны сечения > 250 мм диаметр продольных стержней рекомендуется назначать не менее 16 мм; диаметр продольных стержней обычно принимают не бо­лее 40 мм.

8. Проверяют действительный процент армирования:

Если действительный процент армирования находится в пре­делах от \x_mi„ (см. табл. 5.5) до 3%, и, еще лучше, если он близок к тому значению, которым задались (по нашим рекомендациям, 1—2%), то на этом заканчивается подбор продольной арматуры, в противном случае необходимо скорректировать принятую арма­туру или сечение элемента.

где d, — наименьший диаметр продольных сжатых стержней (в вя­заных каркасах диаметр хомутов принимают не менее 0,25 d_s и не менее 5 мм).

9. Назначают диаметр поперечных стержней d_s„ по условию свариваемости, которое устанавливает соотношение диаметров продольных и поперечных стержней арматуры при сварке. Это соотношение учитывает, что к продольному стержню арматуры большего диаметра й, можно приварить поперечный стержень меньшего диаметра d_m, который должен быть не менее '/Д^:

10. Назначают шаг поперечных стержней (хомутов в вязаных [ каркасах) s:

s < 204 в сварных каркасах, но не более 500 мм; 5 < 154 в вязаных каркасах, но не более 500 мм.

11. Конструируют каркас колонны (см. параграф 5.4.4). Проверка несущей способности колонны (тип 2) сводится к про-

■иерке условия (5.14). Эта задача может иметь самостоятельное значение, но чаще выполняют подбор сечения арматуры, который I может заканчиваться проверкой несущей способности (с целью ■ исключения расчетной ошибки и назначения оптимальных пара-I метров сечения).