6.Экспериментальные основы теории сопротивления железобетона
Экспериментами установлено, что нелинейные деформации бетона и трещины в растянутых зонах оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов. Теория расчета железобетонных конструкций строится на опытных данных и законах механики.
При постепенном увеличении нагрузки можно наблюдать три характерные стадии
НДС:
-стадия 1 – до появления трещин в растянутой зоне – бетон практически работает упруго, в растянутой – бетон на пределе;
-стадия 2 – после появления трещин в растянутой зоне, усилие здесь воспринимается только арматурой в бетоне проявляются неупругие деформации;
-стадия 3 – стадия разрушения – напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений. Возможно два случая разрушения – либо по бетону, либо по арматуре.
Сущность предварительного напряжения и способы его создания. Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции в которых в процессе изготовления искусственно создают сжимающие напряжения в бетоне натяжением арматуры. Сжимающие напряжения создают, как правило, в зонах, которые под действием нагрузки будут растянуты.
Предварительное напряжение позволяет:
-эффективно использовать высокопрочную арматуру;
-повышает трещиностойкость;
-повышает жесткость и как следствие увеличивает коррозионную стойкость и долговечность.
Особенность предварительно напряженных элементов наблюдается на стадии 1, когда происходит гашение усилий предварительного обжатия.
В производстве предварительно напряженных элементов различают два способа создания предварителбьногго напряжения: натяжение на упоры и натяжение на бетон.
При расчете предварительно напряженных конструкций следует учитывать снижение предварительных напряжений вследствие потерь предварительного напряжения.
Предварительное напряжение в бетоне σbp при передаче усилия предварительного обжатия Р(1) не должны превышать 0,9 Rbp.
Метод расчета по допускаемым напряжениям сформировался первым, за основу принята стадия 2 НДС:
- бетон растянутой зоны не учитывается;
- бетон сжатой зоны работает упруго;
- правомерна гипотеза плоских сечений.
Основной недостаток – бетон рассматривается как упругий материал, поэтому происходит недоучет возможности работы бетона и как следствие - перерасход материалов.
Расчет по разрушающим усилиям - исходит из стадии 3 напряженно-деформированного состояния, растянутый бетон не учитывается.
В расчет вводится предел прочности бетона при сжатии и предел текучести арматуры. Эпюра сжатой зоны принимается прямоугольной.
Метод учитывает упруго-пластическую работу бетона, позволяет более точно определить запас прочности конструкции, экономичные конструкции.
Недостаток – одним коэффициентом невозможно учесть статистические отклонения прочностных свойств материалов и фактических значений нагрузок.
7.Основные положения метода расчет по предельным состояниям
Расчет ведется по стадии 3 напряженно-деформированного состояния. Безопасность конструкции оценивают системой расчетных коэффициентов. За предельное состояние принимается такое состояние конструкции, когда она перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям эксплуатации.
Различают две группы предельных состояний:
- первая - требования по несущей способности;
- вторая - по пригодности к нормальной эксплуатации.
Первая группа требует предотвратить:
- хрупкое, вязкое или иное разрушение конструкции;
- потерю устойчивости формы, опрокидывание, скольжение фундаментов, всплытие заглубленных сооружений;
- усталостное разрушение;
- разрушение от совместного действия силовых факторов и внешней и агрессивной среды, температуры.
Сечение конструкции обладает достаточной прочностью, если усилия и деформации в рассматриваемом сечении от расчетных нагрузок не превышают соответствующих нормируемых значений.
Вторая группа требует предотвратить:
-образование и чрезмерное длительное раскрытие трещин;
-чрезмерные перемещения – прогибы, углы поворота, амплитуды колебаний.
Расчет по образованию трещин нормальных к продольной оси элемента производят для проверки трещиностойкости конструкций, в которых по условиям эксплуатации не допускается образование трещин или допускается образование и ограниченное раскрытие трещин.
Расчет по перемещениям заключается в определении, как правило, прогиба с учетом длительности действия нагрузки и сравнить его с предельно допустимым значением для данного типа конструкций и условий эксплуатации
Расчетные факторы – нагрузки и механические характеристики арматуры и бетона принимаются с учетом статистической изменчивости их величин, а также неблагоприятные и благоприятные условия работы бетона и арматуры, изготовления, эксплуатации элементов здания.
Нормативные нагрузки – устанавливаются с учетом заданной вероятности по номинальным значениям: собственный вес - по геометрии элементов и средней плотности материалов; временные технологические - по нормам эксплуатации; снеговые и ветровые по ежегодным наблюдениям неблагоприятных значений с учетом их повторений.
Расчетные нагрузки – при расчете на прочность и устойчивость получают умножением нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке f=1,1-1,4;
При расчете по второй группе предельных состояний – коэффициент надежности по нагрузке принимается равный единице.
Конструкции должны быть рассчитаны на сочетания нагрузок или соответствующие им усилия.
Различают:
-основные сочетания – постоянные, длительные и кратковременные нагрузки;
-особые сочетания - постоянные, длительные, возможные кратковременные и одна из особых нагрузок.
Степень ответственности зданий и сооружений – определяется размером материального и социального ущерба при достижении предельного состояния. Учитывают с помощью коэффициента надежности по назначению, на который делят предельное значение несущей способности конструкции, расчетные сопротивления или умножают на расчетные значения нагрузок.
Установлены три уровня ответственности зданий и сооружений:
- повышенный - n =1,1 - ответственные здания и сооружения – ТЭЦ, АЭС, ТВ башни, трубы, зрелищные и крупные общественные здания, учебные и дошкольные учреждения;
- нормальный - n =1 – промышленные и гражданские здания, не вошедшие в 1 класс;
- пониженнный - n =0,8 – различные склады, вспомогательные и временные помещения.
Нормативные и расчетные сопротивления бетона. Нормативные значения сопротивления бетона осевому сжатию (призменная прочность) Rb,n принимают в зависимости от класса бетона В по формуле
и осевому растяжению (при назначении класса по прочности на сжатие) Rbt,n по формуле
.
Расчетные сопротивления бетона осевому сжатию Rb и осевому растяжению Rbt для предельных состояний первой группы определяют по формулам:
где b - коэффициент надежности по бетону при сжатии, принимаемый равным 1,3;
bt - коэффициент надежности по бетону при растяжении, принимаемый равным:
1,5 – при назначении класса бетона по прочности на сжатие;
1,3 – при назначении класса бетона по прочности на растяжение.
В необходимых случаях расчетные сопротивления бетона умножаются на коэффициенты условий работы bi.
При расчете по второй группе предельных состояний расчетные сопротивления бетона принимаются с коэффициентом надежности равным 1, т.е. нормативное значение.
Нормативные и расчетные сопротивления арматуры. Основной прочностной характеристикой арматуры является нормативное значение сопротивления растяжению Rs,n, равное значению физического или условного предела текучести и принимаемое в зависимости от класса арматуры:
-для стержневой – физический (y) или условный(0,2) предел текучести;
-для проволочной арматуры – условный предел текучести 0,2=0,8u.
Доверительная вероятность равна 0.95. Нормативные значения представлены в СП.
Расчетные значения сопротивления арматуры растяжению для предельных состояний первой группы Rs определяют по формуле
где γs - коэффициент надежности по арматуре.
Расчетные значения сопротивления арматуры растяжению для предельных состояний второй группы Rs,ser принимают равными соответствующим нормативным сопротивлениям Rs,n.
Расчетные значения сопротивления арматуры сжатию Rsc принимаются равными расчетным значениям сопротивления арматуры растяжению Rs, но не более 400 МПа, при этом для арматуры класса В500 Rsc = 360 МПа.
Расчетное сопротивление растяжению ненапрягаемой поперечной арматуры (хомутов и отогнутых стержней) Rsw снижают по сравнению с Rs путем умножения на коэффициент условий работы s1 = 0,8, но принимают не более 300 МПа.
Модуль №3. Расчет железобетонных элементов по предельным состояниям первой группы