1.Понятние об обычном ж/б. Факторы, обеспечивающие совместную работу бетона и стальной арматуры. Ж/б состоит из бетона и стальной арматуры, расположенной в конструкциях для восприятия растягивающих, а в ряде случаев сжимающих усилий. Бетон будучи искусственным камнем хорошо сопротивляется сжатию и значтельно хуже растяжению (10-20р). Армирование (усиление) растянутой зоны изгибаемых элементов материалами, обладающими значительно более высокой прочностью на растяжение, чем бетон, позволяет существенно повысить их несущую способность. Таким материалом является сталь, а конструкции, полученные на основе рационального объединения бетона и стали при условии обеспечения их совместной работы, называются ж/бными. При приложении нагрузки, в верхней зоне сечения балки возникает сжатие, в нижней – растяжение. Когда напряжения в растянутой зоне достигают предельного сопротивления бетона растяжению, образуется трещина и происходит хрупкое разрушение балки задолго до того, как будет использована прочность бетона на сжатие. Несущая способность такой балки ограничена низким сопротивлением бетона растяжению.

Усиление бетонных элементов арматурой возможно, если обеспечивается их совместная работа. Опыты показывают, что в этом смысле сталь является практически идеальным дополнением бетона. Это обусловлено следующим: 1) хорошее сцепление бетона и арматуры, 2) бетон и сталь обладают близкими коэффициентами темпер деформации α_st = 12*10^-6 α_bt = (7…15)*10^-6 в следствии чего в общих условиях (t = -20 ÷ +50С) эксплуатационные качества не снижаются, 3) бетон при соблюдении определённых требований (содержание цемента не менее 250 кг/м³, обеспечение толщины защитного слоя и др.) является надёжной защитой арматуры от коррозии, высоких температур, механических повреждений.

2.Технико-экономические преимущества и недостатки ж/б. Достоинства: 1) Огнестойкость и долговечность, 2) Высокая механическая прочность, 3) Хорошая сопротивляемость сейсмическим и др. динамическим воздействиям, 4) Возможность возводить конструкции рациональной формы, 5) Малые эксплуатационные расходы (по сравнению с деревом и металлом), 6) Хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, 7) Возможность использования местных материалов, 8) Низкие затраты энергии на производство ж/б конструкций (по сравнению с ж/б и камнем). Недостатки: 1) Большая плотность, вес, 2) Высокая тепло и звукопроводность, 3) Трудоёмкость переделок и усилений, 4) Необходимость выдержки до приобретения прочности, 5) Появление трещин в следствие усадки и силовых воздействий.

3.Прочность бетона при сжатии и растяжении. Кубиковая. При осевом сжатии кубы разрушаются в следствие разрыва бетона в поперечном направлении. Однако, наличие сил трения, развивающихся по опорным граням, препятствует развитию свободных поперечных деформаций кубов в близи их торцов.

1 – обкладка пресса, 2 – образец для испытаний

Характер разрушения бетонных образцов. Вследствие влияния сил трения прочность кубов зависит от их размеров. Чем меньше размер куба, тем больше его прочность. Поскольку реальные конструкции отличаются от кубов, кубиковая прочность непосредственно в расчётах не используется, а служит для контроля качества бетона. Призменная прочность. Временное сопротивление осевому сжатию бетонной призмы. Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы влияние трения уменьшается. При h/a ≥4 оно практически исчезает, и прочность становится постоянной и равной R_b = 0,75R. Значит R_b применяется в расчётах прочности сжатых и изгибаемых элементов. R – временное сопротивление сжатию бетонных кубиков.

Прочность при растяжении. R_bt. При осевом растяжении прочность бетона в 10-20р меньше прочности на сжатие, при этом с увеличением кубиковой прочности относительная прочность на растяжение уменьшается. R_bt = 5R/(45+R) [МПа]. Опытным путём R_bt определяют испытанием на разрыв образцов в виде 8-ок, на раскол образцы в виде цилиндров и кубиков или на изгиб бетонных балок.

4. Диаграмма деформирования бетона.

I – кривая полных деформаций бетона, II – график деформаций бетона при мгновенном нагружении. ε_el, ε_pl – деформации бетона при однократном кратковременном нагружении.

I – кривая полных деформаций, II – при мгновенном нагружении.

1) При небольших напряжениях σ_b ≤ 0,2R_b, бетон может рассматриваться как упругий материал (уч 0-1). Связь между напряжениями и деформацией при небольших напряжениях устанавливается закон Гука. ε_b = σ_b/Е_b, где Е_b – начальный модуль упругости (tgα_o) E_b = tgα_{o =} σ_b/ε_b. Е_b зависит от класса бетона. Для практических расчётов было предложено выразить напряжения через полные деформации бетона с помощью упруго-пластического модуля деформаций. Е_b = tgα₁

2) При 0,2R_b≤ σ_b≤0,5R_b. Возникают неупругие деформации, вызванные уплотнением геля

(уч 1-2). После образования микротрещин при σ_b = R_b,cre рост пластических деформаций становится более интенсивным (уч 2-3). При дальнейшем увеличении нагрузки, микротрещины объединяются, и образец разрушается. Точка 4 соответствует предельному сопротивлению образца (R_b), и деформациям R_b,cu. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются.

5. Механические свойства арматурных сталей. Диаграмма деформирования арматуры. Арматурой называют стержни , размещаемые в бетоне в соответствии с расчетом , конструктивными и производственными требованиями. Механические свойства арматуры зависят от химического состава (содержание углерода и др. элементов) , способа производства и обработки. Повышение прочности может быть достигнуто также термическим упрочнением и механической вытяжкой. Основные механические свойства сталей характеризуются диаграммой «напряжения - деформации»(-). Необходимо учитывать ряд других свойств арматурных сталей: свариваемость , усталостное разрушение , реологические свойства , динамическое упрочнение и т. П.)

Диаграмма получена путём испытания на растяжение стандартных образцов длиной 50-60см. Все арматурные стали по характеру диаграммы делятся: 1) стали с явно выраженной площадкой текучести (мягкие), 2) стали с неявно выраженной площадкой текучести (низколегированные, термически упрочнённые стали), 3) стали с линейной зависимостью «σ-ɛ» почти до разрыва (высокопрочная проволока).

1 – диаграмма мягкой стали, 2 – низколегированной, термически упрочнённой стали, 3 – высокопрочной проволоки, 4 – сталь, механически упрочнённая вытяжкой.

6. Сцепление арматуры с бетоном. Напряженное состояние элемента при передаче усилий с арматуры на бетон. Анкеровка арматуры в бетоне. Сцепление арматуры с бетоном. Сцепление арматуры с бетоном является одним из фундаментальных свойств ж/б , которое обеспечивает его существование как строительного материала. Сцепление обеспечивается : склеиванием геля с арматурой ; трением , вызванным от усадки бетона ; зацеплением за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры. Наибольшую роль в обеспечении сцепления играет зацепление за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры.

При выдёргивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления _bd , которые распределяются вдоль стержня неравномерно. Для оценки сцепления используют средние напряжения на длине заделки :_bd,m=N/*d*l_an Выражая продольное усилие через напряжение в арматуре , получают : l_an=N/(_bd,m**d)=_s**d²/(4*_bd,m**d)= =_s*d/(4*_bd,m) Анкеровка арматуры в бетоне. Анкеровка - это закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности , способное воспринять определённое усилие. Анкеровка может осуществляться либо силами сцепления , либо специальными анкерными устройствами на концевых участках , либо теми и другими совместно. Анкеровка арматуры периодического профиля обеспечивается силами сцепления. Для гладкой круглой арматуры сцепление недостаточно , и устройство крюков на концах стержней или приварка поперечных стержней обязательна. Напрягаемую арматуру заводят за нормальное к оси элемента сечение , в котором она учитывается с полным расчетным сопротивлением , на длину зоны анкеровки : l_an=(_anR_s/R_b+_an)*d>(1520)*d Усадка бетона в ж/б конструкциях. Стальная арматура вследствие сцепления её с бетоном , является внутренней связью , препятствующей свободной усадке бетона при твердении на воздухе и свободному набуханию - при твердении в воде. Средняя деформация усадки равна 15*10^-5 , что равносильно понижению температуры на 15⁰ С. Оказывает отрицательное влияние. Ползучесть бетона в ж/б конструкциях. Арматура в ж/б конструкциях , являясь , как и при усадке , внутренней связью , препятствует свободной деформации ползучести в бетоне. Вследствие сцепления арматуры с бетоном при продолжительном действием нагрузки ползучесть приводит к перераспределению напряжений между арматурой и бетоном. В коротких центрально сжатых элементах ползучесть оказывает положительное влияние ; в гибких сжатых элементах - отрицательное.

7. Стадии напряжённого состояния ж/б элементов. Стадии напряженного состояния ж/б элементов при изгибе. Вследствие значительного различия свойств бетона и арматуры напряжённое состояние нормальных сечений ж/б элемента при увеличении нагрузки меняется. При этом различаю три характерные стадии. Стадия I. При малых нагрузках напряжения в бетоне и арматуре не велики , деформации носят упругий характер , эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон - треугольные. С увеличением нагрузки в растянутом бетоне развиваются неупругие деформации , эпюра напряжений становится криволинейной , напряжения приближаются , а затем и становятся равными пределу прочности бетона при растяжении. Это положено в основу расчета по образованию трещин. При дальнейшем увеличении нагрузки в сечении образуются трещины.

Стадия II. После появления трещин растягивающие усилия в сечении с трещиной воспринимаются арматурой и бетоном над трещиной. Между трещинами бетон в нижней зоне работает на растяжение и напряжения в арматуре уменьшаются по мере удаления от трещины. В сжатой зоне бетона развиваются неупругие деформации, и эпюра нормальных напряжений искривляется. Стадия II заканчивается , когда в растянутой зоне достигнут предел текучести. По этой стадии производят расчет прогибов и ширины раскрытия трещин.

Стадия III. Это стадия разрушения. Возможны два случая : случай 1, разрушение начинается в момент , когда напряжения в растянутой арматуре достигают физического или условного предела текучести ; в арматуре раскрываются трещины , напряжения в бетоне сжатой зоны возрастают ,и , наконец , происходит его разрушение.

Случай 2, разрушение элемента происходит в следствие раздавливания бетона сжатой зоны , при этом напряжения в растянутой арматуре могу и не достигать предела текучести и её прочностные свойства используются не полностью. Такое разрушение носит хрупкий характер. Стадия III положена в основу расчета на прочность.

Поскольку усилия от внешней нагрузки изменяются по пролёту, сечения по длине элемента испытывают разные стадии напряжённо-деформированного состояния.

8. Метод расчёта ж/б элементов по предельным состояниям. Предельное состояние – такое состояние конструкции, после достижения которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной в следствие потери способности сопротивляться внешним нагрузкам, или получение недопустимых перемещений или местных повреждений. 2 группы предельных состояний: 1) по несущей способности, 2) По пригодности к нормальной эксплуатации. Расчёт по 1 гр. предельных состояний выполняется с целью предотвращения: а) разрушения конструкций (расчёт по прочности), б) потери устойчивости формы конструкций (расчёт на продольный изгиб), в) потери положения конструкции (расчёт на опрокидывание или скольжение), г) усталостного разрушения (расчёт на выносливость). Расчёт по 2 гр. предельных состояний имеет цель: а) не допустить развития чрезмерных деформаций (прогибов), б) исключить возможность образования трещин в бетоне, в) ограничить ширину их раскрытия, г) обеспечить в необходимых случаях закрепление трещин после снятия части нагрузки. Расчёт по 1 гр. является основным и используется при подборе сечений. Расчёт по 2 гр. производится для тех конструкций, которые будучи прочными, теряют свои эксплуатационные качества, в следствие чрезмерных прогибов (балки больших пролётов при относительно малой нагрузке), образование трещин (резервуары, трубопроводы) или чрезмерного раскрытия трещин, проводящее к преждевременной коррозии арматуры.

9. Нормативные и расчётные нагрузки, их сочетания. Установленные нормами наибольшие значения нагрузок, которое может действовать на конструкцию при её нормальной эксплуатации наз нормативной нагрузкой. Фактически нагрузка в силу разных обстоятельств может отличаться от нормативной в большую или меньшую сторону. Это отклонение учитывает коэффициент надёжности по нагрузке γ_f. Расчёт конструкций производится на расчётные нагрузки. q – полные нагрузки q = q_n*γ_f, где q_n – нормативная нагрузка, γ_f – коэффициент надёжности по нагрузке, соответствующей рассматриваевому предельному состоянию. При расчёте по 1 гр. предельных состояний γ_f принимается больше 1. При расчёте на устойчивое положение, когда уменьшение веса конструкции ухудшает условия её работы, принимаем γ_f меньше 1. По 2 гр. предельных состояний, учитывая меньшую опасность их наступления, производят на расчёт нагрузки при γ_f = 1. Исключение составляют конструкции, относящиеся к первой категории трещиностойкости, для которых γ_f больше 1.

10. Нормативные и расчётные сопротивления бетона. Прочностные характеристики бетона обладают изменчивостью. На изменчивость прочности влияет качество оборудования, квалификация рабочих, вид бетона и др. Из всех возможных значений в расчёт необходимо вводить такое, которое с необходимой надёжностью обеспечит безопасность эксплуатации конструкций. Установить его помогает метод теории вероятности. Изменчивость прочностных св-в подчинается закону Гаусса и характеризуется кривой распределения, которая связывает прочностные характеристики бетона с частотой их повторения в опытах.

Пользуясь кривой распределения можно вычислить среднее значение временного сопротивления бетона сжатию.

, где n₁, n₂, n_k – число опытов, в которых будет зафиксирована прочность R₁, R₂, R_k. n – общее число опытов. Разброс прочности (отклонение от среднего) характеризуется средним квадратичным отклонением – стандарт.

или коэффициент вариации:

Вычислив σ, можно методами теории вероятности найти значение прочности R_n, которое будет обеспечиваться заданной надёжностью. R_n = R_m - æσ, R_n = R_m(1 - æν), æ - показатель надёжности. Чем выше æ, тем большее число образцов покажут прочность (R_m - æσ) и более, тем выше надёжность. Согласно нормам, основной контролируемой характеристикой на заводе является класс бетона В, представляющий собой прочность куба с ребром 15см, определённой с надёжностью 0,95. Прочность, соответствующую классу, определяют по формуле: R_n = R_m(1 – 1,64ν). Значение ν может изменяться в широких пределах. При проектировании нормативное сопротивление бетона принимается в соответствии с его классом. Нормативное сопротивление бетонных призм осевому сжатию (R_b,n) – призменная прочность определяется по нормативному значению кубиковой прочности с учётом зависимости, связывающей призменную и кубиковую прочность. R_b,n = (0,77 – 0,001R_n). Нормативное сопротивление бетона осевому растяжению R_bt,n в случае, когда прочность бетона на растяжение не контролируется, определяется по нормативному значению кубиковой прочности с учётом зависимости: .

Если R_bt контролируется непосредственно испытаниями образцов на производсве, то нормативное сопротивление осевому растяжению принимается равным: R_bt,n = R_bt,m(1 – 1,64ν) и характеризует класс бетона по прочности на расстяжение B_t. Расчётные сопротивления бетона для предельных состояний 1 гр. определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надёжности при сжатии (γ_bt).

для тяжёлого бетона γ_bc = 1,3 γ_bt = 1,5. Эти коэффициенты учитывают возможность понижения фактической прочности по сравнению с нормативной в следствие отличия прочности бетона в реальных конструкциях от прочности в образцах и ряд др факторов, зависящих от условий изготовления и эксплуатации конструкций. Расчёт сопротивления бетона для предельных состояний 2 гр. R_b,ser, R_bt,ser определяется при γ_bc = γ_bt = 1, т.е. принимаются равными нормативным сопротивлениям. Это объясняется тем, что наступление предельных состояний 2 гр. менее опасно, чем 1 гр., оно не приводит к обрушению сооружений и их элементов. При расчёте бет. и жбк расчётные сопротивления бетона в необходимых случаях умножают на коэффициенты условий работы γ_b,i, учитывающие длительность действия и повторяемость нагрузок, условия изготовления, характер работы конструкций и др.

11. Нормативные и расчётные сопротивления арматуры. Нормативные сопротивления R_sn принимают равными контролируемым значениям предела текучести физического σ_у (мягкая) или условного σ_0,2 (высокопрочная). Значения нормативных сопротивлений принимаются в соответствии с действующими стандартами на арматурные стали, как и для бетона с надёжностью 0,95. Расчётные сопротивления арматуры растяжению R_s, R_s,ser для предельных состояний 1 и 2 гр. определяется делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надёжности по арматуре.

,

γ_s – в зависимости от класса арматуры 1,1…1,2. Коэффициент надёжности γ_s учитывает изменчивость площади поперечного сечения стержней, раннее развитие пластических деформаций и др. факторы. При расчёте по предельным состояниям 2 гр. значения коэффициента надёжности для всех видов арматуры принимается =1, т.е. расчёт сопротивления R_s,ser фактически = R_sn. При назначении расчётных сопротивлений арматуры сжатию (R_sc) учитываются не только св-ва стали, но и предельная сжимаемость бетона (ε_bcu), принимаемая = 2*10^-3, модуль упругости бетона Е=2*10⁵ Мпа, можно получить наибольшее напряжение σ_sc, достигаемое в арматуре перед разрушением бетона из условия совместности деформаций бетона и арматуры.

σ_sc=ε_sE_s=2*10^-3*2*10⁵=400МПа.

Согласно нормам расчётное сопротивление арматуры сжатию R_sc принимаем = R_s, если оно не превышает 400Мпа. Для арматуры с более высоким значением R_s расчётное сопротивление R_sc принимаем 400Мпа. При расчёте конструкций по 1 гр. предельных состояний, расчётные сопротивления арматуры в необходимых случаях умножается на коэффициент условий работы γ_s,i, учитывается наличие сварных соединений, многократное действие нагрузки и др. Расчётное сопротивление поперечной арматуры (R_sw) принимается = 80% от расчётного сопротивления растяжению, R_sw=0,8R_s. Учитывая неравномерность распределения в наклонном сечении.

12. Система коэффициентов в методе расчёта по предельным состояниям. Нагрузки, действующие на конструкцию, и прочностные характеристики обладают изменчивостью и могут отличаться от средних значений. Для обеспечения того, чтобы за время нормальной эксплуатации сооружения не наступило ни одного из предельных состояний вводится система расчётных коэффициентов, учитывающих возможность отклонения, различных факторов, влияющих на надёжную работу конструкции:

1) коэффициент надёжности по нагрузкам, γ_f учитывает изменчивость нагрузок или воздействий,

2) коэффициент надёжности по бетону γ_b и арматуре γ_f, учитывающий изменчивость их прочностных св-в,

3) коэффициент надёжности по назначению конструкций γ_n, учитывающий степень ответственности и капитальности зданий и сооружений.

4) коэффициент условий работы γ_b,i и γ_s,i, позволяющие оценить как особенности работы материалов и конструкций в целом, которые не могут быть отражены в расчётах прямым путём. Расчётные коэффициенты устанавливаются на основе выроятностно-статистических методов. Они обеспечивают требуемую надёжность работы конструкций для всех стадий: - изготовление, - транспортирование, - возведение, - эксплуатация. Основная идея метода расчёта по предельным состояниям заключается в обеспечении условия, чтобы даже в тех редких случаях, когда на конструкцию действует max возможные нагрузки, прочность бетона и арматуры min, а условия эксплуатации наиболее неблагоприятны, конструкция не разрушилась и не получила бы недопустимых прогибов или трещин.

13. Характер разрушения ж/б элементов. Два случая расчёта прочности нормальных сечений. Опыты показывают, что разрушения зависят от количества и вида арматуры, при этом возможно 2 случая:

1) – разрушение начинается в тот момент, когда напряжения в растянутой арматуре достигают физического или условного предела текучести. С развитием пластических деформаций в арматуре раскрываются трещины, напряжения в бетоне в сжатой зоне возрастают и наконец, происходит его разрушение; разрушение сечения элемента носит пластических характер.

2) разрушение элемента происходит вследствие раздавливания бетона сжатой зоны, при этом напряжения в растянутой арматуре могут не достигать предела текучести, а её прочностные св-ва используются не полностью. Такое разрушение носит хрупкий хар-р и, как правило, имеет место в сечении с избыточным содержанием арматуры.