27. Величина предварительных напряжений в арматуре и бетоне.

Назначение величины предварительного напряжения в арматуре

Установлены пределы для уровня предварительного натяжения арматуры. При

чрезмерном натяжении возникает опасность разрыва проволочной арматуры или

опасность развития больших остаточных деформаций в стержневой арматуре. При

недостаточном натяжении эффект может оказаться меньшим, вследствие

проявляющихся неизбежных потерь.

Для ж/б конструкций значение предварительного напряжения арматуры

 sp

принимают:

не более

0,9Rs,n - для горячекатаной и термомеханическиупрочненной арматуры;

не более

0,8Rs,n - для холоднодеформированной арматуры и арматуры канатов.

При расчетах конструкций также учитывают снижение созданного

предварительного напряжения, вследствие потерь, происходящих до передачи усилий

натяжения на бетон (первые потери) и после натяжения на бетон (вторые потери)

28. Основные потери предварительных напряжений. Начальные предварительные напряжения в арматуре не остаются постоянными, с течением времени они уменьшаются. Различают первые потери предварительного напряжения в арматуре, происходящие при изготовлении элемента и обжатии бетона, и вторые потери, происходящие после обжатия бетона.

Первые потери

1. Потери от релаксации напряжений в арматуре при натяжении на упоры зависят от епособа натяжения и вида арматуры: при механическом способе натяжения, МПа: высокопрочной арматурной проволоки и канатов, стержневой арматуры; при электротермическом и электротермомеханическом способах натяжения: высокопрочной арматурной проволоки и канатов, стержневой арматуры. 2. Потери от температурного перепада, т. е. от разности температуры натянутой арматуры и устройств, воспринимающих усилие натяжения при пропаривании или прогреве бетона. 3. Потери от деформации анкеров, расположенных у натяжиых устройств вследствие обжатия шайб, смятия высаженных головок, смещения стержней в зажимах или в захватах при механическом натяжении на упоры. 4. Потери от трения арматуры: а) о стенки каналов или поверхность конструкции при натяжении на бетон б) об огибающие приспособления при натяжении на упоры 6. Потери от быстронатекающей ползучести бетона зависят от условий твердения, уровня напряжений и класса бетона; развиваются они при обжатии (и в первые 2—3 ч после обжатия).

Вторые потери

7. Потери от релаксации напряжений в арматуре при натяжении на бетон высокопрочной арматурной проволоки и стержневой арматуры принимаются такими же, как и при натяжении на упоры. 8. Потери от усадки бетона и укорочения элемента зависят от вида бетона, способа натяжения арматуры, условий твердения. 9. Потери от ползучести бетона (следствие соответствующего укорочения элемента) зависят от вида бетона, условий твердения, уровня напряжений 10. Потери от смятия бетона под витками спиральной или кольцевой арматуры (при диаметре труб, резервуаров до 3 м) 11. Потери от деформаций обжатия стыков между блоками сборных конструкций. Для конструкций, эксплуатируемых при влажности воздуха окружающей среды ниже 40 %, потери от усадки и ползучести бетона увеличиваются на 25 %. Для конструкций, эксплуатируемых в районах с сухим жарким климатом, эти потери увеличиваются на 50 %. При натяжении арматуры на упоры учитывают: первые потери — от релаксации напряжений в арматуре, температурного перепада, деформации анкеров, трения арматуры об огибающие приспособления, деформации стальных форм, деформации бетона от быстронатекающей ползучести; вторые потери — от усадки и ползучести. При натяжении арматуры на бетон учитывают: первые потери — от деформации анкеров, трения арматуры о стенки каналов (или поверхности бетона конструкций); вторые потери — от релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона, смятия бетона под витками арматуры, деформации стыков между блоками. Суммарные потери при любом способе натяжения могут составлять около 30 % начального предварительного напряжения. В расчетах конструкций суммарные потери должны приниматься не менее 100 МПа.

29. Коэффициент точности натяжения. Значение предварительного напряжении в арматуре вводится в расчет с коэффициентом точности натяжения арматуры g_sp, определяемым по формуле

    (6)

 Знак „плюс" принимается при неблагоприятном влиянии предварительного напряжения (т. е. на данной стадии работы конструкции или на рассматриваемом участке элемента предварительное на­пряжение снижает несущую способность, способствует образованию трещин и т. п.), знак „минус" — при благоприятном.

Значения Dg_spпри механическом способе натя­жения арматуры принимаются равными 0,1, а при электротермическом и электротермомеханическом способах натяжения определяются по формуле

 (7)

 но принимаются не менее 0,1;

здесь  р,s_sp— см. п. 1.23;

п_р ¾число стержней напрягаемой арматуры в сечении элемента.

При определении потерь предварительного напряжения арматуры, а также при расчете по раскрытию трещин и по деформациям значение Dg_spдопускается принимать равным нулю.

Величина отклонений предварительных напряжений.

При расчете предварительно напряженных элементов следует учитывать потери предваритель­ного напряжения арматуры.

При натяжении арматуры на упоры следует учитывать:

а) первые потери — от деформации анкеров, тре­ния арматуры об огибающие приспособления, от релаксации напряжений в арматуре, температурного перепада, деформации форм (при натяжении арма­туры на формы), от быстронатекающей ползучести бетона;

б) вторые потери — от усадки и ползучести бетона.

При натяжении арматуры на бетон следует учитывать:

в) первые потери — от деформации анкеров, трения арматуры о стенки каналов или поверхность бетона конструкции;

г) вторые потери — от релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона, смятия бето­на под витками арматуры, деформации стыков между блоками (для конструкций, состоящих из бло­ков).

Потери предварительного напряжения арматуры следует определять по табл. 5, при этом суммарную величину потерь при проектировании конструкций необходимо принимать не менее 100 МПа.

При расчете самонапряженных элементов учиты­ваются только потери предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона в зависимости от марки бетона по самонапряжению и влажности среды. Для самонапряженных конструкций, эксплуатируемых в условиях избытка влаги, потери от усадки не учитываются.

1.26. При определении потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона по поз. 8 и 9 табл. 5 необходимо учитывать следующий указания:

а) при заранее известном сроке загружения конструкции потери следует умножать на коэффи­циент j_l, определяемый по формуле

     (5)

 где t — время, сут, отсчитываемое при определении потерь от ползучести со дня обжатия бетона, от усадки — со дня окончания бетониро­вания;

30. Категории требований по трещиностойкости ЖБК. Трещиностойкостью железобетонной конструкции называют ее сопротивление образованию трещин в стадии I напряженно-деформированного состояния или сопротивление раскрытию трещин в стадии II напряженно-деформированного состояния. К трещиностойкости железобетонной конструкции или ее частей предъявляются при расчете различные требования в зависимости от вида применяемой арматуры. Эти требования относятся к нормальным и наклонным к продольной оси элемента трещинам и подразделяются на три категории: первая категория — не допускается образование трещин; вторая категория — допускается ограниченное по ширине непродолжительное раскрытие трещин при условии их последующего надежного закрытия (зажатия); третья категория — допускается ограниченное по ширине непродолжительное и продолжительное раскрытие трещин. Непродолжительным считается раскрытие трещин при действии постоянных, длительных и кратковременных нагрузок; продолжительным считается раскрытие трещин при действии только постоянных и длительных нагрузок. Предельная ширина раскрытия трещин (dcrci — непродолжительная и аСга продолжительная), при которой обеспечиваются нормальная эксплуатация зданий, коррозионная стойкость арматуры и долговечность конструкции, в зависимости от категории требований по трещиностойкости не должна превышать 0,05— 0,4 мм. Предварительно напряженные элементы, находящиеся под давлением жидкости или газов (резервуары, напорные трубы и т.п.), при полностью растянутом сечении со стержневой или проволочной арматурой, а также при частично сжатом сечении с проволочной арматурой диаметром 3 мм и менее должны отвечать требованиям первой категории. Другие предварительно напряженные элементы в зависимости от условий рабйты конструкции и вида арматуры должны отвечать требованиям второй или третьей категории. Конструкции без предварительного напряжения, армированные стержневой арматурой Порядок учета нагрузок при расчете по трещиностойкости зависит от категории требований по трещиностойкости: при требованиях первой категории расчет ведут по расчетным нагрузкам с коэффициентом надежности по нагрузке (как при расчете на прочность); при требованиях второй и третьей категорий расчет ведут на действие нагрузок с коэффициентом. Расчет по образованию трещин для выяснения необходимости проверки по кратковременному раскрытию трещин при требованиях второй категории выполняют на действие расчетных нагрузок с коэффициентом; расчет по образованию трещин для выяснения необходимости проверки по раскрытию трещин при требованиях третьей категории выполняют иа действие нагрузок с коэффициентом. В расчете по трещиностойкости учитывают совместное действие всех нагрузок, кроме особых. Особые нагрузки учитывают в расчете по образованию трещин в тех случаях, когда трещины приводят к катастрофическому положению. Расчет по закрытию трещин при требованиях второй категории производят на действие постоянных и длительных нагрузок с коэффициентом. На концевых участках предварительно напряженных элементов в пределах длины зоны передачи напряжений с арматуры на бетон 1Р не допускается образование трещин при совместном действии всех нагрузок (кроме особых), вводимых в расчет с коэффициентом. Это требование вызвано тем, что преждевременное образование трещин в бетоне на концевых участках элементов может привести к выдергиванию арматуры из бетона под нагрузкой и внезапному разрушению. Трещины, если они возникают при изготовлении, транспортировании и монтаже в зоне, которая, впоследствии под нагрузкой будет сжатой, приводят к снижению усилий образования трещин в растянутой при эксплуатации зоне, увеличению ширины их раскрытия и увеличению прогибов. Влияние этих трещин учитывается в расчетах конструкций. Для элементов, работающих в условиях действия многократно повторных нагрузок и рассчитываемых на выносливость, образование таких трещин не допускается.

31. Основные положения по расчету ЖБК по образованию нормальных трещин. Цель расчетов и методик. 6.3.1 Расчет железобетонных элементов по образованию нормальных трещин производят по предельным усилиям или по нелинейной деформационной модели. Расчет по образованию наклонных трещин производят по предельным усилиям.

6.3.2 Расчет по образованию трещин железобетонных элементов по предельным усилиям производят из условия, по которому усилие F от внешних нагрузок и воздействий в рассматриваемом сечении не должно превышать предельного усилия F_crc, которое может быть воспринято железобетонным элементом при образовании трещин

F <= F_crc,ult.

(6.2)

6.3.3 Предельное усилие, воспринимаемое железобетонным элементом при образовании нормальных трещин, следует определять исходя из расчета железобетонного элемента как сплошного тела с учетом упругих деформаций в арматуре и неупругих деформаций в растянутом и сжатом бетоне при максимальных нормальных растягивающих напряжениях в бетоне, равных расчетным значениям сопротивления бетона растяжению R_bt.

6.3.4 Расчет железобетонных элементов по образованию нормальных трещин по нелинейной деформационной модели производят на основе диаграмм состояния арматуры, растянутого и сжатого бетона и гипотезы плоских сечений. Критерием образования трещин является достижение предельных относительных деформаций в растянутом бетоне.

6.3.5 Предельное усилие, которое может быть воспринято железобетонным элементом при образовании наклонных трещин, следует определять исходя из расчета железобетонного элемента как сплошного упругого тела и критерия прочности бетона при плоском напряженном состоянии "сжатие - растяжение".

32. Расчет на трещинообразование по ядровым моментам изгибаемых, внецентренно – сжатых и внецентренно – растянутых элементов. Расчет изгибаемых, внецентренно сжатых, а также внецентренно растянутых элементов по образованию трещин производится из условия

         (124)

 где   М_r ¾ момент внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения, относительно оси, параллель­ной нулевой линии и проходящей через ядровую точку, наиболее удаленную от растянутой зоны, трещинообразование которой проверяется;

М_crc ¾ момент, воспринимаемый сечением. нормальным к продольной оси элемента, при образовании трещин и опреде­ляемый по формуле

              (125)

 здесь М_rp — момент усилия Р относительно той же оси, что и для определения М_r; знак момента определяется направлением вращения („плюс" — когда направле­ния вращения моментов M_rp и М_r противоположны; „минус" — когда направления совпадают).

Усилие Р рассматривают:

для предварительно напряженных элементов — как внешнюю сжимающую силу;

для элементов, выполняемых без предваритель­ного напряжения, — как внешнюю растягивающую силу, определяемую по формуле (8), принимая на­пряжения s_s и s’_s в ненапрягаемой арматуре численно равными значениям потерь от усадки бетона по поз. 8 табл. 5 (как для арматуры, натягиваемой на упоры).

Значение М_r определяется по формулам:

для изгибаемых элементов (черт. 19, a)

 (126)

 для внецентренно сжатых элементов (черт. 19, б)

         (127)

 для внецентренно растянутых элементов (черт. 19, в)

          (128)

 Значения М_rp определяются:

при расчете по образованию трещин в зоне сече­ния, растянутой от действия внешних нагрузок, но сжатой от действия усилия предварительного обжатия (см. черт. 19), по формуле

       (129)

 при расчете по образованию трещин в зоне сечения, растянутой от действия усилия предварительного обжатия (черт. 20), по формуле

        (130)

33. Расчет по раскрытию нормальных трещин. Расчет на закрытие трещин. Ширину раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента a_crc, мм* следует определять по формуле

 (144)

 где d ¾ коэффициент, принимаемый равным для элементов:

 изгибаемых и внецентренно

сжатых ..................................... 1,0

растянутых............................... 1,2

 j_l¾ коэффициент, принимаемый равным при учете:

 кратковременных нагрузок и

непродолжительного действия

постоянных и длительных

нагрузок ......................................................1,00

многократно повторяющейся

нагрузки, а также

продолжительного действия

постоянных и длительных

нагрузок для конструкций из

бетона:

тяжелого:

естественной

влажности ....................... j_l= 1,60 – 15m

в водонасыщенном

состоянии .......................................... 1,20

при попеременном

водонасыщении и высушивании ..... 1,75

мелкозернистого групп:

А ......................................................... 1,75

Б ......................................................... 2,00

В ......................................................... 1,50

легкого и поризованного ........ не менее 1,50

ячеистого.................................................. 2,50

 значение j_lдля мелкозернистого, легкого, поризованного и ячеистого бетонов в водонасыщенном состоянии умножают на коэффициент 0,8, а при попеременном водонасыщении и высушивании — на коэффици­ент 1,2;

h — коэффициент, принимаемый равным:

 при стержневой арматуре

       периодического профиля .................1,0

  „    стержневой арматуре гладкой .........1,3

  „    проволочной арматуре

        периодического профиля и

        кана­тах .............................................1,2

  „     гладкой арматуре ............................1,4

 s_s —напряжение в стержнях крайнего ряда арма­турыSили (при наличии предварительного напряжения) приращение напряжений от действия внешней нагрузки, определяемое согласно указаниям п. 4.15;

m —коэффициент армирования сечения, прини­маемый равным отношению площади сече­ния арматурыSк площади сечения бетона (при рабочей высотеh₀и без учета сжатых свесов полок), но не более 0,02;

d— диаметр арматуры, мм.

Для элементов, к трещиностойкости которых предъявляются требования 2-й категории, ширина раскрытия трещин определяется от суммарного действия постоянных, длительных и кратковре­менных нагрузок при коэффициенте j_l= 1,0.

Для элементов, к трещиностойкости которых предъявляются требования 3-й категории, ширина продолжительного раскрытия трещин определяется от действии постоянных и длительных нагрузок при коэффициенте j_l> 1,0. Ширина непродолжитель­ного раскрытия трещин определяется как сумма ширины продолжительного раскрытия и прираще­ния ширины раскрытия от действия кратковременных нагрузок, определяемого при коэффициентеj_l= 1,0.

Расчет на закрытие трещин

Для обеспечения надежного закрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента, при действии постоянных и длительных нагрузок должны соблюдаться следующие требования: а) в напрягаемой арматуре от действия постоянных, длительных и кратковременных нагрузок не должны возникать необратимые деформации, что обеспечивается соблюдением условия(154) где- приращение напряжения в напрягаемой арматуреот действия внешних нагрузок, определяемое по формулам (146)-(148); б) сечение элемента с трещиной в растянутой зоне от действия постоянных, длительных и кратковременных нагрузок должно оставаться обжатым при действии постоянных и длительных нагрузок с нормальными напряжениями сжатияна растягиваемой внешними нагрузками грани элемента не менее 0,5 МПа, при этом величинаопределяется как для упругого тела от действия внешних нагрузок и усилия предварительного обжатия. 4.20. Для участков элементов, имеющих начальные трещины в сжатой зоне (см. п.1.18), значениев формуле (154) умножается на коэффициент, равный 1 -, а величинапри определении напряженияумножается на коэффициент, равный 1,1 (1 -), но не более 1,0, где значенияопределяются согласно указаниям п.4.6*.

34. Изгибаемые Ж Б элементы. При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (см. рисунок), изгибающий момент и поперечная сила. Изгибаемые железобетонные элементы, как правило, рассчитывают по прочности следующих видов сечений:

• по нормальным сечениям — сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента,

• по наклонным сечениям — при действия поперечных сил (срез или раздавливание сжатой зоны бетона), по наклонной полосе между наклонными сечениями (трещинами), от действия момента в наклонном сечении.

В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной арматурой (см. рисунок).

Изгиб и армирование железобетонной балки

Элементы конструкции:

1.  Верхняя (сжатая) арматура

2.  Нижняя (растянутая) арматура

3.  Поперечная арматура

4.  Распределительная арматура

Верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположенном направлении.

Основные параметры конструкции:

• L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров

• H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально H²

• B — ширина сечения

• a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды

• s — шаг поперечной арматуры.

Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения железобетонного элемента, бетон в которой в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рисунок).

Разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям

Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных или пространственных сечений (см. рисунок).

Разрушение ж/б элемента по наклонным сечениям (схема)

Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.

Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента.

Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры.

Плиты армируются по такому же принципу как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.

Кроме расчёта на прочность для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролета при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).

35.Размещение рабочей арматуры в изгибаемых элементах (балках и плитах). В железобетонных изгибаемых изделиях рабочая растянутая арматура располагается всегда со стороны растянутых волокон, следуя за эпюрой изгибающих моментов.

В однопролетной свободно опертой плите, загруженной равномерно распределенной нагрузкой, эпюра изгибающих моментов однозначна и вызывает растяжение внизу, поэтому вся рабочая арматура располагается в нижней растянутой зоне конструкции. В такой же плите, но с заделкой на опорах, эпюра двузначная; на опорах растянутая зона расположена вверху, а в пролете внизу; соответствующим образом располагается и рабочая арматура в такой плите.

Когда железобетонная плита имеет несколько опор, являясь многопролетной неразрезной, эпюра изгибающих моментов при равномерно распределенной нагрузке в пролетах имеет положительное значение, а на опорах отрицательное, соответственно растянутые зоны в пролетах расположены внизу, а на опорах наверху; характер эпюры моментов диктует и расположение рабочей арматуры такой конструкции ЖБИ.

Если конструкция консольной железобетонной плиты, у которой эпюра изгибающих моментов однозначна и вызывает растяжение на всем ее протяжении вверху, то рабочая арматура, следуя за эпюрой моментов, расположена вверху железобетонной плиты.

Плиты являются простейшими железобетонными изделиями и в сочетании с железобетонными балками образуют структуру железобетонных перекрытий, и других более сложных составных частей строений.

Балки являются несущими элементами для железобетонных плит и служат их опорами: они являются основой железобетонных перекрытий, образуя систему пересекающихся балок, которая носит название балочной клетки.

Действующая напряженная арматура балок располагается в растянутой зоне, следуя в основном за эпюрой изгибающих моментов, но в балках, имеющих многопролетную структуру это может быть реализовано только частично, поскольку конструктивно часть растянутых стержней доводят до опор и они, заходя за границы эпюры моментов, являются в этих местах сжатой арматурой, так как попадают в сжатую зону балок. В балках, наряду с продольной рабочей растянутой арматурой, имеется поперечная арматура, в виде вертикальных (поперечных) стержней — при армировании сварными каркасами или в виде хомутов — при армировании отдельными стержнями.

Растянутую и сжатую зоны изгибаемой железобетонной конструкции связывают между собой поперечные вертикальные стержни или хомуты. Эти элементы железобетонной конструкции воспринимают скалывающие и главные растягивающие напряжения.

При наличии железобетонной плиты, покоящейся на балках балочной клетки, она монолитно соединяется с балками, образуя в поперечном сечении тавровый профиль.

Сборные железобетонные плиты выполняют обычно непосредственно опирающихся своими несущими бортовыми ребрами на главные балки, которые изготовляют двутавровыми, прямоугольными и тавровыми, облегченными с пустотами или в виде ребристых панелей.

36. Проценты армирования ЖБК (минимальные, максимальные, оптимальные). Предельные проценты армирования изгибаемых элементов с одиночной арматурой  (расположенной только в растянутой зоне) определяют из уравнения равновесия предельных усилий при высоте сжатой зоны, равной граничной. Предельные проценты армирования с повышением класса бетона увеличиваются, а с повышением класса арматуры уменьшаются. Сечения изгибаемых элементов, имеющие проценты армирования, превышающие предельные, называют переармированными. Нижний предел процента армирования, или минимальный процент армирования, установлен из конструктивных соображений для восприятия не учитываемых расчетом различных усилий (усадочных, температурных и т. п.). Для изгибаемых и внецентренно растянутых сечений минимальный процент армирования продольной растянутой арматурой для внецентренно растянутых элементов при расположении продольной силы между арматурой в пределах расстояния на каждой грани сечения. В тавровых сечениях с полкой в сжатой зоне минимальный процент армирования относится к площади сечения ребра.