Для студентов гр.СТ-09 ЖБ (общие сведеня)

ВГИПУ
ОСНОВЫ РАСЧЕТА
СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Крылышкова Л.Ю.
2012
1
1. Основы расчета ж/б конструкций
Железобетоном называют строительный материал, в котором соединены
в монолитное целое бетон и стальная арматура. Цель использования этих двух
материалов, заключается в том, что бетон хорошо переносит сжимающие
нагрузки, а сталь растягивающие. Поэтому выполняя те или иные конструкции
из железобетона в ту зону, которая будет подвержена растяжению, вводится
арматура, предотвращающая разрушение элемента.
Дело в том, что бетон, являясь искусственным камнем сопротивляется
растяжению в 10-15 раз слабее чем сжатию, что ограничивает возможность его
применения (от значительных нагрузок происходит быстрое разрушение), либо
вызывает необходимость увеличения размеров элемента, что неэкономично и
по ряду конструктивных требований к зданиям не выгодно.
сжатая зона
железобетонная
балка
растянутая зона
арматурный
элемент
Однако, если в растянутую зону бетонного элемента внести небольшое
количество стали (1-2 % площади сечения), то его несущая способность
2
значтительно увеличится (в 10-20 раз). Хотя также могут использовать
арматуру для усиления бетона в сжатой зоне.
Однако чрезмерное количество арматуры в элементе может быть и
опасным, поскольку напряжения от арматуры могут вызвать появление
деформаций и повреждений. Поэтому для получения надежного и прочного
железобетонного элемента необходимы точные расчеты.
Широта применения железобетона обоснована его преимуществами.
Однако как конструкционный материал он также имеет некоторые недостатки.
Преимущества железобетона
Недостатки железобетона
1) Выгодные
физико-механические
свойства (оказывает значительное
сопротивление
статическим
и
динамическим нагрузкам)
2) Сейсмо- и виброусточивость
3) Долговечность
4) Хорошая
сопротивляемость
атмосферным воздействиям
5) Огнестойкость
6) Состоит
из
широко
распространенных материалов
7) Податлив
в
плане
формообразования (ему легко придать
практически любую форму)
8) Прочность бетона со временем
может увеличиваться
9) Незначительность
эксплуатационных расходов
1) Значительная масса конструкций
2) Повышенная
тепло
и
звукопроводность
3) Сложность производства работ
4) Потребность в специализированных
кадрах и оборудовании
Совместное сопротивление бетона и стальной арматуры внешним
нагрузкам
обуславливается
выгодным
сочетанием
физико-механических
свойств этих материалов:
-при твердении бетона между ним и стальной арматурой возникают
значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах
оба материала деформируются под нагрузкой совместно;
3
-бетон (защитный слой бетона) защищает заключенную в нем стальную
арматуру от
коррозийного разрушения, а также от непосредственного
воздействия огня.
Толщина защитного слоя бетона зависит от типа конструкции, условий её
эксплуатации, назначения и диаметра арматуры. Минимальная толщина
защитного слоя бетона в любом случае принимается не менее диаметра
стержня арматуры.
Относительно высокая масса железобетона – качество в определенных
условиях положительное, но во многих случаях нежелательное, поэтому для
уменьшения
массы
конструкций
применяют
менее
материалоемкие
конструкции (тонкостенные и пустотные), а также конструкции из бетона на
легких заполнителях.
Во многом прочность железобетонной конструкции обусловлена видом
используемого в нем материала (конструкционного бетона и арматуры).
Среди конструкционных бетонов различают:
 тяжелый, средней плотности свыше 2200 кг/м3 включительно;
 мелкозернистый, средней плотности свыше 1800 кг/м3;
 легкий, плотной и поризованной структуры;
 ячеистый;
 специальный бетон (напрягающий).
Основным показателем бетона является класс прочности на сжатие,
который устанавливается на основании испытаний стандартных образцов
(бетонных кубов) в возрасте 28 суток.
Большинство несущих конструкций выполняют из тяжелого бетона
класса прочности В 15-В35.
Некоторое время назад под «строительством» понималось следующее –
преимущественно поточный механизированный процесс сборки и монтажа
зданий и сооружений из готовых, полностью отделанных деталей и
конструкций, изготовляемых в условиях промышленного производства.
4
Современное строительство характеризуется множеством принципиально
новых решений при возведении зданий. Так все чаще используется монолитный
и сборно-монолитный способ возведения железобетонных конструкций,
значительно сокращающий транспортные
исключающий
простои
из-за
и монтажные расходы, а также
несвоевременного
поступления
сборных
элементов на строительную площадку.
Монолитные железобетонные конструкции возводят с использованием
специальных форм – опалубки, в которую и помещают арматуру и бетон.
Опалубка снимается после того как бетон застынет и наберёт достаточную
прочность. Использование современных опалубочных систем позволяет
создавать конструкции практически любых конструктивных и архитектурных
форм. Широко распространено использование монолитного железобетона в
многоэтажных зданиях башенного типа.
Сборно-монолитные железобетонные конструкции представляют собой
сочетание
сборных
элементов
(колонн,
панелей,
ригелей
и
др.),
изготавливаемых на заводах (рис.1) и монолитного бетона укладываемого на
месте строительства. Часто сборные элементы служат опалубкой для
монолитного бетона. Пример сборно-монолитного строения представлен на
рис.2. В этом случае вертикальные конструкции здания выполнены из сборного
железобетона, а горизонтальные – перекрытия из монолитного.
Рис.1. Изготовление сборных железобетонных элементов на заводах ЖБИ
5
Рис.2. Строительство здания методом сборно-монолитного возведения
Арматура в железобетонных конструкциях принимается в зависимости от
типа конструкции, наличия предварительного напряжения, а также условий
эксплуатации зданий и сооружений.
В основном используется арматура следующих видов:
 горячекатная гладкая и периодического профиля диаметром 6-40мм
(класс А);
 термомеханически
упрочненная
периодического
профиля
диаметром 6-40 мм (класс А);
 холоднодеформируемая периодического профиля диаметром 3-12
мм (класс В);
 арматрурные канаты диаметром 3-15 мм (класс К).
Многообразие видов конструкций определяет необходимость выбора для
каждой из них соответствующей стали для изготовления арматуры. Арматурная
сталь отличается прочностью и пластичностью.
арматуру 7 классов.
6
По прочности различают
Железобетонные конструкции
По способу возведения бывают:
1) Монолитные
2) Сборные
3) Сборно-монолитные
По виду используемой арматуры:
1) С гибкой арматурой (стержневой)
2) С жесткой арматурой (жесткой) из
прокатной профильной стали
По виду используемого бетона:
1) С использованием тяжелого бетона (на тяжелых заполнителях)
2) С использованием легкого бетона (на пористых заполнителях)
3) Ячеистые бетоны (пено и газобетон)
Гибкая арматура представляет собой стальные стержни круглого или
периодического профиля. Сваренные или связанные сетки и объемные каркасы
из отдельных прутьев тоже считаются гибкой арматурой.
7
Несущая
(жесткая)
арматура
представляет
собой
прокатную
профильную сталь (обычно используются профили-уголок, двутавр, швеллер),
которая используется в особо ответственных сооружениях, где возникают
значительные нагрузки на конструкции.
По способу работы и соответственно по расположению в элементе
различают рабочую арматуру, устанавливаемую в конструкцию по расчёту
(она обычно располагается по длине элемента, поэтому её называют также
продольной), и
монтажную и распределительную (поперечная), которые
устанавливаются по конструктивным соображениям и предназначены для
образования совместно с рабочей арматурой каркасов и сеток.
N
Продольная арматура
N
поперечная арматура
продольная арматура
Рис.Расположение рабочей и конструктивной арматуры в колонне
квадратного сечения
8
Таким образом в зависимости от воспринимаемых нагрузок арматура
бывает:
 продольная,
воспринимающая растягивающие напряжения; и
препятствующая образованию вертикальных трещин в растянутой зоне
железобетонных
конструкций.
В конструкциях, воспринимающих сжимающие усилия, продольная
арматура воспринимает часть нагрузки, работая с совместно с бетоном.

поперечная, препятствующая образованию наклонных трещин от
возникающих косых скалывающих напряжений вблизи опор; а также и
связывающая бетон сжатой зоны с арматурой в растянутой зоне.

напрягаемая, подвергнутую предварительному натяжению. Натяжение
арматуры предотвращает образование трещин; уменьшает прогибы;
снижает расход арматурной стали и собственную массу железобетонной
конструкции.
Важным в процессе объединения бетона и арматуры является характер
сцепления этих двух материалов. Чем выше сцепление, тем лучше. Прочность
сцепления арматуры с бетоном оценивают её сопротивлением выдергиванию и
вдавливанию заанкерованных стержней в бетон.
По опытным данным прочность сцепления зависит от следующих
факторов:
зацепления
в
бетоне
выступов
на
поверхности
арматуры
периодического профиля; сил трения, развивающихся при контакте арматуры с
бетоном под влиянием его усадки; склеивания арматуры с бетоном.
Если использовать гладкую круглую арматуру, то происходит снижение
сопротивления скольжению, поэтому предпочтительнее использовать арматуру
периодического профиля. Кроме того, прочность сцепления возрастает с
повышением класса бетона, уменьшением водоцементного отношения, а также
с увеличением возраста бетона. Установлено также, что с увеличением
диаметра стержня арматуры, напряжения в нем и прочность сцепления при
сжатии возрастает, а при растяжении уменьшается. Это означает, что для
9
лучшего сцепления арматуры с бетоном при конструировании железобетонных
элементов диаметр растянутых стержней желательно ограничивать.
Анкеровка – закрепление концов арматуры в теле бетона, что
способствует сохранению целостности конструкции, так как позволяет
избежать
явления
выдергивания
арматуры.
Анкеровка
осуществляется
несколькими способами: запуском арматуры за рассматриваемое сечение на
длину зоны передачи усилий арматуры на бетон; с помощью анкерных
устройств.
Так, ненапрягаемая арматура из гладких стержней может быть выполнена
с крюками на концах. Анкерами гладких стержней, объединяемых в сварные
или вязаные каркасы и сетки, являются стержни поперечного направления,
поэтому их применяют без крюков на концах.
Для изготовления предварительно напряженных элементов используются
другие способы анкеровки (с использованием гильзовых анкеров, анкеров с
колодкой и конической пробкой, анкеров стаканного типа).
Одним из самых значительных недостатков железобетона является его
низкая трещиностойкость, что опасно для прочности конструкции. В
процессе изготовления и эксплуатации особо важно учитывать их появление и
развитие. Причинами их появления могут быть условия твердения бетона,
10
характер усадки бетона, осадкой опор под конструкцией, перенапряжением,
изменением
температуры
и
т.д.
Опыт
эксплуатации
железобетонных
конструкций показывает, что при ограниченной ширине раскрытия трещины в
растянутых
зонах
не
опасны
и
не
нарушают
общей
монолитности
железобетона, поскольку в этой зоне арматура несколько сглаживает данное
отрицательное явление. Однако при эксплуатации в агрессивных средах, стоит
учитывать появление даже невидимых трещин, которые открывают доступ к
арматуре и могут вызвать её коррозию. А вот трещины в сжатых зонах более
опасны для прочности конструкции.
Различные конструктивные железобетонные элементы выполняются с
учетом множества особенностей, главным из которых является их характер
работы.
В случае расчета железобетонных конструкций учитывают следующие
виды напряженно-деформируемых состояний:
1) Сжатие
2) Растяжение
3) Изгиб
Так, например, на сжатие работают железобетонные колонны, однако при
определенном
характере
приложении
нагрузки
часть
колонны
может
находиться в сжатом состоянии, а часть в растянутом. На изгиб работают балки
и плиты.
Железобетонные конструкции, как и все строительные конструкции,
выполненные из других материалов должны удовлетворять требованиям
расчета по предельным состояниям первой и второй групп (по потере несущей
способности и непригодности к нормальной эксплуатации), то есть расчетами
должны быть исключены все возможные негативные для конструкции явления.
11
Наиболее нежелательными явлениями для железобетонных конструкций
являются следующие:
1) Разрушение конструкций частично или полностью;
2) Потеря устойчивости формы
конструкции;
3) Потеря первоначального (проектного)
положения конструкции;
4) Появление трещин в конструкции и их развитие;
5) Появление прогибов в конструкции;
6) Колебания конструкции и др.
1-я гр. предельных состояний
2-я гр. предельных состояний
Стоит отметить, что расчет конструкций, позволяющий исключить
вышеуказанные явления производиться как
для стадии эксплуатации
(учитываются воздействия и силовые факторы возникающие в процессе работы
конструкции), так и для стадии изготовления конструкции (в этом случае
учитывается ряд факторов в том числе и выбранный способ изготовления
конструкции, стадии транспортирования (учитывается вид транспорта,
способ перемещения и др.), стадии возведения (учитывается вид монтажного
устройства, особенности строповки элемента и др.).
Наиболее
ответственным
и
важным
расчетом
является
расчет
железобетонных элементов по первой группе предельных состояний, который
предостерегает от аварийных ситуаций опасных для жизни людей. Но не менее
важным моментом при расчете и проектировании строительных конструкций
из
железобетона
является
подбор
нужного
материала
конструкции
(конструкционный материал) и геометрических параметров конструкции
(площадь поперечного сечения). Учет этих важнейших положений позволяет
создавать строительные конструкции для современных зданий отвечающих не
только требованиям надежности и прочности, но и экономичности в плане
материалоёмкости, трудоемкости, эксплуатации.
Современные здания значительно отличаются от своих предшественников не
только
архитектурно-планировочными
12
характеристиками,
но
и
конструктивными схемами, способами и технологиями их возведения. В
современном строительстве все чаще используется железобетон, позволяющий
создавать
практически
любые
здания
с
высокими
потребительскими
качествами.
Расчет железобетонных колонн
Железобетонные колонны находятся в состоянии сжатия. Как известно
сжатые конструктивные элементы зданий можно разделить на центрально
сжатые (промежуточные колонны в зданиях и сооружениях, верхние пояса
ферм, загруженных по узлам, восходящие раскосы и стойки ферменной
решетки и другие элементы) и внецентренные. Центральный вид сжатия
конструкций в чистом виде практически не наблюдается и считается
относительно
условным.
Более
частым
случаем
сжатия
является
внецентренное. В условиях внецентренного сжатия находятся крайние
колонны
каркасных
зданий,
верхние
пояса
раскосных
ферм,
стены
прямоугольных в плане подземных резервуаров, воспринимающих боковое
давление. В таких элементах (внецентренно сжатых) появляются сжимающие
силы, поперечные силы и изгибающие моменты.
Рассмотрим наиболее стандартный пример сжатого элемента – колонну.
Их используют как опорные элементы при возведении зданий и применяют при
сооружении каркасов зданий вместе с прогонами, ригелями и другими
деталями.
Железобетонные колонны, как и все железобетонные элементы, состоят
из бетона и арматуры (стальных стержней), причем арматура обычно
составляет 1-3 % от площади поперечного сечения колонны. Колонны обычно
выполняются сплошного сечения, но в некоторых случаях (при больших
длинах) могут быть решетчатыми (рис.15.). По высоте различают колонны
постоянного и переменного сечений.
13
Рис.15. Виды железобетонных колонн
При центральном сжатии железобетонных колонн (когда усилие или
сжимающая сила совпадает с центром тяжести сечения колонны) более
экономично их круглое или квадратное сечение. При внецентренном сжатии в
сечении возникают изгибающие моменты и сечение «вытягивается» в
направлении их действия.
Основным случаем потери несущей способности железобетонных колонн
является потеря общей устойчивости. Поэтому в теле колонны устанавливают
продольную рабочую (главную) и поперечную (второстепенную) арматуру
(рис.16.). Продольная арматура устанавливается по всей длине колонны и
воспринимает основные нагрузки. Однако без установки дополнительной
арматуры – поперечной, произойдет потеря устойчивости продольной
арматуры, которая начнет выпучиваться и разрушит защитный слой бетона
(рис.17.), что приведет к разрушению элемента в целом. Поперечные стержни в
этом случае играют «удерживающую» роль и не позволяют продольной
арматуре выпучиваться сверх нормативных значений. На рис.16. изображено
стандартное простейшее армирование железобетонной колонны квадратного
сечения.
14
Однако для сохранения надежности конструкции необходимо учитывать
следующие правила конструирования колонн (квадратного или прямоугольного
сечения):
— стержни продольной арматуры располагаются у граней колонны с
защитным слоем бетона не менее 20мм и не менее их диаметра;
— для свободной укладки в формы концы продольной арматуры не
должны доходить до грани торца колонны на 10-15 мм, при этом
если в оголовке колонны предусмотрена закладная деталь для
опирания вышележащих конструкций, то продольный стержень
арматуры должен не доходить до этой закладной детали не менее
чем на 10 мм;
— в сечении колонны до 400х400 мм обычно ставят четыре стержня
продольной арматуры, располагая их по углам колонны, при
больших размерах сечения колонны расстояния между осями
продольных стержней не должны превышать 400мм.
15
Рис. 17. Схема разрушения защитного слоя бетона при потере устойчивости
продольной сжатой арматуры:
1 — продольная сжатая арматура; 2—поперечная арматура.
16