Файл: Литература Филиппов П. П. Как внешние сигналы передаются внутрь клетки.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.02.2024
Просмотров: 104
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
Виды железобетонных конструкций и область их применения железобетона
Достоинства и недостатки железобетона.
Усадка бетона и начальные напряжения
Физико-механические свойства арматурных сталей
Усадка бетона при наличии арматуры
Ползучесть бетона при наличии арматуры
Защитный слой бетона и минимальные расстояния между стержнями
ЛЕКЦИЯ 5. 1. Методы расчёта железобетонных конструкций
Две группы предельных состояний
Сущность метода расчета конструкций по предельным состояниям
Степень ответственности зданий и сооружений
ЛЕКЦИЯ 6. 1. Три стадии напряжённо-деформированного состояния железобетонных элементов
Основы конструирования изгибаемых элементов
РАСЧЕТ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПОЧНОСТЬ ПО СЕЧЕНИЯМ НОРМАЛЬНЫМ К ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ ЭЛЕМЕНТА
Общие сведения. При расчёте прочности железобетонных конструкций выделяют два типа задач:
Разрушение от действия изгибающего момента
Разрушение бетонной полосы между наклонными трещинами
, составляющие лишь примерно 13% от предела текучести.
Поэтому в обычных железобетонных конструкциях в большинстве случаев приходится мириться с появлением трещин для того, чтобы повысить степень использования арматуры и иметь возможность применять арматуру более высоких классов. Однако и при этом все равно исключается возможность эффективного использования арматуры из высокопрочных сталей, начиная с класса A600 и выше, так как высокие напряжения, которые в ней можно допускать, сопровождаются значительными деформациями, т. е. образованием недопустимых по ширине раскрытия трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растёт гораздо быстрее, чем стоимость, и их использование с экономической точки зрения является целесообразным.
Видимые волосяные трещины шириной примерно 0,05 мм появляются в бетоне при нагрузках, меньших эксплуатационных, в зонах возникновения наибольших растягивающих напряжений. При возрастании нагрузки эти трещины раскрываются. Приближенно можно считать, что при напряжениях в арматуре порядка σ s = 200...250 МПа ширина раскрытия трещин находится в пределах = 0, 2...0,3 мм. Наличие трещин открывает доступ к арматуре атмосферной влаге и агрессивным газам, что при определённой ширине раскрытия может вызвать коррозию. Поэтому ширина раскрытия трещин в период эксплуатации железобетонных конструкций должна быть ограничена. Предельно допустимая ширина раскрытия трещин, при которой еще обеспечивается сохранность арматуры, устанавливается в зависимости от условий работы конструкции, вида применяемой арматуры, продолжительности действия нагрузки и не должна превышать 0,3 мм (считая по оси арматурных стержней) при длительном их раскрытии и 0,4 мм — при непродолжительном. При такой ширине раскрытия трещин напряжения в арматуре достигают примерно σ s = 250...300 МПа.
Под сцеплением понимают непрерывную связь между бетоном и арматурой по поверхности контакта этих материалов. В нагруженных железобетонных конструкциях благодаря сцеплению скольжения арматуры в бетоне не происходит.
Сцепление арматуры с бетоном является одним из наиболее важных фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его существование как строительного материала.
Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заделанных в бетоне (рис. 4.1).
Рисунок 4.1 – Схемы испытаний на нарушение сцепления арматуры с бетоном: а — на выдёргивание; б — на вдавливание
При выдергивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления, которые, как показали исследования, распределяются по длине стержня неравномерно. Наибольшие их значения τ max действуют на некотором расстоянии от торца и не зависят от длины заделки стержня в бетоне (рис. 4.1).
Рисунок 4.2 – Сцепление арматуры с бетоном: а — арматурный стержень в бетоне; б — эпюра касательных напряжений сцепления; в - эпюра нормальных напряжений; г — при арматуре периодического профиля
Надёжное сцепление по опытным данным зависит от трёх следующих факторов:
1) сопротивления бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т. е. механическим зацеплением арматуры за бетон (рис.4.2г); даже сравнительно гладкая арматура имеет неровности, заполняемые бетоном;
2) от сил трения арматуры о бетон, которые вследствие усадки бетона развиваются на поверхности арматуры при попытке выдернуть стержень;
3) от склеивания поверхности арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности геля.
Выявление точного влияния каждого из перечисленных факторов в процентном отношении затруднительно, да и не имеет большого практического значения, так как они проявляются одновременно. Однако наибольшее влияние на прочность сцепления стержней периодического профиля оказывает первый фактор — он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления.
Сцепление арматуры с бетоном улучшается с повышением класса бетона по прочности на сжатие, с увеличением содержания цемента в единице объёма бетона, с уменьшением W/C. Оно зависит также от способа укладки и условий твердения бетона (например, вибрирование и влажный режим твердения улучшают сцепление). С увеличением возраста бетона τрастет, что объясняется повышением прочности цементного камня и его усадкой.
Сцепление несколько повышает растяжимость бетона, обеспечивает равномерное распределение трещин по длине элемента в случае их появления и ограничивает ширину раскрытия каждой трещины в отдельности, что повышает жесткость железобетонного элемента.
В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне — анкеровка — осуществляется запуском арматуры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном).
Арматура из гладких стержней класса A240 должна иметь по концам анкера в виде полукруглых крюков диаметром 2, 5d (рис. 4.5а). Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления, поэтому их применяют без крюков на концах. Также не имеют крюков на концах арматурные стержни периодического профиля, обладающие значительно лучшим сцеплением с бетоном.
Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:
- в виде прямого окончания стержня (прямая анкеровка);
- с загибом на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли;
- с приваркой или установкой поперечных стержней;
- с применением специальных анкерных устройств на конце стержня.
Прямую анкеровку и анкеровку с лапками допускается применять только для арматуры периодического профиля. Для растянутых гладких стержней следует предусматривать крюки, петли, приваренные поперечные стержни или специальные анкерные устройства.
Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры, за исключением гладкой арматуры, которая может подвергаться растяжению при некоторых возможных сочетаниях нагрузки.
При расчете длины анкеровки арматуры следует учитывать способ анкеровки, класс арматуры и ее профиль, диаметр арматуры, прочность бетона и его
напряженное состояние в зоне анкеровки, конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.).
Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления Rs на бетон, определяют по формуле:
,
где As и us - соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;
Rbond - расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле:
,
здесь Rbt - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;
h1 - коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:
1,5 - для гладкой арматуры;
2,5 - для арматуры периодического профиля;
h2 - коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:
1,0 - при диаметре арматуры ds £ 32 мм;
0,9 - при диаметре арматуры 36 и 40 мм.
Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле:
,
где lo,an - базовая длина анкеровки;
As,cal, As,ef - площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету и фактически установленная;
a - коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.
При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают a = 1,0, а для сжатых - a = 0,75.
Допускается уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30%.
В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3×lo,аn, а также не менее 15ds и 200 мм.
Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры Ns определяют по формуле:
где Rbond, us, As, α – см. выше;
ls - расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения элемента.
На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q £ Qb1 должна составлять не менее 5ds.
При устройстве на концах стержней специальных анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.п. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие. Кроме того, при проектировании привариваемых анкерных деталей следует учитывать характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.
Рис.4.3. Анкеровка арматуры: а – круглых гладких стержней; б – стержней периодического профиля
Поэтому в обычных железобетонных конструкциях в большинстве случаев приходится мириться с появлением трещин для того, чтобы повысить степень использования арматуры и иметь возможность применять арматуру более высоких классов. Однако и при этом все равно исключается возможность эффективного использования арматуры из высокопрочных сталей, начиная с класса A600 и выше, так как высокие напряжения, которые в ней можно допускать, сопровождаются значительными деформациями, т. е. образованием недопустимых по ширине раскрытия трещин. Это очень неприятное обстоятельство, поскольку прочность этих сталей растёт гораздо быстрее, чем стоимость, и их использование с экономической точки зрения является целесообразным.
Видимые волосяные трещины шириной примерно 0,05 мм появляются в бетоне при нагрузках, меньших эксплуатационных, в зонах возникновения наибольших растягивающих напряжений. При возрастании нагрузки эти трещины раскрываются. Приближенно можно считать, что при напряжениях в арматуре порядка σ s = 200...250 МПа ширина раскрытия трещин находится в пределах = 0, 2...0,3 мм. Наличие трещин открывает доступ к арматуре атмосферной влаге и агрессивным газам, что при определённой ширине раскрытия может вызвать коррозию. Поэтому ширина раскрытия трещин в период эксплуатации железобетонных конструкций должна быть ограничена. Предельно допустимая ширина раскрытия трещин, при которой еще обеспечивается сохранность арматуры, устанавливается в зависимости от условий работы конструкции, вида применяемой арматуры, продолжительности действия нагрузки и не должна превышать 0,3 мм (считая по оси арматурных стержней) при длительном их раскрытии и 0,4 мм — при непродолжительном. При такой ширине раскрытия трещин напряжения в арматуре достигают примерно σ s = 250...300 МПа.
Сцепление арматуры с бетоном
Под сцеплением понимают непрерывную связь между бетоном и арматурой по поверхности контакта этих материалов. В нагруженных железобетонных конструкциях благодаря сцеплению скольжения арматуры в бетоне не происходит.
Сцепление арматуры с бетоном является одним из наиболее важных фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его существование как строительного материала.
Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заделанных в бетоне (рис. 4.1).
Рисунок 4.1 – Схемы испытаний на нарушение сцепления арматуры с бетоном: а — на выдёргивание; б — на вдавливание
При выдергивании стержня из бетона усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления, которые, как показали исследования, распределяются по длине стержня неравномерно. Наибольшие их значения τ max действуют на некотором расстоянии от торца и не зависят от длины заделки стержня в бетоне (рис. 4.1).
Рисунок 4.2 – Сцепление арматуры с бетоном: а — арматурный стержень в бетоне; б — эпюра касательных напряжений сцепления; в - эпюра нормальных напряжений; г — при арматуре периодического профиля
Надёжное сцепление по опытным данным зависит от трёх следующих факторов:
1) сопротивления бетона усилиям смятия и среза, обусловленным выступами и другими неровностями на поверхности арматуры, т. е. механическим зацеплением арматуры за бетон (рис.4.2г); даже сравнительно гладкая арматура имеет неровности, заполняемые бетоном;
2) от сил трения арматуры о бетон, которые вследствие усадки бетона развиваются на поверхности арматуры при попытке выдернуть стержень;
3) от склеивания поверхности арматуры с бетоном, возникающего благодаря клеящей способности геля.
Выявление точного влияния каждого из перечисленных факторов в процентном отношении затруднительно, да и не имеет большого практического значения, так как они проявляются одновременно. Однако наибольшее влияние на прочность сцепления стержней периодического профиля оказывает первый фактор — он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления.
Сцепление арматуры с бетоном улучшается с повышением класса бетона по прочности на сжатие, с увеличением содержания цемента в единице объёма бетона, с уменьшением W/C. Оно зависит также от способа укладки и условий твердения бетона (например, вибрирование и влажный режим твердения улучшают сцепление). С увеличением возраста бетона τрастет, что объясняется повышением прочности цементного камня и его усадкой.
Сцепление несколько повышает растяжимость бетона, обеспечивает равномерное распределение трещин по длине элемента в случае их появления и ограничивает ширину раскрытия каждой трещины в отдельности, что повышает жесткость железобетонного элемента.
Анкеровка арматуры в бетоне
В железобетонных конструкциях закрепление концов арматуры в бетоне — анкеровка — осуществляется запуском арматуры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с арматуры на бетон (обусловленную сцеплением арматуры с бетоном).
Арматура из гладких стержней класса A240 должна иметь по концам анкера в виде полукруглых крюков диаметром 2, 5d (рис. 4.5а). Анкерами гладких стержней в сварных сетках и каркасах служат стержни поперечного направления, поэтому их применяют без крюков на концах. Также не имеют крюков на концах арматурные стержни периодического профиля, обладающие значительно лучшим сцеплением с бетоном.
Анкеровку арматуры осуществляют одним из следующих способов или их сочетанием:
- в виде прямого окончания стержня (прямая анкеровка);
- с загибом на конце стержня в виде крюка, отгиба (лапки) или петли;
- с приваркой или установкой поперечных стержней;
- с применением специальных анкерных устройств на конце стержня.
Прямую анкеровку и анкеровку с лапками допускается применять только для арматуры периодического профиля. Для растянутых гладких стержней следует предусматривать крюки, петли, приваренные поперечные стержни или специальные анкерные устройства.
Лапки, крюки и петли не рекомендуется применять для анкеровки сжатой арматуры, за исключением гладкой арматуры, которая может подвергаться растяжению при некоторых возможных сочетаниях нагрузки.
При расчете длины анкеровки арматуры следует учитывать способ анкеровки, класс арматуры и ее профиль, диаметр арматуры, прочность бетона и его
напряженное состояние в зоне анкеровки, конструктивное решение элемента в зоне анкеровки (наличие поперечной арматуры, положение стержней в сечении элемента и др.).
Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления Rs на бетон, определяют по формуле:
,где As и us - соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;
Rbond - расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле:
,здесь Rbt - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению;
h1 - коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:
1,5 - для гладкой арматуры;
2,5 - для арматуры периодического профиля;
h2 - коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:
1,0 - при диаметре арматуры ds £ 32 мм;
0,9 - при диаметре арматуры 36 и 40 мм.
Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле:
,где lo,an - базовая длина анкеровки;
As,cal, As,ef - площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету и фактически установленная;
a - коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.
При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают a = 1,0, а для сжатых - a = 0,75.
Допускается уменьшать длину анкеровки в зависимости от количества и диаметра поперечной арматуры, вида анкерующих устройств и величины поперечного обжатия бетона в зоне анкеровки (например, от опорной реакции), но не более чем на 30%.
В любом случае фактическую длину анкеровки принимают не менее 0,3×lo,аn, а также не менее 15ds и 200 мм.
Усилие, воспринимаемое анкеруемым стержнем арматуры Ns определяют по формуле:
где Rbond, us, As, α – см. выше;
ls - расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения элемента.
На крайних свободных опорах элементов длина запуска растянутых стержней за внутреннюю грань свободной опоры при выполнении условия Q £ Qb1 должна составлять не менее 5ds.
При устройстве на концах стержней специальных анкеров в виде пластин, шайб, гаек, уголков, высаженных головок и т.п. площадь контакта анкера с бетоном должна удовлетворять условию прочности бетона на смятие. Кроме того, при проектировании привариваемых анкерных деталей следует учитывать характеристики металла по свариваемости, а также способы и условия сварки.
Рис.4.3. Анкеровка арматуры: а – круглых гладких стержней; б – стержней периодического профиля
