Железобетонные и каменные конструкции

1. Проектные классы и марки бетона.

Являются показателями качества б. Класс по прочности на осевое сжатие – В 3,5…70 – временное сопротивление сжатию в МПа кубов с размером ребра 15 см, испытанных через 28сут хранения при tºС=20±2оС по ГОСТ и с обеспеченностью 0,95. Основная хар-ка. Класс по прочности на осевое растяжение Bt 0,8…3,2 – временное сопротивление растяжению в МПа с учетом статистической изменчивости. Указывается, когда эта хар-ка имеет главенствующее значение и контролируется на производстве. Марка по морозостойкости F 25…500 – количество циклов поперечного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которое выдерживает образец до разрушения. Назначают для конструкций, подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию (открытые конструкции, ограждающие конструкции и т. п.). Марка по водонепроницаемости W 2…12 – максимальное давление воды, при котором еще не наблюдается ее просачивания через образец. Число – количество выдерживаемых атмосфер или предельное давление воды в кг/см2. Назначают для конструкций, к которым предъявляют требования ограниченной проницаемости (резервуары и т.п.). Марка по средней плотности D 800…2000 – указывается в кг/м3. Назначают для конструкций, к которым предъявляют кроме требований прочности требования теплоизоляции, и контролируют на производстве. Марка по самонапряжению Sp. Проектные классы и марки б. получают соответствующим подбором состава бетонной смеси с последующим испытанием контрольных образцов.

2. Полная диаграмма сжатия-растяжения бетона.	Ветви диаграммы, координаты вершины.
Определение модуля упругости бетона и секущего модуля деформаций.
Начальный модуль упругости при сжатии Eb	соответствует лишь упругим деформациям,
возникающим при мгновенном загружении: Eb=tgφ0 (дается в СНиП). Модуль полных деформаций
при сжатии Eb' соответствует полным деформациям и является величиной переменной: Eb'=tgφ.
Для расчета пользуются средним модулем или модулем упругопластичности: Eb'=tgφ1 (заменяет
предыдущий). Eb'=Eb*υe, где υe-коэффициент упругости, υe=εe/εb, где εe-упругие деформации, εb-
полные деформации.

3. Классификация арматурной стали. Диаграммы растяжения арматурных сталей нормальной и высокой прочности. Определение прочностных характеристик и модуля упругости.

По форме поперечного	гибкая	жесткая (уголки,
сечения		двутавры, швеллеры)

По применению в конструкции напрягаемая ненапрягаемая

По форме поверхности гладкая периодического профиля

По технологии	горячекатаная	холоднотянутая
изготовления	стержневая	проволочная

AI-гладкая, AII-непрерывная периодичность, AIII-сходящаяся периодичность - мягкие стали, AIVсходящаяся периодичность, AV-сходящаяся периодичность, AVI-сходящаяся периодичность - твердые стали.

AIIв, AIIIв–упрочненная.

AтIII, AтIV, AтV, AтVI-упрочненная термическим способом.

BpI.

BII-гладкая, BpII-рифленая.

K7, K19–канаты.

Стали бывают обычные, повышенной прочности, высокопрочные. Первый вид относится к мягким сталям, второй и третий – к твердым. Характеристики прочности и деформаций арматурных сталей устанавливают по диаграмме σs-εs, получаемой при испытании образцов на растяжение. Мягкая сталь имеет на диаграмме площадку текучести, обладает значительным удлинением после разрыва. Напряжение, при котором деформации развиваются без заметного увеличения нагрузки,

называется физическим пределом текучести арматурной стали σy, напряжение в начале образования шейки, предшествующее разрыву, носит название временного сопротивления арматурной стали σu.

Твердые стали переходят в пластическую стадию постепенно, что характеризуется отсутствием ярко выраженной площадки текучести на кривой. Для этих сталей устанавливают условный предел текучести – напряжение σ0,2, при котором остаточные деформации составляют 0,2%, а также условный предел упругости – напряжение σ0,02, при котором остаточные деформации равны 0,02%. Rsn=σy(мягкие стали), =σ0,2(твердые стали)-стержни. σ0,2=0,8σu-проволока ВрI. Модуль упругости Es=tg угла наклона касательной к эпюре.

4. Сцепление арматуры с бетоном. Факторы, обеспечивающие прочность сцепления. Определение длины зоны анкеровки.

Сцепление – совокупность физических и механических явлений на контактной поверхности ар-ры и б., обеспечивающая их надежное соединение и совместную работу под нагрузкой. Факторы: клеящая способность цементного теста – адгезия 10%; трение на контактной поверхности б. и арры при усадке б. 10-15%; сопротивление срезу и смятию на неровностях поверхности ар-ры 7580%. Прочность сцепления ар-ры и б. оценивают сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заанкерованных в б. Прочность сцепления возрастает с повышением класса б., уменьшением водоцементного отношения, с увеличением возраста б. Анкеровка – закрепление концов ар-ры в бетоне – достигается запуском ар-ры за рассматриваемое сечение на длину зоны передачи усилий с ар-ры на б., а также с помощью анкерных устройств. Ненапрягаемая арматура: гладкие стержни снабжены крюками 2,5d, в конструкциях на пористых заполнителях 5d, стержни периодического профиля заводят на длину зоны анкеровки lan=(ω(Rs/Rb)+Δλan)d≥λand, где ω, Δλan, λan–коэффициенты для определения анкеровки ненапрягаемой ар-ры, Rs–расчетное сопротивление ар-ры; Rb–призменная прочность б.; d–диаметр ар-ры. На крайних свободных опорах изгибаемых элементов продольные растянутые стержни заводят для анкеровки за внутреннюю грань опоры (нижний рис.).

5. Два случая разрушения железобетонных изгибаемых элементов по нормальному сечению. Схемы напряженного состояния сечения при разрушении. Условие, определяющее характер разрушения.

Стадия III разрушения. Уменьшается высота сжатой зоны б. В растянутой зоне б. не работает, только ар-ра. Эпюра напряжений в сжатой зоне: максимальная ордината напряжений б. перемещается ближе к середине с грани. В расчетах заменяется на прямоугольную. 1 случай - непереармированные сечения: пластичное (в растянутой арматуре достигается σyAs, σ0,2As, потом в сжатой зоне - Rb, б. выкалывается, конструкция разрушается) и хрупкое разрушение (в ар-ре и б. достигаются предельные напряжения σsAs и Rb одновременно); 2 случай – переармированные сечения (в ар-ре предельное напряжение не достигается, разрушение происходит по сжатой части б., достигается Rb, разрушение внезапное).

6. Расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов прямоугольного профиля по нормальному сечению.

Одиночное армирование. RsAs=RbAb, RsAs=Rbbx

M≤RbAbzb или M≤Rbbx(h0-0,5x), M≤RsAs(h0-0,5x)

Условие прочности ξ≤ξR=ω/(1+(Rs/σsc,u)(1-ω/1,1))-граничная относительная высота сжатой зоны б., ξ=x/h0-относительная высота сжатой зоны б., если ξ>ξR, то применяется двойное армирование. σsc,u-предельное напряжение в арматуре сжатой зоны б., ω-характеристика сжатой зоны б., Rs- расчетное сопротивление ар-ры растяжению, As-площадь сечения продольной ар-ры, Rb-расчетное сопротивление б. сжатию, Ab-площадь сжатой зоны б., h0-рабочая высота сечения, x-высота сжатой зоны б., b-ширина сечения, M-изгибающий момент, zb-расстояние от равнодействующей усилий в сжатой зоне б. до усилий в растянутой ар-ре.

7. Расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов таврового профиля по нормальному сечению.

Балка, приводимая к тавровому сечению: при hf’≥0,1h, bсв=½c, bсв=1/6l; при hf’<0,1h, bсв=6hf’.

Балка таврового сечения: при hf’≥0,1h, bсв=6hf’, при 0,1h>hf’>0,05h, bсв=3hf’, при hf’<0,05h, bсв=0.

Граница сжатой зоны проходит в ребре:

RsAs=Rbbx+Rb(bf’-b)hf’↔ξRbbh0+Rb(bf’-b)hf’, M≤Rbbx(h0-0,5x)+Rb(bf’-b)hf’(h0-0,5hf’)↔

αmRbbh02+Rb(bf’-b)hf’(h0-0,5hf’), ξ≤ξR, Rs=σs, если ξ>ξR.

Граница сжатой зоны проходит в полке:

M≤Rbbf’hf’(h0-0,5hf’), RsAs=Rbbf’hf’, RsAs=Rbbf’x, M=Rbbf’x(h0-0,5x)↔αmRbbf’h02,

M=RsAs(h0-0,5x)↔RsAsh0ς. Rs-расчетное сопротивление ар-ры растяжению, As-площадь сечения продольной ар-ры, Rb-расчетное сопротивление б. сжатию, Ab- площадь сжатой зоны б., h0- рабочая высота сечения, x-высота сжатой зоны б., b-ширина сечения, M-изгибающий момент, bf’ и hf’-ширина и высота полки таврового сечения в сжатой зоне.

ξR=ω/(1+(Rs/σsc,u)(1-ω/1,1))-граничная относительная высота сжатой зоны б., ξ=x/h0-относительная высота сжатой зоны б., σsc,u-предельное напряжение в арматуре сжатой зоны б., ω-характеристика сжатой зоны б.

8. Причины, вызывающие образование наклонных трещин в изгибаемых железобетонных элементах. Схемы разрушения изгибаемых элементов по наклонным сечениям. Вид условий прочности по наклонной сжатой полосе и наклонной трещине.

На приопорных участках изгибаемых элементов под воздействием поперечной силы Q и изгибающего момента M в сечениях, наклонных к оси, развивается напряженно-деформированное состояние. Главные растягивающие и главные сжимающие напряжения действуют под углом к оси. Если главные растягивающие напряжения σmt превысят сопротивление бетона растяжению Rbt, возникают наклонные трещины; тогда усилия передаются на ар-ру продольную, поперечную Rsw и отогнутую. При дальнейшем при увеличении нагрузки наклонные трещины раскрываются и в конечной стадии происходит разрушение элемента вследствие раздробления б. над вершиной наклонной трещины и развития напряжений в поперечных стержнях-хомутах до предельных значений; напряжения в продольной арматуре могут и не достигать предельных значений. Разрушение происходит вследствие одновременного действия на наклонное сечение поперечных сил и изгибающих моментов (когда не держит бетон и поперечная арматура).

Расчет по наклонной трещине. Q≤Qb+Qsw+Qs,inc, где: Q–поперечная сила от внешней нагрузки, расположенной по одну сторону от рассматриваемого наклонного сечения, Qb–поперечная сила,

воспринимаемая б. сжатой зоны, Qsw–сила, воспринимаемая хомутами, Qs,inc–сила, воспринимаемая отгибами.

Расчет по наклонной сжатой полосе. Q≤0,3φw1φb1Rbbh0, где φw1-коэффициент, учитывающий влияние хомутов, φb1-коэффициент, Rb-расчетное сопротивление б. сжатию, b-ширина сечения, h0 -рабочая высота сечения.

9. Назначение арматуры и конструктивные требования к армированию изгибаемых железобетонных элементов.

Изгибаемые конструкции – плиты (плоскостные элементы, в которых толщина намного меньше остальных размеров) и балки (линейные элементы в которых размеры поперечного сечения намного меньше длины).

Плиты: класс б. не менее В15, толщина 50…100 мм, армирование сетками, защитный слой бетона: толщина плит до 100 мм – 10 мм, более – 15 мм. Сетки изготавливают из проволочной стали ВрI (Ø стержней 3-5мм), из стали класса AIII (Ø стержней 6-10мм). Сетки плоские (Ø стержней более 7мм, длина до 9м), рулонные (Ø стержней до 7мм, ширина 3870мм, вес рулона 900-1300кг). Сетки: с продольной ар-рой, с поперечной ар-рой, с рабочей ар-рой в 2 направлениях. Сетки укладывают так, чтобы стержни их рабочей ар-ры располагались вдоль пролета и воспринимали растягивающие усилия. Поэтому сетки в плитах размещаются понизу, а в многопролетных плитах

– также и поверху, над промежуточными опорами. Стержни рабочей ар-ры Ø 3…10 мм, располагают с шагом 100…200 мм. Поперечные стержни сеток (распределительная ар-ра) устанавливают для обеспечения проектного положения рабочих стержней, уменьшения усадочных

итемпературных деформаций конструкции, распределения местного воздействия сосредоточенных нагрузок на большую площадь. Шаг 250…300 мм, не реже 350 мм.

Балки прямоугольного, таврового, двутаврового и трапециевидного сечения: без преднапряжения: класс б. не менее В15; с преднапряжением: подбирается вначале ар-ра Ø12-32мм (до 12 м – стержни, более – проволока), затем б.; высота 1/12l: до 600 мм кратно 50 мм, более – 100 мм, ширина 0,3-0,5h: 100, 120, 150, 200, 220, 250 мм и кратно 50 мм; минимальный процент армирования 0,05 %.

Рабочую ар-ру балки размещают в растянутой зоне сечения в 1 или 2 ряда. Расстояние в свету между стержнями продольной арматуры не менее диаметра наибольшего стержня, для нижних горизонтальных-25мм, для верхних-30мм. Продольную рабочую ар-ру укладывают согласно эпюрам изгибающих моментов в растянутых зонах, где она воспринимает продольные растягивающие усилия. В балках одновременно с изгибающими моментами действуют поперечные силы, что вызывает необходимость использования поперечной ар-ры. Продольную и поперечную ар-ру сваривают или связывают в каркасы. Расстояние в продольном направлении между поперечными стержнями (или хомутами) в балках h<400мм-не более h/2, но не более 150мм, h>400мм-не более h/3, но не более 500мм. Это требование к приопорным участкам балок длиной ¼ пролета при равномерно распределенной нагрузке, на остальных участках не более 3/4h

ине более 500мм.

10. Два случая внецентренного сжатия железобетонных элементов. Схемы напряженного состояния сечения при разрушении. Условие прочности.

1 случай. С относительно большими эксцентриситетами. Часть сечения, более удаленная от точки приложения силы, растянута, имеет нормальные трещины, растягивающее усилие воспринимается ар-рой. Часть сечения, расположенная ближе к сжимающей силе, сжата с ар-рой. Разрушение начинается с достижения предела текучести в растянутой ар-ре. Разрушение завершается достижением предельного сопротивления б. и ар-ры сжатой зоны. Процесс разрушения происходит постепенно, плавно.

N=RbAb+RscAs’-RsAs, Ne≤RbAbzb+RscAs’(h0-a’), где N-продольная сила, Rs-расчетное сопротивление ар-ры растяжению, As-площадь продольной ар-ры, Rb-расчетное сопротивление б. сжатию, Ab-

площадь сжатой зоны б., h0-рабочая высота сечения, Rsc-расчетное сопротивлении ар-ры сжатию, As’-площадь сечения напрягаемой ар-ры, zb-расстояние от равнодействующей усилий в сжатой зоне б. до усилий в растянутой ар-ре, a’-толщина защитного слоя бетона напрягаемой ар-ры. Условие прочности: ξ≤ξR-граничная относительная высота сжатой зоны бетона, ξ-относительная высота сжатой зоны бетона.

2 случай. С относительно малыми эксцентриситетами. Большая часть сечения, находящаяся ближе к продольной силе, сжата, а противоположенная испытывает относительно слабое растяжение. Разрушается элемент вследствие преодоления предельных сопротивлений в б. и армату-ре в части сечения расположенной ближе к силе.

N=RbAb+RscAs’-σsAs, Ne≤RbAbzb+RscAs’(h0-a’), где

σs=2(1-ξ/ξR)Rs-напряжение арматуры в сжатой зоне. В<25, AIII. Условие прочности: ξ>ξR.