Здания и их устойчивость при пожаре / Roytman - Zdaniya i ikh ustoychivost pri pozhare 2013

Защитный слой бетона для жесткой арматуры должен быть не менее

50 мм.

Несущие сварные каркасы изготавливают в виде пространственных ферм из стержней круглого и периодического профиля, а также мелкого фасонного профиля (рис. 2.20, в). Эти каркасы конструируют как сварные стальные фермы. При полных нагрузках несущие каркасы пояса ферм работают как продольная арматура, нисходящие раскосы – как отгибы, а стойки – как поперечные стержни.

Ø 8–10	Ø 6–8
≥ 25	50
50
а	б

Ø 8–10

	Вид сбоку	А
		А–А

Вид снизу А

в

Рис. 2.20. Армирование балок:

а, б – жесткой несущей арматурой; в – сварным каркасом

Предварительно напряженная арматура не входит в состав каркасов и размещается в соответствии с эпюрами моментов и поперечных сил. В однопролетных балках небольшой высоты предварительно напряженную арматуру обычно располагают в растянутой зоне прямолинейно по всей длине элемента (рис. 2.21, а).

От внецентренно приложенной силы предварительного обжатия Р балка выгибается, и в верхних волокнах появляются растягивающие напряжения по всей длине элемента (рис. 2.21, б). При действии эксплуатационных нагрузок в верхней зоне возникают сжимающие напряжения (рис. 2.21, в).

41

В результате суммирования эпюр напряжений (рис. 2.21, г) в верхних волокнах приопорных сечений балки наблюдаются растягивающие напряжения, которые могут вызвать образование трещин. Для погашения этих напряжений в балках иногда укладывают верхнюю арматуру Asp в количе-

стве 15–25 % от нижней Аsp (рис. 2.21, д). В балках большой высоты часть напрягаемой арматуры располагают прямолинейно, а часть – отгибают кверху (рис. 2.21, е). В предварительно напряженных элементах (рис. 2.21, ж–и) помимо напрягаемой арматуры укладывают и ненапрягаемую (расчетную и конструктивную), располагая ее ближе к поверхности элемента так, чтобы поперечная арматураохватывала всю продольную арматуру.

	q		P'
			∑Pi
			P
	P		д
		P	P2

	а	P1
	б	Mp
		е
	в	Mq
	г	Mp + Mq

2	2
1
1
3	3
ж	з

A'sp = (0,15–0,25)Asp

P'

∑Pi

P

A'sp

P2

P1

2

1

a1 d a2

	3	a2 d a1
	и

Рис. 2.21. Схема армирования балок:

а–е – предварительно напряженной арматурой, ж–и – размещение напрягаемой арматуры в растянутой зоне балок:

1 – напрягаемая арматура; 2 – хомуты; 3 – ненапрягаемая продольная арматура

42

Балки, входящие в состав сборного балочного перекрытия, поддерживающие панели, называются ригелями. Ригели могут опираться на колонны (в зданиях с полным каркасом) или на внутренние колонны и наружные несущие стены (в зданиях с неполным каркасом). Направление ригелей может быть продольным (вдоль здания) и поперечным. Ригели балочного сборного перекрытия здания с полным каркасом представляют собой элемент рамной конструкции. В зданиях с неполным каркасом (свободное опирание концов ригеля на стены) при пролетах, отличающихся не более чем на 20 %, и небольшой временной нагрузке сопротивлением колонн повороту опорных сечений можно пренебречь и рассматривать ригель как неразрезную балку.

Ригели l ≤ 6 м обычно выполняют без предварительного напряжения, при l > 6 м – предварительно напряженными. Ригели выполняются из бетонов классов В15–В30. Для обеспечения неразрезности ригеля и пространственной жесткости сооружения стыки ригелей выполняют, как правило, жесткими и рассчитывают на восприятие изгибающего момента

ипоперечной силы (рис. 2.22, а). Их размещают непосредственно у боковой грани колонны; при этом ригели обычно опираются на выпущенные из колонны консоли.

Вверхней части стыка (рис. 2.22, б) выпуски арматуры из колонн

иригеля соединяются вставкой арматуры на ванной сварке. В нижней части стыка монтажными швами соединяются закладные детали колонны

иригеля.

Вслучае использования фигурной стальной накладки стыки со скрытой консолью считаются шарнирными. Фигурная стальная накладка, привариваемая при монтаже (рис. 2.22, г), обеспечивает восприятие небольшого изгибающего момента (примерно 55 кН·м).

Вбесконсольных стыках (рис. 2.22, в) поперечная сила воспринимается бетоном, замоноличивающим полости, и бетонными шпонками, образующимися в призматических углублениях на боковой поверхности колонны и в торце сборного ригеля.

Конструкция ригелей, как и плит перекрытий, зависит от назначения, конструктивной схемы (системы) зданий и ряда других условий. В жилых зданиях, которые имеют обычно связевую систему, ригели воспринимают только вертикальную нагрузку, передаваемую плитами. Пролеты их обычно не превышают 6 м, поэтому ригели выполняют разрезными.

Частое расположение	стен и перегородок позволяет совместить их
с расположением ригелей,	сечение которых поэтому может быть принято

прямоугольным. Армируются такие ригели, как простые балки прямоугольного сечения без предварительного напряжения. Общественные здания в большинстве случаев имеют связевую систему и реже – рамно-связевую.

43

		Q					Q
а		M				z
						N
120		150 120				120	150 120
А				1 2 3	А
						А
			4
								4
			5
								59
			5
		8	60–110	8
						6	150	7
			А–А			в
2			1			Б	10
						8
3	10 Б–Б						8
			6
б						г

N = M / z

1 2 3 А

6

Б

Рис. 2.22. Конструкции стыков сборного ригеля с колонной: а – усилия, действующие в стыке; б – жесткий стык на консолях;

в– жесткий стык бесконсольный; г – скрытый стык на консолях:

1– арматурные выпуски из ригеля и колонны; 2 – ванная сварка; 3 – вставка арматуры; 4 – поперечные стержни, привариваемые при монтаже; 5 – бетон замоноличивания; 6 – усиленный арматурный выпуск из ригеля; 7 – опорный столик из уголков

сотверстием для удобства бетонирования; 8 – стальные закладные детали;

9 – призматические углубления для образования бетонных шпонок; 10 – фигурная деталь «рыбка», привариваемая при монтаже

Связи, учитывая особенности планировки помещений, в основном выполняются в виде железобетонных диафрагм. Целый ряд помещений общественных зданий имеют значительные размеры, что приводит к необходимости назначать сетку колонн также значительных пролетов.

При связевой системе здания ригели могут свободно опираться на консоли колонн. В то же время для уменьшения пролетного момента ригеля и обеспечения устойчивости каркаса при монтаже целесообразно защемление (заделка) ригеля в стыке с колонной. Целесообразно частичное защемление, так как полное защемлениесвязано со значительнымрасходомметалла.

44

Значительные размеры помещений часто не позволяют совместить расположение ригеля со стенами, поэтому в целях уменьшения выступающей части ригеля и уменьшения общей толщины перекрытия ригелям придают тавровое сечение, наполкикоторогоопираютсяплитыперекрытия(см. рис. 2.18).

В производственных зданиях ригели, как правило, являются элементами рам. Их сечение может быть прямоугольным и тавровым. Усилия в ригелях определяются статическим расчетом рамы на все виды воздействия. При этом возможен учет пластических деформаций, приводящих к перераспределению и выравниванию изгибающих моментов между отдельными сечениями. При равных пролетах ригель можно рассчитывать как неразрезную балку.

Вмонолитныхребристыхперекрытияхсбалочнымиплитами(см. рис. 2.14) главные балки располагаются параллельно или перпендикулярно продольным стенам и имеют пролет l1 = 6–8 м. Пролет второстепенных балок l2 = 5–7 м. Высота сечения второстепенных балок составляет (1/12–1/20)l2, высота главных балок составляет (1/8–1/15)l1, ширина сечения балок b = (0,4–0,5)h.

Второстепенную балку рассчитывают как неразрезную конструкцию, опирающуюся на главные балки и наружные стены, на равномерно распределенную нагрузку (g1 + V), передаваемую плитой с полосы bf (см. рис. 2.14), и нагрузку от собственного веса балки g2, т. е. q = (g1 + V)bf + g2, где g1 – постоянная нагрузка; V – временная нагрузка.

В расчетном отношении главная балка рассматривается как неразрезная, загруженная сосредоточенными грузами. В пролете расчетное сечение главных балок делают тавровым, шириной bf 1/3, на опоре – прямо-

угольным, с шириной ребра b [13]. Армирование второстепенной и главной балок показано на рис. 2.23, 2.24.

		1/3l	1/3l
1/6l	2	1/4l	1/4l	2

3 d1 1	3	15d
l		l

Рис. 2.23. Армирование второстепенной балки:

1 – однопролетная арматура; 2 – надопорная арматурная сетка; 3 – стыковые стержни d ≥ d1/2 и не менее 10 мм

45

А	1		2
	Б
50	Б	50	50
А
А–А		Б–Б	2

1

1

Рис. 2.24. Армирование главной балки: 1 – пролетный каркас; 2 – опорный каркас

Перед рассмотрением вопроса об особенностях поведения железобетонных балок в условиях пожара необходимо уяснить особенности статического расчета железобетонных конструкций с учетом перераспределения усилий. Это позволяет объяснить особенности поведения таких конструкций в условиях пожара.

Ригель многопролетного перекрытия представляет собой элемент рамной конструкции. При свободном опирании концов ригеля на наружные стены и равных пролетах ригель можно рассчитывать как неразрезную балку. При этом возможен учет образования пластических шарниров, приводящих к перераспределению и выравниванию изгибающих моментов между отдельными сечениями.

Как известно, при полном использовании несущей способности железобетонных элементов напряжения в бетоне и арматуре достигают расчетных сопротивлений, т. е. σb = Rb; σs = Rs.

При достижении расчетных сопротивлений бетон работает как упругопластический материал с преобладанием пластических деформаций, а арматура работает в области площадки текучести. При определении усилий методами строительной механики обычно принимается, что элементы конструкции работают упруго.

Такое допущение является приемлемым при расчете усилий в статически определимых конструкциях. В статически неопределимых же конструкциях такое допущение во многих случаях является нецелесообразным. Это объясняется тем, что допущение не отвечает действительной работе элементов и, кроме того, имеет место несоответствие, т. е. при расчете по предельным состояниям расчет сечений выполняется с учетом пластических деформаций бетона [4].

46

При определении нагрузок, отвечающих пределу несущей способности конструкций, любым способом (статическим или кинематическим), используются свойства и предельные условия, отвечающие возникновению пластического шарнира.

Зоны или участки больших местных деформаций предельного равновесия в балках называются пластическими шарнирами (ПШ), а в плитах – линиями излома.

Напряжения в бетоне и арматуре в зоне ПШ обычно принимаются σb = Rb; σs = Rs. Зона распространения этих предельных напряжений сравнительно невелика, поэтому для практических расчетов прочности принимают, что эта зона стягивается в точку (рис. 2.25, а).

Эпюра напряжений в бетоне, как и при расчете сечения по предельным состояниям, может быть принята прямоугольного очертания. Внутренние усилия в сечении А–А, проходящем через ПШ, показаны нарис. 2.25, б.

Момент внутренних усилий относительно точки приложения В усилия Nb в сжатой зоне бетона Мш = RsАsZ. Это выражение является границей предельного условия М < RsАsZ. Плечо пары внутренних сил Z сравнительно мало меняется при изменении армирования в практически применяемых пределах. Поэтому можно считать, что Мш зависит только от площади сечения арматуры Аs и класса арматуры Rs, т. е. практически Мш = const.

В статически определимой конструкции, например, свободно лежащей балке, под влиянием взаимного поворота частей балки и развивающегося значительного прогиба высота сжатой зоны сокращается, в результате чего напряжение в сжатой зоне σb достигнет значения Rb(σb = Rb), т. е. конструкция превращается в мгновенно изменяемую систему – механизм

(рис. 2.25, в).

В статически неопределимых системах каждый ПШ понижает на одну ступень степень статической неопределимости системы. Так, однажды статически неопределимая балка (рис. 2.25, г) при образовании ПШ превращается в статически определимую балку с известным моментом Мш на опоре Б (рис. 2.25, д). В состояние предельного равновесия статически неопределимая система приводится при образовании числа ПШ на один больше степени статической неопределимости системы. Так, балка на рис. 2.25, е находится в предельном равновесии при образовании второго ПШ в точке С, где положительный момент достигает наибольшего значения.

Таким образом, осадка опор, воздействие высоких температур вызывают в упругой стадии работы конструкции дополнительные и порой довольно существенные усилия. При расчете же статически неопределимых систем по методу предельного равновесия учет подобного рода факторов излишен. Это становится очевидным, если учесть, что прежде чем в конструкции наступит состояние предельного равновесия, она в какой-то предшествующий этому момент превратится в статически определимую систему, на которую, как известно, эти факторы никакого влиянияоказать не могут.

47

	А	А		А	C	Б
		Rb
	σb = Rb
		M
		Nb		г	C
		х B	Z	А		Б
			Ns	д	C
				А		Б
	σs = Rs	А
	А					φ
а		б		е
		Mш = RsAsZ
		M = (As,Rs) = const
	φ	Mш = const
		El = ∞

в

Рис. 2.25. Схема образования пластического шарнира в железобетонных балках:

а– напряжения в бетоне и арматуре в зоне ПШ;

б– внутренние усилия в сечении А–А, проходящем через ПШ;

в– превращение конструкции в мгновенно изменяемую систему;

г– статически неопределимая балка;

д– статически определимая балка с известным моментом Мш на опоре Б;

е– балка в предельном равновесии при образовании второго ПШ в точке С

Рассмотрим однопролетную балку, защемленную на обеих опорах (рис. 2.26, а), загруженную равномерно распределенной нагрузкой с одинаковым продольным армированием на опорах и в пролете. Расчетную схему балки можно представить в виде шарнирно опертой балки с момен-

тами Мsup на опорах (рис. 2.26, б).

Построение эпюры моментов производится «подвешиванием» эпюры моментов простой балки к эпюре от опорных моментов. При упругой ра-

боте материала в балке возникают: опорные моменты Mselup и наибольший пролетный момент Mlel .

Из построения следует: M0 Msupel Mlel (рис. 2.26, в), где М0 – балоч-

ный момент (момент в свободно опертой балке).

Из курса «Сопротивление материалов» известно, что для данной балки

	el	ql2		el		ql2		Msupel
	Msup	12	; M	l		24	;		2.
								Mlel

48

аMsup

б

в

г

Mш

д

M

Mш

Ml

е

ж

q

q

M0

As.sup As.sup

q As.l

M0

Дополнительная эпюра

Msup

M selup

Mlel

Mш

Mselup

Mlel

M

Рис. 2.26. Эпюры перераспределения изгибающих моментов

встатически неопределимой балке при равномерно распределенной нагрузке:

а– балка, защемленная на обеих опорах;

б– расчетная схема шарнирно опертой балки с моментами Мsup на опорах;

в– эпюра изгибающих моментов;

г– балка с установленной на опорах арматурой;

д– расчетная схема шарнирно опертой балки с моментами Mш As.sup Rs Z на опорах;

е– эпюра изгибающих моментов;

ж– дополнительная эпюра изгибающего момента

Вжелезобетонной балке восприятие опорного момента обеспечивается арматурой. Необходимое сечение арматуры при расчете по упругой схеме равно:

M el Asel.sup R sZup .

s

49

При наличии такой арматуры ПШ на опорах не образуется. Предположим, что на опорах установлена арматура As.sup < Asel.sup (рис. 2.26, г).

Тогда в арматуре возникнут значительные неупругие деформации, сопровождающиеся поворотом сечения. На опорах образуются ПШ, а значение момента Mш As.sup Rs Z (рис. 2.26, д).

С дальнейшим ростом нагрузки (внешней) величина опорных моментов остается равной Msuppl Mш , а увеличивается пролетный момент Ml.

Процесс перераспределения моментов сопровождается деформациями в пластических шарнирах. Так как M0 Msuppl Ml , то можно определить

Ml M0 Mш. Если наложить на полученную эпюру эпюру моментов

в упругой стадии работы материалов, то видно, что опорные моменты уменьшились на величину M Msuppl Mш, а пролетный момент увели-

чился на M (рис. 2.26, е). Поэтому можно представить, что эпюра моментов в пластической стадии получена из эпюры моментов в упругой стадии путем наложения так называемой дополнительной эпюры. В данном случае дополнительная эпюра имеет вид прямоугольника (рис. 2.26, ж). Исходя из этого, можно сказать, что дополнительная эпюра – это эпюра от дополнительных моментов M в пластических шарнирах. Результирующая от сложения этой (дополнительной) эпюры с эпюрой моментов, полученной при упругой работе элемента, и будет представлять собой эпюру моментов с учетом образования ПШ, т. е. с учетом неупругих деформаций.

Соотношение опорного и пролетного моментов представляется неравенством

Msplup		M	ш		Msupel	M		Msupel	.
Ml					Mlel	M		Mlel
		Ml

Полученное неравенство выражает перераспределение моментов.

В практике проектирования конструкций перераспределение моментов вследствие пластической работы материалов используют в интересах экономии материалов и улучшения конструктивного качества. В большинстве случаев для этого производят так называемое «выравнивание моментов» Msup = Ml. При этом облегчается армирование опорных сечений, достигается одинаковое армирование сетками и каркасами на опорах и в пролетах, что позволяет снизить расход арматурной стали на 20–30 %.

Для рассмотренной балки выравнивание моментов составит

Ml Mш M0 ql2 ql2 . 2 8 2 16

50