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

Ордината дополнительной эпюры будет равна

M Msupel Mш ql122 ql162 ql482 .

Разрушение такой балки произойдет при образовании ПШ в пролете, т. е. когда она превратится в изменяемую систему.

На примере этой же балки (рис. 2.27, а) покажем резерв несущей способности конструкции по сравнению с упругим методом расчета. Исходя из упругого метода расчета, следует, что первые два пластических шарнира одновременно возникнут на опорах балки. Нагрузку, вызывающую та-

кое состояние, определим из условия q 12M	sup	/ l2 .
0		q
А		В
		ql 2
l		8

а

M0 = RsAsZ

q0

M sup. A		q l2	M sup.B				q0l2
		0						12
		12
								q
M sup. A						M sup.В
M sup. A q0l	2		ql	2
			8
12							q0 +		q
								Msup. B			q l2
0												0
M											12
			M l	q	l 2			ql 2		q		l 2
б				0				8			0
				24							12

Рис. 2.27. Эпюры изгибающих моментов в балке:

а – статически определимой; б – статически неопределимой

51

Исчерпание несущей способности наступит лишь тогда, когда в середине пролета балки (в сечении, где действует максимальный момент от нагрузки) напряжения в арматуре достигнут предела текучести. Дополнительная нагрузка, переводящая конструкцию в состояние предельного равновесия, определяется из условия

q l2		ql2		q l2	,
0		8		0
24				12

отсюда q q0 3. При этом на всех этапах нагружения должна соблю-

даться зависимость – сумма пролетного и соответствующих частей опорных моментов равна моменту в свободно опертой балке:

M0	Ml Msup.A Msup.B .
		2

Последовательность перераспределения изгибающих моментов рассмотрим еще на примере балки, защемленной на двух опорах, нагруженной сосредоточенной нагрузкой. С появлением пластического шарнира на одной из опор при нагрузке F0 (рис. 2.28, а) балка приобретает новую схему – с одной защемленной и второй шарнирной опорами (рис. 2.28, б). При дальнейшем повышении нагрузки балка работает по этой новой схеме.

С момента появления пластического шарнира на другой опоре при увеличении нагрузки на ∆1F0 балка превращается в свободно опертую

(рис. 2.28, в).

Образование пластического шарнира в пролете при дополнительной нагрузке ∆2F0 превращает балку в изменяемую систему, т. е. приводит к разрушению.

Тогда суммарная нагрузка F = F0+∆1F0+∆2F0.

Предельные расчетные моменты в расчетных сечениях (в пластических шарнирах) равны: на опоре А – МА; на опоре В – МВ; в пролете – M l

(рис. 2.28, г).

Найдем статическим способом изгибающие моменты балки в предельном равновесии.

Пролетный момент равен:

M	M	M	b	M	a .	(2.1)
l	0		A l		B l

Отсюда уравнение равновесия имеет следующий вид:

M0 Ml M A bl M B al ,

где M0 Fabl , т. е. момент статическиопределимой свободно опертой балки.

52

	F0
A	B
a	b

а l

1F0

б

2F0

в

M B al

M0

г

MA

MB M A bl

Ml

Рис. 2.28. Эпюры перераспределения изгибающих моментов

встатически неопределимой балке при сосредоточенной нагрузке:

а– балка, защемленная на двух опорах, нагруженная сосредоточенной нагрузкой;

б– балка, с одной защемленной и второй шарнирной опорами;

в– свободно опертая балка;

г– эпюра предельных расчетных моментов в расчетных сечениях

Из уравнения (2.1) вытекает, что несущая способность статически неопределимой конструкции не зависит от соотношения значений опорных и пролетного моментов и от последовательности образования пластических шарниров.

2.1.2.Сжатые элементы, их конструктивные особенности

В зданиях и сооружениях наряду с изгибаемыми имеются элементы, работающие на сжатие, которые также являются основной частью несущих строительных конструкций.

Вмногоэтажных зданиях таковыми элементами являются колонны, поддерживающие перекрытия, в одноэтажных зданиях – колонны, поддерживающие стропильные конструкции, в фермах – сжатые пояса,

вбескаркасных зданиях – несущие стены и т. д.

53

В условиях эксплуатации сжатые элементы могут быть внецентренно сжатыми со случайным эксцентриситетом еa и внецентренно сжатыми с эксцентриситетом е0 > еa. Внецентренно сжатые элементы со случайным эксцентриситетом можно рассматривать (условно) как центрально-сжатые.

К центрально-сжатым элементам условно относят: промежуточные колонны в зданиях и сооружениях, верхние пояса ферм, загруженных узловой нагрузкой, восходящие раскосы и стойки решетки ферм, а также некоторые другие конструктивные элементы (рис. 2.29).

F F F

F/2 F/2

3 2 4 3

1

Рис. 2.29. Сжатые элементы со случайными эксцентриситетами:

1 – промежуточные колонны (при одинаковом двустороннем загружении); 2 – верхний пояс ферм (при узловом приложении нагрузки);

3 – восходящие раскосы; 4 – стойки

Вдействительности обычно из-за несовершенства геометрических форм элементов конструкций, отклонения их реальных размеров от назначаемых по проекту, неоднородности бетона и других причин центральное сжатие в чистом виде не наблюдается, а имеет место внецентренное сжатие с так называемыми случайными эксцентриситетами.

По форме поперечного сечения сжатые элементы со случайным эксцентриситетом делают чаще всего квадратными или прямоугольными, реже – круглыми, двутавровыми, многогранными.

Вбольшинстве случаев сжатые конструкции, помимо действия продольной сжимающей силы N, подвержены действию изгибающего момента М. Изгибающий момент возникает, например, от приложения продольной силы N с некоторым эксцентриситетом е0 > еa относительно центра тяжести сечения колонны (рис. 2.30). Изгибающий момент может возникать в узловых соединениях колонны, являющейся стойкой рамной конструкции, от непосредственного приложения к колонне поперечной силы, например: от ветровой нагрузки, от действия температуры, неравномерной осадки опор и целого ряда других воздействий.

54

Эти конструкции находятся в условиях внецентренного сжатия. К ним также относятся колонны одноэтажных производственных зданий, загруженных давлением от кранов, верхние пояса безраскосных ферм, стены подземного резервуара и другие конструкции (рис. 2.30).

	F – давление от покрытия
	D – давление от крана		Q	N		N
				M
		N = F + D	N		M	Q
	e0			F Q F
			M F
		M = De0
						Q
			R		M
						N
		а		б		в

Рис. 2.30. Внецентренно сжатые элементы:

а– колонна производственного здания; б – верхний пояс безраскосной фермы;

в– стена подземного резервуара

Для расчета железобетонных конструкций во всех случаях необходимо знать величину расчетного эксцентриситета продольной силы е0, определяемую для статически определимых конструкций по формуле

e	M e .		(2.2)
0	N	a

Учитывая неоднородность строения бетонного тела и другие факторы, не предусматриваемые расчетом, в статически неопределимых конструкциях величина эксцентриситета е0 не должна приниматься меньше случайного эксцентриситета ea, а в статически определимых конструкциях расчетные значения эксцентриситета находят как сумму эксцентриситетов из статического и случайного расчетов. Эксцентриситет ea в любом случае принимается не менее одного из следующих значений: 1/600 длины элемента (l0 / 600) или длины его части (между точками закрепления), учитываемой в расчете; l / 30 высоты h сечения элемента; или 1 см.

В зависимости от особенностей армирования сжатые элементы различают:

–по виду продольного армирования: с гибкой продольной арматурой

ихомутами; с жесткой (несущей) продольной арматурой;

–по виду поперечного армирования: с обычным поперечным армиро-

ванием; с косвенной арматурой, учитываемой в расчете.

Сжатые элементы с гибкой продольной арматурой и хомутами армируют продольными стержнями диаметром 12–40 мм (рабочая арматура) преимущественно из горячекатаной стали класса

55

А300(А-II), А400(А-III) и термомеханически упроченной – Ат-III. Минимальные диаметры рабочей арматуры: в сборных элементах – 16 мм, в монолитных – 12 мм. При значительных нагрузках и больших эксцентриситетах возможно применение арматуры классов Ат-IV, Ат-V, А800(А-V) диаметром до 32 мм в вязаных каркасах. Поперечное армирование осуществляется стержнями из горячекатаной арматурной стали классов А400(А-III), А300(А-II), А240(А-I). Продольную и поперечную арматуру сжатых элементов объединяют в плоские и пространственные каркасы, сварные или вязаные. Армирование сжатых элементов представлено на рис. 2.31.

				1
			w		2
		S	d		b
			d
а				2
1					≤400
			≤ 400	1
	≤ 500				b
					г
	b
			h ≤ 500	As
б As			2
					≤ 400
As				1
			≤ 400 ≤ 400	As
	1
				1
	≤ 400		600 ≤ h ≤ 1 000	3	д
3				1
в

1 2	aw
	≥20 d
	1	≥
	a
h	2
≤ 400

h ≤ 500 ≤ 400 ≤ 400

600 ≤ h ≤ 1 000

4 4

5	5

е

Рис. 2.31. Армирование сжатых элементов с гибкой арматурой:

а – схема армирования: 1 – продольные стержни; 2 – поперечные стержни;

al – защитныйслойбетонапродольнойарматуры; aw – защитныйслойпоперечнойарматуры; б, в, е – армирование внецентренно сжатых элементов сварными каркасами; г, д – армирование внецентренно сжатых элементов вязаными каркасами:

1 – сварные каркасы; 2 – соединительные стержни; 3 – шпильки; 4 – хомуты; 5 – промежуточные стержни

56

Рабочая арматура ставится, исходя из расчета, и воспринимает часть нагрузки, действующей на элемент. Поперечная арматура (хомуты) в основном предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Она также препятствует развитию поперечных дефор-

маций элемента.
Расположение продольной			арматуры	может	быть симметричным
(As As )	относительно	центра	тяжести	сечения	и несимметричным
(As As ) .	Симметричное	армирование проще в изготовлении, но при

больших эксцентриситетах – менее экономично.

Насыщение поперечного сечения сжатых элементов продольной арматурой оценивают коэффициентом армирования μ (μ%).

Для элементов со случайным эксцентриситетом

			As.tot			As.tot
μ	As As			;	μ%		100 % ,	(2.3)
	bh
			bh			bh

для элементов с расчетным эксцентриситетом

μ	As.tot	;	μ%	As.tot	100 % ,	(2.4)
	bh0			bh0

где h0 – расстояние от центра тяжести растянутой арматуры до сжатой грани сечения.

Для элементов со случайным эксцентриситетом коэффициент μ% не должен превышать 3 %, а для внецентренно сжатых – 0,5–1,2 %. Минимальные значения μ% равны соответственно 0,5 % и 0,05–0,25 % в зависимости от гибкости элемента λ l0 /i . Рабочие стержни в попереч-

ном сечении колонны размещают возможно ближе к поверхности элемента с соблюдением минимальной толщины защитного слоя al, которая должна быть не менее 20 мм и не менее диаметра стержней арматуры

(см. рис. 2.31, а).

Максимальное расстояние между продольными стержнями – 400 мм

(см. рис. 2.31).

Расстояния между поперечными стержнями s (по условию обеспечения продольных стержней от бокового выпучивания при сжатии) (см. рис. 2.31) должно быть при сварных каркасах не более 20d, при вязаных – 15d, но не более 500 мм при Rsс = 450 МПа. Если общее насыщение элемента продольной арматурой превышает 3 % (μ > 0,03), то поперечные стержни необходимо устанавливать с шагом s не более 10d и не более 300 мм. Необходимо учитывать также следующее условие – величина шага поперечной арматуры s не должна превосходить наименьший размер сечения колонны.

57

Плоские сварные каркасы объединяют в пространственные с помощью поперечных стержней, привариваемых контактной точечной сваркой к угловым продольным стержням плоских каркасов (см. рис. 2.31).

Диаметр поперечных стержней dw в сварных каркасах должен назначаться по условиям свариваемости (dw / d = 0,25–0,3), в вязаных каркасах не менее 5 мм и не менее 0,25d, где d – наибольший диаметр продольных стержней. Толщина защитного слоя поперечных стержней aw должна быть не менее 15 мм.

Сжатые элементы с несущей (жесткой) арматурой применяются главным образом в многоэтажных зданиях каркасного типа, возводимых из монолитного железобетона. В этом случае несущая арматура используется вместо лесов для поддержания нагрузки от опалубки, свежеуложенного бетона и монтажных устройств. После приобретения бетоном достаточной прочности конструкция работает как железобетонная с несущей (жесткой) арматурой.

Вкачестве несущей арматуры используют прокатную сталь двутаврового, швеллерного, крупного уголкового профиля, т. е. жесткую арматуру или крупные круглые стержни и мелкий уголковый профиль – сварные каркасы (рис. 2.32, а).

Вколоннах с жесткой арматурой отдельные профили соединяют планками или решетками. Сечение жесткой арматуры принимают в пределах 3–8 % площади бетона поперечного сечения элемента. Во избежание отслоения бетона насыщение арматурой поперечного сечения не должно превышать 15 % (суммарное). При большем проценте армирования считается, что бетон может выполнять только функции защитной неработающей оболочки. Элементы снабжаются поперечной арматурой. Дополнительная гибкая арматура размещается по периметру сечения по общим правилам

ввиде отдельных стержней или плоских сварных каркасов.

Если армирование осуществляется только жесткой арматурой, то по контуру сечения устанавливают легкие сварные сетки с монтажными стержнями по углам.

Размеры защитного слоя бетона для прокатных профилей и расстояния между профилями, при которых обеспечивается высокое качество бетонирования, указаны на рис. 2.32, а.

Несущую арматуру в виде сварных каркасов конструируют из круглой и мелкой фасонной стали, объединяя плоские сварные каркасы в пространственные устойчивые арматурные блоки (рис. 2.32, б). При этом основные продольные стержни раскрепляют поперечными и наклонными стержнями (все сварные швы – двусторонние).

58

min 50

2						2			2
	1								1
								1
min 80			min 25			3	2
									3
							1
			2		50
		1
				min
min 25						min 50
					d 6–8 а

4	5

50 50

б

Рис. 2.32. Сжатые элементы:

а– колонны с несущей жесткой арматурой:

1– жесткий профиль; 2 – арматурные стержни; 3 – соединительные планки;

б– колонны с несущей арматурой из сварных каркасов, продольные элементы которых выполнены из: 4 – фасонного и круглого проката; 5 – круглого проката

Если в центрально-сжатых коротких элементах одновременно с продольной установить поперечную арматуру с малым шагом, способную эффективно сдерживать поперечные деформации, то можно существенно повысить несущуюспособностьэлемента. Такоеармированиеназываюткосвенным.

59

В практике для сжатых элементов с круглым или прямоугольным поперечным сечением косвенное армирование выполняется в виде спиралей или сварных колец, а для прямоугольных сечений – объемное косвенное армирование в виде поперечных сварных сеток (рис. 2.33).

S	S
	S

As

Aef

Asl

D

def

а

Sx Sx

A1

Aef Sy

Aloc

Sx

б Asy

Asx в

Рис. 2.33. Центрально-сжатые элементы, усиленные косвенным армированием:

а– спиралями; б – поперечными сварными сетками;

в– поперечными сварными сетками под центрирующей прокладкой

Армирование сетками часто применяют для местного усиления железобетонных сборных колонн вблизи стыков. Продольные деформации элементов, усиленных косвенной арматурой, весьма велики и тем больше, чем сильнее поперечное армирование.

Граничные стержни сварных сеток, спирали и кольца должны охватывать все продольные стержни элементов.

60