Основы расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям

ЛЕКЦИЯ № 3

Тема: основы расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям. Принципы конструирования изгибаемых железобетонных конструкций.

План:

3.1. Стадии напряженно - деформированного состояния

3.2. Метод расчета ЖБК по предельным состояниям.

3.3. Классификация нагрузок и сопротивлений бетона и арматуры в МПС.

3.4. Конструирование изгибаемых железобетонных балок и плит.

3.1. Три стадии напряженно - деформированного состояния железобетонных элементов

            Опыты с различными железобетонными элементами - изгибаемыми, внецентренно растянутыми, а также внецентренно сжатыми с двузначной эпюрой напряжений показали, что при постепенном увеличении нагрузки можно наблюдать три характерные стадии напряженно - деформированного состояния (в дальнейшем будем применять сокращенный вариант этого термина - НДС);

            стадия 1 - до появления в бетоне растянутой зоны трещин, когда напряжения в нем меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно;

            стадия Iа – непосредственно перед появлением первой трещины в растянутом бетоне; в этом состоянии напряжения в крайнем растянутом волокне бетона достигают предела прочности бетона на растяжение , т.е. s_bt = R_bt;

Рекомендуемые материалы

            стадия II - после появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой и участком бетона над трещиной, а на участках между трещинами - арматурой и бетоном совместно;

            стадия III - стадия разрушения, характеризующаяся относительно коротким периодом работы элемента, когда напряжения в растянутой стержневой арматуре достигают физического или условного предела текучести, а в высокопрочной проволоке - временного сопротивления, а напряжения в бетоне сжатой зоны - временного сопротивления сжатию. В зависимости от степени армирования элемента последовательность разрушения зон - растянутой и сжатой - может изменяться.

Рис. 6. Три стадии напряженно-деформированного состояния изгибаемого железобетонного элемента

Выявленные характерные стадии НДС железобетонных конструкций позволили разработать методику расчета ЖБК, которая называется –«Метод предельных состояний» (в дальнейшем будем применять сокращенное обозначение этого термина МПС), положенный в основу действующих Норм проектирования конструкций (СНиП 2.03.01-85).

При этом каждая из рассмотренных стадий НДС положена в основу того или иного расчета в зависимости от задачи соответствующего расчета. Например, стадия разрушения используется в расчете прочности сечений железобетонных элементов, так задача расчета прочности заключается в предотвращении разрушения; стадия Іа –положена в основу расчета по образованию трещин в железобетонных элементах, так как его задача – определить, образуются ли трещины в растянутом бетоне сечения, и т.д..

3.2. Метод расчета ЖБК по предельным состояниям.

Сущность метода расчета конструкций по предельным состояниям.

Сущность метода в том, что устанавливаются предельные состояния и вводится система расчетных коэффициентов, гарантирующих конструкцию от наступления этих предельных состояний при самых невыгодных сочетаниях нагрузок и минимальной прочности материалов.

Предельным называют такое состояние конструкции, при котором она (конструкция) перестает отвечать предъявляемым к ней требованиям (например, в ней образуются трещины, когда они недопустимы по условиям эксплуатации; либо ее прогибы превышают предельно допустимые; либо конструкция разрушается).

Две группы предельных состояний.

В МПС установлены две группы предельных состояний, у каждой из которых свои определенные задачи, и в каждую из которых входит несколько расчетов, обеспечивающих достижение этих задач.

Первая группа предельных состояний называется – предельные состояния по несущей способности (иначе его называют – по пригодности к эксплуатации).

            Расчет по 1 группе предельных состояний выполняют, чтобы гарантировать несущую способность конструкции , то есть предотвратить следующие явления:

            хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности);

            потерю устойчивости конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов; расчет на всплытие заглубленных или подземных резервуаров и т.п.);

            усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющихся подвижных или пульсирующих нагрузок: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов или перекрытий под неуравновешенными машинами)

            разрушение от совместного воздействия силовых факторов и неблагоприятных воздействий внешней среды (агрессивность среды, попеременное замораживание и оттаивание и т.п.).

Вторая группа предельных состояний объединяет предельные состояния по пригодности к нормальной эксплуатации конструкций.

Во вторую группу входят расчеты:

по образованию трещин;

по раскрытию трещин;

по закрытию трещин;

по деформациям.

Как видно из названий этих расчетов, их задача состоит в обеспечении нормальной эксплуатации конструкций или оборудования, расположенного на них.

 Для того, чтобы понять смысл методики МПС, рассмотрим кратко подход к назначению основных расчетных факторов в МПС.

3.3. Классификация нагрузок и сопротивлений бетона и арматуры в МПС.

Расчетные факторы.

            Расчетные факторы - нагрузки и механические характеристики бетона и арматуры (временное сопротивление, предел текучести) - обладают статистической изменчивостью (разбросом значений). Нагрузки и воздействия могут отличаться от заданной вероятности превышения средних значений, а механические характеристики материалов - от заданной вероятности снижения средних значений. В расчетах по предельным состояниям учитывают статистическую изменчивость нагрузок и механических характеристик материалов, факторы нестатического характера, а также различные неблагоприятные или благоприятные физические, химические и механические условия работы бетона и арматуры, изготовления и эксплуатации элементов зданий и сооружений. Нагрузки, а также механические характеристики материалов и расчетные коэффициенты нормируют.

Классификация нагрузок в МПС.

            Нагрузки в зависимости от продолжительности действия делят на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

К постоянным нагрузкам относят те, которые начинают действовать с момента изготовления конструкции (например, собственный вес несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, вес и давление грунтов, воздействие предварительного напряжения железобетонных конструкций).

Временные нагрузки начинают действовать с начала эксплуатации конструкции.

Они подразделяются на: временные длительные, временные кратковременные и особые.

            Временные длительные нагрузки: к ним относятся: вес стационарного оборудования на перекрытиях - станков, аппаратов, двигателей, емкостей и т.п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емкостях; вес содержимого в складских помещениях, холодильников, архивов и библиотек; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, в служебных и бытовых помещениях, длительные температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; часть нагрузок от подвесных или мостовых кранов; часть снеговой нагрузки.

            Временные кратковременные нагрузки: к ним относят вес людей, деталей и материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования - проходах и других свободных от оборудования участках; часть нагрузки на перекрытия общественных и жилых зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мостовых кранов; снеговые и ветровые нагрузки, температурные и климатические воздействия.

            Особые нагрузки. К ним относятся сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, резкое повышение температуры); воздействие неравномерных деформаций основания (например, деформации просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании).

Нормативные и расчетные нагрузки в МПС.

В МПС используют два вида значений нагрузок – это так называемые нормативные и расчетные нагрузки.

Обращаем еще раз Ваше внимание, что  здесь идет речь о величинах нагрузок, независимо от их классификации по длительности действия. Например. постоянная нагрузка может иметь нормативное и расчетное значение; временная нагрузка также может учитываться как нормативного значения, так и расчетного значения в зависимости от . выполняемого расчета.

В МПС расчет прочности необходимо выполнять на действие расчетных (значений) нагрузок; расчет по предельным состояний второй группы ведут на действие нормативных нагрузок ввиду меньшей опасности предельных состояний этой группы.

            Нормативные нагрузки устанавливаются нормами по заранее заданной вероятности превышения средних значений или по номинальным значениям. Нормативные постоянные нагрузки принимают по проектным значениям геометрических параметров и средним значениям плотности. Нормативные временные технологические или монтажные - по наибольшим значениям, предусмотренным для нормальной эксплуатации; снеговые и ветровые - по средним из ежегодных данным, или по неблагоприятным значениям, соответствующим определенному среднему периоду их повторений.

            Расчетные нагрузки при расчете конструкций на прочность и устойчивость определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке g_f, который обычно больше единицы. При расчете конструкций по второй группе предельных состояний расчетные нагрузки принимают равными нормативным, то есть коэф. надежности по нагрузке принят g _f = 1.

Нормативные и расчетные сопротивления материалов в МПС.

Как следует из подзаголовка, в МПС используют нормативные и расчетные сопротивления для бетона и арматуры.

В СНиП приняты    нормативные сопротивлениями бетона осевому сжатию (призменная прочность) R_bn и сопротивление осевому растяжению R_bt,n, которые определяются в зависимости от класса бетона по прочности (при обеспеченности 0.95).

            Расчетные сопротивления бетона для расчета по первой группе предельных состояний (R_b и R_bt)определяют делением соответствующих нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по бетону: при сжатии g_bc=1.3, при растяжении g_bt=1.5.

            При расчете конструкций расчетные сопротивления бетона уменьшают, а в отдельных случаях увеличивают умножают на соответствующие коэффициенты условий работы бетона g_bi, учитывающие следующие факторы - особенности свойств бетонов; длительность действия нагрузки и ее многократную повторяемость, условия, характер и стадию работы конструкции; способ ее изготовления, размеры сечения и т.д..

            Расчетные сопротивления бетона для расчета по второй группе предельных состояний принимают равными нормативным значениям (то есть принимают . g_bc g_bt =g_bi=1).

           

Нормативные сопротивления арматуры R_sn устанавливаются учетом статической изменчивости прочности и принимают равными наименьшему контролируемому значению физического предела текучести s_y или условного предела текучести s_0.2 (для проволочной арматуры s_0.2=0.8s_u.)

            Расчетные сопротивления арматуры растяжению для расчета по первой группе предельных состояний определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по арматуре:  R_s = R_sn / g_s;

            При расчете конструкций расчетные сопротивления арматуры снижают, или в отдельных случаях повышают умножением на соответствующие коэффициенты условий работы g_si, учитывающие возможность неполного использования ее прочностных характеристик в связи с неравномерным распределением напряжений в сечении, низкой прочностью бетона, условиями анкеровки, характером диаграммы растяжения стали, и т.д.

            Расчетные сопротивления арматуры для расчета по второй группы предельных состояний устанавливают равными  их нормативным значениям.

Общий вид расчетных условий МПС:

А) предельные состояния первой группы.

            В расчетах на прочность исходят из третьей стадии напряженно - деформированного состояния. Сечение конструкции обладает необходимой прочностью, если усилия от расчетных нагрузок не превышают усилий, воспринимаемых сечением при расчетных сопротивлениях материалов с учетом коэффициентов условий работы. Усилие от расчетных нагрузок Т (например, изгибающий момент М, продольная N или поперечная Q сила) является функцией нормативных нагрузок, коэффициентов надежности и других факторов С (расчетной схемы, коэффициента динамичности и т.д.). Усилие, воспринимаемое сечением Т_per является, в свою очередь, функцией формы и размеров сечения S, прочности материалов R_bn, R_sn, коэффициентов надежности по материалам g_b, g_s, коэффициентов условий работы g_bi, g_si. (то есть расчетных сопротивлений бетона и арматуры). С учетом этих посылок условие прочности может быть представлено неравенством:

T(g_n, v_n, g_f, g_n, C) £  Т_per(S, R_bn, g_b, g_bi, R_sn, g_s, g_si)

или T(g, v, g_n, C)£ Т_per(S, R_b, g_bi, R_s, g_si).

Б) предельные состояния второй группы.

            Расчет по образованию трещин, нормальных к продольной оси элемента, выполняют для проверки трещиностойкости элементов, к которым предъявляют требования первой категории, а также, чтобы установить, появляются ли трещины в элементах, к трещиностойкости которых предъявляются требования второй и третьей категории. Считается, что трещины, нормальные к продольной оси, не появляются, если усилие Т от действия нагрузок не будут превосходить усилия Т_crc, которое может быть воспринято сечением элемента. То есть условие трещиностойкости в общем виде может быть представлено в виде неравенства

Т:£ Т_crc.

В лекции "Этапы машинного моделирования систем" также много полезной информации.

При этом предельное внутреннее усилие трещинообразования должно определяться для стадии I а НДС.

            Расчет по раскрытию трещин, нормальных и наклонных к продольной оси, заключается в определении ширины раскрытия трещин на уровне растянутой арматуры и сравнения ее с предельной шириной раскрытия в соответствии с неравенством:

а _crc £ а _crc,u,

            Расчет по перемещениям заключается в определении прогиба элемента от нагрузок с учетом длительности их действия и сравнении его с предельным прогибом при g_f=1

f £  f_u.

            Предельные прогибы f_u устанавливаются различными требованиями: технологическими, обусловленные нормальной работой кранов, технологических установок, машин и т.п.; конструктивными, обусловленными влиянием соседних элементов, ограничивающих деформации; физиологическими; эстетико-психологическими; необходимостью выдерживать заданные уклоны и т.д.