Стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Три стадии напряженно - деформирующих состояний железобетонных конструкций

2. Расчёт конструкции по I группе предельного состояния

3. Расчёт конструкции по II группе предельного состояния

1. Три стадии напряженно-деформированного состояния

нагрузка трещина разрушение

Опыты с различными железобетонными элементами -- изгибаемыми, внецентренно растянутыми, внецентренно сжатыми с двузначной эпюрой напряжений --показали, что при постепенном увеличении внешней нагрузки можно наблюдать три характерные стадии напряженно-деформированного состояния: стадия I -- до появления трещин в бетоне растянутой зоны, когда напряжения в бетоне меньше временного сопротивления растяжению и растягивающие усилия воспринимаются арматурой и бетоном совместно; 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, в высокопрочной арматурной 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. Рассмотрим три стадии напряженно-деформированного состояния в зоне чистого изгиба железобетонного элемента при постепенном увеличении нагрузки. Стадия I. При малых нагрузках на элемент напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят преимущественно упругий характер; зависимость между напряжениями и деформациями линейная и эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения треугольные. С увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. Этим характеризуется конец стадии I. При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, наступает новое качественное состояние. Стадия II. В том месте растянутой зоны, где образовались трещины, растягивающее усилие воспринимается арматурой и участком бетона растянутой зоны над трещиной. В интервалах растянутой зоны между трещинами сцепление арматуры с бетоном сохраняется, и по мере удаления от краев трещин растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре уменьшаются. С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется, а ордината максимального напряжения перемещается с края сечения в его глубину. Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре. Стадия III, или стадия разрушения. С дальнейшим увеличением нагрузки напряжения в стержневой арматуре достигают физического или условного предела текучести; напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают временного сопротивления сжатию. Разрушение железобетонного элемента начинается по арматуре растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такое разрушение носит пластический характер, его называют случаем 1. Если элемент в растянутой зоне армирован высокопрочной проволокой с малым относительным удлинением при разрыве (~4 %), то одновременно с разрывом проволоки происходит и раздробление бетона сжатой зоны, разрушение носит хрупкий характер, его также относят к случаю 1. В элементах с избыточным содержанием растянутой арматуры -- переармированных -- разрушение происходит по бетону сжатой зоны, переход из стадии II в стадию III происходит внезапно. Разрушение переармированных сечений всегда носит хрупкий характер при неполном использовании растянутой арматуры; его называют случаем 2. Ненапрягаемая арматура сжатой зоны сечения в стадии III испытывает сжимающие напряжения, обусловленные предельной сжимаемостью бетона. Сечения по длине железобетонного элемента испытывают разные стадии напряженно-деформированного состояния; так, в зонах с небольшими изгибающими моментами -- стадия I, по мере возрастания изгибающих моментов -- стадия II, в зоне с максимальным изгибающим моментом -- стадия III. Разные стадии напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента могут возникать и на различных этапах -- при изготовлении и предварительном обжатии, транспортировании и монтаже, действии эксплуатационной нагрузки. При обжатии в предварительно напряжённом элементе возникают довольно высокие напряжения. Под влиянием развития неупругих деформаций эпюра сжимающих напряжений приобретает криволинейное очертание. В процессе последовательного загружения внешней нагрузкой предварительные сжимающие напряжения погашаются, а возникающие растягивающие напряжения приближаются к временному сопротивлению бетона растяжению. Перемещение в глубь сечения ординаты с максимальным напряжением на криволинейной эпюре обусловлено последовательным увеличением значений Еь и одновременным уменьшением Еь от оси к внешнему краю сечения. Особенность напряженно-деформированного состояния предварительно напряжённых элементов проявляется главным образом в стадии I. Внешняя нагрузка, вызывающая образование трещин, значительно увеличивается (в несколько раз), напряжение в бетоне сжатой зоны и высота этой зоны также значительно возрастают. Интервал между стадиями I и III сокращается. После образования трещин в стадиях II и III напряжённые состояния элементов с предварительным напряжением и без него сходны.

2. Расчёт конструкции по I группе предельного состояния

Надёжность конструкций оценивается по первому предельному состоянию из условия недопущения потери общей устойчивости основания. Условие следующее:

где F - действующее от сооружения усилие, передаваемое основанию, а Fи - несущая способность основания. Направления действия сил FиFи совпадают. Если оценку несущей способности производить по вертикальной составляющей силы N, то условие следующее: N - Nи. Несоблюдение этого условия не гарантирует, что может быть допущена дальнейшая эксплуатация здания или сооружения.

По первому предельному состоянию расчёт необходимо производить только в следующих случаях:

1) Если на основание передаются значительные горизонтальные нагрузки, в том числе сейсмические.

2) Сооружение расположено на откосе или вблизи откоса.

3) Сооружение расположено на медленно уплотняющихся водонасыщенных грунтах.

4) Основание сложено скальными грунтами.

5) При анкерных фундаментах.

Считается, что в остальных случаях оценка оснований по второму предельному состоянию ограничит нагрузки и они будут существенно меньше, чем мы получили бы от использования условия первого предельного состояния. Оценка сооружений на невозможность их опрокидывания является также оценкой по первому предельному состоянию.

Рис.1. Случаи, когда производится расчёт по первому предельному состоянию: а - подпорная стена; б - эксцентричная нагрузка с горизонтальной составляющей; в - короткие сваи; г - сооружение вблизи откоса; д - анкерный фундамент, работающий на вырывание; е - схема для расчёта на опрокидывание на жёстком основании; ж - то же на мягком основании

Расчёт оснований по несущей способности, допускается не производить, если конструктивными мероприятиями обеспечена невозможность смещения проектируемого фундамента (например, введением затяжки в арочных и рамных конструкциях, устройством шпунтового ограждения, препятствующего сползанию откоса грунта, устройством полов в подвале здания (рис.2,а,б.в), объединением фундаментов в единую систему пространственно жёсткой надфундаментной конструкцией, при фундаментах из перекрёстных лент, монолитном подвале и каркасе здания, рис.2,в).

Рис.2. Случаи, когда расчёт по первому предельному состоянию может не производиться: а - при бетонном поле, связанном со стеной; б - при жёстком креплении стенки, удерживающей откос; в - при жёсткой пространственной системе

3. Расчёт конструкции по II группе предельного состояния

К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота, , трещин и т. п.).

Выполнение основного условия второго предельного состояния s - s_u, где s - совместная деформация основания и сооружения, в том числе осадка (или относительная разность осадок), а s_u - предельно разрешаемая деформация (или относительная разность осадки, или крен), должно обеспечить возможность нормальной эксплуатации здания или сооружения в течение всего назначенного срока. Условие s - s_u, является основным для второго предельного состояния, а s и s_u, имеют обобщённые значения (средняя или максимальная осадка, горизонтальные перемещения, относительная разность осадок, крен и т.д.).

Величины s_u, получены в результате обобщения строительного опыта, наблюдения за действующими однотипными сооружениями, за авариями. Для принципиально новых конструкций зданий или сооружений величины s_u, должны быть назначены проектировщиками.

Это условие для первой группы предельных состояний по несущей способности может быть записано в общем виде N?Ф.

где N - усилие, действующее в рассчитываемом элементе конструкции (функция нагрузок и других воздействий); Ф-предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент (функция физико-механических свойств материала, условий работы и размеров элементов).

Предельные состояния первой группы, ведущие к полному прекращению эксплуатации и (или) обрушению конструкций, не должны быть нарушены ни разу за весь срок службы сооружения, т.е. усилие N следует рассматривать как максимальное за весь период эксплуатации, а несущую способность элемента Ф - как минимально возможную.

Для второй группы предельных состояний, связанных, как правило, с перемещениями, также можно записать предельное неравенство: ѓ ? [ѓ].

где ѓ- перемещение конструкции (функция нагрузок): [ ѓ] - предельное перемещение, допустимое по условиям эксплуатации (функция конструкции и её назначения).

Предельные состояния второй группы, ведущие к нарушению нормальной эксплуатации, можно рассматривать как более мягкие. Поэтому расчёт по второй группе предельных состояний следует выполнять на нагрузки, возникающие в процессе нормальной эксплуатации, без учёта экстремальных ситуаций, приводящих к превышению этих нагрузок.

Размещено на Allbest.ru