Установлены три класса ответственности зданий и сооружений:

Класс I, г_п = 1 - здания и сооружения, имеющие обоснованное народнохозяйственное и (или) социальное значение; главные корпуса ТЭС, АЭС; телевизионные башни; промышленные трубы высотой более 200 м; резервуары для нефтепродуктов вместимостью более 10 тыс. м³; крытые спортивные сооружения с трибунами; здания театров, кинотеатров, цирков, рынков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, музеев, государственных архивов и т.п.;

Класс II, г_n = 0,95 - здания и сооружения промышленного и гражданского строительства (не входящие в классы I и III);

Класс III, г_n = 0,9 - различные склады без процессов сортировки и упаковки, одноэтажные жилые дома, временные здания и сооружения.

8. Записать структурную формулу для расчета по 1-ой группе предельных состояний.

В расчетах на прочность исходят из III 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 коэффициента условий работы. Усилие от расчетных нагрузок Т (например, изгибающий момент или продольная сила) является функцией нормативных нагрузок, коэффициентов надежности и других факторов С (расчетной схемы, коэффициента динамичности и др.). Усилие, воспринимаемое сечением Tper, является, в свою очередь, функцией формы и размеров сечения S, прочности материалов Rbn, Rsn, коэффициентов надежности по материалам г_b, г_s и коэффициентов условий работы г_bi, г_si

Условие прочности выражается неравенством

Т.к.

Можно записать короче

1. В чем суть предварительного напряжения и какова цель его создания?

Начальные сжимающие напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузок испытывают растяжение. При этом повышается трещиностойкость конструкции и создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции. Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых в процессе изготовления искусственно создают значительные сжимающие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры.

Суть использования предварительно напряженного железобетона в конструкциях - экономический эффект, достигаемой применением высокопрочной арматуры; высокая трещиностойкость и как следствие повышенная жесткость, лучшее сопротивление динамическим нагрузкам, коррозионная стойкость, долговечность.

2. Каковы преимущества преднапряженных конструкций перед обычными?

В предварительно напряженной балке под нагрузкой бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила Fcrc, вызывающая образование трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, превышает нагрузку, действующую при эксплуатации Fsеr. С увеличением нагрузки на балку до предельного разрушающего значения Fи напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений. В аналогичной балке без предварительного напряжения нагрузка Fcrc < Fser, но разрушающая нагрузка Fи для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы.

Таким образом, железобетонные предварительно напряженные элементы работают под нагрузкой без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием F_ser < F_crc < F_и, а конструкции без предварительного напряжения - при наличии трещин (F_сrс < F_ser < F_и) и при больших значениях прогибов. В этом различие конструкций предварительно напряженных и без предварительного напряжения с вытекающими отсюда особенностями их расчета, конструирования и изготовления.

3. Какие существуют способы изготовления преднапряженных конструкций, в чем они заключаются? Как осуществляется натяжение арматуры?

В производстве предварительно напряженных элементов возможны два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упор и натяжение ее на бетон.

При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют в упоре, другой - натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируемого напряжения. После приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности перед обжатием R_bр арматуру отпускают с упоров. Арматура при восстановлении упругих деформаций в условиях сцепления с бетоном обжимает окружающий бетон

При натяжении на бетон сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент, затем при достижении бетоном прочности R_bр создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Напрягаемую арматуру заводят в каналы или в пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают на бетон. При этом способе напряжения в арматуре контролируют после окончания обжатия бетона. Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием - нагнетанием в каналы цементного теста или раствора под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники - отводы.

4. Что такое предаточная прочность бетона?

Это кубиковая прочность бетона в момент обжатия R_bp, как правило, меньше проектной прочности. Ждать, когда бетон наберет 100% проектной прочности, - расточительно, особенно в условиях заводского изготовления. Поэтому назначают такую минимальную величину R_bp, которая обеспечила бы прочность и трешиностойкость изделия при обжатии, подъеме и перевозке, полагая, что до приложения эксплуатационных нагрузок бетон наберет проектную прочность. В любом случае R_bp принимают не менее 50% от класса В и не менее 11 МПа (а для канатов, проволоки В-II и Вp - II, стержней A-VI и выше - не менее 15,5 МПа). Следует помнить, что чем ниже R_bp, тем больше потери от ползучести, тем меньше сила обжатия; чем выше R_bp, тем больше продолжительность термообработки, тем дороже конструкция. Опыт показывает, что в большинстве случаев оптимальной является величина R_bp=0,7В.

5. Какие материалы применяют для преднапряженных конструкций?

Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. При малых предварительных напряжениях в арматуре и малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения с течением времени будет утрачен вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и других технологических и конструктивных факторов. При высоких напряжениях в арматуре, близких к нормативному сопротивлению, в ней возникает опасность разрыва при натяжении (проволочная арматура) и опасность развития значительных остаточных деформаций (горячекатаная). На основании исследований, опыта изготовления и эксплуатации предварительно напряженных элементов значения предварительного напряжения у_sр и у'_sp в арматуре, расположенной соответственно в растянутой и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормали с учетом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

где p = 0,05у_sp - при механическом способе натяжения, МПа; р = 30+360/l - при электротермическом и электротермомеханическом способе натяжения (l - длина натягиваемого стержня, принимаемая как расстояние между наружными гранями упоров, м).

6. Каковы основные правила конструирования преднапряженных конструкций (расположение арматуры, усиление концевых участков элементов)?

Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. При малых предварительных напряжениях в арматуре и малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения с течением времени будет утрачен вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и других технологических и конструктивных факторов. При высоких напряжениях в арматуре, близких к нормативному сопротивлению, в ней возникает опасность разрыва при натяжении (проволочная арматура) и опасность развития значительных остаточных деформаций (горячекатаная). На основании исследований, опыта изготовления и эксплуатации предварительно напряженных элементов значения предварительного напряжения у_sр и у'_sp в арматуре, расположенной соответственно в растянутой и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормали с учетом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

где p = 0,05у_sp - при механическом способе натяжения, МПа; р = 30+360/l - при электротермическом и электротермомеханическом способе натяжения (l - длина натягиваемого стержня, принимаемая как расстояние между наружными гранями упоров, м).

7. Как назначают величину предварительных напряжений в арматуре?

Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. При малых предварительных напряжениях в арматуре и малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения с течением времени будет утрачен вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и других технологических и конструктивных факторов. При высоких напряжениях в арматуре, близких к нормативному сопротивлению, в ней возникает опасность разрыва при натяжении (проволочная арматура) и опасность развития значительных остаточных деформаций (горячекатаная). На основании исследований, опыта изготовления и эксплуатации предварительно напряженных элементов значения предварительного напряжения у_sр и у'_sp в арматуре, расположенной соответственно в растянутой и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормали с учетом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

где p = 0,05у_sp - при механическом способе натяжения, МПа; р = 30+360/l - при электротермическом и электротермомеханическом способе натяжения (l - длина натягиваемого стержня, принимаемая как расстояние между наружными гранями упоров, м).

8. Перечислить первые и вторые потери предварительных напряжений при натяжении арматуры на упоры и при натяжении арматуры на бетон.

При натяжении арматуры на упоры учитывают: первые потери - от релаксации напряжений в арматуре, температурного перепада, деформации анкеров, трения арматуры об огибающие приспособления, деформации стальных форм, деформации бетона от быстронатекающей ползучести у_los,1 = у₁ + у₂ + у₃ + у₄ + у₅+ у₆

вторые потери - от усадки и ползучести у_los,2 = у₈ + у₉

При натяжении арматуры на бетон учитывают:

первые потери - от деформации анкеров, трения арматуры о стенки каналов (или поверхности бетона конструкций) у_los,1 = у₃ + у₄;

вторые потери - от релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона, смятия бетона под витками арматуры, деформации стыков между блоками (для сборных конструкций, состоящих из блоков) у_los,2 = у₇ + у₈ + у₉ + у₁₀ + у₁₁.

Суммарные потери при любом способе натяжения у_los = у_los,1 + у_los,2

9. Как определяется усилие предварительного обжатия бетона и эксцентриситет его приложения?

Усилие предварительного обжатия бетона принимают равным равнодействующей усилий в напрягаемой и ненапрягаемой арматуре:

а эксцентриситете этого усилия относительно центра тяжести приведенного сечения определяют из условия равенства моментов равнодействующей и составляющих:

10. Что понимают под приведенным сечением, как определяют его геометрические характеристики?

Чтобы определить напряжения в сечениях предварительно напряженных железобетонных элементов в стадии I (до образования трещин), рассматривают приведенное бетонное сечение, в котором площадь сечения арматуры заменяют эквивалентной площадью сечения бетона. Исходя из равенства деформаций арматуры и бетона, приведение выполняют по отношению модулей упругости двух материалов б = Е_s/Е_b. Площадь приведенного сечения элемента составит

где А - площадь сечения бетона за вычетом площади сечения каналов и пазов.

Статический момент приведенного сечения относительно оси 1-1, проходящей по нижней грани сечения,

где А_i - площадь части сечения; y_i - расстояние от центра тяжести i-й части сечения до оси 1 - 1.

Расстояние от центра тяжести приведенного сечения до оси 1 - 1

Момент инерции приведенного сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения

где I_i - момент инерции i-й части сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести этой части сечения.

Расстояния до верхней и нижней границы ядра сечения от центра тяжести приведенного сечения составляют:

11. Как определяют напряжения в бетоне в момент обжатия, напряжения в ненапрягаемой арматуре?

Напряжения в бетоне при обжатии.

При обжатии в бетоне развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений приобретает криволинейное очертание. В упрощенной постановке задачи напряжения в бетоне при обжатии определяют в предположении упругой работы сечения и линейности эпюры напряжений:

В зависимости от цели расчета напряжения в бетоне определяют в разных по высоте сечения уровнях:

а) при установлении контролируемого напряжения в арматуре, натягиваемой на бетон, - в уровне усилий в напрягаемой арматуре:

где Р определяют с учетом первых потерь при г_sp = 1.

б) при проверке предельных напряжений при обжатии - в уровне крайнего сжатого волокна:

где Р определяют с учетом первых потерь (без потерь у₆) при г_sp = 1.

в) при расчете потерь у₆ от быстронатекающей ползучести и у₉ от ползучести - на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры по формулам.

Напряжения в ненапрягаемой арматуре

В ненапрягаемой арматуре предварительно напряженных элементов под влиянием совместных с бетоном деформаций возникают начальные сжимающие напряжения: при обжатии бетона - равные потерям от быстро-натекающей ползучести у_s = у₆, перед загружением элемента - равные сумме потерь от быстронатекающей ползучести, усадки и ползучести бетона.

Для ненапрягаемой арматуры, расположенной в зоне, растянутой при обжатии элемента, принимают у_s = у₈

1. Охарактеризовать стадии напряженно-деформированного состояния элемента при изгибе.

Стадия 1. При малых нагрузках на элемент напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят преимущественно упругий характер; зависимость между напряжениями и деформациями - линейная, эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения - треугольные.

Рис. Стадии напряженно-деформированного состояния в нормальных сечениях при изгибе элемента без предварительного напряжения

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 между трещинами в растянутой зоне 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 (стадия разрушения). С дальнейшим увеличением нагрузки напряжения в стержневой арматуре достигают физического (условного) предела текучести; напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают значений временного сопротивления сжатию. Разрушение железобетонного элемента начинается с арматуры 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 (около 4%), то одновременно с разрывом проволоки происходит раздробление бетона сжатой зоны. Разрушение носит хрупкий характер, его также относят к случаю 1.

При обжатии в предварительно напряженном 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 у_b=е_bЙ_b обусловлено последовательным увеличением значений е_b и одновременным уменьшением Й_b от оси к внешнему краю сечения. Особенность напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных 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 напряженные состояния элементов с предварительным напряжением и без него сходны.

3. Охарактеризовать два случая разрушения по нормальным сечениям. Что такое граничная высота сжатой зоны?

Граничная высота сжатой зоны.

В сечениях, нормальных к продольной оси элементов, - изгибаемых, внецентренно сжатых, внецентренно растянутых-при двузначной эпюре напряжений в стадии III характерно одно и то же напряженно-деформированное состояние. В расчетах прочности усилия, воспринимаемые сечением, нормальным к продольной оси элемента, определяют по расчетным сопротивлениям материалов с учетом коэффициентов условий работы. При этом принимают следующие исходные положения: бетон растянутой зоны не работает - сопротивление R_bt равно нулю; бетон сжатой зоны испытывает расчетное сопротивление R_b - эпюра напряжений прямоугольная; продольная растянутая арматура испытывает напряжения, не превышающие расчетное сопротивление; продольная арматура в сжатой зоне сечения испытывает напряжение у_sc. В общем случае условие прочности при любом из перечисленных внешних воздействий формулируется в виде требования о том, чтобы момент внешних сил не превосходил момента внутренних усилий. Запишем это условие относительно оси, проходящей через центр тяжести растянутой арматуры.

где М - в изгибаемых элементах момент внешних сил от расчетных нагрузок; во внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементах - момент внешней продольной силы относительно той же оси, (е-расстояние от силы N до центра тяжести растянутой арматуры); S_b - статический момент площади бетона сжатой зоны относительно той же оси; z_s - расстояние между центрами тяжести растянутой и сжатой арматуры.

4. Составить расчетные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для изгибаемого прямоугольного профиля с одиночным армированием.

Элементы прямоугольного профиля с одиночной арматурой имеют следующие геометрические характеристики:

где h₀ и b - рабочая высота и ширина сечения.

Высоту сжатой зоны х определяют на основании равенства из выражения

Условие прочности, согласно выражению, имеет вид

Удобно пользоваться также выражением моментов, взятых относительно оси, проходящей через центр тяжести сжатой зоны:

Коэффициент армирования

Сечение считается подобранным удачно, если его несущая способность, выраженная по моменту, превышает заданный расчетный момент не более чем на 3-5 %.

рабочая высота сечения

5. Составить расчетные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для изгибаемого прямоугольного профиля с двойным армированием.

В практике могут встретиться случаи применения элементов с двойной арматурой, хотя арматура в сжатой зоне менее эффективна, чем в растянутой.

Если в изгибаемом элементе предусматривается продольная арматура в сжатой (при действии нагрузки) зоне, учитываемая в расчете, то для предотвращения выпучивания продольных стержней поперечную арматуру ставят: в сварных каркасах на расстояниях не более 20d, в вязаных каркасах не более 15d.

Условие прочности изгибаемого элемента прямоугольного сечения, армированного двойной арматурой

Уравнение для определения положения границы сжатой зоны

6. Охарактеризовать два расчетных случая изгибаемого элемента таврового профиля. Как определяется положение нейтральной оси?

Тавровые сечения встречаются в практике весьма часто как в отдельных железобетонных элементах - балках, так и в составе конструкций - в монолитных ребристых и сборных панельных перекрытиях.

Тавровое сечение образуется из полки и ребра.

В сравнении с прямоугольным тавровое сечение значительно выгоднее, ибо при одной и той же несущей способности (несущая способность железобетонного элемента не зависит от площади усечения бетона растянутой зоны) расходуется бетона меньше вследствие сокращения размеров растянутой зоны. По той же причине более целесообразно тавровое сечение с полкой в сжатой зоне, так как полка в растянутой зоне не повышает несущей способности элемента.

Тавровое сечение, как правило, имеет одиночное армирование.

При большой ширине полок участки свесов, более удаленные от ребра, напряжены меньше. Поэтому в расчет вводят эквивалентную ширину свесов полки. Она принимается равной: в каждую сторону от ребра - не более половины расстояния в свету между ребрами с и не более 1/6 пролета рассчитываемого элемента.

При расчете тавровых сечений различают два случая положения нижней границы сжатой зоны: в пределах полки и ниже полки.

Нижняя граница сжатой зоны располагается в пределах полки. В этом случае тавровое сечение рассчитывают как прямоугольное, поскольку площадь бетона в растянутой зоне на несущую способность не влияет.

Расчетные формулы (для элементов без предварительного напряжения):

7. Составить расчётные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для изгибаемого элемента таврового профиля когда нейтральная ось проходит в полке.

Нижняя граница сжатой зоны располагается в пределах полки. В этом случае тавровое сечение рассчитывают как прямоугольное, поскольку площадь бетона в растянутой зоне на несущую способность не влияет.

Расчетные формулы (для элементов без предварительного напряжения):

Расчетный случай таврового сечения может быть определен по следующим признакам:

1) если известны все данные о сечении, включая A_s то при

граница сжатой зоны проходит в полке; при обратном неравенстве она пересекает ребро;

2) если известны размеры сечения и задан расчетный изгибающий момент, но A_s неизвестно, то при

граница сжатой зоны проходит в полке; при обратном неравенстве она пересекает ребро.

Нижняя граница сжатой зоны размещается ниже полки, в сечениях со слаборазвитыми свеса ми. В этом случае сжатая зона сечения состоит из сжатой зоны ребра и свесов полки

Положение нижней границы сжатой зоны определяется из уравнения

9. Как устанавливается случай внецентренного сжатия? Охарактеризовать стадию III для каждого случая.

Эксперименты показали, что сопротивление коротких центрально-сжатых элементов внешнему усилию слагается из сопротивления бетона и продольной арматуры. При этом обычно бетон достигает своего предела прочности, а арматура - предела текучести; это обусловлено достаточно большими неупругими деформациями сильно напряженного бетона.

На несущую способность длинных (гибких) сжатых железобетонных элементов заметное влияние оказывают случайные эксцентриситеты, явление продольного изгиба, длительное воздействие нагрузки.

По нормам случайные эксцентриситеты должны приниматься равными большему из следующих значений: 1/30 высоты сечения элемента, 1/600 длины элементы (или ее части между местами, закрепленными от поперечных перемещений). В сборных конструкциях следует учитывать возможность образования случайного эксцентриситета вследствие смещения элементов на опорах из-за неточностей монтажа; при отсутствии опытных данных значение этого эксцентриситета принимается не менее 1 см.

Некоторые элементы прямоугольного сечения, а именно с симметричным армированием стержнями из стали классов А-1, А-Н, А-III при L₀?20h и эксцентриситете е_о=е_а?h/30 в практике допускается рассчитывать по несущей способности (предельное состояние первой группы) как центрально-сжатые, исходя из условия

Здесь N - продольное сжимающее усилие, вычисленное при расчетных нагрузках; А - площадь сечения элемента/

10. Составить расчетные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для внецентренно сжатого элемента прямоугольного профиля (случай больших эксцентриситетов)

Размещено на Allbest.ru