Реферат: Расчет прочности центрально растянутых предварительно напряженных элементов

Реферат: Расчет прочности центрально растянутых предварительно напряженных элементов

МОСКОВСКИЙ КОЛЛЕДЖ ГРАДОСТРАИТЕЛЬСТВА и ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА

Реферат

По дисциплине:

«Строительные конструкции»

на тему:

РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНО РАСТЯНУТЫХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Выполнили  студенты  3 курса

                      Группы С-3-99.

                      специальность СЭЗС

                      Рушихин А.И.

                             Миченко А.В.

МОСКВА. 2001г.

Содержание.

Введение

1.1  Железобетон — комплексный материал

Железобетон представляет собой комплексный строительный материал, состоящий из бетона и стальных стержней, работающих в конструкции совместно в результате сил сцепления.

Известно, что бетон хорошо сопротивляется сжатию и значительно слабее растяжению (в 10—20 раз меньше, чем при сжатии), а стальные стержни имеют высокую прочность как при растяжении, так и при сжатии. Основная идея железобетона и состоит в том, чтобы рационально использовать лучшие свойства составляющих материалов при их совместной работе. Поэтому стальные стержни (арматуру) располагают так, чтобы возникающие в железобетонном элементе растягивающие усилия воспринимались в большей степени арматурой. В изгибаемых элементах, например в плитах, балках, настилах и др., основную арматуру размещают в нижней, растянутой зоне сечения (рис. 1.1, а), а в верхней, сжатой зоне ее либо совсем не ставят, либо ставят небольшое количество, необходимое для конструктивной связи стержней в единые каркасы и сетки. В элементах, работающих на сжатие, например в колоннах (рис. 1.1, б), включение в бетон небольшого количества арматуры также значительно (в 1,5—1,8 раза) повышает их несущую способность. Возникающие в колоннах растягивающие напряжения от поперечных деформаций воспринимаются хомутами или поперечными стержнями; последние служат также для связи продольных стержней в плоские или пространственные каркасы. В растянутых элементах (рис. 1.1, в) действующие усилия воспринимаются арматурой.

В изгибаемых и внецентренно нагруженных элементах в местах действия поперечных сил возникают главные растягивающие sГ. Р напряжения, которые уже не могут восприниматься продольной арматурой растянутой зоны. Если такие места не заармировать, то появятся наклонные трещины примерно под углом 45°. Для воспринятая главных растягивающих напряжений и предотвращения образования трещин в балках, например, ставят хомуты или поперечные стержни, а при необходимости и нижнюю продольную арматуру отгибают под углом 45—60° вверх с заделкой в сжатой зоне бетона (рис. 1.1, г). Таким образом, соединенные бетон и стальные стержни создают качественно новый материал — железобетон (или точнее сталебетон), область применения которого практически не ограничена.

Основу совместной работы бетона и арматуры составляет благоприятное природное сочетание их некоторых важных физико-механических свойств, а именно:

1) сталь и бетон имеют близкие по значению коэффициенты линейного расширения — для бетона 0,00001— 0,000015, для стали 0,000012, поэтому при температурных изменениях (до 100° С) дополнительные напряжения в зоне контакта арматуры с бетоном не возникают и сцепление не нарушается, оба материала работают совместно;

2) бетон при твердении дает некоторую усадку, благодаря чему его сцепление с арматурой еще больше увеличивается;

3) плотный тяжелый бетон является хорошей защитой арматуры от коррозии и огня.

Благодаря многочисленным положительным свойствам железобетона — долговечности, огнестойкости, высокой прочности и жесткости, плотности, гигиеничности и сравнительно небольшим эксплуатационным расходам конструкции из него широко применяют во всех областях строительства. Предварительное напряжение железобетона дает возможность повысить трещиностойкость и жесткость конструкций и тем самым еще более расширить область их использования, особенно для большепролетных конструкций покрытий и перекрытий.

 1.2 Монолитные железобетонные конструкции

Железобетонные конструкции, возводимые в проект­ном положении непосредственно на объекте строитель­ства, называются монолитными.

Для возведения монолитных железобетонных конст­рукций требуются поддерживающие подмости (леса) и опалубка (формы), в которую устанавливают арматур­ные каркасы и укладывают бетон. Подмости и опалубку снимают после того, как бетон приобретает достаточную прочность. Если арматурный каркас выполнен из прокат­ных профилей (жесткая арматура) или в виде фермочек, сваренных из круглых стержней (несущие арматур­ные каркасы), то опалубку подвешивают к арматуре и устройства подмостей не требуется. Монолитные железо­бетонные конструкции требуют значительных трудовых затрат на объекте строительства. Их применяют в мас­сивных сооружениях, в некоторых специальных сооруже­ниях, которые могут быть возведены без подмостей в скользящей или переставной опалубке (водонапорные башни, дымовые трубы, градирни, стены и шахты много­этажных зданий и др.). Монолитный железобетон часто используют в конструкциях фундаментов, для устройст­ва днищ резервуаров и т. д.

1.3 Сборные железобетонные конструкции

Железобетонные конструкции, изготавливаемые на специализированных заводах, называются сборными. Такие конструкции монтируют на строительной площад­ке и при необходимости соединяют между собой путем сварки арматурных стержней или стальных закладных деталей. Стыки элементов затем бетонируют или зали­вают цементным раствором.

Применение сборных железобетонных конструкций (сборного железобетона) обеспечивает высокую инду­стриализацию строительства благодаря использованию высокопроизводительных машин и механизмов как при изготовлении элементов, так и при их монтаже. Это по­зволяет снизить трудовые затраты на строительной пло­щадке, сократить сроки строительства, ликвидировать сезонность строительных работ.

При проектировании сборных железобетонных конст­рукций необходимо руководствоваться следующими принципами:

1) принимать минимальное число типоразмеров;

2) максимально укрупнять элементы (с учетом грузо­подъемности монтажных механизмов и транспортных средств);

3) обеспечивать технологичность изготовления эле­ментов, т. е. предусматривать такую их форму и разме­ры, при которых изготовление их на заводе будет удоб­ным и высокопроизводительным;

4) обеспечивать технологичность монтажа элементов, т. е. наиболее удобное их транспортирование и установку в проектное положение, а также соединение с другими элементами;

5) рассчитывать сборные элементы не только на усилия, которые они будут испытывать при. эксплуатации, но и на усилия, которые возникнут в процессе их транс­портирования и монтажа. Так, колонна, установленная в проектное положение, работает от воздействия эксплу­атационных нагрузок на сжатие, а при подъеме и транс­портировании — на изгиб, как балка, загруженная соб­ственным весом.

Железобетонные конструкции, которые возводят из сборных элементов, но отдельные участки бетонируют на месте строительства, называют сбор номонолитным и. Такие конструкции в ряде сооружений позволяют упростить узловые сопряжения и получить жесткую про­странственную систему как при монолитном железобе­тоне.

1.4 Предварительно-напряженные железобетонные конструкции

Как отмечалось выше, при загружении железобетон­ного элемента наблюдается раннее образование т-рещин в бетоне растянутой зоны. С ростом нагрузки растягива­ющие напряжения воспринимаются арматурой, а трещи­ны в бетоне раскрываются. Для большого числа конст­рукций, арматура которых имеет обычную прочность (не высокопрочная), ширина раскрытия трещин при дейст­вии предусмотренных расчетом нагрузок незначительна и не нарушает их эксплуатационных качеств. В тех слу­чаях, когда к конструкции предъявляются требования непроницаемости (резервуары, трубы), когда конструк­ция снабжена высокопрочной арматурой или Находится в условиях агрессивной среды, появление трещин или значительное их раскрытие может привести к потере экс­плуатационных качеств. Чтобы предотвратить образова­ние трещин или ограничить ширину их раскрытия в бето­не растянутой зоны конструкции, при ее изготовлении заранее создают значительные сжимающие напряжения путем натяжения арматуры (см. гл. XXII). В такой кон­струкции возникающие при работе под нагрузкой растя­гивающие напряжения только погашают предваритель­ное сжатие в бетоне, поэтому образование трещин значи­тельно отдаляется. Такие железобетонные конструк­ции   называют   предварительно-напряжен­ными.

Благодаря эффективному использованию высоко­прочной арматуры в предварительно-напряженных кон­струкциях, повышенной их жесткости и ряду других преимуществ эти конструкции нашли широкое примене­ние в практике строительства

1.5 Классификация и области применения железобетонных конструкций

Все железобетонные конструкции можно разделить на несколько видов:

а) по назначению — на конструкции для жилищного, общественного, промышленного, сельскохозяйственного и мелиоративного, транспортного, энергетического строительства и др.;

б) по материалу — из тяжелого бетона, из бетона на пористых заполнителях и из ячеистого бетона;

в) по способу выполнения — монолитные, возводимые непосредственно на объекте строительства; сборные, изготовляемые на заводах и полигонах; сборно-монолитные, возводимые из сборных элементов с добетонированием отдельных участков на месте строительства;

г) по способу армирования — с обычным армированием (каркасами, сетками и отдельными стержнями) и предварительным напряжением арматуры из высокопрочных стержней, проволоки или арматурных канатов.

С развитием строительной индустрии широкое распространение получили сборные железобетонные конструкции, которые в наибольшей степени отвечают требованиям максимальной индустриализации строительства. Монолитный железобетон в настоящее время применяется в особых случаях, например в индивидуальных с нетиповыми пролетами зданиях, в зданиях, возводимых в подвижной опалубке, и при достаточном технико-экономическом обосновании. Сборно-монолитные конструкции выгодны для большепролетных и других конструкций, когда добетонирование участков и замоноличивание стыков конструкций повышает общую пространственную прочность и жесткость здания или сооружения, в результате чего достигается и экономический эффект. На основные виды сборных конструкций имеются каталоги с указанием номенклатуры изделий, выпускаемых заводами для того или иного вида строительства.

1.6 Развитие производства железобетона

Железобетон, несмотря на некоторые недостатки (большую собственную массу изделий, высокую тепло- и звукопроводность, возможность появления трещин при изготовлении и эксплуатации конструкций и др.), которые малозначительны в сравнении с его многочисленными достоинствами, является основой современного капитального строительства. Массовое применение, как отмечено выше, имеют сборные железобетонные конструкции, которые не только отвечают требованиям индустриализации строительства, но и позволяют улучшить качество конструкций при их полкой заводской готовности, монтировать здания круглый год и снизить трудоемкость и стоимость их возведения.

В современном строительстве из сборного железобетона возводят одноэтажные (рис. 1—3) и многоэтажные промышленные здания, жилые крупнопанельные дома (рис. 4), мосты и эстакады, стойки ЛЭП, сельскохозяйственные строения, объекты подземные и наземные в гидротехническом и мелиоративном строительстве, коллекторы, тоннели и станции метрополитенов, сооружения связи и многие другие.

2. Основные сведения о материалах для железобетонных конструкций.

2.1 Бетон

Бетон для железобетонных конструкций должен обладать необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью для защиты арматуры от коррозии, морозостойкостью, а также в особых случаях жаростойкостью при длительном действии высоких температур (более 200° С) и коррозионной стойкостью при агрессивном воздействии среды.

Бетоны подразделяют по следующим признакам:

1) по структуре — плотной структуры (процент меж-зерновых пустот не свыше 6), крупнопористые малопесчаные и беспесчаные, поризованные с искусственной пористостью затвердевшего вяжущего в пространстве между зернами заполнителя (процент пустот более 6); ячеистые о искусственно созданными порами;

2) по плотности (объемной массе) r кг/м3.— особо тяжелые, r > 2500; тяжелые, 2200 < r < 2500; облегченные, 1800 <r  2200; легкие, 500 < r 1800; особо легкие, r  500;

3) по виду вяжущего — цементные, силикатные (на известковом вяжущем), на гипсовом вяжущем, на смешанном и специальных вяжущих;

4) по виду заполнителя — на плотных заполнителях (для тяжелых бетонов), на пористых заполнителях (для легких и облегченных бетонов), на специальных заполнителях, удовлетворяющих требованиям биологической защиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и т. п.;

5) по зернистому составу заполнителя — крупнозернистые (с крупным и мелким заполнителем) и мелкозернистые (только с мелким заполнителем);

6) по условиям твердения — бетоны естественного твердения, подвергнутые тепловой обработке при атмосферном давлении и с тепловой обработкой в автоклавах.

Для несущих железобетонных конструкций применяют следующие бетоны основных видов:

тяжелый бетон — бетон плотной структуры, на цементных вяжущем и на плотных заполнителях, крупнозернистый, тяжелый по плотности, приготовленный при любых условиях твердения;

бетон на пористых заполнителях — бетон плотной структуры, на цементном вяжущем, на пористых. заполнителях, легкий или облегченный во плотности при любых условиях твердения.

Для сборных конструкций заводского изготовления рекомендован также силикатный бетон (на известковом вяжущем).

Рис. 1.1. Схемы работы железобетонных элементов под нагрузкой

 2.2  Арматура

Назначение, виды и классы арматуры. Арматуру в железобетонных конструкциях применяют в качестве рабочей, определяемой по расчету, и монтажной, назнача­емой без расчета по конструктивным соображениям. Рабочая арматура воспринимает растягивающие усилия в изгибаемых и растянутых элементах и усиливает сечения сжатых элементов. Монтажная арматура служит для уста­новки в проектное положение и связи рабочей арматуры, для образования плоских и пространственных каркасов и сеток. Кроме того, она воспринимает усилия от усадоч­ных и температурных деформаций бетона, от части мон­тажных нагрузок. В некоторых случаях монтажную арматуру можно учитывать в расчетах, что позволит сни­зить расход рабочей арматуры.

Стальная арматура в зависимости от технологии изго­товления разделяется на горячекатаную стержневую и холоднокатаную проволочную. Арматура, подвергающа­яся после прокатки (в целях упрочнения) термической обработке, называется термически упрочненной, а под­вергающаяся вытяжке в холодном состоянии — упроч­ненной вытяжкой. Арматура, которая при изготовлении

конструкций предварительно натягивается до заданного напряжения (на упоры или на бетон), называется напряга­емой арматурой.

Арматура выпускается с гладкой поверхностью и с реб­рами периодического профиля (рис. 1.5). Стержневая арматура периодического профиля, имеющая лучшее сце­пление с бетоном, является основным видом рабочей арма­туры.

Арматурная сталь подразделяется на классы в зависи­мости от профиля и основных ее механических свойств

Рис. 1.5. Арматура для железобетонных конструкций

а) стержневая арматура: горячекатаная круглая, глад­кая — класса A-I; горячекатаная периодического про­филя — классов A-II, A-III, A-IV и A-V; термически упрочненная горячекатаная периодического профиля — классов Ат-IV, Ат-V и Ат-VI;

б) проволочная арматура: обыкновенная проволока гладкая класса B-I и периодического профиля — класса Вр-1; высокопрочная проволока гладкая — класса B-II и периодического профиля — Вр-П;

в) арматурные канаты — класса К-7.

3. Растянутые железобетонные элементы

3.1. Расчет центрально-растянутых элементов

При работе центрально-растянутых элементов под нагрузкой различают три характерные стадии напряженно-деформированного состояния: стадию I — до образования трещин, стадию II—после образования трещин, стадию III — разрушение.

Рассмотрим характер изменения напряженно-деформированного состояния центрально-растянутого элемента по мере увеличения внешней нагрузки.

В стадии I (начальный период загружения) внешней растягивающей силе N1 сопротивляются бетон и арматура, которые имеют одинаковые деформации вследствие сцепления между собой. Если обозначить напряжения в бетоне sб.р  и напряжения в арматуре sa.l , то условие равновесия сечений элемента будет иметь следующий вид:
N1=sб.р.Fб+sа1.Fа, где Fe—площадь сечения бетона; Fa — площадь продольной арматуры.

С увеличением внешней нагрузки напряжения в бетоне и арматуре возрастают. Когда напряжения в бетоне достигнут временного сопротивления растяжению:  (а деформации—предела растяжимости ), в элементе образуются трещины (стадия Iа). При образовании трещин деформации арматуры ea в силу сцепления равны предельным деформациям бетона , поскольку оба материала деформировались совместно. Напряжения в арматуре в стадии Iа составляют  

В главе 2.1 , было установлено, что расчетная величина  , следовательно, , где n=Ea/Eб. Численное значение  можно оценить, приняв»0,00015 иEa=2×106 кгс/см2:

» 0,00015×2′000′000 = 300 кгс/см2 (30 МПа).

Таким образом, расчетное усилие, воспринимаемое сечением при образовании трещин,  (1)

Если N>NТ, в элементе образуются трещины. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжения в арматуре будут возрастать, а трещины в бетоне — раскрываться (стадия II). Внешней силе по сечению с трещиной сопротивляется только одна арматура, имеющая напряжения sа и деформации eа, а на участке между трещинами — арматура и бетон, поскольку сцепление между ними сохраняется. Вследствие этого напряжения в арматуре на участке между трещинами уменьшаются. Средние напряжения в арматуре sа.с<sа и соответственно средние относительные деформации eа.с<eа. Работа бетона на растяжение между трещинами характеризуется, как и при изгибе, коэффициентом yа, выражающим отношение средних напряжений в арматуре sа.с к напряжениям в ней по сечению с трещиной sа, или отношение средних относительных деформаций арматуры eа.с. к ее деформациям по сечению с трещиной eа.        ya=sа.с/sа =eа.с/eа [см формулу (1)]

По мере дальнейшего возрастания внешней нагрузки увеличиваются напряжения в арматуре, а трещины в бетоне раскрываются все больше. Когда напряжения в арматуре достигнут значения предельных напряжений  (предела текучести для мягкой стали или временного сопротивления для твердой стали), наступит разрушение элемента (стадия III).

Усилие, которое воспринимают сечения элемента перед разрушением, составляет    (2)

Прочность элемента будет обеспечена, если расчетная продольная сила N (усилие в элементе от расчетных нагрузок) не будет превышать усилия, воспринимаемого арматурой при напряжениях в ней, равных расчетному сопротивлению Ra:      . (3).

Из условия прочности  определяют требуемую площадь сечения продольной растянутой арматуры:   (4)

Страницы: 1, 2