С гибкой продольной арматурой и хомутами

Тема 5. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ВНЕЦЕНТРЕННО

СЖАТЫХ И РАСТЯНУТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Виды элементов, подверженных

Внецентренному сжатию и растяжению

 

Внецентренно сжатые элементы испытывают воздействие продольной сжимающей силы N, приложенной с эксцентриситетом относительного центра тяжести сечения (рис. 5.1, а), или воздействие силы N и изгибающего момента М (рис. 5.1,6). Одновременное действие силы N и момента М эквивалентно действию только одной силы N, приложенной с эксцентриситетом e₀=M/N относительно центра тяжести сечения (рис. 5.1, в).

Существует класс конструкций, в которых в соответствии со статическим расчетом продольная сила действует по оси, проходящей через центр тяжести сечения. Однако фактически и в этих конструкциях имеет место эксцентриситет, вызванный случайными причинами (неоднородность свойств материалов по сечению, начальная кривизна оси элемента, неучитываемые горизонтальные силы и т. п.). Поэтому при расчете по прочности таких элементов должен учитываться случайный эксцентриситет е_а, принимаемый равным большему из значений: е_а = l/600, e_a=h/30, где l — длина элемента; h — размер поперечного сечения. Кроме того, для конструкций, образуемых из сборных элементов, следует учитывать их возможное взаимное смещение, зависящее от вида конструкций, способа монтажа и т. п. При отсутствии для таких конструкций экспериментально обоснованных значений случайного эксцентриситета его следует принимать не менее 1 см.

При расчете статически определимых конструкций случайный эксцентриситет е_а суммируется с эксцентриситетом e₀=M/N, определенным расчетом; для конструкций статически неопределимых делается послабление, обусловленное возможностью перераспределения усилий в элементах конструкции, и значение эксцентриситета принимается равным определенному только из расчета, но не менее случайного.

 

Рис. 5.1. Сжатые элементы

 

К внецентренно сжатым элементам со случайным эксцентриситетом относятся верхние пояса ферм при узловой передаче нагрузки, сжатые элементы решетки ферм и т. п. В крайних колоннах одноэтажных промышленных зданий, рамах, арках эксцентриситет определяется расчетом.

Внецентренно растянутые элементы одновременно находятся под действием продольной силы N и изгибающего момента М, что равносильно внецентренному растяжению усилием с эксцентриситетом e₀=M/N. В условиях внецентренного растяжения работают стенки прямоугольных в плане бункеров, затяжек арок с внеузловой нагрузкой.

В ряде конструкций (нижние пояса ферм, стенки круглых в плане резервуаров и напорных трубопроводов) эксцентриситет может быть принят равным нулю, и расчет их производится на центральное растяжение.

 

Конструктивные особенности сжатых элементов

с гибкой продольной арматурой и хомутами

 

Поперечное сечение сжатых элементов, как правило, принимают: при малых эксцентриситетах — квадратное, круглое, кольцевое, при больших — прямоугольное, двутавровое. Элементы квадратного и прямоугольного сечений просты в изготовлении, но более материалоемки. Размеры поперечного сечения определяют расчетом и в целях унификации принимают кратными 50 мм, если

Рис. 5.2. Виды армирования сжатых элементов

 

размер сечения не превышает 500 мм, и кратным 100 мм — при больших размерах. Чтобы обеспечить качественное бетонирование, сборные и монолитные колонны сечением менее 250×250 мм применять не рекомендуется.

Для колонн обычно применяют бетон классов В 15...30. В последние годы разработаны проекты и начато внедрение элементов из бетонов более высоких классов. Это позволяет получить существенную экономию бетона и арматурной стали.

В зависимости от особенностей армирования сжатые элементы различают: 1) по виду продольного армирования: с гибкой продольной арматурой и хомутами (рис. 5.2, а); с жесткой (несущей) продольной арматурой (рис. 5.2,6); 2) по виду поперечного армирования: с обычным поперечным армированием (хомутами) (см. рис. 5.2, а); с косвенной арматурой, учитываемой в расчете (рис. 5.2, в, г). Арматура сжатых элементов состоит из продольных и поперечных стержней (хомутов), расположенных, как правило, на равных расстояниях друг от друга. Продольная арматура ставится по расчету и воспринимает часть нагрузки, действующей на элемент. Хомуты, в основном, предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Кроме того, хомуты препятствуют развитию поперечных деформаций элемента, тем самым несколько повышая сопротивляемость бетона сжатию.

Расположение продольной арматуры может быть симметричным (A_s=A′_s) (рис. 5.3) относительно центра тяжести сечения и несимметричным (А_s≠А′_s). Симметричное армирование применяют в элементах с малым эксцентриситетом и при действии моментов двух знаков, близких по величине. Оно проще в изготовлении, но при больших эксцентриситетах менее экономично.

Насыщение поперечного сечения сжатых элементов продольной арматурой оценивают коэффициентом (процентом) армирования μ (μ%). При этом принимают в элементах со случайным эксцентриситетом μ=(А_s+A′_s)/(bh), а в элементах с расчетным эксцентриситетом μ=A_s/(bh₀) и μ'=A′_s/(bh₀). Оптимальный процент армирования по экономическим соображениям принимают 1...2%. Минимальный устанавливают в зависимости от гибкости элемента; он обеспечивает воспринятие не учитываемых расчетом воздействий (температурных, усадочных и др.) и предотвращает хрупкое разрушение при образовании трещин. В элементах с расчетным эксцентриситетом μ%_min=0,05...0,25%, а в элементах со случайным эксцентриситетом увеличивается вдвое. Рекомендуется максимальное значение μ%=3%; больший коэффициент армирования допускается лишь при соответствующем обосновании.

Сжатые элементы обычно проектируют с ненапрягаемой арматурой. Предварительно напряженную арматуру целесообразно применять при значительных эксцентриситетах и большой гибкости. В последнем случае предварительное напряжение создает лучшие условия работы элементов в период изготовления и монтажа, когда они работают на изгиб. Ненапрягаемая арматура колонн изготовляется в виде сварных каркасов, вязаные каркасы менее индустриальны и применяются относительно редко. Для продольной рабочей арматуры целесообразно использовать горячекатаные стали классов A-III, Ат-III и А-II диаметром не более 40 мм и не менее: в сборных элементах—16 мм, в монолитных—12 мм. Стержни диаметром более 40 мм трудно обрабатываются, а менее 12...16 мм не обеспечивают достаточной жесткости каркасов при их монтаже.

Рис. 5.3. Армирование сжатых элементов с гибкой арматурой:

а, б, д — сварными каркасами; в, г —вязаными;

1 — сварные каркасы; 2 — соединительные стержни; 3 — шпильки;

4 — вязаные хомуты; 5 — промежуточные стержни;

1—1 — плоскость, в которой лежит эксцентриситет е

 

Применение арматуры классов Ат-IV, At-V, A-V диаметром до 32 мм допускается в вязаных каркасах при наличии косвенного армирования, повышающего деформативность элемента.

В элементах со случайным эксцентриситетом продольную рабочую арматуру располагают по периметру сечения для того, чтобы колонна могла лучше воспринять изгибающие моменты от случайных боковых воздействий и от расчетных усилий. В элементах с расчетными эксцентриситетами рабочую арматуру устраивают у граней, перпендикулярных плоскости действия изгибающего момента.

Для удобства бетонирования и обеспечения надежного сцепления арматуры с бетоном расстояние в свету между продольными стержнями принимают: при вертикальном бетонировании не менее 50 мм; при бетонировании в горизонтальном положении не менее 25 мм для нижней арматуры и не менее 30 мм для верхней и в обоих случаях не менее диаметра стержня. Максимально допустимое расстояние между осями стержней составляет 400 мм. Если расстояние между осями продольных стержней превышает 400 мм, то следует предусматривать установку между ними дополнительных стержней диаметром не менее 12 мм. Колонны сечением 400×400 мм можно армировать четырьмя стержнями. Если плоские каркасы противоположных граней колонны имеют промежуточные продольные стержни, то последние по крайней мере через один и не реже чем через 400 мм связывают между собой с помощью шпилек. Шпильки не ставят при ширине грани колонны ≤500 мм, если число стержней у этой грани не превышает 4. Примеры армирования сечений колонн даны на рис. 5.3.

Поперечную арматуру в сжатых элементах устанавливают конструктивно. Расстояние между хомутами назначают: при R_sc≤400 МПа — не более 500 мм и 20d в сварных каркасах или 15d в вязаных; при R_sc>450 МПа — не более 400 мм и 15d в сварных каркасах или 12d в вязаных (d — наименьший диаметр продольных стержней). В местах стыкования рабочих стержней внахлестку без сварки, а также если общее насыщение элемента продольной арматурой превышает 3%, хомуты устанавливают не реже чем через 300 мм и 10d. Диаметр поперечных стержней d _w в сварных каркасах назначают по условиям свариваемости, а в вязаных—не менее 5 мм и 0,25d. Для поперечной арматуры используют стали классов B-I, A-I, A-II.