1947

3

УДК 624.012

Ламзин Д.А. Железобетонные и каменные конструкции. Часть 1. Основы расчета железобетонных конструкций. [Электронный ресурс]: учеб.-

метод. пос. / Д.А. Ламзин; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 11 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Приведены рекомендации по изучению дисциплины «Железобетонные и каменные конструкции» студентами 3-го курса обучения. Описано содержание и основные особенности освоения материала лекций. Изложены базовые положения по изучению студентами четырех тем первой части курса: сущность железобетона, физико-механические свойства бетона и арматурной стали; стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов и их расчет по предельным состояниям; расчет железобетонных элементов по первой группе предельных состояний; расчет железобетонных элементов по второй группе предельных состояний.

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся в ННГАСУ по направлению 08.03.01

Строительство, профиль Экспертиза и управление недвижимостью, при подготовке к лекционным занятиям по учебной дисциплине Б.3.26

Железобетонные и каменные конструкции.

© Д.А. Ламзин, 2016

© ННГАСУ, 2016.

4

Введение

Всвоей будущей практической деятельности выпускник-бакалавр направления 08.03.01 Строительство, профиль Экспертиза и управление недвижимостью (ЭУН) может столкнуться с проблемами проектирования, строительства или эксплуатации сооружений с применением железобетона и каменных материалов. Во всех этих случаях ему необходимо четко представлять работу железобетонных и каменных конструкций под нагрузкой, а также правильно, рационально и экономично выбирать конструктивное решение.

Освоению курса «Железобетонные и каменные конструкции» должно предшествовать изучение следующих дисциплин: сопротивление материалов, строительная механика, строительные материалы, архитектура.

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов 3 курса (6-ой семестр) ННГАСУ в помощь при изучении курса лекций, на которые преподавателю в соответствии с действующим графиком учебной работы выделено 17 аудиторных часов.

Исходя из выделенного объема лекционных часов, в учебнометодическом пособии изложены основные рекомендации для студентов по освоению следующих тем первой части курса «Железобетонные и каменные конструкции»:

1.Сущность железобетона. Физико-механические свойства бетона и арматурной стали.

2.Стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов и их расчет по предельным состояниям.

3.Расчет железобетонных элементов по первой группе предельных состояний.

4.Расчет железобетонных элементов по второй группе предельных состояний.

Врезультате студент, освоивший данную дисциплину и успешно сдавший экзамен по пройденным темам, должен обладать восьмью профессиональными компетенциями (ПК-1, ПК-9, ПК-10, ПК-11, ПК-17, ПК18, ПКП-10.2, ПКП-10.3) для успешной изыскательской, проектноконструкторской, производственно-технологической, производственноуправленческой, монтажно-наладочной и сервисно-эксплуатационной деятельности.

5

Тема 1. Сущность железобетона. Физико-механические свойства бетона и арматурной стали

При изучении данной темы студенту необходимо понять сущность железобетона, принципы размещения арматуры в теле железобетонной конструкции. Необходимо усвоить, что арматура предназначена преимущественно для восприятия растягивающих усилий в изгибаемых и растянутых элементах и для усиления сечений сжатых элементов. Нужно узнать факторы, благодаря которым обеспечивается совместная работа бетона и арматура, а также достоинства и недостатки широко распространенного в строительстве материала – железобетона. Кроме того, студенту дается понятие о средстве повышения трещиностойкости и жесткости железобетонных конструкций, которым является их предварительное напряжение (п. 1.3.3 [1]). Он должен знать, что в производстве предварительно напряженных элементов возможны два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упор и натяжение ее на бетон. Нужно понять суть, достоинства и области применения обоих способов.

При изучении физико-механических свойств бетона (п. 1.1 [1]) студент должен усвоить, что прочность зависит от ряда факторов, основными из которых являются: технологические, возраст и условия твердения, форма и размеры лабораторных образцов, а также вид НДС и длительность воздействия. Дается понятие о силовых и объемных (усадка, набухание и температурные деформации) деформациях бетона. Важным является понимание того, что бетону свойственно нелинейное деформирование, а силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия подразделяют на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, при длительном действии нагрузки, и при многократно повторяющемся действии нагрузки. Студент знакомится с принципами классификации бетона, а также с основными нормируемыми и контролируемыми показателями его качества, такими как класс по прочности на сжатие В, класс по прочности на осевое растяжение Вt, марка по морозостойкости F, марка по водонепроницаемости W, марка по средней плотности D. Разъясняется, какие классы и марки бетонов следует предусматривать для разных видов бетонных и железобетонных конструкций. Объясняется, где приводятся и каким образом получаются значения нормативных и расчетных сопротивлений бетонов разных видов и классов при различных видах НДС, которые используются инженером в конструктивных расчетах. Студенту нужно пояснить, что при расчете

6

железобетонных элементов по нелинейной деформационной модели в качестве рабочих диаграмм состояния тяжелого, мелкозернистого и напрягающего бетона, определяющих связь между напряжениями и относительными деформациями, принимают упрощенные трехлинейную и двухлинейную диаграммы по типу диаграмм Прандтля. Для более детального изучения вопросов, связанных со свойствами бетона, студенту предлагается ознакомиться с подразделом 6.1 [2].

При изучении физико-механических свойств арматуры (п. 1.2 [1]) студенту нужно усвоить особенности деформирования разных видов сталей, которые устанавливаются по диаграмме σs – εs. Важным является понимание того, что на диаграмме деформирования мягких арматурных сталей присутствует площадка текучести, а высоколегированные и термически упрочненные стали переходят в пластическую стадию постепенно, не имея ярко выраженной площадки текучести на кривой. Нужно разъяснить, что при расчете железобетонных элементов по нелинейной деформационной модели в качестве расчетной диаграммы деформирования арматуры, принимают упрощенные диаграммы по типу диаграмм Прандтля для арматуры с физическим пределом текучести двухлинейную диаграмму, а для арматуры с условным пределом текучести – трехлинейную, без учета упрочнения за площадкой текучести. Изучается классификация арматуры с разъяснением обозначений ее классов. Объясняются принципы выбора арматуры в зависимости от вида армирования конструкций, а также принимаемые в расчетах значения нормативных и расчетных сопротивлений. Студент знакомится с видами арматурных изделий и учится читать их обозначения. Объясняются виды соединений арматуры на сварке, внахлестку, а также более современные соединения с применением специальных механических устройств (с опрессованными и резьбовыми муфтами). Для более глубокого изучения этих вопросов студенту предлагается ознакомиться с подразделами

6.2 и 10.3 [2].

Тема 2. Стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов и их расчет по предельным состояниям

При изучении данного раздела студент узнает, что на основе многочисленных опытов по нагружению различных железобетонных конструкций выделяют три характерные стадии напряженнодеформированного состояния в сечении элемента (п. 2.1 [1]). При этом в

7

общем случае сечения по длине железобетонной конструкции могут испытывать разные стадии напряженно-деформированного состояния. Важным является понимание того, что разрушение нормально армированного железобетонного элемента начинается с арматуры растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны, проявляя пластичный характер. Разрушение переармированных (с избыточным содержанием растянутой арматуры) элементов происходит по бетону сжатой зоны внезапно и носит хрупкий характер при неполном использовании прочности растянутой арматуры.

Студента знакомят с действующим в настоящее время методом расчета строительных конструкций по предельным состояниям (п. 2.3 [1]). При расчете по этому методу четко устанавливают предельные состояния конструкций и используют систему расчетных коэффициентов, введение которых гарантирует, что такое состояние не наступит при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок (раздел 6 [3]) и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов. Важно понять, что предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, то есть теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям (первая группа предельных состояний) или получают недопустимые перемещения (вторая группа предельных состояний). Студенту необходимо усвоить, что расчет по предельным состояниям первой группы выполняют, чтобы предотвратить следующие явления:

хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности с учетом в необходимых случаях прогиба конструкции перед разрушением);

потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций и т. п.) 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 повторяющейся подвижной или пульсирующей нагрузки: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов и перекрытий под неуравновешенные машины и т. п.);

8

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

Кроме того, студент должен понять, что расчет по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить такие явления, как:

образование чрезмерного и продолжительного раскрытия трещин (если по условиям эксплуатации они допустимы);

чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).

Следует осознать, что расчет по предельным состояниям конструкции в целом или отдельных ее элементов и частей выполняют для всех этапов: изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации, а расчетные схемы при этом должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов.

Студента необходимо познакомить с классификацией нагрузок в зависимости от продолжительности их действия (раздел 5 [3]). Нужно понять, что нормативное значение собственного веса различных конструкций (значения постоянных нагрузок) следует определять на основании стандартов, рабочих чертежей и паспортных данных заводов-изготовителей, а также по проектным размерам и удельному весу материалов и грунтов с учетом их влажности в условиях возведения и эксплуатации сооружений. Нормативные значения временных нагрузок принимаются по строительному заданию или если это возможно по [3]. Значения коэффициентов надежности по нагрузке принимаются по [3].

Тема 3. Расчет железобетонных элементов по первой группе предельных состояний

При изучении данной темы студенту нужно понять, что в расчетах на прочность исходят из III стадии напряженно-деформированного состояния. Ему необходимо усвоить, что расчет железобетонных конструкций на прочность при действии изгибающих моментов и продольных сил следует производить для сечений, нормальных к их продольной оси, при действии поперечных сил – на основе модели наклонных сечений, а при действии

9

крутящих моментов – на основе модели пространственных сечений. Кроме того, студенту необходимо разъяснить, что расчет по прочности нормальных сечений нормы проектирования рекомендуют производить на основе нелинейной деформационной модели, хотя в некоторых случаях допускают выполнять на основе предельных усилий. Важным является понимание того, что расчет по прочности железобетонных элементов по предельным усилиям производят из условия, что усилие от внешних нагрузок и воздействий F в рассматриваемом сечении не должно превышать предельного усилия, которое может быть воспринято элементом в этом сечении Fult. Студент знакомится с методиками расчета на прочность по нормальным сечениям изгибаемых элементов прямоугольного и таврового поперечных сечений (п. 3.3 [1]). Необходимо уяснить, что 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, а при их расчете различают два случая положения нижней границы сжатой зоны: в пределах полки и ниже ее. Рассматриваются расчеты нормальных сечений сжатых элементов (п.п. 4.1-4.3 [1]). Важно усвоить, что разрушение внецентренно сжатого элемента с относительно большим эксцентриситетом продольной силы по характеру близко к разрушению изгибаемого непереармированного элемента. Разрушение внецентренно сжатого элемента с относительно малым эксцентриситетом продольной силы происходит вследствие преодоления предельных сопротивлений в бетоне и арматуре в части сечения, расположенной ближе к силе; при этом прочность материалов в части сечения, удаленной от сжимающей силы, недоиспользуется. Студенту объясняются принципы прочностных расчетов по полосе между наклонными сечениями и наклонному сечению на действие поперечных сил, а также момента (п. 3.5 [1]). Нужно понять, что разрушение железобетонного элемента может происходить по наклонной трещине при текучести поперечной арматуры от разрушения бетона над вершиной наклонной трещины (разрушение по сжатой зоне) или от текучести либо нарушения анкеровки продольной арматуры (разрушение по растянутой зоне), а также может произойти разрушение бетона в блоках между наклонными трещинами. Первый вид разрушения по сжатой зоне наблюдается при сильной, хорошо заанкеренной продольной арматуре, а второй вид разрушения по растянутой зоне – напротив, при ослаблении продольной арматуры в пролете в результате ее обрывов или ослабления анкеровки продольной арматуры на шарнирных опорах. Последний вид разрушения наблюдается при сильной поперечной арматуре и слабой тонкой стенке в тавровых и двутавровых элементах. Для более детального изучения

10

темы расчетов железобетонных конструкций по первой группе предельных состояний студенту предлагается ознакомиться с подразделом 8.1 [2].

Тема 4. Расчет железобетонных элементов по второй группе предельных состояний

При знакомстве студента с основами расчетов железобетонных конструкций по второй группе предельных состояний необходимо разъяснить условия, из которых определяется возможность образования трещин. Нужно понять, что при расчете по предельным усилиям в железобетонном элементе образуются трещины, если усилие от внешних нагрузок и воздействий F в рассматриваемом сечении превышает предельное усилие Fcrc, ult, которое может быть воспринято элементом при образовании трещин. Важно усвоить, что расчет железобетонных элементов следует производить по продолжительному и по непродолжительному раскрытию нормальных и наклонных трещин. Студент изучает методики определения усилий при образовании трещин с использованием понятия приведенного сечения. Разъясняется схема определения ширины нормальных трещин железобетонных элементов с объяснением всех коэффициентов, входящих в расчетную формулу. Студент должен понять, что расчет по раскрытию трещин производят из условия, по которому ширина раскрытия трещин от внешней нагрузки аcrc не должна превосходить предельно допустимого значения ширины раскрытия трещин аcrc, ult, установленного нормами.

Студенту разъясняется, что расчет железобетонных элементов по деформациям производят из условия, по которому прогибы или перемещения конструкций f от действия внешней нагрузки не должны превышать предельно допустимых значений прогибов или перемещений fult. Кроме того, при изучении расчетов по деформациям, студент знакомится с такими базовыми понятиями как полная кривизна и изгибная жесткость приведенного поперечного сечения железобетонных элементов. Важно понять, что в общем случае жесткость меняется по длине элемента и для определения максимальных прогибов используют упрощенные подходы и расчетные формулы. Для более глубокого изучения вопросов, связанных с расчетами железобетонных конструкций по второй группе предельных состояний студенту предлагается ознакомиться с подразделом 8.2 [2].