Необходимость постановки сжатой арматуры

Расчет прочности нормальных сечений изгибаемых элементов

Таврового и двутаврового профилей

Так как растянутый бетон в расчетах прочности изгибаемых элементов не учитывается (растягивающие напряжения воспринимаются арматурой), разумно из растянутой зоны убрать лишний бетон и оставить такое его количество, которое необходимо для обеспечения совместной работы арматуры и бетона, защиты арматуры от коррозии и обеспечения огнестойкости.

Эта идея и реализуется в элементах таврового и двутаврового сечений, которые применяют как самостоятельно, так и в составе других конструкций

Нейтральная ось расположена в полке.

Выполняется условие x ≤ h’_f.

Предварительно положение нейтральной оси можно определить из уравнений равновесия, приняв в них, высоту сжатой зоны х = h’_f.

Если условия соблюдаются, то нейтральная ось в полке и расчет выполняется как для прямоугольного сечения с размерами b’_f × h, т.е. не отличается от расчета прямоугольного сечения с одиночной арматурой.

Нейтральная ось пересекает ребро сечения

Сечение рассчитывается с учетом сжатого ребра. Расчетные формулы выводятся из условия равенства нулю суммы моментов от всех действующих усилий, относительно любой точки сечения и равенства нулю проекций всех сил на горизонтальную ось элемента.

Положение нейтральной оси

Расчет прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов (ЖИЭ) прямоугольного профиля с двойной арматурой

Необходимость постановки сжатой арматуры

Сжатую арматуру устанавливают по расчету, когда ь бетона сжатой зоны оказывается недостаточной для восприятия изгибающего момента от внешней нагрузки, т,е., соблюдается условие.

Обычно это бывает в том случае, когда увеличение высоты сечения или повышение класса бетона оказывается невозможным по архитектурным, технологическим, экономическим или другим соображениям, а также для уменьшения деформаций ползучести или уменьшения эксцентриситета усилия обжатия в преднапряженных конструкциях.

Уравнение равновесия

В равновесном состоянии сумма моментов всех усилий относительно точки «1», равна нулю.

Проектируя все действующие силы на продольную ось элемента, получим второе уравнение статики.

Наиболее экономичными будут сечения с минимальным содержанием арматуры, что достигается применением в расчетах высоты сжатой зоны равной граничной высоте Х = Х_Rи применением относительной высоты сжатой зоны ξ_R и коэффициента α_R.

При бетонах В30 и ниже и арматуры А240, А300, А400 допускается сечения рассчитывать при ξ=ξ_R и х=х_Rпо формулам

Максимально возможная несущая способность бетона сжатой зоны сечения элемента

M_b,max = α_RR_bbh_o 2 Остаток внешнего момента, воспринимается сжатой арматурой

Для арматуры классов А240, А300, А400 R_s= R_sс,

Умножим и разделим правую часть выражения на h_o,

Учитывая, что при α_R = 0,4; ξ_R=0,55 получим

A_s = (0,55R_b·bh₀ / R_s) +A`<sub>s</sub> Формулы справедливы при условии, что x > 2а`. Если x ≤ 2а`, то z_b = z_a и прочность сечения проверяется по упрощенной формуле.

В случае применения арматуры и бетона более высоких классов расчет прочности производится в соответствии со СП.

Источник

Об особенностях работы соединений арматуры внахлест в ж.б. конструкциях

Соединения арматуры внахлест применяют прежде всего по технологическим причинам, таким как простота выполнения соединения (отсутствие необходимости проведения специального контроля, как, например, при сварном соединении) и высокая скорость производства работ. Поэтому, не смотря на то, что данные стыки приводят к увеличению расхода арматуры, они остаются самыми популярными среди всех возможных стыков арматуры. Но не смотря на очевидные плюсы данного вида стыков, есть и особенности, о которых нужно помнить при выборе этого вида соединений.

Главная особенность состоит в том, что в работе стыка участвует бетон, в отличии от сварного соединения или соединения с помощью муфт. Каждый из нахлестываемых стержней цепляется своими выступами за окружающий соединение бетон и передает через него усилия на соседний стержень, под некоторым углом. Общий принцип распределения напряжений в арматуре аналогичен распределению напряжений при анкеровке. В начале стыка напряжение в стержне максимальное, в конце стержня равно нулю. Аналогично и у второго стержня. Суммарное усилие, которое воспринимают оба стержня на любом участке по длине стыка не превосходит усилия в начале стыка в каждом из стержней. Условно можно считать, что в середине стыка каждый из стержней воспринимает половину приходящегося на стык усилия. Длину нахлеста, теоретически, можно считать равной длине анкеровки, но как показывает практика, передача усилия с одного стержня на другой, с участием бетона, происходит хуже, чем передача усилий с арматуры на бетон при анкеровке, поэтому в нормах добавлены коэффициенты, увеличивающие длину нахлеста по сравнению с длиной анкеровки.

Передача усилий в соединениях внахлест

Характерное откалывание защитного слоя бетона

Чем выше диаметр стержней и соответственно усилия в них, тем выше усилия и в бетоне. Для восприятия поперечных раскалывающих усилий, в пределах стыка, должна устанавливаться перечная арматура (данное обязательное требование относится и к стыкам, работающим на динамические нагрузки). При отсутствии поперечной арматуры особо важную роль играет величина защитного слоя, так, при небольшой его величине и большом диаметре стыкуемых стержней, он может легко отколоться и стык работать не будет.

При близком расположении стыков раскалывающие напряжения в бетоне накладываются, поэтому в нормах по железобетону указано о необходимости смещения стыков относительно друг друга.

Распределение поперечных растягивающих напряжений в бетоне

Возможные варианты установки поперечной арматуры

Поперечная арматура в виде спиралей

Поперечную арматуру можно не устанавливать, если арматура стыкуется в 1/4 — 1/3 пролета, где напряжения в ней минимальные и по расчету (на действие изгибающих моментов) требуется арматура диаметром не более 10 мм, при расстоянии между стыками не менее 10d стыкуемой арматуры.

Требование к установке поперечной арматуры для стыкующихся внахлест стержней также указано в «Методическое пособие Проектирование железобетонных конструкций с применением сварных сеток и каркасов заводского изготовления. Москва 2016». Цитата из пособия: «При стыковании арматуры внахлестку дополнительная поперечная арматура требуется в следующих случаях:
— диаметр стыкуемых стержней 16 мм и более;
— свыше 50% стержней стыкуется в одном сечении;
— при воздействии динамических нагрузок.
Поперечную арматуру располагают на участках 1/3 l по краям длины нахлестки. На каждом из этих участков должно быть не менее трех поперечных стержней, при продольной арматуре из стали А500СП, их число может быть снижено до двух.
Поперечная арматура должна располагаться с внешней стороны стыкуемых стержней. Для постоянно сжатых стержней по одному дополнительному поперечному стержню следует устанавливать с каждой стороны за пределами длины нахлестки на расстоянии 4ds, от крайних поперечных стержней, расположенных в пределах длины нахлестки. В качестве поперечной арматуры стыков можно использовать горизонтальные участки хомутов, вертикальные (боковые) участки которых служат для обеспечения прочности на срез. Поперечная арматура в виде узких хомутов или скруток, охватывающая стыкуемые стержни, рекомендуется для стержней крупных диаметров (28 мм и выше).

…В сжатых элементах допустимо стыковать все стержни в одном сечении путем нахлестки без сварки. Стержни диаметров более 25 мм в сжатых элементах и 32 мм в растянутых не рекомендуется стыковать внахлестку.
В порядке исключения такие соединения допустимы, если минимальный размер поперечного сечения элемента равен или более 1 м и, если напряжения в стержне не превышают 80% расчетного сопротивления.
Для стыкования стержней большого диаметра могут быть применены контактные стыки (только для условий работы на сжатие), а также сварные стыки и стыки с использованием винтовых или обжимных муфт.
При отсутствии поперечных сжимающих усилий в зоне стыкования стержней внахлестку следует устанавливать конструктивную поперечную арматуру. При стыковании внахлестку стержней, работающих на растяжение, поперечную арматуру устанавливают по расчету.
Для восприятия расклинивающих усилий у концов стыкуемых сжатых и растянутых стержней необходима установка дополнительной поперечной арматуры у концов стержней за пределами нахлестки на участках 4ds».

Кроме указанного выше документа требование об установке поперечной арматуры для растянутых стыков содержится в «Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84)» (в пункте 5.51), а также в СП 63.13330 (в пункте 10.3.30) и в др. литературе по железобетону.

Дальше в статье приведены результаты экспериментального исследования работы стыков внахлест в балках.

Работа стыков растянутой арматуры при чистом изгибе балок
Материалы данной главы взяты из статьи Мехрана Ghasabeh (с ресурса: http://etd.lib.metu.edu.tr/upload/12615530/index.pdf).

Два типа разрушений балок, при недостаточном сцеплении арматуры:

1. Образование трещин на растянутой грани балки, если защитный слой арматуры менее половины расстояния в свету между стержнями

2. Образование трещин на боковой грани балки, если расстояние в свету между стержнями менее защитного слоя арматуры

В первом эксперименте Мехрана Ghasabeh балка хрупко разрушилась в месте нахлеста не достигныв предельных напряжений в арматуре, рассчитанных по уравнениям прочности.

Схема установки для испытания балок на чистый изгиб

Схема армирования экспериментальной балки без хомутов в зоне нахлеста

Разрушение произошло на растянутой грани от изгибной трещины в конце стыка.

Во втором эксперименте защитный слой до верхней и боковых граней балки был больше расстояния между стержнями, разрушение балки произошло по боковым граням. После образования трещин на боковых гранях, изгибные трещины раскрылись еще больше.

Пример 1 испытания балки на изгиб в зоне нахлеста арматуры

Пример 2 испытания балки на изгиб в зоне нахлеста арматуры

Пример разрушения растянутого стыка арматуры

В последнем эксперименте была та же арматура и защитные слои, что и в прошлом эксперименте, но было установлено 6 хомутов, вместо 4-х, чтобы добиться разрушения от изгибных трещин. Первыми появились изгибные трещины, далее, при образовании боковых продольных трещин, из-за небольшого защитного слоя (менее допустимого по ACI) произошло хрупкое разрушение балки при напряжениях, меньших, чем балка несла в прошлом эксперименте (с 4 хомутами). Таким образом, при нарушении величины защитного слоя поперечная арматура не только не увеличила прочность стыка, но даже ухудшила работу стыка.

По результатам экспериментов были сделаны следующие выводы:

Работа изгибаемых стыков с дополнительным поперечным армированием

В данной главе использованы материалы кандидатской диссертации Мохамеда Кассема Омара «Влияние косвенного армирования на несущую способность стыковых соединений арматуры железобетонных конструкций» (с сайта tekhnosfera.com).

В диссертации рассматриваются экспериментальные исследования бессварных стыков с косвенной спиральной арматурой и дополнительной продольной арматурой внутри кольцевой спирали, создающей эффект обоймы, и рассматривается влияние данного эффекта на несущую способность стыкового соединения. Установлено увеличение касательных напряжений на торцах стыка и близкое к линейному распределение в средней части стыка.

Отличие работы сжатых и растянутых стыков арматуры в колоннах
Материалы данной главы взяты из зарубежной литературы к коду EC2.

Особенностью работы сжатых бессварных стыков арматуры является передача сжимающего усилия не только по длине стыкуемых стержней, но и через их торцы (по аналогии со сваями в грунте), которые опираются на бетон и передают на него часть сжимающего усилия. Кроме того, из-за отсутствия растяжения в бетоне (и соответственно трещин в нем), он воспринимает больше усилий, чем в растянутых стыках. В растянутом стыке напряжения в стержнях увеличиваются в местах образования трещин по длине стыка, в сжатом усилия более равномерные, из-за отсутствия трещин. Силы сцепления арматуры с бетоном до образования трещин непрерывны, после образования трещин становятся прерывными, и на стержни, в местах образования трещин, передается больше растягивающих усилий. В середине стыка каждый из растянутых стержней воспринимает половину усилия, действующего в стержнях в начале соединения внахлест.

При расположении колонн на торце фундаментных плит рекомендуется устанавливать дополнительные П-образные хомуты для вертикальных стержней колонны в теле фундаментной плиты для предотвращения сдвига по наклонному сечению

Пример установки поперечных стержней за зоной сжатого стыка

В сжатом стыке, в отличии от растянутого, нет такой сильной зависимости несущей способности стыка от защитного слоя бетона, однако, есть зависимость несущей способности от расстояния между торцом стержня и кромкой бетона (из-за эффекта опирания торца стержня на бетон). Влияние поперечной арматуры больше в сжатом стыке, чем в растянутом. При сжатии, торец стержня упирается в бетон и создает эффект «протыкания» бетона, чтобы этот эффект предотвратить, в европейских нормах есть требование об установке дополнительного поперечного стержня за зоной нахлеста, на расстоянии не менее 4 диаметров анкеруемого стержня.

Соединение внахлест сжатой арматуры по Еврокоду 2

Если в колонне есть растянутые стыки, они работают аналогично растянутым стыкам в плите перекрытия.

Следует также отметить, что в действующем СП63, в отличие от СП52, нет требования по разбежке сжатых стержней стыкуемых внахлест в одном сечении, в СП63 это требование оставили только для растянутых стержней.

Если нахлест осуществляется с помощью отгиба арматуры в средней части колонны, то нужно конструктивно устанавливать дополнительные хомуты в месте отгибания вертикальных стержней, так как из-за изгиба появляется горизонтальная составляющая вертикальной силы, которая стремиться выколоть защитный слой в зоне изгиба.

Рис. 1. Схема распределения усилий в зоне отгиба вертикального арматурного стержня

Рис. 2. Дополнительные хомуты при величине отгибаемой части стержня большей, чем толщина плиты

Рис. 3. Схема выкалывающих усилий в зоне отгиба арматурного стержня при действии сжимающих или растягивающих усилий (из статьи «Bursting forces in reinforced concrete column. M. Gohner, С. Morris, K. Webber. The Structural Engineer Volume 77/NOS 23 & 24 7 December 1999. Источник: «https://www.istructe.org/webtest/files/e0/e0392631-9f18-44d8-ad69-4d5895b52b42.pdf»)

Рис. 4. Схема выкалывающих усилий в зоне отгиба арматурного стержня при действии сжимающих усилий (из статьи «Bursting forces in reinforced concrete column. M. Gohner, С. Morris, K. Webber. The Structural Engineer Volume 77/NOS 23 & 24 7 December 1999. Источник: «https://www.istructe.org/webtest/files/e0/e0392631-9f18-44d8-ad69-4d5895b52b42.pdf»)

Рис. 5. Формулы для определения выкалывающего усилия в бетоне и напряжений в охватывающем отгибаемый стержень хомуте (из статьи «Bursting forces in reinforced concrete column. M. Gohner, С. Morris, K. Webber. The Structural Engineer Volume 77/NOS 23 & 24 7 December 1999. Источник: «https://www.istructe.org/webtest/files/e0/e0392631-9f18-44d8-ad69-4d5895b52b42.pdf»)

Особенность работы стыков внахлест, в колоннах, при циклических сейсмических нагрузках

У сейсмических нагрузок есть 2 главных отличия от обычных нагрузок: 1) эта нагрузка является циклической (повторяющейся), 2) эта нагрузка приводит к знакопеременным усилиям в колоннах.

Работа стыков арматуры в колоннах при сейсмических нагрузках

Источник

Что такое арматура?

Развитие строительной отрасли требует разработки новых материалов, отвечающих современным требованиям. Обеспечение прочности фундаментов, каркасов зданий связано с применением специальных элементов, которым посвящен материал статьи. Арматура – это неотъемлемая часть железобетона, компенсирующая растягивающие напряжения.

Для железобетонных сооружений и изделий применяют стальные элементы, объединенные каркасами, обладающими повышенной прочностью при воздействии растягивающих усилий. По виду применяемого материала существуют также неметаллические виды арматуры, используемые для специальных целей.

В различных типах железобетонных изделий применяется стальная арматура для бетона, параметры которой определяются на проектной стадии. Она отличается прочностными характеристиками, химическим составом, технологией производства, диаметром, профилем, принципом использования.

Остановимся подробно на этих конструктивных элементах. Рассмотрим, что такое арматура, ее разновидности, каковы ее свойства, область применения.

Стальная арматура — это традиционный тип материала для армирования

Необходимость применения

Рассмотрим, для чего используется, как работает арматура в фундаменте или строительной конструкции.

Бетон известен, как строительный материал, обладающий высокой прочностью, длительным ресурсом эксплуатации. Бетонный массив, сохраняя целостность, воспринимает сжимающие усилия, но восприимчив к растягивающим нагрузкам, сдвигам. Они вызывают появление трещин, нарушение целостности.

Применение армированного бетона позволило улучшить эксплуатационные характеристики объектов. Монолитный железобетонный массив включает стальные рифленые прутки, имеющие высокую степень адгезии с бетоном. При изготовлении железобетона предварительно формируется контур усиления с последующей заливкой бетонным составом. Полученная конструкция отличается комплексом характеристик:

Возведение зданий производится из бетона, усиленного арматурой. Насколько нужна арматура в бетоне? Она повышает прочностные характеристики, компенсирует воспринимаемые усилия, осуществляющие:

Арматура — линейно протяженные элементы в железобетонной конструкции, предназначенные для восприятия растягивающих (главным образом) и сжимающих усилий

Армирование бетона положительно повлияло на улучшение характеристик, обеспечивая повышенную адгезию рифленых металлических стержней и бетонного массива.

Как правило, в бетоне располагаются стержни арматуры по вертикалям и горизонталям, что позволяет компенсировать перпендикулярно направленные нагрузки, действующие на железобетонную конструкцию. В изделиях, сооружениях из бетона применяются различные типы стальных прутков, отличающиеся конструктивными особенностями, свойствами.

Общая классификация

Используемая в строительной отрасли арматура – это стальные прутки, классифицируемые на различные типы. Они отличаются следующими признаками:

Исходя из области использования, можно выделить поперечную и продольную арматуру

Разновидности

Рассмотрим каждую особенность. Согласно используемому профилю, применяются следующие прутки:

В зависимости от того, как осуществляется работа арматуры в фундаменте или железобетонном сооружении, стержни отличаются характером воспринимаемых усилий, действующих:

Стержни усиления разделяются на виды, согласно принципу действия. Прутки могут находиться в бетоне в различном состоянии:

Арматурная сетка зачастую используется при армировании плит

Армирование бетона производится стержнями, отличающимися по назначению. Применяются следующие прутки:

При выполнении усиления каркасного и сетчатого типа рабочие прутки применяются совместно с монтажными, распределительными стержнями.

Согласно выбранному способу монтажа, применяются следующие усиления:

Можно сделать вывод о том, что возведение железобетонных конструкций невозможно без применения такого материала, как арматура

В зависимости от способа изготовления, элементы усиления применяются в виде:

Отдельная разновидность – неметаллические прутки, произведенные из стеклопластиковых или полимерных композитов, содержащих углеродные, базальтовые или стеклянные волокна. Они восприимчивы к изгибающим усилиям, подвержены горению, не воздействуют на электромагнитные излучения. Отличается от стальных стержней:

Арматура получила широкое использование в сфере строительства

Область применения

Сферы использования изделий из стали, применяемых для усиления бетона, достаточно широки:

Железобетон используется для строительных мероприятий в зонах с повышенной сейсмической активностью, холодными климатическими условиями.

Маркировка арматуры, применяемой для каждой из перечисленных сфер применения, различна. Она включает аббревиатуру, состоящую из определенных букв и цифр. Остановимся на этом более детально.

Специфика маркировки

Маркировка арматуры обеспечивает возможность применять стальные прутки для решения конкретных задач, связанных с усилением бетонных конструкций.

Характеристика изделия определяется толщиной используемого прута, однако главные механические свойства арматуры зависят от технологического процесса изготовления

Индивидуальное обозначение арматура содержит в виде заглавных букв:

Цифровое обозначение арматура имеет в виде цифр, характеризующих текучесть материала, указанную в мегапаскалях. С повышением значения показателя возрастает надежность, прочностные характеристики. Термически упрочненные стальные стержни маркируются обозначением от А240 до A1000.

Прутки разделяются на классы, обозначаемые А1–А4:

От правильного выбора маркировки элементов усиления зависит, как работает арматура в бетоне. Маркировка продукции может содержать диаметр прутка. Например, индекс А600 Т Ø20 обозначает, что это рифленый пруток диаметром 20 мм из низколегированной термоупрочненной холоднокатаной стали с текучестью 600 мегапаскалей.

Заключение

Материал статьи знакомит с особенностями конструкции, разновидностью элементов усиления, являющихся неотъемлемой частью железобетона. Правильный выбор стальных прутков гарантирует прочность бетонного массива на протяжении длительного времени.

Источник