Конструкции сборно-монолитных перекрытий

При пролетах до 9 м возможны перекрытия с предварительно-напряженными элементами, которые имеют вид железобетонной доски и служат остовом и растянутой зоной балки, снабженной арматурой. На эти элементы устанавливают корытной формы ар­мированные элементы, а по ним, как по опалубной форме, укладывают монолитный бетон. В неразрезных перекрытиях описанного типа над опорами устанавливают дополнительную арматуру.

Конструкция сборно-монолитного перекрытия, в котором объем монолитного бетона составляет 30% общего объема бетона в перекрытии, образована из сборных предварительно-напряженных досок и панелей корытной формы.

Бетон замоноличивания укладывают в пазы, образованные между боковыми гранями смежных панелей. Неразрезность главной и второстепенных балок достигается укладкой на монтаже опорной арматуры. Для лучшей связи между сборным и монолитным бетоном из железобетонной доски — днища главной балки — выпущены хомуты.

Сборно-монолитные ребристые перекрытия рассчитывают с учетом перераспределения моментов, что дает возможность уменьшить количество опорной арматуры, укладываемой на монтаже. Возможность выравнивания моментов для неразрезных сборно-монолитных элементов проведена специальными опытами.

 

 

5.7. Расчет сжатых сборных элементов.

 

1. Виды внецентренно сжатых элементов.

Сжатыми называют такие элементы, которые подвергаются действию продольной сжимающей силы.

В условиях внецентренного сжатия находятся колонны одноэтажных производственных зданий с крановыми нагрузками (Рис. 1, а, б),

а)     N                  P ₂                   б)

                                                                e ₀ = M / N

                                  P ₁                           N

H             H   e _{0 1}                     N = P ₁ + P ₂

                                                               M = P ₁ e _{0 1}

                        h

 

 

в)          q                                     q

              1                                                     M

                                                                                  N

                                                              Q

              1                                                     

 

Рис. 1. Виды внецентренно сжатых конструкций.

 

элементы рамных конструкций, арки (Рис. 1, в); стены прямоугольных резервуаров, воспринимающие боковое давление грунта и т.п. Внецентренно сжатые элементы испытывают воздействие продольной силы N, приложенной с эксцентриситетом относительно центра тяжести (Рис. 1, а) или воздействие силы N и момента М (Рис. 1, б). Одновременное действие силы N и момента М эквивалентно действию только одной силы N, приложенной с эксцентриситетом e ₀ = M / N относительно центра тяжести сечения (Рис. 1, б).

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 случайный эксцентриситет e _A, обусловленный начальным искривлением элемента, неточностью монтажа, неоднородностью свойств бетона по сечению элемента, неточностью расположения продольной рабочей арматуры и т.п.

Величину e _A принимают равной большему из значений e _A = L / 600,
e _A = h / 30, где L, h - длина и высота поперечного сечения. Кроме того, для конструкций, образуемых из сборных элементов, следует учитывать смещение, зависящее от вида конструкции, способа монтажа и т.п.

Согласно нормам при расчете статистически определимых конструкций случайный эксцентриситет e _A - суммируют с эксцентриситетом e ₀ = M / N, определенным расчетом; для статистически неопределенных конструкций делается послабление, обусловленное возможностью перераспределения усилий в элементах конструкций, и значение эксцентриситета принимается равным расчетному.

 

2. Конструктивные особенности сжатых элементов.

Поперечные сечения элементов назначают в зависимости от характера их работы. Для элементов, сжатых со случайными эксцентриситетами, применяют преимущественно квадратную, круглую или многоугольную формы поперечного сечения (Рис. 2, а). в целях экономии такие элементы могут быть полыми.

а)

 

б)

              e ₀

                  *

 

Рис. 2.Поперечные сечения внецентренно сжатых элементов.

 

Поперечные сечения элементов, работающих с расчетным эксцентриситетом принимают прямоугольными, тавровыми или двутавровыми (Рис. 2, б). Наиболее распространенными являются прямоугольные сечения.

Размеры поперечного сечения колонн определяют расчетом и в целях унификации опалубки и армирования назначают их кратными 50, если сечения не превышают 500 мм, и кратными 100 - при больших размерах. Для повышения качества бетонирования размеры поперечного сечения менее
250 мм для монолитных колонн не рекомендуется.

Для сжатых колонн применяют бетоны классов В15..В30. В последние годы разработаны проекты и начато внедрение элементов из бетонов более высоких классов, что позволяет получить существенную экономию материалов, особенно у элементов со случайным эксцентриситетом.

Системы армирования сжатых элементов классифицируют по виду продольной и поперечной арматуры. Армирование в продольном направлении может выполнятся гибкой или жесткой (несущей) арматурой, в поперечном направлении - с помощью хомутов, сеток и спиральной арматуры учитываемых в расчете (так называемое косвенное армирование).

Сжатые элементы проектируют с ненапрягаемой и напрягаемой арматурой. Предварительно напряженную арматуру целесообразно применять при относительно больших эксцентриситетах, когда изгибающие моменты значительны и вызывают растяжение части сечения, а также при большой гибкости элементов. Для гибких элементов предварительное напряжение создает лучшие условия работы в период изготовления, транспортирования и монтажа, так как они работают на поперечный изгиб.

В основном сжатые элементы армируют ненапрягаемой арматурой классов A-II...A-III. В этом случае диаметр продольных стержней обычно назначают не более 40 мм и не менее 16 мм в сборных элементах и 12 мм в монолитных. Стержни диаметром более 40 мм трудно обработать, а менее12...16 мм не обеспечивают жесткости каркаса при монтаже.

Все стержни рабочей арматуры рекомендуется назначать одного диаметра. Если рабочая арматура конструируется из стержней разного диаметра, то допускается применение не более двух разных диаметров. При этом стержни большего диаметра размещают в углах сечения. Рабочие стержни устанавливают в поперечном сечении возможно ближе к поверхности элемента с соблюдением минимальной толщины защитного слоя бетона, которая должна быть не менее диаметра стержня и не менее 20 мм. Расстояние между стержнями назначают не менее 30 мм в сборных колоннах (при горизонтальном бетонировании), и не менее 50 мм в монолитных колоннах (при вертикальном бетонировании) и в обоих случаях не менее диаметра стержня (Рис. 3). Максимальное допустимое расстояние между стержнями составляет 400 мм.

а)

                        £ 400     £ 400

                            

      £ 400

 

                                                                        1   2

                        600 £ h £ 1000         1   2

 

б)           £ 400 £ 400         3

 

£ 400

 

 

                        600 £ h £ 1000

Рис. 3. Армирование сжатых элементов с гибкой арматурой:

а) сварными каркасами; б) вязаными.

     1 - сварные каркасы; 2 - шпильки; 3 - вязаные хомуты.

 

В элементах со случайным эксцентриситетом продольную арматуру распределяют равномерно по периметру сечения с обязательной постановкой стержней в углах, с тем чтобы колонна могла лучше воспринимать изгибающие моменты от случайных боковых воздействий и расчетных усилий. Колонны сечением до 40 ´ 40 см можно армировать четырьмя стержнями, а при расстоянии между ними более 400 мм следует предусматривать промежуточные стержни по периметру сечения.

В элементах с расчетными эксцентриситетами (е ₀ > е _А) продольные рабочие стержни размещают вдоль коротких граней.

Расположение продольной арматуры может быть симметричным относительно центра тяжести сечения и несимметричным. Первый вариант армирования применяют в элементах с малыми эксцентриситетами приложения продольной силы и при действии близких по значению моментов разных знаков. Симметричное армирование проще в изготовлении, но менее экономично в случае больших эксцентриситетов.

Поперечную арматуру (хомуты) в сжатых элементах устанавливают конструктивно для обеспечения проектного положения продольной арматуры и предотвращения ее стержней от выпучивания при действии внешней нагрузки, а при необходимости для восприятия поперечной силы. Исходя из этого расстояния между хомутами назначают: при R _{S C} £ 400 МПа - не более 500 мм и не более 20 d в сварных каркасах или 15 d в вязаных; при R _{S C} ³ 450 МПа - не более 400 мм и не более15 d в сварных каркасах или 12 d в вязаных. В местах стыкования рабочих стержней внахлестку без сварки расстояния между хомутами принимают не более 10 d. Во всех случаях шаг хомутов округляют до размеров, кратных 50 мм.

Продольную и поперечную арматуру в сжатых элементах объединяют в пространственные сварные или вязаные каркасы. Сварные пространственные каркасы образуются из плоских каркасов, расположенных у противоположных граней колонны, с помощью поперечных соединительных стержней, привариваемых контактной сваркой к угловым продольным стержням или путем сварки отдельных плоских каркасов между собой. Если каркасы противоположных граней колонны имеют промежуточные продольные стержни, то их по крайней мере через один соединяют с помощью привариваемых поперечных стержней или шпилек (Рис. 3, а). При этом расстояние между закрепляемыми стержнями должно быть не более 400 мм.

Шпильки допускается не ставить при ширине грани колонны 500 мм и менее, если число продольных стержней у этой грани не превышает четырех.

Вязаные пространственные каркасы образуют путем охвата продольных стержней замкнутым хомутом. При этом продольные стержни должны располагаться в местах перегиба хомутов, а расстояние между перегибами должно быть не более 400 мм по ширине грани элемента (Рис. 3, б).

В качестве продольной арматуры целесообразно применять горячекатаные стали классов A-III, A _T -III и A-II. Максимальные сжимающие напряжения в арматуре зависят от предельной сжимаемости бетона и s _S = 400 МПа, а при длительном действии нагрузки s _S = 500 МПа. Поэтому применение в сжатых элементах арматуры с расчетным сопротивлением
R _S > s _S невыгодно, так как не используются прочностные свойства стали. При значительных нагрузках и больших эксцентриситетах возможно применение в вязаных каркасах арматуры классов A _T - IV, A _T - V, A - V диаметром до 32 мм в сочетании с сетками косвенного армирования.

Насыщение поперечного сечения сжатых элементов продольной арматурой оценивают коэффициентом (процентом) армирования m (m %). По экономическим соображениям оптимальный процент армирования принимают 1...2 %. Не рекомендуется проектировать элементы с m > 3 %.

Минимальное содержание арматуры устанавливают в зависимости от гибкости элемента: оно обеспечивает восприятие не учитываемых расчетом воздействий (температурных, усадочных и т.п.) и предотвращает хрупкое разрушение от образования трещин.

 

3. Основы расчета прочности сжатых элементов.

Опыты показывают, что внецентренно сжатые элементы в стадии 3 напряженно-деформированного состояния разрушаются по нормальным сечениям в двух случаях: в зависимости от армирования сжатой и растянутой зон, а также от эксцентриситета приложения сжимающей силы.

Случай 1. Наблюдается в элементах, которые нагружены с большим эксцентриситетом и имеют незначительную растянутую арматуру. В этом случае, как и при изгибе, задолго до разрушения в растянутой зоне появляются трещины и по мере возрастания нагрузки ширина их раскрытия увеличивается, а нейтральная ось перемещается ближе к сжатой грани. Разрушение начинается с предела текучести (физического или условного) в растянутой арматуре и завершается достижением предельного сопротивления бетона в сжатой зоне (Рис. 4, б).

Случай 2. Наблюдается в элементах со сравнительно малыми эксцентриситетами. Этим случаем охватывается два варианта напряженного состояния сечения. Если сжимающая сила находится в пределах ядра сечения, все сечение будет сжато, но неравномерно (Рис. 4, а). При несколько большем эксцентриситете в части сечения, наиболее отдаленной от точки приложения силы, возникают растягивающие напряжения. В этом случае разрушение элемента происходит в результате достижения предельных сопротивлений в бетоне и арматуре наиболее сжатой части сечения. Напряжения в арматуре, находящейся у противоположной грани, как правило, не достигают предела текучести (Рис. 4, в).

а)                                        б)                              в)

                                                     e                                e

              e ₀                                   e ₀                                              e ₀

              N                                   N                         N

 

S

 

S

                                                     x                               x

                                                                        s _{B T}

                        R _B                            R _B   s _B                     R _B

                                                                  

R _{S C} A _S R _{S C} A¢ _S                R _B bx                 R _S A _S R _B bx

                                  R _S A _S       R _{S C} A¢ _S                                   R _{S C} A¢ _S

 

A _B                                                x                              x

                                  A _S         a            A _S      a

A _S

                        b                             b                               b

                                                              A¢ _S

              h            a       h ₀                    a  h ₀      A¢ _S

                                           h                                    h

 

Рис. 4. Схемы расчетных усилий в сечениях сжатых железобетонных элементов со случайным (а) и расчетным (б, в) эксцентриситетами.

 

В сечении с небольшим количеством арматуры при значительной продольной силе, приложенной с небольшим эксцентриситетом, сжимающие напряжения в сечении распределены более равномерно, и разрушение может наступить вследствие достижения предельных сопротивлений в бетоне и арматуре по всему сечению (Рис. 4, а).

Случай 1. Имеет место при x =x / h ₀ £ x _R, случай 2 - при x > x _R.

x - относительная высота сжатой зоны.

 

4. Расчет прочности элементов прямоугольного сечения с несимметричной арматурой.

Случай 1. (x =x / h ₀ £ x _R). Характеризуется тем, что часть сечения сжата, а часть растянута, и что разрушение начинается с растянутой зоны. Расчетные зависимости получают на основе предпосылок, аналогичных принятым для изгибаемых элементов: расчет ведется по 3 стадии напряженно-деформированного состояния (случай 1); в предельном состоянии по прочности принимают s _S = R _S, s¢ _{S C} = R _{S C}, s _B = R _B; эпюра напряжений в бетоне сжатой зоны прямоугольная; работа растянутого бетона не учитывается.

Условие прочности получают, сопоставляя внешний момент М и сумму моментов внутренних сил в сечении относительно центра тяжести растянутой арматуры S:

N e £ M _B + M¢ _S = R _B bx (h ₀ - x / 2) + R _{S C} A ¢_S (h ₀ - a¢), (1)

где M _B - момент воспринимаемый бетоном сжатой зоны; M¢ _S - момент, воспринимаемый сжатой арматурой e = e ₀ + h / 2 - a.

Высоту сжатой зоны бетона находят, проектируя все действующие в сечении силы на горизонтальную ось:

N = N _B + N¢ _S - N _S = R _B bx + R _{S C} A ¢_S - R _S A _S.

Пользуясь полученными зависимостями, можно проверить несущую способность сечения или подобрать требуемую арматуру. При определении несущей способности из предыдущей формулы:

x = (N - R _{S C} A ¢_S + R _S A _S) / R _B b.

Если x £ x _R = x _R h ₀ (случай 1), то подставляя его в первую формулу (1) и проверяют условия прочности. При x > x _R расчет ведут по формулам случая 2.

При подборе сечения арматуры по ранее выведенным уравнениям оказывается 3 неизвестных: x, A ¢_S, A _S. В этом случае наиболее экономичное сечение (как и в изгибаемых сечениях с двойной арматурой) получают, приняв x = x _R. Тогда из формулы (1) площадь сжатой арматуры

A ¢_S = (N e - a _R R _B b h ₀²) / R _{S C} (h ₀ - a¢),

а из следующей за (1) формулы площадь растянутой арматуры

A _S = (R _B b x _R h ₀ + R _{S C} A ¢_S - N) / R _S.

При симметричном армировании

A ¢_S = A _S = [N e - R _B bx (h ₀ - 0,5 x)] / R _{S C} (h ₀ - a¢).

Случай 2. ((x =x / h ₀ > x _R). Расчетные предпосылки те же, что и в предыдущем случае, однако напряжения в арматуре, наиболее удаленной от продольной силы в предельном состоянии s _S < R _S. Условие прочности определяют по формуле (1), а условие равновесия примет вид

N = R _B bx + R _{S C} A ¢_S - s _S A _S

где s _S äëÿ êëàññîâ áåòîíà Â30 è íèæå ñ íåíàïðÿãàåìîé àðìàòóðîé определяют по следующей формуле

s _S = [2 (1 - x) (1 - x _R) - 1] R _S

Из формулы видно, что при x = x _R     s _S = R _S; при x = 1 (все сечение сжато) s _S = - R _S = R _{S C}.

Требуемое количество симметричной арматуры в этом случае

A ¢_S = A _S = [N e - R _B bx (h ₀ - x / 2)] / R _{S C} (h ₀ - a¢), где х - высота сжатой зоны определяемая из формулы x =x / h ₀