Расчет прочности наклонных сечений по поперечной силе и изгибающему моменту

Изгибаемый железобетонный элемент может разрушиться не только по нормальному к оси балки сечению, но и по наклонному сечению, обычно расположенному вблизи опоры. Это связано с тем, что вблизи опор действуют не только изгибающие моменты, но и значительные поперечные силы, в соответствии с чем рассматривают два возможных случая разрушения по наклонному сечению — от изгибающего момента М и поперечной силы Q.

Построение условий прочности. При расчете прочности наклонных сечений исходят из условия, чтобы усилия от внешних нагрузок, действующие в наклонном сечении, были меньше или равны внутренним предельным усилиям в наклонном сечении. Усилия от внешних нагрузок представляют собой равнодействующую всех внешних сил (М и Q), расположенных по одну сторону от рассматриваемого наклонного сечения. Внутренние усилия в наклонном сечении определяются в предположении, что в этом сечении в предельном состоянии имеется наклонная трещина. Внутренние усилия в подобном наклонном сечении следующие: продольное и поперечное усилия в бетоне над наклонной трещиной; осевые и поперечные («нагельные») усилия в продольной арматуре, пересекающей наклонную трещину; осевые усилия в поперечной арматуре, пересекающей наклонную трещину; силы зацепления, действующие между берегами наклонной трещины. Рассмотрим природу этих внутренних усилий и какое они оказывают действие на сопротивление наклонного сечения внешним воздействиям.

Продольные и поперечные усилия в бетоне над наклонной трещиной представляют собой равнодействующие нормальных и касательных напряжений в нормальном сечении, проходящем через вершину наклонной трещины. Бетон в этой зоне работает в условиях сложного (неодноосного) напряженного состояния.

В процессе постепенного увеличения внешней нагрузки вначале образуется наклонная трещина. После этого при дальнейшем росте нагрузки напряжения в обоих видах арматуры (продольная и поперечная) и в бетоне над наклонной трещиной непрерывно увеличиваются. Расчетное сопротивление вначале достигается напряжениями в поперечной арматуре, а затем, в процессе текучести, наступает также предельное состояние либо бетона над наклонной трещиной, либо продольной арматуры. В первом случае разрушение бетона вызовет разрушение элемента в целом, хотя напряжения в продольной арматуре и не достигли предельных значений. Во втором случае нагрузка может расти и далее, пока не разрушится бетон над трещиной или не нарушится анкеровка продольной арматуры, находящейся под предельными напряжениями. Возможен и третий вариант разрушения — при значительном насыщении элемента поперечной арматурой она не может достичь своих предельных сопротивлений и элемент разрушается от раздавливания бетона в середине высоты элемента, между наклонными трещинами.

В принципе расчет должен обеспечивать конструкцию от всех перечисленных случаев разрушения, причем для решения этой задачи можно использовать систему трех уравнений равновесия в наклонном сечении - равновесия поперечных сил, равновесия моментов, равновесия продольных сил. Однако методика, основанная на совместном решении всех уравнений равновесия, в настоящее время только разрабатывается, поэтому в нормах принимается раздельный расчет на действие поперечной силы и на действие момента в наклонном сечении.

При первом типе разрушения по поперечной силе условие прочности наклонного сечения формулируется на основе следующих предпосылок (рис. 4.7): а) поперечное усилие, воспринимаемое бетоном над наклонной трещиной, вычисляется в зависимости от расчетного сопротивления бетона растяжению, размеров элемента и наклона сечения; б) усилия в поперечной арматуре всегда направлены вдоль стержней; в) в расчет вводится вся пересекаемая наклонным сечением поперечная арматура с растягивающими напряжениями. Под поперечной арматурой в этом случае понимают как отогнутые стержни, так и хомуты (поперечные стержни сварных каркасов или хомуты вязаных каркасов).

Условие прочности при первом типе разрушения - по поперечной силе:

Это условие вытекает из уравнения проекций усилий.

При втором типе разрушения — по изгибающему моменту условие прочности наклонного сечения основано на том, что сумма моментов относительно точки приложения равнодействующей сжимающих усилий в сечении над трещиной должна быть равна нулю:

                      

17. Общая характеристика металлических каркасов промышленных зданий. Размещение колонн в плане.

Современные производства размещаются в многоэтажных и одно­этажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многооб­разны.

По числу пролетов одноэтажные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты). В настоящее время строится больше многопролетных (с числом проле­тов два и более) зданий.

Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепят­ся к каркасу здания.

Каркас, т. е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и пе­редающий на фундаменты нагрузки от веса ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консоль­ные краны), температурные технологические воздействия и т.п., может выполняться из железобетона, смешанным (т. е. часть конструкций — железобетонные, часть — стальные) и стальным. Выбор материала кар­каса является важной технико-экономической задачей.

По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бес­крановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами. Выбор вида транспорта определяется массой грузов, тра­екториями их перемещения. При стабильных, многократно повторяю­щихся траекториях наиболее удобны наземные и подвесные конвейеры, и значительное число современных зданий оборудуется именно таким транспортом. Для перемещения грузов с большой массой по разнооб­разным траекториям оказываются более целесообразными мостовые и подвесные краны, с помощью которых груз может быть доставлен в лю­бую точку цеха. Такие же перемещения могут обеспечивать козловые и полукозловые краны, но их использование требует исключения части площади цеха из технологического процесса в целях безопасной эксплу­атации.

Многие современные производственные здания характеризуются большими пролетами, большой высотой помещений, большими нагруз­ками от мостовых кранов.

Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и направлением грузопотоков. Размеры фундаментов под колонны увязывают с расположением и габаритами подземных сооружений (фундаментов под рабочие агрегаты, боровов, коллекторов и т.п.). Колонны размещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т.е. в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавливаются по одной оси.

Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстояния между колоннами поперек здания (размеры пролетов) назначаются в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м (иногда 3 м); для производственных зданий l=18, 24, 30, 36 м и более. Расстояния между колоннами в продольном направлении (шаг колонн) также принимают кратными 6 м. Шаг колонн однопролетных зданий, а также шаг крайних (наружных) колонн многопролетных зданий обычно не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. Вопрос о назначении шага колонн крайних рядов (6 или 12 м) для каждого конкретного случая решается сравнением вариантов. Как правило, для зданий больших пролетов (l > 30 м) и значительной высоты (H > 14 м) с кранами большой грузоподъемности (Q > 50 т) оказывается выгоднее шаг 12 м и, наоборот, для зданий с меньшими параметрами экономичнее оказывается шаг колонн 6 м. У торцов зданий колонны обычно смещаются с модульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ограждающих плит и панелей с номинальной длиной 6 или 12 м. Смещение колонн с разбивочных осей имеет и недостатки, поскольку у торца здания продольные элементы стального каркаса получаются меньшей длины, что приводит к увеличению типоразмеров конструкций.

В многопролетных зданиях шаг внутренних колонн исходя из технологических требований (например, передача продукции из пролета в пролет) часто принимается увеличенным, но кратным шагу наружных колонн.

При больших размерах здания в. плане в элементах каркаса могут возникать большие дополнительные напряжения от изменения температуры. Поэтому в необходимых случаях здание разрезают, на отдельные блоки поперечными и продольными температурными швами. Нормами проектирования установлены предельные размеры температурных блоков, при которых влияние климатических температурных воздействий можно не учитывать (табл. 11.1).

Наиболее распространенный способ устройства поперечных температурных швов заключается в том, что в месте разрезки здания ставят две поперечные рамы (не связанные между собой какими-либо продольными элементами), колонны которых смещают с оси на 500 мм в каждую сторону, подобно тому как это делают у торца здания.

Продольные температурные швы решают либо расчленением много-пролетной рамы на две (или более) самостоятельные, что связано с установкой дополнительных колонн, либо с подвижным в поперечном направлении опиранием одного или обоих ригелей за колонну с помощью катков или другого устройства. В первом решении предусматривается дополнительная разбивочная ось на расстоянии 1000 или 1500 мм от основной. Иногда в зданиях, имеющих ширину, превышающую предельные размеры для температурных блоков, продольную разрезку не делают, предпочитая некоторое утяжеление рам, необходимое по расчету на температурные воздействия.

В некоторых случаях планировка здания, обусловленная технологическим процессом, требует, чтобы продольные ряды колонн двух пролетов цеха располагались во взаимно перпендикулярных направлениях

Таблица 11.1. Предельные размеры, м, температурных блоков зданий

Характеристика здания