Сборно-монолитные конструкции

Сборно-монолитные конструкции представляют собой экономически обоснованное сочетание сборных железобетонных конструкций и монолитного бетона со специальным армированием.

Применение монолитного бетона позволяет восстановить неразрезность (статическую неопределимость) конструкций, использовать сборные конструкции как несъемную опалубку, включив их при помощи несложных мероприятий (шпонки, выпуски анкеров арматуры) в совместную работу.

Этот класс конструкций сочетает в себе положительные свойства сборного и монолитного железобетона, повышая качество и снижая сроки строительства.

Сборные изгибаемые элементы, как правило, целесообразно применить с предварительным напряжением арматуры.

Проектирование сборно-монолитных конструкций ведется по двум стадиям: монтажной, когда работает только сборный железобетон и эксплуатационной, когда обеспечена совместная работа сборных и монолитных конструкций. Например, с целью со­хранения парка бортоснастки, за счет укладки дополнительного монолитного бетона можно значительно повысить несущую способность дисков перекрытий, состоящих из типовых сборных многопустотных плит.

Весьма перспективно, как указывалось выше, в качестве монолитного бетона в сборно-монолитных конструкциях использовать напрягающийся бетон и высокопрочную арматурную сталь. Жилые девятиэтажные каркасные здания с монолитными ригелями из напрягающегося бетона и предварительно напряженными многопустотными плитами дисков перекрытий впервые в мировой практике было построены в Белоруссии с хорошими технико-экономическими показателями.

 

 

5.2. Материалы для железобетонных конструкций

 

1. Общие сведения о сопротивлении бетона.

Прочность бетона, его деформативность, а также физические свойства (водонепроницаемость, морозо- и жаростойкость, огнестойкость и т.д.) определяющим образом зависят от качества структуры, сформировавшейся в процессе твердения вяжущего, ее однородности, наличия начальных дефектов и повреждений (микротрещин, различных типов структурных пор, состояния контактов между цементной матрицей и включениями в виде зерен заполнителя). Если гипотетически допустить, что структура бетона лишена начальных дефектов и однородна, следует ожидать ощутимого возрастания физико-механических характеристик такого материала.

Однако, как свидетельствуют результаты экспериментальных исследований, структура бетона в затвердевшем состоянии характеризуется высокой неоднородностью. Заполнитель и цементная матрица различаются как по прочности, так и упругим и реологическим свойствам. Кроме того, седиментация свежеуложенной бетонной смеси (особенно для бетонных смесей, имеющих высокую подвижность) сопровождается отжатием воды, что приводит к образованию ее скоплений под зернами крупного заполнителя, а при ее удалении в процессе твердения вяжущего – образованию небольших пустот, увеличивающих анизотропию материала. При этом и цементный камень неоднороден, так как в нем содержатся непрогидратированные зерна цемента, поры, образованные вовлеченным воздухом, и незаполненная новообразованиями часть объема, ранее занятая водой затворения. К «врожденной» неоднородности бетона добавляются микротрещины, обусловленные протеканием в цементном камне усадочных явлений.

Таким образом, структура бетона содержит начальные дефекты и повреждения, определяющие в значительной мере его поведение под нагрузкой, а также при различных физических и химических воздействиях.

Бетоны низких классов, имея большое объемное содержание заполнителя, имеют, как правило, большее количество так называемых контактных трещин. При этом с увеличением водоцементного отношения снижается прочность сцепления по контакту между цементным камнем и зернами заполнителя.

При действии кратковременной сжимающей нагрузки зависимость, связывающую напряжения и относительные деформации бетона (эту зависимость принято называть диаграммой деформирования (состояния) бетона (рис. 1, в) можно условно разделить на четыре характерных участка, соответствующих определенным стадиям процесса микротрещинообразования структуры.

На рис. 1, а показаны характерные стадии формирования микро- и макротрещин в модельной структуре бетона при осевом кратковременном сжатии, установленные в опытных образцах при помощи электронного сканирующего микроскопа.

В бетонах, имеющих прочность при сжатии до 60 Н/мм², начальный участок зависимости (при  (  – напряжения в пиковой точке диаграммы деформирования) можно считать практически линейными. На этой стадии наблюдается незначительное увеличение числа контактных микротрещин на границе частиц заполнителя и матрицы. Опыты показывают, что при уровне сжимающих напряжений  прирост суммарной длины трещин (контактных, в матрице и комбинированных или объединительных) в выделенной единице объема структуры бетона не превышает 29 % от начальных, существующих до нагружения – в случае бетонов средней и низкой прочности – и 13 % – при испытании высокопрочных бетонов. Из рис. 1б следует, что увеличение суммарной длины так называемых контактных микротрещин в структуре высокопрочного бетона является незначительным вплоть до напряжений, составляющих .

На второй стадии микротрещинообразования (при ) наблюдается интенсивное увеличение длины, ширины раскрытия и числа контактных микротрещин, что приводит к появлению нелинейного участка на графике зависимости «напряжения – относительные деформации» (рис. 1в). Эта стадия характеризуется незначительным количеством микротрещин в матрице. Вместе с тем на второй стадии начинают появляться комбинированные микротрещины, пересекающие прослойки матрицы между зернами заполнителя и формирующие глобальные трещины, объединяющие, главным образом, контактные микротрещины вокруг зерен заполнителя. Следует отметить, что формирование этих трещин, хотя и не нарушает стабильного состояния системы, приводит к скольжению зерен заполнителей относительно матрицы. Этим обусловлено проявление ярко выраженных неупругих свойств бетона на участке II диаграммы деформирования (рис. 1в). Для бетонов средней и низкой прочности вторая стадия завершается при уровне напряжений , а для высокопрочных – может достигать .

В третьей стадии увеличивается число и суммарная длина комбинированных трещин, возрастает их ширина раскрытия. На этой стадии начинают формироваться ярко выраженные микротрещины в матрице. Однако интенсивное развитие комбинированных микротрещин не ведет

Рис. 1. Формирование и развитие микротрещин в модельной структуре бетона (а), изменение длины контактных микротрещин (б) и зависимость, связывающая напряжения и относительные деформации бетонного образца при осевом сжатии (в): 1 – контактные микротрещины; 2 – комбинированные (объединяющие) микротрещины; 3 – микротрещины в растворной матрице; 4 – глобальная или магистральная микротрещина.

к незамедлительному исчерпанию прочности материала. Это связано с тем, что структура бетона, пронизанная микротрещинами, ведет себя подобно много раз статически неопределимой системе, в которой постоянно происходит перераспределение внутренних напряжений.

Появление нисходящей ветви на диаграмме деформирования бетона (участок IV, рис. 1в) обусловлено интенсивным развитием глобальных или магистральных трещин, приводящих, в конечном итоге, к физическому разрушению материала.

В зависимости от вида напряженно-деформированного состояния, которое испытывает образец бетона при испытаниях (двух-, трехосное сжатие, сжатие–растяжение и т.д.), изменяются условия формирования и развития структурных микротрещин и, как следствие, его прочностные и деформативные характеристики.

При этом соответствующая комбинация напряжений, определяющая вид напряженного состояния, оказывает влияние на величину как пиковых напряжений в вершине диаграммы , так и на численные значения относительных деформаций в ее параметрических точках e _с1,3 и e _{cu ,3}. В качестве примера, изменения параметров диаграмм деформирования для бетона одной прочности в условиях объемного сжатия можно проследить по рис. 2.

Рис. 2. Диаграммы деформирования бетона в условиях объемного сжатия при различных уровнях напряжений σ₁ = σ₂.

Численные значения временного сопротивления бетона, соответствующего пиковой точке диаграммы деформирования  в условиях сложного напряженного состояния, могут быть установлены с использованием классических гипотез (критериев) прочности. Практически все гипотезы прочности носят феноменологический характер и описывают макроскопическое поведение материала. Экспериментальная проверка сформулированных критериев прочности для бетона до настоящего времени является достаточно сложной проблемой.

В последние годы продолжает интенсивно развиваться общая теория прочности для бетона, опираясь на положения структурной механики композитных систем, механики разрушения, т.е. с использованием т.н. микроструктурных подходов, отталкиваясь от физических явлений, происходящих в структуре материала при его нагружении.

В общем случае можно отметить, что прочность и деформативность бетона зависят от целого ряда факторов, основными из которых являются: структура бетона, вид напряженного состояния, длительность действия нагрузки, ее цикличность и знакопеременность, скорость нагружения, порядок приложения усилий разных знаков и направлений, условия эксплуатации. Однако из перечисленных фактов наибольшее влияние имеет вид напряженно-деформированного состояния.

Учитывая всю сложность проблемы, при расчетах железобетонных конструкций в качестве базовых используют прочностные и деформационные характеристики бетона, получаемые в условиях осевого кратковременного сжатия и растяжения. Учет дополнительных факторов (других видов напряженно-деформированного состояния, длительности действия нагрузки и т.д.) выполняют путем трансформаций исходных зависимостей, полученных в условиях осевого кратковременного нагружения. Как правило трансформацию исходных зависимостей выполняют, опираясь на результаты экспериментальных исследований.

2. Требования, предъявляемые к арматуре.

Под арматурой традиционно понимают гибкие стальные стержни, размещаемые в массе бетона таким образом, чтобы они эффективно воспринимали растягивающие усилия, вызванные внешними нагрузками и воздействиями. Кроме того, в некоторых случаях арматура может быть установлена для усиления сжатой зоны бетона в изгибаемых и внецентренно нагруженных элементах, либо в условно центрально сжатых элементах.

Гибкую арматуру в железобетонных конструкциях применяют в виде отдельных стальных стержней, проволоки или выполненных из них разнообразных арматурных изделий (сварные сетки, каркасы, канаты, пучки, пакеты и т.д.).

Необходимое количество рабочей арматуры, размещаемой в конструкции, определяется расчетом характерных сечений на действие усилий, вызванных нагрузками и воздействиями или устанавливается по конструктивным требованиям.

К арматуре, применяемой в железобетонных и предварительно напряженных конструкциях, предъявляют следующие требования:

-максимально высокое нормативное сопротивление (физический или условный предел текучести), напрямую характеризующее экономические показатели данного вида стали;

-хорошие упругие свойства (высокие значения характеристики предела упругости и пропорциональности), что важно для снижения потерь предварительного напряжения от релаксации и ползучести стали;

-высокие пластические свойства, характеризующиеся величиной удлинения при разрыве, что гарантирует конструкцию от преждевременного хрупкого разрушения по растянутой арматуре;

-высокая вязкость, характеризуемая наибольшим практически необходимым числом безопасных перегибов, что позволяет избежать снижения прочностных характеристик арматуры в процессе изготовления конструкции;

-способность арматуры к наилучшему сцеплению с бетоном, для чего поверхности арматуры придают соответствующее очертание и профиль (рис. 1).

Кроме того, арматурные стали должны обладать:

-свариваемостью, характеризуемой образованием надежных соединений без трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах;

-стойкостью против хладноломкости или склонностью к хрупкому разрушению под напряжением при отрицательных температурах (ниже минус 30 °С);

-пределом выносливости, т.е. прочностью, при которой не наблюдается хрупкого разрушения стали при действии многократно повторяющейся нагрузки (при числе циклов n = 1 × 10⁵);

-реологическими свойствами, к которым относят ползучесть и релаксацию стали.

Под ползучестью арматурной стали понимают, как и для бетона, рост деформаций во времени при постоянном уровне напряжений. Ползучесть стали увеличивается с ростом уровня растягивающих напряжений и температуры.

Под релаксацией арматурной стали понимают снижение во времени начального уровня напряжений при постоянной величине деформации. Ползучесть и релаксация связаны со структурными изменениями материала, происходящими под действием напряжений и окружающей среды. В общем случае реологические явления зависят от прочности и химического состава стали, технологии изготовления, температуры, геометрии поверхности, уровня напряжений и условий применения. Явления релаксации и ползучести стали описывают с использованием эмпирических зависимостей, полученных на основании опытов.

Механические свойства арматурных сталей

Механические свойства (прочностные и деформативные) арматурных сталей устанавливают по диаграммам деформирования «напряжения–деформации», полученным при испытании прямым растяжением опытных образцов, вырезаемых непосредственно из арматурного стержня.

В зависимости от механических свойств арматурные стали традиционно принято разделять на две группы: так называемые «мягкие» стали, имеющие физический предел текучести, и «твердые» стали, не имеющие физического предела текучести.

Для «твердых» сталей, для которых наблюдается постепенный, плавный переход в пластическую стадию и на кривой «s _s –e _s» отсутствует ярко выраженная площадка текучести, вводят понятие условного предела текучести.

Тогда, для «мягких» сталей напряжение f_yk, при котором деформации развиваются без заметного прироста нагрузки, называют физическим пределом текучести, а напряжение f_t, предшествующее разрыву – носит название временного сопротивления арматуры.

Для высокопрочных сталей устанавливают условный предел текучести s _0,2 = f_yk – напряжение, при котором остаточные деформации e _s составляют 0,2 %.

Для арматурных сталей, имеющих физический предел текучести, рассматривают следующие относительные деформации, характеризующие основные этапы их работы под нагрузкой.

 

 

5.3. Расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям.

 

 1. Конструктивные особенности изгибаемых элементов.

К изгибаемым элементам относят плиты и балки. Плитой - называют конструкцию, имеющую малую толщину h по сравнению с пролетом L и шириной b. Балкой - называют конструкцию с размерами поперечного сечения h и b, значительно меньшими пролета L. Для плит отношение h / L = 1 / 20 - 1 / 40 и менее. Для балок h / L = 1 / 8...1 / 20 и приним. b = (0,25...0,5) h. Балки и плиты принимают как отдельные конструктивные элементы, так и в сочетании друг с другом (Рис.1).

а)                       1      2             б)

                        L

                                                              L плиты

                                                                                           L балки

                    h

                                   b

                                                                                           1

г)

 

                                                                                  2

                                           L п

Рис. 1. Конструкции изгибаемых элементов:

     а - сборное перекрытие;                      1 -плита

     б - сборная плита;                               2 - балка

     в - монолитное перекрытие.

Плиты. В конструктивном отношении различают плиты балочные и опертые по контуру. Если плита опирается по 4 сторонам и имеет отношение сторон 2: 1 или меньше, то она изгибается в двух направлениях и является опертой по контуру. При отношении сторон больше 2: 1 считают, что плита изгибается в одном направлении. Расчетным пролетом в этом случае является более короткая из сторон. Такую плиту, а также плиту, опертую только двумя противоположными сторонами, называют балочной. Толщину плит определяют расчетом на действующие усилия, но во всех случаях она не должна быть меньше минимального размера, установленного из условия соблюдения необходимой толщины защитного слоя бетона и условий производства работ.

Минимальная толщина монолитных плит в покрытиях 40 мм, в перекрытиях гражданских зданий 50 мм, промышленных - 60 мм, для сборных плит, изготовляемых на заводах с применением стальных форм, толщина может быть уменьшена до 25...30 мм.

Плиты армируют преимущественно сварными сетками из стержней, направленных взаимно перпендикулярно. Стержни расположенные вдоль пролета конструкции рабочие, перпендикулярные - распределительные. Рабочие стержни располагают ближе к растянутой грани плиты. Площадь поперечного сечения рабочей арматуры определяют расчетом, а распределительной принимают конструктивно. В однопролетных свободно лежащих плитах рабочую арматуру ставят только в пролете, а в защемленных и многопролетных в соответствии с эпюрой моментов - в пролете и на опорах (Рис. 2).

                        а)

 

                                                     L

                   M

 

 

б)

                                                                                  Эпюра М

 

 

     1

                0,25 L 0,25 L           0,25 L 0,25 L 2

 

              L _{0 1}              L _{0 2}

                        b

 

Рис. 2. Армирование железобетонных плит

     а) однопролетной свободно лежащей на двух опорах;

     б) многопролетной (1 рулонными сетками с продольной рабочей арматурой; 2 - с поперечной).

При действии изгибающих моментов в двух направлениях плиты армируют сетками с рабочей арматурой в обоих направлениях.

Для армирования плит применяются сварные сетки с продольной и поперечной рабочей арматурой. Рулонные сетки с продольной арматурой раскатывают вдоль пролета плиты, располагая рабочую арматуру в середине пролета - внизу, а на опорах - вверху плиты (Рис. 2 б, 1). Такое армирование называют непрерывным и применяют при сравнительно небольших нагрузках на перекрытие и толщины плиты h = 6...10 см. При h = 11 см и более плиты армируют рулонными или плоскими сетками с поперечной рабочей арматурой; в пролетах и на опорах укладывают сетки (Рис.2 б, 2), ширина которых зависит от пролета плиты (раздельное армирование).

Сварные сетки изготавливают из стали классов B - I, B _P - I диаметром 3...5 мм и из стали A - III - 6...10 мм, вязанные - из стали классов A - I, A - III диаметром 6...10 мм, а в толстых плитах диаметром 12 мм и более. Стержни рабочей арматуры укладывают через 100...200 мм, а распределительной не реже чем через 350 мм. Этой арматурой обеспечивается проектное положение рабочих стержней, уменьшаются усадочные и температурные деформации бетона, распределяются местные нагрузки на большую площадь. Общее сечение распределительной арматуры принимают не менее 10 % сечения рабочей. Защитный слой для рабочей арматуры принимают не менее 10 мм, а в плитах толщиной более 100 мм - 15 мм.

Балки. Поперечные сечения железобетонных балок без предварительного натяжения арматуры обычно бывают прямоугольные, тавровые (с полкой вверху или внизу), трапециевидные (Рис. 3) и др.

 

 

Рис. 3. Формы поперечного сечения железобетонных балок.

 

Рациональными для предварительно напряженных балок являются сечения с развитой верхней и нижней полкой.

Армирование балок выполняют продольными рабочими стержнями, поперечной арматурой и монтажными стержнями, соединенными между собой в сварные (реже вязанные) каркасы. Продольную рабочую арматуру укладывают в растянутых зонах согласно эпюре изгибающих моментов. Размещают арматуру в один или два ряда по высоте сечения с такими зазорами, которые позволили бы произвести плотную укладку бетона и обеспечить его надежное сцепление с арматурой.

Продольную рабочую арматуру без предварительного напряжения применяют, как правило, периодического профиля из стали арматуры А-III диаметром 12...32 мм, реже из стали класса А - II. Арматура диаметром более 32 мм вызывает трудности при производстве работ, поэтому используется реже. При ширине балки 150 мм и более рабочих стержней в сечении должно быть не менее двух. Площадь сечения продольной рабочей арматуры должно быть не менее 0,05 % от рабочей площади бетона.

Балки армируют также сварными и вязанными пространственными каркасами; в первом случае отдельные плоские сварные каркасы объединяются в пространственный каркас с помощью горизонтальных соединительных стержней, привариваемых контактной или дуговой сваркой через 1...1,5 м.

Поперечную арматуру ставят для восприятия поперечных усилий, действующих в наклонных сечениях. Количество поперечной арматуры, ее диаметр и расстояние между стержнями определяются расчетом и конструктивными требованиями. В балках и ребрах высотой 150 мм и менее, а также в многопустотных панелях высотой до 300 мм поперечную арматуру можно не ставить, если она не требуется по расчету. В остальных случаях поперечная арматура обязательна.

При высоте балок более 700 мм у боковых граней ставят конструктивные продольные стержни с расстоянием между ними по высоте не более 400мм. Площадь этих стержней принимается не менее 0,1 % площади сечения бетона, имеющего размер, равный половине ширины элемента, но не более 200 мм.

Особенности конструирования предварительно напряженных элементов. Предварительно напряженная арматура не входит в состав каркасов и размещается в соответствии с эпюрой моментов и поперечных сил. В однопролетных балках небольшой высоты и при небольших нагрузках и пролетах предварительно напряженную арматуру располагают в растянутой зоне прямолинейно и по всей длине элемента (Рис. 4, а).

а)

                        +

P                          -                       P

                             

                             

б)

                                                                 М _Р

в)

                                                                M _Q

 

 

г)

                                                                  М _Р + M _Q

Рис. 4

От усилия предварительного обжатия Р, если оно преложено вне центра ядра сечения, балка выгибается, и в верхних волокнах появляются растягивающие напряжения, постоянные по всей длине балки (Рис. 4, б). При действии эксплуатационной нагрузки в верхней зоне возникают сжимающие напряжения, изменяющиеся по длине элемента по параболе (Рис. 4, в). Суммируя эпюры напряжений (Рис. 4, г) видим, что в верхних волокнах балки вблизи опор неизбежно появление растягивающих напряжений, которые могут вызывать образование трещин. Для погашения этих напряжений, если они достигают опасной величины, в балках большой высоты укладывают верхнюю напрягаемую арматуру в количестве 15...25 % от нижней.

 

 2. Расчет прочности по нормальным сечениям.

Нормальные сечения изгибаемых элементов характеризуются наличием в них одновременно растягивающих и сжимающих напряжений. Сжимающие усилия воспринимаются бетоном, растягивающие арматурой.

Необходимость в обеспечении прочности по нормальным сечениям обусловлена возможностью излома элементов в этих сечениях под действием внешнего изгибающего момента. Предотвращение такого разрушения и составляет сущность данного расчета. При его выполнении определяются размеры поперечного сечения элемента и площадь сечения растянутой, а иногда и сжатой арматуры, гарантирующие надежную работу конструкции в течение заданного срока службы сооружения.

Использование в расчетах железобетонных конструкций классических методов строительной механики приводит к существенным погрешностям: бетон не подчиняется закону Гука. Кроме того, после появления трещин в растянутой зоне нарушается сплошность элемента. Поэтому при разработке методов расчета железобетонных конструкций широко используются опытные данные, получаемые в результате специальных экспериментов.

Элементы прямоугольного сечения с одиночной арматурой. Расчет изгибаемых элементов по нормальным сечениям производят по стадии 3 напряженно-деформированного состояния. Для получения расчетных зависимостей проведем в балке сечение, отбросим правую часть и заменим ее действие внутренними силами (Рис. 5, а).

а)                                                           б)