Расчет по прочности железобетонных элементов на действие изгибающих моментов и продольных сил

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО ПРОЧНОСТИ

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ ПЕРВОЙ ГРУППЫ

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ АРМАТУРЫ

Расчет изгибаемых бетонных элементов по предельным усилиям

7.1.12. Расчет изгибаемых бетонных элементов следует производить из условия

М Ј М_ult, (7. 8)

где М - изгибающий момент от внешней нагрузки;

М_ult - предельный изгибающий момент, который может быть воспринят сечением элемента.

Значение М_ult определяют по формуле

, (7. 9)

где W - момент сопротивления сечения для крайнего растянутого волокна.

Для элементов прямоугольного сечения

. (7. 10)

Железобетонные элементы рассчитывают по прочности на действие изгибающих моментов, продольных сил, поперечных сил, крутящих моментов и на местное действие нагрузки (местное сжатие, продавливание).

Общие положения

8.1.1. Расчет по прочности железобетонных элементов при действии изгибающих моментов и продольных сил (внецентренное сжатие или растяжение) следует производить для сечений, нормальных к их продольной оси.

Расчет по прочности нормальных сечений железобетонных элементов следует производить на основе нелинейной деформационной модели согласно п.п. 8.1.20 – 8.1.30.

Допускается расчет железобетонных элементов прямоугольного, таврового и двутаврового сечений с арматурой, расположенной у перпендикулярных плоскости изгиба граней элемента, при действии усилий в плоскости симметрии нормальных сечений производить на основе предельных усилий согласно п.п. 8.1.4 – 8.1.16.

8.1.2. При расчете внецентренно сжатых элементов следует учитывать влияние прогиба на их несущую способность, как правило, путем расчета конструкций по деформированной схеме.

Допускается производить расчет конструкций по недеформированной схеме, учитывая при гибкости > 14 влияние прогиба элемента на его прочность путем умножения начального эксцентриситета е_о на коэффициент h, определяемый согласно указаниям п.8.1.15.

8.1.3. Для железобетонных элементов, у которых предельное усилие по прочности оказывается меньше предельного усилия по образованию трещин (п.п. 8.2.8 – 8.2.14.), площадь сечения продольной растянутой арматуры должна быть увеличена по сравнению с требуемой из расчета по прочности не менее чем на 15%, или определена из расчета по прочности на действие предельного усилия по образованию трещин.

Расчет по прочности нормальных сечений по предельным усилиям.

8.1.4. Предельные усилия в сечении, нормальном к продольной оси элемента, следует определять исходя из следующих предпосылок:

- сопротивление бетона растяжению принимают равным нулю;

- сопротивление бетона сжатию представляется напряжениями, равными R_b и равномерно распределенными по сжатой зоне бетона;

- деформации (напряжения) в арматуре определяют в зависимости от высоты сжатой зоны бетона;

- растягивающие напряжения в арматуре принимают не более расчетного сопротивления растяжению R_s;

- сжимающие напряжения в арматуре принимают не более расчетного сопротивления сжатию R_sc.

8.1.5. Расчет по прочности нормальных сечений следует производить в зависимости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны бетона определяемым из соответствующих условий равновесия, и значением граничной относительной высоты сжатой зоны x_R, при котором предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре напряжения, равного расчетному сопротивлению R_s.

8.1.6. Значение x_R определяют по формуле

, (8. 1)

где e_s,el – относительная деформация растянутой арматуры при напряжениях, равных R_s

; (8. 2)

e_b2 – относительная деформация сжатого бетона при напряжениях, равных R_b, принимаемая в соответствии с указаниями п. 6.1.20.

Для тяжелого бетона классов В70 – В100 и для мелкозернистого бетона в числителе формулы (8.1) вместо 0,8 следует принимать 0,7.

8.1.7. При расчете внецентренно сжатых железобетонных элементов в начальном эксцентриситете приложения продольной силы е₀ следует учитывать случайный эксцентриситет е_а, принимаемый не менее:

1/600 длины элемента или расстояния между его сечениями, закрепленными от смещения;

1/30 высоты сечения;

10 мм.

Для элементов статически неопределимых конструкций значение эксцентриситета продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения е₀ принимают равным значению эксцентриситета, полученного из статического расчета, но не менее е_а.

Для элементов статически определимых конструкций эксцентриситет е₀ принимают равным сумме эксцентриситетов - из статического расчета конструкций и случайного.

Расчет изгибаемых элементов

8.1.8. Расчет по прочности сечений изгибаемых элементов производят из условия

М Ј М_ult, (8. 3)

где М - изгибающий момент от внешней нагрузки:

М_ult - предельный изгибающий момент, который может быть воспринят сечением элемента.

8.1.9. Значение М_ult для изгибаемых элементов прямоугольного сечения (рис.8.1) при определяют по формуле

(8. 4)

при этом высоту сжатой зоны х определяют по формуле

. (8. 5)

8.1.10. Значение М_ult для изгибаемых элементов, имеющих полку в сжатой зоне (тавровые и двутавровые сечения) при определяют в зависимости от положения границы сжатой зоны:

а) если граница проходит в полке (рис.8.2,а), т.е. соблюдается условие

, (8. 6)

значение М_ult определяют по п. 8.1.9 как для прямоугольного сечения шириной ;

б) если граница проходит в ребре (рис. 8.2,б), т.е. условие (8.6) не соблюдается, значение М_ult определяют по формуле

(8. 7)

при этом высоту сжатой зоны бетона х определяют по формуле

. (8. 8)

Рис. 8. 1. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого железобетонного элемента, при его расчете по прочности

Рис. 8. 2. Положение границы сжатой зоны в сечении изгибаемого железобетонного элемента

8.1.11. Значение , вводимое в расчет, принимают из условия, что ширина свеса полки в каждую сторону от ребра должна быть не более 1/6 пролета элемента и не более:

а) при наличии поперечных ребер или при - 1/2 расстояния в свету между продольными ребрами;

б) при отсутствии поперечных ребер (или при расстояниях между ними больших, чем расстояния между продольными ребрами) и ;

в) при консольных свесах полки:

при ....... 6 ;

при .... ;

при - свесы не учитывают.

8.1.12. При расчете по прочности изгибаемых элементов рекомендуется соблюдать условие

В случае, когда по конструктивным соображениям или из расчета по предельным состояниям второй группы площадь растянутой арматуры принята большей, чем это требуется для соблюдения условия допускается предельный изгибающий момент М_ult определять по формулам (8.4) или (8.7), подставляя в них значения высоты сжатой зоны .

8.1.13. При симметричном армировании, когда значение М_ult определяют по формуле

(8. 9)

Если вычисленная без учета сжатой арматуры () высота сжатой зоны x<2aў, в формулу (8.9) подставляют вместо аў значение

Расчет внецентренно сжатых элементов

8.1.14. Расчет по прочности прямоугольных сечений внецентренно сжатых элементов производят из условия

(8. 10)

где N - продольная сила от внешней нагрузки;

е - расстояние от точки приложения силы N до центра тяжести сечения растянутой или наименее сжатой (при полностью сжатом сечении элемента) арматуры, равное

. (8. 11)

Здесь h - коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба (прогиба) элемента на его несущую способность и определяемый согласно п. 8.1.15.

Высоту сжатой зоны х определяют:

а) при (рис.8.3) по формуле

; (8. 12)

б) при по формуле

. (8. 13)

Рис. 8. 3. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно сжатого железобетонного элемента, при расчете его по прочности

8.1.15. Значение коэффициента h при расчете конструкций по недеформированной схеме определяют по формуле

, (8. 14)

где N - продольная сила от внешней нагрузки;

N_cr - условная критическая сила, определяемая по формуле

. (8. 15)

где D – жесткость железобетонного элемента в предельной по прочности стадии, определяемая согласно указаниям расчета по деформациям;

l _o - расчетная длина элемента, определяемая согласно п. 8.1.17.

Допускается значение D определять по формуле

где E_b, E_s – модули упругости соответственно бетона и арматуры;

I, I_s – моменты инерции площадей сечения соответственно бетона и всей продольной арматуры относительно центра тяжести поперечного сечения элемента;

;

k_s =0.7;

j_l – коэффициент, учитывающий влияние длительности действия нагрузки

, но не более 2.

M₁, M_l1 – моменты относительно центра наиболее растянутого или наименее сжатого (при целиком сжатом сечении) стержня соответственно от действия полной нагрузки и от действия постоянных и длительных нагрузок;

d_е – относительное значение эксцентриситета продольной силы , принимаемое не менее 0,15 и не более 1,5.

Допускается уменьшать значение коэффициента h с учетом распределения изгибающих моментов по длине элемента, характера его деформирования и влияния прогибов на значение изгибающего момента в расчетном сечении путем расчета конструкции как упругой системы.

8.1.16. Расчет по прочности прямоугольных сечений внецентренно сжатых элементов с арматурой, расположенной у противоположных в плоскости изгиба сторон сечения, при эксцентриситете продольной силы и гибкости допускается производить из условия

, (8. 16)

где N_ult - предельное значение продольной силы, которую может воспринять элемент, определяемое по формуле

(8. 17)

Здесь А - площадь бетонного сечения;

А_s,tot - площадь всей продольной арматуры в сечении элемента;

j - коэффициент, принимаемый при длительном действии нагрузки по табл.8.1 в зависимости от гибкости элемента; при кратковременном действии нагрузки значения j определяют по линейному закону, принимая
j =0,9 при и j =0,85 при .

Таблица 8.1

lo/h
j	0,92	0,9	0,83	0,7

8.1.17. Расчетную длину l_o внецентренно сжатого элемента определяют как для элементов рамной конструкции с учетом ее деформированного состояния при наиболее невыгодном для данного элемента расположении нагрузки, принимая во внимание неупругие деформации материалов и наличие трещин.

Допускается расчетную длину l _o элементов постоянного поперечного сечения по длине l при действии продольной силы принимать равной:

а) для элементов с шарнирным опиранием на двух концах - 1,0 l;

б) для элементов с жесткой заделкой (исключающей поворот опорного сечения) на одном конце и незакрепленным другим концом (консоль) - 2,0 l;

в) для элементов с шарнирным несмещаемым опиранием на одном конце, а на другом конце:

- с жесткой (без поворота) заделкой - 0,7 l;

- с податливой (допускающей ограниченный поворот) заделкой - 0,9 l;

г) для элементов с податливым шарнирным опиранием (допускающем ограниченное смещение опоры) на одном конце, а на другом конце:

- с жесткой (без поворота) заделкой - 1,5 l;

- с податливой (с ограниченным поворотом) заделкой - 2,0 l;

д) для элементов с несмещаемыми заделками на двух концах:

- жесткими (без поворота) - 0,5 l;

- податливыми (с ограниченным поворотом) - 0,8 l;

е) для элементов с ограниченно смещаемыми заделками на двух концах:

- жесткими (без поворота) - 0,8 l;

- податливыми (с ограниченным поворотом) - 1,2 l.

Расчет центрально растянутых элементов

8.1.18. Расчет по прочности сечений центрально растянутых элементов следует производить из условия

(8. 18)

где N - продольная растягивающая сила от внешних нагрузок;

N_ult - предельное значение продольной силы, которое может быть воспринято элементом.

Значение силы N_ult определяют по формуле

, (8. 19)

где А_s,tot - площадь сечения всей продольной арматуры.

Расчет внецентренно растянутых элементов

8.1.19. Расчет по прочности прямоугольных сечений внецентренно растянутых элементов следует производить в зависимости от положения продольной силы N:

а) если продольная сила N приложена между равнодействующими усилий в арматуре S и S ’ (Рис.8.4, а) - из условий

; (8. 20)

(8. 21)

где NЧe и NЧeў - усилия от внешних нагрузок;

и - предельные усилия, которые может воспринять сечение.

Усилия и определяют по формулам

; (8. 22)

; (8. 23)

б) если продольная сила N приложена за пределами расстояния между равнодействующими усилий в арматуре S и S’ (рис.8.4,б) - из условия (8.20), определяя предельный момент M_ult по формуле

, (8. 24)

при этом высоту сжатой зоны х определяют по формуле

. (8. 25)

Если полученное из расчета по формуле (8.25) значение , в формулу (8.24) подставляют , где x_R определяют согласно указаниям п. 8.1.6.

а – между равнодействующими усилий в арматуре S и S ’;

б – за пределами расстоянии между равнодействующими усилий в арматуре S и S ’

Рис. 8. 4. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно растянутого железобетонного элемента, при расчете его по прочности при приложении продольной силы N.

Расчет по прочности нормальных сечений на основе нелинейной деформационной модели

8.1.20. При расчете по прочности усилия и деформации в сечении, нормальном к продольной оси элемента, определяют на основе нелинейной деформационной модели, использующей уравнения равновесия внешних сил и внутренних усилий в сечении элемента, а также следующие положения:

- распределение относительных деформаций бетона и арматуры по высоте сечения элемента принимают по линейному закону (гипотеза плоских сечений);

- связь между осевыми напряжениями и относительными деформациями бетона и арматуры принимают в виде диаграмм состояния (деформирования) бетона и арматуры (п.п. 6.1.19, 6.2.13);

- сопротивление бетона растянутой зоны допускается не учитывать, принимая при напряжения . В отдельных случаях (например, изгибаемые и внецентренно сжатые бетонные конструкции, в которых не допускают трещины) расчет по прочности производят с учетом работы растянутого бетона.

8.1.21. Переход от эпюры напряжений в бетоне к обобщенным внутренним усилиям определяют с помощью процедуры численного интегрирования напряжений по нормальному сечению. Для этого нормальное сечение условно разделяют на малые участки: при косом внецентренном сжатии (растяжении) и косом изгибе - по высоте и ширине сечения; при внецентренном сжатии (растяжении) и изгибе в плоскости оси симметрии поперечного сечения элемента - только по высоте сечения. Напряжения в пределах малых участков принимают равномерно распределенными (усредненными).

8.1.22. При расчете элементов с использованием деформационной модели принимают:

- значения сжимающей продольной силы, а также сжимающих напряжений и деформаций укорочения бетона и арматуры со знаком “минус”;

- значения растягивающей продольной силы, а также растягивающих напряжений и деформаций удлинения бетона и арматуры со знаком “плюс”.

Знаки координат центров тяжести арматурных стержней и выделенных участков бетона, а также точки приложения продольной силы принимают в соответствии с назначенной системой координат ХОY. В общем случае начало координат этой системы (точка 0 на рис.8.5) располагают в произвольном месте в пределах поперечного сечения элемента.

Рис. 8. 5. Расчетная схема нормального сечения железобетонного элемента

8.1.23. При расчете нормальных сечений по прочности в общем случае (Рис.8.5) используют:

- уравнения равновесия внешних сил и внутренних усилий в нормальном сечении элемента

; (8. 26)

; (8. 27)

; (8. 28)

- уравнения, определяющие распределение деформаций по сечению элемента

; (8. 29)

; (8. 30)

- зависимости, связывающие напряжения и относительные деформации бетона и арматуры

; (8. 31)

; (8. 32)

В уравнениях (8.26) - (8.32):

M_x, M_y - изгибающие моменты от внешней нагрузки относительно выбранных и располагаемых в пределах поперечного сечения элемента координатных осей (соответственно действующих в плоскостях ХОZ и УОZ или параллельно им), определяемые по формулам:

; (8. 33)

; (8. 34)

где M_xd, M_yd - изгибающие моменты в соответствующих плоскостях от внешней нагрузки, определяемые из статического расчета конструкции;

N - продольная сила от внешней нагрузки;

e_x, e_y - расстояния от точки приложения силы N до соответствующих выбранных осей;

A_bi, Z_bzi, Z_{by i}, s_bi - площадь, координаты центра тяжести i -го участка бетона и напряжение на уровне его центра тяжести;

A_sj, Z_sxj, Z_syj, s_sj - площадь, координаты центра тяжести j -го стержня арматуры и напряжение в нем;

e_о - относительная деформация волокна, расположенного на пересечении выбранных осей (в точке 0);

, - кривизна продольной оси в рассматриваемом поперечном сечении элемента в плоскостях действия изгибающих моментов М_х и М_у;

Е_b - начальный модуль упругости бетона;

Е_sj - модуль упругости j- го стержня арматуры;

n_bi - коэффициент упругости бетона i -го участка;

n_sj – коэффициент упругости j -го стержня арматуры.

Коэффициенты n_bi и n_sj принимают по соответствующим диаграммам состояния бетона и арматуры, указанным в п.п. 6.1.19, 6.2.13.

Значения коэффициентов n_bi и n_sj определяют как соотношение значений напряжений и деформаций для рассматриваемых точек соответствующих диаграмм состояния бетона и арматуры, принятых в расчете, деленное на модуль упругости бетона E_b и арматуры E_s (при двухлинейной диаграмме состояния бетона – на приведенный модуль деформации E_b,red). При этом используют зависимости «напряжение – деформация» (6.5)… (6.9), (6.14) и (6.15) на рассматриваемых участках диаграмм.

; (8. 35)

. (8. 36)

8.1.24. Расчет нормальных сечений железобетонных элементов по прочности производят из условий

; (8. 37)

, (8. 38)

где e_b,max - относительная деформация наиболее сжатого волокна бетона в нормальном сечении элемента от действия внешней нагрузки;

e_s,max - относительная деформация наиболее растянутого стержня арматуры в нормальном сечении элемента от действия внешней нагрузки;

e_b,ult - предельное значение относительной деформации бетона при сжатии, принимаемое согласно указаниям п. 8.1.30;

e_s,ult - предельное значение относительной деформации удлинения арматуры, принимаемое согласно указаниям п. 8.1.30.

8.1.25. Для железобетонных элементов, на которые действуют изгибающие моменты двух направлений и продольная сила (рис.8.5), деформации бетона e_b,max и арматуры e_s,max в нормальном сечении произвольной формы определяют из решения системы уравнений (8.39) - (8.41) с использованием уравнений (8.29) и (8.30)

; (8. 39)

; (8. 40)

; (8. 41)

Жесткостные характеристики D_ij (i,j - 1,2,3) в уравнениях (8.39) - (8.41) определяют по формулам

; (8. 42)

; (8. 43)

; (8. 44)

; (8. 45)

; (8. 46)

. (8. 47)

Обозначения в формулах - см. п. 8.1.23.

8.1.26. Для железобетонных элементов, на которые действуют только изгибающие моменты двух направлений М_х и М_у (косой изгиб), в уравнении (8.41) принимают N=0.

8.1.27. Для внецентренно сжатых в плоскости симметрии поперечного сечения железобетонных элементов и расположении оси Х в этой плоскости принимают М_у =0 и D₁₂ = D₂₂=D₂₃ =0. В этом случае уравнения равновесия имеют вид:

; (8. 48)

(8. 49)

8.1.28. Для изгибаемых в плоскости симметрии поперечного сечения железобетонных элементов и расположении оси Х в этой плоскости принимают N=0, M_y=0, D₁₂=D₂₂=D₂₃ =0. В этом случае уравнения равновесия имеют вид:

; (8. 50)

(8. 51)

8.1.29. Расчет по прочности нормальных сечений внецентренно сжатых бетонных элементов при расположении продольной сжимающей силы в пределах поперечного сечения элемента производят из условия (8.37) согласно указаний п.п. 8.1.24 – 8.1.28, принимая в формулах п. 8.1.25 для определения D_ij площадь арматуры A_sj = 0.

Для изгибаемых и внецентренно сжатых бетонных элементов, в которых не допускаются трещины, расчет производят с учетом работы растянутого бетона в поперечном сечении элемента из условия

e_bt,maxЈe_bt,ult, (8. 52)

где e_bt,max - относительная деформация наиболее растянутого волокна бетона в нормальном сечении элемента от действия внешней нагрузки, определяемая согласно п. 8.1.25- 8.1.28;

e_bt,ult - предельное значение относительной деформации бетона при растяжении, принимаемое согласно указаниям п. 8.1.30

8.1.30. Предельные значения относительных деформаций бетона ε_b,ult (ε_bt,ult) принимают при двузначной эпюре деформаций (сжатие и растяжение) в поперечном сечении бетона элемента (изгиб, внецентренное сжатие или растяжение с большими эксцентриситетами) равными ε_b2 (ε_bt2).

При внецентренном сжатии или растяжении элементов и распределении в поперечном сечении бетона элемента деформаций только одного знака предельные значения относительных деформаций бетона ε_b,ult (ε_bt,ult) определяют в зависимости от соотношения деформаций бетона на противоположных гранях сечения элемента ε₁ и ε₂ () по формулам:

, (8. 53)

, (8. 54)

где ε_bo, ε_bto, ε_b2 и ε_bt2 – деформационные параметры расчетных диаграмм состояния бетона (п.п. 6.1.14, 6.1.20, 6.1.22).

Предельное значение относительной деформации арматуры ε_s,ult принимают равными:

0,025 – для арматуры с физическим пределом текучести;

0,015 - для арматуры с условным пределом текучести.

Дата добавления: 2015-06-26