Как влияет ползучесть на напряжения в бетоне и арматуре в центрально и внецентренно сжатых элементах

Обновлено: 19.05.2024

Усадка – свойство бетона уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде. Усадка бетона зависит:

1.количества и вида цемента - чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка

2.количество воды - чем больше отношение вода/цемент, тем больше усадка.

3.крупности заполнителя-при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше

4.присутствие различных гидравлических добавок и ускорителей твердения - они, как правило, увеличивают усадку

Ползучесть – это свойства бетона, характеризующиеся нарастанием неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях. Природа ползучести бетона объясняется его структурой , длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зерна заполнителей. Одновременно развитию деформаций ползучести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой .

Влияние ползучести на работу ж/б элементов:

”─” в изгибающих элементах ползучесть приводит к увеличению прогибов; в гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов и снижение несущей способности ;в преднапряженных конструкциях ползучесть приводит к потерям предварительного напряжения

“+”в статически неопределимых системах ползучесть смягчает концентрацию напряжений ; в коротких центрально сжатых элементах ползучесть способствует более полному использованию прочности арматуры.

Влияние усадки на работу ж/б элементов:Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадке способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах ж/б элементов ,которые испытывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние усадки уменьшается. В стадии разрушения усадка не влияет на несущую способность статически определяемой ж/б конструкции. Влияние усадки эквивалентно понижению температуры на определенное число градусов.

20.Pасчет внецентренно сжатых ж/б эл-ов с отн-но малыми эксцентриситетами

Случай с относительно малыми эксцентриситетами : x > x_R, x= x/h₀ –относительная высота сжатой зоны бетона, x_R-граничная величина относительной высоты сжатой зоны.В этом случае s_ss

s_s=(2*(1-x/1-x_R)/1)* R_s- формула для бетона класса В30 и ниже, арматуры А-Ι,А-II,А-III.

N-продольная сила от нагрузки,

b, h_o -ширина и рабочая высота сечения,

χ-высота сжатой зоны ,

A΄_s -площадь сечения арматуры на сжатие,

R_b-расчетное сопротивление бетона осевому сжатию,

R_s-расчетное сопротивление арматуры растяжению,

е-расстояние от линии действия продольной силы N до растянутой арматуры S.

5. Как влияет ползучесть на напряжения в бетоне и арматуре?

Рассмотрим схему на рис. 6. После приложения нагрузки N бетон и арматура укоротились на величину, соответствующую относительной деформации eb (благодаря сцеплению, они работают совместно). В бетоне установилось сжимающее усилие Nb1, а в арматуре Nsc1. Затем, вследствие ползучести, деформации выросли на величину eп. Поскольку арматура работает практически упруго, сжимающие напряжения в ней с течением времени возрастают по закону Гука на величину Dssc= eпЕs, а усилие – на величину DNsc = DsscAs (где Аs – площадь сечения арматуры), т.е. Nsc2 = =Nsc1 + DNsc. Но если Nsc растет, а внешняя сила N постоянна, то, значит, усилие и напряжения в бетоне падают: N = Nb1 + Nsc1 = Nb2 + Nsc2. Происходит перераспределение напряжений: бетон частично разгружается, а арматура дополнительно нагружается. При наличии в сжатом бетоне преднапряженной (предварительно натянутой) арматуры растягивающие напряжения в ней падают, “теряются” – отсюда и термин “потери напряжений” (см. главу 2).

6. Что такое усадка бетона?

Это свойство бетона самопроизвольно уменьшаться в объеме (укорачиваться во всех направлениях) в процессе твердения и набора прочности в воздушной среде. Усадке подвергается не весь бетон, а только цементный камень. Уменьшаясь в объеме, он сжимает встречающиеся препятствия (крупный заполнитель, арматуру), от которых, в свою очередь, получает реакции противодействия. Следовательно, в препятствии возникают сжимающие, а в цементном камне растягивающие напряжения. Последние приводят к появлению усадочных трещин. Чем меньше защитный слой бетона и чем больше диаметр арматуры, тем больше вероятность образования усадочных трещин на поверхности бетона (вот, кстати, еще одна причина, почему толщина защитного слоя зависит от диаметра арматуры). Если в обычной арматуре усадка вызывает сжимающие напряжения, то в преднапряженной приводит к уменьшению (потерям) растягивающих напряжений.

7. Почему различают призменную и кубиковую прочность бетона при сжатии?

Призменная прочность Rb наиболее точно соответствует реальной прочности бетона в конструкциях, ее определяют испытанием стандартных призм размерами 150´150´600 мм. Однако изготовление призм требует вчетверо больше расхода бетона, чем изготовление кубов, а их испытание – дело очень трудоемкое (много времени отнимает центрирование призмы на прессе) и требующее дополнительных приборов. Поэтому в строительной практике призмы заменены кубами размерами 150´150´150 мм, хотя их прочность R на 33. 37 % выше, чем Rb (вызвано это, главным образом, влиянием сил трения между плитами пресса и опорными гранями куба). Rb и R связаны между собой эмпирической зависимостью: Rb = (0,77– 0,001R)R.

8. Как можно увеличить сопротивление бетона сжатию?

Разрушение бетонных призм происходит вследствие поперечных деформаций, вызывающих продольные трещины (рис. 7,а). Если призму стянуть поперечными хомутами, то поперечные деформации уменьшатся, продольные трещины появятся позже, разрушение произойдет при более высокой нагрузке – сработает эффект обоймы. Роль внешних хомутов с успехом может выполнить и поперечная (косвенная) арматура в виде сеток или спиралей. Растягиваясь под влиянием поперечных деформаций бетона, арматура сопротивляется и сама воздействует на бетон в виде сжимающих сосредоточенных сил поперечного направления (рис. 7,б).

9. В чем различие между марками и классами бетона по прочности на сжатие?

Марка М – это средняя кубиковая прочность бетона`R в кг/см2; в проектировании железобетонных конструкций с 1986 г. не применяется, но в строительной практике по-прежнему имеет хождение. Класс В – это кубиковая прочность в МПа с обеспеченностью (доверительной вероятностью) 0,95. Как и любой другой материал, бетон обладает неоднородной прочностью – от Rmin до Rmax. Если изменчивость прочности представить в виде кривой нормального распределения (рис. 8), где n – число испытаний, то марка М будет соответствовать ее вершине, а класс В численно соответствует 0,0764М (при коэффициенте вариации 0,135). Например, В30 примерно соответствует М400.

10. Что такое “мягкая” и “твердая” арматурная сталь?

“Мягкая” арматура (классы А-I, A-II, A-III) на диаграмме растяжения (рис. 9,а) имеет три главных участка: упругие деформации (здесь действует закон Гука), площадку текучести при напряжениях spl (предел текучести) и упруго-пластические деформации (криволинейный участок). При проектировании конструкций используют первый и второй участки. Текучесть стали в той или иной степени учитывают в расчетах нормальных сечений на изгиб (при слабом армировании, при многорядном расположении арматуры и т.д.), в расчетах статически неопределимых конструкций по методу предельного равновесия и в других случаях. Третий участок в расчетах не участвует – деформации там столь велики, что в реальных условиях они соответствуют уже разрушению конструкций.

“Твердая”, или высокопрочная арматура (классы А-IV, Ат-IV и выше, B-II, Bp-II, K-7, K-19) не имеет физического предела текучести (рис. 9,б), она деформируется упруго до предела пропорциональности, а далее диаграмма постепенно искривляется. В качестве границы безопасной работы принят условный предел текучести s02, при котором остаточные, т.е. пластические удлинения составляют 0,2 %. У “твердых” сталей прочность выше, чем у “мягких”, но зато меньше удлинения при разрыве d, т.е. у них хуже пластические свойства, они более хрупкие. “Мягкая” и “твердая” сталь – понятия, разумеется, условные и в официальных документах отсутствуют, но они очень удобны в обиходе, потому их широко используют в научно-технической литературе.

11. Насколько важна величина удлинений арматуры при разрыве?

При малых удлинениях может произойти хрупкое (внезапное) обрушение железобетонной конструкции, даже при небольших перегрузках: арматура разорвется, когда прогибы малы, а раскрытие трещин незначительно – другими словами, когда конструкция не подает сигналов, предупреждающих о своем опасном состоянии. Поэтому арматура любого класса должна иметь величину равномерного относительного удлинения при разрыве d, как правило, не менее 2 %.

135. Для чего во внецентренно сжатых элементах устанавливают поперечную арматуру?

Устанавливают, как правило, не для восприятия поперечной силы (обычно прочности самого бетона для этого вполне достаточно), а для того, чтобы обеспечить устойчивость продольной арматуры. Под влиянием поперечных деформаций бетона продольные стержни искривляются наружу (выпучиваются), отрывают защитный слой и теряют устойчивость задолго до исчерпания своей прочности (рис. 68). Поперечные стержни препятствуют этому процессу. Их ставят с шагом s не более 15ds (ds - наименьший диаметр продольных стержней). Минимальные диаметры поперечных стержней назначают по условиям сварки: dsw ³ ds /3. Указанные требования, кстати, обязательны и для сжатой продольной арматуры изгибаемых элементов.

Поперечные стержни также сдерживают поперечные деформации бетона и, тем самым, несколько повышают его прочность на сжатие. Однако намного эффективнее в этом отношении косвенное армирование (см. вопрос 137).

136. Как обеспечивается устойчивость внецентренно сжатого элемента?

При внецентренном сжатии элемент искривляется, первоначальный эксцентриситет ео увеличивается, а вместе с ним растет и момент М от внешней нагрузки. Причем, чем больше доля постоянной и длительной нагрузки, тем больше деформации ползучести наиболее сжатых волокон, тем больше элемент искривляется, тем больше растет ео.

137. Как быть, если прочность сжатого элемента недостаточна, а сечение увеличивать нельзя?

Если все пути (увеличение армирования, повышение прочности бетона) исчерпаны, можно применить или жесткое, или косвенное армирование. Жесткая арматура - это стальной сердечник сварного сечения или из прокатного двутавра. Вокруг сердечника по периметру сечения нужно обязательно устанавливать продольную гибкую арматуру с поперечной, соблюдая рекомендации о максимальном суммарном проценте армированияmmax= 15 %.

Косвенная арматура в виде поперечных сварных сеток или спиралей, охватывающих снаружи продольные стержни, препятствует поперечному расширению бетона и повышает его сопротивление продольному сжатию (см. вопрос 8). Разрушение элемента происходит, когда косвенная арматура достигает предела текучести. Следует, однако, помнить, что сетки косвенного армирования затрудняют укладку и уплотнение бетона. Кроме того, косвенное армирование эффективно только при малых эксцентриситетах и при небольшой гибкости элементов.

138. Как рассчитывают на сжатие бетонные сечения?

В общем виде задача решается через равенство статических моментов Si частей площади Ab, лежащих по обе стороны от ее центра тяжести. Для прямоугольного сечения Ab = bx, гдеx = h – 2e0. Для таврового сечения нужно учитывать положение ц.т. Ab (в полке или в стенке). В примере, показанном на рис. 70,б, Ab можно определить, разделив сжатую зону на три части и подсчитав статические моменты площади каждой части относительно ц.т. Ab. Тогда S1 = S2 + S3, или b´f(h1)2/2 = b´f(h2)2/2 + bh3 (h2+ + h3 /2), где h1 = y – e0,h2 = h´f – h1, h3 – искомая величина. Найдя h3, получим Ab = b´f h´f + bh3. Если прочность недостаточна, то следует увеличить либо Rb, либо размеры сечения(с увеличением размеров увеличивается Ab).

Как и для железобетонных элементов, к эксцентриситету, полученному из статического расчета, добавляется случайный эксцентриситет ea, а продольный изгиб учитывается умножением e0 на коэффициент h (см. вопрос 136). Величина эксцентриситета e0h не должна превышать 0,9у, где y – расстояние от центра тяжести сечения до крайнего сжатого волокна.В ряде случаев (некоторые конструкции гидротехнических и др. специальных сооружений, карнизы, парапеты) прочность бетонных сечений исчерпывается прочностью растянутой зоны. Поэтому расчет прочности таких конструкций сводится к расчету по образованию трещин (см. вопрос 158).

139. Почему при внецентренном сжатии площадь сжатой зоны в бетонном сечении не определяют так, как в железобетонном?

Если определять из условия Ab = N/Rb, то площадь сжатой зоны будет зависеть только от величины N и не зависеть от точки приложения последней. А это приведет к тому, что ось равнодействующей внутренних усилий в бетоне Nb не будет совпадать с осью силы N, т.е. равновесие не будет обеспечено. Хорошо было бы метод расчета бетонных сечений перенести и на железобетонные, тогда не возникало бы абсурдной ситуации, изложенной в ответе 128. Однако практически осуществить это трудно, поскольку появляется еще одна неизвестная и расчет резко усложняется, особенно для случая малых эксцентриситетов.

140. Что такое местное сжатие (смятие)?

Это приложение нагрузки не по всей площади поперечного сечения, а только по ее части, что более опасно, так как вызывает высокую концентрацию напряжений в бетоне, приводит к образованию местных трещин и преждевременному разрушению (рис. 71).

Пластические свойства бетона вызывают такое явление, как ползучесть: свойство материала деформироваться при постоянной нагрузке.

Ползучесть разделяют на линейную, при которой зависимость между напряжениями и деформациями приблизительно линейная, и нелинейную, которая начинается при напряжениях, превышающих границу образования структурных микротрещин. Такое разделение ползучести условно, так как в некоторых опытах наблюдается нелинейная зависимость напряжения и деформаций даже при относительно малых напряжениях Учет нелинейной ползучести имеет существенное значение в практических расчетах предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и некоторых других элементов. Опыты с бетонными призмами показывают, что независимо от того, с какой скоростью загружения было получено напряжение, конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми. С ростом напряжений ползучесть бетона увеличивается. Загруженный в раннем возрасте бетон обладает большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Технологические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увеличением W/C и количества цемента на единицу объема бетонной смеси ползучесть возрастает; с повышением прочности зерен заполнителей, повышением прочности бетона, его класса она уменьшается.

Чем выше s_b или чем ниже прочность бетона, тем больше деформации ползучести e_п (рис. 4). Наиболее интенсивно e_п проявляется в первое время после приложения нагрузки, затем они постепенно затухают в течение нескольких лет.

При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200-600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползучестью или динамической ползучестью.

Влияние ползучести на предварительное напряжение растянутой арматуры Рассмотрим схему на рис. 6. После приложения нагрузки N бетон и арматура укоротились на величину, соответствующую относительной деформации e_b (благодаря сцеплению, они работают совместно). В бетоне установилось сжимающее усилие N_b1, а в арматуре N_sc1. Затем, вследствие ползучести, деформации выросли на величину e_п. Поскольку арматура работает практически упруго, сжимающие напряжения в ней с течением времени возрастают по закону Гука на величину Ds_sc= e_пЕ_s, а усилие – на величину DN_sc = Ds_scA_s (где А_s – площадь сечения арматуры), т.е. N_sc2 = =N_sc1 + DN_sc. Но если N_sc растет, а внешняя сила N постоянна, то, значит, усилие и напряжения в бетоне падают: N = N_b1 + N_sc1 = N_b2 + N_sc2. Происходит перераспределение напряжений: бетон частично разгружается, а арматура дополнительно нагружается. При наличии в сжатом бетоне преднапряженной (предварительно натянутой) арматуры растягивающие напряжения в ней падают, “теряются” – отсюда и термин “потери напряжений” (От момента натяжения арматуры до начала приложения внешней нагрузки на конструкцию часть величины предварительного напряжения s_sp безвозвратно теряется).

Мягкая и твердая арматурная сталь. Текучесть стали. Условный предел текучести. Принципиальные отличия горячекатаной арматуры от высокопрочной.

“Мягкая” арматура (классы А-I, A-II, A-III) на диаграмме растяжения (рис. 9,а) имеет три главных участка: упругие деформации (здесь действует закон Гука), площадку текучести при напряжениях s_pl (предел текучести) и упруго-пластические деформации (криволинейный участок). При проектировании конструкций используют первый и второй участки. Текучесть стали в той или иной степени учитывают в расчетах нормальных сечений на изгиб (при слабом армировании, при многорядном расположении арматуры и т.д.), в расчетах статически неопределимых конструкций по методу предельного равновесия и в других случаях. Третий участок в расчетах не участвует – деформации там столь велики, что в реальных условиях они соответствуют уже разрушению конструкций.

Повышением прочности горячекатаной арматурной стали и уменьшение удлинения при разрыве достигают введением в ее состав углерода и различных легирующих добавок: марганца, кремния, хрома и др. Существенного повышения прочности горячекатаной арматурной стали достигают термически упрочнением или холодным деформированием. При термическом упрочнении осуществляется закаливание арматурной стали (нагревом до 800 – 900С и быстрым охлаждением), затем частичный отпуск(нагревом до 300-400С и постепенным охлаждением).

Высоколегированные и термически упрочненные арматурные стали переходят в пластическую стадию постепенно, что характеризуется отсутствием ярко выраженной площадки текучести на кривой. Для этих сталей устанавливают условный предел текучести – напряжение σ_0,2, при котором остаточные деформации составляют 0,2%.

Сущность упрочнения арматурной стали холодным деформированием состоит в следующем. При искусственной вытяжке в холодном состоянии до напряжения (σ_k> σ_y), превышающего предел текучести, под влиянием структурных изменений кристаллической решетки арматурная сталь упрочняется. При повторной вытяжке, поскольку пластические деформации уже выбраны, напряжение σ_k становится новым, искусственно поднятым пределом текучести.

“Твердая”, или высокопрочная арматура (классы А-IV, Ат-IV и выше, B-II, Bp-II, K-7, K-19) не имеет физического предела текучести (рис. 9,б), она деформируется упруго до предела пропорциональности, а далее диаграмма постепенно искривляется. В качестве границы безопасной работы принят условный предел текучести s₀₂, при котором остаточные, т.е. пластические удлинения составляют 0,2 %. У “твердых” сталей прочность выше, чем у “мягких”, но зато меньше удлинения при разрыве d, т.е. у них хуже пластические свойства, они более хрупкие.

Напряжение, при котором деформации развиваются без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести.

Сталь высокопрочной арматуры более хрупкая, относительное удлинение при разрыве равно 4,5%, сталь стержневой горячекатанной арматуры более пластичная, относительное удлинение при разрыве ее равно 18%.

П ластические свойства бетона вызывают такое явление, как ползучесть: свойство материала деформироваться при постоянной нагрузке.

Чем выше _bили чем ниже прочность бетона, тем больше деформации ползучести _п (рис. 4). Наиболее интенсивно _п проявляется в первое время после приложения нагрузки, затем они постепенно затухают в течение нескольких лет.

Влияние ползучести на предварительное напряжение растянутой арматуры Рассмотрим схему на рис. 6. После приложения нагрузки N бетон и арматура укоротились на величину, соответствующую относительной деформации _b (благодаря сцеплению, они работают совместно). В бетоне установилось сжимающее усилие N_b1, а в арматуре N_sc1. Затем, вследствие ползучести, деформации выросли на величину _п. Поскольку арматура работает практически упруго, сжимающие напряжения в ней с течением времени возрастают по закону Гука на величину _sc= _пЕ_s, а усилие – на величину N_sc= _scA_s (где А_s – площадь сечения арматуры), т.е. N_sc2= =N_sc1+ N_sc. Но если N_sc растет, а внешняя сила N постоянна, то, значит, усилие и напряжения в бетоне падают: N = N_b1+ N_sc1= N_b2+ N_sc2. Происходит перераспределение напряжений: бетон частично разгружается, а арматура дополнительно нагружается. При наличии в сжатом бетоне преднапряженной (предварительно натянутой) арматуры растягивающие напряжения в ней падают, “теряются” – отсюда и термин “потери напряжений” (От момента натяжения арматуры до начала приложения внешней нагрузки на конструкцию часть величины предварительного напряжения _sp безвозвратно теряется).

Читайте также: