В чем сущность коррозии железобетона и каковы меры борьбы с ней?

Коррозионная стойкость элементов железобетонных конструкций зависит от плотности бетона и степени агрессивности среды. Коррозия бетона, имеющего недостаточную плотность, может происходить от воздействия фильтрующейся воды, которая растворяет составляющую часть цементного камня. Наибольшей растворяющей способностью обладает мягкая вода. Внешним признаком такой коррозии бетона являются белые хлопья на его поверхности. Другой вид коррозии бетона возникает под влиянием газовой или жидкой агрессивной среды: кислых газов в сочетании с повышенной влажностью, растворов кислот, сернокислых солей и др. При взаимодействии кислоты с гидратом окиси кальция цементного камня бетон разрушается, Продукты химического взаимодействия агрессивной среды и бетона, кристаллизуясь, постепенно заполняют поры и каналы бетона. Рост кристаллов приводит к разрыву стенок пор, каналов и быстрому разрушению бетона. Наиболее вредны для бетона соли ряда кислот, особенно серной кислоты; они образуют в цементе сульфат кальция и алюминия. Сульфатоалюминат кальция, растворяясь, вытекает и образует белые подтеки на поверхности бетона. Весьма агрессивны грунтовые воды, содержащие сернокислотный кальций, а также воды с магнезиальными и аммиачными солями. Морская вода при систематическом воздействии оказывает вредное влияние на бетон, поскольку содержит сульфатомагнезит, хлористую магнезию и другие вредные соли.

Коррозия арматуры (ржавление) происходит в результате химического и электролитического воздействия окружающей среды; обычно она протекает одновременно с коррозией бетона, но может протекать и независимо от коррозии бетона. Продукт коррозии арматуры имеет в несколько раз больший объем, чем арматурная сталь, и создает значительное радиальное давление на окружающий слой. При этом вдоль арматурных стержней возникают трещины и отколы бетона с частичным обнажением арматуры.

Мерами защиты от коррозии железобетонных конструкций, находящихся в условиях агрессивной среды, в зависимости от степени агрессии являются: снижение фильтрующей способности бетона введением специальных добавок, повышение плотности бетона, увеличение толщины защитного слоя бетона, а также применение лакокрасочных или мастичных покрытий, оклеечной изоляции, замена портландцемента глиноземистым цементом, применение специального кислотостойкого бетона.

1. Что понимают под предельным состоянием конструкции?

Предельное состояние конструкции — состояние когда конструкция теряет несущую способность, либо становится непригодной к нормальным условиям эксплуатации из-за недопустимых деформаций в ней или местных повреждений.

При расчете по этому методу четко устанавливаются предельные состояния конструкций и вводится система расчетных коэффициентов, гарантирующих конструкцию от наступления этих состояний при самых неблагоприятных сочетаниях нагрузок и при наименьших значениях прочностных характеристик материалов. Прочность сечений также определяется по стадии разрушения, но безопасность работы конструкции под нагрузкой оценивается не одним коэффициентом запаса, а системой расчетных коэффициентов конструкции, запроектированные и рассчитанные по методу предельного состояния, получаются несколько экономичнее.

2. Перечислить расчеты по 1-ой и 2-ой группам предельных состояний и пояснить их суть.

Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, т. е. теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или местные повреждения.

Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных состояний: по несущей способности — первая группа предельных состояний; по пригодности к нормальной эксплуатации — вторая группа предельных состояний.

Расчет по предельным состояниям первой группы выполняют, чтобы предотвратить:

хрупкое, вязкое или иного характера разрушение (расчет по прочности с учетом в необходимых случаях прогиба конструкции перед разрушением);

потерю устойчивости формы конструкции (расчет на устойчивость тонкостенных конструкций и т. п.) или ее положения (расчет на опрокидывание и скольжение подпорных стен, внецентренно нагруженных высоких фундаментов; расчет на всплытие заглубленных или подземных резервуаров и т. п.);

усталостное разрушение (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющейся нагрузки подвижной или пульсирующей: подкрановых балок, шпал, рамных фундаментов и перекрытий под неуравновешенные машины и т. п.);

разрушение от совместного воздействия силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды (периодического или постоянного воздействия агрессивной среды, действия попеременного замораживания и оттаивания и т. п.).

Расчет по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить:

образование чрезмерного или продолжительного раскрытия трещин (если по условиям эксплуатации образование или продолжительное раскрытие трещин допустимо);

чрезмерные перемещения (прогибы, углы поворота, углы перекоса и амплитуды колебаний).

Расчет по предельным состояниям конструкции в целом, а также отдельных ее элементов или частей производится для всех этапов: изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации; при этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям и каждому из перечисленных этапов.

3. Привести классификацию нагрузок. Как определяют нормативную и расчетную нагрузки? Какие расчетные сочетания нагрузок составляют?

В зависимости от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные.

Временные нагрузки, в свою очередь, подразделяют на длительные, кратковременные, особые.

Постоянными являются нагрузки от веса несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, массы и давления грунтов, воздействия предварительного напряжения железобетонных конструкций.

Длительными являются нагрузки от веса стационарного оборудования на перекрытиях — станков, аппаратов, двигателей, емкостей и т. п.; давление газов, жидкостей, сыпучих тел в емкостях; нагрузки в складских помещениях, холодильниках, архивах библиотеках и подобных зданиях и сооружениях; установленная нормами часть временной нагрузки в жилых домах, служебных и бытовых помещениях; длительные температурные технологические воздействия от стационарного оборудования; нагрузки от одного подвесного или одного мостового крана, умноженные на коэффициенты: 0,5 для кранов среднего режима работы и на 0,7 для кранов тяжелого режима работы; снеговые нагрузки для III-IV климатических районов с коэффициентами 0,3 — 0,6. Указанные значения крановых, некоторых временных и снеговых нагрузок составляют часть полного их значения и вводятся в расчет при учете длительности действия нагрузок этих видов на перемещения, деформации, образование трещин. Полные значения этих нагрузок относятся к кратковременным.

Кратковременными являются нагрузки от веса людей, деталей, материалов в зонах обслуживания и ремонта оборудования — проходах и других свободных от оборудования участках; часть нагрузки на перекрытиях жилых и общественных зданий; нагрузки, возникающие при изготовлении, перевозке и монтаже элементов конструкций; нагрузки от подвесных и мостовых кранов, используемых при возведении или эксплуатации зданий и сооружений; снеговые и ветровые нагрузки; температурные климатические воздействия.

К особым нагрузкам относятся: сейсмические и взрывные воздействия; нагрузки, вызываемые неисправностью или поломкой оборудования и резким нарушением технологического процесса (например, при резком повышении или понижении температуры и т. п.); воздействия неравномерных деформаций основания, сопровождающиеся коренным изменением структуры грунта (например, деформации просадочных грунтов при замачивании или вечномерзлых грунтов при оттаивании), и др.

Нормативные нагрузки устанавливаются нормами по заранее заданной вероятности превышения средних значений или по номинальным значениям. Нормативные постоянные нагрузки принимаются по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и по средним значениям плотности. Нормативные временные — технологические и монтажные нагрузки устанавливаются по наибольшим значениям, предусмотренным для нормальной эксплуатации; снеговые и ветровые — по средним из ежегодных неблагоприятных значений или по неблагоприятным значениям, соответствующим определенному среднему периоду их повторений.

Расчетные нагрузки для расчета конструкций на прочность и устойчивость определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке у; обычно больший единицы.

Сочетание нагрузок. Конструкции должны быть рассчитаны на различные сочетания нагрузок или соответствующие им усилия, если расчет ведется по неупругой схеме. В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают: основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок или усилий от них; особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, возможных кратковременных и одной из особых нагрузок или усилий от них.

Рассматриваются две группы основных сочетаний нагрузок. При расчете конструкций на основные сочетания первой группы учитываются нагрузки постоянные, длительные и одна кратковременная; при расчете конструкций на основные сочетания второй группы учитываются нагрузки постоянные, длительные и две (или более) кратковременные; при этом значения кратковременных нагрузок или соответствующих им усилий должны умножаться на коэффициент сочетаний, равный 0,9.

При расчете конструкций на особые сочетания значения кратковременных нагрузок или соответствующих им усилий должны умножаться на коэффициент сочетаний, равный 0,8, кроме случаев, оговоренных в нормах проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах.

Снижение нагрузок. При расчете колонн, стен, фундаментов многоэтажных зданий временные нагрузки на перекрытия допускается снижать, учитывая степень вероятности их одновременного действия, умножением на коэффициент.

Нормами также допускается снижать временные нагрузки при расчете балок и ригелей в зависимости от площади загружаемого перекрытия.

4. Что учитывается коэффициентом надежности по нагрузкам, каков он по величине?

Расчетные нагрузки для расчета конструкций на прочность и устойчивость определяют умножением нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке гf; обычно больший единицы g=gn гf. Коэффициент надежности от веса бетонных и железобетонных конструкций гf= 1,1; от веса конструкций из бетонов на легких заполнителях (со средней плотностью 1800 кг/м3 и менее) и различных стяжек, засыпок, утеплителей, выполняемых в заводских условиях, гf = 1,2, на монтаже гf = 1,3; от различных временных нагрузок в зависимости от их значения гf = 1,2.1,4. Коэффициент перегрузки от веса конструкций при расчете на устойчивость положения против всплытия, опрокидывания и скольжения, а также в других случаях, когда уменьшение массы ухудшает условия работы конструкции, принят гf = 0,9. При расчете конструкций на стадии возведения расчетные кратковременные нагрузки умножают на коэффициент 0,8. Расчетные нагрузки для расчета конструкций по деформациям и перемещениям (по второй группе предельных состояний) принимают равными нормативным значениям с коэффициентом гf = 1.

5. Как устанавливают нормативное и расчетное сопротивления бетона и арматуры?

Строительные конструкции должны обладать запасом несущей способности, который предохраняет от многих неприятных случайностей и обеспечивает долговечность здании и сооружений. Вот почему в расчетах по прочности сечений используют не нормативные, а более низкие — расчетные сопротивления материалов, взятые с запасом по отношению к нормативным: R=R_n/г, где г коэффициент надежности по прочности. Для бетона г_b=1,3 для арматуры г_s= (1,05.1,2) в зависимости от класса стали. Значение г тем больше, чем больший разброс прочности материала, или, говоря иначе, чем менее однородна его прочность.

Нормативными сопротивлениями бетона являются сопротивление осевому сжатию призм (призменная прочность) R_bп и сопротивление осевому растяжению R_btп, которые определяются в зависимости от класса бетона по прочности (при обеспеченности 0,95).

Нормативную призменную прочность определяют по эмпирической формуле.

при этом R_bn? 0,72 В.

Расчетные сопротивления бетона для расчета по первой группе предельных состояний определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по бетону: при сжатии — г_bс = 1,3, при растяжении — г_bс = 1,5, а при контроле прочности на растяжение — г_bс = 1,3. Расчетное сопротивление бетона осевому сжатию.

расчетное сопротивление бетона осевому растяжению.

Расчетное сопротивление сжатию тяжелого бетона классов В50, В55, В60 умножают на коэффициенты, учитывающие особенность механических свойств высокопрочного бетона (снижение деформаций ползучести), соответственно равные 0,95, 0,925 и 0,9.

При расчете элементов конструкций расчетные сопротивления бетона R_b и R_bt уменьшают, а в отдельных случаях увеличивают умножением на соответствующие коэффициенты условий работы бетона г_bi, учитывающие следующие факторы: особенности свойств бетонов; длительность действия нагрузки и ее многократную повторяемость, условия, характер и стадию работы конструкции; способ ее изготовления, размеры сечения и т. п.

Нормативные сопротивления арматуры R_sп устанавливают с учетом статистической изменчивости прочности и принимают равными наименьшему контролируемому значению: для стержневой арматуры — физического предела текучести или условного предела текучести, для проволочной арматуры — условного предела текучести Нормами установлена доверительная вероятность нормативного сопротивления арматуры 0,95.

Расчетные сопротивления арматуры растяжению для расчета по первой группе предельных состояний определяют делением нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по арматуре.

Расчетные сопротивления арматуры для расчета по второй группе предельных состояний устанавливают при коэффициенте надежности по арматуре = 1.

6. Для чего вводят коэффициент надежности по материалу и коэффициент условий работы, каковы они по величине?

При расчете элементов конструкций расчетные сопротивления арматуры снижаются или в отдельных случаях повышаются умножением на соответствующие коэффициенты условий работы г_s, учитывающие возможность неполного использования ее прочностных характеристик в связи с неравномерным распределением напряжений в сечении, низкой прочностью бетона, условиями анкеровки, наличием загибов, характером диаграммы растяжения стали, изменением ее свойств в зависимости от условий работы конструкции и т. д.

При расчете элементов на действие поперечной силы расчетные сопротивления поперечной арматуры снижают введением коэффициента условий работы г_s=0,8, учитывающего неравномерность распределения напряжений в арматуре по длине наклонного сечения. Кроме того, для сварной поперечной арматуры из проволоки классов Вр-1 и стержневой арматуры класса А-III введен коэффициент г_s=0,9, учитывающий возможность хрупкого разрушения сварного соединения хомутов.

Расчетные сопротивления арматуры для расчета по второй группе предельных состояний устанавливают при коэффициенте надежности по арматуре г_s=1.

7. Что учитывается коэффициентом надежности по назначению здания или сооружения?

При проектировании конструкций следует учитывать коэффициент надежности по назначению г_n, значение которого зависит от класса ответственности зданий или сооружений. На коэффициент надежности по назначению следует делить предельные значения несущей способности, расчетные значения сопротивлений, предельные значения деформаций, раскрытия трещин или умножать на этот коэффициент расчетные значения нагрузок, усилий или иных воздействий.

Установлены три класса ответственности зданий и сооружений:

Класс I, г_п = 1 — здания и сооружения, имеющие обоснованное народнохозяйственное и (или) социальное значение; главные корпуса ТЭС, АЭС; телевизионные башни; промышленные трубы высотой более 200 м; резервуары для нефтепродуктов вместимостью более 10 тыс. м³; крытые спортивные сооружения с трибунами; здания театров, кинотеатров, цирков, рынков, учебных заведений, детских дошкольных учреждений, музеев, государственных архивов и т. п.;

Класс II, г_n = 0,95 — здания и сооружения промышленного и гражданского строительства (не входящие в классы I и III);

Класс III, г_n = 0,9 — различные склады без процессов сортировки и упаковки, одноэтажные жилые дома, временные здания и сооружения.

8. Записать структурную формулу для расчета по 1-ой группе предельных состояний.

В расчетах на прочность исходят из III стадии напряженно-деформированного состояния. Сечение конструкции обладает необходимой прочностью, если усилия от расчетных нагрузок не превышают усилий, воспринимаемых сечением при расчетных сопротивлениях материалов с учетом коэффициента условий работы. Усилие от расчетных нагрузок Т (например, изгибающий момент или продольная сила) является функцией нормативных нагрузок, коэффициентов надежности и других факторов С (расчетной схемы, коэффициента динамичности и др.). Усилие, воспринимаемое сечением Tper, является, в свою очередь, функцией формы и размеров сечения S, прочности материалов Rbn, Rsn, коэффициентов надежности по материалам г_b, г_s и коэффициентов условий работы г_bi, г_si

Условие прочности выражается неравенством.

Т.к.

Можно записать короче.

1. В чем суть предварительного напряжения и какова цель его создания?

Начальные сжимающие напряжения создают в тех зонах бетона, которые впоследствии под воздействием нагрузок испытывают растяжение. При этом повышается трещиностойкость конструкции и создаются условия для применения высокопрочной арматуры, что приводит к экономии металла и снижению стоимости конструкции. Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых в процессе изготовления искусственно создают значительные сжимающие напряжения в бетоне натяжением высокопрочной арматуры.

Суть использования предварительно напряженного железобетона в конструкциях — экономический эффект, достигаемой применением высокопрочной арматуры; высокая трещиностойкость и как следствие повышенная жесткость, лучшее сопротивление динамическим нагрузкам, коррозионная стойкость, долговечность.

2. Каковы преимущества преднапряженных конструкций перед обычными?

В предварительно напряженной балке под нагрузкой бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений. При этом сила Fcrc, вызывающая образование трещин или ограниченное по ширине их раскрытие, превышает нагрузку, действующую при эксплуатации Fsеr. С увеличением нагрузки на балку до предельного разрушающего значения Fи напряжения в арматуре и бетоне достигают предельных значений. В аналогичной балке без предварительного напряжения нагрузка Fcrc < Fser, но разрушающая нагрузка Fи для обеих балок близка по значению, поскольку предельные напряжения в арматуре и бетоне этих балок одинаковы.

Таким образом, железобетонные предварительно напряженные элементы работают под нагрузкой без трещин или с ограниченным по ширине их раскрытием F_ser < F_crc < F_и, а конструкции без предварительного напряжения — при наличии трещин (F_сrс < F_ser < F_и) и при больших значениях прогибов. В этом различие конструкций предварительно напряженных и без предварительного напряжения с вытекающими отсюда особенностями их расчета, конструирования и изготовления.

3. Какие существуют способы изготовления преднапряженных конструкций, в чем они заключаются? Как осуществляется натяжение арматуры?

В производстве предварительно напряженных элементов возможны два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упор и натяжение ее на бетон.

При натяжении на упоры арматуру заводят в форму до бетонирования элемента, один конец ее закрепляют в упоре, другой — натягивают домкратом или другим приспособлением до заданного контролируемого напряжения. После приобретения бетоном необходимой кубиковой прочности перед обжатием R_bр арматуру отпускают с упоров. Арматура при восстановлении упругих деформаций в условиях сцепления с бетоном обжимает окружающий бетон При натяжении на бетон сначала изготовляют бетонный или слабоармированный элемент, затем при достижении бетоном прочности R_bр создают в нем предварительное сжимающее напряжение. Напрягаемую арматуру заводят в каналы или в пазы, оставляемые при бетонировании элемента, и натягивают на бетон. При этом способе напряжения в арматуре контролируют после окончания обжатия бетона. Сцепление арматуры с бетоном создается после обжатия инъецированием — нагнетанием в каналы цементного теста или раствора под давлением через заложенные при изготовлении элемента тройники — отводы.

4. Что такое предаточная прочность бетона?

Это кубиковая прочность бетона в момент обжатия R_bp, как правило, меньше проектной прочности. Ждать, когда бетон наберет 100% проектной прочности, — расточительно, особенно в условиях заводского изготовления. Поэтому назначают такую минимальную величину R_bp, которая обеспечила бы прочность и трешиностойкость изделия при обжатии, подъеме и перевозке, полагая, что до приложения эксплуатационных нагрузок бетон наберет проектную прочность. В любом случае R_bp принимают не менее 50% от класса В и не менее 11 МПа (а для канатов, проволоки В-II и Вp — II, стержней A-VI и выше — не менее 15,5 МПа). Следует помнить, что чем ниже R_bp, тем больше потери от ползучести, тем меньше сила обжатия; чем выше R_bp, тем больше продолжительность термообработки, тем дороже конструкция. Опыт показывает, что в большинстве случаев оптимальной является величина R_bp=0,7 В.

5. Какие материалы применяют для преднапряженных конструкций?

Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. При малых предварительных напряжениях в арматуре и малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения с течением времени будет утрачен вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и других технологических и конструктивных факторов. При высоких напряжениях в арматуре, близких к нормативному сопротивлению, в ней возникает опасность разрыва при натяжении (проволочная арматура) и опасность развития значительных остаточных деформаций (горячекатаная). На основании исследований, опыта изготовления и эксплуатации предварительно напряженных элементов значения предварительного напряжения у_sр и у'_sp в арматуре, расположенной соответственно в растянутой и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормали с учетом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

где p = 0,05у_sp — при механическом способе натяжения, МПа; р = 30+360/l — при электротермическом и электротермомеханическом способе натяжения (l — длина натягиваемого стержня, принимаемая как расстояние между наружными гранями упоров, м).

6. Каковы основные правила конструирования преднапряженных конструкций (расположение арматуры, усиление концевых участков элементов)?

Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. При малых предварительных напряжениях в арматуре и малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения с течением времени будет утрачен вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и других технологических и конструктивных факторов. При высоких напряжениях в арматуре, близких к нормативному сопротивлению, в ней возникает опасность разрыва при натяжении (проволочная арматура) и опасность развития значительных остаточных деформаций (горячекатаная). На основании исследований, опыта изготовления и эксплуатации предварительно напряженных элементов значения предварительного напряжения у_sр и у'_sp в арматуре, расположенной соответственно в растянутой и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормали с учетом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

где p = 0,05у_sp — при механическом способе натяжения, МПа; р = 30+360/l — при электротермическом и электротермомеханическом способе натяжения (l — длина натягиваемого стержня, принимаемая как расстояние между наружными гранями упоров, м).

7. Как назначают величину предварительных напряжений в арматуре?

Создаваемое искусственно предварительное напряжение в арматуре и бетоне имеет весьма существенное значение для последующей работы элементов под нагрузкой. При малых предварительных напряжениях в арматуре и малом обжатии бетона эффект предварительного напряжения с течением времени будет утрачен вследствие релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона и других технологических и конструктивных факторов. При высоких напряжениях в арматуре, близких к нормативному сопротивлению, в ней возникает опасность разрыва при натяжении (проволочная арматура) и опасность развития значительных остаточных деформаций (горячекатаная). На основании исследований, опыта изготовления и эксплуатации предварительно напряженных элементов значения предварительного напряжения у_sр и у'_sp в арматуре, расположенной соответственно в растянутой и сжатой зонах, от действия внешней нагрузки установлены нормали с учетом предельных отклонений так, чтобы для стержневой и проволочной арматуры выполнялись условия:

где p = 0,05у_sp — при механическом способе натяжения, МПа; р = 30+360/l — при электротермическом и электротермомеханическом способе натяжения (l — длина натягиваемого стержня, принимаемая как расстояние между наружными гранями упоров, м).

8. Перечислить первые и вторые потери предварительных напряжений при натяжении арматуры на упоры и при натяжении арматуры на бетон.

При натяжении арматуры на упоры учитывают: первые потери — от релаксации напряжений в арматуре, температурного перепада, деформации анкеров, трения арматуры об огибающие приспособления, деформации стальных форм, деформации бетона от быстронатекающей ползучести у_{los, 1} = у₁ + у₂ + у₃ + у₄ + у₅+ у₆

вторые потери — от усадки и ползучести у_{los, 2} = у₈ + у₉

При натяжении арматуры на бетон учитывают:

первые потери — от деформации анкеров, трения арматуры о стенки каналов (или поверхности бетона конструкций) у_{los, 1} = у₃ + у₄;

вторые потери — от релаксации напряжений в арматуре, усадки и ползучести бетона, смятия бетона под витками арматуры, деформации стыков между блоками (для сборных конструкций, состоящих из блоков) у_{los, 2} = у₇ + у₈ + у₉ + у₁₀ + у₁₁.

Суммарные потери при любом способе натяжения у_los = у_{los, 1} + у_{los, 2}

9. Как определяется усилие предварительного обжатия бетона и эксцентриситет его приложения?

Усилие предварительного обжатия бетона принимают равным равнодействующей усилий в напрягаемой и ненапрягаемой арматуре:

а эксцентриситете этого усилия относительно центра тяжести приведенного сечения определяют из условия равенства моментов равнодействующей и составляющих:

10. Что понимают под приведенным сечением, как определяют его геометрические характеристики?

Чтобы определить напряжения в сечениях предварительно напряженных железобетонных элементов в стадии I (до образования трещин), рассматривают приведенное бетонное сечение, в котором площадь сечения арматуры заменяют эквивалентной площадью сечения бетона. Исходя из равенства деформаций арматуры и бетона, приведение выполняют по отношению модулей упругости двух материалов б = Е_s/Е_b. Площадь приведенного сечения элемента составит.

где А — площадь сечения бетона за вычетом площади сечения каналов и пазов.

Статический момент приведенного сечения относительно оси 1−1, проходящей по нижней грани сечения,.

где А_i - площадь части сечения; y_i — расстояние от центра тяжести i-й части сечения до оси 1 — 1.

Расстояние от центра тяжести приведенного сечения до оси 1 — 1.

Момент инерции приведенного сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести приведенного сечения.

где I_i — момент инерции i-й части сечения относительно оси, проходящей через центр тяжести этой части сечения.

Расстояния до верхней и нижней границы ядра сечения от центра тяжести приведенного сечения составляют:

11. Как определяют напряжения в бетоне в момент обжатия, напряжения в ненапрягаемой арматуре?

Напряжения в бетоне при обжатии.

При обжатии в бетоне развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений приобретает криволинейное очертание. В упрощенной постановке задачи напряжения в бетоне при обжатии определяют в предположении упругой работы сечения и линейности эпюры напряжений:

В зависимости от цели расчета напряжения в бетоне определяют в разных по высоте сечения уровнях:

а) при установлении контролируемого напряжения в арматуре, натягиваемой на бетон, — в уровне усилий в напрягаемой арматуре:

где Р определяют с учетом первых потерь при г_sp = 1.

б) при проверке предельных напряжений при обжатии — в уровне крайнего сжатого волокна:

где Р определяют с учетом первых потерь (без потерь у₆) при г_sp = 1.

в) при расчете потерь у₆ от быстронатекающей ползучести и у₉ от ползучести — на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры по формулам.

Напряжения в ненапрягаемой арматуре В ненапрягаемой арматуре предварительно напряженных элементов под влиянием совместных с бетоном деформаций возникают начальные сжимающие напряжения: при обжатии бетона — равные потерям от быстро-натекающей ползучести у_s = у₆, перед загружением элемента — равные сумме потерь от быстронатекающей ползучести, усадки и ползучести бетона.

Для ненапрягаемой арматуры, расположенной в зоне, растянутой при обжатии элемента, принимают у_s = у₈

1. Охарактеризовать стадии напряженно-деформированного состояния элемента при изгибе.

Стадия 1. При малых нагрузках на элемент напряжения в бетоне и арматуре невелики, деформации носят преимущественно упругий характер; зависимость между напряжениями и деформациями — линейная, эпюры нормальных напряжений в бетоне сжатой и растянутой зон сечения — треугольные.

Рис. Стадии напряженно-деформированного состояния в нормальных сечениях при изгибе элемента без предварительного напряжения

С увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра напряжений становится криволинейной, напряжения приближаются к пределу прочности при растяжении. Этим характеризуется конец стадии I. При дальнейшем увеличении нагрузки в бетоне растянутой зоны образуются трещины, наступает новое качественное состояние.

Стадия II. В том месте растянутой зоны, где образовались трещины, растягивающее усилие воспринимается арматурой и участком бетона растянутой зоны над трещиной. В интервалах между трещинами в растянутой зоне сцепление арматуры с бетоном сохраняется, и по мере удаления от краев трещин растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются, а в арматуре уменьшаются. С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоны развиваются неупругие деформации, эпюра нормальных напряжений искривляется, а ордината максимального напряжения перемещается с края сечения в его глубину. Конец стадии II характеризуется началом заметных неупругих деформаций в арматуре.

Стадия III (стадия разрушения). С дальнейшим увеличением нагрузки напряжения в стержневой арматуре достигают физического (условного) предела текучести; напряжения в бетоне сжатой зоны под влиянием нарастающего прогиба элемента и сокращения высоты сжатой зоны также достигают значений временного сопротивления сжатию. Разрушение железобетонного элемента начинается с арматуры растянутой зоны и заканчивается раздроблением бетона сжатой зоны. Такое разрушение носит пластический характер, его называют случаем 1. Если элемент в растянутой зоне армирован высокопрочной проволокой с малым относительным удлинением при разрыве (около 4%), то одновременно с разрывом проволоки происходит раздробление бетона сжатой зоны. Разрушение носит хрупкий характер, его также относят к случаю 1.

В элементах с избыточным содержанием растянутой арматуры (переармированных) разрушение происходит по бетону сжатой зоны. Стадия II переходит в стадию III внезапно. Разрушение переармированных сечений всегда носит хрупкий характер при неполном использовании растянутой арматуры; его называют случаем 2.

2. Охарактеризовать стадии напряженно-деформированного состояния при изгибе элемента с предварительным напряжением.

При обжатии в предварительно напряженном элементе возникают довольно высокие напряжения. Под влиянием развития неупругих деформаций эпюра сжимающих напряжений приобретает криволинейное очертание. В процессе последовательного загружения внешней нагрузкой предварительные сжимающие напряжения погашаются, а возникающие растягивающие напряжения приближаются к временному сопротивлению бетона растяжению.

Перемещение в глубь сечения ординаты с максимальным напряжением на криволинейной эпюре у_b=е_bЙ_b обусловлено последовательным увеличением значений е_b и одновременным уменьшением Й_b от оси к внешнему краю сечения. Особенность напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных элементов проявляется главным образом в стадии I. Внешняя нагрузка, вызывающая образование трещин, значительно увеличивается (в несколько раз), напряжение в бетоне сжатой зоны и высота этой зоны также значительно возрастают. Интервал между стадиями I и III сокращается. После образования трещин в стадиях II и III напряженные состояния элементов с предварительным напряжением и без него сходны.

3. Охарактеризовать два случая разрушения по нормальным сечениям. Что такое граничная высота сжатой зоны?

Граничная высота сжатой зоны.

В сечениях, нормальных к продольной оси элементов, — изгибаемых, внецентренно сжатых, внецентренно растянутых-при двузначной эпюре напряжений в стадии III характерно одно и то же напряженно-деформированное состояние. В расчетах прочности усилия, воспринимаемые сечением, нормальным к продольной оси элемента, определяют по расчетным сопротивлениям материалов с учетом коэффициентов условий работы. При этом принимают следующие исходные положения: бетон растянутой зоны не работает — сопротивление R_bt равно нулю; бетон сжатой зоны испытывает расчетное сопротивление R_b — эпюра напряжений прямоугольная; продольная растянутая арматура испытывает напряжения, не превышающие расчетное сопротивление; продольная арматура в сжатой зоне сечения испытывает напряжение у_sc. В общем случае условие прочности при любом из перечисленных внешних воздействий формулируется в виде требования о том, чтобы момент внешних сил не превосходил момента внутренних усилий. Запишем это условие относительно оси, проходящей через центр тяжести растянутой арматуры.

где М — в изгибаемых элементах момент внешних сил от расчетных нагрузок; во внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементах — момент внешней продольной силы относительно той же оси, (е-расстояние от силы N до центра тяжести растянутой арматуры); S_b — статический момент площади бетона сжатой зоны относительно той же оси; z_s — расстояние между центрами тяжести растянутой и сжатой арматуры.

4. Составить расчетные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для изгибаемого прямоугольного профиля с одиночным армированием.

Элементы прямоугольного профиля с одиночной арматурой имеют следующие геометрические характеристики:

где h₀ и b — рабочая высота и ширина сечения.

Высоту сжатой зоны х определяют на основании равенства из выражения.

Условие прочности, согласно выражению, имеет вид.

Удобно пользоваться также выражением моментов, взятых относительно оси, проходящей через центр тяжести сжатой зоны:

Коэффициент армирования.

Сечение считается подобранным удачно, если его несущая способность, выраженная по моменту, превышает заданный расчетный момент не более чем на 3−5%.

рабочая высота сечения.

5. Составить расчетные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для изгибаемого прямоугольного профиля с двойным армированием.

В практике могут встретиться случаи применения элементов с двойной арматурой, хотя арматура в сжатой зоне менее эффективна, чем в растянутой.

Если в изгибаемом элементе предусматривается продольная арматура в сжатой (при действии нагрузки) зоне, учитываемая в расчете, то для предотвращения выпучивания продольных стержней поперечную арматуру ставят: в сварных каркасах на расстояниях не более 20d, в вязаных каркасах не более 15d.

Условие прочности изгибаемого элемента прямоугольного сечения, армированного двойной арматурой.

Уравнение для определения положения границы сжатой зоны.

6. Охарактеризовать два расчетных случая изгибаемого элемента таврового профиля. Как определяется положение нейтральной оси?

Тавровые сечения встречаются в практике весьма часто как в отдельных железобетонных элементах — балках, так и в составе конструкций — в монолитных ребристых и сборных панельных перекрытиях.

Тавровое сечение образуется из полки и ребра.

В сравнении с прямоугольным тавровое сечение значительно выгоднее, ибо при одной и той же несущей способности (несущая способность железобетонного элемента не зависит от площади усечения бетона растянутой зоны) расходуется бетона меньше вследствие сокращения размеров растянутой зоны. По той же причине более целесообразно тавровое сечение с полкой в сжатой зоне, так как полка в растянутой зоне не повышает несущей способности элемента.

Тавровое сечение, как правило, имеет одиночное армирование.

При большой ширине полок участки свесов, более удаленные от ребра, напряжены меньше. Поэтому в расчет вводят эквивалентную ширину свесов полки. Она принимается равной: в каждую сторону от ребра — не более половины расстояния в свету между ребрами с и не более 1/6 пролета рассчитываемого элемента.

При расчете тавровых сечений различают два случая положения нижней границы сжатой зоны: в пределах полки и ниже полки.

Нижняя граница сжатой зоны располагается в пределах полки. В этом случае тавровое сечение рассчитывают как прямоугольное, поскольку площадь бетона в растянутой зоне на несущую способность не влияет.

Расчетные формулы (для элементов без предварительного напряжения):

7. Составить расчётные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для изгибаемого элемента таврового профиля когда нейтральная ось проходит в полке.

Нижняя граница сжатой зоны располагается в пределах полки. В этом случае тавровое сечение рассчитывают как прямоугольное, поскольку площадь бетона в растянутой зоне на несущую способность не влияет.

Расчетные формулы (для элементов без предварительного напряжения):

Расчетный случай таврового сечения может быть определен по следующим признакам:

1) если известны все данные о сечении, включая A_s то при.

граница сжатой зоны проходит в полке; при обратном неравенстве она пересекает ребро;

2) если известны размеры сечения и задан расчетный изгибающий момент, но A_s неизвестно, то при.

граница сжатой зоны проходит в полке; при обратном неравенстве она пересекает ребро.

Нижняя граница сжатой зоны размещается ниже полки, в сечениях со слаборазвитыми свеса ми. В этом случае сжатая зона сечения состоит из сжатой зоны ребра и свесов полки Положение нижней границы сжатой зоны определяется из уравнения.

9. Как устанавливается случай внецентренного сжатия? Охарактеризовать стадию III для каждого случая.

Эксперименты показали, что сопротивление коротких центрально-сжатых элементов внешнему усилию слагается из сопротивления бетона и продольной арматуры. При этом обычно бетон достигает своего предела прочности, а арматура — предела текучести; это обусловлено достаточно большими неупругими деформациями сильно напряженного бетона.

На несущую способность длинных (гибких) сжатых железобетонных элементов заметное влияние оказывают случайные эксцентриситеты, явление продольного изгиба, длительное воздействие нагрузки.

По нормам случайные эксцентриситеты должны приниматься равными большему из следующих значений: 1/30 высоты сечения элемента, 1/600 длины элементы (или ее части между местами, закрепленными от поперечных перемещений). В сборных конструкциях следует учитывать возможность образования случайного эксцентриситета вследствие смещения элементов на опорах из-за неточностей монтажа; при отсутствии опытных данных значение этого эксцентриситета принимается не менее 1 см.

Некоторые элементы прямоугольного сечения, а именно с симметричным армированием стержнями из стали классов А-1, А-Н, А-III при L₀?20h и эксцентриситете е_о=е_а?h/30 в практике допускается рассчитывать по несущей способности (предельное состояние первой группы) как центрально-сжатые, исходя из условия.

Здесь N — продольное сжимающее усилие, вычисленное при расчетных нагрузках; А — площадь сечения элемента/.

10. Составить расчетные уравнения и записать условие прочности нормального сечения для внецентренно сжатого элемента прямоугольного профиля (случай больших эксцентриситетов)