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 па 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 «σ.-ε» (рис. 5.26) отсутствует ярко выраженная площадка текучести, вводят понятие условного предела текучести.

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

11. Классы арматуры, соответствующие им нормативные и расчетные сопротивления.

Арматура, применяемая для конструкций без предварительного напряжения

Принятое условное обозначение класса арматуры является в достаточной степени информа­тивным, так как в нем после буквенного обозначения (S) указана величина нормативного сопро­тивления арматуры, выраженная в МПа.

Для арматурных сталей, применяемых в железобетонных конструкциях, установлены сле­дующие прочностные характеристики:

а) мгновенная прочность на растяжение или временное сопротивление при разрыве f_t и рассчитываемое по формуле: f = F/A

где F усилие, регистрируемое при разрыве стержня в испытательной машине; A — номинальная площадь cечения стержня;

б) нормативное временное сопротивление f,_k, определяемое по результатам испытания серии образцов (но не менее 15 штук) одного диаметра из одной марки стали с учетом статистической изменчивости с обеспеченностью не менее 0,95;

в) нормативное сопротивление арматуры f_yk - наименьшее контролируемое значение физического или условного предела текучести; указанные контролируемые характеристики гарантируются заводами-изготовителями с обеспеченностью не менее 0,95;

г) расчетное сопротивление арматуры f_yd определяемое путем деления нормативных сопротивлений fyk на частный коэффициент безопасности по арматуре, принимаемый равным 1.1

В качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных конструкций в соответствии с требованиями норм [1] следует применять стержни и канаты классов S800, S1200, S1400.

Нормативное сопротивление высокопрочной напрягаемой арматуры f _0.2κ - это наимень­шее контролируемое значение условного предела текучести, равного значению напряжения, соот­ветствующего остаточному относительному удлинению 0,2 %. Указанная характеристика гаранти­руется заводом-изготовителем с обеспеченностью не менее 0,95.

Расчетное сопротивление напрягаемой арматуры f _0.2d определяют путем деления норма­тивного сопротивления f _0.2κ на частный коэффициент безопасности по арматуре γ принимаемый равным 1,2.

12. Деформативные характеристики арматуры.

Для ненапрягаемой арматуры, применяемой в железобетонных конструкциях, зависимость, связывающую напряжения и относительные деформации, в общем случае следует принимать при расчете железобетонных конструкций в виде диаграммы «σ_s-ε_s».

Зависимость, связывающая напряжения и относительные деформации, для напрягаемой ар­матуры предварительно напряженных конструкций следует принимать в соответствии с диаграм­мой,

а) б)

Еп ειαι, zsy 10%ο

Рис. 5.3. Расчетные диаграммы для арматуры «os - ε,» а) для напрягаемой арматуры; б) для арматуры, имеющей физический предел текучести

13. Арматурные изделия

14. Совместная работа арматуры с бетоном. Сцепление.

Основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в конструк­ции и позволяющим работать железобетону как единому монолитному телу, является надежное сцепление арматуры с бетоном. Снижение сцепления арматуры с бетоном приводит к чрезмерному раскрытию трещин, уменьшению жесткости и прочности конструкции.

Работая совместно с гибкими арматурными стержнями, бетон, кроме того, обеспечивает их защиту от коррозии и от действия высоких температур.

Силы сцепления по контакту двух материалов зависят от целого ряда конструктивно-технологических факторов, в том числе от прочности бетона и технологических параметров бетон­ной смеси. Важную роль для обеспечения сцепления арматуры с бетоном играет вид и форма поверхности арматурного стержня: наибольшим сцеплением обладают круглые рифленые стержни, в то время как стержни, имеющие квадратную либо прямоугольную форму сече­ния, характеризуются меньшим сцеплением

Существенное влияние на величину сцепления оказывает вид напряженного состояния по контакту арматурного стержня с бетоном.

Анкеровка

Как показывают экспериментальные исследования, распределение напряжений сцепления по длине стержня не является равномерным. Это положение имеет важное значение при определении длины анкеровки арматурного стержня в конструкции.

Для обеспечения прочности наклонных сечений ригеля по изгибающим моментам обрываемые в пролете стержни продольной арматуры необходимо завести за точку теоретического обрыва на расстояние не менее:

(*)

где: a₁, a₂, a₃, a₄ – коэффициенты, характеризующие условия анкеровки, определяются по табл. 11.6 [1];

l_b – базовая длина анкеровки, определяется с помощью табл. 3-1 прилож. 3;

–площадь продольной арматуры, требуемая по расчету;

– принятая площадь продольной арматуры;

– минимальная длина анкеровки, принимается равной наибольшему значению из величин: 0,6 l_b; 20Æ; 100 мм для растянутых стержней и 0,3 l_b; 15Æ; 100 мм для сжатых стержней.

Кроме того, общая длина запуска стержня за точку теоретического обрыва для растянутых стержней должна быть не менее 0,5h, где h – высота ригеля.

В связи с тем, что произведение изменяется в пределах 0,7-1.0 (см. п. 11.2.32 [1]) , а величина a₃ в условиях обрыва арматуры ригеля принимается равной 0,7, то в курсовом проекте с целью уменьшения расчетной части разрешается принимать а a₃ = 0,7.

Анкеровка стержней продольной арматуры на свободной опоре осуществляется путем заведения за внутреннюю грань опоры на длину не менее:

5Æ в элементах, где арматура ставится на восприятие поперечной силы конструктивно;

10Æ - в элементах, где поперечная арматура ставится по расчету, а до опоры доводится не менее 2/3 сечения арматуры, определенной по наибольшему моменту в пролете;

15Æ - то же, если до опоры доводится не менее 1/3 сечения арматуры.

16. Экспериментальные данные о стадиях напряженно-деформированного состояния сечений, нормальных к продольной оси железобетонного элемента. Характер разрушения. Характер работы сечений под нагрузкой.

Последовательное нагружение элемента вплоть до его разрушения позволяет выявить не­сколько характерных стадий напряженно-деформированного состояния, возникающих в сечениях, нормальных к его продольной оси.

Стадия 1 напряженно-деформированного состояния сечения характеризует сопротивление железобетонного элемента, работающего без трещин. При этом удобно рассматривать два проме­жуточных состояния (стадия la и 1б) сечения в зависимости от величины относительных дефор­маций его наиболее растянутой грани.

Стадия la имеет место на начальных этапах нагружения, когда величина изгибающего мо­мента в зоне чистого изгиба невелика, бетон как в сжатой, так и в растянутой зонах сечения работает в области упругих деформаций (т.е. наблюдается линейная зависимость между напряжениями и от­носительными деформациями (рис. 6.4).

Таким образом характерными чертами стадии 1 напряженно-деформированного состояния сечения являются:

отсутствие трещин в растянутой зоне сечения;

линейное распределение относительных деформаций по высоте сечения, т.е. практически стро­гое выполнение гипотезы плоских сечений до момента появления трещин;

совместная работа арматуры и окружающего ее бетона без нарушения сцепления.

Стадия 2 характеризует сопротивление сечения железобетонной конструкции, имеющей трещины. В сечении с трещиной нейтральная ось смещается по направлению к наиболее сжатой грани, уменьшая высоту сжатой зоны (х).

Стадия 2 характеризует сопротивление конструкции при эксплуатационном нагружении и используется при расчете конструкций по раскрытию трещин и прогибам.

Таким образом, для стадии 2 характерными признаками являются:

в растянутой зоне сечения развиваются трещины, имеющие ширину раскрытия, зависящую от уровня нагружения конструкции, т.е. средних относительных деформаций растянутой арматуры;

относительные продольные деформации и напряжения в бетоне и арматуре по длине элемента распределены неравномерно. В сечении с трещиной растягивающие усилия в основном воспри­нимает арматура, а на участке между трещинами - совместно бетон и арматура. В середине уча­стка между трещинами обеспечена совместная работа бетона и арматуры, а по мере приближе­ния к берегам трещины может наблюдаться проскальзывание арматуры относительно бетона;

гипотеза плоских сечений остается справедливой для некоторого среднего сечения по длине зоны чистого изгиба. В отдельном сечении, проходящем через трещину в виду депланации ее краев, гипотеза плоских сечений может нарушаться.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к переходу испытываемой балки в стадию 3. харак­теризующую наступление в сечении предельного состояния по прочности — разрушения. При этом возможны два случая разрушения железобетонного элемента по сечению, нормальному к продоль­ной оси балки.

В стадии 3 следует отдельно остановиться на работе арматуры, располагаемой в сжатой зоне сечения. На этом этапе арматура A_sc играет важную роль, воспринимая часть усилия, действующего в сжатой зоне сечения. Учитывая то обстоятельство, что арматура работает совместно с бетоном вплоть до наступления предельного состояния, ее деформации обусловлены деформативностью ок­ружающего бетона (деформации арматуры слелуют за деформациями бетона).

Наличие арматуры в сжатой зоне сечения позволяет изменить характер разрушения балки

Таким образом, характеризуя стадию 3 напряженно-деформированного состояния следует подчеркнуть:

1. Данная стадия определяет предельное состояние сечения по прочности. При этом в зависимости от характера распределения по сечению продольных относительных деформаций возможно два характерных случая разрушения сечения. Если относительные деформации растянутой армату­ры достигают предельных значений, соответствующих напряжениям, равным условному или физическому пределу текучести раньше, чем бетон наиболее сжатой грани достигает предель­ной сжимаемости е_сн, разрушение начинается по растянутой зоне. В противном случае разруше­ние происходит по бетону сжатой зоны сечения при достижении предельных деформаций бето­на при сжатии Е_си. Такой характер разрушения является нежелательным и должен быть исклю­чен в процессе проектирования. Оптимальным является случай, когда в стадии разрушения од­новременно напряжения в арматуре достигают предела текучесть (f_y), а бетон сжатой зоны дос­тигает предельных значений относительных деформаций сжатия (е_сы).

2. Для среднего сечения по длине элемента с определенным допущением выполняется гипотеза плоских сечений.

По длине пролета рассмотренной железобетонной балки одновременно при одном уровне на­гружения имеют место все рассмотренные стадии напряженно-деформированного состояния для сечения, нормального к продольной оси элемента, в зависимости от изменения величины изги­бающего момента (рис. 6.9).

17 Два случая разрушения.

В первом случае относительные деформации растянутой арматуры достигают предельных значений соответствующих напряжениям, равным физическому или условному пределу текуче­сти. При этом относительные деформации бетона наиболее сжатой грани се­чения к этому моменту не достигают величины предельной сжимаемости. В этом случае проги­бы элемента развиваются без прироста нагрузки, трещины раскрываются и развиваются в глубь по высоте сечения, сокращая высоту сжатой зоны. Разрушение, начинающееся по растянутой армату­ре с увеличением деформаций арматуры, может завершаться по сжатому бетону, когда его относительные деформации достигают предельных значений

Во втором случае относительные деформации сжатого бетона достигают предельных значе­нии ранее, чем растянутая арматура достигает относительных дефор­маций, соответствующих физическому или условному пределу текучести. Разрушение сечения пс сжатому бетону происходит хрупко (особенно в случае применения высокопрочных бетонов) с раздроблением бетона сжатой зоны. Такой вид разрушения характерен для переармированных се­чений, элементов, имеющих небольшую высоту сечения, воспринимающих значительные по вели­чине изгибающие моменты, а также внецентренно сжатых элементов при малых эксцентриситетах приложения продольной силы. При этом арматура, применяемая для армирова­ния растянутой зоны сечения, полностью не используется.

18. Основы расчета железобетонных конструкций. Методы расчета железобетонных конструкций.

В линейно-упругом методе расчета, основанном на классических положениях теории сопро­тивления материалов, принята линейная зависимость между напряжениями и относительными де­формациями для материалов (выполнение закона Гука), что обуславливает введение линейной за­висимости «момент-кривизна» (рис. 3.8а).

Для стержневых систем можно записать следующие базовые уравнения линейного метода расчета конструкции:

б = εΕ или Μ =y’’EJ

Внутренние усилия, определенные в конструкции линейно-упругим методом, используются далее для расчета сечений. При использовании линейно-упругого метода расчета в рамках приня­того в нормах [1,6] метода предельных состояний, появляются некоторые несоответствия. Это свя­зано с тем, что при расчетах прочности сечений (по предельным состояниям первой группы) ис­пользуются нелинейные модели, описывающие работу бетона и арматуры (нелинейные диаграммы деформирования, см. п. 4.4.2). Отсюда появляется несоответствие в описании поведения конструк­ции на определенных этапах ее проектирования: упруго-линейный расчет на этапе определения внутренних усилий и нелинейный на этапе расчета сечений.

Линейный расчет с ограниченным перераспределением моментов используется, главным образом, при проектировании статически неопределимых элементов, подверженных действию из­гибающих моментов и продольных сил (например, неразрезные балки, ригели несмещаем ых рам и т.д.). Для таких элементов вводят ограниченное перераспределение моментов, определенных из линейно-упругого расчета. Перераспределение моментов оказывает влияние не только на распре­деление внутренних усилий в отдельных сечениях (изгибающих моментов, поперечных сил), но и на деформации системы (ширину раскрытия трещин, прогибы).

Метод перераспределения усилий, основанный на положениях теории пластичности, допус­кает ограниченное снижение величины изгибающих моментов в критических сечениях элемента в соответствии со следующей зависимостью:

Μ_е = δΜ_er, (3.42)

где М_е, М_er - соответственно изгибающие моменты до и после перераспределения;

Нелинейные методы расчета учитывают упруго-пластические (т.е. нелинейные) характе­ристики конструкции, благодаря чему позволяют более реально оценить распределение усилий в отдельных сечениях. В соответствии с положениями норм [1, 6, 11] нелинейные методы расчета позволяют не только учитывать физическую нелинейность зависимостей, описывающих работу материалов под нагрузкой, но могут одновременно учитывать и т.н. эффекты геометрической не­линейности.

Пластические методы расчета описывают поведение конструкции в предельном состоя­нии по прочности. Разрушение железобетонной конструкции в этих методах рассматривается как потеря способности к восприятию нагрузок или же как превращение конструктивной системы в механизм.

При построении пластических методов расчета исходят из того, что в предельном состоянии по прочности полные деформации материалов (бетона, стали) настолько велики по сравнению с упругими, что последними можно пренебречь. Это ведет к тому, что в расчетах рассматривается механизм разрушения некоторого идеально жестко-пластического тела (рис. 3.11). Механизм де­формирования для такой модели является таковым, что при Μ < Myd конструкция не подвергается никаким деформациям, т.е. ведет себя как идеально жесткое тело.

19. Методы расчета по допускаемым напряжениям и разрушающим усилиям.

20. Метод расчета по предельным состояниям.

предельным состоянием является такое состояние, при достижении которого конструктивная система или составляющий ее элемент перестают удовлетворять задан­ным требованиям .

При расчетах железобетонных конструкций выделяют две группы предельных состояний:

предельные состояния первой группы, связанные с потерей прочности, устойчивости и други­ми формами разрушения конструктивной системы или ее элементов, создающего опасность для жизни людей;

предельные состояния второй группы, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций

Расчеты по предельным состояниям первой группы, являются наиболее важными и ответ­ственными, т.к. они предопределяют безопасность конструкции и включают: расчеты по прочности;

- расчеты по устойчивости формы и устойчивости

- расчеты на выносливость при действии многократно повторяющейся нагрузки.

Расчет по предельным состояниям первой группы производят из условия, по которому уси­лия от расчетных воздействий не превышают предельных усилий, которые может воспринять кон­струкция в расчетном сечении с трещиной. Расчетные условия метода предельных состояний в общем случае имеют вид:

E_d<R_d, (3.2)

где Εd - расчетное значение эффекта от воздействия

Rd - расчетное значение предельного усилия (вектора предельных усилий), которое способно воспринимать конструкция.

Расчеты по предельным состояниям второй группы включают:

расчеты по образованию трещин;

расчеты по деформациям (прогибам, перемещениям).

Е_d<Сd где C_d - допустимое значение эффекта установленное нормативным документом

21 Воздействия на железобетонные конструкции в методе предельных состояний. Виды нагрузок.

воздействия на элементы конструктивных систем классифицируют в зависимости оТ:

источника их происхождения: а) «прямые» воздействия или «нагрузка» — силы приложенные непосредственно к конструкциям и вызывающие в элементах напряжения и перемещения; б) «непрямые» или «косвенные» воздействия - реактивные силы, вызванные перемещениями свя­зей, соединяющих конструктивные элементы,

изменения их величины во времени (продолжительности действия): а) постоянные воздей­ствия (G), например, собственный вес конструкции; вес стационарного оборудования; б) переменные (или временные) воздействия в) особые (аварийные) воз­действия (А)

изменения их положения в пространстве: а) стационарные (неподвижные) воздействия; б) нестационарные (подвижные) воздействия, физической природы: статические и динамические.