Определение потерь напряжений в арматуре

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Коэффициент точности предварительного напряжения (при расчете зоны, растянутой от действия внешних нагрузок, по трещиностойкости и при расчете по деформациям) принимается равным 0,9; при неблагоприятном влиянии предварительного напряжения (при расчете трещиностойкости зоны, растянутой от действия предварительного обжатия) и при расчете на прочность в стадии обжатия или в стадии эксплуатации для арматуры сжатой зоны элемента принимается равным 1,1.
При натяжении на упоры учитываются потери, происходящие до окончания обжатия (первые потери), от релаксации напряжений в стеклопластиковой арматуре, от деформации форм (при натяжении арматуры на форму), от изменения разности температур натянутой арматуры и устройства, воспринимающего усилие напряжения, а также от неупругих деформаций бетона, проявляющихся в процессе обжатия; после обжатия бетона (вторые потери) — от усадки и ползучести бетона и воздействия многократно повторяющейся нагрузки.
Рис. 30. Схема распределения усилий в поперечном сечении сте«-лопластбетонного элемента при определении напряжений в бетоне и арматуре.
Расчетный температурный перепад при пропаривании или подогреве бетона рекомендуется принимать не более 60°С (что должно обеспечиваться назначаемым режимом прогрева). Потери от температурного перепада следует учитывать при натяжении арматуры на неподвижные упоры (упоры стенда, штыри матрицы, закрепленные в основании), расстояние между которыми не меняется в процессе прогрева. Потери от деформации форм учитываются при последовательном натяжении отдельных стержней и передаче усилий от натяжений на форму.
Значения потерь предварительного напряжения определяются по табл. 7 с учетом следующих рекомендаций:.
потери от усадки и ползучести бетона для конструкций, подвергающихся пропариванию либо прогреву, снижаются на 15%;.
при заранее известном сроке загружения конструкций, например при их контрольных заводских испытаниях, значение потерь напряжений от усадки и ползучести (которые определяются по табл. 7, пп. 7 и 8) умножается на коэффициент
где v— время, сут , отсчитываемое при определении потерь от усадки со дня бетонирования, а при определении потерь от ползучести — со дня предварительного обжатия конструкции.
При определении предварительных напряжений потери учитываются следующим образом:.
при расчете в стадии эксплуатации учитываются все потери; при расчете в стадии изготовления, транспортирования и монтажа в том случае, когда влияние предварительного обжатия неблагоприятно, учитываются первые потери; при благоприятном влиянии предварительного напряжения учитываются все потери;.
если заранее известен срок загружения конструкции (например, при контрольных испытаниях), потери принимаются равными сумме первых потерь и потерь от усадки и- ползучести (по табл. 7, пп. 7 и 8) с учетом коэффициента р , учитывающего фактические потери к моменту загружения конструкции.
Равнодействующая усилий от предварительного напряжения всей арматуры в элементе определяется по формуле (см. рис. 30)
Таблица 8. Допускаемое обжатие бетона ГНв долях кубиковой прочности R
Влияние внешних воздействий
Характер обжатия бетона в элементе
центральное J
внецентренное
Напряжения уменьшаются при действии внешних нагрузок
0,7
0,8
Напряжения увеличиваются при действии внешних нагрузок
0,5
0,55.
Расчет изгибаемых стеклопластбетонных элементов
Эксцентриситет силы A/
0
относительно центра тяжести сечения (см. рис. 30).
где 6
0
и 6 — предварительные напряжения в арматуре А и А , определенные с учетом коэффициента точности натяжения т
т
и потерь напряжений для рассматриваемой стадии работы элемента. При неодновременном механическом натяжении отдельных стержней с передачей усилия на формы контролируемые напряжения следует назначать с учетом потерь от деформаций форм в соответствии с п. 4 табл. 7 и [18, 19]; Уа и У& — расстояния от центра тяжести сечения до точки приложения равнодействующей в арматуре А и А .
Напряжения в бетоне от предварительного обжатия в момент отпуска арматуры в зависимости от напряженного состояния поперечного сечения стеклопластбетонного элемента и способа напряжения арматуры не должны превышать допускаемых значений, представленных в табл. 8. Напряжения в бетонных сечениях, нормальных к оси элемента, определяются по площади бетонного сечения без учета площади, занимаемой арматурой.
Расчет прямоугольных сечений по прочности (рис. 31) выполняется следующим образом [20, 21]. Определяется граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона по формуле
Рис. 31. Схема расположения усилий в поперечном сечении изгибаемого элемента при расчете на прочность
где £
0
— характеристика сжатой зоны бетона, определяемая по формуле (31) СНиП П-21-75;
Высота сжатой зоны бетона прямоугольных сечений определяется по формуле
л = [F
R
t F
-йб
)]/(/?
Ь), (2).
где лба — снижение напряжений в арматуре сжатой зоны к моменту исчерпания расчетной прочности элемента, равное 550 кгс/см -.
В связи с опасностью хрупкого разрушения от разрыва арматуры проектирование элементов, в которых х 4 $
h
требует экспериментального обоснования в каждом конкретном случае. С точки зрения полного использования сопротивления арматуры оптимальным является сечение, для которого соблюдается условие х = h
. При расчете стеклопластбетонных элементов рекомендуется соблюдать условие л & $
h
. В этом случае для оценки прочности сечения допускается принимать х = h
Прочность сечения проверяется из условия (см. рис. 31)
В отечественных и зарубежных публикациях отсутствуют данные о прочности изгибаемых стеклопластбетонных элементов по наклонным сечениям при совместном действии изгибающих моментов и поперечных сил. Поэтому в ИСиА Госстроя БССР были проведены экспериментальные исследования нескольких серий стеклопластбетонных балок. Общность характера поведения стеклопластбетонных и железобетонных элементов по наклонным сечениям позволила при изучении прочности изгибаемых стеклопластбетонных сечений использовать экспериментальный и теоретический материал из области железобетона.
При анализе исследований, посвященных прочности железобетонных элементов (работы В.В. Михайлова [22], С.А. Тихомирова [23], Л.М.Слепко [24], П.И. Пекелиса [25] и др.), установлено, что продольное армирование, особенно предварительно напряженное, значительно повышает прочность балок по наклонным сечениям. Авторами этих исследований предложены эмпирические зависимости прочности по наклонному сечению от степени предварительного обжатия бетона продольной арматурой.
При изучении работы стеклопластбетонных и железобетонных балок в ИСиА Госстроя БССР [26], а также в результате анализа исследований железобетонных балок других авторов установлена эмпирическая зависимость между высотой сжатой зоны над вершиной наклонной трещины и высотой сжатой зоны в нормальных сечениях в середине пролета изгибаемого элемента х . К моменту разрушения это отношение равно
где А*/— коэффициент, суммарно учитывающий влияние деформации продольной арматуры в пролете среза на высоту сжатой зоны бетона в конце наклонной трещины.
Прочность стеклопластбетонных балок по наклонным сечениям определяется по формуле
Значительное число испытанных железобетонных и стеклопластбетонных балок (всего 114 элементов) позволило определить зависимость К от 6
^ (рис. 32) в нормальных сечениях (здесь е
и e
,
— соответственно средние значения относительного удлинения арматуры и относительного укорочения сжатого бетона на участке между трещинами, которые могут быть определены по формулам (285) и (286) Руководства [20]).
В результате полученных данных устанавливается следующий порядок расчета прочности по наклонным сечениям:.
Клееные деревянные конструкции в Западной Европе начали применять с 1907 г., а в Америке — с 1935 г. [27]. Следует отметить, что в те годы изготовлялись конструкции больших пролетов — балки пролетом до 35,5 м, арки — до 54 м, фермы — до
Изучение долговечности, прочности и жесткости этих конструкций было произведено в 1936 г. Всего было обследовано около
Хорошее состояние обследованных паровозных депо, вагоноремонтных зданий и других железнодорожных сооружений показывает, что на склеенные казеином конструкции не влияют выделения от паровозов. Сохранность клееных конструкций на химических заводах Швейцарии в течение ряда лет также показывает их хорошую сопротивляемость химическим агрессивным средам.
Обследование конструкций железнодорожных пассажирских платформ и двух мостов, бывших в эксплуатации 7—8 лет, показывает хорошее состояние склеенных казеиновым клеем элементов в сооружениях на открытом воздухе при условии обеспечения быстрого стока дождевых вод и предохранения их от водяных паров испарений. Замеченные в некоторых случаях гниение дерева и порча клея вблизи соединений элементов, не обеспеченных хорошими стоками и достаточной вентиляцией, указывают на необходимость тщательного проектирования деталей сопряжения элементов конструкций.
На основании произведенного осмотра можно также сделать вывод, что рамы ведут себя хуже, чем арки или балки: именно в рамах наблюдались трещины клеевых швов в углах.
Весьма интенсивное развитие промышленности сборного железобетона в период восстановления и развития народного хозяйства в послевоенные годы в нашей стране несколько сдерживало исследования в области деревянных клееных конструкций и их применение. За последние десятилетия в СССР программа строительства значительно возросла. Потребовалось существенное увеличение объемов строительных материалов, расширение их номенклатуры и снижение массы для сокращения транспортных расходов. В связи с этим потребность использования деревянных клееных конструкций значительно возросла.
Дефицитность древесины во многих районах нашей страны вызывает необходимость ее экономии. Неоднородность структуры древесины, большая изменчивость качественных показателей и физико-механических характеристик ставит перед исследователями задачи по изысканию способов упрочнения деревянных клееных конструкций, повышению их надежности. В настоящее время, в период развития химической промышленности, при наличии различных полимеров, мономеров и огнезащитных покрытий долговечность и надежность деревянных клееных конструкций значительно повышена.
В 60-е годы у нас в стране, в США, Франции, ФРГ, Англии и других странах начаты исследования по созданию армированных стальной арматурой деревянных клееных конструкций. Армирование повышает надежность конструкций, снижает расход древесины, массу конструкций и
как следствие, их стоимость.
По данным исследований ЦНИИСКа им. В.А. Кучеренко [28], изменения температурно-влажностного режима отрицательно сказываются на надежности работы деревянных конструкций со стальной арматурой. В процессе изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций перепады температуры могут превышать 50. . . 60°С. В результате большой разности температурных линейных деформаций древесины и стали в конструкциях возникают дополнительные температурные напряжения. При суммировании этих напряжений с напряжениями от внешних нагрузок в конструкциях могут возникать перенапряжения и, как следствие, аварийные состояния. Кроме того, древесине присущи значительные упругие и неупругие деформации при обжатии элементов. Поэтому при создании предварительно напряженных конструкций из древесины со стальной арматурой, имеющей высокий модуль упругости, большие потери напряжений в арматуре значительно снижают эффективность предварительного напряжения.
При эксплуатации таких конструкций под воздействием агрессивных сред не исключается явление язвенной коррозии стальной арматуры, что также в определенной мере снижает надежность и долговечность конструкций. При этом следует иметь в виду, что древесина относится к категории строительных материалов, хорошо сопротивляющихся воздействию агрессивных сред, а армирование деревянных конструкций сталью способно снижать их долговечность.
Стеклопластиковая арматура обладает высокой коррозионной стойкостью, температурные линейные удлинения ее и древесины по своему значению примерно равны (коэффициент линейного расширения древесины 5-10- , стеклопластиковой арматуры 5,8*10 С , модуль упругости стеклопластиковой арматуры примерно в четыре раза меньше, чем стальной арматуры. Перечисленные характеристики стеклопластиковой арматуры выгодно отличают ее от стальной и создают значительные преимущества при использовании для армирования деревянных клееных конструкций.
Исследования деревянных клееных конструкций, предварительно напряженных стеклопластиковой арматурой, ведутся в ИСиА Госстроя БССР, Хабаровском и Белорусском политехнических институтах, ЦНИИСКе им. В.А. Кучеренко. Для исследований используется арматура, изготовляемая на опытно-промышленной технологической линии ИСиА Госстроя БССР. Следует отметить, что, несмотря на возрастающее число экспериментальных и теоретических работ в области исследований армированных деревянных клееных конструкций у нас и за рубежом, до настоящего времени не удалось получить достаточно полного, обобщенного экспериментально-теоретического решения вопроса о сопротивлении армированной древесины изгибу. Однако, несмотря на это, в БССР начато опытное строительство зданий и сооружений с применением деревянных клееных конструкций, предварительно напряженных стеклопластиковой арматурой,
Экспериментальные исследования деревянных клееных
Изучение прочности, деформативности и изменения напряженного состояния изгибаемых элементов из клееной древесины со стеклопластиковой арматурой при предварительном напряжении и восприятия внешних нагрузок производилось в ИСиА Госстроя БССР на образцах—балках длиной 3000 мм (расчетный пролет 2700 мм) с высотой прямоугольного сечения 160 и шириной 60 мм*.
Опытные образцы склеивались фенол формальдегидным клеем из сосновых досок толщиной 40 мм. Армирование выполнялось стеклопластиковой арматурой диаметром 6 мм. Арма-тура располагалась в пазах размером 8x8 и 8x16 мм только в растянутой или в растянутой и сжатой зонах, причем в растянутой зоне арматура была предварительно напряжена, а в сжатой не напрягалась. Арматура в пазы вклеивалась при помощи эпоксидного компаунда холодного отверждения, в качестве наполнителя в котором применялся портландцемент.
Напряжение арматуры осуществлялось на упоры на специальном металлическом стенде. Сжимающие напряжения передавались вначале на форму-стенд, а затем после заливки пазов с арматурой клеем и его отверждения производился плавный отпуск предварительно напряженной арматуры, и сжимающие напряжения воспринимались древесиной.
При изготовлении первых образцов, армированных в растянутой зоне, при отпуске предварительно напряженной арматуры из-за возникновения больших по значению скалывающих напряжений в древесине приопорных участков балок появлялись продольные трещины и, как следствие, происходил отрыв нижней части балки с предварительно напряженной арматурой. Для предупреждения разрушения предварительно напряженных образцов по указанной выше причине в приопорных участках балок часть древесины располагалась таким образом, чтобы ее волокна были перпендикулярны продольной оси изгибаемого элемента. Для этого в приопорных участках длиной 2,5 И балки на всю высоту при помощи гвоздевого забоя (прижима) наклеивались накладки на ее боковые поверхности. Толщина накладок принималась не менее 1/6 ширины балки. Вместо досок в приопорных участках может наклеиваться бакелизированная фанера. Таким образом, была принципиально решена конструкция изгибаемого элемента из клееной древесины с предварительно напряженной стеклопластиковой арматурой (рис. 35).
Всего было испытано 11 серий балок по три близнеца в каждой серии. Варьируемыми параметрами опытных образцов являлись расположение и содержание арматуры в растянутой и сжатой зонах. Образцы испытывались двумя сосредоточенными грузами, расположенными в третях пролета. Для измерения деформаций по высоте сечения в зоне чистого изгиба в крайних растянутых и сжатых волокнах древесины и в арматуре по длине балок устанавливались тензодатчики с базой 20 мм. Выгибы балок при предварительном обжатии древесины арматурой и прогибы при восприятии внешних нагрузок замерялись прогибомерами. Проскальзывание арматуры фиксировалось индикаторами, установленными на торцах балок.
Рис. 35. Конструкция предварительно напряженной балки из клееной древесины со стеклопластнковой арматурой
рений) восстанавливалась (рис. 36). При дальнейшем увеличении нагрузки прогибы возрастали, складки в сжатой зоне проявлялись более отчетливо. Затем в сжатой зоне балок появлялись продольные трещины. Эти трещины находили выход на поверхность сжатой зоны балок, или отделенная продольными трещинами часть древесины теряла устойчивость, в результате наступало разрушение опытных балок.
При армировании растянутой и сжатой зон балок соответственно предварительно напряженной и ненапряженной арматурой (с одинаковым количеством арматуры в обеих зонах) разрушение, как правило, происходило из-за разрыва волокон древесины в растянутой зоне. Случаев разрыва арматуры в растянутой зоне не наблюдалось. Контрольные неармированные балки разрушались хрупко вследствие разрыва древесины в растянутой зоне, как правило, в местах расположения пороков древесины (рис. 37).
Рис. 36. Армированная балка после разрушения (прямоугольниками обведены места образования складок в сжатой зоне)
Рис. 37. Разрушение контрольных балок без армирования.
После отпуска предварительно напряженной арматуры растянутой зоны нейтральная ось в нормальных сечениях балок смещалась вверх по отношению к геометрической оси сечения изгибаемого элемента. При этом в крайних волокнах сечения в зоне расположения предварительно напряженной арматуры допускалось напряжение, не превышающее расчетное сопротивление древесины при сжатии. Во всех образцах контролируемое напряжение арматуры принималось не более 0,5 6#, . На противоположной стороне сечения балки возникали растягивающие напряжения. При постепенном ступенчатом загружении опытных балок внешней нагрузкой нейтральная ось смещалась в сторону расположения геометрической оси поперечного сечения образцов, совмещалась с ней, а затем продолжала смещаться в сторону предварительно напряженной арматуры.
В табл. 9 приведены результаты испытаний опытных прямоугольных балок (пролет 2700 мм, сечение 60x160 мм) с предварительно напряженным армированием только растянутой зоны.
При анализе результатов испытания балок с одиночным предварительно напряженным армированием необходимо обратить внимание на следующее. Армирование существенно повышает несущую способность и жесткость изгибаемых элементов, причем чем больше процент содержания арматуры в исследованных пределах, тем выше эффективность армирования, но до определенного предела.
Учитывая, что балка БО-Ш-3 разрушилась в связи с допущенными технологическими погрешностями при ее изготовлении (потеря сцепления арматуры), можно предположить, что повышение содержания арматуры выше 1 . . . 1,2% нецелесообразно (см. табл. 9). Очевидно, при таком содержании арматуры исчерпывается прочность древесины в сжатой зоне изгибаемого элемента. Дальнейшее повышение несущей способности балок может быть достигнуто путем повышения прочности сжатой зоны при одновременном увеличении содержания арматуры в растянутой зоне. Усиление сжатой зоны может быть выполнено за счет ненапряженногоармирования, развития ее площади (тавровые сечения) или использования древесины, .модифицированной полимерами.
Серия.
балок
Содержание арматуры,.
%
Разрушающая нагрузка,.
2Р, кН
Разрушающий момент, кНМ
Выгиб,.
мм
Прогиб при 2Р, мм
Несущая способ-ность,.
%
БК-1
22,4
10,08
30,83
БК-2
-
22,4
10,08
_
24,95
100
БК-3
-
25,2
11,34
_
32,19
БО-1-1
28,8
13,86
5,79
48,66
Б01-2
0,295
28
12,6
4,53
43,02
121
БО-1-3
25,2
11,34
5,19
29,3
БОП-1
33,6
15,12
7,1
53,25
БО-П-2
0,59
33,6
15,12
8,21
56,06
140
БОП-3
30,8
13,86
9,21
37,1
БО-Ш-1
42
18,9
9,31
62,35
БОШ-2
0,884
39,2
17,64
10,31
67,75
156
БО-Ш-3
28
12,6
9,55
25,02
Б 012-1
42
18,9
10,49
50,3
БОГУ-2
1JS
36,4
16,38
11,79
64,03
164
БОЕ2-3
36,4
16,38
11,13
56,37
* БК - балки контрольные неармированные; БО - балки предварительно напряженные с армированием в растянутой зоне, I, П, Ш, Г2 показывают содержание арматуры; 1, 2, 3 — номера бапок-близнецов.
Исследовались балки таких же габаритов (2700x160x60 мм) с двойной симметричной арматурой — напряженной в растянутой зоне и ненапряженной в сжатой. В результате исследований установлено, что наиболее эффективно может быть использована арматура в растянутой зоне изгибаемых элементов. Однако двойное армирование усложняет технологический процесс изготовления конструкций. Учитывая сказанное выше, а также достаточно высокую стоимость стеклопластиковой арматуры, в настоящее время следует рекомендовать одиночное предварительно напряженное армирование растянутой зоны изгибаемых элементов, а двойное армирование — только в случаях подтверждения его целесообразности соответствующими технико-экономическими расчетами.