книги / Строительные конструкции

данного материала соответствующим ГОСТом. Эту ве­ личину принимают на основании обработки большого числа опытных данных методами математической ста­ тистики с тем, чтобы «обеспеченность» нормативного сопротивления составляла не менее 0,95, т. е. чтобы не менее чем в 95% случаев материал имел прочность, равную или большую, чем RH.

Расчетное сопротивление R, кгс/см2 (М Па), получа­ ют делением нормативного сопротивления на соответ­ ствующий коэффициент безопасности &б>1, а в необ­ ходимых случаях умножают на коэффициент условий работы m ^ 1, учитывающий степень использования прочности материала в данном виде расчета, некоторые особенности работы конструкции в целом, влияние ус­ ловий эксплуатации и др.:

Значения нормативных сопротивлений, коэффициен­ тов безопасности, условий работы и расчетных сопро­ тивлений для материалов железобетонных, каменных и металлических конструкций приведены в соответст­ вующих главах СНиП1.

В практических расчетах используют, как правило, расчетные сопротивления материала.

§ 1.4. РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Расчет по первой группе предельных состояний дол­ жен гарантировать сохранение несущей способности конструкции с учетом возможной изменчивости нагру­ зок в большую сторону и прочностных характеристик материалов в меньшую' сторону. Поэтому в левой части расчетных формул записывают усилие, которое возни­ кает в элементе от расчетных нагрузок (с учетом ко­ эффициентов перегрузок), а в правой части — усилие, воспринимаемое элементом при напряжениях в мате­ риале, равных расчетному сопротивлению (т. е. с уче­ том коэффициентов безопасности и условий работы). Если левая часть не превышает правую, то несущая способность конструкции обеспечена.

1 В настоящем учебнике эти данные приведены в гл. Ill, VIII, IX.

11

Так, например, для центрально-растянутого эле­ мента из одного материала расчетная формула имеет

и правой частью принимают знак равенства.

Расчет по второй группе предельных состояний дол­ жен гарантировать сохранение эксплуатационных ка­ честв конструкции с учетом изменчивости прочностных и деформативных свойств материалов. При необходи­ мости ограничения деформаций (например, прогибов)- в левой части расчетных формул записывают деформа­ цию конструкции f, подсчитанную в зависимости от ее расчетной схемы, а в правой — предельное значение деформаций ftt, установленное нормами для данного вида конструкций, исходя из опыта их эксплуатации.

Расчетное условие имеет вид

При необходимости исключить образование трещин в железобетонной конструкции с учетом изменчивости прочностных характеристик материалов, а для некоторых видов конструкций1 также и возможной изменчивости нагрузки в левой части расчетных формул записывают усилие NH, которое испытывает элемент от норматив­ ных нагрузок (или N от расчетных нагрузок), а в пра­ вой части усилие NT, которое воспринимает элемент непосредственно перед образованием трещин в бетоне при соответствующих коэффициентах безопасности и условий работы.

1 Предварительно-напряженные железобетонные конструкции, к

которым предъявляют'требования 1-й категории по трещиностойкости (см. гл. III).

12

Расчетное условие записывают в виде Nи < NT или N < NT.

Если образование трещин допустимо, то должна быть ограничена ширина их раскрытия. В этом случае в ле­ вой части расчетных формул записывают ширину рас­ крытия трещин От, подсчитанную в зависимости от рас­ четной схемы конструкции, с учетом изменчивости проч­ ностных и деформативных характеристик материалов, а в правой части — установленную нормами на осно­ вании опыта эксплуатации таких конструкций предель­ ную ширину раскрытия трещин а” .

Расчетное условие следующее:

ат < а*.

§ 1.5. СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИН

Для расчета строительных конструкций в соответст­ вии со Строительными нормами и правилами исполь­ зуется система единиц, в которой масса имеет размер­ ность кг, т; сила — кгс, тс; момент силы — кгс-м, кгс-см,

система единиц не учитывает изменения величины g в различных географических районах, отождествляет по размерности напряжение и поверхностную нагрузку, поэтому в ряде отраслей науки и техники используют систему единиц СИ (международную систему единиц), в которой масса имеет размерность кг, т; сила, нагрузка, вес — Н (ньютон), кН (килоныотон); момент силы—Н*_м (ныогон-метр); поверхностная нагрузка—Н/м2 (ньютон на квадратный метр); давление, напряжение, модуль де­ формаций— Па (паскаль), МПа (мегапаскаль), рав­ ный 10е Па.

Проект ГОСТ «Единицы физических измерений» пре­ дусматривает распространение системы единиц измере­ ния СИ на все виды инженерных расчетов.

В тексте учебника единицы даны в системе, приня­ той в Строительных нормах и правилах. Перейти от еди­ ниц этой* системы к единицам СИ (с округлением g = = 9 ,8 м/с2 до 10 м/с2) легко, пользуясь табл. 1.1.

13

ТАБЛИЦА 1.1. СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ИХ СООТНОШЕНИЕ

ГЛАВА II. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

ОЖЕЛЕЗОБЕТОНЕ

§ИЛ. СУЩНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Железобетон состоит из бетона и стальной армату­ ры. Несмотря на их различные физико-механические свойства, в элементах конструкций они работают сов­ местно.

14

Бетон обладает высоким сопротивлением при сжа­ тии и низким при растяжении. Стальной арматуре при­ суще одинаково высокое сопротивление как при растя­ жении, так и при сжатии. Эти особенности составляю­ щих материалов реализуются в железобетоне.

В изгибаемых элементах высокое сопротивление бе­ тона сжатию используется в сжатой зоне, а высокое сопротивление арматуры растяжению — в растянутой зоне, где бетон слабо сопротивляется растяжению и в нем образуются трещины (рис. IIЛ, а ) . В балках укла­ дывается* небольшое (относительно площади попереч­ ного сечения элемента) количество арматуры, но оно значительно, в несколько раз повышает несущую спо­ собность изгибаемого элемента по сравнению с неармированиым его образцом. Арматуру успешно применяют и в сжатых элементах (рис. 11.1,6), отчего их несущая способность увеличивается до 50% и более.

Отвердевший бетон имеет довольно большое сцепле­ ние со стальной арматурой. Вследствие этого оба мате­ риала совместно деформируются при внешних воздейст­ виях на железобетонные элементы. Сцепление армату­ ры с бетоном не нарушается со временем, несмотря на изменения, происходящие в бетоне, а также при измене­

сферы, хорошей сопротивляемостью статическим й ди­ намическим нагрузкам, достаточной плотностью, слабой проницаемостью через его толщу влаги, газов, радиоак­ тивных излучений.

Способность бетона к образованию трещин при отно­ сительно небольших растягивающих напряжениях — явление в общем случае нежелательное. С образовани­ ем трещин в бетоне жесткость железобетонных элемен­ тов резко снижается, непроницаемость нарушается, при большом раскрытии трещин возникает опасность корро­ зии арматуры.

Радикальным средством повышения трещиностойкости железобетонных конструкций является их предва­ рительное напряжение. В предварительно-напряженных

15

Рис. Н.1. Железобе­ тонные элементы

а —при изгибе; б —при сжатии; 1 —стальная ар­ матура; 2 —сжатый бе­ тон; 3 —трещины

конструкциях в процессе их изготовления еще до приложения нагрузки создается значительное обж атие•бето­ на в тех его зонах, которые впоследствии при воздейст­ вии на конструкцию нагрузки испытывают растяжение.

Осуществляется предварительное напряжение желе­

стремясь восстановить свою первоначальную длину (сокращаясь), она увлекает с собой бетон вследствие имеющегося с ним сцепления, и обжимает его. Впослед­ ствии при загружении элемента нагрузкой растягиваю­ щие усилия в нем должны сначала преодолеть напря­ жения предварительного обжатия бетона. Этим и обус­

10

ловливается повышение его сопротивления образованию трещин.

Во втором случае (рис. 11.2,6) сначала изготовляют бетонный или слабо армированный сталью элемент с каналами внутри него или с пазами на поверхности для размещения в них предварительно напрягаемой арма­ туры. Ее натягивают с передачей реактивных усилий непосредственно на бетон элемента и при помощи ан­

отвердел и приобрел необходимую прочность, предвари­ тельно-напряженный железобетонный элемент готов к использованию.

Посредством предварительного напряжения трещиностойкость железобетонного элемента может быть по­ вышена в несколько раз, резко уменьшена ширина рас­ крытия трещин, существенно снижена деформативцость.

По способу возведения различают сборные, монолит­ ные и сборно-монолитные железобетонные конструкции.

Сборные конструкции изготовляют на заводах желе­ зобетонных изделий с помощью высокопроизводитель­ ных машин при соблюдении технологических режимов, обеспечивающих их высокое качество при рациональ­ ных нормах расхода материалов. На месте строительст­ ва готовые конструкции монтируют мощными механизи­ рованными средствами. Сборные конструкции в совре­ менных условиях лучше всего отвечают требованиям индустриализации строительства. Они обеспечивают также наиболее короткие сроки возведения сооружения.

В случае возведения монолитных железобетонных конструкций и сооружений на месте строительства устра­ ивают поддерживающие леса и опалубку, устанавли­

заводской механизации довольно затруднительно. Бетон в течение периода его твердения необходимо выдержи­ вать в опалубке, причем в зимних условиях сырой бе­ тон необходимо подогревать и утеплять. По указанным причинам трудоемкость изготовления монолитных желе­ зобетонных конструкций выше, продолжительность строительства больше, качество хуже. Поэтому моно­ литный железобетон применяют для возведения мас­

17

сивных сооружений и конструкций, а также в тех случа­ ях, когда это оправдывается технико-экономическими соображениями.

Сборно-монолитные железобетонные конструкции занимают промежуточное положение, в них в отдельных случаях можно реализовать преимущества и сборных, и монолитных конструкций. Сборно-монолитными целе­ сообразно устраивать рабочие площадки под особо большие нагрузки, а также перекрытия, подверженные динамическим воздействиям.

§ 11.2. БЕТОН

Бетон по структуре представляет собой неоднород­ ный материал, большую часть объема которого занима­ ют инертные заполнители (крупный — щебень или гра­ вий и мелкий*— песок), скрепленные в единый монолит с помощью цементного камня, образованного из хими­ чески активных составляющих — цемента, воды (хими­ чески связанной и свободной).

В цементном камне химические процессы происхо­ дят длительное время. В связи с этим в бетоне со вре­ менем прочность нарастает, несколько изменяется объ­ ем, в зависимости от соотношения состава бетона и химического состава цемента, происходит усадка или (при использовании специальных цементов) расшире­ ние.

Бетон не обладает абсолютной плотностью даже при тщательном уплотнении сырой смеси. По условиям удобоукладываемости в него всегда вводят избыточное (сверх необходимого для химической реакции с цемен­ том) количество воды. Избыточная вода, испаряясь, об­ разует капиллярные ходы в цементном камне и полости под зернами крупного заполнителя и стержнями арма­ туры. По этим полостям и частично капиллярам воз­ можно перемещение влаги и газа в толще бетона. Этим обусловливаются частичные влаго- и газопроницаемость бетона — свойства, которые необходимо принимать во внимание при строительстве санитарно-технических со­ оружений. Уменьшить пористость можно снижением на­ чального содержания воды в бетонной смеси, наиболь­ шим уплотнением при укладке сырого бетона, вве­ дением химически активных добавок, обладающих способностью набухать при увлажнении.

Наиболее важная характеристика механических

18

камня тем выше, чем выше активность (марка) цемен­ та и ниже водоцементное отношение смеси. Для приго­ товления тяжелых бетонов (обычно используемых в са­ нитарно-технических сооружениях) применяют плотные

в том случае, если поверхность заполнителей шерохова­ та (что улучшает их сцепление с цементным камнем). Поэтому для приготовления бетона щебень предпочти­ тельнее гравия. Прочность бетона тем больше, чем вы­ ше его плотность.

от способа их изготовления и режима твердения, пред­ писанных ГОСТом.

Строительными нормами и правилами (прил. I, п. 2) установлены следующие проектные марки бетона по прочности на сжатие: для тяжелого бетона М 100, М 150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М 500, М600, М700, М800; для бетонов на пористых заполни­ телях М 35, М 50, М75, М100, М 150, М200, М250, М300.

Кубиковую прочность бетона определяют испытани­ ем на сжатие контрольных образцов стандартных раз­ меров, выдерживаемых при стандартных условиях хра­ нения. Вычисляют ее по формуле

где Np— разрушающая нагрузка, Н (кгс); F — площадь поперечно­ го сечения куба, см2.

При сжатии начальные размеры кубического образ­ ца сокращаются в направлении действующего усилия и увеличиваются в поперечном направлении (рис. П.З). Из испытаний бетона на растяжение установлено, что предельные относительные деформации удлинения бе­ тона в 10—20 раз меньше предельных относительных

19

деформаций сжатия. Разрушение сжатого образца про­ исходит вследствие поперечного расширения материала, вызывающего образование трещин. Если деформациям образца в поперечном направлении ничто не препятст­ вует [+орцы образцов смазаны (рис. II.3 ,а )], то трещи­ ны ориентированы вдоль сжимающего усилия; если по­

углом к действующим усилиям. Во втором случае сопро­ тивление бетона сжатию значительно выше (в 2—2,5 раза). Стандартное условие испытания кубических об­ разцов — без смазки торцов.

В образцах-призмах влияние сил трения по торцам уменьшается по мере увеличения отношения высоты призмы к стороне ее основания, при четырехкратной вы­ соте призм и более это влияние несущественно. Опыты

20