Главная \ Статьи \ Основные принципы проектирования и расчёта железобетонных конструкций

Основные принципы проектирования и расчёта железобетонных конструкций

В России железобетонные элементы принято рассчитывать: по 1-й и 2-й группе предельных состояний:

  1. по несущей способности (прочность, устойчивость, усталостное разрушение);
  2. по пригодности к нормальной эксплуатации (трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).

Задачи расчёта железобетонных конструкций по 1-й группе предельных состояний включают:

  1. проверка прочности конструкций (нормальные, наклонные, пространственные сечения);
  2. проверка конструкции на выносливость (при действии многократно повторных нагружений);
  3. проверка устойчивости конструкций (формы и положения).

Армирование конструкций выполняется, как правило, отдельными стальными стержнями или сетками, каркасами. Диаметр стержней и характер их расположения определяется расчётами. При этом соблюдается следующий принцип — арматура устанавливается в растянутые зоны бетона либо в сжатые зоны при недостаточной прочности последней, а также по конструктивным соображениям.

При расчёте железобетонных изгибаемых элементов основной целью является определение требуемой площади рабочей арматуры в соответствии с заданными усилиями (прямая задача) или определение действительной несущей способности элемента по заданным геометрическим и прочностным параметрам (обратная задача).

По характеру работы выделяют изгибаемые элементы (балки, плиты), центрально и внецентренно сжатые элементы (колонны центрально и внецентренно сжатые, растянутые элементы (элементы ферм).

Изгибаемые элементы (балки, плиты)

При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны (см. рисунок), изгибающий момент и поперечная сила. Изгибаемые железобетонные элементы, как правило, рассчитывают по прочности следующих видов сечений:

  1. по нормальным сечениям — сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента,
  2. по наклонным сечениям — при действии поперечных сил (срез или раздавливание сжатой зоны бетона), по наклонной полосе между наклонными сечениями (трещинами), от действия момента в наклонном сечении.

В типичном случае армирование балки выполняется продольной и поперечной арматурой (см. рисунок).

Изгиб и армирование железобетонной балки

Элементы конструкции:

  1. Верхняя (сжатая) арматура
  2. Нижняя (растянутая) арматура
  3. Поперечная арматура
  4. Распределительная арматура

Верхняя арматура может быть растянутой, а нижняя сжатой, если внешняя сила будет действовать в противоположном направлении.

Основные параметры конструкции:

  1. L — пролёт балки или плиты, расстояние между двумя опорами. Обычно составляет от 3 до 25 метров
  2. H — высота сечения. С увеличением высоты прочность балки растёт пропорционально H²
  3. B — ширина сечения
  4. a — защитный слой бетона. Служит для защиты арматуры от воздействия внешней среды
  5. s — шаг поперечной арматуры.

Арматура (2), устанавливаемая в растянутую зону, служит для упрочнения железобетонного элемента, бетон в которой в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении. Арматура (1) в сжатую зону устанавливается обычно без расчёта (из необходимости приварить к ней поперечную арматуру), в редких случаях верхняя арматура упрочняет сжатую зону бетона. Растянутая арматура и сжатая зона бетона (и иногда сжатая арматура) обеспечивают прочность элемента по нормальным сечениям (см. рисунок).

Разрушение ж/б элемента по нормальным сечениям

Поперечная арматура (3) служит для обеспечения прочности наклонных или пространственных сечений (см. рисунок).

Разрушение ж/б элемента по наклонным сечениям (схема)

Распределительная арматура (4) имеет конструктивное назначение. При бетонировании она связывает арматуру в каркас.

Разрушение элемента в обоих случаях наступает вследствие разрушения бетона растягивающими напряжениями. Арматура устанавливается в направлении действия растягивающих напряжений для упрочнения элемента.

Небольшие по высоте балки и плиты (до 150 мм) допускается проектировать без установки верхней и поперечной арматуры.

Плиты армируются по такому же принципу, как и балки, только ширина B в случае плиты значительно превышает высоту H, продольных стержней (1 и 2) больше, они равномерно распределены по всей ширине сечения.

Кроме расчёта на прочность, для балок и плит выполняется расчёт на жёсткость (нормируется прогиб в середине пролёта при действии нагрузки) и трещиностойкость (нормируется ширина раскрытия трещин в растянутой зоне).

Сжатые элементы (колонны)[править | править код]

При сжатии длинного элемента для него характерна потеря устойчивости (см. рисунок). При этом характер работы сжатого элемента несколько напоминает работу изгибаемого элемента, однако в большинстве случаев растянутой зоны в элементе не возникает.

Если изгиб сжатого элемента значителен, то он рассчитывается как внецентренно сжатый. Конструкция внецентренно сжатой колонны сходна с центрально сжатой, но в сущности эти элементы работают (и рассчитываются) по-разному. Также элемент будет внецентренно сжат, если, кроме вертикальной силы, на него будет действовать значительная горизонтальная сила (например, ветер, давление грунта на подпорную стенку).

Типичное армирование колонны представлено на рисунке.

Работа и армирование сжатой колонны

на рисунке:

1 — продольная арматура
2 — поперечная арматура

В сжатом элементе вся продольная арматура (1) сжата, она воспринимает сжатие наряду с бетоном. Поперечная арматура (2) обеспечивает устойчивость арматурных стержней, предотвращает их выпучивание.

Массивными считаются колонны, минимальная сторона сечения которых более или равна 400 мм. Массивные сечения обладают способностью к наращиванию прочности бетона длительное время, то есть с учётом возможного увеличения нагрузок в дальнейшем (и даже возникновения угрозы прогрессирующего разрушения — террористические атаки, взрывы и т. д.) — они имеют преимущество перед колоннами немассивными. Т. о. сиюминутная экономия сегодня не имеет смысла в дальнейшем, и, кроме этого, малые сечения нетехнологичны при изготовлении. Необходим баланс между экономией, массой конструкции и т. н. жизнеутверждающим строительством (Sustainable construction).

Контакты
Адрес:
Республика Крым,
г. Симферополь, ул. Узловая, 24 (пересечение с пер. Ровный, 2)