Министерство науки и высшего образования РФ Казанский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра автомобильных дорог, мостов и транспортных тоннелей Реферат по дисциплине «Проектирование автодорожных мостов» на тему: «Основные свойства бетона и арматурной стали, учитываемые в расчетах» Выполнил: ст. гр. 6АД-03 Р.А. Хазиахметов Проверил: И.Ю. Майстренко Казань 2020 Содержание Введение ..................................................................................................................... 3 Сущность предварительно напряженного железобетона ...................................... 4 Метод расчета по предельным состояния………………………………………5 Две группы предельных состояний…………………………………………..….5 Расчетные факторы……………...…………………………………………….…6 Расчет сечений по разрушающим нагрузкам………………………………...…7 Метот расчета по допускаемым напряжениям……………….…………….…..8 Классификация нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки ........................ 9 Деформационные свойства бетона……………………………….………………11 Список литературы .................................................................................................. 16 КГАСУ ИТС АДМиТ 1016067 Изм. Лист № докум. Р.А. Хазиахметов Разраб. И.Ю. Майстренко Провер. Реценз. Н. Контр. Утверд. Подпись Дата Лит. Реферат Лист 2 6 АД 03 Листов 18 Введение Возникновение и развитие строительных конструкций, в том числе железобетонных, неразрывна связано с условиями материальной жизни общества, развитием производительных сил и производственных отношений. Появление железобетона совпадает с периодом ускоренного роста промышленности, торговли и транспорта во второй половине XIX в., когда возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений. Технические возможности производства железобетона к тому времени уже имелись -- цементная промышленность и черная металлургия были достаточно развиты. ИТС АДМиТ 1016106 Изм. Лст № докум. Подпись Дата Лист 3 Сущность предварительно напряженного железобетона Предварительно напряженными называют такие железобетонные конструкции, в которых до приложений нагрузок в процессе изготовления искусственно создаются значительные сжимающие напряжения в бетоне путем натяжения высокопрочной арматуры. Начальные сжимающие напряжения создаются 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. Удельная стоимость арматуры, равная отношению ее цены (руб/т) к расчетному сопротивлению, снижается с увеличением прочности арматуры. Поэтому высокопрочная арматура значительно выгоднее. Однако применять высокопрочную арматуру в конструкциях без предварительного напряжения нельзя, так как при высоких растягивающих напряжениях в арматуре и соответствующих деформациях удлинения в растянутых зонах бетона появляются трещины значительного раскрытия, лишающие конструкцию необходимых эксплуатационных качеств. Сущность предварительно напряженного железобетона в экономическом эффекте, достигаемом благодаря применению высокопрочной арматуры. Кроме того, высокая трещиностойкость предварительно напряженного железобетона повышает его жесткость, сопротивление динамическим нагрузкам, коррозионную стойкость, долговечность. ИТС АДМиТ 1016067 Изм. Лст № докум. Подпись Дата Лист 4 Метод расчета по предельным состояния Сущность метода Метод расчета конструкций по предельным состояниям является дальнейшим развитием метода расчета по разрушающим усилиям. 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. Стадии разрушения, но безопасность работы конструкции под нагрузкой оценивается не одним синтезирующим коэффициентом запаса, а системой расчетных коэффициентов. Конструкции, запроектированные и рассчитанные по методу предельного состояния, получаются несколько экономичнее. Две группы предельных состояний 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. Расчетные факторы Расчетные факторы -- нагрузки и механические характеристики бетона и арматуры (временное сопротивление, предел текучести)--обладают статистической изменчивостью (разбросом значений). Нагрузки и воздействия могут отличаться от заданной вероятности превышения средних значений, а механические характеристики материалов могут отличаться от заданной вероятности снижения средних значений. В расчетах по предельным состояниям учитывают статистическую изменчивость нагрузок и механических характеристик материалов, факторы нестатистического характера и различные неблагоприятные или благоприятные физические, химические и механические условия работы бетона и арматуры, изготовления и эксплуатации элементов зданий и сооружений. Нагрузки, механические характеристики материалов и расчетные коэффициенты нормируют. Значения нагрузок, сопротивления бетона и арматуры устанавливают по главам СНиП «Нагрузки и воздействия» и «Бетонные и железобетонные конструкции». На данное время, этот метод является основным. Расчет сечений по разрушающим нагрузкам В результате обширных исследований, проведенных советскими учеными (А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев и др.), в начале 30-х годов был разработан метод, учитывающий упругопластические свойства железобетона, который был включен в нормы проектирования железобетонных конструкции в 1938 г. В основу метода расчета сечений по разрушающим нагрузкам была положена работа конструкции в III стадии напряженно-деформированного состояния, при этом предполагалось, что напряжения в бетоне и арматуре достигают предельных значений. В отличие от метода расчета по допускаемым напряжениям, где напряжения в бетоне и арматуре определялись по действующему в сечении внешнему усилию, в рассматриваемом методе по принятым напряжениям в сечении, установленным на основания экспериментов, определялось значение разрушающего усилия. Метод позволял назначать общий для всего сечения коэффициент запаса. Допускаемая нагрузка находилась путем деления разрушающей нагрузки на этот коэффициент. Метод более правильно отражал действительную работу сечений, подтверждался экспериментально и явился крупным шагом в развитии теории железобетона. Общим использование недостатком единого обоих рассмотренных коэффициента запаса, выше лишь методов весьма являлось приближенно учитывающего многообразие факторов, влияющих на работу конструкции. Кроме того, метод расчета по разрушающим нагрузкам, позволяя достоверно определять прочность конструкции, не давал возможности оценить ее работу на стадиях, предшествующих разрушению, в частности при эксплуатационных нагрузках. Впрочем, до определенного периода практика и не ставила перед исследователями такой задачи. Это объясняется тем, что применялись сталь и бетон относительно низкой прочности, конструкции имели развитые сечения, прогибы и трещины в бетоне от эксплуатационных нагрузок были невелики и не препятствовали нормальной работе конструкций. С появлением бетона и арматуры более высокой прочности сечения уменьшались, снижалась и их жесткость, в результате чего прогибы конструкций от фактических нагрузок оказывались значительными, создавая в ряде случаев препятствия нормальной эксплуатации. Кроме того, более существенную роль стал играть фактор раскрытия трещин, вызывающий коррозию стали, к которой высокопрочная арматура особенно чувствительна. Последние два обстоятельства наряду с отмеченными выше недостатками существовавших методов потребовали дальнейшего совершенствования методики расчета железобетонных конструкций. Метот расчета по допускаемым напряжениям Применялся в нашей стране до 1938 г. Согласно этому методу бетон рассматривался как упругий материал. В основу расчетных зависимостей были положены закон Гука, гипотеза плоских сечений. Вместо действительного железобетонного сечения в расчет вводилось приведенное бетонное сечение, в котором арматура заменялась эквивалентным по прочности количеством бетона. Сопротивлением бетона растянутой зоны пренебрегали. В результате расчета определялись напряжения в бетоне и арматуре от эксплуатационных нагрузок, которые не должны были превосходить допускаемые. Последние назначались как доля от предела прочности sadm=R/g, где g - обобщенный коэффициент запаса. Однако на основании многочисленных опытов было установлено, что этот метод, не учитывающий пластические свойства железобетона, обладал рядом серьезных недостатков: не позволял определять действительные напряжения, находить разрушающую нагрузку и т. д. Таким образом, практика заставила исследователей искать теоретические основы, отражающие действительную работу железобетонных элементов. Классификация нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки 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 Vf, обычно больший единицы. Коэффициент надежности от веса бетонных и железобетонных конструкций Yf = M; 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, Yf = l,2, на монтаже yf = \,3; от различных временных нагрузок в зависимости от их значения yf = it 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 условная работы конструкции, принят 7f = 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) коэффициентом Yf --1- принимают равными нормативным значениям с 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 0,4 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. Нормами также допускается снижать временные нагрузки при расчете балок и ригелей в зависимости от площади загружаемого перекрытия. Деформационные свойства бетона Виды деформаций Под деформативностью бетона понимают изменение его формы и размеров под влиянием различных воздействий. Бетон является упругопластическим материалом, в котором, начиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций (ee), появляются и неупру- гие или пластические (epl), т. е. полная деформация без учёта усадки равна: В бетоне различают деформации двух основных видов: объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки или изменения температуры, и силовые, развивающиеся главным образом в направлении действия сил. Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности её действия подразделяют на три вида: − деформации при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой; − деформации при длительном действии нагрузки; − деформации при многократно повторяющемся действии нагрузки. Деформации ползучести развиваются главным образом в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3...4 раза. Это обстоятельство заставляет с ними считаться при проектировании железобетонных конструкций. Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и постепенным уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит постепенное перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зёрна заполнителей. Развитию деформаций ползучести способствуют также капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается. Величина деформации ползучести зависит от ряда факторов: - загруженный в раннем возрасте бетон (при прочих равных условиях) обладает большей ползучестью, чем старый; - ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. с увеличением В/Ц и расхода цемента на единицу объёма бетонной смеси ползучесть возрастает; - с повышением прочности зёрен заполнителя ползучесть уменьшается; - с повышением класса бетона ползучесть уменьшается; - бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны; - ползучесть зависит от вида цемента: наибольшей ползучестью обладают бетоны, приготовленные на шлакопортландцементе или портландцементе; - ползучесть тем меньше (при прочих равных условиях), чем больше размеры поперечного сечения бетонного элемента; - пропаривание бетона снижает его ползучесть на 10...20%, а автоклавная обработка — на 50...80%; - наличие арматуры в бетоне уменьшает ползучесть в 1,5 – 2 раза. Ползучесть бетона оказывает существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой, что учитывают, например, при расчете внецентренно сжатых элементов, при оценке деформативности конструкций и при определении внутренних усилий в статически неопределимых конструкциях. Отрицательное влияние ползучести на работу железобетонных конструкций под нагрузкой: - рост прогибов с течением времени; - снижение величины начального предварительного напряжения арматуры в преднапряжённых конструкциях. Положительное влияние ползучести на работу железобетонных конструкций под нагрузкой: перераспределение напряжений с бетона на арматуру – бетон - разгружается, а арматура - догружается; - перераспределение усилий между отдельными сечениями в статически неопределимых конструкциях. Модуль деформаций (упругости) бетона Так как бетон является упругопластическим материалом, различают 3 вида модуля деформаций бетона. Начальный модуль деформаций бетона при сжатии ( Eb ) соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении или при напряжениях . Его определяют, в соответствии с законом Гу- ка, как тангенс угла наклона прямой упругих деформаций к оси абсцисс (рис. 14), т.е.: где: ρ = 1 МПа — масштабно-размерный коэффициент. Обычно Eb определяют при испытании призм при низких уровнях напряжений , когда бетон можно рассматривать как упругий материал. Если известна кубиковая прочность бетона, то Еb можно определить по эмпирическим формулам. Так для тяжёлого бетона естественного твердения: Значение Eb при тепловой обработке бетона снижается на 10%, при автоклавной - на 25%. Действительный модуль деформаций бетона при сжатии ( ) соответ- ствует полным деформациям, включая деформации ползучести и является величиной переменной. Геометрически его определяют как тангенс угла наклона касательной к кривой абсцисс (рис. 14), т.е.: бетона в точке с заданным напряжением к оси Средний модуль упругопластичности бетона ( ). Так как аналитическая зависимость для неизвестна, для расчёта железобетонных конструкций пользуются средним модулем деформаций или модулем упругопластичности бетона, представляющим собой тангенс угла наклона секущей, проведённой через начало координат и точку на кривой с заданным напряжением, к оси абсцисс, т.е. Список литературы 1. Расчет железобетонных конструкций на надежность/ Режим доступа https://extxe.com/4437/betony- svojstva-prochnost-tehnologii-betonov/ 2. Железобетонные конструкции - Грушевский Г.М / Электронный ресурс / Режим доступа https://topuch.ru/federalenoe-agentstvo-po- obrazovaniyu-v6/index4.html «Бетонные и железобетонные работы» – И.Г.Совалов, Я.Г.Могилевский, В.И.Остромогольский – Стройиздат, 1988 ИТС АДМиТ 1016106 Изм. Лст № докум. Подпись Дата Лист 16
