Пецольд - Железобетонные конструкции. Основы теории, расчета и конструирования

ПРЕДИСЛОВИЕ

Издание настоящего учебного пособия обусловлено изменением методов расчета обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций, разработанных на базе новых научных данных в области материаловедения, технологии бетона, сопротивления бетона и арматуры внешним воздействиям.

Внесение в нормативные документы диаграмм деформирования, связывающих напряжения ; деформации материалов в процессе нагружения (в том числе и при сложных видах напряженно- деформированного состояния), позволили существенно усовершенствовать методы расчета железобетонных и предварительно напряженных конструкций, приблизить расчетные модели к действительной физической работе элементов из железобетона, сделать их общими и избавить от целого ряда условностей, а порой труднообъяснимых, эмпирических зависимостей.

С 1 июля 2003 года введены в действие первые Строительные Нормы Республики Беларусь СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и железобетонные конструкции» (взамен СНиП 2.03.01-84*), положения которых практически не обновлялись в течение почти 20 лет, в силу чего целый ряд его разделов требует уточнения, дополнения или полной переработки. Вместе с тем, мировой опыт нормотворчества свидетельствует о том, что нормативные документы по проектированию железобетонных конструкций претерпевают постоянные изменения, дополнения и переиздаются каждые 5.. 10 лет. При этом, хотя и непросто, идет процесс гармонизации нормативных документов различных стран.

Показательным примером гармонизации нормативных документов является разработка в рамках Европейского сообщества единых европейских норм по проектированию строительных конструкций - Еврокодов (Eurocodes), которых к настоящему времени насчитывается девять, в том числе Еврокод-2 (Eurocode-2) по проектированию бетонных и железобетонных конструкций. Разработка единых европейских норм направлена на обеспечение возможностей свободного перемещения между государствами продукции, материалов, технологий, услуг и научной мысли в области строительства.

Еще в начале восьмидесятых годов прошлого столетия проф. Л.А. Гвоздев указывал на необходимость гармонизации СНиП с зарубежными нормами (в первую очередь европейскими), в части буквенных обозначений, выработки единых подходов к нормированию характеристик свойств материалов, назначению коэффициентов безопасности. Однако этот важный этап по совершенствованию СНиП до настоящего времени, к сожалению, не был реализован. В рамках СНГ так и не удалось приступить к разработке единых норм проектирования бетонных и железобетонных конструкций, которые, являясь общим межгосударственным нормативным документом, могли бы заменить действующий СНиП 2.03.01-84*. В значительной степени этот процесс сдерживается тем обстоятельством, что в государствах, входящих в состав СНГ, приняты разные концептуальные подходы как к созданию национальной нормативной базы в строительстве, так и конкретно к построению и содержанию нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций.

В настоящее время выпускникам ВУЗов, ученым, специалистам Республики Беларусь, работающим в строительной отрасли, в своей практической деятельности приходится сталкиваться с едиными европейскими нормами (Еврокодами), программным обеспечением, построенным на их основе, пользоваться научной и технической литературой других стран, получаемой через сеть Интернет. Гармонизация нормативных документов будет в значительной степени способствовать повышению качества строительства, расширению возможностей проектных и строительных организаций при работе по совместным проектам с зарубежными фирмами и инвесторами, облегчит процесс адаптации молодых специалистов, ученых и аспирантов при использовании опубликованных результатов зарубежных исследований.

В настоящем курсе лекций рассмотрены основы теории расчета и конструирования железобетонных конструкций с подробным изложением и анализом положений, принятых в нормах СНБ 5.03.01 «Бетонные и железобетонные конструкции», Еврокоде-2 и нормах других стран.

Принятое построение курса лекций будет способствовать, на наш взгляд, более глубокому пониманию и усвоению материала, который авторы стремились изложить в доходчивой форме, с иллюстрациями и примерами расчетов.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов строительных специальностей высших учебных заведений, изучающих теорий, методы расчета и конструирования железобетонных конструкций, положенные в основу первых Строительных Норм Беларусь СНБ 5.03.01-02, разработанных техническом комитетом по стандартизации: ТКС-8 (руководитель проф. Н.П. Блещик) в рамках программы создания Национального комплекса нормативно-технических документов в строительстве. Над первыми Строительными Нормами Беларуси под руководством проф. Т.М. Пецольда и проф. В.В. Тура работала творческая группа в состав которой входили H.Q Блещик, В.И. Деркач. Д.Д. Жуков, ВТ. Казачек, А.А. Копдратчик, Д.Н. Лазовский, АИ. Мордич, Г.П. Пастушков. Д.П. Подобед, И.А. Рак, О.А. Рочняк, В.В. Терин и И.М. Шуберт.

Программное обеспечение расчетов на ЭВМ к СНБ 5.03.01-02 разработано проф. Д.И. Лазовским и доцентомД О. Гяуховым. Предисловие, главы 1 и 2 написаны проф. Т.М. Пецольдом; главы 2, 3, 4, 6 - проф. В.В. Туром. Т.М. Пецольдом и доц. И.А. Раком совместно; главы 7, 10, 11 - проф. В.В. Туром; глава 8 - доц. И.А. Раком; глава 9-доц.Д.Д. Жуковым и доц. И.М. Шуберт совместно; глава 12-проф. В.В. Туром и проф. Т.М. Пецольдом совместно. Разделы 4.1-4.3 главы 4 написаны проф. В.В. Туром и проф. И.П. Бяещиком совместно; разделы 5.1-5.4 главы 5 - проф. Т.М. Пецольдом; раздел 5.5 главы 5 - проф. В.В. Туром; раздел 6.1 главы 6 - проф. В.В. Туром, Проф. Д.И. Лазовским, доц. НА. Раком совместно; п. 6.3.3.2 главы 6 - проф. В.Г. Казачком; разделы 7.4-7.6 главы 7 - проф. А.А. Кондратчжом, разделы 12.10.2-12. Ю.4 - проф. В.В. Туром, проф. Д.П. Подобедом\ примеры расчетов к главе 6 выполнены доц. И.А. Раком, к главам 7 и 12 - проф. А.А. Копдратчиком, доц. B.C. Басовым и инж. А.В. Щербачем. Редактирование всех глав курса лекций выполнено заслуженным деятелем науки РБ, д.т.н., проф. Т.М. Пецолъдом и д.т.н., проф. В.В. Туром.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам - зав. каф. «Строительные конструкции, основания и фундаменты» БелГУТ д.т.н., профессору И.А. Кудрявцеву и заф. каф. «Строительные конструкции, здания и сооружения» УПО «Белорусско-Российский университет» к.т.н., доценту СД Семепюку, а также сотрудникам БГТУ и БНТУ (В.В. Малыха и ИВ. Даншенко) за большую помощь при подготовке рукописи лекций.

Брест-Минск, 2003 г. проф. Т.М. Пецольд проф. ВВ. Тур

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Определения и термины

В настоящем курсе лекций использованы следующие основные термины с соответствующими определениями, принятые в соответствии с разделом 3 СНБ 5.03.01 «Конструкции бетонные и железобетонные» [1]:

Арматура - линейно протяженные элементы в железобетонной конструкции, предназначенные для восприятия растягивающих (главным образом) и сжимающих усилий, В зданиях и сооружениях применяют стальную арматуру в виде проволоки, стержней и витых канатов. Арматура конструктивная - арматура4 устанавливаемая по конструктивным соображениям без расчета. Арматура монтажная - арматура, определяемая исходя из требований монтажа конструкции. Арматура напрягаемая - арматура, подвергаемая предварительному натяжению перед либо в процессе передачи усилия обжатия на бетон. Арматура рабочая - арматура, назначаемая по расчету.

Воздействия—силы, приложенные непосредственно к конструкции и вызывающие в элементах конструкции напряжения, либо их перемещения, определяемые термином «воздействие непосредственное или пряное» или «нагрузка»;

-деформации элементов конструкций, вызванные перемещениями связей, соединяющих их с другими элементами, осадками оснований либо собственными деформациями (например, неравномерные осадки, усадка, ползучесть бетона, температурные изменения), вызывающими реактивные силы, которые определяют как «косвенные или непрямые воздействия».

Каркас арматурный - объемный арматурный элемент, образованный путем соединения арматурных сеток или отдельных стержней. Способ соединения и взаимное расположение арматурных сеток должны соответствовать требованиям проектной документации. Класс арматуры — показатель, характеризующий ее механические свойства согласно требованиям соответствующих стандартов, обозначаемый буквой S и числом, соответствующим нормативному сопротивлению арматуры в МПа (Н/мм2) (например, S240).

Класс бетона по прочности - количественная величина, характеризующая качество бетона, соответствующая его гарантированной прочности на осевое сжатие, обозначаемая буквой С и числами, выражающими значения нормативного сопротивления и гарантированной прочности в Н/мм2 (МПа), например, С13 и (перед чертой - значение нормативного сопротивления, Н/мм2, после черты - гарантированная прочность бетона, Н/мм2).

Конструкции бетонные — конструкции, выполненные из бетона без арматуры или с

арматурой, устанавливаемой по конструктивным соображениям и не учитываемой в расчете; расчетные усилия от всех воздействий в бетонных конструкциях должны восприниматься бетоном.

Конструкции железобетонные - конструкции, выполненные из бетона с рабочей и конструктивной арматурой (армированные бетонные конструкции); расчетные усилия от всех воздействий в армированных бетонных конструкциях должны восприниматься бетоном и рабочей арматурой.

Конструкции железобетонные сборно-монолитные - конструкции, получаемые при обеспечении совместной работы одного или нескольких ранее изготовленных сборных железобетонных элементов и объединяющего их монолитного бетона, выполняемого, как правило, в условиях строительной площадки.

Конструкции предварительно напряженные железобетонные - конструкции, в которых

начальное натяжение напрягаемой арматуры обеспечивает необходимую степень обжатия бетона в процессе их изготовления и эксплуатации. Следует различать:

- конструкции предварительно напряженные с натяжением арматуры на упоры - конструкции, в которых натяжение напрягаемой арматуры выполняют до их бетонирования, а усилие предварительного обжатия передают на затвердевший бетон, имеющий требуемую начальную прочность, главным образом, посредством сил сцепления арматуры с бетоном конструкции;

- конструкции предварительно напряженные с натяжением арматуры на бетон - конструкции, в которых натяжение арматуры выполняют непосредственно на затвердевший бетон заданной прочности, а усилие предварительного обжатия передается на конструкцию при помощи механического закрепления арматуры с возможным последующим инъецированием каналов раствором или другими материалами;

- конструкции самонапряженные - конструкции, в которых натяжение арматуры осуществляется при расширении напрягающего бетона в процессе его твердения, а усилие предварительного обжатия передается на конструкцию посредством сил сцепления арматуры с бетоном либо за счет механического закрепления.

Кроме того, различают:

- конструкции предварительно напряженные без сцепления арматуры с бетоном, располагаемой в каналах, в которых антикоррозионную защиту арматуры обеспечивают при помощи специальных покрытий;

- конструкции предварительно напряженные с внешним армированием, в которых рабочее армирование размещают вне бетонного сечения со специальной защитой арматуры от коррозии и воздействия огня;

- конструкции предварительно напряженные со смешанным армированием, в которых лишь часть рабочей арматуры подвергают предварительному напряжению.

Коэффициент безопасности для арматуры частный у, - коэффициент, учитывающий возможные отклонения физического или условного предела текучести арматурной стали ниже, чем, а так же отклонения размеров сечения стержня.

Коэффициент безопасности для бетона частный у, - коэффициент, учитывающий возможность отклонения прочностей бетона ниже нормативных значений, отклонения в геометрических размерах сечений (не превышающие, однако, допустимых) и разницу между прочностью бетона, определяемую на опытных образцах, и прочностью бетона в конструкции; в случае неармированных конструкций значение yt, учитывает возможность наступления хрупкого разрушения.

Марка бетона по водонепроницаемости отвечает гарантированному значению давления воды, выдерживаемому бетоном без ее просачивания; обозначается буквой W и числом, соответствующим давлению, в атмосферах (например, W12) и устанавливаемому в соответствии с требованиями стандартов.

Марка бетона по морозостойкости - установленное нормами минимальное число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона, испытанных по базовым методам, при которых сохраняются первоначальные физико-механические свойства в нормируемых пределах; обозначается буквой F и числом, выражающим количество циклов (например, F100).

Марка бетона по плотности отвечает гарантированному значению объемной массы бетона в кг/м2, обозначается буквой D и числом, выражающим значение объемной массы бетона (например, D2000) и устанавливаемой в соответствии с требованиями стандартов.

Марка напрягающего бетона по самонапряжению представляет собой гарантированное значение предварительного напряжения сжатия в бетоне (самонапряжения, в Н/мм2), создаваемого в результате расширения бетона в условиях внешнего ограничения, эквивалентного армированию %; обозначается Sp и числом, выражающим значение самонапряжения (например, Sp2,O), определяемого в соответствии с требованиями стандартов.

Модель расчетная - идеализация конструктивной системы, используемая с целью анализа конструкции либо ее элемента.

Надежность конструкции - свойство конструкции выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих требуемым режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Прочность бетона на осевое сжатие - максимальные сжимающие напряжения в бетоне при одноосном напряженном состоянии, соответствующие пиковой точке диаграммы деформирования.

Прочность бетона на осевое сжатие гарантированная - прочность, определяемая при осевом сжатии кубов размером 150*150x150 мм с учетом статистической изменчивости при обеспеченности 0,95, гарантируемая производителем в соответствии с действующими стандартами.

Сетка арматурная - плоский арматурный элемент, составленный из продольных и поперечных стержней, соединенных между собой; форма и размер, шаг и сечение, способ соединения составляющих ее стержней должны соответствовать требованиям проектной документации с учетом технологии изготовления.

Система конструктивная - совокупность несущих элементов (конструкций), образующих по определенным правилам пространственную систему, обеспечивающую заданные эксплуатационные функции здания или сооружения.

Ситуация расчетная - совокупность физических условий, касающихся определенного периода времени, для которого следует подтверждать расчетом, что предельное состояние конструкции не будет превышено.

При расчете конструкций должны рассматриваться расчетные ситуации, установленные в соответствии с ГОСТ 27751.

Сопротивление арматуры нормативное - гарантируемое производителем значение физического либо условного предела текучести арматуры с обеспеченностью 0,95 согласно соответствующим стандартам.

Сопротивление арматуры расчетное - прочность арматуры, принимаемая при расчетах конструкций и получаемая делением нормативного сопротивления на частный коэффициент безопасности для арматуры.

Сопротивление бетона осевому растяжению нормативное - 5 % квантиль статистического распределения прочности бетона на осевое растяжение.

Сопротивление бетона осевому сжатию нормативное - сопротивление осевому сжатию призм или цилиндров, определенное с учетом статистической изменчивости при обеспеченности 0,95, которое допускается принимать равным 0,8.

Сопротивление бетона осевому сжатию среднее - прочность, определяемая при осевом сжатии призм или цилиндров без учета статистической изменчивости свойств бетона.

Сопротивление бетона расчетное (сжатию, растяжению) - сопротивление бетона, принимаемое при расчетах конструкции по 1 и 2 группам предельных состояний и получаемое путем деления нормативных значений прочности на частный коэффициент безопасности для бетона.

Сопротивление напрягаемой арматуры - расчетное значение деленное на частный коэффициент безопасности для напрягаемой арматуры.

Состояние предельное - это такое состояние, при достижении которого конструктивная система или составляющий ее элемент перестают удовлетворять предъявляемым к ним требованиям.

Эксплуатация нормальная - эксплуатация, осуществляемая без ограничений в соответствии с технологическими или бытовыми условиями, предусмотренными в нормах и заданиях на проектирование.