Торяник - Расчет железобетонных конструкций при сложных деформациях

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблема уменьшения собственного веса железобетонных конструкций всегда стояла перед строителями и особенно остро она поставлена в девятой пятилетке. Решается эта проблема применением высокопрочных материалов, легких заполнителей, пространственных конструкций, а также разработкой и уточнением -методов расчета, подтверждаемых экспериментальными данными. К разработке и уточнению методов расчета относятся задачи экспериментальных и теоретических исследований железобетонных элементов, работающих на сложные виды деформаций: косое внецентренное сжатие, косой изгиб, косой изгиб с кручением. Такие элементы часто встречаются в практике проектирования и строительства и поэтому исследованиям их работы уделялось и уделяется большое внимание.

Однако используемые в настоящее время способы расчета этих элементов очень разобщены, слабо подкреплены экспериментами и, что главное, недостаточно отражают действительное напряженное состояние элементов.

В этой книге предлагается методика расчета железобетонных конструкций на сложные виды деформаций, основанная на общепринятом методе предельных состояний и подкрепленная многочисленными экспериментами.

Книга состоит из предисловия, введения, семи глав и двух приложений.

В первой главе дан расчет на косое внецентренное сжатие двутавровых, тавровых и прямоугольных поперечных сечений.

Вторая и третья главы содержат расчет на косой изгиб обычных и предварительно-напряженных железобетонных элементов.

В четвертой и пятой главах изложены методы расчета обычных и предварительно-напряженных железобетонных элементов, работающих на косой изгиб с кручением.

В шестой главе дан расчет прочности по косому сечению косоизгибаемых элементов.

В седьмой главе описан метод расчёта на трещиностойкость.

Главы и отдельные параграфы написаны: М. С. Торяником — предисловие, гл. II, III и приложение II, П. Ф. Вахненко — введение, гл. I и приложение I, Л. В. Фалеевым — гл. IV, А. М. Кузьменко — гл. V, К. X. Долей — гл. VI, Л.И. Сердюком — гл. VII и Ю. М. Руденко и Л. В. Фалеевым — § 14 гл. II.

Авторы выражают глубокую благодарность доктору технических наук, профессору В. Н. Байкову и кандидату технических наук, доценту Р. И. Трепененкову за ценные указания по содержанию книги и лаборантам Г. И. Козловой и Г. В. Бородиной за участие в оформлении этой книги.

ВВЕДЕНИЕ

Вопросам теории расчета элементов железобетонных конструкций при сложных деформациях, начиная с 30-х годов, посвящен целый ряд работ отечественных и зарубежных ученых и инженеров. В нашей стране такие исследования проводили: И. И. Гольденблат и Э. Г. Ратц, К. Н. Ратушинский, Н. А. Попович, А. Е. Шавельский и др. Из зарубежных ученых следует упомянуть: Б. Браслера, Байера, Л. Нольте, К. Опладена, Г. Линдера, А. Пухера, В. Лёзера и др.

Однако ранние теоретические исследования базировались на представлении о железобетоне как упругом материале и основывались на методике расчета по допускаемым напряжениям с использованием зависимостей сопротивления материалов. В результате эти работы имели существенные недостатки, присущие теории упругого бетона, и их теоретические выводы не подтверждаются экспериментальными данными.

В течение последних десятилетий в отечественной и зарубежной печати появились работы, посвященные расчету кососжимаемых и косоизгибаемых железобетонных конструкций по разрушающим усилиям и по предельному состоянию. Сюда относятся работы Н. И. Смолина [30], С. И. Глазера [13, 14], О. Н. Тоцкого [47, 48], В. Н. Байкова [1], М. А. Борисовой и М. 3. Арафата [6] и др.

Н. И. Смолин экспериментально и теоретически исследовал прочность ненапряженных балок прямоугольного сечения. Его теоретические выводы подтверждены экспериментами. С. И. Глазер разработал теорию расчета кососжимаемых элементов прямоугольного сечения и косоизгибаемых элементов прямоугольного и таврового сечений. Для упрощения расчетов он составил таблицы. Однако эти теоретические расчеты не подкреплены экспериментальными данными.

О. Н. Тоцкий, используя свойства изокривых — изостат и изобент, разработал методику расчета косоизгибаемых и кососжимаемых железобетонных элементов. Предложенная им методика дает удовлетворительную сходимость с экспериментами, но является довольно трудоемкой.

В. Н. Байков, применив теорему об эквивалентности виртуальной работы момента, вызывающего косой изгиб, и суммарной работы его компонентов, действующих в двух взаимно перпендикулярных направлениях, получил довольно оригинальное решение по определению несущей способности косоизгибаемых железобетонных элементов таврового и прямоугольного поперечных сечений.

Теоретические расчеты дают удовлетворительную сходимость с опытами. М. А. Борисова и М. 3, Арафат исследовали прочность и трещиностойкость предварительно-напряженных железобетонных элементов прямоугольного поперечного сечения и сравнивали данные своих экспериментов с различными способами расчета. Сравнение показало наилучшую сходимость опытов с теоретическими расчетами, основанными на уравнениях предельного равновесия. Из зарубежных ученых разработкой теории расчета по разрушающим усилиям занимались: А. Аас-Якобсен [58]; И. Кисель [66], Р. Фалонг [72], Н. Тёпфер [75] и др.

А. Аас-Якобсен рассмотрел способ расчета по разрушающим усилиям на косое внецентренное сжатие железобетонных элементов прямоугольного сечения с попарно симметричной арматурой. Для проверки теоретических расчетов было испытано десять колонн квадратного сечения с четырьмя стержнями по углам. Нагрузка прикладывалась в плоскости диагонали поперечного сечения. Для этого частного случая получено хорошее соответствие теоретических расчетов с опытами.

И. Кисель разработал способ расчета по разрушающим усилиям только для прямоугольного сечения. Его теоретические расчеты не подкреплены экспериментами. Н. Тёпфер дает способ расчета по разрушающим усилиям на косой изгиб и косое внецентренное сжатие тоже только для прямоугольных сечений. Его теоретические расчеты также не подкреплены опытами.

Таким образом, в перечисленных работах решались частные задачи по расчету элементов железобетонных конструкций при сложных деформациях.

Для разработки более общих методов расчета при сложных видах деформаций, отвечающих действительному напряженному состоянию, в лаборатории железобетонных конструкций Полтавского инженерно-строительного института проведены многочисленные опыты над обычными и предварительно-напряженными железобетонными элементами, работающими на косое внецентренное сжатие; косой изгиб и косой изгиб с кручением. Исследована прочность по нормальным и косым сечениям, трещиностойкость, границы переармирования (прочность сжатой зоны).

На основе экспериментальных данных разработаны практические методы расчета, подтверждающиеся опытами. Построенные номограммы и таблицы позволяют производить расчеты так же просто, как и при обычных видах деформаций.

Под сложными видами деформаций подразумеваются косое внецентренное сжатие, косой изгиб и косой изгиб с кручением. Имеется в виду, что между ними существует определенная связь. Косой изгиб является частным случаем косого изгиба с кручением и косого внецентренного сжатия. Более того, такие простые виды деформаций, как плоское внецентренное и центральное сжатие, плоскийизгиб, также являются частными случаями косого внецентренного сжатия. При разработке описанных здесь способов расчета железобетонных элементов на указанные виды сложных деформаций авторы исходили из этого положения.

В результате расчет железобетонных элементов при всех рассмотренных видах деформаций отличается единством подхода и методики, которая вместе с тем может быть распространена и на обычные случаи деформаций — плоский изгиб и плоское внецентренное сжатие.

В книге освещены вопросы расчета прочности обычных и предварительно-напряженных железобетонных элементов по нормальному и наклонному сечению, а также трещиностойкость косоизгибаемых элементов. Рассмотрены все практически встречающиеся виды сечений: двутавровое, Г-образное и прямоугольное. Двутавровое сечение рассмотрено как исходное, из которого все другие виды сечений могут быть получены как частные случаи.

Все способы расчета разработаны на основе многочисленных экспериментов.

Учитывая, что книга может быть использована не только проектировщиками и студентами, но и научными работниками, в соответствующих главах приведены основные экспериментальные данные: геометрические характеристики образцов, прочностные показатели арматуры и бетона, несущая способность образцов и др.

Несмотря на общность позиции, с которой рассмотрены различные виды деформаций, способы их расчета имеют некоторую специфичность. Поэтому структура глав неодинакова. Косое внецентренное сжатие, как наиболее общий случай деформаций, из которого как частный случай можно получить и косой изгиб, рассмотрено в главе I. В основу рубрикации этой главы положена форма сечения. Это позволило сначала изложить расчет для наиболее общего случая — двутаврового сечения, — а затем распространить этот расчет на другие формы сечения.

С методической точки зрения за основу рубрикации глав II и III удобно взять не форму сечения элемента в целом, а форму сечения сжатой зоны бетона. Рубрикация остальных глав принята такой же, как и в главе I. Предлагаемые способы расчета позволяют не только проверять несущую способность, но также подбирать размеры сечения и арматуру. При этом не возникает специальных ограничений или требований к размещению арматуры, что важно для практики заводского изготовления изделий. Схема размещения арматуры по сечению (схема армирования) может быть симметричной и несимметричной в зависимости от назначения элемента и условий его загружения.

Предлагаемые способы расчета позволяют выбрать наиболее рациональную схему армирования с максимальным использованием сжатой зоны бетона и всей арматуры. Для облегчения вычислительной работы в приложениях даны номограммы и таблицы, при помощи которых расчет прочности железобетонных элементов на сложные деформации так же прост, как при плоском изгибе и внецентренном сжатии.

Во всех главах книги приняты следующие общие обозначения.