Колонны — железобетонные несущие конструкции, предназначенные для передачи нагрузок от вышестоящих конструкций на фундаменты либо стены.
Колонны используют на этажах, для монтажа на их капители или консоли вышестоящих перекрытий. В них также есть опора в виде подколонника.
Самый важный момент при строительстве колонн – расчет и устройство их армирования. О нем сейчас и поговорим.
1 Особенности и назначение
1.1 Конструкция
Рассмотрим конструкцию железобетонных колонн, дабы понять в будущем, какая им нужно схема и чертеж.
Чертеж любой несущей опоры, передающей нагрузки на полость фундамента показывает, что состоит она из нескольких базовых частей. В частности схема предусматривает наличие:
- основной несущей части;
- капителей или консолей;
- подколонника.
Чертеж основной части – удлиненный прямоугольник, минимальный размер сечения которого примерно равен 150×150 мм. Максимальный размер сечения не ограничивается и показателями в 500×500 мм, хотя последние разумно использовать только при взаимодействии с конструкциями плоского фундамента.
В верхней части колонн располагаются капители или консоли – это опоры под перекрытия . Капители являются выступами, на которые перекрытия можно монтировать. Такая схема упрощает работу строителям, позволяет сэкономить на материалах, в частности, существенно сократить использование балок.
Впрочем, капители с тем же успехом применяют в качестве основания под балки.
Что же до железобетонных элементов типа подколонника, то их схема являет собой образец обычной подошвы. Конструкция стандартного подколонника напоминает ступенчатое расширение под основой колонны. Задача подколонника – снять точечное напряжение и равномерно передать его на стены фундамента.
Использование подколонника необязательно, без него вполне можно обойтись, когда предусматривается монтаж ленточного или свайного фундамента. А вот для фундамента плиточного, наличие подколонника просто необходимо.
1.2 Расчет
Прежде чем начать разбор армирования колонны, нужно внимательно осмотреть чертеж и провести расчет. Расчет – краеугольный камень всех подобных процессов. Расчет позволяет человеку четко определиться, что ему нужно, для чего и в каких количествах.
Стандартный расчет колоны предусматривает учет ее несущих нагрузок, типа фундамента, наличие или отсутствие дополнительных элементов (капители подколонника и т.д.) марка бетона и т.д.
После того как будет выполнен расчет, составляется чертеж и схема армирования. Чертеж показывает, сколько арматуры необходимо, какая это должна быть арматура, в каком порядке ее стоит вязать , какие дополнительные элементы использовать.
Выполняется расчет с помощью специальных формул. В них закладывается сопротивление материалов, соотношение уровня предельных нагрузок с желаемым и т.д.
Осуществляют расчет исключительно специалисты. Спроектировать армирование несущих опор человек без опыта не сможет. Не хватит знаний, и что важнее, опыта.
1.3 Процент армирования
Для правильного армирования, как мы уже отметили, нужен качественный расчет и правильно составленный чертеж или схема.
В расчет закладывается и такой интересный показатель, как процент армирования или заполнения арматурой. Процент армирования указывает на удельный вес или долю арматурного каркаса в общей схеме конструкции.
Существует максимальный и минимальный процент армирования железобетонных опор. Минимальный процент – грань, ниже которой нельзя заходить. Если армирование железобетонных конструкций не покроет минимальный процент, то конструкция считается ненадежной и даже потенциально опасной.
Максимальный процент – предел, после которого конструкция из железобетонной превращается в сталежелезобетонную. Превышать максимальный процент тоже нежелательно, особенно в гражданском строительстве.
Показатель, минимального процента армирования колонны равняется 3%. Показатель максимального процента армирования равняется 6%. Однако расчет показывает, что для зданий небольших хватит и 5%, а в некоторых случаях и 4% в удельном весе.
2 Технология, схема и материалы
Технология армирования довольно проста, так как заключает в себя всего несколько базовых рабочих этапов.
Нужно создать арматурный каркас поэтапно, связать его в единую конструкцию, при необходимости осуществить поперечное или косвенное армирование, а затем установить в опалубку. Основная задача строителей – связать правильный каркас. Схема действий здесь очень проста.
Берется несколько крупных круглых стержней с диаметром сечения от 20 мм. Как правило, это арматура круглых сортаментов , класса А3 или выше.
Стержни по длине должны полностью отвечать длине колонны, за вычетом 10-15 см на слой защитного бетона.
Минимальное количество стержней для рабочего каркаса – три. Что впрочем, вполне очевидно, ведь нам нужен не плоский, а объемный каркас.
На практике используют от четырех до шести стержней в обычных колоннах и больше восьми в сильно нагруженных. Если колонна не квадратная, а вытянута в одном из направлений, то ее укрепляют дополнительной арматурой.
Продольную арматуру связывают между собой в нескольких местах. Однако обойтись только ею не удастся. При длине колонн от 2 метров, продольные изделия под давлением начнут выпячиваться, что не есть хорошо. Для предотвращения подобных проблем используют косвенное или поперечное укрепление каркаса.
Косвенное укрепление заключается в обвязке длинной арматуры поперечными короткими стержнями. Косвенное укрепление делается с интервалами. Желательно связать каркас поперечными элементами с интервалом в 20-50 см в зависимости от уровня несущих нагрузок.
Косвенное армирование – проверенный временем способ, очень удобный и простой. Без него сейчас создание несущих железобетонных колонн крайне нежелательно.
2.1 Пример армирования колонн на строительстве (видео)
2.2 Армирование дополнительных элементов
Не стоит забывать о том, что конструкция дополнительных частей колонны, таких как капители, консоли и опорные конструкции подколонника тоже нуждаются в армировании.
При этом каркас для той же капители нужно еще и правильно интегрировать в целевую несущую конструкцию.
Образец капители – плоский выступ на верхнем конце колонны. Следовательно, для каркаса капители нужна арматурная сетка . Тут все достаточно просто. Берем арматуру толщиной от 15 мм, и вяжем из нее квадратную сетку с ячейками от 10×10 см.
Сетку интегрируем верхнюю часть каркаса путем подвязки проволокой. Как правило, хватает одноуровневой сетки. В крайнем случае, по ободу устраивают еще один стабилизирующий каркас, состоящий из одного-двух элементов.
С консолями ситуация несколько иная. Консоль, в отличие от капители – это бетонный выступ на одном из краев колонн. Каркас для него являет собой двухуровневый выступ короткой арматуры, прикрепленный к одному из поперечных стержней.
Схема подколонника сильно напоминает аналогичную у монолитной капители, только подколонник делается толще, может иметь несколько ступенек и размещается на нижней части опоры.
Следовательно, каркас для него делается как минимум двухуровневый, из такой же сетки. В остальном отличий от чертежа каркаса для капители практически нет.
Если подколонник ступенчатый, то есть имеет несколько расширений с разными размерами, то сетку делают под каждую ступеньку и перевязывают проволокой. Чем больше ступеней, тем тоньше нужна арматура. На одну ступень берут арматуру толщиной в 15-20 мм, а на три хватит арматуры толщиной до 12 мм.
n эт - количество этажей в здании;
p n сн - нормативная нагрузка от снега на 1м 2 покрытия, может быть принята как для Донецкой области p n сн = 1.5 кН/м 2 ;
h кол - размер стороны сечения колонны (м), принятый при компоновке перекрытия (см. раздел 2 ″Указаний″);
ρ жб = 25 кН/м 3 – плотность железобетона;
1.1, 1.2, 1.04 – коэффициенты надежности по нагрузке (в зависимости от ее вида);
Н эт - высота этажа (м) (указана в задании на курсовой проект).
Полная нагрузка состоит из постоянной и временной частей, которые могут быть подсчитаны как:
- временная часть нагрузки:
- длительная часть нагрузки:
.
^
Гибкость колонны
, где 
- расчетная длина колонны, которая назначается в зависимости от способа закрепления ее концов. Например, если здание без подвала
, то колонна первого этажа частично защемлена в фундаменте и шарнирно оперта в уровне перекрытия (точнее, в уровне низа ригеля, который приварен к консоли колонны и препятствует деформированию колонны). В этом случае значение расчетной длины колонны равняется 
, где Н
1
- расстояние от низа ригеля первого этажа до верхнего обреза фундамента, то есть Н
1
= Н
эт
+ 0,15 -
h
риг
-
h
пл
.
Если в здании предусматривается подвал
, то колонна первого этажа опирается на колонну подвала, и имеет шарнирное закрепление в уровне низа обоих перекрытий, которые с ней граничат. Тогда расчетная длина колонны в этом варианте здания имеет значение: 
.
Студенту на этом этапе надлежит принять решение о наличии или отсутствии подвала в своем здании и подсчитать соответствующее значение гибкости .
Но нужно запомнить
, что принятое здесь решение влияет на конструктивное решение колонны при выполнении ее чертежа. А именно: чтобы выполнить стыки смежных колонн, нужно иметь нижнюю и верхнюю металлические закладные детали (это касается промежуточных по высоте здания колонн). Если же колонна первого этажа устанавливается в фундамент (то есть здание без подвала)
, тогда такой закладной детали в ее нижней части не следует предусматривать. Следовательно, это обстоятельство нужно учесть при разработке рабочего чертежа колонны.
^
4.3.2. Материалы для колонны
Класс бетона
для колонны следует принимать не ниже В15
, а для сильно нагруженных колонн (то есть при N=1500
2000 кН)
- в диапазоне В20
В40.
Для принятого класса бетона из Норм выписать расчетное сопротивление R b с учетом коэффициента b2 (его значение принимать таким, как в плите и ригеле, потому что для конструкций всего здания характер нагрузки одинаков).
Для продольной арматуры A-III или A-II ; из выписать значение расчетного сопротивления стали R sc .
Для поперечной арматуры
колонны следует принимать сталь класса A-I
или Вр-
I.
^
4.3.3. Выбор расчетной схемы и расчет тела колонны
Колонны многоэтажных зданий испытывают внецентренное сжатие, поэтому в сечениях колонн возникают усилия M, N, Q
.
В курсовом проекте при расчете колонны допускается не учитывать момент, который возникает в ней как в элементе рамы.
Расчет прочности тела колонны следует выполнять как для условно сжатого элемента по алгоритму, приведенному в табл.4.3.
Таблица 4.3
Определение размеров сечения и площади рабочей продольной арматуры колонны как в условно центрально сжатом элементе
| № п/п | Алгоритм | ^ Пояснения, справки |
|
| 1 | 2 | 3 |
|
| 1 | Определить требуемую площадь бетона сечения колонны из условия прочности:
| µ 1 – коэффициент армирования, который в первом приближении рекомендуется принимать µ 1 = 0.01 (что отвечает содержанию арматуры в сечении в пределах 1% от площади бетона). |
|
| 2 | Определить требуемые размеры сечения колонны:
| При стремлении сохранить предварительно принятые размеры сечения колонны следует вернуться к п. 1 алгоритма и поварьировать классами бетона и арматуры с тем, чтобы здесь получить требуемые размеры сечения колонны. |
|
| 3 | Назначить размеры сечения колонны  с учетом требований унификации. | По требованиям унификации размер hкол должен быть кратным 50 мм, если он не превосходит 300 мм, и кратным 100 мм при размерах от 300 до 500 мм; при размере более 600 мм он назначается кратным 200 мм. Принятые здесь размеры сечения колонны считаются на этом этапе окончательными и используются в дальнейших расчетах. |
|
(м
2
)
.Продолжение табл. 4.3.
| 1 | 2 | 3 |
| 4 | Принять коэффициент условий работы m для сечения. | Принимать m = 1 при |
| 5 | Вычислить коэффициент :
| Здесь: µ 1 принятый на данном этапе расчета коэффициент армирования (см. п. 1 алгоритма); b
,
r
коэффициенты, зависящие от гибкости колонны
и отношения |
| 6 | Определить в первом приближении требуемую площадь продольной арматуры колонны из условия прочности:
|  площадь бетона сечения при принятых в п. 3 алгоритма размерах сечения. |
| 7 | По сортаменту арматуры принять необходимое количество стержней, чтобы их суммарная площадь  обеспечивала  . | Следует принимать арматуру 412 соответствующего класса. Привести схему армирования колонны по рис. 4.10.
|
| 8 | Вычислить конечное на данном этапе приближения значение процента армирования для продольной арматуры:
| ^ Оптимальное значение процента армирования для сжатых элементов составляет (13)%. |
| 9 | Сопоставить процент армирования, принятый в начале данного этапа приближения µ 1 , с конечным µ кон . Примечание . Приведенная здесь методика расчета относится к так называемому методу последовательных приближений.
| Если эти значения находятся в приведенном ниже соотношении, то расчет продольного армирования окончен: 0.7 i i кон 1.3 і . Если приведенное соотношение не выполняется , следует выполнить еще один этап приближения, приняв новое значение процента армирования, равное 2
=0.5(
1
+
1
кон
)
и повторить расчет, начиная с п. 1 алгоритма до тех пор, пока приведенное соотношение выполнится. |
| 10 | Конец расчета. |
.
(см. п. 4.3.1); определяются по табл. 1, приведенной в Приложении методуказаний.
.^
4.3.4. Поперечное армирование колонны
Назначение поперечной арматуры в сжатых элементах – обеспечение устойчивости сжатых продольных стержней. Поэтому расстояние ″S
″ между поперечными стержнями в колонне назначается исходя из требований предельной гибкости
продольных стержней
в пределах между точками их закрепления, т.е. между соединительными поперечными стержнями. Эти требования имеют вид: S
≤ .
где 
- наименьший диаметр продольных стержней в сечении (в случае, если использовано несколько разных диаметров).
Шаг «S» поперечных стержней для колонны принимать кратным 50мм.
Диаметр поперечных стержней должен быть принят исходя из требований свариваемости , исключающих поджог арматуры при сварке, а именно: d хом [ d прод /3; 4мм].
Привести эскиз армирования колонны, на котором указать принятые параметры продольного и поперечного армирования сечения (по рис. 4.10).
Рис. 4.10.
Эскиз армирования колонны
^
4.3.5. Проектирование консоли колонны
В курсовом проекте рекомендовано принимать так называемую короткую
железобетонную консоль, т.е. такую, которая отвечает требованию: 
(рис. 4.11).
Цель расчета состоит в определении размеров сечения и армирования консоли, которые бы обеспечили ее прочность.
Расчет консоли должны выполняться по алгоритму табл. 4.4, который составлен в соответствии с требованиями Норм .
Таблица 4.4.
Расчет короткой железобетонной консоли колонны
| № п/п
| Алгоритм | ^ Пояснения, справки |
| 1 | 2 | 3 |
| 1 | Определение расчетной длины площадки опирания ригеля  , которая обеспечивает прочность бетона консоли на смятие:
| Q – давление ригеля на консоль, которое равно максимальной поперечной силе на опоре ″Вычислить плечо усилия |
| 9 | Назначение продольной арматуры консоли (см. пояснение справа таблицы). | По значению  треб из сортамента подобрать необходимую арматуру (1225)мм в количестве 2 3 стержня. Расположить их горизонтально на расстоянии h
0
от нижней (сжатой) грани консоли. Привести эскиз армирования (рис.4.11). |
| 10 | Выбор схемы армирования консоли поперечной арматурой в зависимости от требования:
| Если требование выполнено , то консоль армировать наклонными хомутами по всей высоте по схеме рис. 4.12-а. Если требование не выполнено
, консоль армировать горизонтальными хомутами и отогнутыми стержнями по схеме рис. 4.12-б.
|
| 11 | Назначить шаг поперечных стержней “S” (хомутов и отогнутых стержней). | При этом пользоваться Нормами . |
| 12 | Назначить диаметр поперечных стержней по площади:
| Здесь A sw (A s , inc ) общая площадь хомутов (отогнутых стержней), пересекающих верхнюю половину линии l , которая соединяет точку приложения усилия Q на консоли с точкой соединения наклонной грани консоли с гранью колонны (см. рис. 4.12). При этом количество хомутов, которые обеспечивают требуемую площадь  следует находить непосредственно по чертежу консоли, выполненной в заданном масштабе, на котором необходимо расположить все поперечные стержни с шагом S
(по п. 11). Надо понимать, что в одной плоскости хомутов может быть не менее чем два стержня по толщине консоли (чаще всего 2 3 шт.). |
.
- для хомутов;
- для отогнутых стержней.Продолжение табл. 4. 4.
| 1 | 2 | 3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| При этом диаметры этих стержней принимать 5мм с учетом также требований свариваемости с продоль- ными стержнями консоли (см. п. 4.3.4 «Указаний»), а для отогнутых стержней также и требований:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 13 | Проверка достаточности размеров и поперечного армирования консоли по условию прочности на действие поперечного усилия по наклонной полосе между сосредоточенной силой и опорой (рис. 4.11): h 4 - горизонтальные хомуты. ^ 4.3.6. Проектирование стыка сборных железобетонных колоннВ курсовом проекте рекомендуется принять сварной стык колонн с торцевыми листами и центрирующей прокладкой, то есть так называемый шарнирный стык (рис. 4.13). Такой стык не может воспринимать момент. Допускается использовать стык другого типа с соответствующим расчетом его прочности. Стык колонн располагают на расстоянии (0.5÷1.0) м от уровня перекрытия из условия удобства его выполнения. За счет того, что усилие с колонны на колонну передается через стык не по всей площади сечения колонны, а лишь через те элементы стыка, что их объединяют (то есть через торцевую прокладку и сварные швы по периметру колонн), сечение колонны испытывает так называемое местное сжатие (смятие). При этом напряжения в зоне местного сжатия превышают таковые в остальных сечениях по высоте колонны. Поэтому торцевые участки колонны вблизи стыка должны быть рассчитаны на прочность при местном сжатии и заармированы| сварными| сетками (так называемое косвенное армирование), которые повышают прочность бетона при местном сжатии за счет ″эффекта обоймы″, который они создают. Сетки косвенного армирования следует располагать в количестве не менее четырех с шагом s = (60÷100) мм на участке колонны (считая от ее торца), длина которого принимается 10d (здесь d - диаметр продольной арматуры колонны). Эти сетки следует назначать до начала расчета в соответствии с конструктивными требованиями Норм . До начала расчета следует также назначить размеры центрирующей прокладки (толщину принимать 3÷5 мм и размеры в плане равными 1/3 размера сечения колонны), размеры металлических торцевых листов (толщину не менее 1012 мм, размеры в плане - на 10÷15 мм меньше сечения колонны). Торцевые листы должны иметь анкерные стержни, которые фиксируют положение детали в бетоне. При этом диаметр и количество анкерных стержней детали принимать равными диаметру и количеству стержней рабочей продольной арматуры колонны по расчету (см. расчет колонны), так как они замещают эту арматуру в местах, где она оканчивается, несколько не доходя до торцевых листов. Следовательно, задача расчета стыка колонн состоит в следующем:
Таблица 4.5. Расчет стыка колонн с центрирующей прокладкой
Окончание табл. 4.5.
 Рис. 4.13. К расчету стыка колонн на местное сжатие. М-1 – закладная деталь колонны; М-2 – центрирующая прокладка; С-1 – сетка косвенного армирования; ^ S – шаг сеток в торцевой части колонны на длине участка ≥10 d ; d – диаметр продольной арматуры тела колонны; A ef – площадь сечения бетона, ограниченного контурами сетки С-1 ; А шв , А пр – площадь бетона контакта колонн под сварными швами и центрирующей прокладкой, соответственно; h 1 , b 1 – соответственно, ширина и длина торцевых листов детали М-1 . | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
.
.
3.5.
.
|
,
.Слева: схема армирования сжатых элементов: 1) продольные стержни; 2) поперечные;
Справа: армирование сжатых элементов со случайными эксцентриситетами
Арматура сжатых элементов состоит из продольных и поперечных стержней (хомутов), расположенных, как правило, на равных расстояниях друг от друга. Продольная арматура ставится по расчету и воспринимает часть нагрузки, действующей на элемент. Хомуты, в основном, предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Кроме того, хомуты препятствуют развитию поперечных деформаций элемента, тем самым не сколько повышая сопротивляемость бетона сжатию.
Колонны сечением 400х400 мм можно армировать четырьмя стержнями. Если плоские каркасы противоположных граней колонны имеют промежуточные продольные стержни, то последние по крайней мере через один и не реже чем через 400 мм связывают между собой с помощью шпилек. Шпильки не ставят при ширине грани колонны 500 мм, если число стержней у этой грани не превышает 4.
Поперечные стержни (хомуты) должны располагаться на расстояниях не более 15d в вязаных каркасах и 20d в сварных (d - наименьший диаметр продольных сжатых стержней). Расстояние между поперечными стержнями (хомутами) во всех случаях не должно превышать 500 мм. Расстояние между хомутами в пределах стыка сжатой арматурs внахлестку без сварки должно быть не более 10d.
Диаметр поперечных стержней (хомутов) устанавливают без расчета и в вязаных каркасах принимают равным не менее 5 мм, а также не менее 0,2d при хомутах из обыкновенной проволоки класса В-I диаметром 5 мм или из стали класса А-III и 0,25 d при хомутах из стали других видов (d - наименьший диаметр продольных сжатых стержней).
В сварных каркасах минимальный диаметр поперечных стержней принимают из условия сварки.
Для элементов с круглым или многоугольным поперечным сечением получило распространение косвенное армирование в виде спиралей или сварных колец. Для элементов с прямоугольным сечением применяют объемное косвенное армирование в виде часто размещенных поперечных сварных сеток. Косвенное армирование в виде поперечных сеток широко применяют для местного усиления железобетонных сборных колонн вблизи стыков а также в зоне анкеровки предварительно напрягаемой арматуры.
Спирали и кольца, подобно обойме, сдерживают поперечные деформации бетона, возникающие при продольном сжатии, и тем обусловливают повышенное сопротивление бетона продольному сжатию, в том числе и после появления в нем первых продольных трещин.
Косвенное армирование целесообразно по расчету, если несущая способность элемента, определяемая по формулам, выше его несущей способности, определяемой по полному сечению элемента и значению расчетного сопротивления бетона Rb без учета косвенной арматуры.
В случае колонн, проходящих насквозь через несколько этажей, по крайней мере, угловые продольные стержни должны быть пропущены через перекрытие в качестве соединительной арматуры с вышележащей колонной. Необходимые для этой цели стержни должны быть отогнуты.
9. Расчет образования трещин в центрально растянутых преднапряженных элементах.
При проектировании железобетонных конструкций надо обеспечить не только их прочность (первая группа предельных состояний), но и необходимую трещиностойкость и жесткость (вторая группа предельных состояний).
Под трещиностойкостью железобетонных конструкций понимают их сопротивление образованию и раскрытию трещин.
Расчет по 1-й категории требований к трещиностойкости производят для расчетных нагрузок с коэффициентом надежности по нагрузке (как при расчете на прочность), расчет конструкций 2-й и 3-й категорий требований к трещиностойкости ведут на действие расчетных нагрузок по 2-й группе п.с. с коэффициентом (численно равных нормативным нагрузкам).
По 1-й категории рассчитывают предварительно напряженные конструкции, находящиеся под давлением жидкостей или газов (резервуары, напорные трубы), а также эксплуатируемые ниже уровня грунтовых вод при полностью растянутом сечении. Другие предварительно напряженные элементы в зависимости от условий работы конструкции и вида арматуры должны отвечать требованиям 2-й или 3-й категории. Все конструкции без предварительного напряжения должны отвечать требованиям 3-й категории.
1.1. Расчет по образованию нормальных трещин
В основу расчета положена стадия Iа напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента.
Предпосылки расчета :
Считается справедливой гипотеза плоских сечений;
Напряжения в бетоне растянутой зоны распределены равномерно и равны величине ; эпюра напряжений в бетоне растянутой зоне может быть заменена прямоугольной;
Наибольшее относительное удлинение крайнего растянутого волокна принимают равной предельной растяжимости бетона
Напряжения в ненапрягаемой арматуре предварительно напряженных железобетонных конструкций равны сумме значений сжимающего напряжения от усадки и ползучести бетона и приращения растягивающего напряжения за счет деформаций растянутого бетона
Для растянутых элементов эффективно применение высокопрочной предварительно напряженной арматуры. В целях ограничения ширины раскрытия трещин целесообразно применять меньшие диаметры при большем количестве стержней.
При центральном растяжении до появления трещин большая часть усилия N воспринимается бетоном и меньшая – продольной арматурой. Напряжения в арматуре перед появлением трещины в бетоне
s s = e btu E s » 15 × 10 -5 × 20 ×10 4 = 30 МПа.
После появления трещины все усилия в сечении с трещиной воспринимаются арматурой, в результате чего напряжения в ней резко увеличиваются.
Прочность центрально-растянутого элемента будет обеспечена при выполнении условия
N £hR s ×A sp +R s ×A s,tot
где h - коэффициент, учитывающий увеличения расчетного сопротивления предварительно напряженной арматуры.
Характер разрушения внецентренно растянутых элементов зависит от величины эксцентриситета. При этом возможны два случая.
Случай 1 – внешняя продольная сила приложена между равнодействующими усилий в арматуре (малые эксцентриситеты).
Условия прочности получают, составив уравнения равновесия моментов (относительно центров тяжести арматуры):
N ×e £R s ×A s ’×(h 0 – a’);
N ×e’ £R s ×A s ×(h 0 – a’)
Случай 2 – внешняя продольная сила находится за пределами расстояния между равнодействующими усилий в арматуре (большие эксцентриситеты).
Условия прочности примут вид:
N×e£R b ×b×x×(h 0 – x/2) + R sc ×A s ’×(h 0 – a’);
N = R s ×A s – R b ×b×x- R sc ×A s ’
10. Конструирование плит.
Плиты перекрытий опираются на ригели, работая на изгиб и для уменьшения расхода материала проектируются облегченными пустотными и ребристыми. При удалении бетона из растянутой зоны сохраняют лишь ребра, шириной, необходимой для размещения сварных каркасов и обеспечения прочности панелей по наклонному сечению. При этом плита в пролете между ригелями работает на изгиб между ребрами. При необходимости устройства гладкого потолка создается нижняя полка, образующая замкнутую полость. Верхняя полка плиты также работает на местный изгиб между ребрами.
Общий принцип проектирования плит перекрытий любой формы поперечного сечения состоит в удалении возможно большего объема бетона из растянутой зоны с сохранением вертикальных ребер, обеспечивающих прочность элемента по наклонному сечению, в увязке с технологическими возможностями изготовителя.
Расчетный пролет плит l 0 принимают равным расстоянию между осями ее опор; при опирании по верху ригелей l0 = l - b/2 (b - ширина ригеля); при опирании на полки ригелей l0 = l - а - b (a - размер полки). При опирании одним концом на ригель, другим на стенку расчетный пролет равен расстоянию от оси опоры на стене до оси опоры в ригеле.
Высота сечения плиты h должна быть подобрана так, чтобы наряду с условиями прочности были удовлетворены требования жесткости (предельных прогибов). При пролетах 5...7 м высота сечения плиты определяется главным образом требованиями жесткости.
Высоту сечения предварительно напряженных плит можно предварительно назначать разной: h = l 0 / 20 - для ребристых, h = l 0 / 30 - для пустотных плит.
При расчете прочности по изгибающему моменту ширина ребра равна суммарной ширине всех ребер плиты; расчетную ширину сжатой полки принимают равной полной ширине панели. Таким образом, расчет прочности плит сводится к расчету таврового сечения с полкой в сжатой зоне. В большинстве случаев нейтральная ось проходит в пределах толщины сжатой полки. Для случаев, когда и нейтральная ось пересекает ребро, расчет ведут с учетом сжатия в ребре.
Поперечную арматуру плиты рассчитывают из условия прочности по наклонному сечению по расчетной ширине ребра b,- равной суммарной ширине всех ребер сечения. В многопустотных плитах высотой менее 300 мм допускается поперечную арматуру не устанавливать, если она не требуется по расчету.
По образованию или раскрытию трещин, а также по прогибам плиту рассчитывают в зависимости от категории требований трещиностойкости. При расчете прогибов сечение панелей с пустотами приводят к эквивалентному двутавровому сечению. Для панелей с круглыми пустотами эквивалентное двутавровое сечение находят из условия, что площадь круглого отверстия диаметром d равна площади квадратного отверстия со стороной 0,9d
Полка плиты работает на местный изгиб как частично защемленная на опорах пролетом l0, равным расстоянию в свету между ребрами. В ребристых плитах ребрами вниз защемление полки создают заливкой бетоном швов, препятствующей повороту ребра Изгибающий момент ql^2/11.
Применяют сварные сетки и каркасы из обыкновенной арматурной проволоки и горячекатаной арматуры периодического профиля. В качестве напрягаемой продольной арматуры применяют стержневую арматуру классов A-IV, A-V, Ат-IVc, Ат-V, высокопрочную проволоку и канаты. Армировать можно без предварительного напряжения арматуры, если пролет панели меньше 6 м.Продольную рабочую арматуру располагают по всей ширине нижней полки сечения пустотных панелей и в ребрах ребристых панелей.
Поперечные стержни объединяют с продольной монтажной или рабочей ненапрягаемой арматурой в плоские сварные каркасы, которые размещают в ребрах плит.
К концам продольной ненапрягаемой арматуры ребристых плит приваривают анкеры из уголков или пластин для закрепления стержней на опоре. Сплошные плиты из тяжелого и легкого бетонов армируют продольной напрягаемой арматурой и сварными сетками. По четырем углам плит закладывают монтажные петли. В местах установки петель сплошные панели армируют дополнительными верхними сетками.
Монтажные соединения плит всех типов выполняют сваркой стальных закладных деталей и заполнением бетоном швов между плитами.
Армирование колонн. Номенклатура и сортамент арматурного проката, производимого на металлургических предприятиях бывшего СССР, складывались под влиянием спроса, ориентированного массовым развитием сборного железобетона и в условиях, практически изолированных от мирового рынка.
До настоящего времени это обстоятельство в большей или меньшей степени для разных металлургических предприятии сказывается в недополучении прибыли, связанном с производством устаревших видов арматурного проката, с высокой себестоимостью и низкой конкурентной способностью.
Требования, предъявляемые к арматурному прокату строителями (потребителями) еще на ранней стадии развития железобетона, остались актуальными и в настоящее время.
Учитывая особенности современного производства и эксплуатации арматурных элементов сборного и монолитною железобетона (каркасов, сеток, закладных деталей, монтажных петель и т.п.), к основным требованиям по прочности, деформативности и сцеплению с бетоном добавились дополнительные требования по свариваемости, хладостойкости, коррозионной стойкости арматуры и др.
Из-за все возрастающих требований к качеству строительства экономическая эффективность и надежность применения того или иного вида арматурного проката у потребителя становятся основополагающими для внедрения его у производителя.
На ранней стадии производства арматуры главными определяющими ее потребительских свойств были технические возможности сталелитейного и прокатного технологического оборудования. Тогда строители были вынуждены довольствоваться той арматурной продукцией, которую производила металлургическая промышленность.
В связи с бурным развитием металлургического производства в последние годы практически все технологические ограничения с производства арматуры были сняты. В настоящее время металлурги готовы производить ту арматурную продукцию, которая может быть эффективно использована в строительстве.
В соответствии с СП 52-101-2003 для армирования железобетонных конструкций рекомендуется применять арматуру следующих видов:
- горячекатаную гладкую и периодического профиля с постоянной и переменной высотой выступов (соответственно кольцевой и серповидный профили) диаметром 6-40 мм;
- термомеханически упрочненную периодического профиля с постоянной и переменной высотой выступов (кольцевой и серповидный) диаметром 6-40 мм:
- холоднодеформированную периодического профиля диаметром 3-12 мм.
Класс арматуры по прочности на растяжение обозначается:
- А — для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры;
- В — для холоднодеформированной арматуры.
Классы арматуры по прочности на растяжение А и В отвечают гарантированному значению предела текучести (с округлением) с обеспеченностью не менее 0,95, определяемому по соответствующим государственным стандартам или техническим условиям.
В необходимых случаях к арматуре предъявляются требования по дополнительным показателям качества: свариваемость, пластичность, сцепление с бетоном, хладостойкость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и др.
При проектировании железобетонных конструкций может быть использована арматура:
- гладкая класса А240 (A-I);
- периодического профиля классов А300 (А- II), А400 (А- III , А400С), А500 (А500С, А500СП), В500 (Bp-I, B500C), где С — свариваемая, П — повышенного сцепления.
До 80-х годов прошлого столетия основной объем производства и применения в строительстве составляла арматура с пределом текучести σ т =400 МПа. За период 1991 — 1997 основные европейские страны перешли на единый класс свариваемой арматуры периодического профиля для ненапряженных железобетонных конструкций с пределом текучести σ т =500 МПа.
Для колонн и стоек, работающих на центральное сжатие, принимается как правило квадратное сечение, иногда прямоугольное, круглое или кольцевое. Если эксцентриситет большой (как правило при внецентренном сжатии) поперечное сечение колонн принимается прямоугольным. При этом большие стороны прямоугольника располагаются параллельно оси, относительно которой имеется эксцентриситет. Также сечения могут быть тавровыми или двутавровыми.
В целях стандартизации прямоугольные и квадратные сечения колонн принимаются кратными 50 мм. Для монолитных колонн рекомендуется поперечное сечение не менее 250 мм.
Бетон для колонн используют не ниже класса В15 (С12/15), а для очень нагруженных не ниже В25 (C20/25).
Колонны армируются продольными стержнями арматуры диаметром ≥ 12 мм из стали класса А400C или А500C и поперечными стержнями или хомутами из стали класса А240C.
Размеры поперечных сечений следует принимать такими, чтобы гибкость l0/r относительно любой из осей поперечного сечения не превышала 120. Толщину защитного слоя бетона следует принимать ≥ диаметра стержней продольной арматуры и не менее 20 мм. Если в качестве продольной арматуры используется полосовая, угловая или фасонная сталь (в колоннах с жестким каркасом), толщина защитного слоя принимается ≥50 мм.
Расстояние в свету между вертикальными стержнями арматуры, расположенными при бетонировании вертикально, должно быть ≥ 50 мм. Расстояние между стержнями продольной арматуры, расположенными при бетонировании горизонтально или под наклоном принимается ≥ 25 м. для арматуры нижней части сечения и ≥ 30 мм для арматуры верхней части сечения. Кроме того, это расстояние во всех случаях принимается ≥ наибольшего диаметра арматуры.
Поперечные стержни или хомуты устанавливаются без расчета, но с соблюдением следующих требований:
— при ширине поперечного сечения колонны ≤ 400 мм и количестве продольных стержней ≤ 4 проектируются плоские сварные каркасы без дополнительных стержней или одиночные хомуты;
— при ширине поперечного сечения > 400 мм или количестве продольных стержней > 4 устанавливаются дополнительные стержни на одной из сторон или ставятся двойные хомуты; — вместо двойных хомутов допускается ставить соединительные шпильки;
— перегибы хомутов предусматривают на расстояниях ≤ 400 мм по ширине поперечного сечения элемента.
Конструкция вязаных хомутов колонн должна быть такова, чтобы продольные стержни (по крайней мере через один) располагались в местах перегиба хомутов, а эти перегибы — на расстоянии не более 400 мм по ширине сечения колонны. При ширине грани не более 400 мм и числе продольных стержней у этой грани не более четырех допускается охват всех продольных стержней одним хомутом.
Расстояние между стержнями поперечной арматуры принимается ≤ 15 d для вязаных каркасов и ≤ 20 d для сварных каркасов, чтобы предотвратить боковое выпучивание продольных стержней арматуры. При этом во всех случаях это расстояние принимается ≤ 500 мм, где d — это наименьший из диаметров продольных сжатых стержней.
В колоннах с коэффициентом армирования продольной арматурой > 3% поперечные стержни или хомуты ставятся на расстояниях ≤ 10d и ≤ 300 мм.
Диаметр поперечной арматуры в сварных каркасах принимается:
- 5-6 мм — при d = 14-20 мм продольных стержней;
- 8 мм — при d = 22-25 мм;
- 10 мм — при d = 28-32 мм;
- 12 мм — при d = 36-40 мм.
В вязаных каркасах диаметр хомутов принимается ≥ 5 мм и ≥ 0,25d, в данном случае d — наибольший диаметр стержней продольной арматуры. Как правило при изготовлении вязаных каркасов используются хомуты из проволоки класса А240С диаметром 6-8 мм.
Если проектом предусматриваются закладные металлические детали, то они не должны выступать за плоскость граней элементов. Закладные детали должны привариваться к рабочей арматуре или быть надежно заанкеренными в бетон посредством специальных анкерных крюков или стержней.
· Поперечная арматура в колоннах устанавливается в целях:
1. Образования пространственных каркасов.
2. Предотвращения выпучивания продольных стержней.
3. Сдерживания поперечных деформаций бетона.
· Диаметр поперечной арматуры d назначается из условия свариваемости с продольными арматурными стержнями диаметром D :
d ³ 0,25D = 0,25×36 = 9 мм . Принимаем поперечную арматуру Æ10 A 400 .
· Шаг поперечных арматурных стержней не должен превышать
s £ 20D = 20×36 = 720 мм ; s £ 500 мм . Принимаем s = 500 мм (кратно 50 мм ).
· Для усиления концевых участков у торцов колонн дополнительно устанавливаем сетки косвенного армирования из арматуры Æ8 A-I, размер ячеек 50´50 мм . Назначаем 5 сеток с шагом 75 мм.
а b для продольной рабочей арматуры колонны (см. рис. 5.1) должна составлять (п. 5.5 СНиП ):
4 не менее диаметра стержня: а b ≥ D = 36 мм ,
4 не менее 20 мм : а b ≥ 20 мм .
Требуемое расстояние от наружной грани колонны до центра тяжести продольной арматуры: а ³ а b + 0,5D = 36 + 0,5·36 = 54 мм . Принимаем a = 55 мм , тогда
фактическая толщина защитного слоя: а b = а – 0,5D = 55 – 0,5·36 = 37 мм > 36 мм .
· Толщина защитного слоя бетона а bw для поперечной арматуры колонны должна составлять (п. 5.5 СНиП ):
4 не менее диаметра стержня: а bw ≥ d = 10 мм ,
4 не менее 15 мм : а bw ≥ 15 мм .
Фактическая толщина защитного слоя: а bw = а b – d = 37 – 10 = 27 мм > 15 мм .
Таким образом, требования по величине защитного слоя выполнены.
6. Расчёт и конструирование фундамента
Общие соображения
· Проектируем отдельный монолитный фундамент мелкого заложения под колонну.
4 Основные понятия: обрез фундамента – это его верхняя грань, подошва фундамента – это нижняя грань, основание – это грунт под подошвой фундамента, глубина заложения подошвы фундамента – это расстояние от наружной поверхности земли до подошвы фундамента.
· Глубина заложения подошвы фундамента назначается исходя из инженерно-геологических условий площадки строительства, климатических воздействий на верхние слои грунта (в том числе условий промерзания грунта), а также конструктивных особенностей возводимого и соседних сооружений и составляет (по заданию) d f = 1,8 м .
· Пол 1-го этажа выполняется по грунту. Заглубление обреза фундамента относительно уровня пола 1-го этажа: d 0 = 0,15 м .
· Высота фундамента: h f = d f – d 0 = 1,80 – 0,15 = 1,65 м .
· Расчётное сопротивление грунта основания (по заданию):
R 0 = 0,25 МПа = 250 кН /м 2 .
· Средний удельный вес фундамента с грунтом на его уступах: g m = 20 кН /м 3 .
· Классы бетона и арматуры для фундамента принимаются такими же, как и у ригеля перекрытия (п. 4.1). Коэффициент длительности действия нагрузки g b 2 = 0,9.
· Под фундаментом предусматривается бетонная подготовка толщиной 100 мм из бетона класса В3,5 .
· Фундамент под колонну, сжатую со случайным эксцентриситетом, воспринимает в основном только продольную силу, поэтому его можно считать центрально нагруженным. Продольные усилия на уровне верха фундамента допускается принимать такими же, как на уровне пола 1-го этажа (п. 2.4.4):
нормативное усилие N k . n = 2826,3 кН ; расчётное усилие N k = 3164,2 кН .
Центрально нагруженные фундаменты обычно проектируют квадратными в плане.
4 Внецентренно нагруженные колонны и фундаменты проектируют прямоугольными, при этом широкая сторона располагается в плоскости действия изгибающего момента.
· Расчёт фундамента состоит из двух этапов. На первом из них проводится расчёт по несущей способности основания, в результате которого определяется площадь подошвы фундамента A f . На втором этапе выполняется расчёт по несущей способности самого фундамента, на основе которого определяются остальные размеры фундамента и площадь рабочей арматуры A s , f .
