ПОСОБИЕ
по проектированию бетонных
и железобетонных конструкций,
предназначенных для работы
в условиях воздействия повышенных
и высоких температур

(к СНиП 2.03.04-84)

Утверждено

приказом НИИЖБ Госстроя СССР

от 25 апреля 1985 г. № 25

Москва

Центральный институт
типового проектирования

1989

Рекомендовано к изданию решением секции теории железобетона и арматуры научно-технического совета НИИЖБ Госстроя СССР.

Содержит основные положения по расчету и проектированию бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для работы в условиях систематического воздействия повышенных (свыше 50 до 200 °С) и высоких (свыше 200 °С) технологических температур.

Приведены примеры расчета прочности, деформаций, образования и раскрытия трещин от воздействия температуры и нагрузки.

Для инженерно-технических работников проектных организаций, научных работников, преподавателей строительных вузов, аспирантов и студентов.

При пользовании нормативным документом следует учитывать утвержденные изменения строительных норм и правил и государственных стандартов, публикуемые в журнале «Бюллетень строительной техники», «Сборнике изменений к строительным нормам и правилам» Госстроя СССР и информационном указателе «Государственные стандарты СССР» Госстандарта.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Опыт проектирования, строительства и эксплуатации различных сооружений из обычного и жаростойкого железобетона подтверждает, что можно достигнуть длительного срока службы сооружения, если правильно будут учтены неблагоприятные влияния температуры.

Применение сборного жаростойкого бетона и железобетона в виде крупных блоков и панелей открывает широкие возможности индустриализации строительства, уменьшения трудозатрат. Кроме того, в ряде случаев значительно сокращаются сроки строительства.

В Пособии приведены требования СНиП 2.03.04-84 «Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур», а также СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции», необходимые для проектирования. В скобках даны номера пунктов СНиП 2.03.04-84.

При составлении Пособия использованы результаты отечественных и зарубежных работ по изучению механических и реологических свойств бетона и арматуры в условиях воздействия повышенных и высоких температур, а также исследования изгибаемых, сжатых и внецентренно растянутых элементов, круглых и прямоугольных плит, элементов труб, боровов, сводов, рам и куполов из жаростойкого бетона и железобетона при воздействии температур.

На основе этих исследований разработаны общие принципы конструирования бетонных и железобетонных конструкций, работающих в условиях воздействия повышенных и высоких температур.

В Пособии детализируются отдельные положения по расчету и проектированию бетонных и железобетонных конструкций с обычной и предварительно напряженной арматурой, даются практические методы расчета прочности (проверка прочности и подбор арматуры), деформаций, образования и раскрытия трещин в железобетонных элементах при систематическом воздействии повышенных и высоких технологических температур и нагрузок, приводятся рекомендации по расчету наиболее массовых конструкций печей (сводов, куполов, фундаментов и т.д.) и других тепловых агрегатов.

В Пособии даны примеры расчета, охватывающие типичные случаи, встречающиеся в практике проектирования.

Единицы физических величин, приведенные в Пособии, соответствуют «Перечню единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве».

В таблицах нормативные и расчетные сопротивления и модули упругости материалов приведены в МПа (кгс/см²).

В Пособии использованы буквенные обозначения и индексы к ним в соответствии с СТ СЭВ 1565-79. Основные буквенные обозначения применяемых величин приведены в приложении 6.

Разработано НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн. наук. проф. А. Ф. Милованов - руководитель темы; кандидаты техн. наук В. Н. Горячев, В. М. Милонов, В. Н. Самойленко; Т. Н. Малкина) с участием ВНИПИ Теплопроект Минмонтажспецстроя СССР (канд. техн. наук В. Г. Петров-Денисов; В. А. Тарасова, Е. Н. Бальных), Макеевского ИСИ Минвуза УССР (канд. техн. наук А. П. Кричевский); Харьковского Промстройниипроекта Госстроя СССР (кандидаты техн. наук И. Н. Заславский, С. Л. Фомин).

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

1.1. Настоящее Пособие распространяется на проектирование бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для работы в условиях систематического воздействия повышенных (свыше 50 до 200 °С) и высоких (свыше 200 °С) технологических температур (далее - воздействие температур).

Проектирование железобетонных дымовых труб, резервуаров и фундаментов доменных печей, работающих при воздействии температуры свыше 50 °С, должно производиться с учетом дополнительных требований, предъявляемых к этим сооружениям соответствующими нормативными документами.

1.2. Выбор конструктивных решений должен производиться исходя из технико-экономической целесообразности их применения в конкретных условиях строительства с учетом максимального снижения материалоемкости, трудоемкости и стоимости строительства, достигаемого путем:

применения эффективных строительных материалов и конструкций;

снижения веса конструкций;

наиболее полного использования физико-механических свойств материалов;

использования местных строительных материалов;

соблюдения требований по экономному расходованию основных строительных материалов.

1.3. При проектировании зданий, сооружений и тепловых агрегатов должны приниматься четкие конструктивные схемы, обеспечивающие необходимую прочность, устойчивость и пространственную неизменяемость конструкции на всех стадиях возведения и при эксплуатации.

1.4. Элементы сборных конструкций должны отвечать условиям механизированного изготовления на специализированных предприятиях.

При выборе элементов сборных конструкций должны предусматриваться преимущественно предварительно напряженные конструкции из высокопрочных бетонов и арматуры, а также конструкции из легких бетонов, где их применение не ограничивается требованиями других нормативных документов.

Целесообразно укрупнять элементы сборных конструкций, насколько это позволяют грузоподъемность монтажных механизмов, условия изготовления и транспортирования.

1.5. Для монолитных конструкций следует предусматривать унифицированные размеры, позволяющие применять инвентарную опалубку, а также укрупненные унифицированные пространственные арматурные каркасы.

1.6. В сборных конструкциях особое внимание должно быть обращено на прочность и долговечность соединений.

Конструкции узлов и соединений элементов должны обеспечивать надежную передачу усилий, прочность самих элементов в зоне стыка, а также связь дополнительно уложенного бетона в стыке с бетоном конструкции.

1.7. Конструкции рассматриваются как бетонные, если их прочность в стадии эксплуатации обеспечивается одним бетоном.

1.8. Численные значения расчетных характеристик бетона и арматуры, предельных величин ширины раскрытия трещин и прогибов применяются только при проектировании; для оценки качества конструкции следует руководствоваться требованиями соответствующих стандартов и нормативных документов.

1.9 (1.1). Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных температур, следует предусматривать, как правило, из обычного бетона.

Фундаменты, которые при эксплуатации постоянно подвергаются воздействию температуры до 250 °С включ., допускается предусматривать из обычного бетона.

Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия высоких температур, следует предусматривать из жаростойкого бетона.

Несущие элементы конструкций тепловых агрегатов, выполняемые из жаростойкого бетона, сечение которых может нагреваться до температуры свыше 1000 °С, допускается принимать только после их опытной проверки.

Жаростойкие бетоны в элементах конструкций тепловых агрегатов следует применять согласно указаниям прил. 1.

В настоящем Пособии приняты следующие наименования бетонов: обычный (ГОСТ 25192-82); жаростойкий (ГОСТ 20910-82).

Классы по предельно допустимой температуре применения жаростойкого бетона приведены в зависимости от вида вяжущего, заполнителей, тонкомолотых добавок и отвердителя.

1.10 (1.2). Для конструкций, работающих под воздействием температуры свыше 50 °С в условиях периодического увлажнения паром, технической водой и конденсатом, необходимо соблюдать требования пп. 1.19; 2.5; 2.10; 2.11; 2.13 и 5.14.

При невозможности обеспечения указанных требований расчет таких конструкций допускается производить только на воздействие температуры и нагрузки без учета периодического увлажнения. При этом в расчете сечения не должны учитываться крайние слои бетона толщиной 20 мм с каждой стороны, подвергающиеся замачиванию в течение 7 ч, и толщиной 50 мм при длительности замачивания бетона более 7 ч или должна предусматриваться защита поверхности бетона от периодического замачивания.

Окрашенная поверхность бетона или гидроизоляционные покрытия этих конструкций должны быть светлых тонов.

1.11 (1.3). Циклический нагрев - длительный температурный режим, при котором в процессе эксплуатации конструкция периодически подвергается повторяющемуся нагреву с колебаниями температуры более 30 % расчетной величины при длительности циклов от 3 ч до 30 дней.

Постоянный нагрев - длительный температурный режим, при котором в процессе эксплуатации конструкция подвергается нагреву с колебаниями температуры до 30 % расчетной величины.

1.12 (1.4). При проектировании конструкций из жаростойких бетонов по ГОСТ 20910-82 необходимо учитывать дополнительные требования «Руководства по возведению тепловых агрегатов из жаростойкого бетона» (М.: Стройиздат, 1983) к исходным материалам для жаростойких бетонов, подбору их состава и технологии приготовления, а также особенности производства работ.

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.13. Бетонные и железобетонные конструкции, работающие в условиях воздействия повышенных и высоких температур, должны удовлетворять требованиям расчета по несущей способности (предельным состояниям первой группы) и по пригодности к нормальной эксплуатации (предельным состояниям второй группы).

Расчет по предельным состояниям первой группы должен обеспечивать конструкции от:

хрупкого, вязкого или иного характера разрушения (расчет по прочности с учетом, в необходимых случаях, прогиба конструкции перед разрушением);

потери 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 всплывание заглубленных или подземных резервуаров, насосных станций и т.п.);

усталостного разрушения (расчет на выносливость конструкций, находящихся под воздействием многократно повторяющейся нагрузки подвижной или пульсирующей; подкрановых балок, рамных фундаментов и перекрытия под некоторые неуравновешенные машины и т.п.);

разрушения под совместным воздействием 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 должен обеспечивать конструкции от:

образования трещин, а также чрезмерного или длительного раскрытия (если по условиям эксплуатации образование или длительное раскрытие трещин недопустимо);

чрезмерных перемещений (прогибов, углов поворота, углов перекоса и колебаний).

1.14. Расчет по предельным состояниям конструкции в целом, а также отдельных ее элементов, как правило, производится для всех стадий: изготовления, транспортирования, возведения и эксплуатации, при этом расчетные схемы должны отвечать принятым конструктивным решениям.

1.15 (1.5). При расчете бетонных и железобетонных конструкций необходимо учитывать изменения механических и упругопластических свойств бетона и арматуры в зависимости от температуры воздействия. При этом усилия, деформации, образование, раскрытие и закрытие трещин определяют с учетом воздействия нагрузки (включая собственный вес) и температуры.

Расчетные схемы и основные предпосылки для расчета бетонных и железобетонных конструкций должны устанавливаться в соответствии с условиями их действительной работы в предельном состоянии с учетом в необходимых случаях пластических свойств бетона и арматуры, наличия трещин в растянутом бетоне, а также влияния усадки и ползучести бетона как при нормальной температуре, так и при воздействии повышенных и высоких температур.

1.16 (1.6). Расчет конструкций, работающих в условиях воздействия повышенных и высоких температур, должен производиться на все возможные неблагоприятные сочетания нагрузок от собственного веса, внешней нагрузки и температуры с учетом длительности их действия и в случае необходимости - остывания.

Расчет конструкций с учетом воздействия повышенных и высоких температур необходимо производить для следующих основных расчетных стадий работы:

кратковременный нагрев - первый разогрев конструкции до расчетной температуры;

длительный нагрев - воздействие расчетной температуры в период эксплуатации.

Расчет статически определимых конструкций по предельным состояниям первой и второй групп (за исключением расчета по образованию трещин) следует вести только для стадии длительного нагрева. Расчет по образованию трещин необходимо производить для стадий кратковременного и длительного нагрева с учетом усилий, возникающих от нелинейного распределения температуры бетона по высоте сечения элемента.

Расчет статически неопределимых конструкций и их элементов по предельным состояниям первой и второй групп должен производиться:

а) на кратковременный нагрев конструкции по режиму согласно СНиП III-15-76, когда возникают наибольшие усилия от воздействия температуры (см. п. 1.23). При этом жесткость элемента в конструкции определяется согласно указаниям пп. 4.28 - 4.30 как от кратковременного действия всех нагрузок, так и в зависимости от скорости нагрева;

б) на длительный нагрев - воздействие на конструкцию расчетной температуры в период эксплуатации, когда происходит снижение прочности и жесткости элементов в результате воздействия длительного нагрева и нагрузки.

При этом жесткость элементов определяется по указаниям пп. 4.28 - 4.30 как для длительного действия всех нагрузок.

Расчетная технологическая температура принимается равной температуре среды цеха или рабочего пространства теплового агрегата, указанной в задании на проектирование.

Расчетные усилия и деформации от кратковременного и длительного нагрева определяются по указаниям п. 1.40 с учетом коэффициента надежности по температуре.

1.17 (1.7). Величины нагрузок и воздействий, значения коэффициентов надежности, коэффициентов сочетаний, а также подразделение нагрузок на постоянные и временные длительные, кратковременные, особые следует принимать в соответствии с требованиями СНиП II-6-74 с учетом дополнительных указаний: нагрузки, учитываемые при расчете по предельным состояниям второй группы, должны приниматься согласно указаниям пп. 1.19 и 1.29. При этом к длительным нагрузкам следует относить часть полной величины кратковременных нагрузок, оговоренных в главе СНиП II-6-74, а вводимая в расчет кратковременная нагрузка принимается уменьшенной на величину, учтенную в длительной нагрузке. Коэффициенты сочетаний и другие коэффициенты снижения нагрузок относятся к полной величине кратковременных нагрузок.

Нагрузки и воздействия температуры, учитываемые при расчете конструкции по предельным состояниям первой и второй групп, следует принимать по табл. 1 и 2.

Таблица 1

Примечания: 1. Бетонные конструкции рассчитываются только по прочности.

2. При расчете статически неопределимых конструкций кроме сочетаний воздействий температуры и нагрузок, указанных в настоящей таблице, в необходимых случаях следует проверить другие возможные неблагоприятные сочетания воздействий, в том числе и при остывании.

3. В статически неопределимых конструкциях допускается производить расчет:

а) при кратковременном нагреве только на наибольшие усилия от воздействия температуры, если усилия от постоянных, длительных и кратковременных нагрузок вызывают напряжения сжатия в бетоне σ_b ≤ 0,1 МПа;

б) при длительном нагреве свыше 700 °С - на совместное воздействие постоянных, длительных и кратковременных нагрузок без учета усилий от длительного нагрева.

4. При расчете на кратковременный нагрев длительная нагрузка учитывается как кратковременная.

5. Коэффициент надежности по температуре γ_t должен приниматься по указаниям п. 1.40.

6. При расчете прогибов следует учитывать указания п. 1.29.

Таблица 2

* Коэффициент надежности по нагрузке γ_f и коэффициент надежности по температуре γ_t принимаются такими же, как при расчете по прочности.

Примечания: 1. Длительные и кратковременные нагрузки принимаются с учетом требований СНиП 2.03.01-84.

2. При расчете по образованию трещин от температурных воздействий необходимо учитывать требования п. 4.3.

3. При расчете по раскрытию трещин от температурных воздействий необходимо учитывать различие температурных деформаций бетона и арматуры по указаниям п. 4.10.

4. Коэффициент надежности по температуре γ_t должен приниматься по указаниям п. 1.40.

5. Особые нагрузки учитываются в расчете по образованию трещин в тех случаях, когда наличие трещин приводит к катастрофе (взрыв, пожар и т.д.).

При расчете по прочности в необходимых случаях должны учитываться особые нагрузки с коэффициентами надежности по нагрузке γ_f, принимаемыми по соответствующим нормативным документам. При этом усилия, вызванные воздействием температуры, не учитываются.

1.18. При расчете элементов сборных конструкций на воздействие усилий, возникающих при их подъеме, транспортировании и монтаже, нагрузку от собственного веса элемента следует вводить в расчет с дополнительным коэффициентом динамичности, равным:

при транспортировании........................ 1,60

при подъеме и монтаже......................... 1,40

Для указанных выше коэффициентов динамичности допускается принимать более низкие значения, если это подтверждено опытом применения конструкций, но не ниже 1,25.

1.19. К трещиностойкости конструкций или их частей предъявляются требования соответствующих категорий в зависимости от условий, в которых работает конструкция, и от вида применяемой арматуры:

а) 1-я категория - не допускается образование трещин;

б) 2-я категория - допускается ограниченное по ширине непродолжительное a_crc1 раскрытие трещин при условии обеспечения их последующего надежного закрытия (зажатия);

в) 3-я категория - допускается ограниченное по ширине непродолжительное a_crc1 и продолжительное a_crc2 раскрытие трещин.

Категории требований к трещиностойкости железобетонных конструкций в зависимости от условий их работы, вида арматуры по предельно допустимой ширине раскрытия трещин для обеспечения сохранности арматуры в элементах, эксплуатируемых в условиях неагрессивной среды, приведены в табл. 3. Нагрузки, учитываемые при расчете железобетонных конструкций по образованию трещин, их раскрытию или закрытию, должны приниматься согласно табл. 2. Если в конструкциях или их частях, к трещиностойкости которых предъявляются требования 2- и 3-й категорий, трещины не образуются при соответствующих нагрузках и температурах, указанных в табл. 3, их расчет по непродолжительному раскрытию и по закрытию трещин (для 2-й категории) или по непродолжительному и продолжительному раскрытию трещин (для 3-й категории) не производится.

Под непродолжительным раскрытием трещин понимается их раскрытие при действии постоянных длительных и кратковременных нагрузок, кратковременного нагрева, а под длительным раскрытием - только при постоянных и длительных нагрузках и длительном нагреве.

Таблица 3

Примечание. В канатах подразумевается проволока наружного слоя.

Категории требований к трещиностойкости железобетонных конструкций, а также значения предельно допустимой ширины раскрытия трещин в условиях неагрессивной среды для ограничения проницаемости конструкций принимаются по СНиП 2.03.01-84.

1.20. Для железобетонных слабоармированных элементов, характеризуемых тем, что их несущая способность исчерпывается одновременно с образованием трещин в бетоне растянутой зоны (см. п. 4.4), площадь сечения продольной растянутой арматуры должна быть увеличена по сравнению с требуемой из расчета по прочности не менее чем на 15 %.

1.21. Усилия в статически неопределимых железобетонных конструкциях от нагрузок и вынужденных перемещений (вследствие изменения температуры, влажности бетона, смещения опор и т.п.), а также усилия в статически неопределимых конструкциях при расчете их по деформированной схеме следует, как правило, определять с учетом неупругих деформаций бетона и арматуры и наличия трещин.

1.22 (1.9). Определение усилий в статически неопределимых конструкциях от внешней нагрузки, собственного веса и воздействия повышенных и высоких температур производят по правилам строительной механики методом последовательных приближений. При этом жесткость элементов определяют с учетом неупругих деформаций и наличия трещин в бетоне от одновременного действия внешней нагрузки, собственного веса и температуры.

1.23 (1.10). При кратковременном нагреве усилия от воздействия температуры в элементах статически неопределимых конструкций должны определяться в зависимости от состава бетона (см. табл. 11) и температуры нагрева, вызывающей наибольшие усилия:

а) при нагреве бетона № 1 свыше 50 до 250 °С - по расчетной температуре;

б) при нагреве бетонов № 2 - 11, 23 и 24 свыше 200 до 500 °С - по расчетной температуре; при нагреве свыше 500 °С - при 500 °С;

в) при нагреве бетонов № 12 - 21, 29 и 30 свыше 200 до 400 °С - по расчетной температуре, при нагреве свыше 400 °С - при 400 °С.

Для конструкций, находящихся на наружном воздухе, расчет наибольших усилий от воздействия температур выполняют по расчетной температуре воздуха в соответствии с требованиями п. 1.53.

При длительном нагреве усилия от воздействия температуры следует определять в зависимости от расчетной температуры согласно указаниям п. 1.16.

1.24 (1.11). При расчете по прочности, деформациям, а также раскрытию и закрытию трещин распределение температуры в сечениях конструкций определяют теплотехническим расчетом для установившегося режима теплового потока. При расчете по образованию трещин распределение температур в сечениях конструкций, нагреваемых со скоростью более 10 °С/ч, определяют для неустановившегося теплового потока по требованиям пп. 1.47 - 1.53.

1.25 (1.12). При расчете усилий, вызванных воздействием температуры, в сборных элементах конструкций жесткость сечений следует уменьшить на 20 %, если прочность на сжатие раствора в стыке минимум на 10 МПа меньше прочности бетона сборного элемента.

1.26 (1.13). Расчет элементов бетонных и железобетонных конструкций по прочности, схемы предельных состояний которых при расчете на воздействие температуры еще не установлены или условия наступления предельного состояния пока не могут быть выражены через усилия, может производиться через напряжения с учетом наличия трещин и развития неупругих деформаций бетона. При этом напряжения в бетоне и арматуре не должны превышать соответствующих расчетных сопротивлений.

1.27 (1.14). При расчете несущих конструкций, бетон которых неравномерно нагрет по высоте сечения элемента, часть сечения, нагретую свыше 1000 °С, допускается не учитывать.

1.28 (1.15). При расчете элементов, подвергающихся нагреву, положение центра тяжести всего сечения бетона или его сжатой зоны, а также статический момент и момент инерции всего сечения следует определять, приводя все сечение к ненагретому, более прочному бетону. Для этой цели при расчете с использованием ЭВМ сечение по высоте разбивается не менее чем на четыре части.

При расчете по прочности, деформациям и раскрытию или закрытию трещин без использования ЭВМ при прямолинейном распределении температуры бетона по высоте сечения элемента допускается разбивать сечения согласно следующим указаниям:

для элемента, выполненного из одного вида бетона, если температура бетона наиболее нагретой грани не превышает 400 °С, сечение не разбивается на части и момент инерции приведенного сечения I_red относительно центра тяжести сечения принимается равным:

,                                                             (1)

где β_b -  коэффициент, принимаемый в зависимости от температуры бетона в центре тяжести сечения по табл. 16;

 -  коэффициент, принимаемый в зависимости от температуры бетона в центре тяжести сечения для кратковременного нагрева по табл. 18;

φ_b1 - коэффициент, учитывающий влияние кратковременной ползучести бетона и принимаемый для бетона составов (см. табл. 11):

№ 1 - 3, 6, 7, 10, 11, 19 - 21............... 0,85

№ 4, 5, 8, 9, 23, 24.............................. 0,80

№ 12 - 18, 29, 30................................ 0,70

для элемента, сечение которого по высоте состоит из двух видов бетона, а также прямоугольного и таврового сечений, выполненных из одного вида бетона, если температура бетона наиболее нагретой грани превышает 400 °С, сечение разбивается по высоте на две части (черт. 1, а);

для элемента, сечение которого по высоте состоит из трех видов бетона, или двутаврового сечения, выполненного из одного вида бетона, если температура бетона наиболее нагретой грани превышает 400 °С, сечение разбивается на три части (черт. 1, б).

При расчете по образованию трещин определение напряжений от воздействия температуры производится разбивкой сечения не менее чем на четыре части независимо от температуры бетона (черт. 1, в).

В прямоугольном сечении элемента, выполненного из одного вида бетона, когда сечение по высоте разбивается на две части, линия раздела должна проходить по бетону, имеющему температуру, равную 400 °С.

В двутавровых и тавровых сечениях элементов, выполненных из одного вида бетона, линия раздела должна проходить по границе между ребром и полкой. В элементе, сечение которого по высоте состоит из различных видов бетонов, линия раздела должна проходить по границе бетонов.

Во всех случаях расчета арматура рассматривается как самостоятельная часть сечения.

Для элементов, состоящих по высоте из двух и более видов бетона, приведенная площадь A_red,i i-той части сечения, на которые разбивается все сечение элемента, определяется по формуле

,                                                        (2)

где A_i -                  площадь i-той части сечения;

φ_b1, β_bi и  -  коэффициенты, принимаемые в зависимости от состава и температуры бетона в центре тяжести площади i-той части сечения, как в формуле (1).

Если сечение элемента состоит из разных видов бетона, то в этой формуле правая часть умножается на отношение модуля упругости каждого вида бетона в нагретом состоянии к модулю упругости бетона, к которому приводится все сечение Е_b.

При расчете без использования ЭВМ коэффициенты β_bi и  допускается определять в зависимости от средней температуры бетона i-той части сечения.

Площадь ненапрягаемой нагретой растянутой A_s и сжатой A′_s арматуры приводится к ненагретому, более прочному бетону:

;                                                       (3)

,                                                      (4)

где A_s,red, A′_s,red -  соответственно приведенная площадь растянутой и сжатой арматуры;

E_s -       модуль упругости арматуры, принимаемый по табл. 37;

β_s -        коэффициент, принимаемый в зависимости от температуры арматуры по табл. 35.

Черт. 1. Схемы разбивки на части по высоте прямоугольного, таврового и двутаврового сечения элементов

а - на 2 части; б - на 3 части; в - на 4 части; Ц. Т. - центр тяжести приведенного сечения; t_b1, t_b2, ..., t_bi - наибольшая температура бетона 1-, 2-, ..., i-той части сечения

Расстояние от центра тяжести приведенного сечения y до наименее нагретой грани определяют по формуле

.                                                                 (5)

Площадь приведенного сечения элемента A_red находят по формуле

A_red = ΣA_red,i + A_s,red + A′_s,red.                                                 (6)

Статический момент площадей приведенного сечения элемента S_red относительно грани, растянутой внешней нагрузкой и воздействием температуры, определяют по формуле

S_red = ΣA_red,iy_i + A_s,reda + A′_s,red (h - a′),                                      (7)

где y_i -    расстояние от центра тяжести i-той части сечения бетона до наименее нагретой грани элемента, принимаемое равным

y_i = h - Σh_i + y_yi,                                                         (8)

здесь h_i - высота i-той части сечения:

.                                                      (9)

При расчете без использования ЭВМ допускается принимать

y_yi = 0,5h_i.                                                               (10)

Момент инерции приведенного сечения элемента I_red относительно его центра тяжести определяют по формуле

I_red = ΣI_red,i + ΣA_red,iy²_bi + A_s,redy²_s + A′_s,red(y′_s)²,                            (11)

где I_red,i - момент инерции i-той части сечения бетона, определяемый по формуле

;                                                       (12)

y_bi -   расстояние от центра тяжести i-той части сечения бетона до центра тяжести всего приведенного сечения, определяемое по формулам:

y_bi = y_i - y;                                                             (13)

y_s = - (y - a);                                                           (14)

y′_s = h - y - a′.                                                         (15)

1.29. Прогибы элементов железобетонных конструкций не должны превышать их предельно допустимых величин, устанавливаемых с учетом следующих требований:

технологических (условия нормальной работы кранов, технологических установок, машин и т.п.);

конструктивных (влияние соседних элементов, ограничивающих деформации; необходимость выдерживания заданных уклонов и т.п.);

эстетических.

Величины предельно допустимых прогибов приведены в табл. 4.

Расчет прогибов должен производиться:

при ограничении технологическими или конструктивными требованиями на действие постоянных, длительных и кратковременных нагрузок с учетом прогиба от кратковременного и длительного нагрева согласно указаниям пп. 4.23 - 4.27;

при ограничении эстетическими требованиями на действие постоянных и длительных нагрузок с учетом прогиба от длительного нагрева согласно указаниям пп. 4.23 - 4.27.

Таблица 4

Обозначения, принятые в таблице:

l - пролет балок или плит. Для консолей принимают l = 2l₁, где l₁ - вылет консоли.

Примечание. Предельно допустимые прогибы в поз. 1 и 4 обусловлены технологическими и конструктивными требованиями, в поз. 2 и 3 - эстетическими требованиями.

При этом коэффициент надежности по нагрузке γ_f и коэффициент надежности по температуре γ_t принимаются равными единице.

Для железобетонных элементов, выполненных со строительным подъемом, значения предельно допустимых прогибов могут быть увеличены на высоту строительного подъема, если это не ограничивается технологическими или конструктивными требованиями. Для других конструкций, не предусмотренных табл. 4, величины предельно допустимых прогибов устанавливаются по специальным требованиям, но при этом они не должны превышать 1/150 пролета и 1/75 вылета консоли.

Предельно допустимые деформации от воздействия температуры, в элементах конструкции которых требуется их ограничение при нагревании и охлаждении, должны устанавливаться нормативными документами по проектированию соответствующих конструкций, а при их отсутствии должны указываться в задании на проектирование.

Для несвязанных с соседними элементами железобетонных плит перекрытия, площадок и т.п. должна производиться дополнительная проверка по зыбкости: добавочный прогиб от кратковременно действующей сосредоточенной нагрузки 1000 Н при наиболее невыгодной схеме ее приложения должен быть не более 0,7 мм.

1.30. При расчете по прочности бетонных и железобетонных элементов на воздействие сжимающей продольной силы должен приниматься во внимание случайный эксцентриситет e_a, обусловленный неучтенными в расчете факторами. Эксцентриситет e_a в любом случае принимается не менее 1/600 длины элемента или расстояния между его сечениями, закрепленными от смещения, и 1/30 высоты сечения элемента.

Кроме того, для конструкций, образуемых из сборных элементов, следует учитывать возможное взаимное смещение элементов, зависящее от вида конструкций, способа монтажа и т.п.; при отсутствии для таких конструкций экспериментально обоснованных значений случайного эксцентриситета его следует принимать не менее 1 см.

Для элементов статически неопределимых конструкций величина эксцентриситета продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения e_o принимается равной эксцентриситету, полученному из статического расчета конструкций, но не менее e_a. В элементах статически определимых конструкций эксцентриситет е_o находится как сумма эксцентриситетов - определяемого из статического расчета конструкции и случайного.

При расчете по трещиностойкости и по деформациям эксцентриситет не учитывается.

В случае, если величина эксцентриситета e_o, определенная в соответствии с указаниями настоящего пункта, не превышает e_a = h / 30, а расчетная длина элемента прямоугольного сечения l_o ≤ 20h, допускается производить его расчет согласно п. 3.37.

1.31. Расстояния между температурно-усадочными швами в бетонных и железобетонных конструкциях должны определяться расчетом.

Допускается указанный расчет не производить для конструкций из обычного и жаростойкого бетона, если принятое расстояние между температурно-усадочными швами не превышает величин, указанных в табл. 5, умноженных на коэффициенты δ_t, δ_e, δ_w и δ_v, принимаемые по табл. 6.

Расстояние между температурными швами в фундаментах принимается в соответствии с расположением швов в вышележащих конструкциях.

Таблица 5

Примечание. Для железобетонных каркасных зданий (поз. 2а, б, г) расстояния между температурно-усадочными швами определены при отсутствии связей либо при расположении связей в середине температурного блока.

Таблица 6

Примечания: 1. При расчетной температуре внутри сооружения и тепловых агрегатов свыше 50 °С значения коэффициентов δ_e и δ_w принимаются равными единице.

2. Значения коэффициентов δ_t, δ_e, δ_w и δ_v для промежуточных значений соответственно температур и высот определяются интерполяцией.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.32. Расчет предварительно напряженных конструкций, работающих в условиях воздействия повышенных и высоких температур, должен производиться в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01-84, Пособия по проектированию предварительно напряженных железобетонных конструкций тяжелого бетона (к СНиП 2.03.01-84) и с учетом указаний пп. 1.33 - 1.38.

1.33 (1.19). Температура нагрева предварительно напряженной арматуры не должна превышать предельно допустимой температуры ее применения, указанной в табл. 24.

1.34 (1.20). Сжимающие напряжения в бетоне σ_bp в стадии предварительного обжатия не должны превышать (в долях от передаточной прочности бетона R_bp):

0,70 R_bp................... при   50 °С нагрева

0,60............................ »  100   »      »

0,50............................ »  150   »      »

0,40............................ »  250   »      »

В случае необходимости величина сжимающих напряжений в бетоне может быть повышена при обеспечении надежной работы конструкции от воздействия предварительного напряжения, нагрузки и температурных усилий.

1.35 (1.21). Полная величина потерь предварительного напряжения арматуры, учитываемая при расчете конструкций, работающих в условиях воздействия температуры выше 50 °С, определяется как сумма потерь:

основных - при нормальной температуре;

дополнительных - от воздействия температуры выше 50 °С.

Основные потери предварительного напряжения арматуры для конструкций из обычного бетона состава № 1 и жаростойкого бетона составов № 2, 3, 6, 7, 10 и 11 по табл. 11 следует определять как для тяжелого бетона по табл. 5 СНиП 2.03.01-84. Величину потерь от усадки жаростойкого бетона следует принимать на 10 МПа больше указанных в табл. 5 (поз. 8а, б, в) СНиП 2.03.01-84.

Таблица 7

Обозначения, принятые в таблице:

Δt_s -         разность между температурой арматуры при эксплуатации, определяемой теплотехническим расчетом по указаниям пп. 1.47 - 1.53 и температурой арматуры при натяжении, которую допускается принимать равной 20 °С;

α_bt -          коэффициент, принимаемый по табл. 20 в зависимости от температуры бетона на уровне напрягаемой арматуры и длительности нагрева;

E_s -           модуль упругости арматуры, принимаемый по табл. 37;

α_st и β_s -   коэффициенты, принимаемые по табл. 35 в зависимости от температуры арматуры.

Примечания: 1. Потери предварительного напряжения от релаксации напряжений арматуры принимаются для кратковременного и длительного нагрева одинаковыми и учитываются при температуре арматуры свыше 40 °С.

2. Потери предварительного напряжения арматуры от разности деформаций бетона и арматуры учитываются в элементах, выполненных из обычного бетона при нагреве арматуры свыше 100 °С и в элементах из жаростойкого бетона при нагреве арматуры свыше 70 °С.

3. Если от усилий, вызванных совместным действием нагрузки, температуры и предварительного обжатия, в бетоне на уровне арматуры в стадии эксплуатации возникают растягивающие напряжения, то дополнительные потери от ползучести бетона не учитываются.

4. Потери от ползучести бетона при натяжении в двухосном направлении следует уменьшить на 15 %.

При вычислении коэффициента φ_l по формуле (5) СНиП 2.03.01-84 время в сутках следует принимать: при определении потерь от ползучести - со дня обжатия бетона и от усадки - со дня окончания бетонирования до нагрева конструкции.

Дополнительные потери предварительного напряжения арматуры должны приниматься по табл. 7.

1.36 (1.22-1.23). Величины установившихся напряжений в бетоне σ_bp на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры наиболее обжимаемой зоны после проявлений всех основных потерь определяются по формуле

,                                         (16)

где M -  момент от собственного веса элемента;

P -   усилие предварительного обжатия;

e_op -  эксцентриситет усилия P относительно центра тяжести приведенного сечения;

y_sp -   расстояние от усилия P до центра тяжести сечения.

Геометрические характеристики приведенного сечения предварительно напряженного железобетонного элемента (A_red, S_red, I_red) определяются по требованиям п. 1.28 с учетом продольной предварительно напряженной арматуры S и S′ и влияния температуры на снижение модулей упругости арматуры и бетона.

1.37 (1.24). Усилия от воздействия температуры в статически неопределимых предварительно напряженных конструкциях находят по указаниям пп. 1.45 и 1.46.

При определении усилий от воздействия температуры жесткость элемента вычисляют по указаниям пп. 4.28 и 4.29.

1.38 (1.25). При определении общего прогиба предварительно напряженного железобетонного элемента необходимо учитывать прогиб, вызванный неравномерным нагревом бетона по высоте сечения элемента, по указаниям п. 4.26.

ДЕФОРМАЦИИ И УСИЛИЯ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.39 (1.26). Расчет деформаций, вызванных нагреванием и охлаждением бетонных и железобетонных элементов, должен производиться в зависимости от наличия трещин в растянутой зоне бетона и распределения температуры бетона по высоте сечения элемента.

1.40 (1.27). Для участков бетонного и железобетонного элемента, где в растянутой зоне не образуются трещины, нормальные к продольной оси элемента, деформации от нагрева следует рассчитывать согласно следующим указаниям:

а) сечение элемента приводится к более прочному бетону по указаниям п. 1.28, удлинение ε_t оси элемента и ее кривизну  определяют по формулам:

;                                          (17)

.                 (18)

Удлинение ε_ti оси i-той части бетонного сечения и ее кривизну  (черт. 2) определяют по формулам:

;                                         (19)

.                                                 (20)

Удлинение ε_s и ε′_s соответственно арматуры S и S′ находят по формулам:

ε_s = α_stt_s;                                                            (21)

ε′_s = α_stt′_s.                                                           (22)

В формулах (17) - (22): A_red, A_red,i, A_s,red, A¢_s,red, y_bi, y_s, y′_s, I_red, I_red,i, y_yi принимают по указаниям п. 1.28;

α_bti и α_bti+1 -  коэффициенты, принимаемые по табл. 20 в зависимости от температуры бетона более и менее нагретой грани i-той части сечения;

α_st -     коэффициент, принимаемый по табл. 35 в зависимости от температуры арматуры S и S′;

γ_t -       коэффициент надежности по температуре, принимаемый при расчете по предельным состояниям: первой группы - 1,1; второй группы - 1,0.

Черт. 2. Схемы распределения

а - температуры бетона; б - деформации удлинения от нагрева; в - напряжения в бетоне от нагрева; г - деформации укорочения от остывания; д - напряжения в бетоне от остывания при нелинейном изменении температур по высоте бетонного сечения элементов; Ц. Т. - центр тяжести приведенного сечения

При расчете бетонного сечения в формулах (17) и (18) удлинение арматуры ε_s и ε′_s не учитывается;

б) при неравномерном нагреве бетона с прямолинейным распределением температуры по высоте сечения элемента (черт. 3, а) удлинение оси элемента ε_t и ее кривизну  допускается определять по формулам:

;                                               (23)

,                                                    (24)

где t_b и t_b1 - температура бетона менее и более нагретой грани сечения, определяемая теплотехническим расчетом согласно указаниям пп. 1.47 - 1.53;

α_bt и α_bt1 -   коэффициенты, принимаемые в зависимости от температуры бетона менее и более нагретой грани сечения по табл. 20.

1.41 (1.28). Для участков бетонного или железобетонного элемента, где в растянутой зоне бетона не образуются трещины, нормальные к продольной оси элемента, деформации от остывания следует рассчитывать согласно следующим указаниям:

а) сечение элемента приводится к более прочному бетону согласно указаниям п. 1.28; от усадки и ползучести бетона укорочение ε_csc оси элемента и ее кривизну  определяют по формулам:

;                                                        (25)

.                                  (26)

Укорочение ε_csc,i оси i-той части бетонного сечения и ее кривизну  определяют по формулам:

;                            (27)

.                                   (28)

В формулах (25) - (28): A_red,i, A_red, y_bi, I_red,i, I_red, h_i, y_yi принимают по указаниям п. 1.28.

γ_t -              по указаниям п. 1.40;

t_bi и t_bi+1 -   см. черт. 2;

α_cs,i и α_cs,i+1 - коэффициенты, принимаемые по табл. 21 в зависимости от температуры более и менее нагретой грани i-той части сечения;

ε_ci -             деформации ползучести бетона в i-той части сечения определяют по формуле (29) со знаком «минус»:

,                                               (29)

σ_b,tem,i и σ_bi - напряжения сжатия в бетоне i-той части сечения от усилий, вызванных температурой и нагрузкой при нагреве, определяемые по формулам (32) и (33), в которых коэффициент  принимается по табл. 18 для кратковременного нагрева с подъемом температуры на 10 °С/ч;

β_bi -             коэффициент, принимаемый по табл. 16 в зависимости от температуры i-той части сечения;

 -             коэффициент, принимаемый по табл. 18 в зависимости от температуры i-той части сечения для длительного нагрева;

б) при остывании неравномерно нагретого бетона с прямолинейным распределением температуры по высоте сечения элемента от усадки бетона укорочение ε_cs оси элемента и ее кривизну  допускается определять по формулам:

;                                              (30)

,                                                  (31)

где α_cs и α_cs1 -  коэффициенты, принимаемые по табл. 21 в зависимости от температуры бетона менее и более нагретой грани сечения;

γ_t, t_b, t_b1 -   принимают по указаниям п. 1.40.

1.42 (1.29). Для участков бетонного и железобетонного элемента, где в растянутой зоне бетона не образуются трещины, нормальные к продольной оси элемента, напряжения в бетоне грани i-той части сечения следует определять:

растяжения при нагревании от нелинейного распределения температуры по формуле

;                                          (32)

сжатия при нагревании от кратковременных усилий по формуле

;                                                   (33)

растяжения при остывании от усадки и ползучести бетона по формуле

;                                           (34)

где y_bi, ε_t,  -  определяются соответственно по формулам (13), (17) и (18);

α_bti, t_bi -           принимаются по указаниям пп. 1.40 и 1.41;

E_b -                 принимается по табл. 17;

α_cs,i, β_bi и  - коэффициенты, принимаемые по табл. 21, 16 и 18 в зависимости от температуры бетона грани i-той части сечения;

M и N -           момент и продольная сила, приложенная к центру тяжести сечения от воздействия нагрузки и температуры;

A_red и B -         принимают соответственно по указаниям пп. 1.28 и 4.28;

ε_cs, ε_csc и  -    определяют соответственно по формулам (29), (25) и (26).

Если в формуле (32) напряжения имеют знак «минус», то в бетоне возникают напряжения сжатия и σ_btt,i заменяется σ_b,tem,i.

1.43 (1.30). Для участков железобетонного элемента, где в растянутой зоне образуются трещины, нормальные к продольной оси элемента, деформации от нагрева следует рассчитывать согласно следующим указаниям:

а) для железобетонного элемента с трещинами в растянутой зоне, расположенной у менее нагретой грани сечения (черт. 3, б), удлинение ε_t оси элемента и ее кривизну  определяют по формулам:

;                                            (35)

;                                                   (36)

б) для участков железобетонного элемента с трещинами в растянутой зоне бетона, расположенной у более нагретой грани сечения (черт. 3, в), удлинение ε_t оси элемента определяется по формуле (35) и ее кривизну  - по формуле

;                                                   (37)

в) для участков железобетонного элемента с трещинами по всей высоте сечения (черт. 3, г) удлинение ε_t оси элемента и ее кривизну  определяют по формулам:

;                                                     (38)

.                                                   (39)

В формулах (35) - (39):

t_s, t′_s -         температура арматуры S и S′;

t_b -             температура бетона сжатой грани сечения;

α_stm и α′_stm -  коэффициенты, определяемые по формуле (74) для арматуры S и S′;

α_bt -            коэффициент, принимаемый по табл. 20 в зависимости от температуры бетона более или менее нагретой грани сечения;

γ_t -             принимается по указаниям п. 1.40;

a′ -             толщина защитного слоя более нагретой грани сечения;

г) при равномерном нагреве железобетонного элемента кривизну  оси элемента допускается принимать равной нулю. В железобетонных элементах из обычного бетона при температуре арматуры до 100 °С и из жаростойкого бетона при температуре арматуры до 70 °С для участков с трещинами в растянутой зоне бетона допускается определять удлинение оси элемента ε_t и ее кривизну  по формулам (23) и (24) как для бетонных элементов без трещин.

Черт. 3. Схемы распределения температур (1), деформаций от неравномерного нагрева (2) и остывания (3) при прямолинейном изменении температур по высоте сечения элементов

а - бетонного и железобетонного без трещин; б - железобетонного с трещинами в растянутой зоне, расположенной у менее нагретой грани; в - то же, у более нагретой грани; г - железобетонного с трещинами по всей высоте сечения; Ц.Т. - центр тяжести приведенного сечения

1.44 (1.31). Для участков железобетонных элементов, где в растянутой зоне образуются трещины, нормальные к продольной оси элемента от усадки бетона, при остывании укорочение ε_cs оси элемента и ее кривизну  допускается находить по формулам (30) и (31).

1.45 (1.32). Определение усилий в статически неопределимых конструкциях от воздействия температуры должно производиться по формулам строительной механики с принятием действительной жесткости сечения.

Методика определения неизвестных, составление канонических уравнений перемещений, получение окончательных эпюр такие же, как и при расчете статически неопределимых конструкций на воздействие внешней нагрузки.

Если определение усилий от воздействия температуры в плоской статически неопределимой системе производится методом сил, то канонические уравнения имеют вид

                                     (40)

где X₁, X₂, ..., X_n -  соответственно лишние неизвестные усилия основной системы;

δ₁₁, δ₁₂, δ_1n -     перемещение в основной системе в направлении 1, вызываемое единичной силой, действующей в направлении 1, 2 и п;

δ_n1, δ_n2, δ_nn -    перемещения в основной системе в n-м направлении, вызываемые единичной силой, действующей в направлении 1, 2 и n;

Δ_1t и Δ_nt -         перемещение в основной системе в направлении 1 и п, вызываемое воздействием температуры.

Перемещение Δ_it в основной системе в i-том направлении, вызванное воздействием температуры, равно:

,                                      (41)

где ,  -     изгибающий момент и продольная сила в сечении х элемента основной системы от действия в i-том направлении соответствующей единичной силы;

, ε_tx -  кривизна и удлинение элемента в сечении x, вызванные воздействием температуры, определяемые согласно указаниям пп. 1.40 и 1.43.

Единичное перемещение δ_ik в направлении i, вызванное силой, равной единице, действующей в направлении k, определяется по формуле

,                                     (42)

где B_x, A_red,x -   жесткость и приведенная площадь элемента в сечении x, определяемые согласно указаниям пп. 1.28, 4.28 и 4.29.

При определении жесткости сечений элемента следует учитывать усилия от нагрузки и воздействия температуры согласно требованиям табл. 1 и 2.

Удлинение ε_t оси элемента и ее кривизну  от воздействия температуры следует вычислять согласно указаниям пп. 1.39 - 1.43.

При расчете железобетонных элементов, работающих на изгиб, а также на сжатие и растяжение, когда  ≥ 0,8h_o, с достаточной для расчета точностью, в формулах (41) и (42) второй интеграл можно принимать равным нулю. Для вычисления величин Δ_it и d_ik по формулам(41) и (42) рекомендуется следующая упрощенная методика. Элемент по длине разбивается на п участков и на каждом участке Δl определяются жесткость В_х и кривизна  в зависимости от наличия в сечении трещин и действующих усилий:

,                                                (43)

,                                              (44)

где В_x -     жесткость посередине длины каждого участка, определяемая с учетом наличия трещин и усилий от нагрузки и температуры согласно указаниям пп. 4.28 и 4.29;

M_i и M_k - изгибающие моменты посередине длины каждого участка от действия единичной силы;

 -     кривизна на каждом участке, определяемая согласно указаниям пп. 1.40 и 1.43.

Величины жесткости и кривизны зависят от усилий, вызванных температурой, поэтому расчет статически неопределимых железобетонных конструкций на воздействие температуры необходимо выполнять методом последовательных приближений до тех пор, пока величина усилия, полученная в последнем приближении, будет отличаться от усилий предыдущего приближения не более чем на 5 %.

Расчет усилий в статически неопределимых конструкциях, как правило, следует выполнять с применением ЭВМ. При использовании малых вычислительных машин и при ручном счете допускается принимать приведенные постоянными по длине элемента жесткость сечения B_red, удлинение оси ε_red,t и ее кривизну .

Приведенная жесткость сечения определяется по формуле

B_red = B + (B₁ - B) φ_m.                                                        (45)

Приведенное удлинение ε_red,t оси элемента и ее кривизну  от нагрева определяют по формулам:

ε_red,t = ε_t1 + (ε_t2 - ε_t1) φ_m;                                                     (46)

.                                       (47)

В формулах (45) - (47):

B -    жесткость сечения элемента с трещинами в растянутой зоне в месте действия наибольшего изгибающего момента M, определяемая по указаниям п. 4.29;

B₁ -   жесткость сечения элемента без трещин, определяемая по указаниям п. 4.28;

;                                                       (48)

при M ≥ 2,5M_crc φ_m = 0; B_red = B; ε_red,t = ε_t1 и ;

M и M_crc - наибольший изгибающий момент и момент, воспринимаемый сечением, нормальным к продольной оси элемента при образовании трещин, который определяется по указаниям п. 4.4;

e -              основание натуральных логарифмов;

e_t2,  - удлинение и кривизна оси элемента без трещин от воздействия температуры, определяемые по указаниям п. 1.40;

e_t1,  - удлинение и кривизна оси элемента с трещинами в растянутой зоне, определяемые по указаниям п. 1.43.

Расчет статически неопределимых железобетонных конструкций при температурном воздействии рекомендуется выполнять в следующем порядке:

а) составляется расчетная схема конструкции с указанием всех геометрических размеров элементов, действующих нагрузок и температур. Назначаются класс и вид бетона, класс арматуры;

б) задается минимальное армирование сечений элементов A_s,min конструкций по формуле

;                                                        (49)

в) вычисляются моменты, которые могут воспринять различные сечения элементов конструкции при заданных размерах сечений, проценте армирования, прочности бетона и температуре;

г) определяется удлинение ε_t оси, кривизна  элементов, вызванные воздействием температуры.

Если по условию эксплуатации допускается образование трещин в элементах, величины ε_t и  определяют как для сечений без трещин, так и для сечений с трещинами согласно указаниям пп. 1.40 и 1.43;

д) вычисляется жесткость сечений элементов, при эксплуатации которых образование трещин маловероятно, согласно указаниям п. 4.28;

е) для элементов, при эксплуатации которых возможно образование трещин, по формулам (299) или (300) вычисляется жесткость сечения с трещинами. При вычислении жесткости предполагается, что в сечении действует момент M;

ж) для элементов, работающих с трещинами, при ручном расчете вычисляются приведенные жесткость сечения, удлинение оси и кривизна элемента по формулам (45) - (47);

з) по формулам строительной механики вычисляют коэффициенты и составляют канонические уравнения;

и) решают уравнения и находят неизвестные;

к) при различном сочетании температуры и нагрузки определяют моменты, продольные и поперечные силы в сечениях элементов конструкции;

л) полученный момент в рассматриваемом сечении элемента от действия температуры и нагрузки должен равняться или быть несколько меньше момента, который может воспринять сечение. Если полученный момент будет больше, то необходимо увеличить армирование или размеры сечения и провести повторный расчет.

1.46 (1.33). Изгибающий момент от неравномерного нагрева бетона по высоте сечения при равномерном нагреве бетона по длине элемента, заделанного на опоре от поворота, а также в замкнутых рамах кольцевого, квадратного и прямоугольного очертания, имеющих одинаковые сечения, определяют по формуле

,                                                                          (50)

а изгибающий момент при остывании от усадки и ползучести бетона

,                                                                        (51)

где  -    температурная кривизна оси элемента от кратковременного или длительного нагрева, определяемая по указаниям пп. 1.40 и 1.43;

 - кривизна оси элемента при остывании от усадки и ползучести бетона, определяемая по формуле (26).

Допускается кривизну  определять по формуле

,                                                  (52)

где  -  кривизна оси элемента при остывании от усадки бетона, определяемая по формуле (31);

 -   кривизна оси элемента при остывании от ползучести бетона, определяется по формуле (53) со знаком «минус»:

.                                                (53)

M_t и M′_t -  температурные моменты соответственно для кратковременного и длительного нагрева, определяются по формуле (50), принимая температурную кривизну для кратковременного нагрева при значении α_bt по табл. 20 для подъема температуры на 10 °С/ч и более независимо от длительности нагрева;

B -      жесткость сечения, определяемая по указаниям пп. 4.28 и 4.29; в формуле (50) вычисляется для кратковременного и длительного нагрева, а в формулах (51) и (53) - для кратковременного нагрева со скоростью 10 °С/ч и более независимо от длительности нагрева.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР В СЕЧЕНИЯХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

1.47 (1.34). Расчет распределения температур в бетонных и железобетонных конструкциях для установившегося теплового потока следует производить, пользуясь методами расчета температур ограждающих конструкций согласно СНиП II-3-79^**.

Расчет распределения температур в ограждающих конструкциях сложной конфигурации сечений элементов, в массивных конструкциях, в конструкциях, находящихся ниже уровня земли, а также при неустановившемся тепловом потоке с учетом переменной влажности бетона по сечению должен производиться методами расчета температурных полей или теории теплопроводности либо по соответствующим нормативным документам.

Расчет распределения температур в стенках боровов и каналов, расположенных под землей, допускается производить:

для кратковременного нагрева, принимая сечение по высоте стен неравномерно нагретым с прямолинейным распределением температур бетона и величину коэффициента теплоотдачи наружной поверхности стенки α_e - по табл. 8;

для длительного нагрева, принимая сечение по высоте стен равномерно нагретым.

Температуру арматуры в сечениях железобетонных элементов допускается принимать равной температуре бетона в месте ее расположения.

1.48 (1.35). Для конструкций, находящихся на наружном воздухе, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности α_e, Вт/(м² · °С), в зависимости от скорости ветра следует определять по формуле

,                                                        (54)

где v - скорость ветра, м/с.

При расчете наибольших усилий в конструкциях от воздействия температуры принимают максимальную из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16 % и более, а при определении максимальной температуры нагрева бетона и арматуры принимают минимальную из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которых составляет 16 % и более согласно СНиП 2.01.01-82, но не менее 1 м/с.

Для конструкций, находящихся в помещении или на наружном воздухе, но защищенных от воздействия ветра, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности α_e принимают по табл. 8.

Таблица 8

Примечание. Коэффициенты α_e и α_i для промежуточных значений температур определяют интерполяцией.

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности конструкции α_i следует определять, как правило, методом расчета теплопередачи как для случая сложного теплообмена. При определении распределения температуры бетона по сечению элемента допускается коэффициент α_i принимать по табл. 8 в зависимости от температуры воздуха производственного помещения или рабочего пространства теплового агрегата.

1.49 (1.36). Коэффициент теплопроводности λ бетона в сухом состоянии должен приниматься по табл. 9 в зависимости от средней температуры бетона в сечении элемента. Коэффициент теплопроводности λ огнеупорных и теплоизоляционных материалов должен приниматься по табл. 10.

Термическое сопротивление невентилируемой воздушной прослойки в зависимости от температуры воздуха и независимо от ее толщины и направления следует принимать равным, м² · °С/Вт:

0,140................................. при        50 °С

0,095.................................... »        100      »

0,035.................................... »        300      »

0,013.................................... »        500      »

Таблица 9

Примечания: 1. Коэффициенты теплопроводности бетонов составов № 23 и № 29 приведены: над чертой для бетонов со средней плотностью 1350, под чертой 1550; для бетонов составов № 24 и № 30 соответственно 950 и 1250 кг/м³. Если средняя плотность бетона отличается от указанных значений, то коэффициент теплопроводности определяют интерполяцией.

2. Коэффициент теплопроводности λ обычного и жаростойкого бетонов с естественной влажностью после нормального твердения или тепловой обработки при атмосферном давлении при средней температуре бетона в сечении элемента до 100 °С следует принимать по данным таблицы, увеличенным на 30 %.

3. Для промежуточных значений температур коэффициент теплопроводности λ определяют интерполяцией.

Таблица 10

Примечания: 1. Коэффициент теплопроводности λ огнеупорных (поз. 1 - 13) и теплоизоляционных (поз. 14 - 54) материалов с естественной влажностью при средней температуре нагрева материала в сечении элемента до 100 °С следует принимать по табличным данным, увеличенным соответственно на 20 и 10 %.

2. Коэффициент теплопроводности λ для промежуточных значений температур определяют интерполяцией.

Для промежуточных температур термическое сопротивление воздушной прослойки принимается по интерполяции.

При стационарном нагреве конструкции, состоящей из п слоев, и начале отсчета слоев со стороны более нагретой поверхности температуру материала t_n между слоями п - 1 и п определяют по формуле

.                                                  (55)

Температура материала более нагретой поверхности t_b вычисляется по формуле

,                                                           (56)

а температура материала менее нагретой поверхности t_es - по формуле

.                                                  (57)

В трехслойной конструкции определение температуры материала между первым и вторым слоями, считая слои от более нагретой поверхности, производится по формуле

.                                                     (58)

Температура материала между вторым и третьим слоями определяется по формуле

.                                                (59)

Температура менее нагретой поверхности третьего слоя равна

.                                            (60)

Тепловой поток Q, Вт/м², определяется по формуле

,                                                          (61)

где t_i -  температура воздуха производственного помещения или рабочего пространства теплового агрегата;

t_e -  температура наружного воздуха.

Сопротивление теплопередаче R₀, м² · °С/Вт, многослойной конструкции следует определять по формуле

,                                      (62)

где ; ; ...; ; ;

R₁, R₂, ..., R_n-1, R_n -  термические сопротивления материала в отдельных слоях конструкции, пронумерованные со стороны нагреваемой поверхности, м² · °С/Вт;

t₁, t₂, ..., t_n-1, t_n -       толщины отдельных слоев, м;

λ₁, λ₂, ..., λ_n-1, λ_n -    коэффициенты теплопроводности материалов в слоях конструкции при их средней температуре, Вт/(м · °С).

1.50 (1.37). При расчете распределения температуры по толщине конструкции необходимо учитывать различие площадей теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностей:

при круговом очертании, если толщина стенки более 0,1 наружного диаметра;

при квадратном или прямоугольном очертании, если толщина стенки более 0,1 длины большей стороны;

при произвольном очертании, если разница в площадях теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностей более 10 %.

Для трехслойной конструкции ограждения с учетом различия в площадях теплоотдающих внутренней A_is и наружной А_еs поверхностей:

температура материала более нагретой поверхности

;                                                           (63)

температура материала между первым и вторым слоями

;                                            (64)

температура материала между вторым и третьим слоями

;                                   (65)

.                         (66)

Определение сопротивления теплопередачи конструкции производится по формуле

,                        (67)

где A_is и A_es -   расчетные площади теплоотдающих внутренней и наружной поверхностей;

A₁ и A₂ -      расчетные площади конструкции на границе между первым и вторым слоями и между вторым и третьим слоями.

1.51 (1.38). В ребристых конструкциях, когда наружные поверхности бетонных ребер и тепловой изоляции совпадают, расчет температуры в бетоне должен производиться по сечению ребра. Если бетонные ребра выступают за наружную поверхность тепловой изоляции, расчет температуры в бетоне ребра должен выполняться по методам расчета температурных полей или по соответствующим нормативным документам.

При выступающей за тепловую изоляцию бетона части ребра h_w (черт. 4) допускается температуру бетона менее нагретой наружной поверхности ребра t_ew определять по формуле

,                                                (68)

где                                                              ;                                                                    (69)

;                                         (70)

λ -     коэффициент теплопроводности бетона при средней температуре выступающей части ребра.

Черт. 4. Схема элемента с выступающим ребром

1 - жаростойкий бетон; 2 - теплоизоляция; 3 - арматура

Величина гиперболического косинуса ch определяется по черт. 5 в зависимости от параметра mh_w. Коэффициент m вычисляется по формуле (69).

Черт. 5. Значения отношения  в зависимости от параметра mh_w

Температура бетона в ребре на уровне наружной поверхности тепловой изоляции определяется по формуле

.                                                      (71)

Температура бетона более нагретой поверхности t_b вычисляется по формуле (56) для сечения конструкции между ребрами.

Из совместного решения двух уравнений (68) и (71) находят температуру t_ew.

Температура арматуры, расположенной в ребре, определяется по формуле

.                                                    (72)

Расчет ребристой конструкции с выступающими за плоскость изоляции ребрами производится в следующей последовательности.

А. При неизвестной высоте ребра

1. Задаются высотой полки h′_f.

2. Теплотехническим расчетом определяют толщину эффективной теплоизоляции, укладываемой между ребрами, при заданной температуре наружной поверхности.

3. Определяют высоту ребра сечения при заданной температуре t_ew наружной поверхности:

а) задаются отношением h_w/h′ и при известных t_b и t_ew по формуле (71) находят температуру бетона в ребре t_b1;

б) значение коэффициента m вычисляют по формуле (69), в которой α_е определяют согласно указаниям п. 1.48 в зависимости от температуры наружной поверхности ограждения t_es; коэффициент теплопроводности бетона λ_b принимают по табл. 9 в зависимости от средней температуры бетона;

в) определяют значение отношения температур (t_b1 - t_e) / (t_ew - t_e);

г) по черт. 5 в зависимости от отношения (t_b1 - t_e) / (t_ew - t_e) находят произведение mh_w, из которого определяют высоту ребра h_w и отношение h_w/h′.

Если при определении температуры t_b1 заданное отношение h_w/h′ отличается от вычисленного, производят перерасчет. При этом отношение h′_f/h должно удовлетворять данным черт. 14.

Б. При заданных размерах высоты ребра и высоты полки

1. Теплотехническим расчетом определяют толщину эффективной теплоизоляции, укладываемой между ребрами, из условия получения на ее наружной поверхности заданной температуры.

2. Задаются температурой наружной поверхности ребра t_ew.

3. При известных температурах t_b и t_ew по формуле (71) находят температуру бетона в ребре t_b1.

4. Вычисляют коэффициент m по формуле (69), в которой принимают α_e согласно указаниям п. 1.48 в зависимости от температуры наружной поверхности ребра t_ew; коэффициент теплопроводности бетона λ принимают по табл. 9 в зависимости от средней температуры бетона.

5. Вычисляют величину произведения mh_w и по черт. 5 определяют гиперболический косинус chmh_w.

6. Из совместного решения уравнений (68) и (71) находят наружную температуру бетона ребра t_ew. В случае если вычисленная температура t_ew отличается от ранее принятой более чем на 10 %, необходимо сделать перерасчет. Теплотехническим расчетом должны быть также определены температура арматуры по формуле (72) и температура на границе полки и теплоизоляции.

1.52 (1.39). Температура бетона в сечениях конструкций от нагрева при эксплуатации должна определяться теплотехническим расчетом установившегося теплового потока при заданной по проекту расчетной температуре рабочего пространства или воздуха производственного помещения.

Для конструкций, находящихся на наружном воздухе, наибольшие температуры нагрева бетона и арматуры определяются по расчетной летней температуре наружного воздуха, принимаемой по средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца в районе строительства по СНиП 2.01.01-82. Вычисленные температуры не должны превышать предельно допустимые температуры применения бетона по ГОСТ 20910-82 и арматуры по табл. 24.

1.53 (1.40). При расчете статически неопределимых конструкций, работающих в условиях воздействия температур, теплотехнический расчет должен производиться на расчетную температуру рабочего пространства и на температуру, вызывающую наибольшие усилия, определяемые по указаниям п. 1.23.

При расчете наибольших усилий от воздействия температуры в конструкциях, находящихся на наружном воздухе, температуру бетона и арматуры вычисляют по расчетной зимней температуре наружного воздуха, принимаемой по температуре наружного воздуха наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 района строительства по СНиП 2.01.01-82.

1.54. Расчет температур в конструкциях с включениями из различных теплоизоляционных материалов, а также более точный расчет ребристых конструкций из жаростойкого бетона следует производить согласно «Указаниям по тепловому расчету конструкции тепловых агрегатов» .

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

БЕТОН

2.1 (2.1). Для бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур, следует предусматривать:

обычный бетон - конструкционный тяжелый бетон средней плотности 2200 до 2500 кг/м³ включ. по ГОСТ 25192-82;

жаростойкий бетон конструкционный и теплоизоляционный плотной структуры средней плотности 900 кг/м³ и более по ГОСТ 20910-82, составы которых приведены в табл. 11.

Жаростойкий бетон средней плотности до 1100 кг/м³ включ. следует предусматривать преимущественно для ненесущих ограждающих конструкций и в качестве теплоизоляционных материалов.

Жаростойкий бетон средней плотности более 1100 кг/м³ надлежит предусматривать для несущих конструкций.