background image

1

NAPRĘŻENIA NORMALNE  I ODKSZTAŁCENIA  -

LINIOWA TEORIA SPRĘŻYSTA.

Przedmiotem kilku wykładów była nośność graniczna przekrojów 
żelbetowych. Zakładało się, że naprężenia i odkształcenia osiągają  wartości 
graniczne, zależne od właściwości betonu i stali,  i na tej podstawie 
wyznaczało się graniczny, obliczeniowy moment zginający M

Rd

Teraz zajmiemy się obliczaniem naprężeń i odkształceń wywołanych przez 
mniejszy od granicznego obliczeniowy 

moment zginający M

Ed.

. Zakłada się, że 

wartość M

Ed.

<  M

Rd

jest dana jako wynik obliczeń statycznych. 

Jeżeli przyjmiemy, że beton i stal są materiałami sprężystymi, odpowiedź 
elementu na taki moment zginający może być aproksymowana przy założeniu, 
że: 

I.  przekrój 

nie 

jest zarysowany - stosuje się teorię fazy I 

(state I, for uncracked

condition)

II. przekrój jest zarysowany - stosuje się teorię fazy

(state II, for fully 

cracked condition)

background image

2

Zakładamy, ze prawdziwa jest hipoteza płaskich przekrojów i że beton i stal 
mogą być uważane za materiały liniowo sprężyste.

Tę część teorii żelbetu stosuje się do obliczania naprężeń, które są potrzebne do 
sprawdzania wymagań ze względu na SLS

N

M

lub

N

M

=

Oś środka 
ciężkości

e  - mimosród

Dla danych obliczamy naprężenia i odkształcenia 
betonu i zbrojenia w fazie I albo w fazie II.

background image

3

Elementy (odcinki), w których obciążenie wywołuje w betonie naprężenia nie 
przekraczające wytrzymałości na rozciąganie rozpatruje się jako nie zarysowane (w 
Fazie I). Zwykle obciążenia elementów żelbetowych są na tyle duże, że trzeba te 
elementy rozpatrywać jako zarysowane (w fazie II). Teorię fazy I stosuje się przede 
wszystkim do obliczeń elementów sprężonych.

Rysy w centralnej części 
belki żelbetowej 
obciążonej równomiernie 
rozmieszczonymi siłami 
skupionymi

W fazie I całą długość rozpatrywanego odcinka uważa się za nie zarysowaną: wzory 
na naprężenia można stosować do każdego przekroju na tym odcinku.. 
Teoria „czystej” fazy II, która zostanie tu przedstawiona, dotyczy tylko przekrojów 
pokrywających się z rysami i nie opisuje naprężeń i odkształceń między rysami 
(hence the term: for fully cracked condition).

background image

4

Najprostszy przykład faz I i II – element rozciągany osiowo

Faza I

N ≤ N

cr,     

σ

≤  f

ctm

σ

s

Faza II

Faza III

N > N

cr

σ

s

σ

c

s

s

c

c

A

A

N

σ

σ

+

=

Warunki 
równowagi

y

s

s

f

A

<

=

σ

c

cm

s

s

s

s

s

cm

c

c

E

E

E

E

σ

σ

σ

ε

σ

ε

=

=

=

=

c

e

s

σ

α

σ

=

cm

s

e

E

E

=

α

s

s

A

N

σ

=

y

s

f

=

σ

Zgodność 
odkształceń 

0

=

c

σ

ctm

c

cr

f

A

=

N

cr

– siła rysująca (cracking force)

background image

5

+

=

i

si

e

c

I

A

A

A

α

+

=

i

si

e

cc

II

A

A

A

α

α

e

A

s1

α

e

A

si

Beton 
ściskany

α

e

A

s1

α

e

A

si

Faza I (for uncracked condition)

Faza II (for fully cracked condition)

Pole przekroju sprowadzonego w 
fazie I składa się z całego pola 
przekroju betonu i z pola przekroju 
zbrojenia pomnożonego przez α

e

Pole przekroju sprowadzonego w fazie II składa 
się z pola strefy ściskanej betonu i z pola 
przekroju zbrojenia pomnożonego przez α

e

Podstawowe 

terminy

Pełzanie uwzględnia się stosując (zamiast E

cm

) efektywny moduł sprężystości betonu 

W obu fazach stosunek modułów (the modular ratio)

cm

s

e

E

E

=

α

(

)

0

,

,

1

t

E

E

cm

eff

c

+

=

ϕ

Przekroje sprowadzone

background image

6

x

0

N

M

ε

s1

h

b

A

s1

A

sn

σ

c

x

=

z

A

s

σ

s1

ε

ε

u

ε

sn

A

si

σ

c

Rys. 6.1. Odkształcenia ε i naprężenia w betonie σ

c

x

0

N

M

ε

s1

h

b

A

s1

A

sn

σ

c

x

=

z

A

s

σ

s1

ε

ε

u

ε

sn

A

si

σ

c

Rys. 6.2

Odkształcenia ε i naprężenia w betonie

σ

w fazie II

w fazie I

background image

7

x

0

N

M

ε

s1

h

b

A

s1

A

sn

σ

c

x

=

z

A

s

σ

s1

ε

ε

u

ε

sn

A

si

σ

c

W fazach I i II   (w obu)

Odległość osi środkowej od górnego włókna jest oznaczona przez 

x

0

a zasięg strefy 

ściskanej przez (oczywiście wartości tych zmiennych w fazach I i II są różne). 
Zbrojenie jest rozmieszczone w warstwach. Pole przekroju warstwy zbrojenia o 
numerze jest równe 

A

si, 

a współrzędna tej warstwy jest równa z

i

(i = 1,2…n). Za dodatnie 

uważa się naprężenia ściskające w betonie i w zbrojeniu.

Krzywizna κ wynosi

x

r

u

ε

κ

=

=

1

oznacza tu promień krzywizny a ε

u

odkształcenie na górnej krawędzi 

przekroju

(6.1)

background image

8

z

κ

ε

ε

+

=

0

Z hipotezy płaskich przekrojów wynika, że

a z prawa Hooke‘a

.

)

(

0

cm

c

E

z

κ

ε

σ

+

=

 

 

=

 

c

0

0

E

m

c

σ

ε

.

0

cm

c

c

E

z

κ

σ

σ

+

=

Dla z = 0 (na osi środka ciężkości)

x

0

N

M

ε

s1

h

b

A

s1

A

sn

σ

c

x

=

z

A

s

σ

s1

ε

ε

u

ε

sn

A

si

σ

c

W fazie i i II

(6.2)

(6.3)

(6.4)

background image

9

Naprężenie w i-tej warstwie zbrojenia

(

)

(

)

i

cm

e

s

i

s

si

si

z

E

E

z

E

κ

ε

α

κ

ε

ε

σ

+

=

+

=

=

0

0

(

)

cm

i

c

e

si

E

z

κ

σ

α

σ

+

=

0

W ten sposób wszystkie naprężenia przedstawiono jako funkcje κ i naprężenia 
na osi środkowej σ

c0 

. Wartości κ σ

c0

można wyznaczyć na postawie 

warunków równowagi.

x

0

N

M

ε

s1

h

b

A

s1

A

sn

σ

c

x

=

z

A

s

σ

s1

ε

ε

u

ε

sn

A

si

σ

c

(6.6)

(6.5)

background image

10

x

0

N

M

ε

s1

h

b

A

s1

A

sn

σ

c

x

=

z

A

s

σ

s1

ε

ε

u

ε

sn

A

si

σ

c

N

A

dz

b

i

si

si

z

z

c

u

b

=

+

σ

σ

.

M

z

A

dz

z

b

i

i

si

si

z

z

c

u

b

=

+

σ

σ

W fazie I:  

z

b

= - (h-x

0

)      z

u

=  x

0

W fazie II:      

z

b

= - (x-x

0

)      z

u

=  x

0

(N1)

(M1)

background image

11

(

)

(

)

N

E

z

A

dz

b

E

z

i

cm

i

c

si

e

z

z

cm

c

u

b

=

+

+

+

κ

σ

α

κ

σ

0

0

(

)

(

)

M

E

z

z

A

dz

b

z

E

z

i

cm

i

c

i

si

e

z

z

cm

c

u

b

=

+

+

+

κ

σ

α

κ

σ

0

0

N

z

A

dz

b

z

E

A

dz

b

u

b

u

b

z

z

i

i

si

e

cm

z

z

i

si

e

c

=



+

+



+

α

κ

α

σ

0

M

z

A

dz

b

z

E

z

A

dz

b

z

u

b

u

b

z

z

i

i

si

e

cm

i

z

z

i

si

e

c

=



+

+



+

2

2

0

α

κ

α

σ

Podstawiając na miejsce σ

c

σ

si

wyrażenia (6.3) i (6.6) otrzymuje się

i po wyciągnięciu σ

c0

κ przed nawias

Drugi składnik wyrażenia (N) i pierwszy składnik wyrażenia (M) są równe. Składnik ten 
przedstawia moment statyczny przekroju sprowadzonego względem osi przechodzącej 
przez jego środek ciężkości.

(M2)

(N2)

background image

12

N

A

c

=

0

σ

M

J

E

cm

=

κ

Wyrażenie w nawiasie we wzorze (N3) przedstawia pole przekroju sprowadzonego, 
a wyrażenie w nawiasie we wzorze (M3) moment bezwładności tego przekroju 
względem jego środka ciężkości. Tak więc

N

A

dz

b

u

b

z

z

i

si

e

c

=



+

α

σ

0

M

z

A

dz

b

z

E

u

b

z

z

i

i

si

e

cm

=



+

2

2

α

κ

Ten moment statyczny jest równy zeru, a więc

(M3)

(N3)

background image

13

A

N

c

 

=

 

0

σ

J

E

M

cm

=

κ

J

z

M

A

N

c

+

=

σ

=

i

si

z

J

M

A

N

 

 

+

 

 

e

α

σ

– pole przekroju sprowadzonego

J - moment bezwładności przekroju sprowadzonego względem osi przechodzącej 

przez jego środek ciężkości 

Oznaczenia

σ

c0

-

naprężenie w środku ciężkości przekroju 

sprowadzonego

α

e

– stosunek modułów sprężystości

κ – krzywizna

background image

14

Przykład 1 – Faza I – Przekrój prostokatny 

h

x

0

b

d

α

A

s

cm

 

33

,

28

1800

50

30

5

,

0

45

0

,

15

20

5

,

0

2

2

0

=

+

=

+

+

=

s

e

s

e

A

bh

h

b

d

A

x

α

α

2

cm

 

1800

15

20

50

30

=

+

=

+

=

s

e

A

h

b

A

α

Pole przekroju betonu

= 50 cm,   = 30 cm,   d= 45 cm

E

s

= 200000 MPa , E

cm

= 30000 MPa

A

15 cm

2     

(≈ 1% bd)

    

          

cm

 

1500

50

30

2

=

=

A

4

3

cm

 

312500

12

50

30

=

=

J

Pole przekroju sprowadzonego

Dla φ(∞,t

0

) = 2,0

20

30

)

0

,

2

1

(

200

=

+

=

e

α

1

2

background image

15

(

)

(

)

(

)

(

)

4

2

2

2

0

2

0

3

cm

 

396700

33

,

28

45

15

20

33

,

28

50

5

,

0

1500

312500

5

,

0

12

=

+

+

=

+

+

=

x

d

A

x

h

h

b

h

b

J

s

e

α

(

)





=

J

x

d

M

A

N

e

s

0

1

α

σ

(

)

J

x

h

M

A

N

c

0

1

=

σ

J

x

M

A

N

c

0

2

+

=

σ

Pole przekroju sprowadzonego jest o około  20% większe niż pole betonu, a 
moment bezwładności przekroju sprowadzonego jest o około 27% większy niż 
moment bezwładności samego betonu

background image

16

Przykład 2 – Faza II – Przekrój prostokątny przy zginaniu

h

x=x

0

b

α

e

A

s

d

Charakterystyki przekroju betonu

= 50 cm,   = 30 cm,   = 45 cm

E

s

= 200000 MPa , E

cm

= 30000 MPa

A

15 cm

2     

(≈ 1% bd)

    

          

cm

 

1500

50

30

2

=

=

A

4

3

cm

 

312500

12

50

30

=

=

J

Dla  φ(∞,t

0

) = 2,0

20

30

)

0

,

2

1

(

200

=

+

=

e

α

s

e

s

e

II

II

A

x

b

d

A

x

b

A

S

x

α

α

+

+

=

=

2

5

,

0

Z powyższej zależności wynika równanie kwadratowe ze względu na x
Rozwiązując to równanie otrzymuje się

background image

17

(

)

ρ

α

ρ

α

ρ

α

ξ

e

e

e

+

=

2

2

d

x

=

ξ

d

b

A

s

=

ρ

(

)

2

3

3

x

d

A

x

b

J

s

e

+

=

α

Względny zasięg strefy ściskanej

W powyższym wzorze ρ oznacza stopień zbrojenia

Moment bezwładności

J

x

M

c

=

σ

Naprężenie w betonie na górnej krawędzi

Naprężenie w zbrojeniu

(

)

J

x

d

M

e

s

=

α

σ

Zadanie: Obliczyć σ

σ

s

dla = 200 kNm

background image

18

Zginanie przy niezerowej sile podłużnej

x = x

0

h

b

α

e

A

s

d

wynika, że zasięg strefy ściskanej jest równy 
odległości środka ciężkości przekroju 
sprowadzonego od najbardziej ściskanych 
włókien. 

A

N

c

=

0

σ

Przy czystym zginaniu (= 0) z zależności

Jeżeli N ≠ 0, to ≠ x

0.

Naprężenia i odkształcenie w elementach nie 
zarysowanych nadal można obliczyć wzorami 
ze „złotej tablicy”, ale dla elementów 
zarysowanych wzory te są niewystarczające.

h

x

0

b

α

e

A

s

d

x

Czyste zginanie x

0

Zginanie przy ściskającej sile 
podłużnej

x

0

background image

19

W powyższej zależności występują dwie niewiadome x

0

. Do wyznaczenia ich

potrzebna jest dodatkowa zależność. Można np. wykorzystać zależność
(naprężenie na dolnej krawędzi strefy ściskanej jest równe zeru):

dla

= - (x

0

)

σ

c

(z) = 0.

Np. odległość od krawędzi do środka 
ciężkości przekroju sprowadzonego dla 
przekroju prostokątnego jest dana wzorem

s

e

s

e

II

II

A

x

b

d

A

x

b

A

S

x

α

α

+

+

=

=

2

0

5

,

0

h

x

0

b

α

e

A

s

d

x

Z powyższych dwóch zależności otrzymuje się równanie trzeciego stopnia ze 
względu na lub ze względu na x

0

, które można rozwiązać numerycznie, i 

następnie zastosować wzory ze „złotej tablicy”. 

Proste sposoby przybliżonego obliczania naprężeń w zbrojeniu przedstawiono 
w rozdziale dotyczącym SGU.

background image

20

Rozciąganie z małym mimośrodem

Ściany zbiorników walcowych. 

Przykłady elementów rozciąganych osiowo

N

M

lub

N

M

=

Środek 
ciężkości

e  - mimośród

Ściąg w elemencie o kształcie łuku

background image

21

Rozpatruje się element zginany i jednocześnie rozciągany siłą podłużną. 
Efekty obciążenia można przedstawić dwoma równoważnymi sposobami: jako 
siłę i moment M, albo jako siłę na mimośrodzie e.

Jeżeli siła N  leży pomiędzy A

s1

A

s

, to po zarysowaniu cały przekrój betonu 

jest przecięty rysą i oba zbrojenia  A

s1

A

s2

są rozciągane. 

Zwykle zbrojenie składa się z dwóch grup  A

s1

A

s2

.

e

N

e

s2

e

s1

A

s2

A

s1

Dla danych określa się e,

a następnie e

s

e

s2

N

M

lub

N

M

=

Środek 
ciężkości

e  - mimośród

background image

22

s

s

s

s

d

e

A

N

2

1

1

=

σ

s

s

s

s

d

e

A

N

1

2

2

=

σ

N

e

s2

e

s1

d

s

A

s2

A

s1

s

s

d

e

N

2

s

s

d

e

N

1

Z warunków równowagi (r. momentów względem A

s1

A

s2

)  otrzymuje się siły 

A

s1

A

s2

,  a następnie naprężenia w zbrojeniu

Oczywiście

N

d

e

e

N

d

e

N

d

e

N

A

A

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

=

+

=

+

=

+

2

1

1

2

2

2

1

1

σ

σ

Siła jest w całości przenoszona przez zbrojenie.

background image

23

Example 3.

T–cross-section in cracked conditions (State II)

x

300

1000

150

450

Given: E

cm

= 27500 MPa, 

creep coefficient  φ = 2,5

M = 120 kNm

A

s

= 15,71 cm2 (5Φ20)

Required: concrete and steel stresses

MPa

 

7857

5

,

2

1

27500

1

,

=

+

=

+

=

ϕ

cm

eff

c

E

E

46

,

25

7857

200000 =

=

e

α

Assuming that x ≥ 150 mm (the compression zone depth is greater than the flange thickness:

Effective modulus of elasticity

The modular ratio

The area of transformed cross-section

2

2

m

 

040

,

0

cm

 

0

,

400

71

,

15

46

,

25

=

=

=

s

e

A

α

(

)

x

x

A

30

,

0

145

,

0

040

,

0

30

,

0

30

,

0

00

,

1

15

,

0

+

=

+

+

=

background image

24

The first moment of area about the upper edge of the cross-section

The compression zone depth

The second moment of area of the transformed section

Steel stresses (negative for tension)

Concrete stress (upper edge)

(

)

02588

,

0

15

,

0

45

,

0

04

,

0

5

,

0

30

,

0

15

,

0

5

,

0

30

,

0

00

,

1

2

2

2

+

=

+

+

=

x

x

S

02588

,

0

145

,

0

15

,

0

145

,

0

30

,

0

02588

,

0

15

,

0

2

2

+

+

+

=

x

x

x

x

x

03656

,

0

02588

,

0

15

,

0

4

145

,

0

2

=

+

=

(

)

m

 

1540

,

0

03656

,

0

145

,

0

15

,

0

2

1

=

+

=

x

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

4

3

3

4

2

3

2

3

m

10

722

,

4

10

505

,

3

10

652

,

3

553

,

6

969

,

1

154

,

0

45

,

0

040

,

0

3

154

,

0

30

,

0

15

,

0

5

,

0

154

,

0

15

,

0

3

,

0

0

,

1

12

15

,

0

3

,

0

0

,

1

=

+

+

+

=

+

+

+

=

J

(

)

MPa

 

9

,

192

10

722

,

4

154

,

0

45

,

0

120

,

0

46

,

25

3

=

=

s

σ

MPa

 

914

,

3

10

722

,

4

154

,

0

120

,

0

3

=

=

c

σ