Belka zginanie scinanie ugiecie


Przykład:
Zaprojektować zbrojenie w belce prefabrykowanej z uwagi na zginanie i ścinanie
w postaci strzemion pionowych. Sprawdzić stan graniczny użytkowania. Belka
pracuje w schemacie swobodnie podpartym, rozpiętość w świetle ścian
Ln=5,62 m
. Oparta jest na ścianie grubości t=0,38 m . W obliczeniach przyjąć
beton klasy C16/20, stal zbrojenia podłużnego A-III, stal zbrojenia poprzecznego A-I.
Belka przeznaczona do pracy w klasie ekspozycji XC2.
Rysunek 1: Schemat statyczny belki
Parametry wytrzymałościowe przyjętych materiałów:
Beton C16/20
f =16,0 MPa f =10,6 MPa f =1,9 MPa f =0,87 MPa
, , , ,
ck cd ctm ctd
f = f ƒÄ…8=16ƒÄ…8=24 MPa Ecm=29 GPa
,
cm ck
Stal A-III (34GS)
f =410 MPa f =350 MPa ÄÄ…eff ,lim=0,53 E =200 GPa
, , ,
yk yd s
Stal A-I (St3SX-b)
f =240 MPa f =210 MPa
,
ykw ydw
Zestawienie obciążeń:
Tabela 1: Zestawienie obciążeń zewnętrznych belki
Wartość Wartość
Współczynnik
Typ obciążenia charakterystyczna obliczeniowa
obciążenia
[kN/m] [kN/m]
Stałe: 22 1,18 25,96
Zmienne: 15 1,2 18
Razem: 37 43,96
Określenie rozpiętości efektywnej
an=0,5 t=0,5Å"0,38=0,19 m
Leff =LnƒÄ…2 an=5,62ƒÄ…2Å"0,19=6,0 m
Oszacowanie przekroju poprzecznego belki
Wysokość przekroju
1 1 1 1
h=śą ÷ źą Leff =śą ÷ źą6,0=śą0,4÷0,667źąm
15 9 15 9
Przyjęto: h=0,6 m
Szerokość przekroju
1÷ 1
b=śą1 ÷1 źąh=śą źą0,6=śą0,198÷0,3źąm
3 2 3 2
Przyjęto: b=0,3 m
kN
Ä…Ä…b=25,0
Ciężar własny belki:
m3
kN
gk=Ä…Ä…b b h=25,0Å"0,3Å"0,6=4,5
Wartość charakterystyczna: .
m
kN
go=1,1 gk=1,1Å"4,5=4,95
Wartość obliczeniowa: .
m
Sumaryczne obciążenie belki
Tabela 2: Sumaryczne obciążenie belki
Wartość Wartość
Współczynnik
Typ obciążenia charakterystyczna obliczeniowa
obciążenia
[kN/m] [kN/m]
Stałe: 22 1,18 25,96
Ciężar własny 4,5 1,1 4,95
Sumarycznie stałe 26,5 30,91
Zmienne 15 1,2 18
RAZEM: 41,5 48,91
Maksymalne siły wewnętrzne w belce
Wartości charakterystyczne:
qk L2 41,5Å"6,02
eff
M = = =186,75 kNm
Sd ,k
8 8
qk Leff 41,5Å"6,0
V = = =124,5 kN
Sd ,k
2 2
Wartości obliczeniowe:
qo L2 48,91Å"6,02
eff
M = = =220,1kNm
Sd
8 8
qo Leff 48,91Å"6,0
V = = =146,73 kN
Sd ,max
2 2
Wymiarowanie zbrojenia podłużnego
Założenia:
Å›rednica zbrojenia głównego ËÄ…=20 mm
ËÄ…s=6 mm
średnica strzemion
d =16 mm
maksymalna średnica ziaren kruszywa
g
Grubość otuliny prętów
cmin=25 mm
(klasa ekspozycji XC2)
cmin=ËÄ…=20 mm
OdchyÅ‚ka wymiarowa ­Ä…c=5 mm
Nominalna grubość otuliny
cnom=cminƒÄ…­Ä… c=25ƒÄ…5=30 mm
Minimalne odległości w świetle prętów
s1=20 mm s1=ËÄ…=20 mm s1=d ƒÄ…5=16 ƒÄ…5=21 mm
, ,
g
s1=25 mm
Przyjęto:
Założono ułożenie zbrojenia podłużnego w jednej warstwie.
a1=cnomƒÄ…ËÄ…sƒÄ…ËÄ…=30ƒÄ…6 ƒÄ…20 =46 mm=4,6 cm
2 2
Wysokość użyteczna przekroju
d =h  a1=60,0  4,6=55,4 cm
Współczynnik wejściowy
M
220,1
Sd
ÂÄ…eff = = =0,226
2
b d f 0,3Å"0,5542Å"10,6Å"103
cd
Względna efektywna wysokość strefy ściskanej
ÄÄ…eff =1   2ÂÄ…eff =1  ćą  2Å"0,226 =0,273
1
ćą1
ÄÄ…eff =0,273"Ä…ÄÄ…eff ,lim=0,53Śą
przekrój pojedynczo zbrojony
źąeff =1  0,5ÄÄ…eff =1  0,5Å"0,273=0,863
Wymagane pole przekroju zbrojenia
M
220,1
Sd
As1, req= = =13,45Å"10-4 m2=13,45 cm2
źąeff d f
0,863Å"0,554Å"350Å"103
yd
Minimalne pola przekroju zbrojenia elementu zginanego
As min=0,0013b d=0,0013Å"0,3Å"0,554=2,11Å"10-4 m2=2,11 cm2
f
1,9
ctm
As min=0,26 b d =0,26 0,3Å"0,554=1,96Å"10-4 m2=1,96 cm2
f 410
yk
Minimalne pole przekroju zbrojenia z uwagi na ograniczenie szerokości rys do
wk=0,3mm
wartości
Współczynnik uwzględniający rozkład naprężeń w przekroju w chwili poprzedzającej
zarysowanie
kc=0,4
 zginanie
Współczynnik uwzględniający wpływ nierównomiernych naprężeń
samorównoważących się w ustroju
śą0,8  0,5źąśą0,8  hźą śą0,8  0,3źąśą0,8  0,6źą
k=0,5ƒÄ… =0,5ƒÄ… =0,62
0,8  0,3 0,8  0,3
Pole rozciÄ…ganej strefy przekroju w chwili poprzedzajÄ…cej zarysowanie
Act=0,5b h=0,5Å"0,3Å"0,6=0,09 m2
Średnia wytrzymałość betonu na rozciąganie w chwili spodziewanego zarysowania
f = f =1,9 MPa
ct ,eff ctm
Naprężenie w zbrojeniu natychmiast po zarysowaniu  tablica 12 PN
ÈÄ…s ,lim=200ƒÄ…śą240  200źąśą25  Ëąźą=200ƒÄ…śą240  200źąśą25  20źą=222,2 MPa
25  16 25  16
Act
0,09
As ,min=k k f =0,4Å"0,62Å"1,9 =1,91Å"10-4 m2=1,91 cm2
c ct ,eff
ÈÄ…s ,lim
222,2
Przyjęto zbrojenie podłużne:
As1, prov=15,71 cm2
" doÅ‚em: 5 ËÄ… 20 ze stali A-III (34GS) o polu ,
As1=2,26 cm2
" górÄ…: 2 ËÄ…12 ze stali A-I (St3SX-b) o polu .
Sprawdzenie możliwoÅ›ci umieszczenia 5 ËÄ… 20 w jednej warstwie
bmin=2 cnomƒÄ…2ËÄ…sƒÄ…5 ËÄ…ƒÄ…4 s1=2Å"30ƒÄ…2Å"6ƒÄ…5Å"20ƒÄ…4Å"25=252mm"Ä…b=300 mm
Wymiarowanie zbrojenia poprzecznego z uwagi na ścinanie
Nośność na ścinanie odcinka I-go rodzaju  element zginany
ZaÅ‚ożono doprowadzenie do podpory 2 prÄ™tów ËÄ… 20 co stanowi mniej niż 50%
wymaganego zbrojenia w przęśle.
k=1,0
StopieÅ„ zbrojenia dla 2 ËÄ… 20 o polu AsL=6,28 cm2
AsL 6,28Å"10-4
ÇÄ…L= = =0,004"Ä…0,01
b d 0,3Å"0,554
V =[0,35 k f śą1,2ƒÄ…40 ÇÄ…Lźą]b d =
Rd1 ctd
=[0,35Å"1,0Å"0,87Å"103śą1,2ƒÄ…40Å"0,004źą]0,3Å"0,554=68,4 kN
Jeżeli zachodzi bezpośrednie przekazywanie obciążenia belki lub płyty na podporę ,
tzn. jeżeli reakcja podpory działa na dolną krawędz elementu, a równocześnie
rozłożone obciążenie dział a na górną krawędz elementu, to przy sprawdzaniu
V Ä…Ä…V V Ä…Ä…V
warunków
i na odcinku przypodporowym można zamiast
Sd Rd1 Sd Rd3
V
przyjąć największą (co do wartości bezwzględnej) siłę poprzeczną
Sd
występującą w odległości d od krawędzi podpory.
Charakterystyczne wartości siły poprzecznej
V
" w odległości d od krawędzi podpory 
Sd ,anƒÄ…d
V =V  qośąanƒÄ…d źą=146,73  48,91 śą0,19ƒÄ…0,554źą=110,34 kN
Sd ,anƒÄ…d Sd ,max
V
" na krawędzi podpory 
Sd ,an
V =V  qo an=146,73  48,91Å"0,19=137,44 kN
Sd ,an Sd ,max
Długość odcinka II-go rodzaju
V -V
Sd ,a Rd1 137,44  68,4
n
Lt= = =1,412 m
qo 48,91
Nośność na ścinanie na odcinku II-go rodzaju
Współczynnik efektywności betonu przy ściskaniu
f
16
ck
ÃÄ…=0,6 śą1  źą=0,6 śą1  źą=0,562
250 250
Ramię sił wewnętrznych przy ścinaniu (wysokość strefy ścinania)
z=0,9 d =0,9Å"0,554=0,499 m
Zgodnie z zaleceniami normy cotangens kąta pochylenia krzyżulców betonowych
powinien odpowiadać wartoÅ›ciom 1,0Ä…Ä…cotśą¾Ä…źąąą2,0 .
PrzyjÄ™to: cot śą¾Ä…źą=1,5
V
Nośność na odcinku I-go rodzaju
Rd2
V =0,5ÃÄ… f b z=0,5Å"0,562Å"10,6Å"103Å"0,3Å"0,499=445,9 kN
Rd2 cd
V =110,34"Ä…V =445,9 kN
Sd ,anƒÄ…d Rd2
V
Nośność w przypadku zbrojenia strzemionami pionowymi
Rd2
cotśą¾Ä…źą 1,5
V =ÃÄ… f b z =0,562Å"10,6Å"103Å"0,3Å"0,499 =410,97 kN
Rd2 cd
1ƒÄ…cot2śą¾Ä…źą 1ƒÄ…1,52
V =146,73 kN "Ä…V =410,97 kN
Sd ,max Rd2
Określenie wymaganego rozstawu strzemion pionowych
Założono strzemiona:
" dwucięte ze stali A-I (St3SX-b) o polu Asw=0,56 cm2
Maksymalny rozstaw strzemion na odcinku II-go rodzaju
Asw f
0,56Å"10-4 210Å"103
yd
sw ,max= z cotśą¾Ä…źą= 0,499Å"1,5=0,08 m=8,0 cm
V 110,34
Sd ,a ƒÄ…d
n
Minimalny stopień zbrojenia poprzecznego
f
ćą 16
ćą
ck
ÇÄ…w ,min=0,08 =0,08 =0,0013
f 240
yk
Maksymalny rozstaw strzemion z uwagi na minimalny stopień zbrojenia
poprzecznego
Asw
0,56Å"10-4 =0,14 m=14,0 cm
sw ,max= =
ÇÄ…w ,min b 0,0013Å"0,3
Maksymalne rozstawy strzemion z uwagi na bezpieczne przeniesienie sił
wewnętrznych bez nadmiernych odkształceń tego zbrojenia
sw ,max=0,75 d =0,75Å"0,554=0,415 m=41,5 cm
sw ,max=40,0 cm
Przyjęto rozstawy strzemion:
sw=30,0 cm
" na odcinku I-go rodzaju ,
sw=6,0 cm
" na odcinku II-go rodzaju .
V
Nośność zbrojenia poprzecznego
Rd3
-4
Asw f
yd
V = z cot śą¾Ä…źą=0,56Å"10 Å"210Å"103 0,499Å"1,5=146,6 kN
Rd3
sw 0,06
V =110,34 kN "Ä…V =146,6 kN
Sd ,anƒÄ…d Rd3
Rozmieszczenie zbrojenia belki
Sprawdzenie warunków stanu granicznego użytkowania
Dopuszczalna szerokość rozwarcia rys belki pracującej w klasie ekspozycji XC2
wlim=0,3mm
Sprawdzenie stanu granicznego rozwarcia rys prostopadłych
Moment rysujÄ…cy
b h2 0,30,62
M = f = 1,9Å"103=34,2 kNm
cr ctm
6 6
M =186,75 kNmÄ…M =34,2 kNm
Sd , k cr
Belka ulega zarysowaniu.
Warunki korzystania z metody uproszczonej obliczania szerokości rozwarcia rys:
" przekrój jest prostokątny,
" zbrojenie stalą żebrowaną ,
" wlim=0,3mm
,
d
" =śą0,85÷0,95źą
.
h
d
=0,554 =0,923
h 0,6
Wszystkie warunki zostały spełnione.
Stopień zbrojenia podłużnego
As1 , prov 15,71Å"10-4
ÇÄ…L= = =0,009"Ä…0,01Śą źą=0,85
b d 0,3Å"0,554
Naprężenia w zbrojeniu rozciąganym
M
186,75
Sd , k
ÈÄ…s= = =252Å"103 kPa=252 MPa
źąd As1, prov 0,85Å"0,554Å"15,71Å"10-4
Maksymalna średnica prętów, przy której nie wystąpi przekroczenie dopuszczalnej
ËÄ…max=32 mmÄ…ËÄ…=20 mm
wartości rys prostopadłych wynosi .
WNIOSEK:
Dopuszczalna szerokość rys nie zostanie przekroczona.
Sprawdzenie stanu granicznego rozwarcia rys ukośnych
Z uwagi na wystąpienie odcinków II-go rodzaju wymagane jest sprawdzenie
rozwarcia rys ukośnych.
V
Miarodajna do obliczeń charakterystyczna wartość siły poprzecznej
Sdk ,anƒÄ…d
V =V  qkśąanƒÄ…d źą=124,5  41,5śą0,19ƒÄ…0,554źą=93,62 kN
Sdk ,anƒÄ…d Sd ,k
Naprężenia w przekroju miarodajnej siły poprzecznej
V
Sdk ,anƒÄ…d 93,62
ÉÄ…= = =563kPa=5,63 MPa
b d 0,3Å"0,554
Stopień zbrojenia poprzecznego na odcinku II-go rodzaju
-4
Asw
ÇÄ…w1= =0,56Å"10 =0,003
sw b 0,06Å"0,3
ËÄ…2=20 mm
Stopień zbrojenia prętami odgiętymi
ÇÄ…w2=0
Współczynniki zależne od przyczepności zbrojenia do betonu
½Ä…1=1,0 ½Ä…2=0,7
,
1 1
ÁÄ…= = =0,643
ÇÄ…w1 ÇÄ…w2 3 0,0031 0
ƒÄ…
3 ƒÄ…
1,0Å"0,006 0,7Å"0,02
½Ä…1 ËÄ…s ½Ä…2 ËÄ…2
Obliczeniowa szerokość rysy ukośnej
4 ÉÄ…2 ÁÄ… 4Å"563Å"0,643
wk= = =8,196Å"10-5 m=0,08 mm
ÇÄ…w Es f
0,0031Å"210Å"106Å"16Å"103
ck
wk=0,08 mm"Ä…wlim=0,3 mm
WNIOSEK:
Dopuszczalna szerokość rys ukośnych nie zostanie przekroczona.
Sprawdzenie stanu granicznego ugięcia
Leff Ä…Ä…6,0 m
Dopuszczalne ugięcie belki o rozpiętości
Leff 600
alimÄ…Ä… = =3,0 cm=30,0 mm
200 200
ÇÄ…L=0,009
Stopień zbrojenia podłużnego .
ÈÄ…s=252 MPa
Naprężenia w zbrojeniu rozciąganym
Współczynniki korekcyjne
ºÄ…1=1,0
ºÄ…2=250 =250 =0,99
ÈÄ…s 252
ºÄ…3=1,0
Leff
Wskaznik śą źą =18 - tablica 13
d
max
Leff Leff
600
= =10,83"Ä…ºÄ…1 ºÄ…2ºÄ…3śą źą =1,0Å"0,99Å"1,0Å"18=17,82
d 55,4 d
max
WNIOSEK:
Warunek został spełniony ugięć można nie sprawdzać.
Sprawdzenie szerokości rozwarcia rys prostopadłych metodą dokładną
Dopuszczalna szerokość rys prostopadłych
wlim=0,3mm
Moment rysujÄ…cy
b h2 0,3Å"0,62
M = f = 1,9Å"103=34,2 kNm
cr ctm
6 6
M =186,75 kNmÄ…M =34,2 kNm
Sd , k cr
Belka ulega zarysowaniu.
Określenie współczynnika pełzania
Założono:
t0=28
dni  wiek betonu w chwili obciążenia
t  t0Śą"
- czas trwania obciążenia
RH =50 %  wilgotność środowiska
Miarodajny wymiar przekroju elementu
2Ac 2 b h 2Å"300Å"600
h0= = = =240 mm
u bƒÄ…2 h 300ƒÄ…2Å"600
Współczynniki zależne od średniej wytrzymałości betonu na ściskanie i wilgotności
f Ä…Ä…35 MPa
środowiska 
cm
RH 50
1  1-
100 100
´Ä…RH =1ƒÄ… =1ƒÄ… =1,805
3 3
0,1
0,1 240
ćą
ćąh
0
16,8
¸Ä…śą f źą= =16,8 =3,429
cm
f 24
ćą
ćą
cm
1 1
¸Ä…śąt0źą= = =0,488
0,1ƒÄ…t0,2 0,1ƒÄ…280,2
0
Końcowy współczynnik pełzania
Ëąśą" ,t0źą=´Ä…RH ¸Ä…śą f źą¸Ä…śąt0źą=1,805Å"3,429Å"0,488=3,023
cm
Funkcja określająca przyrost pełzania po przyłożeniu obciążenia
¸Ä…cśąt  t0źą=1,0 t-t0 Śą "
dla
Współczynnik pełzania betonu
Ëąśąt ,t0źą=Ëąśą" , t0źą¸Ä…cśąt  t0źą=3,023Å"1,0=3,023
Efektywny moduł sprężystości betonu
Ecm
29000
Ec ,eff = = =7209 MPa
1ƒÄ…Ëąśąt  t0źą 1ƒÄ…3,023
Współczynnik wpływu pełzania dla obciążeń długotrwałych do wyznaczenia relacji
modułów sprężystości podłużnej stali i betonu
E
s
·Ä…e ,t= =200000 =27,74
Ec ,eff 7209
Stopień zbrojenia podłużnego:
As1 , prov 15,71
ÇÄ…L= = =0,009
b d 30,0Å"55,4
Wysokość strefy ściskanej obliczona na podstawie teorii fazy II dla obciążeń
długotrwałych
xII=d [ ·Ä…e ,tśą2ƒÄ…ÇÄ…L ·Ä…e ,tźą-ÇÄ…L·Ä…e ,t]=
ćąÇÄ…
L
=0,554[ 0,009Å"27,74śą2ƒÄ…0,009Å"27,74źą-0,009Å"27,74 ]=0,281 m=28,1 cm
ćą
Współczynnik wyrażający stosunek obliczeniowej rysy do szerokości średniej
śą1,7  1,3źąśą0,8-hźą śą1,7  1,3źąśą0,8  0,6 źą
¸Ä…=1,7= =1,7  =1,54
0,8  0,3 0,8  0,3
Efektywne pole przekroju strefy rozciÄ…ganej
2,5 a1=2,5Å"0,046 =0,115 m
heff =min =0,106 m
h  xII 0,6  0,281
= =0,106 m
{ }
3 3
Act ,eff =b heff =0,3Å"0,106=318,6Å"10-4 m2
Efektywny stopień zbrojenia
As1 , prov
15,71Å"10-4 =0,049
ÇÄ…r= =
Act ,eff 0,0319Å"10-4
Współczynnik zależny od przyczepności prętów zbrojenia
k1=0,8
- pręty żebrowane
Współczynnik zależny od rozkładu odkształceń w strefie rozciąganej
k2=0,5
 trójkątny rozkład przy zginaniu
Åšredni rozstaw rys w elemencie zginanym
ËÄ… 20
srm=50ƒÄ…0,25 k1 k2 ÇÄ…r =50ƒÄ…0,25Å"0,8Å"0,5 =91 mm
0,049
Współczynnik zależny od przyczepności prętów zbrojenia
¸Ä…1=1,0
 pręty żebrowane
Współczynnik zależny od czasu działania i powtarzalności obciążenia
¸Ä…2=0,5
 obciążenia długotrwałe
Naprężenie w zbrojeniu rozciąganym obliczone w przekroju przez rysę
M
186,75
Sd ,k
ÈÄ…s= = =258Å"103 kPa=258 MPa
xII 0,281
15,71Å"10-4śą0,554  źą
As1 , provśąd  źą
3
3
Średnie odkształcenie zbrojenia rozciąganego
2
2
ÈÄ…s M
258 34,2
cr
Ä…sm= [1-¸Ä…1 ¸Ä…2śą źą ]= [1  0,5Å"1,0śą źą ]=0,0013
E M 200000 186,75
s Sd ,k
Szerokość rozwarcia rys prostopadłych
wk=¸Ä… srm Ä…sm=1,54Å"91Å"0,0013=0,18 mm
wk=0,18 mm"Ä…wk ,lim=0,3 mm
WNIOSEK:
Dopuszczalna szerokość rozwarcia rys prostopadłych nie została przekroczona.
Sprawdzenie ugięcia
Moment bezwładności przekroju zarysowanego
b x3
II
J = ƒÄ…·Ä…e ,t ÇÄ…Lb d śąd  xII źą2=
II
3
0,3Å"0,28163
= ƒÄ…27,74Å"15,71Å"10-4Å"0,3Å"0,554śą0,554  0,281źą3=
3
=546706Å"10-8 m4=546706 cm4
Położenie osi obojętnej w przekroju niezarysowanym (faza I)
0,5b h2ƒÄ…·Ä…e ,t As1 , prov d
0,5Å"0,3Å"0,62ƒÄ…27,74Å"15,71Å"10-4Å"0,554
xI= = =0,35 m
b hƒÄ…·Ä…e ,t As1 , prov
0,3Å"0,554ƒÄ…27,74Å"15,71Å"10ż 4
Moment bezwładności przekroju niezarysowanego
b h3
J = ƒÄ…b hśą xI  0,5 hźą2ƒÄ…·Ä…e ,t As1, provśąd  xI źą2=
I
12
0,3Å"0,63
= ƒÄ…0,3Å"0,6 śą0,35  0,5Å"0,6źą2ƒÄ…27,74Å"15,71Å"10-4śą0,554  0,35źą2=
12
=7663374Å"10-8 m4=7663374 cm4
M
Sztywność przekroju, w którym osiąga się
Sd
Ec , eff J
7209Å"103Å"546706Å"10-8
II
B"= = =
2 2
M J
34,2 546706Å"10-8
cr II
1  1,0Å"0,5śą źą śą1  źą
1-¸Ä…1 ¸Ä…2śą źą śą1  źą
186,75
M J
7663374Å"10-8
Sd ,k I
=39602,7 kNm2
Wartość ugięcia
M L2 5 186,75Å"6,02
5
Sd ,k eff
ak= = =0,0177 m=1,77 cm=18 mm
48 B" 48 39602,7
ak=18 mm"Ä…alim=30 mm
WNIOSEK:
Ugięcie nie przekracza wartości dopuszczalnej.


Wyszukiwarka