Проектирование круговых колонн с осевой нагрузкой в основном зависит от сечения колонны и свойств материала. Это связано с тем, что нагрузка действует в центре колонны, и вся площадь поперечного сечения колонны находится в сжатом состоянии.
На практике редко встречается целая колонна, подверженная исключительно сжатию, так как трудно добиться идеального вертикального выравнивания колонны. В результате неизбежен эксцентриситет нагрузок относительно центра колонны.
Согласно ACI 318-19, колонна считается осево нагруженной, если эксцентриситет не превышает 1% от общей глубины колонны. Номинальная мощность такой колонны равна внутреннему усилию сжатия бетона и внутреннему усилию стали.
В ACI 318-19 представлены несколько спецификаций и практических соображений, которые помогают проектировщикам разрабатывать адекватные, безопасные и практичные конструкции колонн.
- Решение:
Номинальная несущая способность круглой короткой колонны RC
Номинальная несущая способность железобетонной колонны может быть выражена следующим образом:
Где Ac – общая площадь поперечного сечения колонны, а Ast – площадь растяжения стали.
Таким образом, уравнение-1 может быть изменено следующим образом:
Расчетная прочность колонн с осевой нагрузкой может быть рассчитана путем умножения уравнения-2 на конкретный коэффициент снижения прочности, предусмотренный стандартом ACI 318-19. Коэффициент снижения прочности для спирально армированных бетонных колонн составляет 0,75.
В кодексе ACI рассматривается верхний предел прочности колонн, чтобы позволить случайные эксцентриситеты нагрузки, не учтенные в анализе. Этот верхний предел принимается равным 0,85 от проектной прочности. Поэтому уравнение-2 может быть переписано для спирально армированной бетонной колонны следующим образом:
где:
Pu: предельная нагрузка на колонну, KN
Ø: коэффициент снижения прочности, равный 0,75
fc’: прочность бетона на сжатие, МПа
Ag: общая площадь сечения колонны, мм2
Ast: площадь арматуры, мм2
fy: предел текучести стали, МПа
Продольное армирование
- Продольная арматура является основным стержнем в железобетонной колонне.
- Минимальное покрытие бетоном продольной арматуры в колоннах составляет 40 мм.
- Минимальное количество продольных стержней должно быть шесть для спиральной арматуры согласно ACI 318-19, раздел 10.7.3.
- Отношение площади продольной стали к площади поперечного сечения бетона составляет от 0,01 до 0,08.
Спиральное армирование
- Спиральная арматура – это близко расположенные непрерывные спирали, которые удерживают продольные стержни в формах во время укладки бетона.
- Спиральное армирование предотвращает внезапное разрушение бетона и смятие продольных стальных стержней. Ее преимущество заключается в том, что она создает прочную колонну, которая подвергается постепенному и вязкому разрушению.
- Минимальный диаметр спиралей составляет 10 мм, а расстояние между ними должно быть не более 75 мм и не менее 25 мм, в соответствии с ACI Code 7.10.4.
- В качестве крепления спиральной арматуры должно быть предусмотрено 1,5 дополнительных витка спирального стержня.
- Минимальный объемный коэффициент спирального армирования определяется как отношение объема спиральной стали к объему основного бетона и рассчитывается согласно Уравнению-4.
- Минимальное соотношение спиралей, требуемое Кодексом ACI, предназначено для обеспечения дополнительной способности к сжатию, чтобы компенсировать откол оболочки колонны.
Ag: общая площадь сечения
Ach: площадь сердцевины спирально армированной колонны, измеренная до наружного диаметра спирали
ρs: предел текучести спиральной арматуры
Спираль можно выбрать с помощью выражения, в котором (ρs) записывается в терминах объема стали в одной петле:
где:
Dch: диаметр стержня, выходящего за пределы спирали
as: площадь поперечного сечения спирального стержня
ds: диаметр спирального стержня
Подробное описание параметров уравнения 5 см. на рисунке 1.
Пояснение параметров в уравнении-5
Процедура проектирования круговой RC-колонны с осевой нагрузкой
Проектирование спиральной арматуры
Пример
Спроектируйте осевую нагрузку на короткую закругленную спиральную колонну для восприятия мертвой нагрузки 850 KN и живой нагрузки 1600 KN. Прочность материала: fc’= 35 МПа, и fy= 420 МПа.
Решение:
Оценить размеры колонны и необходимую площадь стали
Шаг-1: Принять коэффициент армирования:
ρg=0.02
Шаг-2: Выразите площадь армирования в терминах предполагаемого коэффициента армирования (шаг 1) и общей площади поперечного сечения:
Ast= 0.02*Ag
Шаг-3: Рассчитайте предельную нагрузку, используя наиболее критические комбинации нагрузок:
Pu =1.2DL+1.6LL= 1.2*850+1.6*1600= 3580 KN
Шаг-4: Выберите размеры колонны, используя уравнение 3:
3580*103= 0,85*0,75[0,85*35(Ag-0,02Ag )+(0,02Ag*420]=149532,31 мм2
Ag=π/4 D2 → D =√((4*149532.31)/π) =436 мм≈450 мм
Шаг-5: Вычислите Ag из нового D= 450 мм
Ag=π/4*4502= 159043.12 мм2
Шаг-6: Рассчитайте площадь и количество продольных стальных стержней:
3580*103= 0,85*0,75[0,85*28(159043,12-Ast )+Ast*420]= 2265,61 мм2
Шаг 7: Рассчитайте количество продольных брусьев, предположим ∅22:
Количество брусьев = 2265,61/(π/4(22)2)= 5,96 ≈ 6
При условии = π/4(22)2*6 = 2280,79 мм2
Шаг 8: Рассчитайте и проверьте коэффициент армирования колонн:
ρg= Ast/Ag =(2280.79)/159043.12 = 0.0201, так как 0.01<ρg= 0.01434<0.08, ок.
Проектирование спирального армирования
Шаг-1: Предположим, что ∅10.
Шаг-2: Рассчитайте минимальное объемное спиральное армирование:
Dch= D-2*бетонное покрытие = 450-2*40=370 мм
Ач= π/4(370)2 = 107521,008 мм2
ρs= 0,45(159043,12/107521,008-1)*(35/420) = 0,017969
Шаг-3: Рассчитайте расстояние от одной петли до другой, s:
as= π/4*102 = 78,5398 мм2
0,017969 = (4*78,5398*(370-10))/(s*3702 )→ s = 45,97 ≈ 40 мм
Шаг-4: Проверьте соответствие требованиям кодекса ACI:
- Диаметр центроидальной окружности стержней =450-2*40-10*2-22 = 328 мм,
- Расстояние между стержнями =(π*328-6*22)/6 =149,74 мм.
- Количество стержней, 6 =6 для колонны, окруженной спиралями, ок
- Минимальный диаметр спирали ∅10, ок
- Расстояние между ячейками для одной петли = s-ds =40-10 =30мм, 25мм<30мм<40мм, Ок
Детали проектного чертежа
Часто задаваемые вопросы
Что такое осевая нагрузка колонны?
Железобетонная колонна считается осево-нагруженной, если точка действия нагрузки совпадает с центром сечения колонны. Считается, что колонна осево нагружена, если эксцентриситет нагрузки от центра сечения колонны не превышает 0,1 максимальной глубины колонны.
Что такое эксцентриситет колонны?
Эксцентриситет – это расстояние между центром сечения колонны и точкой действия приложенной нагрузки.
Что такое спирально армированные бетонные колонны?
Спирально армированные бетонные колонны – это колонны, в которых продольные стержни расположены по кругу, поддерживаемые близко расположенными круговыми спиралями.
Каковы функции спиральной арматуры в спирально армированной бетонной колонне?
Спиральная арматура удерживает продольные стержни в формах во время укладки бетона и предотвращает внезапное раздавливание бетона и смятие продольных стальных стержней.
Советы и правила проектирования железобетонных колонн
Экономичное проектирование железобетонных колонн для снижения затрат
Как спроектировать короткую железобетонную колонну с осевой нагрузкой согласно ACI 318-19? Включенный пример
Читайте далее:- ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЛОНН С ОСЕВОЙ НАГРУЗКОЙ.
- Как спроектировать короткую колонну RC с осевой нагрузкой в соответствии с ACI 318-19? Пример прилагается.
- Как спроектировать одностороннее перекрытие в соответствии с ACI 318-19? | Прилагается пример.
- Советы и правила проектирования железобетонных колонн.
- Проектирование осевого усиления FRP колонн RCC -ACI 440.2R-08.
- Минимальное и максимальное соотношение армирования в различных железобетонных элементах.
- 14 типов колонн в строительстве.