CC BY
24Байдин О.В., канд. техн. наук, доц., Шаповалов С.М., канд. техн. наук, ст. преп., Шевченко А.В., канд. техн. наук, доц., Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СТЕРЖНЕВЫХ СБОРНО-МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
sso@intbel.ru
Приведено обоснование эксплуатационной пригодности стержневых сборно-монолитных конструкций по оценке предельной растяжимости бетона.
Ключевые слова: сборно-монолитные конструкции, трещиностойкость, вторая группа предельных состояний.
Несмотря на то, что в настоящее время появилось большое количество новых конструкционных строительных материалов, железобетон не исчерпал всех своих возможностей. В связи с увеличением объема применения сборно-монолитных конструкций, возрастающими требованиями к их эксплуатации, требуют дополнительной разработки расчета сборно-монолитных конструкций по второй группе предельных состояний.
Одним из возможных направлений дальнейшего совершенствования теории и практики применения железобетона в строительстве является переход от традиционных конструкций зданий и сооружений к сборно-монолитным конструкциям состоящих из бетонов различных классов и видов. Это относится к стержневым и плоским конструкциям, которые имеют в своем составе одни или несколько элементов из полимербетона, керамзитобетона, полисти-ролбетона, стеклофибробетона и др. материалов.
Поэтому целью экспериментальных исследований является разработка и проверка расчетного аппарата для нелинейного расчета стержневых сборно-монолитных железобетонных конструкций при длительном режиме нагружения, а также детальное изучение деформирования и трещиностойкости на образцах-балках.
В ходе эксперимента поставлены и решены следующие основные задачи:
- проведено исследование работы стержневых сборно-монолитных железобетонных конструкций при длительном режиме нагружения;
- определены моменты трещинообразования стержневых сборно-монолитных железобетонных конструкций;
- получена качественная и количественная картина перемещений и деформаций сборно-монолитного стержня для проверки принятых предпосылок в работе [1, 2];
Следует отметить, что для исключения влияния масштабного фактора, при проведении расчета
опытных образцов, они рассматривались как натурные конструкции.
Для изучения работы исследуемых конструкций проведены испытания трех серий опытных образцов сборно-монолитных балок. Каждая серия включала по три образца, в том числе один образец для проведения предварительных экспериментальных исследований с целью отладки методики испытаний. Маркировка опытных образцов всех серий выполнена следующим образом: буквы Б - балка, римские цифры - номер серии, арабские цифры - номер порядковый номер образца в серии. Пример: Б-П-1 (опытный образец №1 второй серии).
Конструкция балки (рис. 1) состоит из сборной и монолитной части. Сборный элемент представляет собой и - образный тонкостенный стержень, изготовленный из тяжелого бетона с армированием сетками и рабочей арматурой диаметром 6 мм класса А400. Поперечная арматура запроектирована из стальной проволоки диаметром 3 мм класса В500 с шагом 90 мм. Монолитная часть балки выполнена из конструктивного пенобетона класса В10.
Испытание опытных образцов проводилось на специальном стенде, который обеспечивал устойчивость конструкции в плоскости действия сил. Экспериментальный стенд представляет собой сварную конструкцию (рис. 2) состоящую из опорной рамы, стоек и подкосов, связей и винтов-упоров с роликами на концах. Монтаж и установка в проектное положение опытного образца производилась на стенде фиксацией винтами-упорами.
Для нагружения испытываемой конструкции применялся гидравлический домкрат Д 16В-160П с насосной установкой НМ 63.1.5, нагрузка от которого передавалась через распределительную балку на опытный образец. Нагрузку прикладывали поэтапно, ступенями равными 10% от расчетной нагрузки трещинообразования. При этом опытные образцы до разрушения не доводились, на каждой ступени конструкцию выдерживали не менее 60 минут.
KP-1
20 1 1760 20
1800
1-1 (серия I)
1-1 (серия II I 1-1 (серия III)
30
15
сз
0
15
50
1
30
30
15
15
15
0
5
b=m
В35
0
15
50
15
30
30
15
15
15
В50
0
=110
15
40
50
30
15
15
В50
Ь=1Ю
Рис. 1 Конструкция опытных образцов
Рис. 2 - Общий вид испытания опытных образцов
Во время выдержки под нагрузкой производился тщательный осмотр поверхности конструкции и фиксировались значения величины нагрузки, снимались показания измерений прогибов балки, углов поворота, а так же деформации бетона и арматуры. Данные показания фиксировались в начале и в конце каждой ступени. При этом непосредственные измерения прогибов и углов поворота опытной балки производились до появления первой трещины.
Для измерения перемещений опытной конструкции были установлены 7 индикаторов часового типа по ГОСТ 577 и ТУ 2-034-0221197013-91, с ценой деления 0,01 мм и 0,001 мм (рис. 3). Прогибы балки измеряли с помощью часовых индикаторов М1-М3 (цена деления 0,01 мм), а углы поворота - М4-М7 (цена деления 0,001 мм). Деформации бетона и арматуры из-
мерялись при помощи 39 тензорезисторов марки ПКБ с базой 50 мм наклеенных на бетон и 12 -18 тензорезисторов марки 2ФКП 5-400 с базой 5 мм наклеенных на арматуру.
В точках с экстремальными значениями деформаций измерения тензорезисторов были продублированы специально изготовленными электромеханическими тензометрами рамного типа с базой 70 мм и коэффициентом преобразования 1000 еод мм-1. Регистрация показаний тен-зодатчиков производилась с помощью тензо-метрической информационно-измерительной системы СИИТ-3 с ценой деления 2-10"6 и быстродействием 20 - 25 изм./с. Схема приложения нагрузки и расстановки измерительных устройств представлена на рис. 3.
На напряженно-деформированное состояние сборно-монолитной конструкции перед образованием трещин оказывает влияние ряд факторов: характер приложения нагрузки, структура сечения, класс бетона, характеристика податливости шва между сборной и монолитной частями сечения, деформации растянутого и сжатого бетона, нарушение передачи усилий с арматуры на бетон.
При расчете по образованию трещин определяющим является правильный выбор момента трещинообразования. В настоящей работе, фактором, характеризующим трещиностойкость, является величина предельной растяжимости бетона [3].
1
а)
Р
550
550
550
1650
5)
Вид с5оку
1
М5
о.
М4
75
Ьм1 б,
42,5 412,5 -У--
412,5 412,5
ю ю
75
Вид сдерху
^ -индикатор часодого типа
| — -тензорезистор
I-1 -электромеханический
тензометр
Рис. 3 - Схема нагружения: а - опытных образцов, б - схема расстановки приборов
В проведенном эксперименте определение момента трещинообразования производилось по опытным деформациям бетона. Момент трещино-образования определяли по расхождению показаний тензодатчиков наклеенных на бетон и электромеханических тензометров.
Проведя анализ полученных экспериментальных данных можно отметить, что характер распределения относительных деформаций бетона и арматуры по высоте сечения элемента был качественно одинаковым в трех сериях образцов (рис. 4).
Таким образом, характер распределения относительных деформаций бетона по высоте сечения
является линейным, следовательно, применение гипотезы плоских сечений будет вполне справедливым при расчете таких конструкций.
Анализируя диаграммы «Момент-кривизна» (М-1/р), полученных по экспериментальным данным, можно отметить, что влияние деформаций ползучести становится наиболее значимым к моменту трещинообразования. Вместе с тем, отмечается снижение жесткости к моменту образования трещин на интервалах соответствующих мгновенным деформациям нагружения (рис. 5).
Анализируя диаграммы «Момент-кривизна» (М-1/р), полученных по эксперимен-
тальным данным, можно отметить, что влияние деформаций ползучести становится наиболее значимым к моменту трещинообразования. Вместе с тем, отмечается снижение жесткости к моменту образования трещин на интервалах соответствующих мгновенным деформациям нагружения (рис.
5).
На диаграммах видно, что в образцы 11-ой серии балок обладают наибольшей жесткостью, по сравнению с 1-ой и Ш-ей сериями. Из полученных опытных данных можно сделать вывод, что на напряженно-деформированное состояние сборно-монолитной конструкции существенно влияет процент армирования и класс бетона.
а)
Р7
Р1
На основании показаний индикаторов, установленных на опытных образцах были получены экспериментальные зависимости прогибов от действия нагрузки (рис. 6).
На диаграммах «прогиб-нагрузка» (рис. 6) можно отметить, что прогиб в таких конструкциях зависит как от уровня нагрузки, так и от жесткост-ных характеристик материалов сборной и монолитной части сечения и процента армирования. При выдержке нагрузки на каждой ступени наблюдались приращения прогибов, связанные с ползучестью бетона балок.
Ь,м
б)
в)
0
-0 .0 2 -0 .0 4 -0 .0 6 -0 . 0 8 -0 .1 0 -0 .1 2 -0 .1 4 -0 .16 -0.1 8 -0 .0 0 05
0
-0 .0 2 -0 .0 4 -0 .0 6 -0 .0 8 -0 .1 0 -0 .1 2 -0 .1 4 -0 .1 6 -0 .1 8
\
Г) -П Л о Г) .—о л п
Р2=0 .96 Р 6=2.88 Рз=1 . 4 4 Р 6=3.37 И. — ! ОТ
у е
1 \
-0 . 0004 -0.0 003 -0.00 02 -0 . 000 1
Р1
0 .0 00 1 0 .0 0 02 0 .0 0 03 0 .0 0 0 4 0.00 0 5
Ь,м
\\ \ а
ч \\ \\
\\ М
N Г1—и.Ч-О Г5— Рб=0.96 Р6=2.8 8 Р 6 =1.44 Р7=3.3 7
к
№ ч, 14 -I .
IV \\ е
\ \\ \
-0 .0 0 05 -0 . 0 0 0 4 -0.0 0 0 3 -0.00 0 2 -0 .000 1
0 .0 00 1 0 .0 0 02 0 .0 0 03 0 .0 0 0 4 0.00 0 5
Ь,м
0
-0 .0 2 -0 .0 4 -0 .0 6 -0 .0 8 -0 .1 0 -0 .1 2 -0 .1 4 -0 .1 6 -0 .1 8
-0 .0 0 05 -0 . 0 0 0 4 -0.0 0 0 3 -0.00 0 2 -0 .000 1 0 0 .0 00 1 0 .0 0 02 0 .0 0 03 0 .0 0 0 4 0.00 0 5
Рис. 4 - Распределение опытных деформаций бетона по высоте сечения балок: а) Б-1-2; б) Б-11-2; в) Б-Ш-2.
у д
\\ А
\\ Р1=0.48 Р6=2 . 88 Р2=0.9 6 Р7=3 . 37 Р3=1.4 4 Р8=3 . 85 Р4=1.9 2 Р9=4 . 33 Р5=2.4 0
е
Л
0
Р
0
Р
Р
9
а)
б)
3.0
2.5
S 2.0
ча 1.5
S
1.0
0.5
0
Mc rc
3.0
2.5
Ж 2.0
2 15 1.0
0.5
0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008
1/Р
Mcrc
в)
0.0 01 0.002 0.0 03 0.004 0.00 5 0.00 6 0.0 07 0.008
1/р
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008
1/Р
Рис. 5 Диаграммы «М - 1/р» для опытных образцов балок:а) Б-1-2; б) Б-11-2; в) Б-111-2
Так, произведя сравнения в балках трех серий, можно увидеть, что наиболее большие прогибы имеют балки первой серии, меньшие прогибы имеют балки второй и третей серий. Это объясняется прочностными характеристиками бетонов и процентом армирования. Следует отметить, что приращение прогибов при выдержке на каждой ступени для всех серий балок было примерно одинаково.
Анализируя опытные диаграммы «прогиб-нагрузка» (V-Р) (рис. 6) можно сделать вывод, что нарастание перемещений носит монотонный характер и начало нелинейных деформаций (снижение
интенсивности) происходит при нагрузке 50-70 % от значения нагрузки трещинообразования Pcrc.
Качественный характер диаграммы «момент-кривизна» для конструкций рассматриваемого типа подтверждает установленные в работе расчетные зависимости для определения напряженно-деформированного состояния сборно-монолитного стержня.
Таким образом, характер распределения относительных деформаций бетона по высоте сечения сборно-монолитного стержня имеет линейный вид, следовательно, применение гипотезы плоских сечений будет справедливо при расчете таких конструкций.
0
0
0
а)
б)
в)
Р crc
0 0 .5 1 .0 1 .5 2.0 2.5 3 V, м м
0 0 .5 1 .0 1 .5 2.0 2.5 3 V, м м
Р crc
0 .5
1 . 0
1 .5 V, м м
2 . 0
2 .5
3 . 0
Рис. 6 Анализ перемещений балок: а) балки Б-1-2; б) балки Б-11-2; в) балки Б-111-2
Проведенные экспериментальные исследования позволяют произвести более точную оценку работы конструкций данного класса по второй группе предельных состояний.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Смоляго, Г.А. Расчет сборно-монолитных конструкций с учетом пространственной работы шва: сб. материалов третьей Всероссийской научно-
технической конференции «Вузовская наука-региону» / Г.А. Смоляго, О.В. Байдин, А.В. Шевченко. - Вологда: ВоГТУ, 2005.- С. 87-90.
2. Бондаренко, В.М. Инженерные методы нелинейной теории железобетона / В.М. Бондаренко, С.В. Бондаренко. - М.: Стройиздат, 1982. - 287 с.
3. Смоляго, Г.А. Предельная растяжимость бетона / Г.А. Смоляго. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. - 90 с.
6
5
4
3
2
0
6
5
4
3
2
0
6
5
4
3
2
0
0
