CC BY
9Луценко А.Н. асс.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАТИВНОСТИ СБОРНО-МОНОЛИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
lanrus-31@yandex.ru
Наиболее достоверные сведения о работе конструкций могут получены на основе экспериментальных исследований. Статья посвящена изучению напряженно - деформированного состояния сборно-монолитных стержневых изгибаемых элементов. Содержит сведения о технологии изготовления, испытания, приведены прочностные и деформационные характеристики опытных образцов и примененных материалов.
Ключевые слова: сборно-монолитные, стержневые, изгибаемые, предварительно напряженные, деформативность
Сборно-монолитные конструкции, обладая универсальностью, на сегодняшний день составляют небольшой сегмент в доле капитального строительства и занимают доминирующие положения лишь в отдельных областях. Применение сборных конструкций заводского изготовления в РФ постепенно уменьшается, вследствие увеличения строительства из монолитных железобетонных конструкций. Не исключено, что следующим этапом станет период широкого использования сборно-монолитных конструкций, эффективность применения которых неоднократно доказана. Сборно-монолитные предварительно напряженные конструкции, аккумулируя положительные качества сборных и монолитных, не только являются эффективными конструкциями, что не мало важно, особенно в сложившейся экономической ситуации, но и отчасти расширяют границы использования отдельных видов бетонов, например неавтоклавного твердения пенобетонов, для которых получение эффективных предварительно напряженных конструкций остается технически сложно осуществимой задачей.
Экспериментальных данных, учитывающих специфику работы сборно-монолитных конструкций с использованием мелкозернистого и пенобетона, сравнительно мало и почти отсутствуют исследования таких конструкций с предварительно напряженной арматурой. В связи с этим проведение экспериментальных исследований и изучение напряженно деформированного состояния таких конструкций представляется актуальным. Можно обозначить следующие основные цели экспериментальных исследований:
- получение опытных данных о работе изгибаемых сборно-монолитных конструкций, в которых сборной составляющей является - предварительно напряженный элемент из тяжелого бетона, а монолитная часть представлена различными видами и классами бетонов;
- определение и исследование характера изменения прогибов по длине образцов;
- оценка параметров диаграммы момент-кривизна и характера распределения относительных деформаций по высоте поперечного сечения;
- определение прочностных и деформационных свойств бетонов, уточнение полных диаграмм работы.
В соответствии с поставленными задачами на кафедре промышленного и гражданского строительства БГТУ им. В.Г. Шухова были выполнены экспериментальные исследования изгибаемых сборно-монолитных железобетонных элементов1. Эксперимент предусматривал испытание основных образцов - однопролетных шарнирно опертых железобетонных балок, и вспомогательных - бетонных призм, кубов и арматурных стержней. При разработке плана экспериментальных исследований учитывались требования действующих нормативных документов [1,2]. В качестве основных опытных образцов были изготовлены шесть серий сборно-монолитных балок таврового сечения высотой Ь=200 мм, длиной Ь=1300|мм. Общий объем эксперимента составил 24 балки. Конструкция и схема армирования опытных образцов приведены на рис. 1.
Одним из сложных технологических циклов при изготовлении экспериментальных образцов, было создание предварительного напряжения в сборном элементе. Сложность была обусловлена отсутствием в российской промышленности сборных железобетонных изделий форм и оснастки, позволяющих изготовить конструкции с требуемыми опытными параметрами, к которым относились (способ и метод натяжения арматуры, геометрические размеры, величина предварительного напряжения).
1 экспериментальные исследования проведены совместно с Смоляго Е.Г._
61
0 6 А400
0 5 В500 бетон
омоноличивания
сборный элемент
220
0 8 A4 00
0 6А4ОО 0I4ASOO
0 6 А400
/
/
120
0 14 А800
Рис. 1 - Поперечное сечение и схема армирования опытных образцов
После окончательного определения всех требуемых параметров, аналитических расчетов, решение было найдено. В качестве силовой платформы была использована инвентарная форма для многопустотных предварительно напряженных плит перекрытия. Последовательность изготовления сборного элемента была следующей: на поддоне распределялись арматурные сварные каркасы, затем задавалось требуемое удлинение - электротермическим методом, арматурному стержню и его укладка в упоры формы. Следующими этапами стали: этап наклейки тензорезисторов, установки опалубки, бетонирования и тепловлажностной обработки. Схема размещения опытных образцов на поддоне перед бетонированием приведена на рис.2.
Опалубка была выполнена деревянной из строганной обрезной доски. С целью исключения процессов набухания - усадки пропитывалась олифой «оксоль ПВ 40» за два раза и смазывалась составом на основе переработки нефтепродуктов. Заблаговременное ее изготовление, обеспечило быструю установку и раскрепление в продольном и поперечном направлениях, исключающее какие либо смещения в пределах силовой формы.
Сборный элемент представляет собой образец прямоугольного сечения 120 х 100 мм. Изготовлен из тяжелого бетона класса В40 и армирован арматурным каркасом и предварительно напряженным стержнем класса А800 диаметром 14 мм, согласно рис.1. При изготовлении сборного элемента варьируемым параметром оказалась величина предварительного напряжения. Контроль величины предварительного напряжения осуществлялся
прибором ИНК-2.4, который относится к средствам измерения механических напряжений частотным методом по ГОСТ 22362-77. По результатам измерений получены следующие данные, приведенные в табл. 1.
Рис. 2 - Общий вид перед бетонированием
Таблица 1
Величина предварительного напряжения
№ серии Условное обозначение сборных элементов серии балок Значения напряжений контролируемые в напрягаемой арматуре по окончании натяжения, МПа
1 БС I 430
2 БС II 440
3 БС III 470
4 БС IV 365
5 БС V 390
6 БС VI 345
Сборный элемент конструкций был изготовлен на заводе ОАО «ЖБК-1» г.Белгород, добето-нирование экспериментальных образцов выполнено в лаборатории университета.
В качестве бетонов омоноличивания приняты не только различные классы бетонов, но и виды. Для приготовления бетонов были использованы следующие основные материалы:
1. Портландцемент - марки ПЦ 500 ДО и (ПЦ 400 ДО для бетона омоноличивания балок серии БСМ V), производства Белгородского цементного завода.
2. Песок - природный мытый песок Нижне-ольшанского месторождения Белгородской области модулем крупности 1,2.
3. Щебень - гранитный щебень фракции 5-10 ОАО «Новопавловский гранитный карьер», Никопольский район, Украина.
Физико-механические свойства:
- истинная плотность 2640 кг/м3,
- насыпная плотность 1400 кг/м3,
- содержание зерен пластинчатой и игловатой формы 20%,
- марка щебня по прочности 1200 кг/м2.
4. Отсев. Для приготовления мелкозернистого бетона использовался отсев дробления щебня. Средний гранулометрический состав проб отсева дробления гранитного щебня приведен в табл. 2.
Физико-механические характеристики:
- модуль крупности 3,54;
- насыпная плотность 1560 кг/м3.
Составы бетонов примененных для омоноли-чивания сборно-монолитных конструкций, были подобраны расчетно-экспериментальным путем и приведены в табл. 3.
Планом экспериментальных исследований предусматривались стандартные испытания по определению прочности и модуля упругости бетонных призм и кубов, изложенные в табл. 4, а также проводились наблюдения за деформациями усадки опытных балок и призм.
Таблица 2
Минеральный материал Полные остатки на сите %
5 2.5 1.25 0.63 0.315 0.14 <0.14
Отсев дробления 4,1 44,7 57,4 71,1 83,8 92,9 100
Таблица 3
Составы бетонов
Условное обозначение серии сборно-монолитных балок Расход материалов на 1 м3бетонной смеси, кг Водоцементное отношение
Цемент Песок Щебень Отсев Вода
БСМ I 224 668 1225 - 220 0,98
БСМ II 400 - - 1600 274 0,68
БСМ III 300 603 1225 - 220 0,73
БСМ IV 297 - - 1782 245 0,82
БСМ V 200 688 1225 - 220 1,1
БСМ VI 400 720 - - 200 0,5
Таблица 4
Характеристики бетонов экспериментальных балок
Условное обозначение серии опытных балок Средняя кубико-вая прочность серии образцов Я , МПа Средняя призмен-ная прочность серии образцов Яь , МПа Средняя плотность серии образцов р , кг/м3 Начальный модуль упругости бетона Еь , МПа Вид бетона Ближайший класс бетона по прочности на сжатие
бетон омоноличивания
БСМ I 28,5 22,1 2220 27700 тяжелый В22,5
БСМ II 39,8 30,1 2200 29000 мелко- В30
БСМ III 39,4 28,5 2260 31300 тяжелый В30
БСМ IV 29,5 22,0 2160 24800 мелко- В22,5
БСМ V 16,1 12,3 2210 21800 тяжелый В12,5
БСМ VI 16,3 10,6 1650 14000 ячеист В12,5
бетон сборного элемента
Сборн. элем. 50,9 37,8 2260 30600 тяжелый В40
Испытание опытных образцов проводилось на специально изготовленной установке. Нагрузка прикладывалась в виде двух сосредоточенных сил с равным пролетом среза. В процессе испытаний выполнялись измерения прогибов, деформаций бетона и арматуры, определение несущей способности, трещиностойкости опытных образцов.
Контроль продольных деформаций осуществлялся индикаторами часового типа МИГ-1 с ценой деления 0,001 мм, а также тензорезисто-рами с базой 50 мм. На продольные арматурные стержни наклеивали тензорезисторы с базой 10 мм. Прогибы балок измерялись индикаторами часового типа модели ИЧ 10 МН с ценой деления 0,01 мм, в центре пролета балки прогибоме-ром Аистова, также с ценой деления 0,01 мм. Схема расстановки приборов и общий вид испытаний приведены на рис.3. Подробная методика испытаний изложена в [3].
Рис. 3 - Общий вид испытаний и расстановки приборов
Для анализа напряженно - деформированного состояния сечений опытных образцов строились зависимости «момент-кривизна», приведенные на рис.4. В полученных графиках можно выделить наличие трех участков. На первом участке указанные зависимости имеют практически линейный характер. Он характерен для работы образцов без трещин. Второй участок характеризует работу элемента с трещинами и до моментов составляющих примерно 0,70,8 от максимального. При образовании трещин наблюдается излом диаграммы, переходящий в наклонный участок с меньшим углом подъема. Третий участок характеризуется проявлением нелинейных свойств бетона, следствием чего является искривление зависимости «момент-кривизна» и наклон с еще меньшим углом к оси абцисс-кривизн. При моменте приближающемуся к максимальному, деформирование сечений происходит при значительном опережении роста кривизн по сравнению с моментом.
момент-кривизна
30 25
20
-Ф— БСМ I БСМ II
-»-БСМ III —м—БСМ IV
— У'.—0- / БСМ V БСМ VI
0,02 0,03
кривизна, 1/м
Рис. 4 - Опытная диаграмма момент-кривизна
Развитие прогибов в середине пролета от внешней нагрузки аналогично характеру развития кривизн. При трещинообразовании на кривых «нагрузка-прогиб» проявляется излом. Последующее развитие пластических деформаций в бетоне и арматуре придает нелинейность процессу нарастания прогибов.
Выполненные экспериментальные исследования позволили получить параметры напряженно деформированного состояния сборно-монолитных балок и подтвердить некоторые принятые предпосылки и допущения, положенные в основу разрабатываемой методики расчета.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 8829-94. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. - Взамен ГОСТ 8829-85; введ. 1998-01-01. - М.: ГУП ЦПП, 1997. - 14 с.
2. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. - Взамен ГОСТ 10180-78; введ. 1991-01-01. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 28 с.
3. Смоляго, Г.А. Методика проведения экспериментальных исследований однопролетных железобетонных балок / Г.А. Смоляго [и др.] // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: Сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - Ч.3. - С.154-158.
-0,01
0,00
0,01
0,04
0,05
0,06
