CC BY
22------ЖИЛИЩНОЕ ' —
строительство
УДК 624.072.221
М.А. ОРЛОВА, инженер (orlovamaria_na@mail.ru )
Ивановский государственный политехнический университет (153003, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20)
Экспериментальные исследования прочности железобетонных балок с трещинами
С целью изучения влияния различных дефектов на несущую способность изгибаемых элементов проведены экспериментальные исследования железобетонных балок с вертикальными и горизонтальными трещинами. Представлены результаты экспериментальных исследований и теоретических расчетов остаточной прочности железобетонных балок с различными трещинами. Приводятся таблицы, включающие схемы дефектов и нагружения, характеристики бетона и арматуры, соответствующие различным сериям балок, а также значения разрушающего изгибающего момента и степени снижения несущей способности балок с трещинами по сравнению с аналогичными без начальных дефектов. В заключение дается анализ влияния различных типов трещин на несущую способность железобетонных балок.
Ключевые слова: железобетонные балки, трещины, остаточная прочность.
M.A. ORLOVA, Engineer (orlovamaria_na@mail.ru) Ivanovo State Polytechnic University (20, 8 Marta Street, 153003, Ivanovo, Russian Federation)
Experimental Studies of Strength of Reinforced Concrete Beams with Cracks
For studying the influence of different defects on the bearing capacity of bending elements, experimental studies of reinforced beams with vertical and horizontal cracks have been conducted. The results of experimental studies and theoretical calculations of the residual strength of reinforced concrete beams with different cracks are presented. Tables including schemes of defects and loadings, characteristics of concrete and reinforcement corresponding to various series of beams, as well as values of the breaking bending moment and the ratio of reduction in the bearing capacity of beams with cracks in comparison with analogous beams without initial defects are also presented. In conclusion, the analysis of different cracks influence on the bearing capacity of reinforced concrete beams is given.
Keywords: reinforced concrete beams, crack, residual strength.
В процессе изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации в железобетонных конструкциях могут возникнуть различные дефекты, такие как нормальные трещины в растянутой зоне и локальные горизонтальные трещины в бетоне сжатой зоны, которые вызваны нарушением технологии изготовления или нормальных условий эксплуатации конструкций, а также влиянием нагрузок и неблагоприятных внешних факторов.
Определение остаточной несущей способности таких элементов является актуальной задачей и связано с оценкой прочности материалов [1-3].
Исследования железобетонных элементов с трещинами статической нагрузкой показывают, что их разрушение происходит не только при достижении напряжениями от внешней нагрузки предела прочности растянутой арматуры или бетона сжатой зоны. Согласно теории механики разрушения оно может произойти при накоплении микро- и макротрещин в определенном критическом объеме и достижении условной магистральной трещиной критической длины [4].
Критическая суммарная длина условных макротрещин отрыва и сдвига находится через коэффициенты интенсивности напряжений [5]:
L = -
Я<lRbt,ser)
К,
sh «(W
(1)
(2)
Величины критических коэффициентов интенсивности напряжений К1С и Кпс, характеризующие сопротивление
бетона распространению трещин [6], являются постоянными материала и определяются по формуле [7]:
К1С - К ' Rbt,ser" ,
(3)
где к0 = 4 - эмпирический коэффициент; - максимальный диаметр крупного заполнителя; Кы,*ег - сопротивление бетона осевому растяжению; Яь,,к на при сдвиге.
Согласно[7]:
предел прочности бето-
К„
= 3.
(4)
Для установления влияния дефектов на остаточную прочность и деформативность железобетонных изгибаемых элементов были проведены экспериментальные исследования балок, разделенных на 20 серий в зависимости от типа и параметров нормальных и горизонтальных трещин, армирования сечений и прочности бетона. Одновременно с балками, имеющими трещины, были изготовлены и испытаны балки без дефектов, имеющие аналогичное армирование, прочность бетона и геометрические размеры.
Балки изготовлены из тяжелого бетона различной прочности на сжатие В5, В14, В35, В50 со средним (0,82-1,15) и большим процентом армирования (2,08-2,44) и имеют прямоугольное сечение с конструктивными размерами 120x235 мм, длину 1500 мм и расчетный пролет 1200 мм. Поврежденный участок располагается в середине пролета, при этом варьируются количество и параметры нормальных
12'2015
33
Расчет конструкций
Н|Н
I
Характеристики балок с нормальными трещинами
Таблица 1
Серия
Схема дефектов
Характеристики материалов
Арматура
й, мм А, см
Бетон
Л, МПа
ы„/ыи1,
Несущая способность
Ми„ /Иш Снижение, %
Р Р
1 Г 1 г
0 ю
1 1 1
\. 400 I, 400
200 200
2014
3,1
37
0,32
0,885
11,5
и
37
0,38
А 111 X
| 400 I | | 400 | 200 200
2014
3,1
19
0,4
2020
37
0,25
0,88
0,82
0,984
12
18
1,6
Р 1 г 1 Р Г
11111 0 0
/1^)/ /7^77
| 400 ] 4x100 ] 400 [
2014
3,1
37
0,33
0,86
14
10
505050 5050 т и т
Р ^ 75 75^Р
3
37
0,18
А 11111 X
| 400 ] 4x100] 400
2020
19
0,33
0,973
0,92
2,7
11
15
12
16
20
РЫР
2014
3,1
37
0,3
19
0,295
3,32
0,8
37
0,13
). 400 ] 400 ] 400 ).
2020
19
0,37
4,94
0,67
10
0,4
2
9
3
4
6
8
7
0
0
4
0
8
0
0
4
0
0
трещин в растянутой зоне и горизонтальных трещин в сжатой зоне бетона. Схемы начальных дефектов и характеристики материалов, соответствующие различным сериям балок, указаны в табл. 1 и 2.
Армирование балок выполнено сварными каркасами, состоящими из двойной продольной рабочей арматуры из горячекатаной стали периодического профиля диаметром 14 или 20 мм; двойной продольной сжатой арматуры из горячекатаной стали периодического профиля диаметром 10 мм, расположенной в приопорных частях балки; поперечной арматуры из горячекатаной стали периодического профиля диаметром 10 мм, установленной с шагом 70 мм; монтажной арматуры, выполненной из холодноде-формированной проволоки периодического профиля диаметром 5 мм. Для выявления взаимодействия сжатого бетона и растянутой арматуры в зоне чистого изгиба продольная сжатая и поперечная арматура расположена только в
34 —
приопорной зоне в 1/3 части пролета и служит для предотвращения разрушения балки по наклонному сечению. Общий вид каркаса представлен на рис. 1.
Опытные образцы испытывались на изгиб статической нагрузкой до разрушения как однопролетные шарнирно опертые балки, нагруженные двумя сосредоточенными силами. При проведении эксперимента определялись величины нагрузок, соответствующие моментам трещинообразо-вания и разрушения балок [8]. Общий вид испытания балок представлен на рис. 2.
Анализ результатов испытания позволяет судить о степени влияния различных типов трещин и их параметров на несущую способность балок [9]. Экспериментальные данные представлены в табл. 1 и 2 в виде отношения момента трещинообразования к разрушающему Мсгс/Ми„ и в виде отношения разрушающего момента балки с трещинами к разрушающему моменту аналогичной балки без дефек-
^^^^^^^^^^^^^ 12'2015
И|Н
I
Характеристики балок с горизонтальными трещинами
Таблица 2
Серия
Схема дефектов
Характеристики материалов
Арматура
d, мм A,, см
Бетон
Rb, МПа
Mcrc /Mult
Несущая способность
MUII /Me
Снижение, %
Р Р „1
1 Г 1 5 г со[
2Г
2020
37
0,23
j 400 J )150j J 400 J
125 125
0,95
13
14
50 50 50 50 50 11Т 11 пг
Р^75 75^ Р
2014
3,32
0,82
.W7
) 400 J 400 J 400 J
2020
4,94
0,7
0,975
0,95
2,5
17
2020
10
0,43
sfs)s /7^77
]. 400 J j 300 J. [ 400 j. 50 50
0,875
12,5
18
2020
10
0,64
/7^77
]. 400 j j 300 J. ) 400 50 50
0,8
20
19
2020
10
0,63
/Jv)/ <7^77
j. 400 Ц100х3|J. 400 j. 50 50
0,825
17,5
5
5
4
4
5
тов Ми11/Мш. А также приведены средние по серии значения степени снижения несущей способности балок с дефектами по сравнению с аналогичными балками без трещин. В результате испытаний установлено, что остаточная несущая способность железобетонных балок, имеющих трещины, снижается в различной степени при увеличении количества или размеров трещин и при уменьшении расстояния между ними. Наличие горизонтальных трещин также уменьшает несущую способность изгибаемого элемента. При увеличении прочности бетона и степени армирования сечения влияние трещин на остаточную несущую способность железобетонных конструкций уменьшается. Несущая способность балок, имеющих трещины, снижается по сравнению с балками без дефектов в среднем на 12-14% для балок серий 1, 2, 4, 17; на 18-20% для балок серий 9, 18, 19; на 8% для балок серии 10 и менее чем на 5% для балок серий 3, 5, 6, 13, 14 [10].
12'2015 ^^^^^^^^^^^^^
Проведенные эксперименты позволили вывести эмпирические коэффициенты, учитывающие снижение прочности балок, имеющих трещины, по сравнению с балками без видимых повреждений, и разработать инженерный метод расчета остаточной несущей способности железобетонных изгибаемых элементов с трещинами.
В практических расчетах несущая способность по бетону сжатой зоны железобетонных балок с нормальными и горизонтальными трещинами вычисляется по формуле:
К^Ч-а-о^).*-^ (5)
где ^ - начальная относительная высота сжатой зоны бетона; Ь и йо - размеры поперечного сечения балки; - теоретические значения максимального напряжения в бетоне сжатой зоны балок с нормальными и горизонтальными трещинами, вычисляемые по формуле:
- 35
Расчет конструкций
1ЦН
I
Рис. 1. Общий вид каркаса
Рис. 2. Общий вид испытаний
<V =
(sina' - q> ■ cosa') ■ cosaVit '4
(6)
где Ф = 0,8 - коэффициент трения бетона; а' - угол сдвига бетона; к„ - эмпирический коэффициент, учитывающий изменение высоты сжатой зоны в балках с нормальными трещинами и определяемый по интерполяции в зависимости от параметров нормальных трещин, высоты сечения балки h и процента армирования сечения ц; кн - эмпирический коэффициент, учитывающий изменение высоты сжатой зоны в балках с горизонтальными трещинами и опре-
Сравнение экспериментальных
деляемый по интерполяции в зависимости от параметров горизонтальных трещин и высоты поврежденного участка в сжатой зоне. Если трещины отсутствуют, то к„ = 1 и кн = 1.
Сравнение экспериментальных данных и теоретических расчетов показало хорошую сходимость результатов. В табл. 3 приведены средние по серии значения экспериментального разрушающего момента М^иц, а также теоретические значения максимального напряжения в бетоне сжатой зоны балок с трещинами и результаты теоретических расчетов несущей способности балок с трещинами M^f, выполненных c использованием эмпирических коэффициентов. Для сравнения представлены результаты
г г SCAD
численного эксперимента Мь , вычисленные с помощью программного комплекса SKAD при моделировании объемного железобетонного элемента с трещинами.
Для защемленных балок в зданиях каркасного типа, а также плит перекрытий перераспределение фактических жесткостей элементов с трещинами имеет большое значение для оценки фактической надежности зданий с дефектными элементами [11, 12].
Таким образом, предлагаемый инженерный метод расчета позволяет оценить прочность изгибаемых железобетонных элементов с трещинами в растянутой или сжатой зоне бетона упрощенным способом, с точностью до 4%. Проведенные экспериментальные исследования балок с дефектами подтверждают верность теоретических расчетов по предлагаемой методике.
Список литературы
1.
Тамразян А.Г., Филимонова Е.А. Метод поиска резерва несущей способности железобетонных плит перекрытий // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 3. С. 23-25.
Тамразян А.Г., Дудина И.В. Обеспечение качества сборных железобетонных конструкций на стадии изготовления // Жилищное строительство. 2001. № 3. С. 8. Тамразян А.Г., Дудина И.В. Влияние изменчивости контролируемых параметров на надежность преднапряжен-ных балок на стадии изготовления // Жилищное строительство. 2001. № 1. С. 16-17.
Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Подход к оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных элемен-
Таблица 3
данных и теоретических расчетов
2.
3.
4.
Серия Эмпирический коэффициент К, kh Средние по серии экспериментальные значения М^, Теоретические значения
Максимальное напряжение в бетоне сжатой зоны Несущая способность МПа
Инженерный метод SKAD Инженерный метод MH'h г,SCAD МЬ
1 0,885 30,04 18,7 17,5 28,3 27
2 0,88 29,88 18,57 18,03 28,1 27,3
3 0,984 48 27,18 26,1 47,02 45,2
4 0,86 29,12 18,5 17,82 27,46 27
5 0,95 46,13 26,23 25,25 45,38 43,7
6 0,973 47,5 26,9 28,3 46,48 45,02
7 1 33,9 21,1 19,14 32 28,41
9 0,82 26,6 16,02 15,96 26,03 25,93
10 0,92 39,7 19,1 18,99 35,1 34,94
17 0,875 26,25 11,9 12,14 23,5 23,92
18 0,8 23,92 10,9 11,07 21,5 21,81
19 0,825 24,75 11,2 11,44 22,1 22,54
36
12'2015
И|Н
I
тов через параметры механики разрушения // Бетон и железобетон. 1994. № 5. С. 19-23.
5. Пирадов К.А. Теоретические и экспериментальные основы механики разрушения бетона и железобетона. Тбилиси: Энергия, 1998. 355 с.
6. Пересыпкин Е.Н., Шевцов С.В. Расчет изгибаемых железобетонных элементов с учетом сопротивления бетона распространению трещин // Известия Сочинского государственного университета. 2011. № 1. С. 106-115.
7. Пересыпкин Е.Н. Расчет стержневых железобетонных элементов. М.: Стройиздат, 1988. 168 с.
8. Орлова М.А. Испытания железобетонных балок с начальными трещинами. Ч. 1. Постановка и проведение эксперимента // Жилищное строительство. 2010. № 8. С. 39-42.
9. Орлова М.А. Результаты экспериментальных исследований несущей способности железобетонных балок с трещинами. ХРоссийско-польский семинар «Теоретические основы строительства». Варшава, 2001. С. 269-272.
10. Орлова М.А. Испытания железобетонных балок с начальными трещинами. Ч. 2. Результаты эксперимента // Жилищное строительство. 2010. № 9. С. 38-42.
11. Тамразян А.Г. Особенности работы высотных зданий // Жилищное строительство. 2004. № 3. С. 19-20.
12. Тамразян А.Г., Филимонова Е.А. Рациональное распределение жесткости плит по высоте здания с учетом работы перекрытия на сдвиг // Вестник МГСУ. 2013. № 11. С. 84-90.
References
1. Tamrazyan A.G., Filimonova E.A. Method of search of a reserve of the bearing ability of ferroconcrete plates of overlappings. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2011. No. 3, pp. 23-25. (In Russian).
2. Tamrazyan A.G., Dudina I.V. Ensuring quality of combined ferroconcrete designs at a production stage. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Cjnstruction]. 2001. No. 3, pp. 8. (In Russian).
3. Tamrazyan A.G., Dudina I.V. Influence of variability of controlled parameters on reliability of preintense beams on production stages. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Cjnstruction]. 2001. No. 1, pp. 16-17. (In Russian).
4. Piradov K.A., Guzeev E.A. Approach to an assessment of the intense deformed condition of ferroconcrete elements through parameters of mechanics of destruction. Beton i zhelezobeton. 1994 No. 5, pp. 19-23. (In Russian).
5. Piradov K.A. Teoreticheskie i eksperimental'nye osnovy mekhaniki razrusheniya betona i zhelezobetona [Theoretical and experimental bases of mechanics of destruction of concrete and reinforced concrete.] Tbilisi: Energiya. 1998. 355 p.
6. Peresypkin E.N., Shevtsov S.V. Calculation of the bent ferroconcrete elements taking into account the concrete resistance to distribution of cracks. Izvestiya Sochinskogo gosudarstven-nogo universiteta. 2011. No. 1, pp. 106-115. (In Russian).
7. Peresypkin E.N. Raschet sterzhnevykh zhelezobetonnykh elementov. [Calculation of rod ferroconcrete elements]. M.: Stroiizdat, 1988. 168 p.
8. Orlova M.A. Test of reinforced concrete beams with cracks Part 1. Organization and conduct of experiment. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Cjnstruction]. 2010. No. 8, pp. 39-42. (In Russian).
9. Orlova M.A. Results of experimental investigations investigation of bearing capacity of reinforced concrete beams with cracks. X Russian-Polish seminar «Theoretical Bases of Construction». Warsaw. 2001, pp. 269-272.
10. Orlova M.A. Test of reinforced concrete beams with cracks Part 2. Results of experiment. Zhilishchnoe Stroitel'stvo. 2010. No. 9, pp. 38-42. (In Russian).
11. Tamrazyan A.G. Features of work of high-rise buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Cjnstruction]. 2004. No. 3, pp. 19-20. (In Russian).
12. Tamrazyan A.G., Filimonova E.A. Rational distribution of rigidity of plates on building height taking into account work of overlapping on shift. Vestnik MGSU. 2013. No. 11, pp. 84-90. (In Russian).
Компания PERI открыла завоп в России
НОШОВПШ
Осенью 2015 г. состоялось открытие первого российского завода компании PERI, одного из крупнейших мировых производителей опалубки и строительных лесов. Завод по производству двутавровой балки VT 20, используемой в системах опалубки перекрытий, в частности PERI MULTIFLEX, построен на территории многофункционального комплекса компании в г. Ногинске (Московская обл.). Его производительность составит 2,15 млн п. м балки в год, что позволит провести опалубку 760 тыс. м2 типового перекрытия. В качестве сырья используется только ель северных пород, которую PERI закупает в Карелии и Ленинградской области.
Продукция предприятия будет поставляться не только по России, но также в страны СНГ и при необходимости на экспорт в Европу. Производство будет сертифицировано в системах ГОСТ и ISO. На заводе применяется строгая система контроля качества сырья и конечной продукции, установлено современное оборудование и используются технологические ноу-хау. По словам генерального директора ООО «ПЕРИ» Х. Чики, компания PERI -единственный из европейских производителей опалубки, который осуществил запуск производства в России.
Номенклатурный ряд продукции нового предприятия включает 22 товарные позиции. Это двутавровая балка 11 типоразмеров в двух вариантах исполнения - с металлическими наконечниками на торцах и без них. Благодаря использованию конструктивных и производственных инноваций бал-
ка VT 20 отличается улучшенными эксплуатационными характеристиками и высокой оборачиваемостью. Продукт специально разработан с расчетом на длительное многократное использование. Высокая износостойкость делает его незаменимым, в том числе и в рамках арендной программы, которую представляет PERI. В условиях кризиса строительные компании работают в режиме строгой экономии и аренда опалубки для них - один из лучших способов сократить производственные расходы.
Первый заместитель министра инвестиций и инноваций Московской области В.В. Хромов отметил, что компания PERI работает в Подмосковье уже 10 лет и на практике доказала, что является добросовестным партнером. Московская область подтверждает свои партнерские отношения со всеми компаниями, целью которых является долгосрочное перспективное развитие бизнеса в России. Как подчеркнул чиновник, ООО «ПЕРИ» вносит значительный вклад в развитие рынка строительного оборудования региона.
Муниципальные структуры Ногинска имеют опыт использования продукции PERI при строительстве социальных объектов. В частности, в 2014 г. поставленная компанией опалубка применялась при строительстве спортивных объектов, а в 2015 г. с ее использованием в Ногинском районе возводится четыре детских сада.
По материалам пресс-службы компании PERI
12'2015
37
