Испытания железобетонных балок с начальными трещинами часть 2. Результаты эксперимента Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

------ЖИЛИЩНОЕ -

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.072.22

МЛ. ОРЛОВА, инженер ([email protected]), Ивановский государственный архитектурно-строительный университет

Испытания железобетонных балок

с начальными трещинами Часть 2. Результаты эксперимента

Испытаны железобетонные балки с начальными вертикальными и горизонтальными трещинами. Представлены диаграммы деформирования балок в зависимости от относительного момента M/Mut и таблицы, включающие значения разрушающего и относительного изгибающего моментов Mult/Mtest, а также значения степени снижения несущей способности балок. Дан анализ влияния различных типов трещин на несущую способность и напряженно-деформированное состояние железобетонных балок.

Ключевые слова: трещиностойкость, деформации, железобетонные балки, изгибаемые элементы.

Решение вопроса дальнейшей безопасной эксплуатации или усиления поврежденных конструкций требует для каждого конкретного случая применения адекватной методики оценки их остаточной несущей способности на основе анализа результатов экспериментально-теоретических исследований. Данная статья является продолжением опубликованной ранее [1].

С целью изучения влияния различных дефектов на остаточную прочность и деформативность железобетонных изгибаемых элементов, изготовленных на основе ВНВ, одновременно были изготовлены и испытаны балки с начальными трещинами и без дефектов с аналогичными армированием и прочностью бетона. При проведении сравнительного анализа результатов эксперимента определяли степень влияния различных дефектов на несущую способность и момент трещинообразования. При этом устанавливали характер разрушения балок, закономерности развития трещин, прогибов, деформаций бетона и арматуры в зависимости от количества типа и параметров начальных трещин, процента армирования сечения и прочности бетона при сжатии.

Разрушение балок серии 6 и 10 [1] происходило в зоне чистого изгиба от раздробления сжатого бетона в результате развития магистральной трещины, соединяющей вершины нормальных трещин с горизонтальными.

Разрушение остальных опытных образцов также носило хрупкий характер и происходило по нормальному сечению в результате раздробления бетона сжатой зоны и при работе растянутой арматуры в упругой стадии.

Проведенные испытания позволили выявить характер трещинообразования в балках с начальными нормальными трещинами в сжатой зоне бетона и горизонтальными трещинами в растянутой зоне.

Так, в балках серии 2 и 4 [1] первые трещины развивались в зоне чистого изгиба из вершин начальных нормальных трещин при значениях внешнего момента М=0,32-0,4 разрушающего Ми„ в балках серии 2, М=0,34-0,36Ми„ в балках серии 4. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровож-

далось быстрым развитием нормальных трещин по высоте. Одновременно при М=0,31-0,43МШ,, происходило образование и развитие наклонных трещин в приопорных зонах; при М=0,55-0,65Миц в зоне чистого изгиба образуются новые нормальные трещины в балках серии 1, 2, 3. В отличие от этого в балках серии 4 новые нормальные трещины в зоне чистого изгиба не образовывались. В дальнейшем интенсивность развития трещин по высоте замедляется и практически завершается при М=0,7-0,88МШ,.

При сравнении характера трещинообразования и разрушения балок серии 2 и 4 выявлено, что уменьшение шага начальных нормальных трещин приводит к существенным отличиям.

В балках с горизонтальными трещинами глубина развития нормальных трещин больше, причем под начальной трещиной высота вертикальной трещины несколько больше, чем вне ее. Так, в балках с большим процентом армирования и одной горизонтальной трещиной серии 5 первые одна-две нормальные трещины в растянутой зоне бетона образуются при М=0,2-0,27МШ, в зоне чистого изгиба в сечениях под горизонтальной трещиной. При увеличении нагрузки происходит образование новых нормальных трещин. При М=0,68-0,83МШ, трещины интенсивно развиваются вверх по сечению, но, первоначально ориентированные нормально к продольной оси элемента, они по мере увеличения нагрузки все более отклоняются в направлении мест приложения сил. При значениях внешнего изгибающего момента М=0,75-0,9МШ, образование новых трещин и их рост практически приостанавливается и происходит их заметное раскрытие. В зоне чистого изгиба формируются четыре-пять нормальных трещин. Среднее расстояние между трещинами составляет 0,39-0,48И. На стадии, близкой к разрушению, происходит рост горизонтальной трещины по длине балки к местам приложения нагрузок. При этом вершины нормальных трещин, расположенных в зоне чистого изгиба, искривляются в сторону середины пролета и сливаются с горизонтальной трещиной. Происходит разрушение бето-

Расчет конструкций

на сжатой зоны при достижении горизонтальном трещиной предельной величины.

При сравнении схем разрушения балок, имеющих как нормальные трещины в растянутой зоне, так и горизонтальные трещины в сжатой зоне, выявлено, что на характер трещинообразования влияет прочность бетона.

Так, в балках серии 6 первые наклонные трещины образуются в приопорных зонах при М=0,16-0,23Ми|1. А рост трех начальных нормальных трещин в зоне чистого изгиба начинается при 0,24-0,28Ми|1 и происходит их быстрое развитие по высоте до 0,75-0,8И. Одновременно появляются новые наклонные трещины в крайних третях пролета. Образование новых трещин и рост начальных нормальных трещин практически завершается при М=0,7-0,76Ми|1. Новые трещины между начальными нормальными трещинами не образуются. На стадии, близкой к разрушению, происходит рост еще двух начальных нормальных трещин, соединение вершин нормальных и горизонтальных трещин и рост горизонтальных трещин в направлении мест приложения сил. Дальнейшее увеличение внешней нагрузки сопровождается интенсивным раскрытием трещин и завершается разрушением бетона сжатой зоны.

При уменьшении прочности бетона балок с начальными дефектами характер развития трещин также изменяется. Так, в балках серии 10, имеющих такие же начальные дефекты и армирование, как в балках серии 6, но меньшую прочность бетона, первые трещины образуются также в приопорных зонах, но при большем значении внешнего изгибающего момента, равного 0,3-0,37Ми|1. Развитие начальных нормальных трещин происходит при М=0,5-0,86 разрушающего. При М=0,56-0,95Ми|1 в отличие от балок с более высокой прочностью бетона при сжатии, между начальными вертикальными трещинами образуются новые нормальные трещины в зоне чистого изгиба. На стадии, близкой к разрушению, происходит соединение вершин нормальных трещин с горизонтальными и рост горизонтальных трещин по длине балки к местам приложения внешних сил.

Таким образом, момент трещинообразования тем выше, чем меньше прочность бетона и больше процент армирования, а также зависит от вида дефекта. В балках без дефектов и с начальными горизонтальными трещинами первые трещины начинают развиваться на более ранних этапах нагружения и образуются сначала в зоне чистого изгиба, развиваются до середины высоты сечения, затем рост замедляется, происходит их раскрытие и появляются новые трещины в крайних третях пролета, которые по мере увеличения нагрузки отклоняются к местам приложения сил. В балках с начальными вертикальными трещинами развитие трещин происходит при большем значении внешнего изгибающего момента и начинается с образования наклонных трещин в приопорных зонах. По мере приложения нагрузки появляются новые нормальные трещины в зоне чистого изгиба. При внешнем моменте, составляющем 60-95% разрушающего (М=0,6-0,95Ми|1), наблюдается разветвление нормальных трещин в их вершинах. В балках с начальными горизонтальными трещинами на стадиях, близких к разрушению, развиваются магистральные трещины, связывающие вершины вертикальных трещин с горизонтальными. В этот же момент времени между начальными нормальными трещинами развиваются горизонтальные трещины на уровне растянутой арматуры.

Проведенные исследования показали, что на глубину проникновения и характер развития трещин влияет не только количество, вид и параметры начальных дефектов, но и процент армирования балок. Чем больше процент армирования, тем меньше глубина проникновения трещины И. Кроме того, при увеличении призменной прочности бетона Rb расстояние между нормальными трещинами и глубина их проникновения уменьшаются.

Анализ результатов испытания также позволяет судить о степени влияния различных типов начальных трещин и их параметров на напряженно-деформированное состояние балок.

Для выявления особенностей деформирования материалов были построены графики (рис. 1-4) средних деформаций рабочей арматуры £зт-105 и средних деформаций бетона £Ьт-105 на различных уровнях высоты элемента в зависимости от относительного изгибающего момента М/Ми|1, где Ми|, - разрушающий момент балки; М - внешний изгибающий момент, соответствующий определенному этапу нагружения.

Средние деформации бетона определяли как среднеарифметическое показаний тензодатчиков, расположенных на одном уровне по высоте сечения.

Цифрами обозначены значения средних деформаций рабочей арматуры в зоне чистого изгиба £зт-105 (5), средних деформаций бетона £Ьт-105 крайнего сжатого волокна (1) и боковых граней на высоте сечения элемента: на 60 мм от крайнего сжатого волокна (2), на 120 мм (3).

Из приведенных графиков видно, что соблюдается прямолинейная зависимость между деформациями и изгибающими моментами на различных этапах нагружения. Однако в зависимости от уровня нагружения эти графики имеют различные углы наклона к оси деформаций, что свидетельствует о снижении модуля деформаций материалов при увеличении значения изгибающего момента.

На первых этапах нагружения до начала развития трещин деформации бетона и арматуры возрастают пропорционально увеличению нагрузки. Этой стадии соответствует начальный прямолинейный участок диаграммы деформирования. Причем деформации растянутой арматуры и бетона сжатой грани развиваются синхронно.

С началом развития трещин в бетоне растянутой зоны рост деформаций бетона и арматуры увеличивается. Усилия в сечениях с трещинами воспринимаются арматурой и растянутым бетоном над трещиной, а на участках между трещинами - бетоном и арматурой совместно. Деформации бетона развиваются нелинейно, причем это особенно заметно у сильно армированных элементов. Также наблюдается рост деформаций бетона, причем более интенсивно деформации бетона развиваются в среднеармированных элементах и менее интенсивно - в сильноармированных балках. Это объясняется тем, что в среднеармированных элементах в отличие от сильноармированных развиваются неупругие деформации арматуры и трещины в бетоне. Дальнейшее деформирование сопровождается дроблением бетона сжатой зоны. Деформации бетона достигают предельной величины с одновременным увеличением деформаций растянутой арматуры. Развитие деформаций бетона сжатой зоны происходит неодинаково по высоте сечения. Продольные деформации сжатия и растяжения по высоте нормального сечения балок распределяются по линейному закону с максимумом деформаций сжатия у

ЖИЛИЩНОЕ

Диаграммы деформаций материалов балки Б 2-1-1 М/Ми№ 1

3 - 0,9 5

2 \

- 0,8

1У / - 0,7

\ 1 - 0,6

\ ■ - 0,5

\ ■ - 0,4

\| - 0,3 /

и - а^

1 1 1 1 1 -/0,1 ' 1 1111

-300-250-200-150-100 -50 ЁЬт0,00001

0 50 100 150 200 250 300

е5т0,00001

Относительные деформации График прогибов

М/Ми„ 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

9 10 11 12 13 14

1 мм

Рис. 1. Графики деформирования балки Б 2-1-1 с начальными нормальными трещинами

Диаграммы деформаций материалов балки Б 5-1-1 1 М/Ми!1

н 0,9 -

ш ^ 0,8 -

о ^ 0,7 -

15 X 1У ^ 0,6 -

.0 \ 0,5 -

^ о \ 0,4 -

о X \ 0,3 -

О \,2 -

-

3

5

_1_

_1_

_1_

_1_

0,ХЧ/ _1_

-300 -250 -200-150-100 -50 ЁЬт0,00001

0

100 150 200 250 300

Относительные деформации График прогибов

М/Ми„ 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

1,мм

Рис. 2. Графики деформирования балки Б 5-1-1 с начальной горизонтальной трещиной

Диаграммы деформаций материалов балки Б 6-1-1

1

М/Ми!1

н 0,9 -

0 ^ 0,8 -

о ^ 0,7 -

±У

.0 X \ 0,6 -

.0 \ 0,5 -

о \ 0,4 -

о X \0,3 -

о 0,2 -

_1_

_1_

_1_

_1_

_1_

-300-250-200-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300

ЕЬт0,00001 Е5т0,00001

Относительные деформации

М/Ми„ 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0

График прогибов

23

56

9 10 11 12

1 мм

Рис. 3. Графики деформирования балки Б 6-1-1 с начальными горизонтальными и нормальными трещинами

Диаграммы деформаций материалов балки Б 4-1-1 1 М/Ми!1

0,9 -

0,8 И 5

1У V 0,7-

\ 0,6

\ 0,5

\ 0,4

\,3 3

1 1 1 0,г\ 1 1 V 1 1111

-300Ч

М/Ми„ 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

250-200-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300

.0,00001 Е^-0,00001

Относительные деформации

График прогибов

0

23456

8 9 10 11 12 13

1, мм

Рис. 4. Графики деформирования балки Б 4-1-1 с начальными нормальными трещинами

5

3

7

4

7

8

------жилищное

СТРОИТЕЛЬСТВО

Расчет конструкций

верхней грани и максимумом деформаций растяжения у нижней грани. Деформации арматуры растут практически линейно. Таким образом, деформации материалов развиваются с различной интенсивностью на всем протяжении испытаний.

Развитие прогибов опытных образцов железобетонных балок происходит в зависимости от параметров начальных трещин, прочности бетона и степени армирования сечения. Во всех испытанных балках происходит увеличение прогибов при возрастании уровня нагружения, причем интенсивность их развития была различной на разных этапах нагружения. Из приведенных на рис.1-4 графиков прогибов в середине пролета (^ мм, вычисленных с учетом осадки опор) в зависимости от относительного момента М/Ми|, видно, что соблюдается прямолинейная зависимость на различных этапах нагружения. Однако при различных уровнях нагружения эти графики имеют различные углы наклона к оси деформаций.

На первых этапах нагружения до начала развития нормальных трещин изменение прогибов с ростом внешней нагрузки имеет линейный характер, т. е. прогибы возрастают пропорционально увеличению нагрузки. Эта стадия представлена начальным, прямолинейным участком на графике прогибов и соответствует упругой работе бетона и арматуры. Причем крутизна участка зависит от количества растянутой арматуры, а также от наличия начальных, нормальных трещин. Чем меньше растянутой арматуры, тем незначительнее рост прогибов элементов на начальном этапе нагружения. В балках с начальными дефектами при тех же значениях нагрузки прогибы больше, чем в балках без них. Небольшой перелом на графике и переход в участок с меньшим подъемом соответствует началу образования и развития трещин в растянутой части, появлению неупругих деформаций бетона и, как следствие, изменению эпюры деформаций по высоте сечения элемента. Этот перелом более выражен в диаграммах среднеармированных элементов. В диаграммах элементов с большим содержанием растянутой арматуры наблюдается плавный переход без резкого нарастания прогиба.

На графике прогибов отмечается новый перелом и интенсивный рост прогибов, когда в бетоне сжатой и растянутой частей сечения интенсивно возрастают напряжения. В этот момент формируются локальные зоны разрушения, наблюдается переориентация направления движения трещин. Необходимо добавить, что на стадии разрушения прогибы среднеармированных балок достигали значительных величин и стали визуально заметными. В сильноармиро-ванных балках с невысокой прочностью бетона не было визуально заметных прогибов. Кроме того, после снятия внешней нагрузки сильноармированные балки и балки с невысокой прочностью бетона вернулись в первоначальное положение.

Наличие изломов на графике прогибов свидетельствует о снижении жесткости железобетонных балок при увеличении уровня нагружения. Совместное рассмотрение графиков развития прогибов и деформаций материалов показывает, что снижение жесткости в основном происходит по растянутой зоне вследствие снижения модуля деформаций бетона и развития нормальных трещин.

Для образцов серии 4 с наименьшим шагом начальных нормальных трещин в зоне чистого изгиба деформации бе-

тона сжатой зоны были наибольшими и, как следствие, при одинаковых уровнях нагружения балки этой серии имели наибольшее значение прогибов.

Увеличение степени армирования сечения приводит к увеличению жесткости зоны чистого изгиба и к уменьшению прогибов по сравнению с прогибами среднеармиро-ванных элементов.

Увеличение длины и количества начальных горизонтальных трещин приводит к некоторому уменьшению жесткости зоны чистого изгиба и к увеличению прогибов при одинаковых относительных значениях изгибающего момента.

На величину прогиба также оказывает влияние приз-менная прочность бетона. Для образцов серии 6 деформации бетона сжатой зоны, а следовательно, и прогибы при одинаковых уровнях нагружения были больше, чем в аналогичных балках серии 10 с меньшей прочностью бетона. Так, например, при относительных значениях изгибающего момента М=0,95Ми|1 прогиб образца Б 6-1-1 составил 10,3 мм, а для образца Б 6-1-2 прогиб составил 7,4 мм.

Таким образом, на развитие прогибов балок оказывает влияние в большей степени процент армирования сечения и в незначительной степени прочность бетона, количество и вид начальных трещин, а глубина проникновения начальных нормальных трещин практически не влияет на характер развития прогибов.

В результате испытаний установлено, что на величину разрушающего момента влияет ряд факторов. Увеличение начальной глубины трещины, а также наличие горизонтальных трещин уменьшают несущую способность изгибаемого элемента. Так, при увеличении глубины начальных нормальных трещин приблизительно до середины высоты сечения в балках серии 2 несущая способность снижается на 12%.

Кроме того, на прочность также оказывают влияние количество начальных нормальных трещин и расстояние между ними. При увеличении количества начальных трещин в балках серии 4 и уменьшении их шага несущая способность уменьшается на 14%.

При сравнении несущей способности балок серий 6, 3 и 8, имеющих одинаковые прочность бетона и степень армирования сечения, но разные дефекты, выяснилось, что наличие горизонтальных трещин в балках серии 6 уменьшает их несущую способность по сравнению с балками серии 3 на 1,1%, а по сравнению с балками без дефектов серии 8 -на 2,7%.

Влияние параметров трещин на разрушающий момент увеличивается при снижении прочности бетона. В балках серий 6 и 10, имеющих одинаковые степень армирования сечения, глубину проникновения, количество и шаг начальных нормальных трещин, но различную прочность бетона, оказалось, что при уменьшении призменной прочности бетона при сжатии в 1,9 раза несущая способность уменьшается на 5,3%.

Процент армирования влияет на несущую способность балок в большей степени, чем прочность бетона. В балках, имеющих одинаковые прочность бетона, глубину проникновения, количество и шаг начальных нормальных трещин, но различную степень армирования сечения, несущая способность ниже, чем в балках без дефектов на 12% для среднеармированных балок серии 2 и на 1,6% для сильноарми-рованных балок серии 3.

—-----жилищное —

СТРОИТЕЛЬСТВО

Таблица 1

Серия Характеристики арматуры Несущая способность Характеристики бетона

А,., см2 м^™ Ми|/Иея Снижение, % Яь, МПа

1 30,04 0,885 11,5 37

2 3,1 29,88 0,88 12

9 26,6 0,82 18 19

3 5,98 48 0,984 1,6

4 3,1 29,12 0,86 14 37

6 47,5 0,973 2,7

10 39,7 0,92 8 19

Таблица 2

Серия Характеристики арматуры Несущая способность Характеристики бетона

А,., см2 Ми|Мея Снижение, % Яь, МПа

5 5,98 46,13 0,95 5 37

17 26,25 0,875 12,5 10

18 5,98 23,92 0,8 20

19 24,75 0,825 17,5

14 4,94 20 0,95 5 4

13 3,32 9,75 0,975 2,5

Экспериментальные данные представлены в табл. 1 и 2 в виде среднего по серии значения разрушающего изгибающего момента МеХр,т и относительного момента Ми|,/М,ез1, где Ми|, - разрушающий момент балки с начальными трещинами, М,ез, - разрушающий момент аналогичной балки без дефектов. А также приведены средние по серии значения степени снижения несущей способности балок с дефектами по сравнению с несущей способностью аналогичных балок без них.

В результате испытаний установлено, что несущая способность железобетонных балок, изготовленных на основе ВНВ и имеющих начальные трещины, снижается в различной степени, в зависимости от количества, вида и параметров начальных трещин. При этом оказывают влияние про-

цент армирования сечения и прочность бетона при сжатии. При увеличении прочности бетона и степени армирования сечения влияние начальных трещин на остаточную несущую способность балок уменьшается.

Таким образом, наличие начальных дефектов в железобетонных балках влияет на характер трещинообразования и разрушения, на его прочность и деформативность.

Литература

1. Орлова М.А. Испытания железобетонных балок с начальными трещинами. Часть 1. Постановка и проведение эксперимента // Жилищное строительство. 2010. № 8. С. 39-42.

угиАирЬ

. пвжд^народиый I ' 8ьств0очно-оагсЙой ивмтр

С

строител ьство а р х и те кту р а

Красноярск

18-21 января 2011

XIX специализированная выставка строительных и архитектурных проектов, новых технологий и оборудования в строительстве, строительных и отделочных материалов.

Ежегодный конкурс архитектурных проектов «Ордер воплощения«

МВДЦ «Сибирь», ул. Авиаторов, 19 Тел.: (391) 22-88-405, 22-88-613 22-88-611 (круглосуточно) www.krasfair.ru

ифнииаглнйп пцвдержка

Информационна* тацьсрма:

в, те.—

1*11

ташга