К ВЫБОРУ АРМИРОВАНИЯ БЕТОНА, ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.42.011.25:691.328

Жиренков А.Н., Жиренков А.А. Zhirenkov A.N., Zhirenkov A.A.

К выбору армирования бетона, эксплуатируемого в условиях трехосного напряженно-деформированного состояния

Choosing Concrete Reinforcement Operated in Triaxial Stress-Strain States

В данной статье приведены примеры разрушения строительных сооружений, выполненных из железобетона, работающих в условиях сложнонапряженного состояния. Нами проведены исследования работы тяжелого бетона при трехосном сжатии. Установлено изменение значения коэффициента Пуассона в процессе нагружения. Это рекомендуется учитывать в расчетах сооружений.

This article provides the examples of the destruction of building structures made of reinforced concrete and exploited in difficult stress conditions. We have carried out the research of exploitation of weighted concrete under triaxial compression. Attention is drawn to the change of the value of Poisson's ratio in the process of loading. The results are recommended to be taken into account in the calculation of structures.

Ключевые слова: разрушения строительных конструкций, трехосное сжатие, изменение коэффициента Пуассона.

Key words: destruction of building structures, triaxial, change of Poisson's ratio.

Конструкционный материал - обычный тяжелый бетон, который является основным строительным материалом, применяемым как в граж-

данском, промышленном, так и в специальном строительстве (рис. 1-5).

Рис. 1. Мост Миллау (Франция) (высота опоры - 343 м)

Рис. 2. Бурдж-Халифа (высота сооружения - 828 м, 163 эт.)

Рис. 3. Мост имени Володарского через Неву (арки выполнены на основе трубобетона)

Обычно в наиболее нагруженных внешними силовыми воздействиями элементах таких сооружений, выполненных традиционным способом: без косвенного армирования либо при его конструктивном назначении происходит локали-

зация напряжений и деформаций, вызывающая сложнонапряженное состояние элемента, что может привести к исчерпанию несущей способности и разрушению как отдельно работающего элемента, так и всего сооружения (рис. 6, 7).

Рис. 6. США. Серебряный мост (через 39 лет с момента постройки обвалился). Основная версия - опоры не выдержали все возрастающую интенсивность движения

Рис. 7. Разрушение аквапарка «Трансвааль-парк» в Ясеневе (Москва, 2004 г.)

Существующая методика расчета железобетонных конструкций предполагает их работу в условиях преимущественно линейного нагруже-ния, ориентированную на сохранение соотношения поперечных деформаций по отношению к продольным в диапазоне всей работы элемента вплоть до его разрушения. Исходя из этого предположения назначается и его поперечное армирование. Обычно в расчетах принимается значение коэффициента С. Пуассона ц = 8х/8у равным ц = 0,17...0,20. По нашему мнению, по результатам экспериментов работы цементных бетонов на трехосное сжатие и реальным событиям разрушений сооружений, вызванных, например, землетрясениями, видно, что с увеличением значений бокового обжатия элемента меняется и характер развития магистральной трещины разрушения. При малом боковом обжатии развитие трещины разрушения совпадает с направлением силового воздействия, при значи-

тельном боковом - трещина разрушения отклоняется от линии действия усилия и может стремиться к нормали к ней. Это вызвано интенсивным опережающим развитием поперечных деформаций, а, следовательно, и фактором увеличения коэффициента Пуассона при нагружении элементов, работающих в сложнонапряженном состоянии.

На рис. 8 видно, что при землетрясении колонны 2-го этажа равного поперечного сечения, без косвенного/поперечного армирования разрушились, другие, с косвенным армированием восприняли нагрузку от разрушенных колонн, они частично потеряли устойчивость, но сохранились и тем самым предотвратили разрушение больницы [2].

Результаты испытаний образцов бетонов были выполнены в установке типа цилиндр-поршень в ВНИИФТРИ (рис. 9).

б

Рис. 8. Разрушение больницы (Япония):

а - картина разрушения угловых колонн 2-го этажа; б - изгиб колонны 2-го этажа со спиральными хомутами

а

б

Рис. 9. Установка для испытания на трехосное сжатие (ВНИИФТРИ):

(технические характеристики установки: максимальное давление масла в цилиндре - 100 МПа; осевое усилие сжатия - 1 МН; внутренний диаметр рабочей камеры - 110 мм; длина рабочей части камеры - 600 мм; 35 электровводов, в том числе для ультразвуковых преобразователей); а - общий вид установки цилиндр-поршень; б - электровводы, размещенные в головке (пробке) установки; в - схема квазигидроподушки; г - квазигидроподушка, объединенная с шаровым шарниром

а

г

Характер разрушения испытанных образцов [1]. Испытания образцов были выполнены при простом или сложном нагружении. Виды нагру-жений:

1. Простое: соотношение напряжений бокового к осевому постоянно: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25.

2. Сложное: по боковому давлению, определенному из испытаний в режиме простого нагружения, производится осевое нагружение до исчерпания образцом несущей способности (рис. 10).

а б в

Рис. 10. Образцы трубобетонных элементов:

а - цементный камень; б - мелкозернистый бетон; в - обычный тяжелый бетон

В НИИЖБ проводились испытания трубобетонных элементов различного поперечного сечения (рис. 10): квадратное, прямоугольное, круглое. Образцы имели одинаковый расход бетона и стали. Испытания проводились на трехосное сжатие (рис. 11).

Рис. 11. Трехосное сжатие

В результате опытов сделаны следующие выводы: объемное сложно-напряженное состояние бетона при сжатии приводит к интенсивному опережающему развитию поперечных деформаций растяжения е и ц значительно отличному от ц, принятому в расчетах статически определимых систем. Исходя из результатов выполненных исследований, а также с учетом ха-

рактера разрушения бетонов при сложнонапря-женном состоянии мы предлагаем в расчетах учитывать изменения коэффициента Пуассона, который будет различаться в зависимости от предполагаемого вида нагружения, применяемого материала с учетом данных, представленных на рис. 12 (диаграммы построены по результатам проведенных испытаний).

Диаграммы ai-v"' при пропорциональном нагружении сто/ai = 0,0; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25

0.80

Коэффициент поперечных деформаций у'"

Диаграммы ai-v''' обычного тяжелого бетона при непропорциональном нагружении a (a0/ai) = 0,0; 3,9 МПа (0,05); 14,2 МПа (0,10); 32,3 МПа (0,15); 55,7 МПа (0,20); 78,5 МПа (0,25)

- 350 ■

1 —•— vO.O

—v-0.05 —v-0.10

—•—v-0.15 —ш—v-O 20

» V- -0.25

0 -

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Коэффициент поперечных деформаций у'''

Рис. 12. Коэффициенты поперечных деформаций

Литература

1. Жиренков А. Н. Деформирование и прочность обычного тяжелого бетона при сложном напряженном состоянии : дис. ... канд. техн. наук. М. : Изд-во МГОУ, 2009. 205 с.

2. Сюй Пэйфу. Проектирование современных высотных зданий. М. : АСВ, 2008. 480 с.