CC BY
67
ПРОЧНОСТЬ СТЕН С ТРЕЩИНАМИ ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СДВИГАЮЩИХ НАГРУЗОК*
В.В. Леденев, Я.В. Савинов, Д.П. Щукин, А.В. Переделкин
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ГОУ ВПО «ТГТУ» Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: концентрация напряжений; механизм разрушений; несущая способность; ступенчатая наклонная трещина.
Аннотация: Приведены результаты экспериментов с моделями стен, имеющих трещины. Описаны серии экспериментов с целью выявления функций влияния основных параметров трещин на прочность стен. Изучен механизм деформирования стен.
Введение. Обследование зданий [1, 2] показало, что в стенах имеются трещины разной формы, размеров и расположений. Влияние их на прочность стен мало изучено. В ряде книг [3-5, 7] приводятся коэффициенты снижения прочности. Однако они требуют экспериментальной проверки. Основным параметром в этих исследованиях является длина трещин. В течение 5 лет на кафедре КЗиС ТГТУ проводились исследования моделей с дефектами [1]. Влияние сдвигающих нагрузок не учитывалось. Анализ характеристик взаимодействия элементов зданий показал, что на стены зданий одновременно действуют вертикальные напряжения и сдвигающие силы. Это исследовалось в [3, 5], но без учета дефектов.
В качестве основных видов повреждений рассмотрены диагональные трещины со ступенями трех типов (рис. 1). В соответствии с этим определены три влияющих параметра: относительный шаг ступени ййер = к^ер / I, где к^ер - высота составляющих ступенчатой трещины, варьируется в пределах ййер = 1; 3; 5; 10 см;
Pz Pz Pz
Рис. 1. Расчетные схемы моделей стен со сквозными ступенчатыми трещинами при изменении их влияющих параметров
* Принято к печати 16.11.2006 г.
I - длина стены; а = 15°; 30°; 45°- угол наклона вертикальных участков ступенчатой трещины; в = 15°; 30°; 45°- угол горизонтальных составляющих ступенчатой трещины.
Моделями стен являлись бетонные пластины с размерами 1хкХ = = 300x300x50 мм, где I - ширина модели, к - высота и t - толщина. Образцы изготовлены из бетона класса В20 (Яь= 11,5 МПа; Яы= 0,9 МПа; Ьк0= 0,015 м2) на мелком гранитном щебне. Бетонную смесь составом по массе Ц:В:П:Щ = = 1:0,65:1,95:3,57 изготавливали в бетономешалке гравитационного типа. Укладывали в металлическую опалубку и уплотняли в течение 5...7 с на виброплощадке СМЖ - 539 ПС. Образцы выдерживали в течение 28 суток при температуре 26.28 °С. Для контроля прочности бетона каждого замеса (на 7 моделей) изготавливали и испытывали по три кубика гранями размером 100*100x100 мм. Искусственные начальные трещины моделировали полосками из кровельной жести, покрытыми машинным маслом. Г ладкую сторону моделей покрывали известью и наносили координатную сетку линий с шагом 1 см. Опыты повторяли трижды.
Для создания вертикальных и горизонтальных нагрузок нами была разработана и изготовлена установка по аналогии с [4] (рис. 2), и применена более совершенная система передачи распределенной нагрузки по верхней грани модели.
Испытания образцов проводили следующим образом: сначала на образец прикладывали вертикальную нагрузку, равную ^ = 95 кН. Снимали показания с индикаторов 5, затем ступенями по 3 кН прикладывали горизонтальную сдвигающую силу ¥х. Вертикальную нагрузку ¥2 при этом поддерживали на постоянном уровне. С помощью системы индикаторов фиксировали горизонтальные перемещения боковой грани образца в плоскости стены. Продолжительность выдержки каждой ступени нагружения составляла 5 мин. Картину деформирования моделей фиксировали цифровым фотоаппаратом.
Серия экспериментов с образцами, моделирующими ступенчатые наклонные трещины по схеме I (см. рис 1, а). В этой серии экспериментов изменяемым параметроом была относительная высота ступени ступенчатой наклонной трещины (СНТ) с шагом й^ер = к^ер /к = 0,033; 0,1; 0,167; 0,33 (рис. 3). На первых этапах приложения сдвиговой нагрузки происходило незначительное смещение верхней части стены относительно нижней. На ступенях нагружения, предшествующих разрушению образца, отмечено увеличение сдвиговых деформаций с раскрытием волосяных трещин над горизонтальными полками ступеней трещины.
Рис. 2. Экспериментальная сдвиговая установка:
а - в рабочем положении; б - схема расположения приборов:
1 - домкрат; 2 - динамометр ДОСМ 3-01; 3 - сдвиговой шарнир; 4 - силовая пирамида; 5 - индикаторы ИЧ-10; 6 - захваты со шпильками; 7 - образец; 8 - удерживающая пята
а)
б)
а) б) в)
г)
Рис. 3. Деформированное состояние модели по схеме I (см. рис. 1, а), соответствующее трем ступеням нагружения ¥х, кН:
а - 3; б - 9; в - 18; г - график перемещения боковой грани в плоскости стены при ^Х, кН:
1 - 0; 2 - 3; 3 - 6; 4 - 9; 5 - 12; 6 - 15
Разрушение образцов происходило, как правило, внезапно с образованием вертикальных трещин, часто проходящих через горизонтальные полки ступени трещины, по механизму среза ступеней трещин.
СНТ состоит из последовательности вертикальных и горизонтальных участков, берега которых контактируют по-разному. На горизонтальных участках вертикальная нагрузка прижимает стенки трещины, между ними возникают силы трения, которые обеспечивают совместность работы материала стены над и под СНТ. Именно эти участки начальной трещины придают прочность и устойчивость стенам с СНТ. В вертикальных участках СНТ напротив отсутствуют поперечные сжимающие силы, берега трещины почти не взаимодействуют друг с другом. Материал стены здесь разгружен и почти не воспринимает сдвигающих нагрузок, которые сконцентрировались в точках «излома» - перехода вертикальной части СНТ в горизонтальную. Поэтому здесь начинают раскрываться первые трещины разрыва, которые разделяют верхнюю часть стены на отдельные секторы, работающие отдельно друг от друга. Разрушение одного сектора приводит к потере устойчивости всей конструкции.
Анализ механизма разрушения образцов с начальными повреждениями по схеме II (см. рис. 1, б). Проведена серия экспрериментов с образцами, модели-рущими сквозные ступенчатые трещины с наклонными гранями вертикальной составляюшей высотой к^ер = 3 см и углом наклона от вертикали а = 15°; 30°; 45°.
В процессе увеличения сдвиговой нагрузки происходило незначительное смещение верхней половины стены относительно нижней. На ступенях нагружения, предшествующих разрушению образца, отмечено увеличение сдвиговых деформаций с образованием волосяных трещин на горизонтальных участках ступени трещины. Разрушение образцов происходило обычно внезапно с образованием вертикальных трещин разрыва, проходящих через горизонтальные участки ступени закладной трещины. После смятия бетона над и под горизонтальными участками СНТ происходил срез ступеней, и стена разрушалась по механизму сдвига в плоскости стены. Как правило, разрушение затрагивало часть стены, расположенную над СНТ. Механизм деформирования модели проанализирован по ступеням нагружения ¥х, кН: 3; 18; 27 (рис. 4, а - в).
Процесс деформирования стены в этой схеме сходен с предыдущим экспериментом. Вместо вертикальных участков СНТ - наклонные, вследствие чего здесь вертикальная нагрузка разделяется на горизонтальную и вертикальную составляющие соответственно углу наклона начальной трещины. Чем меньше угол наклона, тем выше роль поперечных сил в СНТ. При этом усиливается взаимодействие частей стены, разделенных начальной трещиной. Прочность стены возрастает. Пропорционально увеличению угла наклонного участка увеличивается действие горизонтальных сдвигающих сил, которые суммируются с внешними горизонтальными нагрузками. Это приводит к сдвигу частей стены и потере ее
г)
Рис. 4 Деформированное состояние модели по схеме II (см. рис. 1, б), соответствующее трем ступеням нагружения ¥х, кН:
а - 3; б - 18; в - 27; г - график перемещения боковой грани в плоскости стены при ¥х,, кН: 1 - 0; 2 - 3; 3 - 6; 4 - 9; 5 - 12; 6 - 15; 7 - 18; 8 - 21; 9 - 27
устойчивости. Последний, отрицательный фактор значительно снижает несущую способность стены с уменьшением угла наклонных участков СНТ.
В ходе экспериментов было отмечено, что при возрастании угла наклона вертикальной составляющей ступенчатой трещины происходит увеличение сил трения за счет наклонных составляющих, что, в свою очередь, влечет за собой рост прочности и устойчивости стены.
Серия экспрериментов с наклонной горизонтальной составляющей по схеме III (см. рис. 1, в) с ^ер = 0,1 см (рис. 5) и углом наклона от горизонтали р = 15°; 30°; 45°.
На первых этапах эксперимента отмечался значительный сдвиг верхней половины стены относительно нижней. Для всех образцов этой серии характерно отсутствие разрушения материала стены, верхняя ее часть просто сдвигалась относительно нижней и теряла устойчивость, при этом происходил незначительный скол зон, располагавшихся рядом с вертикальными участками трещины (зона максимальных сил трения).
Получены эмпирические зависимости (рис. 6) разрушающего сдвигового усилия от трех основных параметров ступенчатой трещины й81ер, а, в (табл. 1).
Для сопоставления расчетных (по СНиП 2.03.01-84) и опытных данных различных исследовательских коллективов [3, 7, 8] были вычислены относительные величины вертикальных Q/Rbtbh0 и горизонтальных нагрузок Ы/ЯъЬН0 (табл. 2). Полученные нами результаты трех серий экспериментов вынесены на сводные графики (рис. 7, 8).
а) б) в)
г)
Рис. 5. Деформированное состояние модели по схеме III (см. рис. 1, в), соответствующее трем ступеням нагружения ¥х, кН:
а - 3; б - 6; в - 12; г - график перемещения боковой грани в плоскости стены при ^х, кН:
1 - 3; 2 - 6; 3 - 9; 4 - 12
0
0,1
0,2
h
step
Рис. 6. Сводный график кривых аппроксимации: 1 - по схеме I ; 2 - по схеме II; 3 - по схеме III и экспериментальных точек: ф -со ступенчатой трещиной при изменении ее шага й8);ер; ; • - при изменении угла вертикальной составляющей а; ■ - со ступенчатой трещиной при изменении угла горизонтальной составляющей в
Таблица 1
Результаты аппроксимации
Варьирование параметра дефекта Эмпирическая функция
й*ер= 0,033; 0,1; 0,167; 0,33 Рх ^ = 1,48 ^ер ,
а = 15°; 30°; 45° при й^р = 0,1 Рх = 0,0007а2 - 0,0034а + 0,84
0, 1 1 а <D (Л h и Л К о 4 о 0 3 о 5 II Рх = 0,79-0,00025р2- 0,0028в
Таблица 2
Сводная таблица результатов экспериментов при О,5
Схема образца
Параметры
дефекта
Fx dis, кН
N
Rbbh0
Q
Rbtbh0
2
0,033
0,1
0,167
0,33
17
18
16,5
20
23
18
20
14
18
29
23
30
0,105
0,105
0,105
0,105
1,272
1,506
1,28
2,024
О
1
3
4
5
1 2 3 4 5
20
15 20 0,105 1,407
17
22
\о о о
а, ° 30 20 0,105 1,504
19
N. 22
о о о \ 0 1 1 л <D СЛ К Л С 45 28 0,105 1,728
20
12
15 15 0,105 1,040
17
14
в, ° 30 0 0,105 0,346
0
0
45 0 0,105 0
0
Q/
Рис. 7. График сопоставления расчетных (по СНиП 2.03.01-84 [3]) и опытных величин:
+ - бетонные образцы ЦНИИЭП жилища; • - керамзитобетонные образцы ЦНИИЭП жилища; о - армированные образцы ЦНИИЭП жилища; Д - бетонные образцы КПИ им. Лазо; © - армированные образцы КПИ им. Лазо; * - армированный образец НТУ Греции; I - график расчета неармированных образцов; II - график расчета армированных образцов; ^ - эксперименты с изменением шага ступени; <{> - с варьированием угла вертикальной составляющей р (данные ТГТУ)
Рис. 8. График сопоставления расчетных (по СНиП 2.03.01-84 [3]) и опытных величин:
+ - бетонные образцы ЦНИИЭП жилища; • - керамзитобетонные образцы ЦНИИЭП жилища; о - армированные образцы ЦНИИЭП жилища; Д - бетонные образцы КПИ им. Лазо; © - армированные образцы КПИ им. Лазо; * - армированный образец НТУ Греции; I - график расчета неармированных образцов; II - график расчета армированных образцов; ф - эксперименты с изменением угла горизонтальной составляющей а (данные ТГТУ)
Основные выводы:
1. С первых ступеней нагружения поперечное деформирование идет по нелинейной схеме (см. рис. 5-7).
2. Ступенчатая трещина является концентратором напряжений (см. рис. 5). Первые трещины раскрывались в точках излома начальной трещины.
3. С увеличением параметра ступени й^ер сдвигающая разрушающая нагрузка увеличивается, то есть возрастает несущая способность на сдвиг, что можно объяснить уменьшением числа концентраторов напряжений (точек излома начальных трещин).
4. Вертикальные трещины разрыва возникают при действии силы трения в зонах горизонтальных участков начального дефекта (см. рис. 8).
5. С увеличением параметра ас 15° до 45° горизонтальное разрушающее усилие плавно возрастает, то есть увеличивается сопротивление сдвигу, из-за роста горизонтальных составляющих (площадок) трещины (см. рис. 8) .
6. При возрастании параметра в разрушающее сдвиговое усилие резко снижается, и для ртах = 45° верхняя часть стены почти не воспринимает вертикальную нагрузку из-за потери устойчивости.
7. Во всех экспериментах при варьировании влияющих параметров (й8^р; а; в) механизм разрушения схож и связан со срезом ступеней начальной трещины.
8. Наибольшую остаточную прочность имеют образцы со ступенчатой трещиной без наклонных составляющих (см. рис. 7). Менее прочной оказалась стена с повреждением по схеме II (см. рис. 1, б), очевидно, вследствие упрочняющей роли горизонтальных площадок в трещине. Наиболее слабыми оказались образцы с повреждением по схеме III (см. рис. 1, в). Здесь отсутствуют горизонтальные площадки в трещине, и устойчивость обеспечивается лишь силами трения в наклонных площадках.
Список литературы
1. Леденев, В.В. Прочность и трещиностойкость моделей стен с начальными дефектами / В.В. Леденев, С.П. Морозов, Я.В. Савинов // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2002. -Т. 8, № 3. - С. 525-534.
2. Савинов, Я.В. Основные причины повреждения несущих стеновых конструкций и рекомендации по их предупреждению на примере г. Тамбова : дис. .канд. техн. наук: 05.23.01 : защищена 19.12.2003 : утв. 09.04.2004 / Савинов Ярослав Вячеславович. - Тамбов, 2003. - 235 с.
3. Баранова, Т.И. Прочность диафрагм жесткости при совместном действии вертикальной и горизонтальной нагрузок / Т.И. Баранова, Н.Н. Ласьков // Материалы XXXVIII научно-технической конференции / Казанский ИСИ. - Казань, 1986. - С. 132.
4. Прочность и трещиностойкость бетонных и железобетонных стен бескаркасных зданий при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок / Г.Н. Ашкинадзе [и др.] // Работа конструкций жилых зданий из крупноразмерных элементов. - М., 1986. - С. 5-16.
5. Бубуек, И.В. Результаты исследований стен монолитных зданий при знакопеременных нагрузках / И.В. Бубуек, В.Г. Имас, А.Ф. Кирпий // Работа конструкций жилых зданий из крупноразмерных элементов в условиях сейсмических воздействий. - М., 1990. - С. 45-64.
6. AUSTRALIAN STANDARD 1640-1974 SAA. - Brickwork Code Metric Units, 1974. - 126 p.
7. BRITISH STANDARDS INSTITUTUON BS 5628. Part 1, 1978. Code of Practice for Structural use of Masonry. Part 1. Unreinforced Masonry. - 41 p.
Cracked Walls Durability under Combined Effect of Vertical and Horizontal Shearing Loads
V.V. Ledenev, Ya.V. Savinov, D^. Shchukin, A.V. Peredelkin
Department “Construction of Buildings and Structures ”, TSTU
Key words and phrases: destruction mechanism; load-carrying ability; stepped shearing crack; stress concentration; wall.
Abstract: Experimental results with cracked wall models are given. Experimental series aimed at revealing the function of basic crack parameters influence on walls durability are described. Wall deformation mechanism is studied.
Haltbarkeit der Wande mit den Rissen bei der gemeinsamen Handlung der senkrechten und horizontalen schiebenden Belastungen
Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse der Experimente mit den Modellen der Wande, die die Risse haben, angefuhrt. Es sind Serien der Experimente mit dem Ziel der Entdeckung der Funktionen des Einflusses der Hauptparameter der Risse auf die Haltbarkeit der Wande beschrieben. Es ist der Mechanismus des Deformierens der Wande erlernt.
Rigidite des murs avec les fissures lors de l’effet commun des charges verticales et horizontales de decalage
Resume: Sont cites les resultats des experiments avec les modeles des murs ayant des fissures. Sont decrites les series d’experiments ayant pour but la revelation des fonctions de l’influence des parametres des fissures sur les murs. Est etudie le mecanisme de la deformation des murs.
