Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 14
1.1. Исследование сопротивления внецентренно сжатых железобетонных конструкций 16
1.2. Основные способы расчета сборно-монолитных и усиленных железобетонных конструкций 21
1.3. Жесткость железобетонных конструкций 35
1.4. Предложения по расчету усиленных внецентренно сжатых железобетонных конструкций по деформациям и раскрытию трещин 39
1.5. Анализ исследований сопротивления бетона и железобетона с позиции механики разрушений, проведенных в последние годы 42
1.6. Выводы и постановка задач исследований 51
2. Разработка методики расчета прогибов составных внецентрентренно сжатых железобетонных конструкций 58
2.1.Предложения к определению деформаций железобетонных конструкций 58
2.2. Специфика деформирования и построение расчетной схемы для раскрытия статической неопределимости двухконсольного элемента составных внецентрентренно сжатых железобетонных конструкций 62
2.3. К определению неизвестных параметров поперечного сечения в составных внецентренно сжатых железобетонных конструкциях. Расчетные случаи 77
2.4. Методика расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций
2.5. Выводы 89
3. Экспериментальные исследования прогибов внецентренно сжатых железобетонных конструкций . 94
3.1. Цель и задачи эксперимента 94
3.2. Конструкция и технология изготовления опытных образцов 95
3.3. Программа и методика исследований 100
3.4 Результаты экспериментальных исследований составных внецентренно-нагруженных железобетонных элементов и их анализ 105
3.5. Выводы 131
4. Численные исследования и сопоставление экспери ментальных и теоретических значений прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций 135
4.1. Алгоритм расчета прогибов составного стержня, приведенного к тавровому сечению 135
4.2. Алгоритм расчета прогибов составного стержня по предлагаемой методике 137
4.3. Пример расчета прогибов составного стержня по действующей методике 152
4.4. Пример расчета прогибов составного стержня по предлагаемой методике 155
4.5. Сопоставление экспериментальных и теоретических значений прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций 173
4.6. Выводы 187
Заключене 189
Список использованной литературы
- Предложения по расчету усиленных внецентренно сжатых железобетонных конструкций по деформациям и раскрытию трещин
- Специфика деформирования и построение расчетной схемы для раскрытия статической неопределимости двухконсольного элемента составных внецентрентренно сжатых железобетонных конструкций
- Программа и методика исследований
- Пример расчета прогибов составного стержня по действующей методике
Введение к работе
Актуальность исследования. Составные (сборно-монолитные, усиленные) внецентренно сжатые железобетонные конструкции зданий и сооружений стали неотложной потребностью современного строительства и составляют существенную часть общего объема конструкций. Между тем, методика расчета таких конструкций по деформациям практически не разработана, и расчеты выполняются путем приведения к сплошному сечению, что не дает возможности учитывать перераспределение внутренних усилий между разными бетонами. В то же время практика проектирования показывает, что нередки случаи, когда класс бетона, размеры сечений и площадь растянутой арматуры по условиям второй группы предельных состояний приходится принимать большими, чем это требуется по прочности.
Процесс деформирования и развития трещин в элементах железобетонных конструкций – явление достаточно сложное. На сегодняшний день отсутствуют фактические данные о взаимных сдвигах старого и нового бетонов в зонах, прилегающих к шву; не исследован этот вопрос в тех случаях, когда шов расположен в сжатой или растянутой зонах; не выявлено напряженно-деформированное состояние в зонах бетона, прилегающих к шву; не изучены эффекты, которые возникают при этом, связанные с нарушением сплошности железобетона; мало опытных данных о ширине раскрытия трещин вдоль всего профиля трещин; расстояниях между трещинами при проверке многоуровневого процесса их образования и длин трещин (которая в свою очередь влияет на кривизны и прогибы) по мере увеличения нагрузки.
Отсутствие теоретического обоснования и анализа экспериментальных данных вынудило в свое время отдать предпочтение полуэмпирическим методам расчета, в том числе по прогибам, что требует непрерывного трудоемкого и дорогостоящего экспериментирования.
В последнее время вопросы, связанные с исследованием напряженно-деформированного состояния в окрестности трещины наиболее полно изучены в механике разрушения. Привлечение к расчету деформаций составных железобетонных конструкций инструментария механики разрушения, безусловно, позволяет достичь заметного уточнения результатов расчетов. Однако до настоящего времени практически отсутствуют разработки, устанавливающие зависимость традиционных параметров железобетона с новыми элементами механики разрушения. Связанные с этим эффекты нуждаются в выяснении их физической сути, а исключение гипотезы сплошности материала – основной гипотезы механики твердого деформируемого тела – приводит к существенным сложностям. Все это является серьезным препятствием для повышения достоверности расчетов ответственных несущих конструкций.
Отсюда следует, что проведение исследований по детальному изучению деформирования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом несовместности деформаций бетона, арматуры, податливости шва между разными бетонами, нарушения сплошности материала является весьма актуальной задачей. Решение этой задачи может рассматриваться как новый вклад в развитии методов расчета железобетонных конструкций.
Объект исследования – составные железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Предмет исследования – прогибы составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций.
Цель диссертационной работы – разработка методики расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности и взаимных смещений арматуры и бетона для эффективного проектирования железобетонных конструкций.
Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:
– на основе обобщения и анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований разработать практический способ расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом податливости шва между разными бетонами, эффекта нарушения сплошности, позволяющего увеличить его точность по сравнению с существующими способами;
– выполнить экспериментальные исследования по определению основных параметров, связанных с прогибами, уровнями появления трещин, деформациями разных бетонов, арматуры;
– по результатам эксперимента провести проверку предлагаемого расчетного аппарата по уточненному определению прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности и податливости шва между разными бетонами;
– разработать алгоритм и провести численные исследования оценки влияния основных расчетных параметров на прогибы составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций по предлагаемому способу расчета и выполнить их анализ;
– выполнить сравнительную оценку предлагаемого способа расчета с экспериментальными данными и с нормативным способами расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций.
Методы исследования – используется экспериментально-теоретичес-кий метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела, механики разрушения и теории железобетона.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
– разработан двухконсольный элемент (ДКЭ) в зонах, прилегающих к трещинам применительно к расчету составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций, связывающий традиционные параметры сопротивления железобетона, в том числе кривизны, углы поворота заделок и прогибы, с зависимостями механики разрушения после нарушения сплошности бетона;
– на основании анализа построенного двухконсольного элемента предложена расчетная схема для раскрытия статической неопределимости задачи составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций после нарушения их сплошности, в которой длина трещины принята постоянной, позволяющая существенно уточнить практический расчет составляющих деформаций, углов поворота заделок консолей, кривизны и прогибов;
– получены уравнения, связывающие новые расчетные параметры с традиционными параметрами сопротивления железобетона;
– разработана новая методика расчета и получены зависимости для определения кривизны и прогибов в составных внецентренно сжатых железобетонных конструкциях с учетом эффекта нарушения сплошности, податливости шва между разными бетонами, бетоном и арматурой, базирующаяся на традиционных предпосылках теории железобетона и положениях механики разрушения, позволяющая заметно приблизить эти важнейшие расчетные параметры к действительным; предложен новый алгоритм итерационного расчета;
– разработана методика и проведены экспериментальные исследования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с определением основных параметров их деформирования (средних деформаций бетонов и арматуры, развития трещин при многоуровневом их образовании с учетом эффекта нарушения сплошности, податливости шва между бетонами, бетоном и арматурой, прогибов и др.), которые в значительной мере дополняют имеющийся фактический материал и предоставляют возможность проверки предлагаемого способа расчета и основных рабочих гипотез;
– доисследован эффект нарушения сплошности железобетона применительно к составным железобетонным конструкциям с измерением сложного профиля трещины и фиксированием местного сжатия бетона околоарматурной зоны в окрестности трещины.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается численным и сравнительным анализом, выполненным по предлагаемой методике и положенным в ее основу предпосылкам и формулам.
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что предлагаемая методика позволяет обеспечить точность расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций и тем самым обеспечить высокую эффективность принятых проектных решений.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
– практическая методика и алгоритмы расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности и податливости шва между разными бетонами в виде условного сосредоточенного сдвига;
– методика и результаты экспериментальных исследований составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с определением основных параметров их деформирования: средних деформаций бетонов и арматуры, развития трещин при многоуровневом их образовании по мере увеличения нагрузки с учетом эффекта нарушения сплошности, податливости шва между бетонами и бетоном и арматурой, прогибов и др.;
– результаты численных исследований и сопоставительный анализ основных расчетных параметров, оказывающих влияние на деформирование составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций – кривизны, прогибов, параметров сцепления, параметров деформирования арматуры и бетона между трещинами с учетом эффекта нарушения сплошности относительных сосредоточенных взаимных смещений между разными бетонами (бетоном и арматурой).
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-практических конференциях «Неделя науки» (г. Орел, ОрелГТУ, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет УНПК», 2010-2012 гг.).
В полном объеме работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» (г. Орел, март 2012 г.).
Реализация результатов работы. Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме: «Исследование энерго- , ресурсоэффективных конструктивных систем с высоким уровнем конструктивной безопасности и живучести» (шифр «2009-1.1-232-031-011»).
Результаты проведенных исследований применены Орловским академцентром, ООО «Теплоинжпроект» при выполнении ряда проектов по усилению внецентренно сжатых железобетонных несущих элементов при реконструкции зданий и сооружений.
Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» при изучении студентами и магистрами строительных специальностей дисциплин «Железобетонные и каменные конструкции», «Технические вопросы реконструкции зданий и сооружений».
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 научных трудах, в том числе в 5 научных статьях в специализированных профессиональных изданиях, внесенных в список ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 115 наименований, 2-х приложений. Полный объем работы – 217 страниц, 50 полных страниц с рисунками и таблицами, 13 страниц списка использованной литературы. Работа содержит 9 таблиц, 64 рисунка, 12 страниц приложений.
Предложения по расчету усиленных внецентренно сжатых железобетонных конструкций по деформациям и раскрытию трещин
Базовые исследования по этому вопросу были выполнены в лаборатории теории железобетона и арматуры ЫИИЖБ под руководством А. А. Гвоздева и М. С. Боришанского [81]. В работе приводится сравнение формул, выведенных в России, США, Венгрии, для определения разрушающей силы сжатых, внецентренно сжатых и изгибаемых коротких железобетонных элементов. Автор подвергает критике предложение Европейского Комитета по бетону и теорию профессора Рюша по этому вопросу. Выяснено, что формулы, выведенные в России, расчета внецентренного сжатия для второго случая дают разрушающую силу на 25 - 33,4% выше разрушающей силы, вычисленной по формулам США и Венгрии.
Подвергалась тщательной проверке и возможность использования применительно к данной задаче гипотеза Бернулли — Навье. Выяснено, что весомые аргументы против ее использования отсутствуют. Эта гипотеза может быть использована только для средних деформаций бетона и арматуры, а ее основным недостатком в нормах США является то, что зависимости, построенные на ее основе, не обеспечивают непрерывности перехода к центральному сжатию.
С. И. Глазер разработал теорию расчета кососжимаемых элементов прямоугольного сечения и косоизгибаемых элементов прямоугольного и таврового сечений. Для упрощения расчетов он составил таблицы. Однако эти теоретические расчеты не подкреплены экспериментальными данными.
В. Н. Байков, применив теорему об эквивалентности виртуальной работы момента, вызывающего косой изгиб, и суммарной работы его компонентов, действующих в двух взаимно перпендикулярных направлениях, получил довольно оригинальное решение по определению несущей способности косоизгибаемых железобетонных элементов таврового и прямоугольного поперечных сечений. Теоретические расчеты дают удовлетворительную сходимость с опытами. В настоящее время расчет внецентренно загруженных элементов выполняется в зависимости от величины х и, в частности, х xR или х xR Если при больших эксцентриситетах результаты расчета и данные эксперимента независимо от значения х имеют хорошую сходимость, то при малых эксцентриситетах, и особенно при x xR, допустимая сходимость опыта с расчетом отсутствует [29]. Здесь коэффициент полноты эпюры сжимающих напряжений со зависит от степени кривой. При отсутствии арматуры з, т.е. в бетонном сечении с распространением трещин, равнодействующая сжимающих напряжений перемещается в сторону точки приложения силы N. При совпадении линий действия N и NB, что можно допустить при неучете не значительной работы оставшейся растянутой зоны поперечного сечения, распространение вертикальной трещины приостановится. При увеличении нагрузки с ростом напряжений в сжатой зоне криволинейность эпюры увеличивается, трещина получает затухающее развитие, и в предельном состоянии сжатой зоны полезная высота поперечного сечения определится при полном развитии в сжатой зоне поперечного сечения неупругих деформаций. Из изложенного выше следует, что когда внецентренно приложенное усилие находится в пределе высоты сжатой зоны поперечного сечения, его расчет можно выполнять в зависимости от величины N [29].
В НИИСКе [53] были проведены экспериментально-теоретические исследования внецентренно сжатых железобетонных элементов прямоугольного сплошного и пустотелого сечений, изготовленных из бетонов высоких марок. Произведена оценка несущей способности и деформативности таких элементов с учетом изменения марки бетона, эксцентриситета нагружения, формы поперечного сечения, процента армирования и класса арматурной стали. Выяснено, что форма сечения в зоне “малых” эксцентриситетов оказывает решающее влияние па несущую способность Non. Так, при e0/h0 «0.125 W0/7 образцов сплошного сечения на 32% больше, чем пустотелого, независимо от марки бетона (F/77 /F" = 1,32). По мере увеличения экс 18 центриситета это расхождение уменьшается и при e0/h0= 0,85 0,95 практически отсутствует. Однако следует отметить, что во всем диапазоне эксцентриситетов нагружения относительная несущая способность Non IF6. пустотелых сечений выше, чем сплошных. С увеличением эксцентриситета указанное превышение растет и при — К : 0,6 4-0,7 достигает 32%. Таким образом, для элементов, разрушение которых происходит в растянутой арматуре, пустотелое сечение позволяет получить значительную экономию бетона без заметного урона несущей способности. Результаты исследований показали, что во внецентренно сжатых сплошных образцах средние деформации бетона и арматуры распределяются по высоте сечения по закону, близкому к линейному. Это в полной мере от носится и к пустотелым элементам.
Напряженно-деформированное состоя ние элемента в значительной мере определяется предельными деформациями крайнего сжатого волокна бетона f В опытах указанные значения получены как сумма среднего арифметического деформаций, зафиксированных всеми датчиками на последней ступени, и приращения деформаций от последней ступени до разрушения по одному датчику. Следует отметить, что предельные деформации при центральном сжатии составили в среднем 230-Ю-5. При внецентренном сжатии значения предельной деформативности бетона выше, чем при центральном. Кроме того, с увеличением прочности бетона уменьшается его предельная сжимаемость. Если для бетона марки 40 разница в деформациях при центральном и внецентренном сжатии составляет 55%, для марки 600—46%, для 800—32%, а для марки 1000—4%, то, от-ношение предельных деформаций бетона при центральном и внецентренном сжатии - величина переменная и, в основном, зависит от марки бетона и эксцентриситета нагружения.
Специфика деформирования и построение расчетной схемы для раскрытия статической неопределимости двухконсольного элемента составных внецентрентренно сжатых железобетонных конструкций
В железобетонных элементах с трещинами в растянутой зоне кривизны зависят не только от изгибающего момента М, но и от продольных сил N. В связи с этим понятие жесткости для указанных элементов становится в известной степени условным. По этой причине величина жесткости в формулах СНиП 2.03.01-84 и в пособиях к нему не используется. При этом в формулы строительной механики вместо отношения (кривизны элемента из упру гого материала) вводится кривизна 1/г определенная в соответствии с приведенными выше рекомендациями с учетом того, образуются или отсутствуют трещины от полной нормативной нагрузки.
Проведенный анализ расчета железобетонных конструкций по деформациям, заложенный в нормативные документы, показывает, что пункт 4.22 [5] остался практически не реализованным. Ниже предлагается вариант методики такой реализации, в основу которой закладываются три основные положения.
Во-первых, сохраняется единство подхода к расчету деформаций не только при различной длительности загружения, но и для различных участков железобетонного элемента независимо от того, с трещинами он или без трещин. При этом кривизна для участков с трещинами и без трещин в растянутой зоне должна определяться по формуле (170) норм [5]. Этим обеспечивается единый алгоритм расчета (что важно при использовании ПЭВМ) и устраняется недостаток, принятый в нормах [5], вызванный тем, что усилие предварительного обжатия на участках без трещин здесь связано только со временем приложения внешней нагрузки. Между тем усилие Р продолжает действовать и после приложения внешней нагрузки. Во-вторых, ввиду того что в расчет деформаций закладывается подход, принятый в строительной механике, то для перемножения эпюр внутренних усилий по участкам необходимо, чтобы заменяющие моменты отсчитывались относительно одной и той же точки - центра геометрической оси стержня (для железобетонного стержня определяется для приведенного сечения), что весьма важно для внецентренно сжатых (растянутых) железобетонных элементов.
В-третьих, выполненный анализ принятого в нормах способа определения деформаций железобетонных конструкций показывает, что отказ от использования понятия жесткости не всегда целесообразен. Вместе с тем основные параметры , V, \\JS, z и др., оказывающие влияние на деформации железобетонного элемента, откорректированы (с привлечением опытных данных) применительно к нормативному подходу. В связи с этим можно ввести понятие обобщенной жесткости В(Х) применительно к изгибу и сжатию (растяжению), которое будет определять деформативные свойства железобетонного элемента при приведении изгибающего момента и продольной силы к заменяющему моменту Ne, характеризующему внецентренное сжатие (внецентренное растяжение) при наличии и отсутствии трещин. 1акой подход может быть оправдан тем, что в практике проектирования строительных конструкций всегда учитывается наличие случайного эксцентриситета, т. е. исключается случай центрального сжатия (растяжения). С точки зрения строительной механики применительно к формуле определения перемещений этот прием равносилен замене двух интегралов одним, т. е.. ММ N„Nm , (Ne)„ (Ne)m (2 1)
Здесь (Ne)m — заменяющий момент на соответствующем участке стержня относительно центра геометрической оси стержня, вызванный единичной силой, приложенной в направлении искомого перемещения с учетом случайного эксцентриситета.
При этом количество участков, на которое разбивается железобетонный элемент, в зонах с трещинами и без трещин достаточно принять равным 4—6 для каждой зоны. Тогда применительно к каждому участку из эпюр заменяющих моментов (Ne) и (Ne)m имсются срсднис значения заменяющих моментов и средние значения в(х). Последние определяются по вычисленным кривизнам с использованием зависимостей норм при соответствующих параметрах , V, \\fs, г и др. Подчеркнем, что кривизны можно вычислять относительно любой (удобной для расчета) точки, — при этом значение кривизны не изменяется. При перемножении же эпюр по формуле (2.1) усилия обязательно принимаются относительно центра геометрической оси. Таким образом, 5М,=( )Л1ЯРл«- (2-2)
Использование предложенного приема позволяет определять перемещения железобетонных конструкций путем непосредственного использования зависимостей строительной механики, что, безусловно, повышает общность выполняемого расчета для различных конструкций при наличии и отсутствии в них трещин. При этом точность используемых расчетных параметров (,, V, \/„ 2, р и др.) соответствует принятым в нормах [5], а точность определения перемещений в ряде случаев заметно возрастает. Еще большего увеличения точности определения перемещений можно добиться увеличением числа участков, на которые разбиваются соответствующие зоны железобетонных конструкций, тем более, что при машинизированном расчете количество вычислений становится неактуальным (здесь более трудоемкой является реализация различных предложений по упрощению определения перемещений, в т. ч., рассмотренных выше). Однако следует предостеречь пользователей, что излишнее увлечение использованием большого количества участков не всегда приведет к увеличению точности расчета (так как точность используемых в нормах параметров ограничена их приближенным определением), а также усложнит анализ результатов расчета. В случае действия только изгибающего момента в формулах (2.1) и (2.2) вместо N6 следует вставить М.
Программа и методика исследований
В современной технической литературе приводятся результаты исследований деформативности железобетонных элементов, подвергающихся различным силовым воздействиям, однако мало опытных данных и о длине и приращении трещин при увеличении нагрузки. Тем не менее, отмеченные параметры являются определяющими для анализа сопротивления областей, прилегающих к местам пересечения трещинами рабочей арматуры, где, как показали последние исследования возникает деформационный эффект. Принимая во внимание тот факт, что деформационный эффект в местных зонах связан с особенностями напряженно-деформированного состояния бетона в окрестности трещины, которое определяется зависимостями механики разрушения, то возникает еще и необходимость привлечения параметров механики разрушения к расчету внецентренно сжатых железобетонных конструкций, а следовательно, и получения опытных данных: прогибов и ширины раскрытия трещин, как на уровне оси наиболее растянутой арматуры, так и вдоль всего профиля трещины. Такие сведения необходимы, прежде всего, по двум причинам. С одной стороны, это позволит заметно уточнить зависимости для определения ширины раскрытия трещин железобетонных конструкций, с другой - эта информация может дать более полное представление об особенностях сопротивления железобетона в целом.
Железобетон еще долго будет оставаться основным строительным материалом и поэтому совершенствование методов расчета железобетонных конструкций является важной актуальной задачей. Последнее время для совершенствования расчета железобетонных конструкций все больше внимания уделяется методам механики разрушения, так как после появления трещин, гипотезы и методы механики сплошной среды уже неприменимы. Экспериментальные исследования в рамках настоящей диссертационной работы проводились с целью выявление закономерностей деформирования, трещинообразования и разрушения железобетонных элементов составного сечения при действии внецентренно приложенной нагрузки и определения основных параметров, связанных с оценкой прогибов с позиции механики разрушения при учете эффекта нарушения сплошности на различных стадиях нагружения для проверки предлагаемого расчетного аппарата.
В процессе экспериментальных исследований решались следующие задачи: 1) разработка методики экспериментальных исследований прогибов и ширины раскрытия нормальных трещин соетавных внецентренно сжатых железобетонных конструкций; 2)изучение закономерностер напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов составного сечения при внецентренном сжатии; 3) экспериментальное определение следующих параметров: прогибов, ширины раскрытия трещин на уровне оси продольной растянутой арматуры и в нескольких уровнях над растянутой арматурой (асгс вдоль всего профиля трещин); изменения расстояния между трещинами 1СГС и длины трещин hcrc по мере увеличения нагрузки (с проверкой многоуровневого процесса обра-зования трещин), деформаций сжатого бетона и средних деформаций арматуры, высоты сжатой зоны бетона; определение характера разрушения железобетонных элементов составного сечения при внецентренном сжатии; 4) проверки предлагаемого расчетного аппарата по уточненному расчету прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций.
Решение поставленных задач экспериментальных исследований, требовало разработки методики и программы испытаний, включающих: назначение параметров и количества опытных образцов; описание технологии их из 96 готовления; выбор приборов и оборудования для испытаний; стадии и порядок проведения экспериментальных исследований.
Принятая программа проведения испытаний была составлена так, чтобы обеспечить выполнение всех поставленных задач экспериментальных исследований железобетонных составных конструкций, с учетом специфики физической ситуации и особенности теоретического аппарата, применяемого для рассматриваемого класса конструкций.
Было предусмотрено поэтапное нагружение опытных образцов статической нагрузкой, приложенной через специальные кронштейны, позволяющие создавать одинаковые по всем сечениям опытного образца напряженные состояния. Это позволило испытывать опытные конструкции в горизонтальном положении, удобном для детального исследования особенностей их деформирования, трещинообразования и разрушения.
Для реализации поставленной цели и задач была разработана конструкция опытных образцов составного сечения. Размеры, материалы и параметры армирования конструкций опытных образцов определены в соответствии с поставленными целью и задачами экспериментальных исследований, возможностью и технологией изготовления образцов.
Были запроектированы и изготовлены две серии опытных образцов по четыре опытных железобетонных образца составного сечения в каждой серии. Конструкция опытных образцов приведена на рисунке 3.1.
Железобетонная балка запроектирована составного сечения; нижняя зона балки высотой 120 мм из бетона В15, верхняя зона высотой 40 мм - из бетона ВЗО. Габаритные размеры элемента после добетонирования составили 160x80x1200. Рабочая арматура принята диаметром 10 мм класса А-Ш (А400) по ГОСТ 5781-82 . Расчетное сопротивление арматуры для предельных состояний первой группы Rsn = 390 МПа, для предельных состояний второй группы Rs ser = 390 МПа. Модуль упругости арматуры Es = 200000 МПа. Поперечное армирование образцов принято из проволоки диаметром 6 мм класса Bp-1 (В500) по ГОСТ 5781-82 . Расчетное сопротивление поперечной ар 97 матуры для предельных состояний первой группы Rsn = 405 МПа, для предельных состояний второй группы RS;Ser = 405 МПа. Модуль упругости арматуры Es = ПООООМПа.
Пример расчета прогибов составного стержня по действующей методике
В процессе испытаний с помощью механических приборов - индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм (И1-И4) - измерялись перемещения опытных образцов. Методом тензометрии с использованием тензорезисторов с базой 20 мм и тензостанции ЦТИ-1 измерялись деформации бетона сжатой зоны. Образующиеся в образцах трещины фиксировались на внешней поверхности образцов с отметками номера ступени нагружения в начале и конце трещины.
Ширину раскрытия трещин на каждой ступени нагружения измеряли микроскопом МБП-ЗМ с ценой деления 0,02 мм. Ширина раскрытия трещин измерялась на уровне их пересечения продольной арматурой. Появление трещин в опытных образцах устанавливалось осмотром поверхности образцов с помощью лупы с 30 кратным увеличением.
Схема расстановки измерительных приборов представлена на рис. 3.5, а общий вид испытаний представлен на рис. 3.6.
Усилие в исследуемом железобетонном элементе создавалось при помощи специального натяжного устройства из стержня арматуры А240 020 мм с нарезанной резьбой за счет вращения гайки фаркопфа. Нагрузку при 105 кладывали поэтапно ступенями по 0,1 от расчетной нагрузки трещинообра-зования, доводя опытные образцы до разрушения. На каждом этапе нагру-жения образцы выдерживались не менее 15 минут для снятия отсчетов по приборам.
Во время выдержки под нагрузкой производился тщательный осмотр поверхности конструкции, фиксировались величина нагрузки, появление и характер развития трещин, результаты показаний индикаторов, ширина раскрытия трещин, а так же результаты показаний тензостанции. Данные показатели фиксировались в начале и в конце каждой выдержки на соответствующей ступени.
Получены новые экспериментальные данные составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций для следующих основных параметров (рис. 3.7-3.36): прогибов, ширины раскрытия трещин на уровне оси продольной растянутой арматуры и вдоль всего профиля трещины; изменения расстояния между трещинами 1СГС и длины трещин hcrc по мере увеличения нагрузки, деформаций рабочей арматуры и бетона вдоль оси рабочей арматуры между трещинами с учетом эффекта нарушения сплошности и др., которые в значительной мере дополняют накопленный экспериментальный материал. При этом подтверждено, что арматура сдерживает раскрытие трещины, противодействуя раскрытию ее берегов и возникающие при этом реакции вызывают местное сжатие в бетоне в окрестности трещины - эффект нарушения сплошности.
Образование в опытных конструкциях первых трещин (тр.1) шириной раскрытия 0,04-0,1 мм наблюдалось в растянутой зоне составных балок на 2-3 ступенях нагружения, что для всех опытных образцов соответствовало значению сосредоточенной силы 4-5 кН (рис. 3.7-3.10). Первые трещины обра 106 зовывались в средней части пролета растянутой зоны сечения. Характерной особенностью развития трещин было то, что экспериментально подтвердился сдерживающий эффект раскрытия трещин арматурой. Другими словами плоскость поверхности трещин в зоне пересечения ее с арматурой деплани-рует. Это наглядно видно из замеренных в опытах значений аск по высоте растянутой зоны (рис. 3.11-3.12).
По мере увеличения нагрузки процесс трещинообразования продолжался и появлялись новые трещины в растянутой зоне опытных образцов с максимальной щириной раскрытия 0,2 - 0,26 мм. При этом сдерживающий эффект раскрытия трещин на уровне арматурного стержня сохранился до нагрузки 8-9 кН, соответствующие нагрузке образования продольных трещин в щве между бетонами (тр.2 рис. 3.7-3.10).
Эксперименты показывают, что ширина раскрытия нормальных трещин на уровне оси арматуры в несколько раз меньше, чем на некотором (2 -3 диаметра) удалении от этой оси. Таким образом, арматура сдерживает раскрытие трещины, противодействуя раскрытию ее берегов. Возникающие при этом реакции вызывают местное сжатие в бетоне в окрестности трещины в околоарматурной зоне - эффект нарушения сплошности. Анализ деформаций бетона вдоль оси растянутой арматуры на берегах трещин (анализ стал возможным только при совмещении схемы расположения трещин по отнощению к электротензорезисторам, - электротензорезисторы, установленные на берегу трещин, испытывали деформации укорочения. Одновременное действие М, N и наличие рабочей арматуры приводят к тому, что трещины имеют максимальное раскрытие на нижней грани, а в некоторой зоне (между нейтральной осью и осью растянутой арматуры) выше оси растянутой арматуры. Движение трещины идет по двум направлениям: в сторону сжатой грани бетона и в сторону продольной растянутой арматуры.
