Введение к работе
Во введении обосновывается актуальность проводимых.исследований и .
В первой глава дан анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследования.
Отмечается, что строительные конструкции оксплуатируемые в агрессивных средах, испытывают, помимо- силовых воздействия, химические и физико-химические воздействия, недооценка которых может привести не только к сникению несущей способности, но и к аварийному состоянию зданий и сооружений.
Эффективным решением проблемы долговечности зданий и сооружения в условиях сильной промышленной или природной агрессивной
" 7 " ;
среды является использование полимербетонных конструкций.
В результате Есестороннпх экспериментально-теоретических исследования лолимерботона САМ проведенных Давыдовым С. С, Ивановым Л.П., Содоматовш В.И.,Патуроевш В.В., Потаповым Ю.Б., Чебаненко A.It., Харчевниковиы В.И., Боляевші В.В., Залзном Л.П., Никулиным А.В., ГроЕзэЕК.! А.В., Упзковим И.И., Рогатневмл Й.Ф. и рядом других авторов, разработаны основы технологии, . проектирования и методики расчета конструкций из этого материала, доказана оффоктивность и целесообразность его применения для изготовления строительных конструкций.
Для стадеполикербетошшх комплексных конструкция, предназначенных для эксплуатации в сильно агрессивных средах, бояьсое значение имеет сохранность ззітитних сгсЛсгв полдаэрботснэ САН ло отнесения к арг.'дтурз и ценентио:<у бетону сердечігаса. Нарушение сшгопностл галкм9гйзтокз,про.исходд~зз при действии кратковрекэн-ноЯ сгао.ихдоЯ нагрузки по даним Ззлзна Л.!!., Никулина Л.В.,Усл-ісова И.И., Рогатнэва.Ю.в.- на уровне (0,7-0,9)-0 и приводящее к образовании кикротрегзт и !лпсродефзктов_ и, следовательно, к ухудшению условия работа стальной ар"лтур:і и цементного бетона, а в дальнепшеи - к скигенга долгогзчностк конструкции, недопустимо для конструкция, оксплуатгфусгдк я агрзссивн'к средах. Следовательно, обоспошнкл.; будет наокачегею предельного состояния по прочности" тоюпсі взлткнз'лнзнгяг'егзг' ( статей или растяжения) м ссотп-зтстпухгзп"! гяї де^ор'нЗшіл'"і, при.которых начинается процесе ІШТЄНСІПНСГО !пп:ротреЕЗінсо6г^20?зіШ.
В ПЗСТОППСО ВреіїЯ НаКболеО ГїзрсПОКТІШШІ "КС!ІПЛСКСНН8 UCHCT-
рукщп из ог'оподги.'эрбэтена и цементного бетона или колезебото-' по,т.п. ток^а і'онструїЩ'Еі позг.олдізт рзикснадьііо кспользогать високую х.чютоскуэ стеЯкозп. л прочность лолитарботока и пєдр^н-цитность, гесткесть ті стабильные характеристики цементного бпу>-
на- . .
В 1975 году Икшобш A.U. и Кжудшшм А.В. бші предложен строительный элемент комбинированного сечшшя, вклячакдиа ста'ле-ПОЛИМербвТОІІНУЮ Трубчатую ОбОЛОЧКу II боТОКІиУІ сердечник, получении?! путей заполнения родости оболочка! щнантобатошюЯ сгасью. Прошдэкнш исследования показали возможность осукзствлвіпія такого олешкта, кадгїїґую сск,;остнув работу похл^эрбетсш, цементного бетона и стальной агулатур:' лрл сїлїійі, а таїсо уу<окїїЩг дасть" применения зсоетдзксного б строительной практике. Однако, на проводились исследования и отсутствуют рекомендации по.расчету така элэкоитов при Ензцзнтрекго:л 'схлтии. Нот данных о работе под нагрузкой n;5izix кожлзксннх о.г.з?.;знтов.
Одшш из аффективных путей повітання носутцэл способности сгатцх элементах 'конструкции без ухеличения сомоіша, является применение коешкного армирования. Unorc-численнне исследования, посвявенные вопросу іїосвендаго армирования цементного бетона, проведенные Консидером, Р. Залигером, К. Бахом, Некрасовым В.П., Абрамовым Н.У., Куралло А. С., Гвоздевым А.А., Гамбаровым Г.А., Карпинским В.И., Иартинцем С, А.Н. Кильсоном, Ф. Рихардом и рядом других авторов показали эффективность применения косвенного армирования схатых элементов. Установлено, что косвенное арыиро-ваниэ, создавая эффект обойми, значительно повышает дефорыатив-кость бетона и несуцую способность шнструїауШ, позволяет какси-гї.иіно г.сполъсюшть высокопрочную стергюг.уу ор;.;атуру па скатко.
Однако, в работяг., пзовдуушиа; ї:осїиі;ьо;;У ирмлрошшім це-.-оятішх бетонов р..ісск'.атрізаа"ось, глаииз; сбразб.і, ішіяшіа такого гада .армирования на ізеличішу разрутгдзй иагрузізі. Для сталепо-лимербетонных конструкцій, б отлнчио от инструкций на осново цементных бетонов, как боло показано,', варшм является вопрос микротрещинообразования. йсследовашія', проведенные А. В. Никуда-
- 9 - ;
ным, И.И. Ушаковым, Н.Г. Матковим, Ю.Ф. Рогатневым, посвященные вопросам косвенного армирований полимербетонных конструкций, в том числе комплексных,'показали перспективность применения данного вида армирования, его сдергивалщее влияние на образование и развитие трещин, что повышает несущую способность сталеполшер-бетоншх конструкции, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах.
На основании проведенного анализа сделан вывод о необходи-мости проведения исследования сталеполимебетонных внецентренно .спатых комплексных элементов, а также элементов с гибкостью X > 14, сформулированы задачи настоящего исследования.
Ео второй глава излагается программа и методика исследования прочности и деформативности сталеполимербетонных комплексных опытных элементов при действии кратковременной, осевой и внецентренно прилогенной сгииащей нагрузки.
Предельное состояние исследуемого элемента принималось при условии недопущения образования кикротрещш, облегчающих доступ агрессивной среды к стальной арматуре и цементобетонному сердечнику. Так как разрушение сгатых элементов из материалов, имеющих из порядок меньпую прочность при растяжении, происходит от образования и развития трещин, направленных вдоль действующей силы,а причиной их образования является поперечная деформация, условие предельного состояния полно записать в виде
є . < є11 = є , (1)
где є - поперечная деформация полимербетона оболочки комплексного элемента.; є11т - предельная поперечная деформация равная ііг>іі^[»»чноЯ
деформации полимербетона є определенней и М"
- 10 -мент начала интенсивного шясрогрещинообразования.
Проведено математическое планирование эксперимента для
оценки влияния коэффициента спирального армирования \х и
є"т -' на коэффициент эффективности бокового давления а, , создаваемого спиралью. Выявление влияния эксцентриситета е приложения продольной силы на коэффициент «о1 . степень использования характеристик полимербетона и цементного бетона к. и арматуры ка планировалось по однофакторному эксперименту, где е варьировалось на нескольких уровнях.
Согласно плану эксперимента было изготовлено и испытано 18 сталеполимврбвгонных комплексных элементов (рис, 1) диаметром 206 им, высотой 700 мм, 27 неармированных полимербетонных и 6 цементобетонних призм размером 100x100x400 мм,. такое же колит чество кубов размером 100x100x100 мм и три цементобетонних цилиндра диаметром 155 мм.
Коэффициент, спирального армирования Мв с1 изменялся от 0,71 до 1,11 % в соответствии с изменением диаметра проволоки спирали 4 мм и 5 мм, класс арматуры В-Г, шаг спирали принимался равным 30 мм. Продольная арматура в опытных элементах,предназначенных на испытание на осевое сжатие, состояла из шести.стержней 0 6 мм класса А-Ш; в элементах, испытанных с эксцентриситетом 0 10 мм класса Ат-Y. #
Изготовление. опытных элементов производилось в два этапа. На первом этапе в стальных горизонтальных опалубках с вкладышем изготавливалась армированная полимербетонная оболочка с вибрированием смеси и последующим сухим прогревом. Состав полимербе-тонной смеси в % по массе был принят в соответствии с. СИ 525-80 и особенностью изготовления, тонкостенных конструкций: щебень гранитный фрякции 2,5-5 мм - 53 Ж ; песок кварцевый крупностью 0,14-0,63 мм - 19 % ; андезитовий микронаполнитель - 14,8 % ;
- II -
J^ *" ^.Продїльиая- арматура
/?. Спиральная арматш
З.ТеИЗВРІЗИСЦРМ ^.ПмЦЦЮЦАЯ КРШЕШ УАІТРАЗВУШЮ щмп
Рис. 1
фурфуролацетоновая смола (ФАШ -11 % ; отвердитель БСК - 2,2 %. На втором зтапе производилось заполнение оболочки цементным бетоном класса В20. Состав цементного бетона в ж'по массе следующий: щебень- гранитный фракции 5-10 мм - 53 %, песок кварцевый 1:^2,4 - 24,4 %, цемент М-400 - 14,4 %, вода - 8,2 Ж, о характеристиками В/Ц = 0,57 и O.K. = 4,5 см. Испытания опытных элементов проводились в возрасте 28 суток.
Л\о результатам испытаний арматурной стали но ГОСТ 12004-81., 'были найдены эмпирические зависимости ад = ї(є ).-Для арматури класса А-Ш, при'є > 200-Ю"5
ов = 200-10"5-Ee + 6-(єв-105 - 200)0'55 . (2)
Для арматуры класса Ат-Y при efl > 310-10~5 і
оа = 310-Ю"5-Вв + 4,Б-(єв-105 - 310)0>т. (3)
С целью определения предельной поперечной деформации полимербвтона е11т проводились испытания полимербетоншх кубов на
растяжение при раскалывании.За основу была принята методика-ГОСТ 10180-78* с учетом особенностей испытания для получения величин деформаций. Измерение деформаций производилось алектротенэомет-рическим методом при помощи прибора ЦТМ-5. Для изучения нарушений структуры полимербвтона применялся импульсный ультразвукоюй метод с использованием прибора УК-ЮПМ.
Анализ результатов испытаний кубов на раскалывание, а также исследования проведенные Parhlzgar S., Koren W., Горлановой Н.А. показывают, что разрушение полимербетонов при испытании на растяжение начинается с появления микротрещин и протекает практически мгновенно с лавинообразным нарастанием количества и размеров микротрещин, их смыканием в одну или несколько макротрещин. Это подтверадается данными ультразвуковых испытаний. В связи с этим предельная поперечная деформация полимербвтона є**т на гра-
, ху
нице интенсивного микрогрещйнообразования определялась при (0,95 -1,0)-N . Для определения вероятностной связи между временным сопротивлением полимербвтона на растяжение при раскалывании -Rt и є*1п> были проведены корреляционный и регрессионный анализ экспериментальных данных по специально разработанной программе на ЭВМ. В результате была принята зависимость вида
- ILi - .
e^m = (34,6 + 0,756-R2
с коэффициентом корреляции г = 0,96.
В результате проведенных испытаний полимербетогаш и це-ыентобвтонша призм на сгштие были полученіі прочностные, дофор-мативше и структурные характеристики материалов (таблица). Анализ процесса микротрещинообраэования в полимврбвтоно производили двумя методами: прэдлояешшм О. Я. Бергом и по достижению поперечными деформациями полимербетона величины е11га, с контролем получанных результатов по данным ультразвуковых испытаний прибором
Таблица Кратковременные прочностные и деформативнне характеристики полимербетона и цементного бетона
- 14 -УК-ЮПИ. Уровень шпрягения, соогветствуюиий параметрической точка R^ ого, определенный, согласно О.Я.Бергу, по графикам изменения относительного объема в и дифференциального коэффициента поперечной деформации v находится в пределах (0,85-0,94) от временного сопротивления полимарбетона осевому слати» R . Второй уровень налрягения S к -~.» найденный по величине є11, находит-ся в пределах (0,74- 0,89)-R u т.е. несколько ните чем первый, а граница резкого увеличения относительного уровня прироста времени прохождения ультразвуковых волн изменяется в довольно широких пределах,однако, не выходя за нижний уровень,определяемый по е*1"1- Проведенный корреляционный и регрессионный анализ экспери-
ментальных данных позволил получить следующие зависимости, с
коэффицентами корреляции г вызю критических значения для уровня
значимости а = 0,01 - >
с]* * (152 - 5190/Rpbu)-10-5 ; (5)
Чсго = (199 + 0,015.R2bu).l0-5.; . * (6)
R , = 6,18 + 0,73-R -, . . -(7)
pb.crc pb,u '
где R - сопротивление полимербетона. осевому скатаю, соот-
pu tСГС
веіствуяздее уровню начала интенсивного микротрещи-
нообразования. Испытания комплексных цилиндрических элементов на сжатие проводились на гидравлическом прессе ПСУ-500. Измерение деформаций произюдилось электротензометрическим методом,с контролем по показаниям индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм,установленным параллельно тенэорезисторам в шести точках по . пери-
. - 15 - щетру алеііента. В процессе испытания такге производили измерение времени прохоэдения ультразвуковых импульсов через тело опытных элементов.
Для оценки влияния спирального^ аржрования на несущую способность комплексных элементов находился коэффициент эффективности бокового обкатил а?* по формуле
C^^.crb^tot-Vcir^.oir' ' <Є>
где АН* го - прирост несущей способности, обеспеченный действием спиральной арматуры, на весь элемент в целом, определенный, при выполнении условия,(1),по
формуле
^^.сгс-К^.-^Ь.^-Ч-^- (9)
здесь Не?р - часть общей несущей способности, воспринимаемая
р D | О ГО
полимербетоном оболочки, определяемая по формуле
№*р = (А . - AJ-R . ; (10)
pb.orc pb а рЪ.ого
И , Ne - часть несущей способности, воспринимаемая цементным бетоном заполнения и продольной арматурой.
Обработка экспериментальных данных, с предварительной проверкой гипотезы о значимости влияния факторов ив % и є11т на acir' проводилась МНК Л"я двухфакторной зависимости. В, результате была получена формула
aolr= 3.42 - І28.двів1г+ 0.0!45.є»"+ 0,Б.|ів>о1г.е»- , (11)
где е1*"1 - предельная поперечная деформация, определенная по
формуле (5) или экспериментально, умноженная на 105.
Анализ результатов проведенных.испытаний опытных элементов
испытанных с относительным эксцентриситетом (e/D) = 0,121;0,242;
0,363 позволил оценить влияние в на АН, . Учет этого влия-
ния можно осуществить введением к ЛЫс1 вырааения
(1 - kolr-e/D) > 0 , (12)
где kolr = 9,62 - 0,0228 e^m. . ' (13)
При этом следует отметить, что область целесообразного применения расчетного спирального армирования моено ограничить значением (e/D) найденного по формуле
(e/D) і 1/(9,62 - 0,0228-є1^). (14)
При анализе опытных данных принималось, чтр несущая способность внецентренно сяатых элементов зависит от степени использования прочностных характерістик состявляпцих данный элемент материалов. В.связи с тем, что исследуемый элемент представляет собой многокомпанентный объект, находился интегральный коэффициент kD, оценивапций степень использования прочностных характеристик полимербетона и цементного бетона,а также коэффициент k , оценивающий степень использования прочностных характерістик продольной арматуры. При этом принимались следующие допущения: распределение по высоте сечения элемента деформаций линейно; поли-мербетон, продольная арматура и цементный бетон деформируются совместно; работа обоих бетонов на растяжение не учитывается.
Опытные значения кхр и к^хр находились по формулам
!Jexp .- ? с , -Л, - Ы1 ,
,,exp _ era c. si 1 clr, era ,,^
R . -A . + R. -A.
pb.cro pb b Ъ
"Г'ІЛ, /пз-а - "С)
rjrj a , о - і-:апрл.":еісія в арматурних етергзих, опрздвлла'.тнэ при
іїспнташіл элемента,соотезтстеэшо, на центральное и внецэитреннов сгатю,щи є =є*1п,но не болов oQ . Приведенный парний коррзляцишшиЯ и регрессионный аналіз на ЭЕ'.! позволил-подучить счедупзга эапгсга.кзети
'3,1-(e/D)
kE s * ~ {e/D) '+ 0ГЄ7 " ' . (17)
0,96-(e/D)2
k. = 1 з , - (18)
3 (e/D)2 + 0,013
В траться ІУ2Ш5 прявздегаї результати экспериментальных ис-слэдосаниЯ гибгмх комплексных сгатнх элементов.
В программу, эксперимента входило опредолепиэ влияния гиб-
иостн элзкентез, ;:спігган:інх па стетле со случайном эксцшп'р::ои~
тягом, на ггасуцуіо способность в продольном состоянии согласно
условно (1). .
По.плану однефаеторпого зг.сгар'кента было изготовлено пять серий опытных элементов,, по два элемента в серии, с А от 10 до 50. ПаруяшД дгамзтр элементов, принимался равным 115 им, висота от 300 да 1500 мм. Продольная арматура состояла из шести ctpj ипгп диаметром 5 мм, класс стали Вр-П, поперечная арматура - спнрлль
- 18 -из стали класса B-I диаметром 4 мм, /Je о1 = 0,992.
В процессе испытания гибких комплексных элементов проводились измерения деформация арматуры и полишрбетона электротензо-мэтрическим методом, с . контролен показаний танзорезисторов и осуществления центрирования образцов индикаторами часового типа с ценой деления. 0,01 №і. Прогибы огалішх элементов измерялись при помощи ггрогибомеров, установленных в пяти сечениях по Еысоте Обг разца', в двух взаимно перпендикулярних' плоскостях.
Из анализа графиков развития продольных и поперечній дефор
маций іюш) сделать вывод, что для эленантоз с к =20 и внес наб
людается существенная неравномерность распределения деформаций
по периметру сечения, что объясняется на только влияние!,! случай-
даго эксцентриситета, но и гибкостью элемента. Дзфогдащш на
более сгатой грани сечения в кокент разрупенкя превышали пре
дельные деформации є не ,а у элементов К ГЦ-120 (\=41),
КГЦ-150 (X = 52) деформации .на менее сілтой граюі били меньше
„ „ и е „ . Напрягения в продольной аркатуре,расположенной
у более сгатой грани сечения, били близки к aQ '.
Анализ эпюр прогибов Г(у) указывает на то, что' очертание изогнутой оси элемента mosho описать синусоидой, по формуле
f(v) = t -sin IV/1 . ' - (19)
ю&х о
Кривизну 'синусоида іюяго определить по формула
, ~ -cos -ач/і
Ux І2
к = _ о g _^ f (20)
1 + Г; -Ц -coo^v/l
L max » о J
с максимальным значешкм прг; v = 1/2
- IV)
' 1{sWo'- ' (21)
Кривизну элемента mosho такге определить через деформации наиболее и наименее саатоя грани элемента, принимая гипотезу плоских сечения по формуле
„гоая _ pinln
(22)
из (21) и (22) получим выраяеше для определения г , для уровня Мого соответствукщэго достижению с^*х значения Е
(t: - cmln) -І2 .
+ Е _ _ Zt С ГС С 0__ * 01\
D-x2
Оценка влияния гибкости опитній элементов на их несущую способность проводилась по зкспершонтальним данным прогибов элементов і*і определенным в момент наступления предельного состояния (1). В результате обработки экспериментальных данных была получена зависимость для элементов с X до 50.
f „ = 0,000Э-\г , (24)
С ГС
Учет влияния Я на Ncro осуществляется увеличением эксцент
риситета на величину t . Следует отметить, что увеличение гиб
кости X центрально сватш комплексных элементов до 60 сказывает
ся на уменьшение несущей способности комплексных элементов N
в пределах (7 - 10)$. л
Четвертая глава содержит результаты испытания опытных комплексных элементов при длительном действии нагрузки ^которые включали испытание полимербетонша неармированннх призм с размерами 100x100x400 мм и комплексных элементов с поперечним сечегоіем и
-20--армированием аналогичными элементам с характеристиками приведенными в третьей главе.Высота элементов принималась равной 375 мы.
Перед проведением длительных испытаний определялись кратковременные физико-механические характеристики полимербетона и цементного бетона, кратковременная шсущая способность комплексных элементов по методике, ИЗЛ0ЕЄНН0Й во второй главе.
На длительное действие нагрузки было. испытано по шесть по-лимарбетонных призм и комплексных элементов. Образцы выдергивались под нагрузкой до полного прекращения процесса ползучести. Время деформирования загашало от уровня загрусения, так, для кз-армированшх призм при уровне нагрусеїсія 0,6-Н , а для комплекс-ных алиментов 0,62-М оно состаишо около 12 месяцев и ещэ более года образцы находились под нагрузкой после прекращения процесса деформирования.
Определение коэффициентов длительного сопротивления полимербетона и комплексных элементов производили построением структурной диаграммы А. 1!. Иванова.
В результате установлено, что для неариированных-элементов
значения коэффициента длительного сопротивлешія уа составляет
0,63-Н , а значение у. . .полученного в соответствии с.условней
(1), равно 0,72-И . Для комплексных элементов величины Уг н
t получились соответственно равны 0,55 и 0,63, что согласу-
ется с данными эксперимента.
В пятой главо приведены обобщенные результаты экспериментально-теоретических исследований в виде рекомендаций по расчету и конструированию матих сталэлолиыербетоших комплексных элементов' со спиральным армированием.
Расчет ствлеполимербетонных элементов комплексного сечения , производится по несущей способности с учетом снижения механических характеристик полимербетона за счет.воздействия агрессивной
( - 21 -
:cra,"'J по .;ормулэ
П '< її „ = J ] fa . (А . - А ) + П. -aJ -Jl. + о -А -к +
ого "о I J. pb, аса pb з Ь bj ТІ а а в
к . е } . + (Л .+ Л. ) -а , -л . -О . (! - - с1г- )\ , (25)
pb d oir 'a.olr a.oir т\ 'if''
гдо Jo - слкоЕоЯ парзиэтр, олрэдедяеннЯ. по формула
здесь II, Н , II - усили'-от юздеПсиїя СООТВЭТСТВШШО полшх, кратковременных н длэтольних Р?,СЧОТ1ШХ-ПОГРУЗИ?' vlt"
ST. - ксзф&ициант длительного сояротндяошія ко?ш-
' локсного элемента рдис/Я 0,63;
R . - определяется по формуле (7).
Коэффициент» a , » k 1r>, ltn, >< определяются соответственно по формулам і 1, 13, 17, 18.
Иапря.тенїія в сгоіральїюїі ардзтуро оа Qlr по <4ор:гуло
о . = !: , с11п', (27)
а, о 1 г сі, о і г !ty '
г,"э clia - определяется no формуле (А) ихі (Б).
Іірі 9тс:з слодуот учитигать, что сзллчши относительного о'-.сіюнтриснїота (o/D) спрзлолясного с учетом всех факторов,в той чиста прогііба элетанта с гибкость» Х>14,иэ доягнз превышать значения полученного по (Jopr.Qwo 14. В случае невыполнения услошл (.14) необходимо либо увеличить даэквтр элемента, либо не учитывать спиральное щшрогание в расчете.
В приложениях к диссертационноЯ робото приводится тохнико-окономический аналіз эффективности применения сталеполимербетон-
ішх комплексній колонн,а таклэ ызтернали о -лыдроши результатов настоящей роботи.