Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса
1.1. Экспериментальные исследования прочности наклонных сечений при различных видах бетона 14
1.2. Влияние различных факторов на прочность балок по поперечной силе 20
1.3. Прочность различных видов бетона в условиях двухосного напряженного состояния 24
1.4. Методы расчета прочности наклонных сечений железобетонных балок 26
1.4.1. Общие сведения 26
1.4.2. Методика норм 31
1.4.3. Методика НИИЖБ 33
1.5. Методы расчета по образовднию и раскрытию наклонных трещин. 38
1.5.1. Общие сведения 38
1.5.2. Расчет трещиностойкости наклонных сечений по методике СНиП 2.03.01. 40
1.5.3. Расчет трещиностойкости наклонных сечений по методике НИИЖБ41
1.5.4. Расчет ширины раскрытия наклонных трещин по методике норм 43
1.6. Выводы по главе 1 45
Глава 2. Свойства бетонов, использованных в опытах
2.1. Характеристики использованных материалов 47
2.2. Составы бетонов 50
2.3. Механические свойства исследованных бетонов 52
2.3.1. Призменная прочность и деформативность 52
2.3.2. Модуль упругости, коэффициент упругости и поперечные деформации 54
2.3.3. Структурные изменения в бетонах 56
2.3.4. Прочность бетонов при растяжении 58
2.3.5. Механические свойства фиброкерамзитобетона 62
2.4. Выводы по главе 2 62
Глава 3. Экспериментальные исследования влияния вида бетона и формы поперечного сечения на сопротивление элементов по наклонным сечениям .
3.1. Программа исследования и характеристики опытных балок 64
3.2. Методика испытания 73
3.3. Характер трещинообразования и разрушения элементов по наклонному сечению 80
3.4. Напряженно-деформированное состояние опытных образцов при загру-жении внешней нагрузкой
3.5. Выводы по главе 3 113
Глава 4. Рекомендации по учету вида бетона и формы сечения при расчете по образованию и ширине расскрытия наклонных трещин .
4.1. Совершенствование методов расчета трещиностойкости наклонных сечений из различных видов бетона 118
4.1.1. Уточнение методики норм 118
4.1.2. Рекомендации по совершенствованию методики НИИЖБа 131
4.2. Влияние вида бетона и формы сечения на ширину раскрытия наклонных трещин 143
4.2.1. Анализ результатов эксперимента 143
4.2.2. Предложения по учету вида бетона и уровня нагружения при определении ширины раскрытия наклонных трещин по методике норм 151
4.3. Выводы по главе 4 159
Глава 5. Рекомендации по расчету прочности наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов
5.1. Совершенствование методики СНиП 2.03.01. - 84 по расчету прочности наклонных сечений 162
5.1.1. Учет влияния вида бетона на прочность наклонных сечений 162
5.1.2. Учет влияния формы сечения на прочность элементов из различных видов бетона 167
5.1.3. Оценка влияния относительного пролета среза 170
5.1.4. Влияние продольного армирования 177
5.1.5. Учет совместного влияния формы и соотношения размеров сечения, пролета среза и продольного армирования 182
5.1.6. Предложения по совершенствованию методики расчета прочности наклонных сечений 193
5.1.7. Учет свойств фиброкерамзитобетона при расчете прочности наклонных сечений 197
5.2. Совершенствование методики НИИЖБа по расчету прочности наклонных сечений 200
5.2.1. Уточнение расчетных зависимостей для элементов из бетонов на пористых заполнителях 200
5.2.2. Предложения по совершенствованию методики НИИЖБа для расчета элементов из различных видов1 бетона и формы сечения 208
5.2.3. Предложения по совершенствованию методики НИИЖБа для расчета дисперсно армированных элементов 212
5.3. Оценка эффективности предложенных рекомендаций 222
5.3.1. Эффективность использования известняков - ракушечников в качестве заполнителей для облегченных бетонов и конструкций из них 222
5.3.2. Экономия поперечной арматуры при расчете железобетонных балок с учетом предложений автора 228
5.4. Выводы по главе 5 233
Основные выводы и предложения 236
Литература 239
Приложения 258
- Прочность различных видов бетона в условиях двухосного напряженного состояния
- Напряженно-деформированное состояние опытных образцов при загру-жении внешней нагрузкой
- Предложения по учету вида бетона и уровня нагружения при определении ширины раскрытия наклонных трещин по методике норм
- Учет совместного влияния формы и соотношения размеров сечения, пролета среза и продольного армирования
Введение к работе
Актуальность темы. Повышение эффективности строительного производства невозможно без совершенствования проектирования конструкций, обеспечения их надежности, долговечности и экономичности. В равной степени это зависит от снижения стоимости и трудоемкости технологических процессов, экономного использования материальных и энергетических ресурсов, применение новых усовершенствованных материалов и конструкций.
Ведущее место в капитальном строительстве на ближайшую перспективу сохранится за железобетонными конструкциями. Успешное решение поставленных задач требует широкого внедрения различных видов бетона, так как применение каждого их них дает наибольший экономический эффект лишь в определенных условиях.
Развитие железобетонных конструкций тесно связано с опережающим ростом конструкций из бетонов на пористых заполнителях, так как они, благодаря малой плотности и возможности использования местных материалов и отходов производства, позволяют существенно повысить технико-экономические показатели. Среди таких бетонов наибольшее распространение, как известно, имеет керамзитобетон, так как материалы для производства керамзита имеются практически повсюду.
Однако более дешевыми заполнителями являются природные, изготовление которых требует наименьших энергозатрат и состоит лишь в добыче сырья, его дробления и рассеве. Последнее особенно выгодно, когда является отходами производства природного пиленого камня. К таким заполнителям относятся известняки-ракушечники, туф, пемза и другие. Особенно распространены в России и странах ближнего зарубежья известняки-ракушечники (Северный Кавказ, Республики Закавказья, Средняя Азия, Казахстан, юг Украины, Молдавия).
В последнее время в различных областях строительства стали широко применяться фибробетоны, которые представляют собой одну из разновидностей общего класса композиционных материалов. При этом, все большее внимание в целях экономии стали, привлекают бетоны с неметаллическим фибровым армированием.
Проведенные в РГСУ применительно к керамзитобетону исследования показали, что одними из наиболее эффективных и перспективных являются фибры из грубого базальтового волокна (ГБВ), которые получают путем плавления базальтовой горной породы, вытягивания волокна из расплава и пропиткой полимерной композицией. Перспективность фибр из ГБВ обуславливается не только их физико-механическими свойствами, близкими к матрице керамзитобетона, но и неограниченностью запасов, дешевизной исходного сырья, простотой получения базальтового волокна, а так же стоимостью такой фибры, которая в 7 - 10 раз ниже, чем стальная.
Широкое применение железобетонных конструкций из различных видов бетона вызывает настоятельную необходимость развития и совершенствования методов расчета конструкций с учетом специфических особенностей материалов.
Среди вопросов теории железобетона наименьшая ясность о влиянии вида бетона имеется в расчете железобетонных конструкций по наклонному сечению. Несмотря на то, что этому вопросу посвящено значительное количество работ, до сего времени он не нашел окончательного решения как в нашей стране, так и за рубежом [129].
Анализ ранее выполненных работ показывает, что в настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по прочности и трещино-стойкости наклонных сечений элементов различного профиля из тяжелого бетона. Таких данных для элементов из легких бетонов при марке по средней плотности Д 1800 и менее и марке Д 1900 и более (которые в настоящей диссертационной работе в целях удобства изложения материала названы облег-
'6
ченными бетонами) - значительно меньше. Данные о сопротивлении действию поперечных сил керамзитофибробетона на основе ГБВ практически отсутствуют.
Все еще нет полной ясности о влиянии вида бетона на сопротивление изгибаемых элементов поперечной силе, так как практически отсутствуют опытные данные, полученные в одинаковых условиях и при единой методике испытания элементов из различных видов бетона. Кроме того, данные о прочности наклонных сечений элементов из облегченного бетона на известняке - ракушечнике все еще малочисленны, а по трещиностойкости - практически отсутствуют. Не проводились так же исследования, выполненные одновременно по единой методике, на балках различной формы сечения из тяжелого, облегченного и легкого бетонов, которые позволяют путем прямого сопоставления получить более достоверные данные о влиянии вида бетона на величину предельной поперечной силы, момент трещинообразования и ширину раскрытия наклонных трещин в элементах различного профиля. В связи с этим, рекомендации СНиП 2.03.01 - 84* в отношении прочности и трещиностойкости наклонных сечений железобетонных элементов на некоторых видах пористых заполнителей из - за отсутствия достаточных экспериментальных данных приведены с излишней осторожностью. Вместе с тем, вызывает сомнение возможность распространения формулы норм для определения ширины раскрытия наклонных трещин в элементах из бетонов на пористых заполнителях, так как их трешиностойкость ниже.
До сих пор нет единого мнения в отношении степени влияния на прочность наклонных сечений относительного пролета среза, продольного армирования, формы поперечного сечения элементов и других факторов. Существующие предложения учитывают, как правило, лишь один из перечисленных факторов, а не их совместное влияние.
Указанного недостатка лишены новые расчетные модели НИИЖБ и НИИСКа, которые основаны на определении внутренних усилий, исходя из
фактического напряженно - деформированного состояния в элементе. Одна-
і ко, эти методики разработаны и проверены пока только для элементов из тя-
!
желото бетона. Необходимо распространить их на элементы из других видов
бетона.
' С учетом изложенного, вполне очевидно, что без исследования перечисленных выше вопросов невозможно запроектировать большинство изгибаемых элементов с заданной надежностью.
1 Для восполнения указанных пробелов была поставлена задача исследовать сопротивление действию поперечных сил изгибаемых элементов различной формы сечения, выполненных из различных видов бетона, в том числе и, дисперсноармированных, и разработать рекомендации по совершенствованию методов расчета наклонных сечений с учетом особенностей физн-
I ко-механических свойства этих бетонов.
і Исследования по данной теме проводились автором в 1975 - 1997 годах; в том числе и в соответствии с Общероссийской программой "Архитектура и строительство" и грантом на 1995 -1996 годы. Задачи исследования:
1. Провести всесторонние параллельные исследования физико-меканических свойств наиболее характерных видов бетона: тяжелого, облегченного - на известняке-ракушечнеке и легкого - на керамзите, а так же ке-рамзитофибробетона на основе ГБВ, которые использованы в опытных железобетонных элементах по изучению сопротивления поперечной силе.
і 2. Провести экспериментальные исследования прочности и трещино-
I стойкости наклонных сечений изгибаемых железобетонных балок различной
і формы сечения, изготовленных из тяжелого, облегченного и легкого бетонов, в том числе и дисперсноармированного.
3. Установить влияние вида бетона на прочность наклонных сечений ї элементах различного профиля.
Изучить вопрос об образовании и ширине раскрытия наклонных трещин в балках при различных видах бетона и формах сечения.
Разработать практические рекомендации по учету вида бетона при расчете прочности и трещиностойкости наклонных сечений железобетонных балок.
Усовершенствовать метод расчета СНиП 2.03.01-84 по наклонным сечениям в части учета относительного пролета среза, продольного армирования и формы поперечного сечения конструкций.
Исследовать новую методику НИИЖБа для расчета наклонных сечений железобетонных элементов с целью ее распространения на элементы из различных видов бетона и при сложных формах сечения.
Определить экономическую эффективность от внедрения предложенных расчетных рекомендаций.
Автор защищает:
Новые экспериментальные данные по прочности, трещиностойкости наклонных сечений и ширине раскрытия наклонных трещин изгибаемых железобетонных элементов пяти форм сечения, изготовленных из бетонов: тяжелого на плотном известняке, облегченного на известняке-ракушечнике и легкого на керамзите, а также из фиброкерамзитобетона на основе грубого базальтового волокна;
Предложения по учету вида бетона и формы сечения изгибаемых элементов при расчете прочности и трещиностойкости наклонных сечений по действующим нормам и методике НИИЖБа;
Новые данные о распределении напряжений в хомутах в пролете среза для элементов из различных видов бетона;
- Новые данные о влиянии процента продольного армирования на
прочность наклонных сечений элементов из тяжелого и легких бетонов;
- Предложения по учету пролета среза и продольного армирования при
расчете прочности наклонных сечений по методике норм;
Предложения по учету вида бетонов при расчете ширины раскрытия наклонных трещин по действующим нормам;
Экономическую эффективность от внедрения предложенных расчетных рекомендаций.
Научная новизна работы:
Получены новые экспериментальные данные по прочности и трещи-ностойкости наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов пяти форм сечения, изготовленных из тяжелого, облегченного и легкого бетонов и испытанных в одинаковых условиях по единой методике;
Получены новые экспериментальные данные по прочности и трещи-ностойкости наклонных сечений керамзитожелезобетонных балок с фибровым армированием базальтовым волокном;
Получены новые данные о влиянии вида бетона и формы сечения на ширину раскрытия наклонных трещин;
Получены новые данные о зависимости напряжений в хомутах от уровня нагрузки в пролете среза для различных видов бетона;
Получены новые данные о влиянии процента продольного армирования на прочность наклонных сечений элементов, изготовленных из различных видов бетона;
Разработаны рекомендации по учету свойств различных бетонов при расчете прочности наклонных сечений изгибаемых элементов по двум методикам;
Разработаны рекомендации по учету свойств различных бетонов и профиля элементов на трещиностойкость наклонных сечений изгибаемых железобетонных балок при расчете по двум методикам;
Разработаны рекомендации по учету пролета среза и формы сечения при расчете прочности наклонных сечений по методике норм;
Разработаны рекомендации по учету вида бетона на ширину раскрытия наклонных трещин при расчете по методике норм;
- Дана оценка экономической эффективности при внедрении предложенных рекомендаций.
Достоверность полученных результатов исследований и предложенных рекомендаций по проектированию и расчету изгибаемых железобетонных элементов по наклонным сечениям из четырех видов бетона обеспечена научной обоснованностью и высоким уровнем статистической надежности, полученных при обработке большого количества результатов тщательно проведенных экспериментов.
Практическое значение и внедрение результатов работы.
Полученные результаты и основанные на них рекомендации позволили повысить надежность и экономичность изгибаемых железобетонных элементов, выполненных из тяжелого, облегченного и легкого бетонов при наличии или отсутствии в последнем фибрового армирования. Разработанные рекомендации по проектированию и расчету наклонных сечений из различных видов бетона,в том числе и фиброкерамзитобетона^используются проектными организациями, в частности СевкавНИПИагропромом. Рекомендации по расчету элементов из бетонов на известняке - ракушечнике вошли составной частью в п.п. 3.29 4- 3.33 СНиП 2.03.01 - 84*.
С участием автора разработан ГОСТ - 22263 - 76. "Щебень и песок из пористых горных пород. Технические условия".
Данные по сопротивлению поперечной силе керамзитофиброжелезобе-тонных элементов использованы в " Рекомендациях по проектированию железобетонных конструкций" (СевкавНИПИагропром, 1996 год).
Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, Ростовском архитектурном институте и в других вузах.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в24 работах.
Материалы диссертации доложены и получили одобрение на научно -технических конференциях Ростовского инженерно - строительного института (1976, 1977, 1978, 1979 г.г.), на Всесоюзной конференции по легким бетонам (г. Ереван, 5-7 августа, 1985 г.), на международной научно-технической конференции "Эффективные технологии и материалы для стеновых и ограждающих конструкций" (г. Ростов-на-Дону, 1994 г.), научно -технических конференциях Ростовской государственной академии строительства (1995 - 1996 г.г.), международной научно - практической конференции (г. Ростов-на-Дону, РГСУ, 1997 г.).
Диссертационная работа выполнялась в период с 1975 по 1997 годы на кафедре железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного университета под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Р.Л Маиляна. Автор пользовался консультациями заведующего лабораторией теории железобетона НИИЖБа, доктора технических наук, профессора А.С. Залесова.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Она содержит -^/страниц, 56 рисунков, 53 таблицы, 175 литературных источника.
Прочность различных видов бетона в условиях двухосного напряженного состояния
Как известно, наиболее достоверные данные по трещиностойкости наклонных сечений железобетонных элементов могут быть получены только при учете работы бетона в условиях двухосного напряженного состояния -сжатия - растяжения. Критерии прочности бетона при сложном напряженном состоянии, известные к настоящему времени, основаны на различных теориях прочности [13, 14, 26, 38, 84], либо экспериментальных данных.
Исследование работы тяжелых бетонов в условиях сжатия - растяжения выполнено уже для бетонов классов В 15 -г 70. Этому посвящены опыты X. Купфера [169] - на пластинах; К.П. Верегина [26] - на призмаз-восьмерках; К.С. Карапетяна, В.Д. Глебова [40, 68] - на полых цилиндрах; П.М. Бича, Ю.А. Воробьева, Г.С. Алиева [4, 17,33] - на кубах.
Легкие бетоны при сложном напряженном состоянии изучены также достаточно широко. Керамзитобетоны класса В 7,5 -J- 35 исследовались в работах Л.Н. Брусковой и А.А. Кудрявцева [23, 81], П.М. Бича и А.В. Яшина [17], Ю.А. Воробьева и А.А. Гвоздева [33]. Опыты Г.А. Гениева, В.Н. Кисю-ка и Н.И. Левина [39] посвящены ячеистым бетонам класса В 2,5. Пеплобетон классов В 7,5 ч- 15 и туфебетон классов В 10 + 25 исследовались в работе Г.С. Алиева и A.M. Жангуразова [3].
Облегченные бетоны в условиях сжатия - растяжения наименее изучены. Известны лишь опыты Г.С. Алиева и Р.Л. Маиляна [4], проведенные на кубах из бетонов на известняке - ракушечнике III группы для бетонов классов В 15 + 30. Следует отметить, что в работах [4, 17, 33] по единой методике исследовались различные виды бетонов. Последнее позволяет установить между ними более надежные соотношения критерия прочности при сложном напряженном состоянии.
Сравнивая результаты опытов перечисленных авторов, можно отметить, что они имеют значительные расхождения, а иногда и противоречивы. Так в опытах [17, 23, 169] с увеличением прочности бетона критерий прочности снижается, тогда как в работе [33] он не зависит от класса бетона. Имеется и разброс опытных данных для бетонов одинаковой прочности. По данным [169] критерий прочности тяжелого бетона класса В 35 выше, чем в опытах [17, 33]. Указанные расхождения можно объяснить, по-видимому, различием методик проведения испытаний, способов приложения нагрузки, методов устранения трения между образцами и плитами прессов, а также различными составами бетонов и прочностными характеристиками заполнителей. Однако, несмотря на различие конечных результатов исследований, можно отметить следующее,
Критерий прочности бетона в условиях сжатия - растяжения зависит как от вида бетона, так и от его прочности. С увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при сложном напряженном состоянии падает. Бетоны на пористых заполнителях по сравнению с тяжелыми имеют более выпуклую форму кривой (ас / Rnp - ар / Rp ). С увеличением прочности заполнителя указанная кривая приближается к прямой. Для облегченных бетонов на известняке - ракушечнике критерий прочности в условиях сжатия - растяжения занимает промежуточное положение по сравнению с тяжелым и легким бетонами. Однако в нормах проектирования [141] указанный критерий принят постоянным для всех бетонов на пористых заполнителях. В Нормативных документах разных стран [96, 97, 141, 142, 161, 167, 171] расчет железобетонных элементов по наклонным сечениям производится различными методами. В этой связи интересно проследить как разные методики расчета конструктивных элементов по поперечной силе учитывают применение различных видов бетона. На территории бывшего Советского Союза расчет железобетонных конструкций по наклонным сечениям производился вплоть до 1955 года по методу допускаемых напряжений, в котором учитывались только упругие деформации. Согласно этому методу главные сжимающие усилия воспринимались бетоном, а главные растягивающие напряжения, возникающие в наклонном сечении, воспринимались поперечной и отогнутой арматурой. В 1955 году в нормах и технических условиях НиТУ 123-55 [105] был принят новый метод расчета наклонных сечений бетонных и железобетонных кон-струкций по разрушающим усилиям, разработанный М.С. Боришанским под руководством А.А. Гвоздева на основе экспериментов, проведенных в 1937 -1940 и 1946 - 1947 годах на элементах из тяжелого бетона средней прочности. Новый метод базировался на передовой основе - уравнениях равновесия предельных усилий по наклонному сечению. Переход от условных напряжений к фактическим усилиям в наклонном сечении позволил при проектировании конструкций сэкономить металл цемент заполнители Позже на осно-ве этого метода был разработан метод г)асчета тто noenejibHOMv состоянию (СНиП П-B. 1-62). Формула для определения предельной поперечной силы воспринимаемой бетоном, имела вид.
Напряженно-деформированное состояние опытных образцов при загру-жении внешней нагрузкой
Расчет прочности наклонных сечений производится методом последовательного приближения до совпадения вводимой в расчет нагрузки и теоретической прочности, получаемой по формулам.
Основываясь на определении внутренних усилий, исходя из фактического напряженно-деформированного состояния в элементе, новый метод расчета физически более правильно и всесторонне по сравнению с главой СНиП 2.03.01 - 84 отражает сопротивление железобетонного элемента при действии поперечных сил. Новый метод вводит в расчет ряд новых и важных факторов: совместное действие изгибающих моментов и поперечных сил, продольную арматуру, предварительное напряжение, сжатые полки в тавровых и двутавровых элементах, которые за исключением последнего в главе СНиП 2.03.01 - 84 не учитываются. Однако этот метод разработан для железобетонных элементов из тяжелого бетона. Необходимо распространить его и на элементы из других видов бетона, в том числе легких с фибровым армированием. Вопрос о трещиностойкости наклонных сечений, наряду с расчетом их прочности , является не менее важным в практике проектирования железобетонных элементов. Поэтому не случайно данному вопросу уделено значительное количество работ [19, 20, 28, 48, 55, 59, 120, 172, 173]. Появление наклонных трещин указанные исследователи объясняют по разному. Одни связывают их появление с величиной изгибающего момента в наклонном сечении, другие - считают необходимым учет местных вертикальных сжимающих усилий, третьи - их появление связывают с относительным пролетом среза. Имеются попытки дифференцированного подхода к условиям трещинообразования с учетом перечисленных факторов. Ширина раскрытия наклонных трещин также зависит от перечисленных выше факторов. В частности, влияние продольного армирования и пролета среза отмечено в работах М.С. Боришанского, А.М, Юрятина, А.А. Бе-резюка и других авторов [17, 20, 158]. Влияние видов бетона на раскрытие наклонных трещин отражено в исследованиях [4, 20, 44, 55] и другие. Здесь особо отметим тот факт, что при одинаковых уровнях нагрузки напряжения в поперечной арматуре балок из бетонов на пористых заполнителях, вследствие пониженной трещиностойкости последних, будут выще. Следовательно будут больше и деформации поперечной арматуры, которая оказывает существенное влияние на ширину раскрытия наклонных трещин. Однако справедливость этих предположений можно выяснить только при прямом сопоставлении опытных значений ширины раскрытия наклонных трещин в элементах из различных видов бетона. Необходимость дальнейших опытных и теоретических исследований обуславливается и тем, что расчет по раскрытию трещин является, в ряде случаев, важным для подбора арматуры. Анализ выполненных исследований по трещиностойкости и ширине раскрытия наклонных трещин показал, что наименее изученными являются бетоны на известняке - ракушечнике с пористым песком. Отсутствуют в существующих нормах и указания по расчету и проектированию фиброжелезо-бетонных элементов. В действующих нормах расчет по образованию трещин, наклонных к продольной оси элемента, может не производиться, если соблюдается условие (1.18). Для ответственных конструкций, появление трещин в которых не допустимо, а также, когда зависимость (1.18) не выполняется, расчет по образованию наклонных трещин производится из условия, согласно которому главные напряжения, действующие в бетоне по наклонным площадкам, не должны превосходить соответствующих предельных значений прочности бетона на растяжение, отвечающих упрощенному критерию прочности. Этот критерий основан на учете влияния двухосного напряженного состояния "растяжение - сжатие" на прочность бетона при растяжении (рис. 1.2). Расчетные зависимости имеют вид: где коэффициент условия работы уь4 определяется о формуле: но не более !» .37) Здесь а - коэффициент, принимаемый равным 0,01 - для тяжелого бетона и 0,02 - для легкого бетона, В - класс бетона по прочности на сжатие, МПа. Значение аВ принимается не менее 0,3. Значения главных растягивающих (amt) и главных сжимающих (amc) напряжений в бетоне определяются по формуле: где Ох - нормальное напряжение в бетоне на площадке, перпендикулярной оси элемента, от внешней нагрузки и усилия предварительного обжатия; cjy - нормальное напряжение в бетоне на площадке, параллельной продольной оси элемента, от местного действия опорных реакций, сосредоточенных сил и распределенной нагрузки, а так же усилия обжатия вследствие предварительного напряжения хомутов и отогнутых стержней.
Напряжения ах, ау, Тху определяются ккк для упрргого оела аза исключением касательных напряжений от действующего крутящего момента, определяемых по формулам для пластического состояния элементов), так как нормальные трещины на участке, где ожидается образование наклонных трещин, как правило отсутствуют.
Предложения по учету вида бетона и уровня нагружения при определении ширины раскрытия наклонных трещин по методике норм
Второй состав облегченных бетонов был подобран на фракционированных заполнителях (табл. 2.4.). Там же даны составы тяжелого и легкого бетонов.
Состав керамзитобетона на м в образцах второй серии был принят следующим: цемент марки 400 - 480 кг; кварцевый песок - 700 кг; керамзит крупностью до 10 мм - 430 кг; вода - 250 л. Фиброкерамзитобетон содержал кроме указанных материалов - 118 кг фибр из грубого базальтового волокна (ГБВ), то есть Hf = 10 % от суммарного веса цемента и песка. Плотность керамзитобетона составляла в среднем 1600 кг / м , а фиброкерамзитобетона -1750 кг/м3.
Изготовление бетонной смеси производилось в лабораторной бетономешалке, а ее уплотнение - в формах на стандартном вибростоле. Добавим при этом, что приготовление фиброкерамзитобетона осуществлялось методом принудительного перемешивания по раздельной технологии. Это делалось с целью равномерного распределения волокон и бетонной смеси. На первом этапе приготовлялась растворная часть, а на втором - она перемешивалась с заполнителем. При таком методе на частицах песка образуются цементные оболочки, которые снижают действие песка на волокно. Общая продолжительность перемешивания не превышала 5 минут. Прочность бетона всех видов определялась по испытанию на сжатие кубов с ребром 150 мм согласно ГОСТ [44, 45], Физико-механические характеристики фибробетона определялись по испытанию кубов с ребром 100 мм на сжатие и раскол в соответствии с ГОСТ 10180-90.
Для получения данных о призменной прочности и деформативности различных видов бетона были испытаны на центральное сжатие 61 призма, в том числе 21 - из тяжелого бетона, 24 - из облегченного бетона на известняке - ракушечнике и 16 - из легкого бетона. Все призмы размером 15 х 15 х 60 см изготавливались в одинаковых условиях и до момента испытания находились в закрытом помещении при температуре 20±4С. Призменная прочность и модуль упруГОСТИ (Ьиброкерамзитобетона определялись по результатам испытания призм размером 10 х 10 х 40 см. Все опытные результаты приводились к образцам основных стандартных размеров с помощью коэффициентов приведения. Призмы испытывались ступенчато - возрастающей статической нагрузкой.
Анализ результатов испытания призм (рис. 2.1) показывает, что значения призменной прочности находились в пределах (0,72 - 0,74) R xp - для тяжелого бетона; (0,8 - 0,99) R "p - для облегченного бетона и (0,84 - 0,96) R "p -для легкого. Из рис. 2.1. видно, что опытные значения Rb для тяжелого бетона имеют удовлетворительную сходимость с данными, приведенными в нормах. Для облегченного и легкого бетонов опытные значения призменной прочности в среднем равны Rbexp = 0,85 R "p , что несколько выше, чем для тяжелого бетона такой же прочности. Полученные данные подтверждают результаты исследований [3, 21, 85, 11] о том, что отношение призменной прочности к кубиковой для бетонов на пористых заполнителях, как правило, выше, чем для тяжелого бетона. Последнее является следствием повышенной поперечной растяжимости облегченных и легких бетонов.
Деформации сжатия призм при уровнях нагрузки 0,95 - 1 от разрушающих составляли 0,81 - 1,4 мм/м - для тяжелого бетона; 1,1-2,2 мм/м -для облегченного и 1,17 - 1,8 - для легкого бетона. Средние значения этих деформаций перечисленных видов бетона равны соответственно 1,15; 1,65 и 1,49 мм/м, что также свидетельствует о повышенной деформативности бетонов на пористых заполнителях по сравнению с тяжелыми. Упруго-пластические свойства тяжелого, облегченного и легкого бетонов изучались на тех же образцах, что и при определении призменной прочности.
Анализ опытных данных (рис. 2.2) показывает, что зависимость начальных модулей упругости при сжатии от кубиковой прочности для тяжелого, облегченного и легкого бетонов на фракционированных заполнителях в целом хорошо согласуется с рекомендациями норм [141, 142]. При этом, начальные модули упругости облегченного и легкого бетонов класса В 25 в сравнении с тяжелым ниже соответственно на 33 и 55%.
Для облегченных бетонов на известняке - ракушечнике с нефракцио-нированныи заполнителем начальные модули упругости на 10 -12 % ниже, чем значения, приведенные в СНиП 2.03.01 - 84 для бетонов на пористых при плотности уь= 2,2 т/м . Для определения Еь таких бетонов рекомендуется видоизмененная формула Графа: где R - кубиковая прочность бетона.
По результатам испытаний бетонных призм были вычислены коэффициенты упругости V. При напряжениях 0,5 Rb xp указанные коэффициенты для бетонов на пористых заполнителях оказались не ниже, чем для тяжелого бетона, а при более высоких уровнях напряжений - они несколько выше. Следует отметить также, что с повышением уровня напряжений коэффициенты упругости снижаются тем интенсивнее, чем ниже класс бетона. Полученные данные для облегченного и легкого бетонов хорошо согласуются с опытами [21, 85, 111].
Учет совместного влияния формы и соотношения размеров сечения, пролета среза и продольного армирования
Развитие первых трещин происходило под большим углом к продольной оси элемента в непосредственной близости от груза. Далее, образовывались трещины с меньшим углом наклона, которые сливаясь, образовывали одну, либо две основных трещины, по которым и происходило разрушение балок.
Для образцов из тяжелого бетона и облегченного на известняке - ракушечнике на стадиях близких к разрушению характерным было наличие одной, реже двух магистральных наклонных трещин с разными проекциями, близких по форме к прямой линии, либо несколько выпуклой в сторону сжатой зоны. Нагрузка, при которой такая трещина полностью пересекала сжатую зону бетона, была близка к разрушающей.
В балках из легкого бетона на керамзите при нагрузках 0,5 - 0,7 от разрушающих, как правило, возникали две трещины. Первая образовывалась выпуклостью в сторону сжатой зоны бетона и в середине пролета среза проходила выше верхней грани средней трети высоты балок. Вторая трещина имела выпуклость в сторону растянутой арматуры. Эти трещины, развиваясь, сливались внизу в растянутой арматуре вблизи опоры, а вверху - на уровне сжатой арматуры, либо на уровне сопряжения стенок с полкой в непосредственной близости от линии действия силы. Нагрузка, при которой трещины в сжатой зоне соединялись, также была близка к разрушающей. Следует отметить что между основными трещинами появлялись и более мелкие.
Для большинства балок независимо от вида бетона перед разрушением отмечалось появление небольшого горизонтального участка наклонной трещины вдоль растянутой арматуры у опоры, вызванной отделением арматуры в поперечном направлении. Подобное явление отмечалось и в опытах других авторов [18, 51, 158]. Следует отметить также, что в отдельных балках типа В и Д в момент резкого разрушения сжатой зоны бетона, в сечениях без поперечной арматуры откалывался защитный слой у растянутой арматуры. При этом, трещина вдоль арматуры заходила на 5 -10 см в зону чистого изгиба.
При нагрузках, составляющих 65 - 80 % от разрушающих, в пролетах среза образовывались нормальные трещины, развивающиеся со стороны сжатой зоны (сверху вниз). Трещины такого рода отстояли от линии действия силы на расстоянии до 25 см, а шаг этих трещин в сторону опоры составлял 8-12 см. Высота таких трещин составляла 5-12 см. Возникновение подобных трещин отмечалось и в работах [2, 4, 9].
Процесс разрушения балок по наклонному сечению также имел свои некоторые характерные особенности, связанные с физико-механическими свойствами различных видов бетона и формой поперечного сечения опытных образцов. Для балок таврового сечения с полкой в растянутой зоне из обычного бетона (АО) характерным было разрушение по сжатой зоне над наклонной трещиной (рис. 3.10, а). Видимая высота дробления бетона составляла 6 - 8 см. Балки такого же профиля из облегченного бетона (АР) имели менее выраженное дробление бетона над наклонной трещиной, так как видимая высота дробления достигала 2,5 - 5 см (рис. 3.10, б). Аналогичные балки из керамзитобетона (АР) имели наклонную трещину до верха сжатой грани, которая пересекала ее за несколько этапов до разрушения (рис. 3.10, в). Для этих балок характерным было "шелушение" бетона на боковой поверхности под силой на высоту 8-12 см.
Балки двутаврового сечения из обычного бетона (БО) разрушались по наклонному сечению. В момент разрушения наблюдалось дробление бетона стенки под сжатой полкой (рис. 3.11, а). В балках того же профиля на известняке - ракушечнике (БР) и керамзите (БК) срезались сжатые полки после чего частично дробился бетон стенок (рис. 3.11, б, в). В тавровых балках с полкой в сжатой зоне (рис. 3.12) разрушение было таким же, как в двутавровых - частичное дробление стенки под полкой и последующий срез сжатых полок - для элементов из тяжелого бетона; срез сжатых полок с последующим дроблением стенок - для элементов из облегченного и легкого бетонов. Балки прямоугольных сечений (рис. 3.13, 3.14) разрушались по наклонному сечению с видимым и более существенным дроблением сжатой зоны для элементов из тяжелого бетона. Для балок этого типа на известняке - ракушечнике и керамзите характерным было разрушение по заполнителю. В балках узкого прямоугольного профиля (рис. 3.14) имело место отделение бетона от поперечной арматуры с последующим его боковым выпучиванием в момент разрушения.
Следует отметить, что характер разрушения опытных образцов как в зоне с поперечной арматурой, так и в зоне без хомутов был спокойным. Исключение составляли лишь две балки типа ДО, имевшие хрупкое разрушение при значительной высоте дробления бетона (10 - 12 см) в пролете среза без поперечной арматуры. Во всех испытанных образцах втягивания продольной арматуры не наблюдалось. Характер развития трещин и разрушение опытных балок показан нарис. 3.10-3.14.
Результаты испытания керамзито и фиброкерамзитожелезобетонных балок (второй этап исследований) по прочности и трещиностойкости наклонных сечений приведены в таблице 3.4.
Полученные данные свидетельствуют о том, что характер трещинооб-разования, уровень поперечных сил при образовании наклонных трещин, характер разрушения и прочность по наклонным сечениям опытных образцов также находились в некоторой зависимости от вида бетона и наличия поперечной арматуры.
