Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Конструктивные системы многоэтажных жилых зданий 6
1.2 Основы физической теории прочности бетона 12
ГЛАВА 2 Изменение свойств бетона, твердеющего под нагрузкой
2.1 Микроразрушения в бетоне 12
2.2 Экспериментальные исследования влияния длительного нагружения на прочность бетона 18
2.3 Методика учёта упрочнения бетона под воздействием действующей нагрузки 31
ГЛАВА 3 Изменение во времени прочности бетона 37
3.1 Изменение во времени прочности незагруженного бетона 37
38
3.1.1 Изменение во времени прочности бетона на сжатие
3.1.2 Изменение во времени соотношения прочностей бетона на растяжение и сжатие 43
3.2.2 Длительная прочность бетона 56
3.2.3 Режимная прочность бетона 69
3.2 Некоторые теоретические основы прочности бетона
3.2.1 Кратковременная прочность бетонов
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования напряжённого состояния и прочности несущих конструкций многоэтажного жилого дома
4.1 Методика экспериментальных исследований и их результаты 79
4.2 Деструктивные процессы, происходящие в бетоне под действием длительной нагрузки 94
4.3 Предложения по учёту упрочнения бетона, твердеющего под нагрузкой при проектировании зданий с конструкциями из монолитного железобетона 101
Основные выводы 11 о
Список литературы
- Конструктивные системы многоэтажных жилых зданий
- Экспериментальные исследования влияния длительного нагружения на прочность бетона
- Изменение во времени прочности незагруженного бетона
- Методика экспериментальных исследований и их результаты
Введение к работе
В последние десятилетия железобетонные конструкции являются основными в многоэтажном домостроении. Используемые в качестве монолитных несущих конструкций междуэтажных перекрытий в раннем (довоенном) времени железобетонные системы стали основой несущего каркаса строительства, преимущественно использовались системы из сборного железобетона. Однако, начиная с конца 90-х годов прошлого столетия, сборный железобетон стал постепенно вытесняться монолитными конструкциями.
Массовое применение железобетона в домостроении способствовало значительному объёму исследовательских работ в области изучения свойств железобетона и различных конструктивных систем, выполненных на его основе. И, тем не менее, не все аспекты проблемы использования железобетона в домостроении исследованы в полном объёме. И, прежде всего, это относится к использованию монолитных конструкций. Особенностью монолитного бетона является то, что формирование его свойств, происходит не в заводских условиях, а в сооружении. Условия твердения монолитного бетона не стабильны и могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на прочностные свойства конструкций. Поэтому изучение влияния условий твердения на несущую способность представляет значительный практический интерес как с позиций обеспечения необходимой надёжности зданий, так и с точки зрения обеспечения рационального использования строительных материалов.
В диссертации изучается изменение прочностных свойств бетона, в результате воздействия нагрузок, прилагаемых к конструкциям в процессе их возведения.
Изучение результатов лабораторных исследований позволило установить, что напряжённое состояние бетона, возникающее в процессе твердения, от внешних воздействий может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на прочность бетона. Характер этого влияния оценивается с позиций «физической теории» прочности бетона.
Научной новизной диссертации являются результаты экспериментальных исследований изменения прочности монолитной железобетонной вертикальной стены. Установлено, что прочность монолитного железобетона, твердеющего под нагрузкой, выше, чем у незагруженного бетона. Обобщение результатов экспериментальных исследований позволило сформулировать предложение по аналитическому описанию режимной прочности бетона. Такое предложение выполнено впервые.
Практическая значимость исследований определяется разработанными предложениями по учёту в процессе проектирования упрочнения бетона за счёт воздействия нагрузки в процессе его твердения.
Использование предлагаемой методики обеспечит как повышение надёжности монолитных конструкций, так и более рациональное использование строительных материалов и, в частности, цемента.
В заключение автор считает своим долгом принести глубокую благодарность сотрудникам факультета реконструкции и строительства Московского института коммунального хозяйства и строительства, оказавшим помощь в проведении экспериментальных исследований и оформлении работы.
Конструктивные системы многоэтажных жилых зданий
Многоэтажные дома появились с возникновением и развитием городов. По мере роста городов увеличивалась и этажность домов. К этому вело во-первых стремление сократить городские коммуникации, и, во-вторых возрастающая стоимость городских территорий. До середины прошлого столетия многоэтажные дома в городах возводились с кирпичными несущими стенами и перекрытиями по деревянным, реже стальным балкам. Достаточно широко использовались железобетонные балочные перекрытия. В послевоенные годы резко возросли объемы строительства. Возникла проблема индустриализации строительного производства. Этот вопрос решался за счет применения сборного железобетона в строительстве зданий и сооружений. Производство сборных конструкций выросло с 1,3 млн. куб.м в 1950г. до 125млн. куб.м в 1970г. По использованию сборного железобетона СССР занимал первое место в мире (см. табл.1.1.).
Ориентация на сборный железобетон была следствием дефицита стали в стране, а также определялась спецификой климатических условий. Продолжительные зимние периоды затрудняли производство монолитных конструкций. Не рассматривая в данной работе преимущества и недостатки зданий и сооружений из сборного железобетона, отметим лишь его значительную энергоемкость (табл. 1.2)
Процесс индустриализации домостроения в СССР можно подразделить на два этапа. На первом этапе (1950-1960 гг.) проводился поиск принципиальных конструктивных решений панельных домов. На втором этапе (после 1960 г.) для многоэтажных крупнопанельных домов в качестве основной конструктивной схемы была принята система с несущими поперечными стенами и перекрытиями из плоских железобетонных панелей [58].
В процессе развития индустриального домостроения возникли противоречия между номенклатурой заводских изделий, которые вынуждены были осваивать предприятия строительной индустрии, чтобы обеспечить строительство различных зданий и однообразием архитектурно планировочных решений зданий. Чтобы разрешить это противоречие был осуществлен переход от типовых зданий к типовым унифицированным изделиям, наподобие типовых конструкций в промышленном строительстве. На основе жесткой унификации объемно-планировочных параметров создавались более разнообразные здания по сравнению с типовыми зданиями. Существующий в мировой практике принцип «от проекта к изделиям» был в СССР заменен на обратный - «от изделий к проекту» [121].
Наглядной иллюстрацией такой строительной системы является Московский Единый каталог, удостоенный в свое время высшей государственной награды - Ленинской премии. В основу этого каталога положено две конструктивные схемы зданий: панельная с поперечными несущими стенами для жилых зданий и каркасно-панельная с унифицированным каркасом для общественных зданий. С использованием элементов этого каталога, с 1975г. в Москве возводилось 600 тыс. кв.м общей площади в год.
Внутренними несущими стенами для зданий повышенной этажности служат плоские железобетонные панели. Для наружных стен используются либо однослойные керамзитобетонные панели, либо трехслойные панели с наружными слоями из тяжелого железобетона и эффективным утеплителем между ними. В качестве перекрытий в Едином каталоге используется плоская железобетонная плита толщиной 140-160мм.
Единый каталог с помощью вставок позволяет получать достаточно большое разнообразие домов в плане («дом-волна», «дом-подкова»).
Существенная энергоемкость сборного железобетона, а также несостоятельность принципа «от изделия к проекту» привело к постепенному переходу от сборных зданий к иным конструктивным системам. В современных экономических условиях строительство перешло из государственного в частный сектор экономики. Возникло большое количество строительных фирм ориентированных на реализацию своих собственных строительных систем. Для каждой из таких систем характерны оригинальные конструктивные решения элементов зданий. Практически повсеместно используются монолитные железобетонные конструкции. С этой точки зрения все современные системы можно разделить на следующие группы: - все несущие элементы здания выполнены из монолитного железобетона; - вертикальные несущие элементы здания являются монолитными; - несущий каркас и перекрытия выполнены из монолитного железобетона.
Повсеместное использование монолитного железобетона ставит вопрос об изучении действительных условий работы конструкций в реальных условиях эксплуатации зданий.
Экспериментальные исследования влияния длительного нагружения на прочность бетона
В данном разделе работы использованы результаты экспериментальных исследований, проведенных в ЦНИИС Минтранстроя в 1985-88 гг. в МИКХи С, в 1998-2000 и в Атомэнергопроекте в 2000-2001 гг. В работах ЦНИИС и МИКХиС использовались призмы размером 15x15x60 см., а в исследованиях Атомэнергопроекта размером 10x10x40см. [13,83,113]
Во всех работах для изготовления образцов использовались металлические разборные формы. Бетонная смесь уплотнялась вибраторами с частотой 2500 колеб./ мин и амплитудой 0.45 мм. Образцы естественного твердения изготавливались в весеннее-летний период сериями, состоящими из необходимого количества призм и кубиков. Средняя температура воздуха в период изготовления образцов колебалась в пределах 15-19 С. Распалубка производилась через 5-6 суток после изготовления, образцы до испытания хранились во влажных опилках.
Состав бетонной смеси подбирался таким образом, чтобы обеспечить получение бетона низкой (классы бетона 15-25), средней (классы 30-40) и высокой (класс более 50) прочности. Соответствующие данные о составах смеси и сведения о наборе прочности приведены в табл. 2.1.
Испытание призм и кубиков проводились на прессе Армавирского завода с предельным усилием, составляющим 250 т. Испытания образцов длительной нагрузкой в 1985-1998 годах производились на специально изготовленных для этих целей установках [83].
Установка состоит из сварной стальной рамы, рассчитанной на нагрузку 150 т. На нижнюю опорную площадку рамы устанавливался гидравлический домкрат грузоподъемностью 200 т. Для ограничения хода плунжера домкрата в случае разрушения испытываемого образца устанавливалось страховочное кольцо, закрепленное к опорной площадке силовой рамы. Обеспечение отсутствия опорного момента от испытательной нагрузки осуществлялось установленной на плунжер домкрата полусферической опоры. Поддержание постоянства во времени испытательной нагрузки производилось за счет сжатого азота. С этой целью один стандартный газовый баллон на 25-50% своего объема заполнялся маслом, затем в него из газового баллона закачивался азот до максимально возможного давления. Во второй баллон азот нагнетался до давления, необходимого для обеспечения испытательной нагрузки. После заполнения газом баллоны переворачивались и закреплялись на установке. Таким образом, сжатый азот поддерживал постоянство давления масла в домкрате. Поскольку сжимаемость газа и масла существенно отличаются при деформациях образца и незначительных потерях масла, давление в домкрате практически не изменялось.
Процесс "зарядки" образца в установку осуществлялся следующим образом. Установленная в установку призма центрировалась по физическому центру. Нагрузки при этом создавалась с помощью подключенного для центрирования масляного насоса. После центрирования масляный насос отключался, и на образец передавалось давление из П-го баллона. Затем, используя баллон I, давление масла в баллоне II доводилось до необходимой величины, после чего баллон I отключался с помощью соответствующего вентиля. В процессе испытаний периодически проводилась корректировка давления масла в домкрате кратковременным подключением баллона I. Контроль за усилием, создаваемым домкратом, проводился по давлению масла в домкрате, фиксируемому системой манометров. Связь между величинами давления и усилия осуществлялась путем соответствующего тарирования установки.
Призмы, испытываемые при однократной статической нагрузке центрировались по физическому центру. Нагрузка в этом случае составляла 0,1-0,15 предела прочности бетона при статическом загружении. Деформации призм, под этой нагрузкой замерялись на базе 300 мм при помощи индикатора часового типа, укрепленных на четырех боковых гранях призмы по их осям. Заканчивалось центрирование призм тогда, когда наибольшее отклонение деформаций по одной из граней не превышало 8 % среднего значения , подсчитанного по показаниям четырех приборов.
После окончания центрирования индикаторы снимались, и дальнейшие измерения производили при помощи электрических датчиков сопротивления. Датчики с базой 100 мм наклеивались вдоль и поперек ребер (крестом) на все четыре грани призмы посередине их высоты. Показания датчиков фиксировались прибором АИ-1.
При статистических испытаниях призм нагрузка повышалась ступенями. Величина ступени для низкопрочных бетонов составляла 25 кН. Для бетонов средней и высокой прочности - 50кН. Продолжительность выдержки на каждой ступени определялась временем, необходимым для снятия показаний приборов. Скорость повышения нагрузки между ступенями составляла 0,2-0,3 мПа в секунду.
Изменение во времени прочности незагруженного бетона
Увеличение возраста бетона оказывает влияние на различные технические свойства бетона. Согласно обобщениям ВНИИГ им. Виденеева, увеличение возраста бетона свыше 28 дней приводит к повышению прочности, исчисляемому десятками процентов от ее величины в 28 дней. Улучшение технических свойств бетона во времени по мере увеличения возраста бетона в общем случае носит затухающий характер .
Для бетонов на портландцементах значительное увеличение прочности (интенсивность которого постепенно снижается во времени) имеет место вплоть до возраста 180 дней. В дальнейшем положительное влияние возраста бетона на его свойства становится менее заметным. Для бетонов на пуццолановых портландцементах и шлакопортландцементах интенсивное нарастание прочности и водонепроницаемости продолжается обычно вплоть до возраста 1 года. Для бетонов на шлакопортландцементах и пуццолановых портландцементах прочность в поздние сроки твердения, свыше 28 дней, возрастают более интенсивно и значительно, чем для бетонов на портландцементах обычного минералогического состава.
Существенное улучшение прочности бетона в поздние сроки твердения, свыше 28 дней, может учитываться при проектировании и строительстве сооружений, так как такой подход обеспечивает экономичное и эффективное использование бетона как строительного материала. Назначение полных проектных марок бетона в возрасте 28 дней ведет к созданию излишних, нереализуемых запасов и необоснованному перерасходу цемента.
Вследствие многообразия факторов, влияющих на изменение свойств бетона во времени, точное количественное выражение роста прочности с увеличением возраста бетона в каждом конкретном случае должно находиться путем постановки соответствующих экспериментов.
Результаты лабораторных испытаний, характеризующие изменение свойств бетонов во времени, полученные при оптимальном режиме твердения образцов бетона в лаборатории, должны переноситься на бетон сооружений с учетом фактических условий твердения бетона (температура, влажность и др.).
При твердении в благоприятных температурно-влажностных условиях нарастание прочности бетонов на портландцементах, шлакопортландцементах и пуццолановых портландцементах продолжается весьма длительное время.
Интенсивность роста прочности бетона во времени зависит от ряда факторов: примененного цемента, состава бетона, величины водоцементного отношения, вида и типа добавок и т.д. Общим законом нарастания прочности бетонов является постепенное снижение интенсивности роста прочности с увеличением возраста бетона.
Во многих случаях наиболее интенсивное нарастание прочности в поздние сроки твердения (свыше 28 дней) обнаруживают бетоны на шлакопортландцементах. Интенсивный рост прочности у бетонов на этих цементах, идущий, как правило, значительно более высокими темпами, чем рост прочности бетонов на портландцементах, продолжается вплоть до одного года, а иногда и более.
При твердении при постоянном увлажнении (или при отсутствии значительных потерь влаги) бетоны на пуццолановых портландцементах также обнаруживают значительное повышение прочности в поздние сроки твердения, продолжающееся вплоть до 180 дней. Интенсивность роста прочности этих бетонов в поздние сроки твердения также обычно несколько превышает рост прочности бетонов на портландцементах, но ниже, чем у бетонов на шлакопортландцементах, в особенности в сроки свыше 90 дней.
При практически одинаковой активности цементов абсолютные значения прочности бетонов на пуццолановых цементах в ранние сроки твердения-7 и 28 дней - выше, чем у бетонов аналогичных составов на шлакопортландцементах. В поздние сроки твердения, в силу более интенсивного роста прочности бетонов на шлакопортландцементах после 28-дневного возраста, прочности выравниваются, причем в ряде случаев прочность бетонов на шлакопортландцементах оказывается даже несколько более высокой.
При прочих равных условиях (одинаковой активности цементов, практически одинаковых составах бетонов и пр.) абсолютные значения прочности бетонов на портландцементах оказываются во все сроки выше, чем у бетонов на шлакопортландцементах и пуццолановых портландцементах. Это превышение прочности становится особенно заметным по мере увеличения величин водоцементных отношений.
Методика экспериментальных исследований и их результаты
Для изучения процессов твердения бетона в условиях реального строительства были проведены экспериментальные исследования. В качестве объекта экспериментальных исследований использовался 24-этажный жилой дом с монолитными несущими стенами и перекрытиями. Фасады здания представлены на рис. 4.1 и 4.2, а его план на рис. 4.3.
Здание возводилось в щитовой опалубке. Для монолитных конструкций дома использовалась бетонная смесь заводского приготовления. Проектный класс бетона составил В25. В качестве вяжущего использовался портландцемент. Удобоукладываемость бетонной смеси на заводе-изготовителе составляла 18,5см. Смесь, доставляемая с завода бетононасосами, ее уплотнение осуществлялось с помощью электровибраторов. После укладки и уплотнения в течение 2 суток проводился электропрогрев, обеспечивающий ускоренное твердение бетона. По истечении 3 суток производилась распалубка конструкций.
Экспериментальные исследования проводились на одном из участков монолитной стены в пределах 3-го этажа здания. Исследуемый фрагмент толщиной 220 мм армирован каркасом, вертикальные стержни которого расположены в 2 ряда с шагом 200 мм. Расстояние между рядами составляет 120мм. Диаметр арматурных стержней класса A-III меняется по высоте здания и составляет в пределах 1-5 этажей -20 мм., 6-8 этажей - 16 мм., а на 9-23 этажах 12мм (Рис.4.4).
Сразу после распалубки на экспериментальном участке стены устанавливались индикаторы, фиксирующие деформации бетона по мере наращивания вышележащих конструкций. Одновременно фиксировалась температура воздуха в помещении. По результатам этих измерений корректировались показания индикаторов за счет температурных деформаций металлических элементов измерительных приборов. Изменение нагрузки на испытуемый участок стены от вышележащих конструкций определялось расчетным путем в соответствии с расчетной схемой и объемом уложенной бетонной смеси. С помощью склерометра периодически определялась прочность бетона в конструкции, находящейся в загруженном состоянии.
Из бетонной смеси, использованной для стены, были изготовлены кубики с ребром 10см, часть из которых находилась в непосредственной близости от испытуемого участка стены, а другая часть хранилась в лабораторном помещении при постоянной температуре t=18-22C. Таким образом, обеспечивалась возможность учета влияния температурных колебаний вне помещения на процессы твердения бетона в стене.
Периодичность измерений в начале эксперимента (до 28 суток) составляла 7 суток, и затем была увеличена до 14 суток. Общий вид экспериментального участка стены показан на рис. 4.4. Измерения на экспериментальном участке продолжались в течение всего времени возведения здания.
Полученные в результате измерений данные о прочности и деформациях бетона приведены в таблице 4.1. Те же данные в графической форме приведены на рис. 4.6 и 4.7.
На рис. 4.6., кроме того, приведены графики изменения температуры и внешней нагрузки. Явной зависимости между изменениями температуры воздуха и бетона установить по характеру изменения графиков 4.6.А и 4.6.Б не представляется возможным.
Как видно из графиков на рис. 4.6.А прочность бетона определенная по результатам испытания кубиков в течение испытаний изменялась незначительно. Так, если в момент отпуска бетонной смеси по данным заводской лаборатории она составила 28,0МПа, то к концу испытаний она возросла до 32,0 МПа при хранении в здании и до 31,3 МПа при хранении лабораторных условиях. Таким образом, рост прочности за 240 суток составил соответственно 14% и 11%.
Прочность бетона в конструкции изначально оказалась выше кубиковой прочности. Набор бетоном прочности после укладки в опалубку вызван, по-видимому, проводившимся в течение двух суток электропрогревом.
Важно отметить, что разница между прочностью бетона в стене и кубиковой прочностью в процессе испытаний непрерывно возрастала (рис.4.8). Это обстоятельство свидетельствует о том, что на процесс твердения бетона в стене, оказывал влияние не только возраст последнего, но и увеличение внешней нагрузки (рис. 4.6.В).
