Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 15
1.1 Основные подходы к моделированию сопротивления железобетона 15
1.2. Экспериментально-теоретические исследования железобетонных конструкций при внецентренном сжатии 28
1.3. Предложения по определению расстояния между трещинами 40
1.4. Предложения по расчету ширины раскрытия трещин 44
1.5. Выводы и постановка задач исследований 54
2. Разработка методики расчета ширины раскрытия трещин в железобетонных внецентренно сжатых конструкциях 60
2.1. Определение угловых перемещений в окрестности трещин железобетонных конструкций при внецентренном сжатии 60
2.2. Расрытие статической неопределимости двухконсольного элемента в зонах, прилегающим к трещинам внецентренно сжатых железобетонных конструкций 67
2.3. Методика определения расстояния между трещинами в железобетонных внецентренно сжатых конструкциях 78
2.4. Расчет ширины раскрытия трещин в железобетонных внецентренно сжатых онструкциях с учетом эффекта
нарушения сплошности 87
2.5. Выводы з
3. Экспериментальные исследования ширины раскрытия нормальных трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций 92
3.1. Цель и задачи эксперимента 92
3.2. Конструкция опытных образцов 94
3.3. Методика проведения эксперимента 99
3.4. Результаты и анализ опытных данных 105
3.5. Формирование экспериментальных данных для проведения сопоставительного анализа 118
3.6. Выводы 136
4. Численные исследования. сопоставление экспериментальных и расчетных значений ширины раскрытия трещин 141
4.1. Алгоритмы и примеры расчетов ширины раскрытия трещин железобетонных элементов по предлагаемому методу,
по нормативной методике и по методике новых норм Украины 142
4.2. Исследование влияния основных расчетных параметров на расстояние между трещинами и ширину раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций 165
4.2.1. Исследование влияния основных расчетных параметров на расстояние между трещинами (1сгс) 166
4.2.2. Исследование влияния основных расчетных параметров на ширину раскрытия трещин (аск) 172
4.3 Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов ширины раскрытия трещин железобетонных внецентренно сжатых конструкций и оценка предлагаемого расчетного аппарата 182
4.4. Выводы 196
Заключение 200
Список литературы
- Экспериментально-теоретические исследования железобетонных конструкций при внецентренном сжатии
- Расрытие статической неопределимости двухконсольного элемента в зонах, прилегающим к трещинам внецентренно сжатых железобетонных конструкций
- Конструкция опытных образцов
- Исследование влияния основных расчетных параметров на расстояние между трещинами и ширину раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций
Введение к работе
Актуальность темы. Сегодня железобетон остается основным строительным материалом, и поэтому развитие теории и совершенствование методов расчета железобетонных конструкций входит в число важнейших задач строительной науки.
Железобетон относится к материалам, в которых при сопротивлении силовым и деформационным воздействиям образуются трещины; процессы образования и развития их – явления достаточно сложные.
Несмотря на значительную часть в общем объеме возводимых железобетонных конструкций к настоящему времени выполнено сравнительно небольшое количество теоретических и экспериментальных исследований, посвященных ширине раскрытия трещин при внецентренном сжатии с учётом применения гипотез и методов механики разрушения, способных объяснить физический смысл качественно новых явлений, замеченных в опыте. Оценивая накопленные результаты экспериментальных исследований ширины раскрытия трещин, следует отметить, что на сегодняшний день мало опытных данных о ширине раскрытия трещин вдоль всего профиля трещин; расстоянии между трещинами при проверке многоуровневого процесса их образования и длине трещин по мере увеличения нагрузки при варьировании армирования и класса бетона. Тем не менее, эти параметры являются определяющими для анализа сопротивления областей, прилегающих к местам пересечения трещинами рабочей арматуры, где, как показали последние исследования, возникает деформационный эффект.
Отсутствие теоретического обоснования и анализа экспериментальных данных вынудило в свое время отдать предпочтение эмпирическим методам расчета, в том числе по ширине раскрытия трещин, что требует непрерывного трудоемкого и дорогостоящего экспериментирования.
В последнее время исследования напряженно-деформированного состояния бетона в окрестности трещины рассматривают с привлечением основных положений механики разрушения, что позволяет достичь заметного уточнения расчётных значений ширины раскрытия трещины по сравнению с опытными, измеряемыми с помощью микроскопа. Однако до настоящего времени практически отсутствуют разработки, устанавливающие зависимость традиционных параметров железобетона , с новыми элементами механики разрушения. Многие, 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 ширины раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом несовместности деформаций бетона и арматуры, нарушения сплошности материала является весьма актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка методики расчета ширины раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом взаимных смещений арматуры и бетона, а также эффекта нарушения сплошности.
Для достижения цели были поставлены следующие конкретные задачи:
– на основе обобщения и анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований разработать практический способ расчета ширины раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности, позволяющий увеличить его точность по сравнению с существующими способами;
– выполнить экспериментальные исследования уровней появления трещин, ширины раскрытия трещин, деформаций бетона и арматуры, и по результатам анализа полученных результатов провести проверку предлагаемого расчетного аппарата по уточненному определению ширины раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности;
– провести численные исследования оценки влияния основных расчетных параметров на расстояние между трещинами и ширину раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций по предлагаемому способу расчета и выполнить их анализ;
– выполнить сравнительную оценку предлагаемого способа расчета с экспериментальными данными и существующими способами расчета ширины раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций.
Объект исследования – железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Предмет исследования – ширина раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций.
Методы исследования. Используется экспериментально-теоретический метод; в теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, применены общие методы механики твердого деформируемого тела и механики разрушения.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
– учтена специфика построения двухконсольного элемента (ДКЭ) в зонах, прилегающих к трещинам применительно к расчету внецентренно сжатых железобетонных конструкций; позволяющего связывать зависимости механики разрушения с традиционными параметрами сопротивления таких конструкций, после нарушения их сплошности, в виде энергетического функционала;
– предложена упрощенная расчетная схема для раскрытия статической неопределимости задачи и оценки напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых железобетонных конструкций после нарушения их сплошности, позволяющая существенно уточнить практический расчет ширины раскрытия трещин;
– получены уравнения, связывающие новые расчетные параметры с традиционными параметрами сопротивления железобетона, при этом установлено, что заделки двухконсольного элемента при раскрытии трещины поворачиваются на дополнительные углы и , соответственно;
– разработаны методика расчета и зависимости для определения расстояния между трещинами и ширины их раскрытия во внецентренно сжатых железобетонных конструкциях с учетом эффекта нарушения сплошности и относительных условных сосредоточенных взаимных смещений бетона и арматуры, базирующаяся на традиционных предпосылках теории железобетона и положениях механики разрушения, позволяющая заметно приблизить эти важнейшие расчетные параметры к действительным;
– получены экспериментальные результаты ширины раскрытия трещин вдоль всего её профиля, расстояния между трещинами (при проверке многоуровневого процесса их образования) и её длины, которые в значительной мере дополняют имеющийся экспериментальный материал при варьировании армирования и класса бетона (в том числе установлено, что в пределах эксплуатационной нагрузки высота сжатой зоны бетона практически не изменяется) и предоставляют возможность проверки предлагаемого расчетного аппарата для эффективного проектирования внецентренно сжатых железобетонных конструкций;
– выполнен численный и сравнительный анализ в широком диапазоне изменения армирования, класса бетона, эксцентриситета, формы и размеров поперечного сечения, толщины защитного слоя опытных образцов, которые показали достаточную точность результатов, полученных по разработанной методике, а также положенных в основу этой методики предпосылок и формул.
На защиту выносятся:
– методика и алгоритм расчета расстояния между трещинами и ширины раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности и относительных условных сосредоточенных взаимных смещений бетона и арматуры;
– методика и результаты экспериментальных исследований ширины раскрытия трещин вдоль всего профиля трещин; расстояния между трещинами и длины трещин по мере нагружения внецентренно сжатых железобетонных конструкций;
– численные исследования с использованием собранного банка опытных данных железобетонных конструкций, испытанных при внецентренном сжатии в широком диапазоне изменения армирования, класса бетона, эксцентриситета, формы и размеров поперечного сечения, толщины защитного слоя, которые показали эффективность предложенной методики расчета.
– сопоставление расчетных и опытных значений ширины раскрытия трещин по предлагаемой методике и нормативным методикам, с использованием результатов собственных опытов и собранного банка опытных данных, которые подтверждают заметные преимущества предлагаемой методики.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается использованием общепринятых допущений механики разрушения и механики железобетона, а также результатами многовариантных численных и экспериментальных исследований трещиностойкости.
Практическое значение полученных результатов заключается в том, что расчеты ширины раскрытия трещин, выполнены по предлагаемой методике дают более точные результаты при проектировании железобетонных конструкций.
Внедрение результатов. Материалы внедрены Орловским академическим научно-творческим центром РААСН при проектировании каркасов 9-17- этажных жилых домов повторного применения в г. Орле и Брянске, которые включены в каталог Росстроя РФ (2009 г.).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Московского государственного университета путей сообщения в рамках курса «Железобетонные конструкции», а также при проведении курсов повышения квалификации специалистов проектных организаций строительной отрасли.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссер-
тации доложены и обсуждались на Международных академических чтениях Российской академии строительства и архитектуры (Курск, 9-10 апреля, 2009г.), на Научно-технической конференции Орловского государственного технического университета (Орел, 2009), на Научно-технической конференции Московского государственного университета путей сообщения (Москва, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано пять статей в сборниках трудов РААСН, Воронежского и Орловского государственных технических университетов и научно-технических журналах «Academia. Архитектура и строительство», «Строительная механика и расчет сооружений».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 244 наименований и четырех приложений, в состав которых входят результаты экспериментальных исследований и материалы внедрения работы. Основной текст изложен на 182 страницах, иллюстрируется 65 рисунками и шестью таблицами.
Экспериментально-теоретические исследования железобетонных конструкций при внецентренном сжатии
Как уже отмечалось, одним из важнейших вопросов, определяющих трещиностойкость железобетонных составных конструкций является учет специфических свойств железобетона.
Железобетон как конструкционный материал отличается рядом характерных особенностей, зависящих от вида напряженно-деформированного состояния и создающих определенные трудности при разработке механико-математических моделей и алгоритмов для их реализации. Неоднородность, анизотропия, существенная нелинейность, заключающаяся в отсутствии пропорциональной связи между напряжениями и деформациями, трещинообразование и другие специфические свойства железобетона проявляются уже на ранних стадиях деформирования. С ростом уровня нагрузки уменьшается интегральная жесткость сечений, увеличиваются перемещения и происходит перераспределение внутренних усилий между участками конструкции при структурных изменениях материалов. Качественная сторона этих явлений была впервые подробно рассмотрена О.Я. Бергом в работе [22], а затем получила своё развитие в монографиях Н.И. Карпенко [84] и М.М. Холмянского [211], где показана зависимость этих явлений не только от наличия трещин, но и от их ориентации относительно направлений армирования, взаимного расположения, характера развития по высоте, схемы армирования и от других факторов.
Одним из довольно многочисленных в последние годы исследований [1, 8, 12, 36, 62, 68, 77, 85, 128, 214, 231] связано с разработкой и совершенствованием деформационных расчётных моделей сечений, главным инструментом которых являются диаграммы состояния бетона и арматуры, определяющие работу материалов как в области упругого, так и неупругого деформирования вплоть до их разрушения.
Основателем макроструктурных деформационных моделей является В.И. Мурашев [132]. Его модель дает возможность интегрально усреднить значения деформаций бетона и арматуры на некотором характерном участке балки при помощи коэффициента y/s вычисляемого по эмпирическим формулам и учитывающего такие факторы, как работу растянутого бетона между трещинами, перераспределение напряжений между бетоном и арматурой, неравномерность напряжений в бетоне и. переменность высоты сжатой зоны.
Можно отметить, что именно эта модель получила наиболее широкое распространение в исследованиях и практике проектирования железобетонных конструкций. Она с небольшими изменениями и дополнениями включена в действующие в настоящее время нормы [175].
Развитие этой модели и обобщение понятия о коэффициенте щ в разное время было предложено в работах В.Н. Байкова [8, 9], В.М. Бондаренко [28, 29], А.Б. Голышева, В.Я. Бачинского [19, 43], Ю.П. Гущи, Л.Л. Лемыша [57], А.С. Залесова, Е.А. Чистякова, И.Ю. Ларичевой [68], О.Ф. Ильина [77], Н.И.Карпенко [84, 86], Р.Л.Маиляна [117], В.М. Митасова [128], В.П. Чайки [214,215] и многими другими.
Значительный вклад в совершенствование модели В.И. Мурашева применительно к расчёту прогибов балок и плит внес Я.М. Немировский [134, 135]. При определении коэффициента щ им предложено вместо условного расчетного значения ss принимать действительную деформацию арматуры. Эту замену автор объяснил учетом работы растянутого бетона над трещиной. Я.М. Немировский на основе анализа опытных данных выявил принципиальную схему изменения коэффициента щ в железобетонных стержневых элементах при различных воздействиях.
В монографии В.М, Бондаренко, СВ. Бондаренко [28] на основе анализа целого ряда исследований предложено обобщенное выражение для определения коэффициента у/, который в целях методического единства расчётов используется на всем возможном диапазоне изменения изгибающих моментов, в том числе и до образования трещин. В этой и более ранней работе [27] развивается в целом общая теория расчета железобетонных конструкций с учетом совместного влияния различных факторов. Авторы вводят понятие обобщенной характеристики деформативности железобетонного стержня в рассматриваемом сечении, т.е. интегрального модуля деформации. Этот подход позволяет свести сложную физически нелинейную задачу к расчету стержня переменной по длине жесткости с помощью обычных методов строительной механики. Интегральный модуль деформации определяется с учетом уровня, режима и длительности загружения, прочностных и деформационных характеристик бетона и арматуры, а также формы поперечного сечения элемента. Для достижения необходимой точности расчета используется минимизация среднеквадратичного отклонения значений нелинейных характеристик деформирования материала по высоте сечения.
Значительный интерес с точки зрения практического использования представляет модель квазиоднородного сплошного тела, предложенная А.Б. Голышевым и В.Я. Бачинским [19, 43], согласно которой бетон до и после образования трещин рассматривается с единых физических позиций как сплошное тело, что позволяет устранить разрывность функции жесткости при трещинообразовании. Модель реализуется введением некоторого усредненного расчетного сечения на участке блока между трещинами с линейным законом распределения деформаций по его высоте. При этом развитие трещин, нарушение совместности работы арматуры и бетона моделируется уменьшением напряжений в бетоне растянутой зоны с помощью коэффициента щ. Функциональная связь между щ и отношением усилия трещинообразования к его текущему значению может быть получена в результате анализа напряженно-деформированного состояния блока в целом. Аналогичный подход используется также в работах [12, 61, 161, 231].
Расрытие статической неопределимости двухконсольного элемента в зонах, прилегающим к трещинам внецентренно сжатых железобетонных конструкций
Если тело (конструкция) сплошное, то его напряженно-деформируемое состояние анализируется методами теории упругости и пластичности. Для этого выделяется элементарный куб с нормальными и касательными напряжениями на его гранях, рассматриваются условия его равновесия и описывается связь между напряжениями и деформациями в точке. Затем, при переходе к сечению, установленная связь интегрируется по всему сечению. В итоге задача сводится к интегро-дифференциальным уравнениям, точное решение которых, как правило, достаточно сложно. В сопротивлении материалов принята гипотеза плоских деформаций для всего сечения, значительно упрощающая решение задачи. Для тела с трещиной (где нарушается сплошность тела) при установлении связи между напряжениями и перемещениями методы, разработанные в теории упругости, пластичности и сопротивлении материалов, неприменимы. Тем не менее использование основополагающего метода сечений применительно к материалу с трещинами приносит свои положительные результаты. Это относится и к приближенному приему определения коэффициента интенсивности напряжений [31, 203 и др.], его же можно использовать и при выделении специального двухконсольного элемента, нашедшего применение в механике разрушения [31, 203].
Выделение такого двухконсольного элемента, включающего трещину, применительно к стержневому железобетонному элементу имеет свою специфику. Она должна быть увязана не только с задачей определения напряженно-деформированного состояния поперечного сечения железобетонного элемента, но и с задачей распределения сцепления между арматурой и бетоном, так как появление трещины в сплошном теле можно рассматривать как некоторое деформационное воздействие, отражающееся на особенностях сцепления арматуры и бетона в зонах, прилегающих к трещине. С помощью двухконсольного элемента представляется наиболее удачной связь его напряженно-деформированного состояния с величиной С,ъи (удельная энергия образования новых поверхностей трещины) в зоне предразрушения. При этом податливость берегов трещины, через которую может быть выражена величина С,ьи определяется с использованием обычных методов строительной механики. Таким образом, двухконсольный элемент используется в качестве связующего звена между зависимостями механики твердого деформируемого тела и механики разрушения.
Изложенные выше соображения были использованы при выделении двухконсольного элемента, приведенного на рис. 2.6. Здесь фактическое распределение растягивающих напряжений близко к прямоугольнику (со значением УЫ ,). Распределение сжимающих напряжений в этих же сечениях, на участках, прилегающих к арматуре, для выполнения практических расчетов, принято по треугольнику.
Для определения неизвестного Д Т воспользуемся выражением величины Ьи как функции податливости. Эту функцию найдем из определения скорости высвобождения энергии [31, 203]: ґ .. (SW-5V\ ь,„ =hm = dW dV Ьи &4- 0 \ SA J dA dA (2.14) где bV— уменьшение потенциальной энергии тела при продвижении трещины на малое приращение 5 4; 8W— дополнительная работа, совершаемая над телом при продвижении трещины на малое приращение ЪА; А — площадь образова--вшейся поверхности трещины.
Анализ зависимостей "силовое воздействие—перемещение" для воздействий на вырезанный двухконсольный элемент показывает [31], что после алгебраических преобразований формула (2.14) приводится к виду:
К реализации зависимостей механики разрушения в железобетоне при внецентренном сжатии: а -характерные эпюры напряжений в растянутом бетоне и вырезание специального двухконсольного элемента в окрестности трещины; б - к расчету податливости консоли Именно здесь, как показывают экспериментальные и численные [31] исследования, происходит резкое возмущение касательных напряжений, сопровождающееся их скачкообразным увеличением и сменой знака. При этом изменяется знак и на эпюре нормальных напряжений в бетоне (из растягивающих она превращаются в сжимающие). Причина заключается в том [31], что после образования трещин сплошность бетона нарушается и его деформирование уже не подчиняется законам сплошного тела. В зонах, прилегающих к трещинам, возникает концентрация деформаций, которая перенасыщает "потребность системы" (состоящей из бетонных блоков и арматуры при заданной статической схеме) в деформациях. Таким образом в трещинах возникает дополнительное деформационное воздействие, которое и вызывает замеченный в опытах эффект.
Следовательно, причиной возмущения НДС в зонах, прилегающих к трещинам, является дополнительное деформационное воздействие в трещине, которое необходимо учитывать в расчете.
Касательное усилие А Г, полученное из функционала (2.15), весьма громоздко и для его практического использования необходимы соответствующие упрощения.
Для железобетонных конструкций характерным является то, что в стадии II трещины практически сразу (так как в зоне растягивающих напряжения — развитие трещи неустойчиво) развиваются до нейтральной оси, а затем (попов в зону тормозящих сжимающих напряжений) медленно прорастают лишь на несколько миллиметров.. В этом случае длину трещины hcrc можно рассматривать как величину постоянную — изменяется лишь раскрытие трещин. Тогда в вырезанном двухконсольном элементе параметр hcrc является неизменным и появляется возможность упрощенного определения сдвигающих усилий в зонах, прилегающих к трещине — без использования функционала (2.15). Здесь можно обойтись использованием обычных методов строительной механики. Тем не менее, построение расчетной схемы для определения усилий в зоне прилегающей к трещине (аналогичной двухконсольному элементу в механике разрушения) является достаточно сложной задачей. Необходимо учесть, кроме распределенной нагрузки интенсивностью &ы = Х -ы, деформационные воздействия, связанные с раскрытием трещины, а также со спецификой сопротивления бетона в околоарматурной зоне при раскрытии трещины, обусловленной эффектом нарушения сплошности [31].
Здесь деформационные воздействия А2....А6обусловлены раскрытием трещины и относительными перемещениями (см. рис. 2.6): А2 - обусловлены обусловлены смещением продольной геометрической оси консоли, вызванном деформациями укорочения от продольной сжимающей силы, приложенной на нейтральной оси, в сечении железобетонного элемента, проходящем по трещине; А3 и Аб - обусловлены раскрытием трещины на уровне оси арматуры и в месте максимального раскрытия и равны половине (ввиду симметрии) этих значений. Особенности угловых перемещений д х, р2, к(р подробно рассмотрены автором в работе [202, 203]. Остальными деформационные воздействиями можно пренебречь.
Конструкция опытных образцов
В современной технической литературе приводятся результаты исследований трещиностойкости железобетонных элементов, подвергающихся различным силовым воздействиям [11, 16, 18, 21, 23, 34, 58, 79, 166, 177, 196 и др.]. Известны также исследования трещиностойкости натурных изгибаемых элементов [48]. 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 [31, 35, 36, 119, 201], возникает деформационный эффект. Достаточно отметить, что влияние такого эффекта на равновесие усилий в поперечном сечении согласно анализу опытов, например, Немировского [134, 135], может составлять около 40%. Такое влияние заметно возрастает, когда речь идет о таком дифференциальном параметре, как ширина раскрытия трещин. 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. Ширины раскрытия трещин, как на уровне оси наиболее растянутой арматуры, так и вдоль всего профиля трещины. Такие сведения необходимы как минимум 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 большее внимание уделяется методам механики разрушения, так как после появления трещин, гипотезы и методы механики сплошной среды уже неприменимы.
Экспериментальные исследования внецентренно сжатых железобетонных конструкций в рамках настоящей диссертационной работы проводились с целью определения основных параметров, необходимых для определения ширины раскрытия трещин железобетонных конструкций с позиции механики разрушения, их анализа на различных стадиях нагружения, проверки предлагаемого расчетного аппарата, основанного на учете деформационного эффекта, а также для разработки рекомендаций по проектированию эффективных железобетонных конструкций.
В процессе экспериментальных исследований решались следующие задачи: 1) разработка методики экспериментальных исследований ширины раскрытия нормальных трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций; 2) экспериментальное определение следующих параметров: 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 образования трещин), деформаций сжатого бетона и средних деформаций арматуры, высоты сжатой зоны бетона; 3) проверки предлагаемого расчетного аппарата по уточненному расчету ширины раскрытия трещин в железобетонных конструкциях с позиции меха ники разрушения. 3.2. Конструкции опытных образцов
Программа исследований включала лабораторные испытания четырех серий железобетонных образцов. Объем и основные параметры экспериментальных образцов приведены в табл. 3.1 нарис. 3.1-3.4. Количество испытываемых образцов принято с учетом варьирования армирования и класса бетона.
Объем, серии и характеристики основных экспериментальных образцов № серии Шифр образца Кол-во образцов Схема поперечногосечения и армирование мм ъ,мм м Арматура растянутойзоны, диаметр -мм, класс Арматурасжатойзоны,диаметр-мм, класс Классбетона Механические характеристики арматуры определялись в соответствии с действующими стандартами. При этом было испытано по три стержня длиной 400 мм каждого диаметра. Значения механических характеристик арматурной стали приведены в табл. 3.2.
Изготовление балок осуществлялось в лаборатории строительных конструкций кафедры компьютерных технологий строительства Национального авиационного университета. Бетонирование образцов каждой серии выполняли из бетона одного состава. Все образцы были изготовлены за a) 1 - вертикальная ось симметрии образца; 2 - поперечные хомуты диаметром 8мм из арматуры класса А240С; 3 - пластина, толщиной 12мм, приваренная к продольной рабочей и конструктивной арматуре; 4 - арматура, расположенная возле сжатой грани диаметром 12мм, класса А400С; 5 — средняя нейтральная ось; 6 — распределительные арматурные сетки диаметром 4мм, с шагом ячеек 40 40мм; 7 - арматура, расположенная возле растянутой грани диаметром 12мм, класса А400С. две бетонировки. Состав бетона (по весу) приведен в табл. 3.4. При этом использовался щебень крупностью 5-10 мм. Фракции просеивались в лаборатории строительных материалов перед бетонировкой строго по ситам.
Исследование влияния основных расчетных параметров на расстояние между трещинами и ширину раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций
Подобная картина трещинообразования была отмечена и в опытах Я.М. Немировского[134]].
Таким образом, выявленный деформационный эффект, обусловленный нарушением сплошности бетона, вызывает перераспределение усилий в статически неопределимой системе «бетонная матрица-арматура», что и приводит к изменению профиля трещины с треугольного до сложного (рис. 3.15).
Об этом же свидетельствуют и рис. П:2.1—2.7. В натурном эксперименте наблюдалось четыре уровня трещинообразования, что приводило к уменьшению расстояния между трещинами при увеличении нагрузки (рис. П.2.1-2.7).
Сложный профиль, образованный берегами трещин перед разрушением, заметное снижение а на уровне оси арматуры (рис. 3.15 и рис. П.2.8-2.11) оказывает, что эффект деформационного воздействия, вызванный нарушением сплошности бетона, сохраняется до наступления текучести в арматуре.
Постановкой эксперимента предусмотрено увеличение процента армирования от 0,45 до 1,3% с ростом номера серии балок. Это было достигнуто увеличением диаметра рабочей продольной арматуры. С возрастанием процента армирования количество трещин, равномерно распределенных по длине железобетонного элемента, увеличивается, и чем их больше, тем меньше ширина их раскрытия. . Подтверждением этому могут служить конструкции серий V и VI, в которых предусматривались максимальные величины нагрузок и процента армирования, что привело к образованию максимального количества уровней трещинообразования.
Основным параметром, за которым велись наблюдения, в эксперименте, является ширина раскрытия трещин. Графики зависимости ширины раскрытия трещин от уровня нагружения приведены на рис. П.2.8 — 2.11. и в табл. П.2.1. Установлено, что после появления трещин наблюдается значительная разница (в 2.. .3 раза и более) между шириной раскрытия трещин на уровне продольной арматуры и выше этого уровня на расстоянии 1,5...2 диаметра арматуры. Эта разница уменьшается лишь на последних ступенях нагружения, после текучести в арматуре.
После того, как уровень нагружения достигает примерно 0,75 - 0,9 от Ри выделяется разрушающая трещина, ширина раскрытия которой быстро увеличивается и достигает 1,4... 1,5мм на уровне оси растянутой арматуры. На последних ступенях нагружения выделяются одна или две трещины, которые раскрываются до появления текучести в арматуре, а остальные — стабилизируются (рис. П.2.1—2.7).
Затем, после резкого увеличения происходит замедление ширины раскрытия выделенной трещины на ступенях, предшествующих разрушению при еще заметном росте нагрузки. При этом характерным является то, что даже перед разрушением кривые, построенные для уровня нижней оси арматуры и выше этого уровня на 40мм имеют разные значения, что еще раз подтверждает ранее сказанное о максимальном раскрытии трещин выше оси арматуры (см. рис. П.2.8 - 2.11). Такое замедление роста трещин, на ступенях, предшествующих разрушению, отмечено на рис. П.2.8,а; рис. П.2.9,б; рис. П.2.10,а; рис. П.2.11,а, что было связано с выходом деформаций арматуры в трещинах за пределы площадки текучести. При этом средние деформации арматуры є т не достигают деформаций арматуры в сечениях с трещинами.
С увеличением нагрузки расстояние между трещинами уменьшается, а разность деформаций s m и ss увеличивается.
На основе проведенных экспериментов и их анализа выявлена многоуровневая схема трещинообразования (согласно которой трещины образуются на всем диапазоне нагружения, вплоть до разрушения). Подтверждено наличие эффекта сжатого бетона в растянутой зоне железобетонного элемента, проявляющегося в окрестностях трещин.
В конструкции ІБК 18-6 (серия 1) трещины Tpl и Тр2 (рис. П.2.3) образовались на V (0Д9 от разрушающей) ступени, а на IX ступени (0,33 от разрушающей) между ними образовалась трещина ТрЗ. При контрольной нагрузке по трещиностойкости (ступень XI - 0,41 от разрушающей) ширина раскрытия трещин достигала в зоне максимального момента (сечение 3-3) на уровне нижней продольной арматуры 0,07мм. Прочность была исчерпана из-за текучести растянутой арматуры в трещине Tpl на XXVII (разрушающая) ступени нагружения.
В конструкции ЗБК 18-24 (серии III) трещины Tpl и Тр2 (рис.П.2.4) образовались на V ступени (0,19 от разрушающей), а на VIII (0,31 от разрушающей) ступени между ними образовалась трещина ТрЗ. При контрольной нагрузке по трещиностойкости (ступень XIII - 0,5 от (разрушающей) ширина раскрытия трещин достигала на уровне нижней арматуры 0,09мм. После XX ступени (0.77 от разрушающей) выделялась одна трещина Tpl.
В конструкции 4БК 21-6 (серия IV) трещины Tpl и Тр2 (рис. П.2.5) образовывались на IV (0,18 от разрушающей) ступени, а на VIII (0,36 от разрушающей) ступени между ними образовалась трещина ТрЗ. При контрольной нагрузке по трещиностойкости (ступень XI - 0,5 от разрушающей) ширина раскрытия трещин достигала на уровне нижней арматуры 0,07мм. После XX ступени (0,91 от разрушающей) выделялась одна трещина Tpl и продолжала раскрываться, Ширина её раскрытия составляла в момент разрушения на уровне нижней арматуры 1,5 мм. Разрушение наступило на XXII ступени от текучести растянутой арматуры в Tpl.
В конструкции 6БК 21-18 (серия VI) трещины Tpl и Тр2 (рис. П.2.6) образовывались на VI (0,25 от разрушающей) ступени, а на IX (0,38 от разрушающей) образовались новые трещины между трещинами VI ступени. Третий уровень образования трещин начался на XIII (0,54 от разрушающей) ступени. При контрольной нагрузке по трещиностойкости (ступень XIII) ширина раскрытия трещин достигала на уровне продольной арматуры 0,09мм. При нагружении, после XVIII (0,75 от разрушающей) ступени раскрывалась только трещина Tpl, а остальные трещины стабилизировались. Ширина раскрытия Tpl над арматурой составляла 1,5 - 2,0мм, а на уровне арматуры 0,5-0,7 мм. Разрушение наступило на XXIV -ступени от текучести продольной арматуры в Tpl.
Аналогичные закономерности развития трещин были отмечены в остальных балках каждой серии (см. Приложение 2).
Анализируя характер трещинообразования можно отметить, что в коротких и жестких балках (серия III) заметно раскрывались трещины над арматурой. В процессе нагружения независимо от расчетной длины балок и высоты их поперечного сечения появляется не один, а несколько уровней трещинообразования. Причем, трещины последующего уровня появляются, как правило, в середине расстояния между трещинами предыдущего уровня.
В анализируемом эксперименте наблюдалось два-три уровня трещинообразования, это приводило к уменьшению расстояния между трещинами при увеличении нагрузки. Установлено, что в результате одновременного действия М, N и Q и наличия мощной растянутой арматуры, трещины развиваются равномерно и имеют максимальное раскрытие выше оси растянутой арматуры, в некоторой зоне между нейтральной осью и осью растянутой арматуры (рис. 3.15).
