Содержание к диссертации
Введение
1 Применение железобетонных колонн в строительстве и обзор состояния вопроса по методам расчёта стержневых железобетонных элементов с использованием диаграмм деформирования материалов при кратковременном действии нагрузки 12
1.1 Применение железобетонных колонн в строительстве 12
1.2 Принципы расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов по действующим нормативным документам (России, Европе и др.) 16
1.3 Зависимости «напряжения – деформации» бетона при осевом и неоднородном сжатии 18
1.4 Выбор закона деформирования бетона для дальнейших исследований 36
1.5 Зависимости «напряжения – деформации» арматуры при растяжении и сжатии 38
1.6 Недостатки действующих нормативных документов 45
1.7 Выводы по первой главе. Цель и задач исследования 48
2 Предложения по расчёту внецентренно сжатых железобетонных элементов с применением диаграмм деформирования бетона и современных пк 49
2.1 Разработка алгоритма расчёта НДС и предела прочности конструкции в среде MathCad 49
2.2 Исходные данные для запуска алгоритма расчёта 66
2.3 Данные, выводимые программой по завершению вычислений по разработанной методике расчёта 67
2.4 Выводы по главе 68
3 Методика проведения экспериментальных
3.1 Оборудование и контрольно-измерительные приборы для проведения экспериментальных работ 70
3.2 Схема загружения образцов 78
3.3 Конструкция экспериментальных образцов 80
3.4 Особенности изготовления образцов 85
3.5 Материалы, применяемые для формирования бетонной
3.6 Проведение испытаний опытных образцов 93
4 Обработка результатов экспериментальных
4.1 Прочностные и деформативные характеристики применяемых
4.2 Результаты калибровки тензодатчиков 99
4.3 Несущая способность образцов 103
4.4 Графики зависимости «N єь», построенные по экспериментальным и теоретическим данным 105
4.5 Распределение относительных деформаций и сжимающих напряжений в бетоне по высоте нормального сечения
4.6 Развитие относительных деформаций в процессе
4.7 Характер разрушения экспериментальных образцов 125
4.8 Численный эксперимент в САПР Лира 129
5 Анализ теоретических и экспериментальных
5.1 Сопоставление данных теоретических и собственных экспериментальных исследований 134
5.2 Анализ экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов 147
5.3 Выводы по главе 154
Основные выводы по диссертации 156
Список использованных источников 158
- Принципы расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов по действующим нормативным документам (России, Европе и др.)
- Разработка алгоритма расчёта НДС и предела прочности конструкции в среде MathCad
- Проведение испытаний опытных образцов
- Графики зависимости «N єь», построенные по экспериментальным и теоретическим данным
Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из направлений, позволяющих обеспечить доступным жильём семьи, является освоение высотного жилищного строительства. В крупных городах отчетливо прослеживается тенденция уплотнения застроек и роста этажности зданий. В первую очередь это связано с дефицитом земельных участков и высокой ценой на них. Повышение этажности позволяет снизить относительную стоимость единицы площади в таком здании.
С повышением этажности зданий значительно возрастают и нагрузки на несущие конструкции. Железобетонные конструкции являются базой современного индустриального строительства. Из железобетона возводят промышленные одноэтажные и многоэтажные здания, гражданские здания различного назначения, в том числе и жилые дома.
Железобетонные колонны – основные несущие элементы каркасных зданий применяются как в промышленном, так и в гражданском строительстве. В жилищном строительстве при возведении каркасных зданий чаще всего применяются монолитные железобетонные колонны, в промышленном строительстве – сборные.
В связи с возрастанием нагрузок при увеличении числа этажей гражданских зданий используют повышение процента армирования железобетонных колонн.
На сегодняшний день имеет место тенденция совершенствования теории железобетона путём внедрения нелинейной деформационной модели расчёта, предусматривающей использование диаграмм деформирования бетона и арматуры. Такая модель всесторонне исследуется и внедряется в различные международные и национальные нормы проектирования железобетонных конструкций. В СП 52-101-2003 и актуализированной редакции СНиП 52-01-2003 – СП 63.13330.2012 для расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов рекомендуется использовать 2-х или 3-х линейную диаграмму деформирования. Однако, реализация такого расчёта на практике вызывает затруднения, особенно тогда, когда используется повышенный процент армирования. В этом случае в предельном состоянии конструкции напряжения в арматуре могут не достигать предела текучести. Поэтому в диссертационной работе предложен алгоритм, позволяющий определять не только прочность конструкции, но и напряженно-деформированное состояние при любом варианте загружения и армирования.
В литературных источниках достаточно экспериментальных данных, которые позволяют проанализировать применимость предложенного алгоритма на образцах с процентом армирования внецентренно сжатых конструкций максимально до 2,53%. Экспериментальных данных по определению прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов с повышенным содержанием арматуры (свыше 3%) недостаточно. В связи с этим было принято решение осуществить проверку целесообразности применения предложенного алгоритма и разработанной на его основе методики расчёта на образцах не только с процентом армирования до 3,0%, но и с более высоким содержанием арматуры, что сейчас применимо для зданий с повышенной этажностью.
Актуальность исследований прочности и напряжённо-деформированного состояния сжатых железобетонных элементов и совершенствование их расчётов определяется областью применения – по данным Аксёнова В.Н. доля их в общем объёме конструкций составляет почти 1/4. Уточнение расчётов позволяет обеспечить конструктивную безопасность, эксплуатационную пригодность и снижение материалоёмкости.
В диссертационной работе рассмотрено применение диаграмм деформирования, рекомендованных нормами Российской Федерации, Еврокодом, Лазаревым Д.Н., академиком Карпенко Н.И., работами ученых Казанского ГАСУ и др., а также предложенной в СГАСУ кривой деформирования бетона при сжатии в условиях кратковременного загружения.
Метод анализа напряжённо-деформированного состояния поперечного сечения элементов с применением деформационной модели включен в Еврокоды, строительные нормы и своды правил России, Беларуси и других стран. Таким образом, нелинейные деформационные модели постепенно вытесняют привычные ранее методы расчёта по предельным усилиям, что стало возможным благодаря развитию компьютерной техники и технологии.
В настоящее время неизученным остаётся вопрос о возможности непосредственного применения диаграмм одноосного сжатия (растяжения) бетона для расчётов конструкций, находящихся в сложнонапряжённом состоянии.
Одна группа исследователей считает, что работу внецентренно сжатых образцов нельзя численно оценить, используя диаграмму бетона при осевом сжатии (X. Раш, X. Рюш, С. Стокл, Г.М. Стурман, С.П. Шах и Г. Винтер), другая – отмечает практическую неизменность напряжений в вершине диаграммы с увеличением лишь предельной сжимаемости с ростом градиента деформации (Л.Е. Кларк, К.Г. Герлстль и Л.Г. Тулин). В.П. Чайка установил, что максимальные напряжения в бетоне при внецентренном сжатии могут повышаться на 10...15%.
Исследователи, придерживающиеся мнения о различии диаграмм одноосного сжатия и сложнонапряжённого состояния количественно и качественно, указывают на необходимость трансформации диаграммы деформирования бетона при осевом сжатии перед непосредственным использованием в расчётах. Определение коэффициентов трансформации эталонных диаграмм рассматривалось В.В. Адищевым, Э.В. Березиной, Н.В. Ершовой, Ю.А. Крусь.
Целью диссертационной работы является совершенствование расчёта прочности и определения напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых железобетонных элементов.
Для достижения поставленной цели были запланированы задачи:
-
Рассмотреть используемые для практических расчётов варианты закона деформирования бетона и арматуры;
-
Разработать основанную на деформационной модели методику, которая является развитием теории профессора Мурашкина Г.В., и позволяет определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;
-
Представить разработанный алгоритм методики расчёта в виде программы в среде MathСad;
-
Выполнить экспериментальные исследования с железобетонными образцами, различающимися прочностью бетона и арматуры, процентом армирования и эксцентриситетом приложения нагрузки;
-
Сопоставить результаты проведённого эксперимента с результатами расчётов в САПР Лира 9.6;
-
Сопоставить результаты проведённого эксперимента с результатами расчётов по предложенной автором методике;
-
Сопоставить результаты расчёта по предложенной методике с результатами экспериментальных исследований других авторов.
Объект исследования – внецентренно сжатые элементы в виде коротких железобетонных колонн прямоугольного сечения.
Предмет исследования – напряжённо-деформированное состояние внецентренно сжатых железобетонных элементов и методика расчёта их прочности.
Научная новизна исследований:
разработана методика расчёта, основанная на деформационной модели, являющаяся развитием теории профессора Мурашкина Г.В., позволяющая определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;
получены экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких внецентренно сжатых железобетонных колонн (l0/h=5) с повышенным процентом армирования (до 4%) при значениях эксцентриситета внешнего усилия [e0/h=(0,171,5)];
разработана программа расчёта железобетонных колонн, подверженных кратковременному одноосному внецентренному сжатию, пригодная для практического использования в проектной практике. Программа «Расчёт прочности и определение напряжённо-деформированного состояния (НДС) внецентренно сжатых железобетонных элементов» внесена в Реестр программ для ЭВМ (регистрационный № 2013617747 от 22.08.2013).
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.
Выполненные исследования способствуют более глубокому изучению работы железобетонных конструкций, подверженных внецентренному нагружению.
Разработанная программа расчёта может быть рекомендована инженерам для выполнения работ по проектированию зданий и сооружений, а также выполнения оценки состояния внецентренно сжатых железобетонных конструкции в условиях эксплуатации. Расчёты по предложенной методике позволяют получать значения поправочных коэффициентов к расчётным сопротивлениям арматуры S и S`, что делает возможным применение формул метода предельных усилий для инженерных расчётов без снижения точности полученного результата.
Результаты исследований приняты ООО НТЦ РААСН «ВолгаАкадемЦентр» для оценки состояния консольного покрытия на реконструируемом стадионе «Строитель» в г.о. Тольятти; включены в учебные программы повышения квалификации в области проектирования и строительства НОУ ППДПО «Институт повышения квалификации специалистов строительной отрасли»; включены в рабочую программу по подготовке инженеров по специальности 270105.65 - «Городское строительство и хозяйство» по курсу «Железобетонные конструкции» в Открытом институте (филиале) ФГБОУ ВПО СГАСУ в г. Похвистнево; использованы ООО «ВолгаРегионПроект» при проектировании железобетонных колонн.
Достоверность проведённых исследований подтверждается использованием классических методов строительной механики, использованием сертифицированных расчетно-вычислительных комплексов, поверенного измерительного оборудования. Измерения, проводимые при натурных испытаниях, имеют необходимое метрологическое обеспечение, систему дублирования показаний, что позволяет контролировать достоверность полученных в эксперименте результатов.
Достоверность работы подтверждается также значительным объёмом обработанных данных собственных и сторонних экспериментальных исследований, в т.ч. зарубежных, и получением достаточной сходимости экспериментальных данных с теоретическими.
Автор защищает:
методику расчёта, основанную на деформационной модели, являющаяся развитием теории профессора Мурашкина Г.В., позволяющую определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;
экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких внецентренно сжатых железобетонных колонн (l0/h=5) с повышенным процентом армирования (до 4%) при значениях эксцентриситета внешнего усилия [e0/h=(0,171,5)];
программу расчёта железобетонных колонн, подверженных кратковременному одноосному внецентренному сжатию, пригодную для практического использования в проектной практике (внесена в Реестр программ для ЭВМ - регистрационный № 2013617747 от 22.08.2013).
Апробация результатов исследования. Основные положения проведённых исследований по теме диссертации докладывались автором на Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» СГАСУ (Самара, 2007-2012гг.), II Всероссийской научно-практической конференции "Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья" ТГУ (Тольятти, 2009г.), VIII, IX, XI Международных научно-технических конференциях "Эффективные строительные конструкции: теория и практика", Международной научно-технической конференции "Исследования и инновации в строительстве" ПГУАС (Пенза, 2008, 2009, 2011, 2012гг.) и международной научно-технической конференции "Проблемы строительного и дорожного комплекса" БГИТА (Брянск, 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ в сборниках статей и материалах конференций, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, и 5 статей в сборниках международных конференций.
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и трёх приложений. Общий объём диссертации составляет 214 страниц и включает в себя 20 таблиц и 118 рисунков.
Принципы расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов по действующим нормативным документам (России, Европе и др.)
При расчёте элементов железобетонных конструкций на прочность по нормальным сечениям используется два метода, один из которых появился после перехода от упругого расчёта железобетона. Данный метод носит название – метод предельных усилий. Он представлен как в [81], так и в более поздних [82] нормах проектирования железобетонных конструкций. Для расчёта прочности железобетонных элементов на действие продольных сил и изгибающих моментов была принята модель нормальных сечений, которая включает уравнения равновесия моментов и продольных сил и предельные усилия в сжатом бетоне, растянутой и сжатой арматуре. Растянутый бетон, как правило, из работы сечения исключается. Предельные усилия в сжатом бетоне определяются расчётным сопротивлением бетона сжатию, при этом в качестве распределения напряжений по высоте сжатой зоны принята прямоугольная эпюра напряжений. Граничная высота сжатой зоны была установлена на основе экспериментальных исследований. В качестве предельных усилий в растянутой и сжатой арматуре принимаются расчётные сопротивления арматуры, соответствующие её пределу текучести, причём для сжатой арматуры данная величина должна быть не более напряжений, определяемых предельными деформациями укорочения бетона. Данный метод уже долгие годы применяется в практике проектирования. Он является простым и надежным средством анализа при простых геометрических формах сечения и усложняется при сложной конфигурации сечения и при косом изгибе.
В последнее десятилетие также стали применять второй метод, который известен как – деформационная расчётная модель нормальных сечений. Этот метод основан на использовании диаграмм деформирования, аппроксимирующих нелинейную работу бетона и арматуры, и некоторого закона распределения относительных деформаций по площади поперечных сечений элементов; здесь применяется гипотеза плоских сечений для средних деформаций. В Еврокоде-2 [108], разработанном европейским комитетом по бетону (ЕКБ), наряду с пластическим подходом рекомендуется метод расчёта нормальных сечений на основе деформационной расчётной модели. Нормы Германии DIN 1045 [107] также содержат деформационный метод расчёта нормальных сечений железобетонных элементов. Деформационная расчётная модель включена в российские своды правил [84, 85], проект норм Украины по расчёту железобетонных конструкций [29], строительные нормы Республики Беларусь [80] и более поздние редакции этих норм, предполагающие некий синтез с европейскими нормами.
Нелинейная деформационная модель предполагает использование диаграмм состояния бетона и арматуры, в качестве которых могут быть использованы зависимости «напряжения - относительные деформации» произвольного вида (кусочно-линейные, криволинейные, немонотонные и негладкие), построенные с учётом вида напряжённого состояния и режима нагружения. В отличие от метода предельных усилий, общий метод расчёта, предполагающий использование деформационной расчётной модели нормальных сечений, позволяет выполнять анализ сечений не только в предельном, но и в до- и запредельном состояниях. При этом критерием прочности является достижение предельных относительных деформаций в бетоне или арматуре (п. 5.2.8 [85]).
Применение для расчёта сечений «деформационной модели» стало возможным в связи с развитием компьютерной техники и технологий, что позволяет избегать рутинных ручных вычислений. Процесс поиска решения нелинейной системы уравнений требует применения шагово-итерационных методов, что иногда затрудняет процесс вычислений, причём решение может быть неединственным.
Российский свод правил [84] и более поздняя редакция [85] рекомендуют использовать «деформационную модель» при расчётах по прочности во всех случаях, допуская, в отличие от СНиП 2.03.01-84 [81], применение метода предельных усилий лишь для «железобетонных элементов прямоугольного, таврового и двутаврового сечений с арматурой, расположенной у перпендикулярных плоскости изгиба граней элемента, при действии усилий в плоскости симметрии нормальных сечений» (п. 6.2.2 [84] и аналогичный ему п.5.2.1 [85]).
Зависимости «напряжения - деформации» бетона при осевом и неоднородном сжатии
Вот уже многие годы внимание исследователей привлекают диаграммы деформирования бетона, связывающие напряжения с относительными деформациями как при сжатии аъ — ЕЪ , так и при растяжении аъг — bt . Они имеют большую практическую значимость в расчётах бетонных и железобетонных элементов и важны для построения общей модели деформирования бетона. Первые попытки учесть нелинейные свойства бетона предпринимались уже с момента появления данного материала.
Разработка алгоритма расчёта НДС и предела прочности конструкции в среде MathCad
Подставив в данное уравнение вместо каждого усилия аналитическое выражение, соответствующее физической работе материала, получим уравнение, содержащее одно неизвестное - величину к, которая в случае больших эксцентриситетов является высотой сжатой зоны сечения. Исходя из того, что величина к не постоянная, а изменяющаяся по определённому закону, в связи с изменением в процессе деформирования железобетонного элемента усилий в бетоне и арматуре, необходимо выявить этот закон. Задавшись величиной относительной деформации сжатой зоны бетона в виде ранжированной переменной єь =0,0.0001... sbult определим с помощью встроенной в среде MathCad функции «root» величину к(єь) (рисунок 2.3).
Графическое отображение найденной зависимости к(єь) представлено на рисунке 2.4.
Вариация данной кривой к(єь) зависит от исходных геометрических характеристик сечения; класса применяемого бетона, класса арматуры, процента армирования, распределения арматуры по сечению; эксцентриситета приложения внешней силы, а также её величины.
Для ускорения и упрощения проведения расчёта в программной среде MathCad с применением методов программирования реализован алгоритм (рисунок 2.6), позволяющий вести расчёт внецентренно сжатых железобетонных элементов. Он представляет собой отдельную программу для расчёта нормальных сечений коротких железобетонных элементов, работающих на одноосное внецентренное сжатие. По завершению вычислений все интересующие нас величины выводятся в табличной форме.
В данной программе ое\1+п) - это количество строк. Оно задано таким образом, что относительные деформации крайнего сжатого волокна бетона пробегают значения , то есть єоєї -sbuU +sbult , где sbult - предельные относительные (краевые) деформации бетона при сжатии, п - количество шагов (итераций). Это обеспечивается оператором цикла «for», который даёт возможность организовать цикл по этой переменной, заставляя её пробегать некоторый заданный диапазон значений.
Величина к(єь) представлена в алгоритме величиной К в связи с невозможностью записи её в виде функциональной зависимости при формировании тела программы.
После нахождения зависимости К все усилия переопределяются путём замены верхнего предела интегрирования на величину К = к(єЬ), зависящую от многих условий и отражающую реальную картину деформирования внецентренно сжатого железобетонного образца. При этом нижняя граница интегрирования получает возможность принимать два значения в зависимости от полученного ранее посредством функции «root» значения К.
Для проверки правильности составления уравнений равновесия, записи и выражения входящих в них величин, в таблице вычисляется момент, создаваемый внецентренно приложенной нагрузкой относительно нейтральной оси М = N Z1, и момент, воспринимаемый нормальным сечением железобетонного элемента относительно той же линии Мь =Db-Z2 + Ns-Z3 + Ns-Z4. Для нахождения конструкции в состоянии равновесия необходимо равенство этих моментов. Они записываются в столбцах 12 и 13 результирующей таблицы. Необходимо иметь ввиду, что нумерация столбцов в таблицах MathCad по умолчанию начинается с 0.
Закон деформирования применяемого бетона задаётся сразу после ввода исходных данных, перед началом работы алгоритма (рисунок 2.5).
Расчёт, составленный таким образом, позволяет:
1. быстро проводить вычисления (время расчёта по сравнению с графическим выводом очень резко сокращается);
2. результаты расчётов выводить в наглядной табличной форме;
3. вычислять большое количество изменяемых величин;
4. все величины определять не в одной конкретно заданной точке, а согласно процессу загружения (по мере изменения нагрузки).
Проведение испытаний опытных образцов
Экспериментальные исследования проводились с использованием машины для испытаний ПР-500, устройство и принцип действия которой описан в части 3.1 данного диссертационного исследования. Передача нагрузки на колонны осуществляется через сферические шарниры, а эксцентриситет обеспечивается соответствующим смещением колонн от центра опорных плит пресса.
Нагружение образцов производилось поэтапно ступенями, каждая из которых не превышала 10% контрольной нагрузки по прочности (Приложение А). После приложения каждой ступени нагрузки испытываемые колонны выдерживались 7 минут, в течении которых образцы осматривались, снимались показания приборов, отмечалось образование и развитие трещин, вносились записи в журнал испытаний, проводилась фотосъёмка процесса. На каждой ступени загружения системой сбора данных UCAM-60B посредством применения тензометрических датчиков фиксировались относительные деформации бетона по высоте сечения элемента и арматурных стержней. После выдержки длительностью 7 минут начиналось постепенное повышение нагрузки до уровня следующей ступени. Отсчёт времени выполнялся с применением секундомера.
Для проведения эксперимента было изготовлено 4 серии образцов, каждая из которых содержала по два образца-близнеца. Геометрические размеры образцов приняты исходя из минимизации влияния гибкости на несущую способность. Размеры поперечного сечения колонн приняты равными от реальных и составляют 200х200мм.
На основании анализа экспериментов сторонних авторов значения относительного эксцентриситета приложения внешнего усилия приняты равными e0/h=(0,171,5), процент армирования – в интервале (2,54)%.
Контрольные образцы в виде кубов испытывали на гидравлическом прессе ИП-6012-1000-1 [64] непосредственно перед испытанием экспериментальных образцов в соответствии с [18]:
- образцы 1-4 (таблица 4.1) испытаны в день проведения эксперимента над образцом К-1, а образцы 5-8 (таблица 4.1) - в день, когда испытывали образец К-1(2);
- образцы 1-6 (таблица 4.3) для контроля прочности бетона образцов К-2 и К-2(2);
- образцы 1-6 (таблица 4.5) для определения прочности бетона образцов К-3 и К-3(2);
- образцы 1-6 (таблица 4.7) для контроля прочности бетона образцов К-4 и К-4(2).
По результатам данных испытаний контрольных образцов в виде кубов (таблицы 4.1, 4.3, 4.5, 4.7) определяется призменная прочность бетона, которую используют для проведения расчётов (таблицы 4.2, 4.4, 4.6, 4.8).
Для определения фактических прочностных и деформативных характеристик арматурной стали, ее испытывают на разрывной машине Р-100 (рисунок 3.2) в соответствии с [20]. Результаты испытаний стержней арматуры, используемых в экспериментальных образцах, представлены в таблице 4.9. Примечание к таблице 4.9: арматурные стержни №11, №12, №5, №6 использованы в конструкциях образцов первой серии К-1 и К-1(2); №1, №2, №3, №4 – для образцов второй серии К-2 и К-2(2); №1, №2, №9, №10 – для образцов третьей серии К-3 и К-3(2); №1, №2, №9, №10 – для образца четвертой серии К-4; №7, №8, №9, №10 – для образца четвертой серии К-4(2).
Калибровка средств измерений – это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и/или пригодности к применению средств измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору. Под пригодностью средства измерения подразумевается соответствие его метрологических характеристик ранее установленным техническим требованиям, которые могут содержаться в нормативном документе или определяться заказчиком.
Для определения относительных деформаций бетона и арматуры на каждом этапе нагружения при проведении эксперимента применяют тензометрические датчики омического сопротивления с различной величиной базы.
Для определения погрешности показаний применяемых тензометрических датчиков проведена их калибровка. Суть данного процесса заключалась в ступенчатом нагружении стальной пластины калибровочного комплекса (рисунок 3.5) с фиксацией прогибов и соответствующих им относительных деформаций в фазе нагружения и разгрузки системой сбора данных UCAM-60B [112]. Таким образом, задавая определенный прогиб в зоне чистого изгиба балки, мы тем самым заранее знаем деформацию, которая должна быть зафиксирована тензометрическими датчиками и системой сбора данных. Нагружение осуществлялось до прогиба в 1,05мм. Шаг снятия показаний соответствовал изменению прогиба на 0,05мм. Вертикальные перемещения фиксировались индикатором часового типа с ценой деления 0,01мм (рисунок 4.1). Наконечник индикатора выполнен в виде сферической поверхности для обеспечения касания металлической пластины в одной точке. Значения деформаций при определённых значениях прогибов балочки фиксировались в фазе нагружения и фазе разгрузки. Интервал прогибов соответствует упругой стадии работы стальной пластины. Геометрические параметры стальной пластины: h=6 мм, Ь=30 мм, L=363.8 мм. Расстояние между опорами / = 200мм .
Графики зависимости «N єь», построенные по экспериментальным и теоретическим данным
На основании результатов, полученных экспериментально и теоретически, представлены графики нарастания несущей способности (нагрузки) в зависимости от относительных деформаций крайнего сжатого волокна бетона для каждого из 8 опытных образцов (рисунки 4.6 – 4.13). Графики "теория" получены согласно расчётам по исходным данным Приложения Б.По показаниям тензометрических датчиков, зарегистрированным при испытании образцов, построены графики распределения относительных деформаций по высоте нормального сечения образцов (чётные номера рисунков 4.14 – 4.28). Ось ординат является высотой сечения элемента и выражена в миллиметрах, а ось абсцисс показывает относительные деформации бетона в месте наклейки датчика в единицах 10-6. Так как в привычном понимании знак "минус" обозначает сжатие и при наклейке датчиков на образец отсчёт ведётся от крайней сжатой части, то для удобства представления экспериментальных данных в виде графиков высота сечения элемента представлена в единицах длины также со знаком "минус".
На основании данных об изменении деформаций по высоте сечений внецентренно сжатых элементов, полученных в результате расчёта и экспериментальных исследований, используя закон деформирования в виде экспоненциальной зависимости (1.6), определялись напряжения в бетоне сжатой зоны сечения. Графики распределения сжимающих напряжений в бетоне по высоте нормального сечения образцов при различных уровнях загружения, полученные на основании экспериментальных данных о распределении деформаций по высоте сечений, представлены на нечётных номерах рисунков 4.15 – 4.29. Точками на графиках обозначены величины напряжений в местах наклейки тензометрических датчиков. Соединение данных точек в график осуществлено путём использования стандартного типа диаграммы в Excel – точечная с гладкими кривыми и маркерами.
Графики "теория" получены при проведении вычислений по алгоритму усовершенствованной методики расчёта прочности, основные положения которой описаны во второй главе. Особенности применяемых в расчётах диаграмм деформирования бетона и арматуры для каждого случая описаны в главе 5.
Многочисленные эксперименты показали, что характер разрушения внецентренно сжатых элементов зависит от ряда причин и прежде всего от эксцентриситета. При больших эксцентриситетах разрушение начинается с текучести арматуры у грани, наиболее удалённой от продольной силы, затем происходит разрушение сжатого бетона (случай 1). При относительно малых эксцентриситетах всё сечение сжато или часть его сжата, а часть слабо растянута, разрушение начинается со стороны наиболее напряжённого волокна сжатого бетона. Напряжения в арматуре у грани, более удалённой от продольной силы, могут быть равны нулю, сжимающими или растягивающими, но не достигают предела текучести. Напряжение в ближайшей к продольной силе арматуре достигает Rsc (случай 2).
Разрушение образцов первой серии К-1 и К-1(2) произошло с развитием трещин в растянутой зоне, шелушением поверхности с последующим дроблением и выкрашиванием бетона в сжатой части (вид А на рисунке 4.54), то есть одновременно по сжатому бетону и растянутой арматуре. На стадии разрушения максимальные сжимающие напряжения возникают не в крайних волокнах, а несколько ближе к нейтральной оси.
Испытания колонн второй серии К-2 и К-2(2) также характеризуются появлением и развитием поперечных трещин в растянутой зоне (вид А на рисунке 4.55), шелушением поверхности бетона в средней сжатой части с образованием лещадок и дроблением сжатого слоя бетона.
