Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и цель проводимых исследований 4
Слойные железобетонные конструкции, их виды и способы расчета 7
Обзор исследований по механике разрушения бетона
Задачи исследования 14
Трещиностоикости легкого бетона
Исходные исследования 18
Планирование эксперимента 19
Выбор параметров оптимизации 19
Выбор факторов варьирования 20
Построение матрицы планирования 20
Выбор интервалов варьирования 20
Проведение эксперимента 20
Характеристики свойств примененных материалов и изготовление опытных образцов 20
Методика определения характеристик трещиностоикости К и К^с 23
Методика определения физико-механических и деформативных характеристик бетонов 24
Результаты факторного анализа трещиностоикости легкого бетона 25
Результаты эксперимента 25
Коэффициенты регрессии их значимость и степень влияния факторов варьирования на параметры оптимизации 26
Итоговые зависимости 28
Выводы по главе 2 29
Глава 3. Исследование трещиностоикости контактной зоны между двумя бетонами
3.1. Общие положения 30
3.2. Экспериментальные исследования трещиностоикости контактной зоны 33
3.2.1. Планирование эксперимента 33
3.2.2. Характеристики свойств примененных материалов, результаты испытаний бетонов 34
3.2.3. Методика определения параметров трещиностоикости контактной зоны двух бетонов - К" и К)) с 36
3.2.4. Результаты определения величин Kf и К))с
и построение уравнений регрессии 36
3.3. Некоторые теоретические зависимости 38
3.4. Выводы по главе 3 40
Глава 4. Методика и результаты испытаний двух-и однослойных железобетонных элементов
4.1. Вводные замечания 41
4. 2. Методика эксперимента 42
4.2.1. Методика исследований однослойных и двухслойных элементов 42
4.2.2. Методика испытания бетонных образцов 50
4.2.3 Состав бетонов и изготовление опытных образцов 53
4.3. Результаты экспериментальных исследований 53
4.3.1. Бетоны и арматура 53
4.3.2. Результаты испытаний и анализ напряженно-деформированного состояния однослойных элементов 54
4.3.3. Результаты испытаний и анализ напряженно-деформированного состояния двухслойных элементов 65
4.4. Способы увеличения энергетического ресурса
двухслойных элементов 80
4.5 Выводы по главе 4 81
Глава 5. Методика расчета трещиностойкости, несущей способности, деформаций двухслойных изгибаемых железобетонных элементов на основе механики разрушения
5.1. Общие положения 83
5.2. Расчет трещиностойкости двухслойных элементов 83
5.3. Расчет несущей способности 85
5.4. Расчет параметров трещин нормального отрыва
и поперечного сдвига 91
5.4.1. Определение длины трещин 91
5.4.2. Расчет по раскрытию трещин 92
5.5. Расчет по деформациям 93
5.5.1. Расстояние между трещинами 93
5.5.2. Расчет прогибов двухслойных элементов 93
5.6. Некоторые практические приложения 95
5.7. Сопоставление результатов расчета с опытными данными 96
5.8. Выводы по главе 5 98
Глава 6. Практические приложения полученных результатов при проектировании и строительстве Спас-Преображенского храма в г. Губкин 99
Общие выводы по работе 108
Литература
- Обзор исследований по механике разрушения бетона
- Характеристики свойств примененных материалов и изготовление опытных образцов
- Методика определения параметров трещиностоикости контактной зоны двух бетонов - К" и К))
- Методика исследований однослойных и двухслойных элементов
Введение к работе
Главными задачами ускорения научно-технического прогресса в области строительства является всемерное снижение материалоемкости, стоимости и трудоемкости строительства зданий и сооружений при высоких характеристиках их прочности, трещиностойкости и долговечности, внедрение в строительную практику прогрессивных облегченных конструкций. Широкие возможности для создания таких конструкций открываются в связи с использованием наряду с высокопрочными тяжелыми бетонами легких бетонов, которые могут нести в железобетонных элементах различную функциональную нагрузку. В свете этого комбинированные слоимые железобетонные элементы перспективны и прогрессивны, причем слой из тяжелого бетона обеспечивает высокую несущую способность слойных конструкций, а слой легкого, увеличивая плечо внутренней пары сил, имеет теплоизолирующее и звукоизоляционное назначение. Строительной и исследовательской практикой выявлены существенные специфические особенности работы слойных элементов под нагрузкой, которые исследованы недостаточно как теоретически, так и экспериментально. Это явилось причиной ряда ограничений, регламентируемых действующими нормативными документами и сдерживающих широкое комплексное применение двух-и трехслойных конструкций на основе легких бетонов.
Решение указанных проблем связано с дальнейшим совершенствованием теории сопротивления бетона и железобетона на базе разработки новых концепций в теоретических и экспериментальных исследованиях, применения современных эффективных методов оценки поведения железобетонных конструкций под нагрузкой. Эффективность этих мер связана в первую очередь с правильным учетом реальных физических закономерностей, обусловленных структурно-технологическими факторами, нелинейностью и неупругостыо деформирования материалов, образование и развитием трещин, как в бетонах обоих слоев, так и на поверхности их контакта, видом и характером напряженного состояния, совместной работой бетона и арматуры. Качественное изменение напряженно-деформированного состояния наступает после образования трещин в.сжатой части сечения слойных изгибаемых элементов. Вообще, наиболее значительной областью использования двухслойных элементов из железобетона является применение его в изгибаемых элементах междуэтажных перекрытий; большая экономия в массе, в расходах на транспортировку и монтаж делает применение слойных конструкций с ненесущим слоем (слоями) из легкого бетона экономически эффективными и обоснованными. Именно образование магистральных трещин критической длины в указанных элементах может привести к значительным изменениям в их работе под нагрузкой по сравнению с однослойными конструкциями. Поэтому важной задачей является выявление закономерностей деформирования и исчерпания несущей способности слойных элементов с учетом кинетики развития отрывных и сдвиговых трещин в зависимости от армирования и высоты верхнего прочного несущего слоя. Состояние предельного равновесия и кинетика процесса разрушения изгибаемых элементов, получивших повреждения при их эксплуатации, а также имеющих инициирующие разрушение дефекты на границе двух бетонов - легкого и тяжелого, - наиболее полно могут быть представлены посредством механики деформированного твердого тела и определены методами механики разрушения, где разрушение бетона и железобетона рассматривается на энергетическом уровне как процесс зарождения, накопления и развития дефектов структуры, их объединение в микротрещины, роста их до предельных (критических) размеров и разрушения.
Цель диссертационной работы - изучить работу и процесс разрушения двухслойных изгибаемых железобетонных элементов под нагрузкой на всех стадиях их деформирования, выявить влияние трещин на напряженно-деформированное состояние. Разработать метод расчета трещиностойкости, несущей способности и деформативности двухслойных элементов с применением инвариантных характеристик механики разрушения, базирующийся на отображении физических процессов, происходящих в структурах арматуры, бетонов и на поверхности их контакта и приводящих к полному исчерпанию несущей способности элементов.
Автор защищает:
- результаты экспериментально-теоретических исследований трещиностойкости легких бетонов и ее зависимости от составов бетонов и свойств их компонентов;
- результаты экспериментально-теоретических исследований трещиностойкости контакта двух бетонов;
- результаты экспериментальных исследований трещиностойкости, несущей способности и деформативности двухслойных элементов с различным армированием и высотой верхнего несущего слоя;
- опытные данные по параметрам и критическим величинам трещин нормального отрыва и поперечного сдвига в двухслойных элементах, в том числе и на поверхности контакта двух бетонов;
- модели разрушения двухслойных элементов, основанные на наличии двух типов трещин и двух различных механизмах их развития;
- методику расчета трещиностойкости, несущей способности и деформаций двухслойных элементов, основанную на методах и константах механики разрушения;
- предложения по увеличению энергоресурса двухслойных конструкций.
Научную новизну работы составляют:
- исследования трещиностойкости легких бетонов в зависимости от их составов и свойств компонентов;
- исследование трещиностойкости поверхности контакта двух бетонов; , - данные экспериментальных равновесных исследований трещиностойкости, несущей способности, деформаций двухслойных изгибаемых железобетонных элементов;
- единообразный расчет несущей способности, трещииостойкости и деформаций двухслойных конструкций с использованием инвариантных силовых и энергетических характеристик;
- предложения по увеличению энергоресурса двухслойных элементов без увеличения поперечного сечения и продольного армирования.
Практическое значение и реализация работы:
Разработана методика расчета, при помощи которой возможно оценить реальную несущую способность двухслойных элементов, определить остаточный ресурс работы конструкций, прогнозировать возможности дальнейшей безопасной эксплуатации существующих конструкций. А так же рационально проектировать двухслойные элементы без потери их несущей способности по сравнению с равноармированными однослойными элементами. Результаты, полученные в работе, использованы при проектировании и изготовлении двухслойных железобетонных плит сводов Спас-Преображенского храма в городе Губкин.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: кафедре "Строительные конструкции" МГОУ (1994г.), кафедре "Строительное производство" филиала МГОУ в г.Губкин (1996г.) и в лаборатории №27 НИИЖБ (1997г.).
Основное содержание диссертации отображено в 5 опубликованных статьях.
Объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
Объем 116 страниц текста, включая 34 рисунка, 30 таблиц и библиографию из 127 наименования и приложения.
Работа выполнена на кафедре "Строительные конструкции" МГОУ под руководством докторов технических наук профессоров Ю.В.Зайцева и В.В.Доркина и является продолжением комплексных исследований по методам расчета железобетонных конструкций с применением методов и подходов механики разрушений.
Обзор исследований по механике разрушения бетона
Несущие и ограждающие конструкции жилых и общественных, отапливаемых и неотапливаемых производственных зданий выполняются преимущественно однослойными из конструкционного тяжелого бетона. Применение двухслойных и многослойных элементов с одним слоем из бетона на пористых заполнителях, позволяет не только существенно повысить звуко- и теплоизоляционные свойства изделий, но и значительно снизить их собственный вес, что приводит к экономии материалов, трудозатрат, средств при их изготовлении и монтаже. Имеется опыт применения слойных конструкций с теплоизоляционным слоем из легкого бетона. Несущий слой (слои) этих элементов изготовляются в основном из тяжелых бетонов класса В15 и выше, а утепляющий и звукоизолирующий - из легкого бетона класса В3,5.
Слойные конструкции по характеру расположения слоев и виду воспринимаемых воздействия различаются на: - конструкции с вертикальным расположением слоев, - стеновые панели, проектируемые как ограждающие самонесущие или висячие конструкции; - конструкции с горизонтальными расположением слоев, - это плиты покрытия и перекрытия, работающие на изгиб и проектируемые как несущие ограждающие конструкции; - конструкции коробчатого сечения с пластиковой армосистемой из полимербетона, проектируемые как химстойкие конструкции, работающие в условиях действия агрессивных сред.
В [ 1 ] предложена и проверена технология формирования двухслойных элементов методом расслоения специально подобранной легкобетонной смеси. В процесса вибрирования растворная составляющая оседает в нижнюю часть формы и, заполняя межзерновые пустоты крупного заполнителя, образует плотный слой легкого бетона. В верхней части железобетонного элемента образуется крупнопористый бетон. При изготовлении таких элементов в заводских условиях получена серия двухслойных плит с несущей частью из легкого бетона класса В12,5 и слоем крупнопористого бетона класса В2,5 плотностью 700 кг/м3.
В [2], описана усовершенствованная технология изготовления комплексных плит покрытий производственных зданий из керамзитобетона. Плиты размеров 6хЗми12хЗм изготовляются в едином технологическом цикле: бетонирование несущей части, установка съемной рамки для формирования слоя из легкого бетона теплоизолирующего назначения (1,5 МПа, плотность 400 кг/м3), а затем устройство стяжки.
В жилищном строительстве разработка новых индустриальных двух-и трехслойных панелей перекрытия и покрытия с утеплителем из легкого
бетона обусловлена совершенствованием конструктивных решений с целью повышения теплозащиты зданий. Для бесчердачных крыш исследованы и внедрены двухслойные панели перекрытий и совмещенных покрытий [3, 4, 5]. В ряде работ [6, 7, 8] обосновано применение трехслойных панелей перекрытий с точки зрения рационального использования в монолитном сечении бетонов различных плотностей и прочностей в соответствии с характером напряженно-деформированного состояния элемента. Применение двух- и трехслойных панелей заводского изготовления с теплоизоляционным слоем, из легких бетонов взамен распространенных однослойных, утепленных засыпкой на пористых заполнителях, позволило значительно сократить трудозатраты на строительной площадке и материалоемкость конструкций.
Для крупнопанельных зданий [9, 10] разработаны типовые конструкции безрулонных двухслойных панелей покрытия с нижним слоем из керамзитобетона класса В3,5 плотностью от 1000 до 1400 кг/ м3, и верхним - из тяжелого бетона класса В22,5. Толщина нижнего слоя составила 0,2 м; верхнего - 0,04 м, при этом керамзитобетон выполняет как несущие, так и теплоизоляционные функции.
Трехслойные конструкции из керамзитобетона или арболита нашли широкое применение в гражданском [11,12] и сельскохозяйственном строительстве [13], что приводит к экономии цемента примерно на 80%, а трудозатрат при монтаже и транспортировке - на 40%.
Многослойные конструкции широко используются в практике строительства и за рубежом. Швейцарская фирма "Durisol" выпускает двухслойные плиты покрытий - стандартные (4 х 0,5 х 0,2 м) и крупноразмерные (6 х 1,5 х 0,2 м), толщина верхнего слоя из тяжелого бетона - 0,02 м - 0,03 м [14]. Конструкции того же класса выпускаются в Голландии фирмой "Velox" и в Бельгии фирмой "ZHT".
Здесь отметим, что применение слойных ограждающих железобетонных конструкций со слоем из легкого бетона технически и экономически целесообразно. Такие конструкции могут найти широкое применение в зданиях различного назначения. Они обеспечивают более высокое термическое сопротивление по сравнению с однослойными равной толщины и вместе с тем имеют меньшую трудоемкость при изготовлении и более надежны, чем слоимые с гибкими связями и с эффективными утеплителями.
Рекомендации по расчету и конструированию слойных элементов отсутствуют в действующих нормах проектирования. Исследования совместной работы двух слоев бетонов в монолитном сечении при различном расположении (вверху и внизу) малопрочного бетона проводились в [3, 4, 14, 15, 16]. Среди исследователей нет единого мнения о полноте совместной работы двух слоев бетонов, хотя, когда граница между двумя слоями находилась в сжатой части сечения [4, 15] в экспериментах наблюдалось нарушение совместности работы.
Расчет по несущей способности (прочности) нормальных сечений и изгибаемых слойных железобетонных элементов производят в зависимости от положения границы сжатой зоны. В случае, когда сжатая зона находится в пределах одного слоя, расчет выполняется в соответствии с действующими нормами как для прямоугольных сечений [6, 7, 8, 14, 17]. Этот случай наиболее характере для плитных конструкций. Когда же в сжатую зону попадают бетоны различных слоев, используют специальные подходы при расчете прочности.
В [6, 18, 19] предлагается слойное сечение приводить к однородному из более прочного бетона исходя из отношения модулей упругости бетонов слоев, а для определения усилий в бетоне сжатой зоны использовать расчетное сопротивление сжатию бетона приведенного сечения. Такой подход не достаточно последователен с точки зрения физики процесса работы слойного элемента под нагрузкой. Ведь по существу он сводится к тому, что при разрушении слойных элементов по нормальных сечениям сжимающие напряжения в верхнем слое достигают предельных значений, а в нижнем их величина зависит от соотношения модулей упругости слоев. Очевидно, что такой подход является достаточно условным, поскольку отношение начальных модулей упругости слоев не может служить для оценки уровня напряжений в сжатом бетоне верхнего слоя. В случае же, когда это отношение оказывается близким соотношению прочности бетонов, хорошее соответствие опытных и расчетных значений можно объяснить тем, что при разрушении в нижнем слое напряжения близки к призменной прочности.
В [3, 7, 20, 21] предлагается слойные сечения приводить к однородным, исходя из отношения расчетных сопротивлений сжатию бетонов слоев. При этом одни исследователи [3, 7, 20] считают целесообразным вести расчет как для однородного сечения из наиболее прочного бетона, другие [21] - из бетона наименьшей прочности, отметим, что представляется необоснованным предложение [3] приведении двухслойного сечения с расположением малопрочного слоя бетона как в растянутой, так и в сжатой зоне к однородному из тяжелого бетона. При расположении малопрочного бетона в сжатой части сечения целесообразно учитывать в расчете его прочность, так как более прочный бетон не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на несущую способность двухслойного элемента.
В [22] предлагается расчет по прочности нормальных сечений в случае, если сжатая зона расположена в пределах одного слоя бетона, производить как для прямоугольного сечения, а если в сжатую зону попадают два слоя - как для приведенного, исходя из соотношения расчетных сопротивлений осевому сжатию бетонов слоев таврового сечения.
Характеристики свойств примененных материалов и изготовление опытных образцов
Была реализована 1/8-реплика от полного факторного эксперимента типа 2 . Насыщение реплики производилось за счет эффектов взаимодействия х4 = Х]Х2; х5 = х2х3 их6 = Хіх2х3 в верхнем полуплане и х4 = -Х!Х2; х5 = -х2х3 и х6 = -Xjx2x3. Матрица планирования эксперимента показана в таблице 2.1, основанной на применении метода Бокса - Уилсона [101].
Выбор нулевой точки (основного уровня) и интервалов варьирования каждого из факторов объясняется как технологическими возможностями изготовления и укладки бетона, так и наличием определенных видов цемента (Rc), а так же размерами опытных образцов и длиной инициированных трещин (dmax). Для каждого фактора варьирования используются значения, соответствующие верхней и нижней границам интервала варьирования, то есть эксперимент запланирован на двух уровнях: верхнем (кодированный уровень +) и нижнем (кодированный уровень -). Основной уровень факторов варьирования, интервалы варьирования, нижний и верхний уровни представлены в таблице 2.1. Более подробно об этих величинах см. 2.3.
Опытные образцы всех 8 серий были изготовлены на пористом заполнителе Стойленского месторождения (включая фракцию 0-5), характеристики которого приведены в таблице 2.2.
Для каждой из 8 серий образцов изготовлялось 9 кубиков размером ребра 10 см для определения величин Ku, Rm и Rbt, 3 плиты для определения К и 3 призмы размером 10x10x40 для контроля величин Rb и Еь.
Бетонная смесь приготовлялась в бетономешалке принудительного действия, уплотнение смеси производилось на вибростоле при частоте колебаний 800 об/мин. После изготовления образцы укладывались во влажные опилки. Возраст бетона к моменту испытания для всех 8 серий составлял 28 суток. Испытания образцов проводились: для определения величин КЬ и Rbt - на прессе П-10, всех остальных характеристик - на прессе П-125.
Величина К определялась из испытаний кубика с ребром 10 см и с двумя инициирующими разрушение по определенной плоскости надрезами-трещинами [102]. Образец испытывался по схеме внецентренного сжатия с помощью 2-х металлических брусков размером поперечного сечения 6x6 мм (рис. 2.1). Результаты экспериментальных исследований и значения параметров оптимизации К и К с сведены в таблицу 2.4.
Анализ результатов реализации матрицы планирования,, представленных в таблице 2.4, показывает, что прочностные характеристики и показатели трещиностоикости не всегда коррелируют друг с другом, например величины К и Кцс составов 5, 6 и 7 практически одинаковы, когда как прочность на сжатие их отличается более чем в 2 раза; при примерно равных прочностных характеристиках составов 3 и 7 величина К различается более чем на 30%. Эти примеры показывают, что прочностных характеристик для изучения работы бетона под нагрузкой недостаточно. Контроль свойств и качества бетона должен также производиться по основным характеристикам трещиностоикости КРС и К,ь . Решение для кодированных переменных xl.. .хб должно быть получено в виде: у = b0 + b,x, + b2x2 + b3x3 + b4x4 + b5x5 + Ьбх6 (2.5) где b0...b6 - коэффициенты регрессии, определяемые по результатам проведенного эксперимента (табл. 2.4) с учетом уровня кодированной переменной. Коэффициенты регрессии приведены в табл. 2.5. Значимость коэффициентов проверялась по критерию Стыодента 6, tJS2y I N (2.6) где t - табличное значение для данного числа степени свободы; Sj - дисперсия опыта, подсчитываемая по результатам нескольких рандомизированных параллельных опытов; N - общее количество непараллельных опытов.
Значение критерия Стыодента приведено для каждого параметра в последнем столбце таблицы 2.5. Все коэффициенты регрессии в каждой строке, оказавшиеся по абсолютной величине меньше критериального значения, являются незначимыми при 5% уровня значимости. Незначимые коэффициенты регрессии взяты в таблице 2.5 в скобки.
Из таблицы рангов наглядно видно различие в механизмах развития трещин нормального отрыва и поперечного сдвига, а также то, что легкий бетон по-разному сопротивляется их образованию и движению. Однако для обоих коэффициентов интенсивности напряжений определяющее влияние на величину параметра трещиностойкости оказывает легкой заполнитель: его количество и диаметр, - тогда как на прочностные и деформативные характеристики в основном влияет свойства матрицы (C/W). Высокая трещиностойкость легкого бетона зависит от количества заполнителя, а его прочность - от свойств и прочности матрицы, поэтому и прочность легкого бетона, согласно исследованиям Худовердяна, может превосходить на 20% прочность пористого заполнителя (фактическую среднюю по выпиленным кубикам). Анализ таблицы рангов также показывает наличие общих тенденций влияния некоторых факторов на параметры К и Ri,t с одной стороны и величины К с, Rb и Rm с другой, что говорит о доминирующем влиянии отрывных деформаций при растяжении и сдвиговых - при сжатии и возможности наличия некоторой корреляции между указанными величинами.
Адекватность модели проверялась по критерию Фишера по дисперсии результатов опытов относительно среднего арифметического этих результатов и S2y. После замены кодированных значений истинными уравнениями регрессии для определения основных характеристик трещиностойкости легкого бетона при нормальном отрыве и поперечном сдвиге имеют вид: K\t = 0,3 + 0,0386 С/W - 0,0002t - 0,0057dmax - 0,2575К,а + 0,0002RC (2.7) К{ = 3,12 + 0,4850 C/W - 0,0004t - 0,0378dmax + 0,0245W - 2,66301 + 0,0005RC (2.8)
На основании анализа результатов эксперимента, представленных в таблице 2.5 и зависимостей (2.7) и (2.8) можно сделать следующие выводы: трещиностойкость легкого бетона при деформациях нормального отрыва и поперечного сдвига повышается с увеличением цементно-водиого отношения и активности примененного цемента и уменьшается с увеличением количества пористого заполнителя в единице объема бетона, его диаметра и количества цементного теста. Это связано по-видимому с тем, что в составах 3 и 7, где параметр t находился на верхнем уровне, матрица была практически беспесчаной, и структура полученного в результате бетона была иррациональной, а так лее с тем, что, как отмечалось выше, именно в матрице образуются трещины, в дальнейшем приводящие к разрушению бетона.
На основании зависимостей (2.7) и (2.8) представляется возможным прогнозировать трещиностойкость легкого бетона по его составу, не прибегая к экспериментальным исследованиям.
Методика определения параметров трещиностоикости контактной зоны двух бетонов - К" и К))
Разрушение двухслойных элементов - пролонгированный по времени процесс, а не мгновенный акт. Разрушение начинается с образования трещин нормального отрыва (в дальнейшем обозначаемых индексом V) в нижнем непрочном слое (легкого) бетона, (этот слой из-за своего местонахождения будет маркироваться индексом d - «down»). Эти трещины, практически не влияя на несущуу способность элемента, приводят к увеличению деформаций. Анализ напряженно-деформированного состояния в сжатой части сечения показал, что при нагрузках, близких к предельным, формируются зоны объемного перенапряжения в местах сопряжения разнозначно напряженных слоев сжатого бетона, интенсивности которых достигают критических значений в вершинах микродефектов, образовавшихся на поверхности сопряжения нижнего и верхнего (индекс u - «up») слоев бетона, из-за концентрации сдвиговых напряжений. Стартуют горизонтальные макротрещины поперечного сдвига (индекс h) по поверхности контакта двух слоев бетонов. Поперечная арматура, установленная перпендикулярно траектории развития контактной сдвиговой трещины может ограничить ее рост и обеспечить совместность работы тяжелого бетона слоя «и» и легкого слоя «d». Это тем более важно, что поверхность сопряжения двух бетонов уже как бы заранее инициирует сдвиговую трещину в сжатой части элемента, провоцируя ее образование и интенсивное развитие. Экспериментальные исследования проводились на изгибаемых балочных образцах, однако их результаты, основной акцент в которых был сделан на динамику и кинетику процессов развития отрывных, сдвиговых и сдвиговых контактных трещин, включая закономерности образования и текущие параметры, могут быть перенесены и на плиты и панели перекрытий (покрытий), где применение двухслойных элементов с верхним слоем их тяжелого бетона наиболее обоснованно. Кроме того, основной целью проведения экспериментальных исследований было накопление данных для разработки метода расчета всего спектра двухслойных конструкций, работающих на изгиб. Исходя из вышеизложенного при выполнении экспериментальных исследований решились следующие задачи: - детальное изучение процессов старта и развития трещин в обоих слоях бетонов и по зоне их контакта в двухслойных элементах; - определение энергетических характеристик конструкций; - сопоставление кинетики развития трещин в однослойных и двухслойных элементах, выявление особенностей процесса разрушения двухслойных конструкций; - выявление возможностей работы нормальных сечений двухслойных конструкций на стадии снижения несущей способности на нисходящей ветви диаграммы деформирования при нарушении совместной работы слоев бетонов; - разработка расчетных схем работы двухслойных конструкций на различных стадиях их деформирования иод нагрузкой.
Для решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования, которые включали в себя: , - исследования работы однослойных железобетонных изгибаемых элементов при изгибе и различном продольном армировании с построением полностью равновесных диаграмм деформирования, позволяющих констатировать работу элемента на всех стадиях его деформирования, эксперименты выполнены для возможности прямого сопоставления результатов при разрушении одно- и двухслойных элементов и выявления различий в процессах образования и развития трещин; - исследования влияния поперечного армирования на несущую способность, деформации, развитие сдвиговых и сдвиговых контактных трещин и энергетический ресурс двухслойных элементов с нижним слоем из легкого бетона; - определение характеристик трещиностойкости и физико механических параметров бетона и арматуры. Основными параметрами исследования являлись: момент образования трещин нормального отрыва М гс, их длина 1 гс и ширина раскрытия a rc, момент образования трещин поперечного сдвига М св слои «и» ИЛИ на границе слоев «u» «d», длина трещины поперечного сдвига \ьас и ширина ее раскрытия arc, максимальная нагрузка Мтах, воспринимаемая элементом, снижение его несущей способности на стадии разрушения, когда процесс развития трещин, особенно сдвиговых, протекает наиболее интенсивно, а так же силовые и энергетические характеристики трещиностойкости 1 ! Кп Gj Gn и их критические значения.
Экспериментальные исследования однослойных и двухслойных изгибаемых железобетонных элементов проведены на однопролетных балочных образцах, изгибаемых на двух опорах статической силой, приложенной в третях пролета. Методика разработана с целью получения данных для изучения: несущей способности и деформативности нормальных сечений двухслойных железобетонных элементов с нижним слоем из легкого бетона на всех стадиях их напряженно-деформированного состояния и влияния на пего контактных трещин между тяжелым и легким бетонами, трещиностойкости и процесса трещинообразования при различной толщине верхнего слоя из тяжелого бетона, кинетики развития трещин в зависимости от уровня внешней нагрузки, в том числе на нисходящей ветви полностью равновесной диаграммы деформирования двухслойного элемента; влияния толщины верхнего слоя из тяжелого бетона на процесс разрушения; влияния продольного и поперечного армирования на развитие трещин, разрушение и энергетические характеристики двухслойных элементов.
В экспериментальных исследованиях в качестве переменных параметров были приняты: - продольное армирование растянутой части сечения элементов: принималось 1 0 10 А III и 2 0 10 А III; - высота верхнего слоя из тяжелого бетона hu; hu = 0,02 м и hu = 0,04 м - поперечное армирование в середине пролета балки (в зоне чистого изгиба): было испытано четыре серии двухслойных элементов с поперечным армированием и остальные - без такового.
Соответственно постоянными параметрами при проведении эксперимента были: - вид и схема приложения внешней нагрузки: статическое кратковременное нагружение по схеме четырехточечного изгиба; - линейные размеры и пролет балки: b х h = 75 х 100 мм; пролет--0,81 м; - поперечное армирование опорных третей балки: внешнее (хомуты из стали класса А III диаметром 6 мм), препятствующие разрушению балки по наклонному сечению; - составы тяжелого и легкого бетонов соответственно для верхнего и нижнего слоев двухслойных элементов. Методика исследований основана на равновесных испытаниях двухслойных элементов, для чего использовано разработанное ранее [109J специальное устройство, позволяющее контролировать процесс деформирования железобетонного элемента на всех стадиях его работы под нагрузкой (рис. 4.1.). Устройство включает в себя силовой и измерительный узлы. Силовой узел состоит из нагружающего элемента в виде винтовой пары с мелкой резьбой и упругого элемента с пружинным динамометром типа ДС-3. Жесткий упругий элемент служит для восприятия избытка упругой энергии, высвобождающейся в результате разрушения образца и обеспечивает стабильный, равновесный характер испытания.
Методика исследований однослойных и двухслойных элементов
Этим и можно объяснить тот факт, что замедляется развитие трещин нормального отрыва (в их вершины не поступает энергия) и их параметры в двухслойных элементах меньше по сравнению с соответствующими величинами в однослойных образцах, Процесс развития сдвиговых контактных трещин протекает динамично, причем чем больше расстояние от поверхности контакта двух слоев бетонов до нейтральной оси, тем выше касательные напряжения, действующие по берегам трещины, выше их интенсивность в ее вершинах, тем быстрее рост параметров контактной трещины сдвига (сравнение: образцы 3 и 4). Для наглядности местоположение поверхности контакта (то есть сдвиговой трещины для сечений 3, 4 и 6") по отношению к нейтральной оси элемента показано на рис. 4.13 в момент восприятия элементом максимальной внешней нагрузки. При нагрузке М (07-0,8)М да"осл контактная трещина достигает критической длины и выключает из работы верхний слой двухслойного элемента, что приводит к уменьшению максимальной несущей способности, что видно из сопоставления значений Мтах для элементов серии 3 с 1 и серии 4,6 с 2. На стадии IV контактная сдвиговая трещина полностью отсекает весь верхний слой, а в легком бетоне нижнего слоя после того, как нейтральная ось опускается вниз по сечению (что показывают данные индикатора И2) образуется еще одна трещина поперечного сдвига; сопротивляемость железобетонного двухслойного элемента развитию этой трещины характеризуется коэффициентом K,bt легкого бетона (2,05 МПа м,/2).
По другому притекает процесс разрушения в элементах серии 5. Так как зона контакта расположена в растянутой части сечения, то сдвиговая трещина развивается не по поверхности контакта, а в тяжелом бетона верхнего слоя, сопротивляемость которого развитию такой трещины характеризуется величиной Kj тяжелого бетона (3,10 МПа м1/2). Для сравнения: согласно (3.14) К," = 0,29 Мпа м /2. Сдвиговая трещина развивается медленно в верхнем слое, ее параметры практически не отличаются от соответствующих величин в однослойном элементе серии 1, максимальная несущая способность двухслойного элемента так же осталась н а уровне однослойного. Поэтому при проектировании двухслойных элементов представляется важным планировать величину hu так, чтобы выполнялось условие: обеспечивающее сохранение несущей способности (и возможно деформаций) двухслойного элемента на уровне однослойного из тяжелого бетона с одинаковым армированием и размерами поперечного сечения, а классы легкого бетона практически не будет влиять на М , f и другие параметры, характеризующие напряженно-деформированное состояние, а должен быть установлен исходя из требования по защите арматуры от коррозии. В то же время двухслойные элементы с нижним слоем из легкого бетона будут меньше по массе и будут обладать звукоизолирующими и теплоизоляционными свойствами. При невыполнении (4.12) двухслойные элементы для сохранения требуемой несущей способности должны быть армированы дополнительной продольной или поперечной (см. ниже) арматурой.
Если верхний слой выполнен из легкого бетона, то даже при выполнении (4.12) максимальная несущая способность таких элементов окажется ниже однослойных из тяжелого бетона ввиду того, что Kjbt легкого бетона меньше коэффициента K,bt тяжелого бетона.
Полностью равновесные диаграммы деформирования двухслойных элементов с hu х показаны на рис. 4.14 и 4.15. Анализ их показывает, что на разрушение двухслойных элементов с hu х расходуется меньшее количество энергии, чем в соответствующих однослойных образцах, и процесс разрушения протекает более хрупко доже при одиночном армировании. Для элемента серии 5 количество энергии, затраченное на процесс разрушения, практически идентично однослойному элементу.
Параметры механики разрушения, необходимые для оценки напряженно-деформированного состояния двухслойных элементов приведены в таблице 4.11 (средние по испытанным образцам).
Поперечное армирование препятствует образованию и развитию сдвиговых трещин, сопротивляемость контактной зоны разрушению но механизму поперечного сдвига увеличивается на величину Щ и определяется как к[,с = к + к;1с (4. із) где - критическое значение коэффициента IQ. Величина Щ с учетом [93] определяется из: к;, = К К1Ъ 0 (і+w - а» ) (4.14) где Rssh - расчетное сопротивление поперечной арматуры при работе на срез; Asw - площадь ее поперечного сечения; X = l rc/h ; = xjh ; х( -расстояние от трещины поперечного сдвига до крайней сжатой фибры бетона, в случае развития контактной трещины мри невыполнении (4. 12) Xj = hu. Поперечная арматура обеспечивает единство работы двух слоев бетонов практически до полного исчерпания несущей способности, а параметры трещин развивающихся по контакту тяжелого и легкого бетонов, а также в слое тяжелого бетона и достигают своих критических значений. При этом максимальная несущая способность двухслойных элементов остается на уровне однослойных. Параметры трещин и параметры деформирования двухслойных изгибаемых железобетонных элементов с поперечным армированием серий 7, 8, 9 и 10 представлены в таблицах 4.12, 4.13, 4.14 и 4.15. Анализ их показывает, что трещины поперечного сдвига образуются при нагрузке Mfrc = (0,8 5 — 0,9)Mmax, то есть поперечное армирование оттягивает момент образования сдвиговых трещин, значительно повышая трещиностоикость двухслойного элемента к образованию контактных межслойных трещин. Трещины нормального отрыва развиваются так же, как и в однослойных элементах, причем использование легкого бетона высокой прочности, трещиностойкости с достаточно большим значением Еь привело к тому, что раскрытие отрывных трещин не превышает допускаемых нормативными документами величин.
