Трещиностойкость оголовков железобетонных колонн при вертикальном нагружении Симаков Василий Дмитриевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Симаков Василий Дмитриевич. Трещиностойкость оголовков железобетонных колонн при вертикальном нагружении: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.23.01 / Симаков Василий Дмитриевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»], 2017

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса. Обзор российских и зарубежных исследований 10

1.1 Оголовки железобетонных колонн в контактных стыках. Общие сведения 10

1.2 Особенности НДС и разрушения оголовков колонн под нагрузкой 13

1.3 Исследования трещиностойкости оголовков колонн, выполненные ранее другими авторами 20

1.4 Существующие способы оценки прочности элементов в зоне местного сжатия 35

1.5 Выводы и заключение по главе 1 36

Глава 2. Теоретические основы исследования оголовков колонн по образованию и раскрытию трещин 38

2.1 Основные положения теории силового сопротивления анизотропных материалов сжатию 38

2.2 Основные положения нелинейной деформационной модели 42

2.3 Исследование НДС оголовков колонн в момент образования и раскрытия трещин от действия вертикальной нагрузки 46

2.4 Анализ теоретических исследований 65

2.5 Основные выводы по главе 2 68

Глава 3. Исследование напряженно-деформированого состояния оголовков колонн методом компьютерного моделирования 69

3.1 Цель и задачи 69

3.2 Программа численных исследований 71

3.3 Проведение численных исследований 75

3.4 Моделирование испытаний, выполненных другими авторами 90

3.5 Общий анализ численных исследовании 92

3.6 Основные выводы по главе 3 103

Глава 4. Экспериментальные исследования НДС оголовков колонн при вертикальном нагружении 104

4.1 Цель и задачи 104

4.2 Программа и планирование эксперимента 105

4.3 Проведение эксперимента 114

4.4 Анализ результатов экспериментальных исследований 127

4.5 Основные выводы по главе 4 131

Глава 5. Разработка методики расчета и рекомендаций по конструированию оголовков колонн 132

5.1 Обобщающий анализ результатов исследований по главам 1-4 132

5.2 Методика расчета различных типов оголовков колонн по образованию и раскрытию трещин 136

5.3 Сопоставление результатов расчета трещиностойкости оголовков по предложенной методике с результатами проведенных исследований 147

5.4 Рекомендации по расчету и конструированию оголовков железобетонных колонн в контактных стыках 151

5.5 Основные выводы по главе 5 153

Итоги выполненного исследования 154

Список сокращений и условных обозначений 157

Список терминов 157

Список использованной литературы 159

Приложения 170

Приложение 1. Патент №138856 на полезную модель 171

Приложение 2. Патент №2536318 на изобретение 173

Приложение 3. Патент №146196 на полезную модель 175

Приложение 4. Акт о внедрении полезной модели №146196 177

Приложение 5. Акт о внедрении методик расчета 179

Приложение 6. Рабочие чертежи опытных образцов 182

Приложение 7. Алгоритмы расчета трещиностойкости оголовков железобетонных колонн, реализованные в «Microsoft Excel» и «Microsoft Visual Studio» 184

Исследования трещиностойкости оголовков колонн, выполненные ранее другими авторами
Исследование НДС оголовков колонн в момент образования и раскрытия трещин от действия вертикальной нагрузки
Программа и планирование эксперимента
Рекомендации по расчету и конструированию оголовков железобетонных колонн в контактных стыках

Введение к работе

Актуальность темы. В строительстве широко распространен способ опирания стропильных и подстропильных конструкций на железобетонные колонны через стальные грузовые площадки. Такие соединения, так же как и любые стыки, отвечают за конструкционную безопасность всего здания. Однако, при обследовании технического состояния конструкций, часто фиксируется наличие вертикальных трещин в оголовках железобетонных колонн. Такая колонна в течение длительного времени может находиться под статической нагрузкой без разрушения. При этом невозможно оценить эксплуатационную пригодность её оголовка, т.к. не существует нормативной методики его расчета по образованию и раскрытию трещин. Тем не менее, нормами предписано, что строительные конструкции должны быть рассчитаны по двум группам предельных состояний. Кроме того, в работах ученых, занимавшихся исследованиями прочности колонн, отмечено, что образование трещин в оголовках возможно при нагрузках меньших, чем их нормативная несущая способность, определяемая расчетом на местное сжатие. Не учет образования и раскрытия трещин в конструкциях, находящихся во влажной среде или на открытом воздухе, может привести к коррозии рабочей арматуры, разрушению бетона и как следствие – к обрушению несущей системы. Поэтому, совершенствование методов расчета оголовков железобетонных колонн для оценки их трещиностойкости является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. Созданием методик расчета по прочности и по трещиностойкости оголовков железобетонных (ж.б.) колонн в стыках строительных конструкций и ранее занимались как российские, так зарубежные ученые. Среди российских известны работы: Б.С. Соколова, М.М. Холмянского, Б.М. Гладышева, Л.Н. Зайцева, А.С. Залесова, И.С. Ульбиевой, М.М. Мирмуминова, В.А. Червонобабы, Н.Г. Маткова и др. Среди зарубежных: A.S. Williams (Великобритания), B.C. Jensen (Дания), H.N. Hawkins (Австралия), S.K. Niyogi, W.F. Chen (США) и др. Подобные исследования проводились достаточно давно и, с учетом развития современной науки, в каждой работе можно найти отдельные недостатки. Главным из них является отсутствие рекомендаций по оценке эксплуатационной пригодности колонн с уже имеющимися трещинами. В свое время, эти работы помогали решать отдельные задачи проектирования, однако не были включены действующие нормы.

Целью диссертационной работы ставится разработка методики расчета оголовков ж.б. колонн с косвенным армированием по образованию и по раскрытию трещин, отражающей фактический механизм деформирования и разрушения при передаче вертикальной статической нагрузки.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

– проанализированы существующие методы оценки эксплуатационной пригодности ж.б. элементов в приопорных зонах;

– предложен новый подход для расчета оголовков ж.б. колонн по образованию и раскрытию трещин;

– проведено многофакторное компьютерное моделирование оголовков для определения наиболее важных варьируемых параметров;

– разработана программа испытаний и выполнены экспериментальные исследования нагружением ж.б. оголовков для получения опытных данных;

– проведен анализ результатов теоретических, численных и экспериментальных исследований, который сопоставлен с ранее разработанными методиками;

– разработана новая методика расчета оголовков ж.б. колонн по образованию и

раскрытию трещин при различном положении грузовых площадок;

– разработаны рекомендации по конструированию и оценке технического состояния оголовков ж.б. колонн с уже имеющимися вертикальными трещинами.

Научная гипотеза заключается в предположении, что поставленная цель может быть достигнута при совместном использовании теории силового сопротивления анизотропных материалов сжатию и нелинейной деформационной модели.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– для оценки трещиностойкости нагруженных оголовков ж.б. колонн разработан новый подход, основанный на совместном использовании двух теорий: нелинейной деформационной модели (НДМ) и теории силового сопротивления анизотропных материалов сжатию (ТССАМС). Это позволило учесть их физические, геометрические и статические характеристики;

– впервые для оголовков ж.б. колонн разработана методика расчета по образованию и по раскрытию трещин. В работах других авторов предложены формулы только для расчета по образованию трещин.

Теоретическая значимость заключается в совместном использовании ТССАМС и НДМ для создания методики расчета по образованию и по раскрытию трещин, позволяющей гарантировать конструкционную безопасность и эксплуатационную пригодность строительных конструкций в опорных узлах.

Практическая значимость заключается в:

– разработке методики расчета оголовков ж.б. колонн по образованию и по раскрытию трещин, которую можно использовать для стыков различной конфигурации, как при проектировании, так и при обследовании, что позволяет обеспечить выполнение нормативных требований, согласно которым расчет ж.б. элементов необходимо выполнять по двум группам предельных состояний;

– выявлении наиболее значимых варьируемых параметров, влияющих на трещиностойкость оголовков ж.б. колонн и в разработке практических рекомендаций по их проектированию.

Методология и методы исследования. Исследование НДС оголовков ж.б. колонн при вертикальном нагружении проводилось в следующей последовательности:

Теоретическое исследование. Изучение НДС оголовков ж.б. колонн с использованием работ других авторов. Разработка методики их расчета по образованию и по раскрытию трещин в первом приближении, с учетом выдвинутой научной гипотезы и нормативных требований эксплуатационной пригодности, предъявляемых к строительным конструкциям.

Компьютерное моделирование выполнено на основе разработанной информационной программы, где в графической форме показана взаимосвязь факторов, влияющих на НДС оголовка. При выборе математической модели отдано предпочтение методу конечных элементов (МКЭ), реализованному в современном сертифицированном программном комплексе (ПК) «ANSYS». Анализ результатов моделирования позволил назначить параметры и оптимальное количество образцов для проведения физического эксперимента.

Физический эксперимент. Для его выполнения и получения необходимых данных использованы методы нагружения конструкций и способы обработки результатов испытаний, базирующиеся на действующих нормативных документах.

Анализ полученных результатов. Адекватность опытных результатов оценивалась их статистической обработкой в сертифицированной программе «Microsoft Excel» с использованием таблиц, графиков и диаграмм зависимостей.

Разработка методик расчета. Методика расчета оголовков ж.б. колонн, представленная теоретическими исследованиями, корректировалась в соответствии с результатами компьютерного моделирования и физических испытаний.

Положения, выносимые на защиту:

– экспериментально-теоретическая методика оценки трещиностойкости оголовков ж.б. колонн, отражающая механизм образования и раскрытия трещин в зоне местного сжатия, и основанная на совместном использовании ТССАМС и НДМ;

– данные многофакторного компьютерного моделирования;

– результаты физических экспериментов, полученные от действия вертикальной сжимающей силы при статическом нагружении;

– рекомендации по проектированию оголовков ж.б. колонн в контактных стыках.

Личный вклад автора в результаты диссертации заключается в:

– выборе темы исследования и обосновании её актуальности;

– разработке методики расчета оголовков ж.б. колонн по трещиностойкости с использованием основных положений двух теорий: ТССАМС и НДМ;

– анализе работ российских и зарубежных авторов по указанной теме;

– проведении численных и экспериментальных исследований;

– определении наиболее значимых варьируемых параметров, влияющих на трещиностойкость оголовков, в разработке рекомендаций по их конструированию.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность научных исследований, выводов и рекомендаций обеспечивается применением фундаментальных принципов предельного состояния, логичностью выдвинутых гипотез и полученных результатов.

Результаты исследований подтверждены:

– удовлетворительной сходимостью численных и экспериментальных исследований с аналитическими расчетами предложенной методики, а так же с экспериментами других авторов;

– применением современных методов исследований, программного обеспечения и инженерного оборудования, прошедшего метрологическую поверку;

– внедрением результатов на реальных объектах строительства.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были опубликованы в сборниках научных статей и докладывались на:

– 65 Всероссийской научной конференции, г.Казань, КГАСУ, 2013 г. (доклад);

– на Международной конференции «НАСКР – 2014», г. Чебоксары; «ЧГУ им. И.Н. Ульянова», 2014 г. (доклад и публикация);

– на Международной научной конференции, посвященной 100-летию д.т.н., проф. Н.Н. Попова, г. Москва, МГСУ, 2016 г. (доклад и публикация);

– на Межрегиональной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения В.В. Бахирева, г. Зеленодольск, АО«ПоЗИС», 2016 г. (доклад).

По теме опубликовано 5 научных статей, из них 3 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 5 тезисов к докладам, 1 учебное методическое указание, получено 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение. Автор принимал участие во Всероссийском конкурсе «Инженер года – 2014» где получил звание лауреата, диплом и медаль победителя №15-2536.

Внедрение результатов исследований. Получено заключение от АО «Казанский Гипронииавиапром» и ООО «Метрополис» о том, что результаты научного исследования внедрены в проекты зданий и сооружений. Результаты исследований использованы в учебном процессе для спецкурса «Современные методы расчета

конструкций», при выполнении работ бакалавров

железобетонных и каменных диссертаций магистров.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных и общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 185 страницах, включающих: 156 страниц основного текста, 71 рисунок, 37 таблиц, список литературы из 116 наименований, 7 приложений.

Автор выражает благодарность за советы и поддержку коллективу кафедры, в особенности за консультации д.т.н., проф. Б.С. Соколову и научному руководителю к.т.н., доценту Г.П. Никитину.

Исследования трещиностойкости оголовков колонн, выполненные ранее другими авторами

Изучением прочности и трещиностойкости железобетонных колонн в стыках занимались многие ученые, такие как Б.М. Гладышев, В.А. Червонобаба, И.С. Ульбиева, А.П. Васильев, А.И. Мордич и др. Проведенные ими эксперименты выявили, что возникновение продольных трещин оголовках ж.б. колонн возможно при нагрузках меньше их нормативной несущей способности. Эти наблюдения были опубликованы в работах [9], [17], [41], [87], [110] и являются важным дополнением к главе 4 представленной работы. В текущем разделе приведены их основные результаты.

1.3.1 Исследования Б.М. Гладышева и В.А. Червонобабы

Б.М. Гладышев в 60-х гг. прошлого столетия провел ряд исследований [17] с целью создания методики расчета оголовков ж.б. колонн по образованию трещин.

На рисунке 1.12 представлены две расчетные схемы опытных образцов (фрагментов колонн), составленные им [17] при исследовании.

Для схемы 1, автор отмечает наличие плоского НДС. Во втором случае (схема 3) имеет место пространственное НДС. В обоих вариантах разрушение происходит по вертикальным плоскостям отрыва, но во втором случае разрушение может происходить по двум перпендикулярным плоскостям, и как следствие, проверяются оба эти сечения. Несущую способность элемента и усилие образования трещин автор определяет по выражениям таблицы 1.2.

Экспериментами установлено, что разрушение образцов происходит в результате разрыва. Продольная трещина образуется в зоне наибольших поперечных растягивающих напряжений на расстоянии (0.25 0.5)a от плоскости загружения, а затем быстро распространяется в обе стороны в продольном направлении. Результаты испытаний представлены в таблице на рисунке 1.13.

Для представленной диссертации по результатам этих испытаний (рисунок 1.13) составлены зависимости в виде графиков «fisw-Ncrc- Nult-Nult)CHllTl», где переменным фактором является процент косвенного армирования (/ sw). Графики представлены на рисунке 1.14.

В своей работе Б.М. Гладышев так же опирался на результаты исследований зоны местного сжатия оголовков, выполненные В.А. Червонобабой в 1959 г. [91], [92]. Результаты испытаний представлены в таблице на рисунке 1.15. Расчетная схема опытных образцов этих исследований изображена на рисунке 1.16.

Анализ исследований Б.М. Гладышева и В.А. Червонобабы. В результате выполненных исследований было установлено, что при нагружении в оголовке колонны в поперечном направлении действуют растягивающие напряжения, имеющие наибольшие значения по среднему продольному сечению. Разрушение элементов наступает от раскалывания по плоскости продольного сечения, параллельной действию силы. Косвенная арматура совместно с бетоном воспринимает поперечные растягивающие усилия. Опыты показали, что с увеличением нагрузки, растягивающие напряжения достигают предела прочности бетона при растяжении, и затем появляется вертикальная трещина. Этот момент принимается за основу расчета по образованию трещин. После появления в бетоне продольных трещин, растягивающие усилия полностью передаются на поперечную арматуру. Разрушение элемента начинается в сжатой зоне вблизи штампа, примерно у границы зоны поперечных сжимающих напряжений по высоте элемента. Наблюдается пропорциональность между разрушающей нагрузкой и прочностью бетона на растяжение.

Из приведенных зависимостей (рисунки 1.14, 1.17) видно, что во всех опытных образцах усилие образования трещин ниже, чем предельная разрушающая сила и нормативная несущая способность [74].

Анализ работы показал, что в методике Б.М. Гладышева и В.А. Червонобабы приводятся формулы (таблица 1.2), основанные на коэффициентах, полученных опытным путем. Усилие образования трещин зависит от класса стали, что не согласуется с исследованиями, выполненными в главах 2 и 3 данной диссертации. Методика не даёт предложений по определению ширины раскрытия трещины в промежутке от момента её образования и до потери несущей способности. Не учитывается эксцентриситет приложения сжимающей силы.

Выводы по работам Б.М .Гладышева и В.А. Червонобабы.

1) Обозначена необходимость внедрения в нормы расчета по образованию трещин для зоны местного сжатия (смятия);

2) Созданы выражения для расчета оголовков ж.б. колонн по образованию трещин, однако, они получены эмпирическим методом через подбор коэффициентов по линейной зависимости;

3) Продольная трещина в колонне под площадкой смятия образуется и развивается от поперечных растягивающих напряжений;

4) После появления в бетоне продольных трещин растягивающие усилия воспринимаются поперечной арматурой;

5) Разрушение начинается в поперечном сечении, расположенном от торца колонны примерно на расстоянии размера грузовой площадки в плане; 6) При узкой, вытянутой по сечению колонны грузовой площадке, НДС рассматривается как плоское. При прямоугольной площадке, расположенной внутри поперечного сечения колонны, имеет место пространственное НДС.

А.П. Васильев, Н.Г. Матков и М.М. Мирмуминов в 80-х гг. прошлого столетия в работе [9], при исследовании местного сжатия в колоннах, так же обратили внимание на то, что нормативные методы расчета не корректны для ряда случаев передачи нагрузки на оголовок. В ходе исследования получены две модели для расчета оголовков по прочности и образованию трещин: модель клина и модель обоймы. Соответствующие расчетные схемы приведены на рисунке 1.18.

Несущую способность оголовка и усилие образования трещин для каждого случая, автор определяет по выражениям, приведенным в таблице 1.3.

В работе [9] были получены ценные данные о трещиностойкости, деформативности и характере разрушения оголовков под нагрузкой. Было испытано 40 колонн сечением 4040 см, длиной 120 см из бетонов марок М300 и М600. Продольная арматура состояла из четырех стрежней диаметром 16 мм А-III. Для стержней сеток поперечного армирования применялась сталь диаметром 6 и 10 мм. При испытании нагрузка передавалась через центрирующие прокладки размерами 1010 и 1515 см. Схема опытного образца приведена на рисунке 1.19а. На рисунке 1.19б,в представлены зависимости деформаций бетона под грузовой площадкой от сжимающей силы в виде графиков.

Результаты испытаний представлены в таблице на рисунке 1.20. По этим данным для представленной диссертации составлены зависимости в виде графиков «фактор - JVcrc – Nult - NultiCHnn», где переменным фактором является процент косвенного армирования. Графики представлены на рисунке 1.21.

Анализ исследований М.М. Мирмуминова, А.П. Васильева и Н.Г. Маткова . Первые трещины появлялись по торцам и развивались от углов прокладки к углам торца колонны. С увеличением нагрузки, образовались трещины по боковым граням колонн в верхней зоне, где происходила концентрация напряжений. Дальнейшее повышение нагрузки вызывало заметное вдавливание центрирующей прокладки и раскрытие трещин как по торцам, так и по боковым граням колонн. Разрушение характеризовалось раскалыванием бетона по концам колонн и резким вдавливанием прокладки, передающей нагрузку. Разрушение наступало при достижении стержнями сеток текучести или вследствие нарушения их анкеровки из-за смятия или выкалывания бетона. К моменту исчерпания несущей способности сжатых элементов максимальная величина деформаций смятия достигала 4 – 6 мм. К моменту разрушения, во многих стержнях сеток напряжения соответствовали пределу текучести стали. На конце колонны был выявлен характерный распор «клина». По высоте «клина» сетки работают неравномерно. Наиболее интенсивно они растягиваются в верхней части. В отдельных случаях, первые трещины по торцам появлялись при нагрузке, меньшей расчетной прочности. После замоноличивания стыка, при передаче усилия по всей поверхности торцов, трещины с увеличением нагрузки не развивались.

Из приведенных зависимостей (рисунок 1.21б) видно, что в некоторых опытных образцах усилие образования трещин ниже, чем фактическая разрушающая сила и нормативная несущая способность [74].

Исследование НДС оголовков колонн в момент образования и раскрытия трещин от действия вертикальной нагрузки

Исследования по образованию и раскрытию трещин в оголовках ж.б. колон при местном сжатии выполняются, основываясь на положениях ТССАМС (раздел 2.1) с применением НДМ (раздел 2.2). На рисунке 2.5 приведены модели, иллюстрирующие эти теории.

Разрушение бетона по ТССАМС (рисунок 2.2) происходит от преодоления сопротивлений бетона отрыву, сдвигу и раздавливанию. Согласно моделям, представленным на рисунках 2.5а,б,г, предполагается, что первая трещина в оголовке появляется под острием клина, возникновение боковых трещин по площадкам отрыва вторично. Расчетное расстояние между трещинами (зона эффективной работы косвенной арматуры) принимается между площадками отрыва (ls=aef). Это подтверждается экспериментами различных авторов [77], [79], [95], [103]. Согласно НДМ (раздел 2.2) разрушение элемента происходит после достижения предельных поперечных деформаций в бетоне зоны отрыва (&«)).

Горизонтальная арматура (сетки косвенного армирования) до образования вертикальных трещин будет работать совместно с бетоном и частично воспринимать растягивающие усилия. После образования вертикальных трещин, растягивающие напряжения в большей степени передадутся на арматуру. Диаграммы состояния бетона и стали приведены на рисунке 2.5в. (Примечание:, в тех случаях, когда расчетные выражения или диаграммы необходимо оценить численно, в них подставляются характеристики [81] бетона класса В25 и косвенной арматуры А240).

Под действием вертикальной сжимающей силы в образце возникают продольные и поперечные деформации, схематично изображенные на рисунке 2.6.

Согласно [115] (п. 1.3.4) и [33], [34] трещины образуются не одновременно, если даже напряженное состояние является однородным. Сначала образуется трещина по одной из площадок, на которой бетон по какой-либо причине является ослабленным. Это позволило предположить, что на диаграмме поперечного деформирования расчетного сечения, еще до разрушения, может быть определена некоторая точка (рис. 2а), которая будет соответствовать моменту образования трещин (подобный подход рассмотрен в [29]). Поперечные деформации бетона оголовка колонны под нагрузкой могут быть представлены на рисунке 2.7 в виде диаграммы «obt — bt)V» (символ «» здесь условно обозначает действие внутренних сил в поперечном направлении).

Работа оголовка под нагрузкой может быть разбита на три стадии:

- Стадия 1. Стадия совместной и упругой работы бетона и арматуры. На рисунке 2.7 она соответствует участку «obtl — fotijV» (положение «obtl — bti,v» известно по [81]).

- Стадия 2. Стадия упруго-пластичной работы. В конце неё, при значениях «Gbt,x bt,x,v» (символ «х» условно обозначает неизвестную величину в данном исследовании), возникают первые трещины в растянутой зоне. Эта точка на графике соответствует внешнему прикладываемому усилию образования трещин (Ncrc). Одной из задач исследований ставится её определение при последующем уточнении численными и экспериментальными исследованиями.

- Стадия 3. Соответствует работе оголовка ж.б. колонны с развивающимися трещинами. Оголовок продолжает воспринимать возрастающую нагрузку за счет наличия косвенной арматуры и участков бетона без трещин. Трещины развиваются при увеличении растягивающих напряжений в косвенной арматуре, вплоть до полного выключения из работы бетона в растянутой зоне. На рисунке 2.7 конец этой стадии соответствует участку «cbtQ — :„.» btov» (положение «0-bto известно по [81]) при предельной сжимающей силе Nmax.

Диаграмма поперечного деформирования получена из диаграммы сжатия с использованием коэффициента поперечных деформаций (vb;P). Диаграмма сдвига так же выводится из диаграммы сжатия по формулам сопротивления материалов [83]. Т.к. указанные диаграммы взаимосвязаны, то одновременно в зонах сдвига и раздавливания возникает НДС, схожее с рассмотренным на рисунке 2.7. Учитывая сказанное, для создания методики расчета оголовка колонны по образованию и раскрытию трещин, необходимо решить следующие задачи

При этом, согласно работам [2], [18], [33], [86], перед разрушением коэффициент vb,P достигает значения =0.5. Подобный подход использован в [18]. Из (2.3) и диаграммы состояния бетона (рисунок 2.8) поперечные деформации бетона (для В25), при кратковременном действии нагрузок, для соответствующих стадий НДС (рисунок 2.7), имеют следующие величины (рисунок 2.9)

На момент образования трещин, напряжения в арматуре составляют, при кратковременном воздействии от 14.8 до 200 МПа (от 51.8 до 340 МПа - при длительном), поэтому сетки косвенного армирования целесообразно выполнять из арматуры класса А240 (oSW,Ult = Rsn = 240 МПа). Применение других классов арматуры (В500, А400, А500) целесообразно, если в стыке, условиями эксплуатации, допускается раскрытие трещин. Расчетное сопротивление этой арматуры значительно выше напряжения при трещинообразовании.

На рисунке 2.9 диаграмма поперечного деформирования бетона построена с vb,p, где vbp=0.2 в упругой стадии и vb,P=0.5

Для решения Задачи 1, точка «rbt,х - bt,х,v» определяется из отношения объема (усеченной пирамиды - рисунок 2.11а) эпюры напряжений упруго-пластичной работы (начало стадии №3 - рисунок 2.7), к объему (призмы -рисунок 2.11б) эпюры напряжений в предельном состоянии (конец стадии №3 -рисунок 2.7). Эпюра упруго-пластичной работы разработана на основании её зависимости (предложенной Залесовым А.С [29]) от ключевых точек на диаграмме деформирования (рисунок 2.10а). Положение максимальных поперечных деформаций, необходимых для построения эпюры, находится на глубине Lloc от поверхности приложения сжимающей силы согласно [77]. Эпюра зоны отрыва в предельном состоянии принимается по положениям ТССАМС [79]. На рисунке 2.10 приведены эпюры напряжений и деформаций построенные для стадий №2 и №3 (рисунок 2.8) с учетом сказанного выше и работ [29], [77], [79], [81], [30]. Представленная расчетная модель проверяется и уточняется при выполнении численных и экспериментальных исследований.

Общий вывод по результатам решения поставленных Задач 1-4.

На основании изложенного выше, для оголовка ж.б. колонны в контактном стыке при осевом сжатии, можно сделать следующие выводы:

1) Получено выражение (2.25) для определения усилия образования вертикальных трещин Ncrc;

2) Получено расчетное выражение (2.28) для определения несущей способности оголовка iVmax, дополняющее исследование [44];

3) Установлено, что проверку оголовка по ширине раскрытия трещин от действия фактической силы местного сжатия Мфакт следует производить для двух взаимосвязных условий:

- ширина раскрытия трещин асгс, определяемая по (2.37) не должна превышать нормативных значений (acrc [acrcult]);

- напряжение в косвенной арматуре, определенное по выражению (2.38), не должно превышать нормативного предела текучести стали (asw Rsn).

Сжимающее усилие Ncrc ulu удовлетворяющее этому требованию, определяется по (2.39)

4) Расчетная модель стыка, для исследования его по трещиностойкости, принимается по рисунку 2.15. Она основана на модели разрушения, разработанной при исследовании прочности контактных стыков в [44], [75], [77]. Все геометрические характеристики модели (длина, ширина, площадь и сопротивления расчетных зон, угол наклона клина) определяются по положениям ТССАМС [79] (раздел 2.1).

Программа и планирование эксперимента

Для проведения эксперимента изготовлено 12 опытных образцов в виде оголовков колонн, разделенных на 4 серии по 3 шт. в каждой. Все опытные образцы выполнены одновременно из бетона одного замеса. При бетонировании отобраны контрольные образцы в количестве 9-ти штук (кубы и призмы). Программа проведения эксперимента разделена на две части:

1) Испытание контрольных образцов (кубы и призмы) – шт. 9 (п.4.2.1);

2) Испытание опытных образцов (оголовки колонн) – шт. 12 (п.4.2.2). Общая характеристика испытаний приведена в таблице 4.1

Для определения прочностных и деформативных характеристик бетона, в соответствии с требованиями [20] и [21], изготовлено 9 контрольных образцов, из одного замеса с опытными, в виде:

– кубов 101010 см – шт. 3 (маркировка – К1.1, К1.2, К1.3);

– кубов 151515 см – шт. 3 (маркировка – К2.1, К2.2, К2.3);

– призм 101040 см – шт. 3 (маркировка – П1, П2, П3).

Испытания контрольных образцов проводятся согласно требованиям [20], [21] на прессе ИПС-200. Методика работы с данным оборудование изложена в инструкции [32].

Кубы предназначены для определения фактической прочности бетона. Вид кубов до и после испытании показан на рисунке 4.1.

Кубы нагружаются до разрушения при постоянной скорости нарастания нагрузки 0,5 МПа/с. Прочность бетона в серии из 3-х трех образцов определяется 107 как среднеарифметическое значение прочности двух образцов с наибольшей прочностью.

Фактическая прочность бетона на растяжение определяется с использованием коэффициента перехода К по [20] и проверяется табличными данными свода правил [81].

Испытания контрольных образцов в виде призм предназначены для определения призменной прочности (Rb), коэффициента Пуассона () и модуля упругости бетона (Eb). Испытания проводились на том же прессе, в соответствии с требованиями [21]. Коэффициент Пуассона () определяется через отношение поперечных (ftt) и продольных (єь) деформаций, возникающих при сжатии призмы. Схемы расположения приборов для измерения деформаций, а так же вид призмы при испытании представлены на рисунке 4.2.

Призмы нагружаются ступенями до уровня нагрузки, равного 40% от разрушающего. Ступень равна 10% ожидаемой разрушающей нагрузки. Скорость нагружения в пределах каждой ступени - 0,5 МПа/с.

Еъ и определены при уровне нагрузки, составляющей 30% от разрушающей.

Кроме разрушающего контроля, использовался неразрушающий контроль с использованием поверенных приборов: молотка Шмидта «Original Schmidt» и измерителя прочности материалов "ИПС-МГ4.03 - ООО «СКБ Стройприбор».

Результаты испытаний контрольных образцов приведены в пункте 4.3.1.

Образцы изготовлены из одного замеса на строительной площадке при возведении 19-ти этажного общежития для Энергетического Университета в г.Казани. Бетонная смесь В25 на площадку доставлена в миксере с завода изготовителя. Бетонирование велось в опалубке из многослойной фанеры. Вид на опытные образцы в опалубочной форме приведен на рисунке 4.3.

Образцы, в количестве 12-ти штук, представляют собой фрагменты колонн (оголовки), усиленные сетками косвенного армирования в зоне смятия. Группа разделена на 4 серии. Каждая серия состоит из трех опытных образцов одинакового поперечного сечения. Образцы серий 13 отличаются друг от друга размерами поперечного сечения и положением грузовой площадки: по центральной оси; на краю и на углу. Образцы 4-й серии (базовые) выполнены одинаковыми, с осевым расположение грузовой площадки. Характеристики опытных образцов приведены в таблице 4.2. Рабочие чертежи образцов приведены в Приложении 6.

В данной работе так же учитывались результаты испытаний бетонных образцов, принятые по работе A.S.Williams в [115] (п. 1.3.4).

Все образцы имеют поперечную (косвенную) и продольную арматуру, соответственно 06А24О и 016А4ОО. Грузовая площадка для серий 1-3 - 10x10 см, для серии 4 - 20x20 см. Высота образцов определена из условия выравнивания сжимающих напряжений в поперечном сечении по мере удаления от грузовой площадки (определена при численном моделировании). Информационная схема программы физического эксперимента приведена на рисунке 4.3. Для определения фактических свойств материала, из партии бетонной смеси изготовлены контрольные образцы в виде кубов и призм (п. 4.2.1).

Размеры образцов и их армирование назначены по результатам численных и теоретических исследований. При осевом сжатии, для грузовой площадки ЮхЮсм, колонны сечением 25x25 и 40x40 см будут являться соответственно нижним и верхним пределом области данного исследования. Предполагается, что в колонне сечением 25x25 см отношение усилий Ncrc/Nult СП, будет минимальным, а в колонне 40x40 см - максимальным. Косвенное армирование оголовков назначено по конструктивным требованиям [81]: с максимальными размерами шага сеток (s) и стержней (c). При увеличении косвенного армирования разница между Ncrc и NultСП, согласно результатам численных исследований, увеличится, что позволит повысить наглядность эксперимента. В численных исследованиях, отношение геометрических размеров базового образца 4-й серии, показало наибольшую асгс при наименьшем соотношении Ncrc/ NultСП. Согласно рекомендациям [19], [62], нагружение опытных образцов проводится ступенями, равными 0.1 от разрушающей нагрузки Nult, до величины 0.5Nult или до величины Ncrc (Nult и Ncrc приняты по главе 3), и далее через 0.05Nuit до разрушения. Время выдержки на каждой ступени составляет 10 мин.

Испытания образцов выполнялись на тарированном гидравлическом прессе ИПС-200. Деформации фиксировались индикаторами часового типа ГОСТ 577-68. Для фиксации образования и раскрытия трещин использовался микроскоп Elcometer 900 с ценой деления 0.02 мм и специальная линейка Elcometer 143. Для определения длины трещин и границ зоны их образования использована тарированная стальная линейка. Проверка вертикального положения и соосность с прессом осуществлялась отвесом по меткам. Схема размещения измерительных приборов изображена на рисунке 4.4. На рисунке 4.5 приведен вид образца №2.4 при испытании.