Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. направление дальнейших исследований 11
1.1. Высокопрочный бетон 11
I 1.1.1. Общие сведения 11
I 1.1.2. Прочностные свойства высокопрочного бетона
1.1.3. Деформативные свойства высокопрочного бетона при сжатии 16
I 1.2. Фибробетон 22
I 1.2.1. Общие сведения
1.2.2. Прочностные свойства фибробетона :
1.2.3. Трещиностойкость фибробетона 26
1.2.4. Сцепление стальной фибры с бетонной матрицей 29
1.3. Высокопрочный бетон, армированный стальными фибрами 32
1.4. Применение высокопрочной арматуры в сжатых элементах без предварительного напряжения 34
1.5. Экспериментально-теоретические исследования прочности внецентренно сжатых элементов из высокопрочного бетона 37
1.6. Выводы 42
Глава 2. Экспериментальные исследования фибробетонных элементов при сжатии .44
2.1 Материалы и технология изготовления опытных образцов 44
2.2 Испытания на сжатие бетонных призм, армированных стальными фибрами
2.2.1. Приборы и оборудование
2.2.2. Проведение испытаний 49
2.2.3. Разрушение образцов 50
2.3 Результаты испытаний 53
2.4 Выводы з
Глава 3. Экспериментальные исследования сжатых элементов, армированных высокопрочной арматурой и стальными фибрами 66
3.1.. Технология изготовления опытных образцов .66
3.2. Подготовка образцов к испытаниям и методика испытаний 70
3.3. Физико-механические характеристики материалов 75
3.4. Характер разрушения опытных образцов при внецентренном сжатии с относительно малыми эксцентриситетами 77
3.4.1. Железобетонные колонны 77
3.4.2. Фиброжелезобетонные образцы 79
3.5. Характер разрушения опытных образцов при внецентренном сжатии с относительно большими эксцентриситетами 83
3.5.1. Железобетонные колонны 83
3.5.2. Фиброжелезобетонные образцы 84
3.6. Результаты испытаний опытных образцов при внецентренном сжатии с относительно малыми эксцентриситетами 85
3.7. Результаты испытаний опытных образцов при внецентренном сжатии с относительно большими эксцентриситетами 96
3.8. Выводы 99
Глава 4. Расчет внецентренно сжатых элементов из высокопрочного бетона, армированных г высокопрочной арматурой и стальной фиброй 101
4.1. Моделирование микротрещинообразования фибробетона методами механики разрушения 101
4.2. Расчетная модель разрушения внецентренно сжатого элемента армированного стальными фибрами и высокопрочной арматурой при действии сжимающего усилия с малым эксцентриситетом 112
4.3. Коэффициенты полноты эпюры напряжений (со) и равнодействующей усилий сжатого бетона ф) 116
4.4. Напряжения в арматуре (А) наиболее удаленной от точки приложения усилия 117
4.5. Относительная высота сжатой зоны фибробетона (#) 120
4.6. Расчетная модель разрушения внецентренно сжатого элемента, армированного стальными фибрами и высокопрочной арматурой при действии сжимающего усилия с большим эксцентриситетом 122
4.7. Расчет элементов по образованию трещин нормальных к продольной оси элемента 124
4.8. Расчет элементов по раскрытию трещин нормальных к продольной оси элемента 1 4.8.1. Расстояние между трещинами 128
4.8.2. Ширина раскрытия трещин 128
4.9. Сравнение опытных и теоретических значений 130
4.9.1. Внецентренно сжатые колонны с относительно малым эксцентриситетом приложения продольного усилия 130
4.9.2. Внецентренно сжатые колонны с относительно большим эксцентриситетом приложения продольного усилия 132
4.10. Выводы 134
5. Основные результаты и выводы 135
Список использованной литературы
- Деформативные свойства высокопрочного бетона при сжатии
- Испытания на сжатие бетонных призм, армированных стальными фибрами
- Физико-механические характеристики материалов
- Напряжения в арматуре (А) наиболее удаленной от точки приложения усилия
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В связи с постоянной тенденцией в мировой строительной практике к увеличению этажности возводимых зданий и габаритов сооружений при одновременном стремлении к снижению материалоемкости строительных конструкций, возникает необходимость их дальнейшего совершенствования. Развитие железобетонных конструкций возможно как по пути эффективного использования в них высокопрочных бетонов и сталей, так и поиска более рационального сочетания этих материалов.
В современном строительстве наблюдается тенденция к применению высокопрочных бетонов (ВПБ) в сочетании с высокопрочной арматурой. Рационально комбинируя эти материалы, можно более полно использовать их свойства.
Крупный заполнитель принято считать одним из основных компонентов бетона, но для многих бетонных центров щебень является дальнепривозным материалом, что обуславливает удорожание конечной продукции. В данной диссертации исследуется работа фиброжелезобетонных элементов из мелкозернистого бетона.
Известно, что с повышением прочности бетона растет и его хрупкость, снижаются пластические свойства, появляется опасность хрупкого разрушения материала.
При расчете прочности сжатых железобетонных элементов согласно нормативной литературе, расчетное сопротивление сжатию арматурных стержней принимается исходя из предельной сжимаемости бетона, которая равна – при кратковременном действии нагрузки и – при длительном. Из этого следует, что применение арматуры с расчетным сопротивлением более 500МПа становится не целесообразно в сжатых элементах без каких-либо дополнительных мероприятий.
Одним из способов решения данных проблем является дисперсное армирование бетона, в том числе стальными фибрами, способное обеспечить улучшение механических характеристик материала: повысить прочность на растяжение, увеличить предельную сжимаемость, трещиностойкость, ударопрочность и т.д. Кроме того, повышается эксплуатационная надежность конструкций, в том числе в условиях действия агрессивных сред, появляется возможность сокращения рабочих сечений конструкций, уменьшение расхода рабочей и конструктивной арматуры и др.
Стальные фибры в отличие от арматуры в железобетоне, действуют на бетонную матрицу на гораздо большем объеме, затрудняя развитие в ней трещин. Фибры, пронизывая бетонную матрицу способны адсорбировать упругую энергию, и процесс разрушения становится более энергоемким. Очевидно, что в этом случае фибровое армирование будет полезно для предотвращения прогрессирующего обрушения зданий.
Использование высокопрочной стержневой арматуры в железобетонных колоннах малоэффективно, поскольку предельные сжимающие напряжения в продольной арматуре не достигают даже условного предела текучести, не говоря уже о более высоких напряжениях, из-за ограниченной предельной сжимаемости бетона. Повышение эффективности применения такой арматуры в сжатой зоне элементов достигается применением дисперсного армирования.
Степень разработанности проблемы. Исследованиями особенностей технологии изготовления, проектирования состава в области бетонов повышенных классов, а также исследованиями, связанными с оценкой прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов при кратковременном и длительном воздействии нагрузки занимались такие ученные как: А.Г. Азизов, А.А. Гвоздев, О.Я. Берг, А.П. Васильев, Ю.М. Баженов, К.Е. Таль, И.Н. Ахвердов, А.Б. Голышев, В.М. Бондаренко, С.В. Бондаренко, И.И. Улицкий, Г.Н. Писанко, В.А. Беликов, Б.Г. Скрамтаев, Л.П. Русанова, Н.И. Карпенко, С.И. Меркулов, Е.И. Гамаюнов, В.И. Колчунов, Вл. И. Колчунов, С.С. Каприелов, Л.Р. Маилян, Р.Л. Маилян, А.С. Залесов, Д.Р. Маилян, В.И. Сытник, А.Л. Морин, В.Б. Цейлон, В.Ф. Захаров, Н.В. Свиридов, О.Г. Кумпяка, Е.Н. Щербаков, М.Н. Малько, Б.Я. Рискинд, Е.А. Чистякова, Н.Г. Матков и др.
Первые предложения по применению бетона, армированного волокнами, были сделаны русским инженером В.П. Некрасовым еще в 1907 г. В 1909 г. В.П. Некрасов получил первый в мире патент на сталефибробетонную конструкцию. Ему также принадлежат и первые теоретические разработки.
Планомерные исследования фибробетона и конструкций из него получили развитие лишь во второй половине прошлого столетия благодаря работам Л.Г. Курбатова, И.А. Лобанова, Ф.И. Рабиновича, В.П. Романова, В.П. Вылегжанина, Ю.И. Ермилова, Ю.В. Пухаренко, А.Н. Куликова, Г.Г. Степановой, Б.А. Крылова, В.Д. Харлаба, В.В. Чернова, И.В. Волкова, В.В. Шугаева, В.А. Котляревского, К.В. Талантовой, В.М. Косарева, В.С. Демьяновой, Р.Л. Маиляна, Л.Р. Маиляна, G.P. Romualdi, G.B. Batson, E. Hognestud, M.I. Snyder, и др.
Экспериментальные исследования применения высокопрочной арматуры в сжатых элементах без предварительного напряжения различных ученых: А.П. Кусакина, Б.Я. Рискинда, Е.А. Чистякова, В.Г. Щелкунова, А.Д. Дербуша, А.П. Васильева, Л.К. Лукша, Л.Р. Маиляна, Д.Р. Маиляна, К.Э. Таля, Н.Г. Матко и др. во второй половине 20го века показали принципиальную возможность эффективного применения высокопрочной арматурной стали в сжатых элементах.
Вместе с тем ряд вопросов, касающийся работы бетона, армированного стальными фибрами, в сжатых элементах с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения не изучены. Выполненный обзор литературы не дает возможности создать обоснованную методику расчета таких элементов. Отсутствуют теоретические выкладки по расчету высокопрочных фибробетонов при внецентренном сжатии.
Основная научная гипотеза работы заключается в том, что использование армирования в виде стальных фибр повышает предельную сжимаемость бетона, в том числе мелкозернистого, повышает вязкость разрушения и таким образом создает предпосылки для эффективного использования высокопрочной арматуры в сжатых элементах.
Цель работы: экспериментально-теоретическое обоснование эффективного использования высокопрочной арматуры в сочетании с фибровым армированием в сжатых элементах из мелкозернистого бетона при кратковременном нагружении.
Объектом исследования являются короткие сжатые элементы из мелкозернистого бетона повышенной прочности, армированного высокопрочной арматурой и стальной фиброй при кратковременном загружении.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
экспериментальные исследования влияния вида и процента фибрового армирование на изменение прочностных и деформативных характеристик образцов из высокопрочного бетона (прочность на сжатие и растяжение, предельная сжимаемость, начальный модуль упругости);
экспериментальная проверка возможности применения высокопрочной арматуры в сжатых элементах без предварительного напряжения с полным расчетным сопротивлением;
разработка методики расчетной оценки прочности и трещиностойкости сжатых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
выявлено влияние процента армирования и вида фибры на прочностные и деформативные характеристики тяжелого бетона;
доказана возможность эффективного использования высокопрочной арматуры без предварительного напряжения в коротких сжатых элементах, армированных стальной фиброй при кратковременном нагружении;
получены новые экспериментальные данные о сопротивлении внецентренному сжатию фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой;
разработана модель, основанная на методах механики разрушения, качественно описывающая процессы микротрещинообразования в дисперсно-армированном бетоне;
разработана расчетная модель сжатого фиброжелезобетонного элемента с высокопрочной арматурой.
Практическое значение и реализация полученных результатов. На основании выполненных исследований предложена модель расчетной оценки прочности и трещиностойкости внецентренно сжатых элементов из фибробетона, армированных высокопрочной арматурой без предварительного напряжения. Предложенный расчетный аппарат может быть использован при проектировании сжатых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения. Результаты работы использованы при проектировании объекта: «Многоквартирный 9-ти этажный жилой дом со встроено-пристроенными помещениями соцкультбыта и торговли, расположенный по адресу: г. Абакан, ул. Ленина 62, а также приняты для дальнейшего использования на объекте «Детский сад на 260 мест в п. Усть-Абакан» и проектировании и изготовлении опытной серии колонн на заводе ЗАО «Экспериментальный завод», г. Санкт-Петербург. Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГАСУ при изучении студентами строительных специальностей и магистрами направления «Строительство» курса «Железобетонные и каменные конструкции» и специального курса.
Достоверность результатов исследований.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается применением стандартных методик испытаний, использованием лабораторного метрологически аттестованного испытательного оборудования и измерительных приборов, применением общепринятых гипотез и допущений, удовлетворительным согласием результатов эксперимента и теоретических исследований, а также сопоставлением с работами других авторов.
Апробация и публикация работы:
Основные положения диссертационной работы доложены на 63 международной научно-технической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010), 64 и 68 научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета СПбГАСУ (Санкт-Петербург 2007, 2011); на XII конкурсе, научно-технических разработок и научно-исследовательских проектов «Молодые. Дерзкие. Перспективные» при поддержке Правительства Санкт-Петербурга и Комитета по науке и высшей школе Санкт-Петербурга, а также доложены на конференции в рамках исследований и оптимизаций эксплуатационных характеристик новых энергоэффективных и энергосберегающих строительных материалов и конструкций в условиях террористической угрозы, глобального роста интенсивности аварийно опасных геофизических и климатических процессов на базе научно-образовательных центров МГСУ в 2009 году. Отдельные результаты исследований были получены в рамках НИИР Российской академии архитектуры и строительных наук по теме «Железобетонные конструкции с направленным поверхностно-дисперсным армированием (технология и методы их расчета)», раздел 2.4 (2009-2011гг.). Основные положения диссертации опубликованы в 8-ми печатных работах.
Автор выражает глубокую благодарность член. корр. РААСН д.т.н. проф. Ю.В. Пухаренко за консультации по вопросам технологии изготовления фиброжелезобетонных конструкций.
Структура и объем диссертации.
Деформативные свойства высокопрочного бетона при сжатии
Применение высокопрочного бетона (ВПБ) является важным фактором совершенствования железобетонных конструкций. С повышением класса прочности бетона масса многих несущих конструкций может быть снижена, при этом сократится материалоемкость, трудоемкость и стоимость строительства. Наибольший эффект от применения высокопрочного бетона достигается в сжатых элементах конструкций, в которых наиболее полно используется прочность бетона. В последние годы во всех технически развитых странах расширяется применение бетона прочностью на сжатие выше 40 МПа, что позволяет существенно снизить материалоемкость и повысить долговечность конструкций зданий и сооружений по сравнению с конструкциями из обычного бетона прочностью 20-30 МПа [24, 28, 30, 45, 153].
В различных национальных и международных нормах и кодексах высокопрочные бетоны представлены следующим образом [129]; норвежские нормы N8 3473: до класса В105 включительно, что приблизительно эквивалентно маркам М 1200 - М 1300; шведские нормы: до класса В75 включительно, что приблизительно эквивалентно маркам М 900 - М 1000; японские нормы: до класса В80 включительно, что приблизительно эквивалентно маркам М 1000; - британские нормы В8 8110: до класса С(80) В(80) включительно; - новый европейский стандарт EN206 «Бетоны» указывает максимальный класс тяжелого бетона - С115, легкого - С80. В России согласно ГОСТу 26633-9 Максимальный класс бетона по прочности на сжатие В80, хотя известно о применении более высоких классов. Нормативные документы, предназначенные для проектирования конструкций, предусматривают максимальный класс бетона по прочности на сжатие В60.
Американские нормы АС1 318 не содержат указаний по верхним границам прочности. Но именно в Америке отмечается наибольшая практика применения высокопрочного бетона. В России опыт применения высокопрочного бетона пока существенно меньше. Средние прочности применяемых бетонов вдвое ниже, чем в США, и на 30-50% ниже, чем в Европейских странах. Эффективные конструкции из ВПБ составляют в Росси 0,5% от общего объема, в США более 1,0% от общего объема, в Норвегии - более 10% [44].
Существуют, в основном, две точки зрения на определение границы между обычными и высокопрочными бетонами. Согласно первой, высокопрочными следует называть бетоны, предел прочности которых больше, чем у применяемого в нем цемента, а согласно второй - бетоны, прочности которых превышают принятые в действующих нормативных документах. Устанавливать четкую границу не имеет смысла, любое разделение является условным. С учетом современных тенденций промышленного и гражданского строительства будем условно понимать под высокопрочными бетонами бетоны, предел прочности при сжатии которых в проектном возрасте составляет 40 МПа и выше.
Исследованиями особенностей технологии изготовления, проектирования составов бетонов повышенных классов, а также исследованиями, связанными с оценкой прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов при кратковременном и длительном воздействии нагрузки занимались такие ученные как: О.Я. Берг [14, 15], А.П. Васильев [19, 151], Ю.М. Баженов [6, 7, 8, 9], И.Н. Ахвердов [4], В.М. Бондарнко [10, 11, 12], СВ. Бондаренко [11], Г.Н. Писанко [119, 120, 121, 122, 123], В.А. Беликов [13, 151], Б.Г. Скрамтаев [155], Л.П. Русанова [17, 151], Н.И. Карпенко [54, 55], В.И. Колчунов [57, 58], Вл. И. Колчунов [15, 59], С.С. Каприелов [51, 52, 53], Л.Р. Маилян [93, 94, 95], Р.Л. Маилян [94, 98, 180], Д.Р. Маилян [96, 97, 181], В.И. Сытник [161, 162], А.Л. Морин [105, 139], В.Б. Цейлон [171], А.И. Заикин [43], Н.В. Свиридов [50, 152, 153], Е.Н. Щербаков [15, 119], В.В. Шугаев [108, 213, 214, 215, 216], М.Н. Малько [99] и другие исследователи.
Прочность бетона зависит, преимущественно, от прочности цементного камня, которая в свою очередь - от активности цемента, величины водоцемент-ного отношения и пр. [8].
Кроме того, на несущую способность сжатого элемента из бетона высокой прочности существенно влияет величина эксцентриситета приложения нагрузки. У обычных бетонов влияние эксцентриситета значительно меньше, благодаря их пластичности [2, 43]. При действии сжимающих нагрузок в начальной стадии работы, бетон деформируется почти упруго, но с ростом нагрузки появляются неупругие деформации. При достижении определенного предела бетон разрушается. Разрушения образца из высокопрочного бетона при сжатии носит «взрывной» хрупкий характер. Данную особенность норвежские исследователи объясняют тем, что ползучесть ВПБ на 25% меньше, чем у обычного бетона. В некоторых случаях, разница достигает 50-57%, а длительная прочность ВПБ составляет 80-85 % его кратковременной прочности [61].
Сопротивление бетона осевому растяжению значительно меньше, чем сопротивление сжатию, и характеризуется сцеплением его составляющих. С увеличением класса прочности бетона возрастает временное сопротивление бетона на растяжение. Однако рост прочности на осевое растяжение замедляется по мере увеличения класса бетона [11, 123, 151, 160].
Испытания на сжатие бетонных призм, армированных стальными фибрами
Контрольные призмы 1-КГТ25 разрушались постепенно. Вертикальные трещины образовались по большей части в средней зоне образца. По мере приближения к опорным плитам пресса трещины имели наклонных характер. Общий вид представлен на рисунке 2.4.а.
Призмы с содержанием фибр 1% (1-ФП25-1) разрушались с появлением как вертикальных, так и наклонных трещин (рис. 2.4.6). Заканчивалось разрушение раздроблением бетона средней части. При увеличении фибрового содержания до 2-3% (2-ФП25-2, 3-ФП25-3) разрушение происходило по наклонным площадкам (рис. 2.4.в).
Образцы из высокопрочного бетона (1-КП, 2-КП, 3-КП) разрушались мгновенно, без каких-либо предшествующих характерных признаков. После достижения разрушающей нагрузки раздавался «хлопок», и образец раскалывался на несколько значительных кусков по вертикальным линиям, которые становились наклонными по мере приближения к опорным плитам пресса (рис. 2.4.Г).
Добавление фибр меняло характер разрушения образцов (1-ФП-1, 2-ФП-2, З-ФП-3) мало зависящий от их количества (рис. 2.4.д). При достижении разрушающей нагрузки раздавался «хлопок», происходило высвобождение упругой энергии, образовывалась магистральная трещина, но образец оставался единым целым. В работу активно включались фибры, которые пронизывали трещину с их вытягиванием из тела бетона. Разрушение происходило в большинстве случаев по наклонным площадкам, образец, как бы, набухал. Сам процесс длился 1-3 минуты с падением нагрузки до 0,3-0,5 от разрушающей.
Характер разрушения образцов из мелкозернистого бетона, серий С-4, С-5, С-6, был подобен образцам серий С-1, С-2, С-3. Разрушение было мгновенным, в момент достижения разрушающей нагрузки происходило раскалывание образца на несколько частей. В средней части образовывались магистральные вертикальные трещины, которые становились наклонными по мере приближения к торцам образца (рис. 2.5). Общий вид дисперсно армированных образцов представлен на рис. 2.5. Магистральная трещина имела наклонный вид. Разрушение сопровождалось характерным потрескиванием, обусловленным выдергиванием фибр из тела бетона. Процесс разрущения длился 1-3 минуты с падением нагрузки до 0,3-0,4 от разрушающей.
Разрушение по наклонным площадкам фибробетонных образцов также отмечалось в [69, 113]. Обработанные результаты испытания по всем образцам приведены в таблице 2.3. Из таблицы 2.3 видно, что прироста кубиковой и призменной прочности в бетонных образцах при введении стальных фибр не наблюдается. Образцы из мелкозернистого фибробетона показали чуть более высокое увеличение прочности при введение фибр по сравнению с образцами серий С-1, С-2, С-3. В противовес различным исследователям, которые указывают, что при введении фибры прочность на сжатие возрастает на 20% и выше, в нашем случае это можно объяснить следующим; эффективность фибрового армирования тем выше, чем ниже прочность самой матрицы, т.е. введение фибры в высокопрочные бетоны, с улучшенной структурой не приведет к значительному повышению прочностных характеристик по сравнению с бетонами рядовой прочности. Например, если предположить, что матрица по прочности приближается к прочности стали, тогда введение стальных фибр не повлияет на изменение прочности всего образца.
Это также подтверждается теоретическими расчетами, выполненными по [158]. При одинаковых параметрах армирования, размеров образцов, и различных классов бетона, можно показать не пропорциональное увеличение прочности фибробетона на сжатие Rfi(pnc. 2.6). Для класса В20 эффективность фибрового армирования (А) составляет 65%, в то время, как для В60 - всего 34%. На график (рис. 2.6) также нанесены результаты эксперимента и аппроксимирующая кривая. Видно, что с ростом прочности бетона уменьшается и эффективность фибрового армирования.
Наиболее показательно это можно видеть на образцах В25 (средняя прочность). Так при ju = 2% наибольший прирост прочности составил 20% (для призм). При этом наблюдается тенденция уменьшения влияния фибры на все показатели с дальнейшим увеличением процента армирования.
При проценте армирования фиброй juf =3% (серия С-3) образец становился «перенасыщенным» фиброй, это сказалось на сложностях при изготовления образцов, а также на незначительное снижение всех прочностных и деформа-тивных показателей. Это соответствует участку DE на рисунке 1.2.
Подобные результаты получены и для образцов из мелкозернистого бетона серий С-4, С-5, С-6. Наибольший прирост прочности показали образцы серии С-5 при fif=2%. Дальнейшее увеличение количества фибр приводило к снижению всех показателей.
Результаты испытаний позволили определить коэффициент перехода от кубиковой к призменной прочности (Кпто):
Испытания показали, что введение стальных фибр в бетон с крупным заполнителем снижает модуль упругости (Е ), что подтверждается результатами испытаний других исследователей Ал. В. Шиловым [180], Ан. В. Шиловым [181], Г.Г. Степановой [159], А.Н. Куликовым [69], Э.К. Опбулом [ИЗ], на бетонах обычных марок. Введение фибр в образцы из мелкозернистого бетона, обладающего повышенной деформативностью [142, 166], показало увеличение модуля упругости на 6 - 14%. Также это объясняется отсутствием щебня в образцах. Добавка щебня до 25% от веса сухих компонентов снижает эффективность фибрового армирования (прочность, трещиностойкость), однако увеличивает жесткость образца и облегчает процесс перемешивания фибр [69, 85].
В соответствии с результатами других исследователей (рис. 2.7) можно отметить, что общая тенденция увеличения модуля упругости с ростом прочности бетона сохраняется и для фибробетона.
Физико-механические характеристики материалов
Внедрение в практику проектирования фиброжелезобетонных колонн из высокопрочных материалов требует создания метода расчета, отражающего особенности поведения бетона и арматуры в сечении под нагрузкой и позволяющего получать экономичные решения. Однако существующие экспериментальные исследования не дают достаточного количества данных для достоверной оценки методов расчета и оценки напряженно-деформированного состояния таких конструкций. В связи с этим возникла необходимость в экспериментально-теоретических исследованиях прочности и трещиностойкости фиброжелезобетонных коротких сжатых элементов с высокопрочной продольной арматурой.
Целью эксперимента является исследования фиброжелезобетонных сжатых элементов с высокопрочной арматурой и получение данных для разработки методики расчета прочности и трещиностойкости внецентренно сжатых элементов с большими и малыми эксцентриситетами.
Изготовление и испытание опытных образцов проводилось в лабораториях СПбГАСУ. На основании исследований, проведенных в главе 2, состав бетонной смеси, вид и процент фибрового армирования был принят аналогично образцам серии С-5. Расход материалов на 1 мо приведен в Приложении 1. Характеристики фибр представлены в Приложении 2.
Бетонная смесь приготавливалась в смесителе принудительного действия объемом 20л. Формование каждого образца осуществлялось за три этапа. Ун 67 лотнение смеси производилось глубинным вибратором ИВ-35. Образцы формовались в сборной металлической форме, предварительно смазанной маслом, что обеспечивало точность геометрических размеров.
Последовательность введения компонентов принималась следующая: в смеситель загружались песок с цементом, далее микронаполнитель (известняковая мука), вода с суперпластификатором (FK-63) и затем фибра.
Опытные образцы на внецентренное сжатие с малыми эксцентриситетами представляли собой колонны прямоугольного сечения 200x200 мм и высотой 1000 мм. В качестве продольной рабочей арматуры использовались четыре стержня диаметром 12 мм, изготовленные из высокопрочной термически упроченной стержневой арматуры класса Ат800 с пределом прочности 1000 МПа. Поперечное армирование выполнялось стержнями 05, расположенными с шагом 150 мм из арматуры В500. По торцам каркасы усиливались четырьмя сетками из проволоки 05 с ячейками 40x40 мм. По торцам колонн устанавливались металлические распределительные пластины толщиной 10 мм.
Армирование и геометрические размеры железобетонных и фиброже-лезобетонных образцов представлены на рисунке 3.1. Общий вид арматурного каркаса перед формованием образца представлен на рисунке 3.2. арматурного каркаса Опытные образцы для исследования на виецентренное сжатие с относительно большими эксцентриситетами представляли собой колонны прямоугольного сечения 120x100 мм высотой 1000 мм. В качестве продольной арма-туры в сжатой зоне применялись 2 стержня диамезром 12 мм из стержневой арматуры класса Ат800. Армирование растянутой зоны осуществлялось 2 стержнями диаметром 5 мм арматурой класса Вр1200. Армирование и геометрические размеры железобетонных и фиброжелезобстонных образцов представлены на рисунке 3.3.
Распалубка осуществлялась на 7 сутки. Образцы хранились 28 суток в помещении с температурой 20...25С. Для предотвращения потери влаги открытые поверхности покрывались влажной ветошью и полиэтиленом.
Для определения прочностных и деформативных свойств бетона одновременно изготавливались контрольные образцы - кубы (100x100x100 мм) и образцы-призмы (100x100x400 мм). 3.2. Подготовка образцов к испытаниям и методика испытаний
Для измерения продольных деформаций бетона использовались тензометры Аистова с базой 200 мм, а также электротензодатчики с базой 50 мм и 20 мм. Установка тензодатчиков производилась известным способом; поверхность предварительно выравнивалась цементным молочком, после затвердевания она зачищалась, тонким слоем наносился клей БФ-2, после его высыхания повторно наносился клей и приклеивался датчика. Схема расстановки измерительных приборов приведена на рисунке развертки колонны (рис. 3.4).
Л сторона 456 7 89 3 456 7 Рис. 3.4. Схема расстановки измерительных приборов 1 - тензометр Аистова; 2 - тензодатчик.
Испытания внецентренно сжатых с относительно малыми эксцентриситетами колонн производились на 500-тонном прессе. Эксцентриситет приложения нагрузки принимался равным ед = 0 см (центральное сжатие), е0 = 2 см, е0 = 4 см и е0 = 6 см. Передача нагрузки на колонну происходила с помощью специальных металлических оголовников, расположенных на верхнем и нижнем торцах колонны (рис. З.5.). Конструкция оголовника позволяла создать в колонне заданный эксцентриситет.
Напряжения в арматуре (А) наиболее удаленной от точки приложения усилия
В материале имеются дефекты, которые могут служить источниками концентрации напряжений. От этих источников возникают трещины. В случае линейного механизма разрушения количественные результаты, оценивающие поведение трещины, получают методами линейной упругости, принимая во внимание деформацию и прочность материала, соответствующие разрушению от образования трещины.
Критерии начала распространения трещины в механике разрушения могут быть получены как на основе энергетического, так и силового подхода. Энергетический подход был предложен А.А. Гриффитсом [194], согласно которому, развитие трещины происходит тогда, когда освободившаяся часть энергии деформации оказывается больше приращения поверхностной энергии, необходимой для образования новой поверхности трещины.
Силовой подход был сформулирован Дж. Р. Ирвином [200] с помощью коэффициента интенсивности напряжений К, (КИН), который характеризует интенсивность поля напряжений у вершины трещины. Критерий формулирует 102 ся следующим образом: трещина начнет распространяться в том случае, если коэффициент интенсивности напряжений достигнет критического для данного материала значения (Кіс).
Несмотря на то, что исторически первым критерием механики разрушения был предложенный А.А. Гриффитсом энергетический подход, наиболее широкое распространение в инженерных приложениях получили силовые подходы, связанные с использованием введенного Дж. Р. Ирвином понятия коэффициента интенсивности напряжений.
Трещиностойкость - важнейшая из характеристик композиционного материала, в том числе и фибробетона. В обычном бетоне и дисперсно армированных бетона распространение трещин протекает по-разному. Чтобы трещина могла распространиться в фибробетоне, ей необходимо преодолевать преграды в виде армирующих волокон. На преодоление каждой преграды необходимо затратить энергию, поэтому, преодолев одну преграду и сразу же наткнувшись на следующую преграду, распространение трещины может погаситься. Волокна в бетоне являются ингибитором распространения трещин [130].
Качественная оценка влияния армирования на трещинообразование с помощью теории трещин была сделана в [107]. Расчетная модель представляет собой периодически армированную пластину с микротрещиной (рис. 4.1 б.). Усилия приложены на бесконечности. Сцепление арматуры с бетоном абсолютное. Решение, полученное М. Isido с помощью рядов Лорана [101] приведено на рисунке 4.1.
На рисунке 4.1 показано, что с увеличением жесткости арматуры и с уменьшением ее шага (т.е. увеличением дисперсности армирования) КИН уменьшается. Следовательно, усилие трещинообразования согласно критерию Ирвина будет возрастать [107].
Решим задачу об определении напряжений, при которых микротрещина начнет продвигаться. В основе задачи лежит модель развития трещины в пластине подкрепленной ребрами жесткости, предложенной В.З. Партоном и Е.А.Морозовым [117].
Рассмотрим схему, приведенную на рисунке 4.2. Бетонная пластина, имеет начальную микротрещину, расположенную между фибровыми волокнами, под действием сжимающей нагрузки (М). Поперечные деформации, возникающие при этом в элементе, моделируются поперечно приложенными растягивающими усилиями Р0.
Похожие диссертации на Внецентренно сжатые элементы из фибробетона, армированные высокопрочной арматурой
