Влияет ли поперечная арматура на прочность нормального сечения изгибаемого элемента
К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой.
Исследование деформативных свойств балок, имеющих стеклопластиковую и комбинированную арматуру, выполнялось на тех же опытных образцах, что и при изучении прочностных свойств элементов с композитной арматурой. При этом, как и ранее, в качестве эталонных были приняты железобетонные балки с обычной стальной арматурой. Конструкция опытных образцов, их армирование и характеристика используемых материалов приведены в работе [1], размещенной на страницах настоящего электронного журнала «Инженерный вестник Дона», №4 за 2012 год.
Балки загружались двумя сосредоточенными силами, приложенными в третях расчетного пролета балок и равного 160 см. Испытания проводилось ступенчато-возрастающей нагрузкой интенсивностью 4; 8 и 16 кН. Первый уровень нагрузки прикладывался трижды, затем следовал этап с нагрузкой 8 и далее по 16 кН до уровня ориентировочно равного 0,8 от предполагаемой величины разрушающей нагрузки- Nult.
Указанные нагрузки прикладывались через образцовый динамометр с максимальным усилием 500 кН непосредственно на траверсу. Таким образом, величина силы на приопорных участках составляла около 1/20 и 1/10 от величины Nult соответственно до и после образования трещин. Интенсивность нагрузки контролировалось по индикатору часового типа с ценой деления 0,01, установленного на динамометре, что соответствовало согласно тарировочной таблицы усилию, практически равному, 1кН.
Замеры деформаций выполнялись так же с помощью индикаторов часового типа с аналогичной ценой деления, которые были расположены по осям опор, осям приложения усилий и в середине пролета. Отсчеты с приборов снимались на каждом этапе дважды-сразу после загружения и после выдержки под нагрузкой, которая составляла 7-10 минут. Все отсчеты и характер поведения балок заносились в журнал испытаний.
Поведение опытных балок под нагрузкой изменялось в зависимости от следующих факторов: наличия или отсутствия нормальных и наклонных трещин; вида арматуры- стальной, стеклопластиковой или комбинированной; уровня загружения и напряжений в арматуре.
Первые нормальные трещины во всех балках появились при достаточно близкой нагрузке N=7,8÷8,5кН. Второй этап их появления соответствовал нагрузке 9,5÷11 кН. В дальнейшем, до появления наклонных трещин, шло развитие только нормальных трещин, появившихся на первых этапах загружения. Момент появления трещин фиксировался визуально с использованием ацетоновой пробы и далее уточнялся по показаниям динамометра и других приборов, установленных на образцах. Подробнее об этом- в статье [1].
Деформативность балок резко увеличивалась сразу после появления нормальных или наклонных трещин; при напряжениях в стальной арматуре близких или равных пределу текучести, а в композитной- составляющих 500 и более МПа.
Приращение деформаций в балках с комбинированным армированием находилось в зависимости от процента замещения стальной арматуры на стеклопластиковую. Это связанно с тем, что количество трещин, а следовательно и их шаг в зоне чистого изгиба напрямую зависят от модуля упругости стеклопластиковой арматуры, которой в наших опытах составлял 5,5 . 10 4 вместо 2 . 10 5 МПа для стальной арматуры, т.е. в 3,63 раза ниже.
В балках, где стальная арматура полностью замещена на композитную, шаг нормальных трещин был вдвое меньше по сравнению железобетонными балками и составлял около 50мм. При этом ширина их раскрытия была близка к раскрытию трещин эталонных балок, шаг трещин у которых был в двое больше.
Первоначальная обработка результатов экспериментов, выполненная по журналам испытания всех балок, представлена в табл. 1. В указанной таблице на этапе, предшествующем разрушающему, приведены опытные значения прогибов балок после выдержки их под нагрузкой и их средине значение по каждой серии опытных образцов.
Из табл. 1 видно, что с увеличением процента композитного армирования, опытные значения прогибов балок резко увеличиваются и при 100% замене стальной арматуры на стеклопластиковую в 2,5 раза превышают прогибы эталонных образцов. Данный факт свидетельствует о том, что значение предельной прочности балок со стеклопластиковой арматурой , которая всего на 20% ниже эталонных, согласно [1], не является определяющей при общей оценке несущей способности балок с исследуемой композитной арматурой.
Расчет прочности элементов по наклонным сечениям
На приопорных участках под действием поперечной силы и изгибающего момента в сечениях, наклонных к продольной оси элемента, развиваются напряженно-деформированные состояния, как и в нормальных сечениях.
Главные растягивающие и главные сжимающие напряжения действуют под углом к оси (рис. 36).
Рис. 36. Линии главных сжимающих и растягивающих напряжений.
Если главные растягивающие напряжения превысят сопротивление бетона растяжению Rbt, возникают наклонные трещины. Растягивающие усилия в наклонной трещине передаются на арматуру. При дальнейшем увеличении нагрузки наклонные трещины раскрываются, напряжения в арматуре доходят до предела текучести и происходит разрушение элемента вследствие раздробления бетона над вершиной наклонной трещины (рис. 37).
Рис. 37. Схема разрушения элемента
По наклонному сечению.
Разрушение изгибаемого элемента по наклонному сечению происходит по одному из трех возможных случаев:
1. Раздробление бетона наклонной сжатой полосы между наклонными трещинами (рис. 38). Происходит при малой ширине сечения, когда главные сжимающие напряжения превышают расчетное сопротивление бетона сжатию Rb.
Экспериментально установлено, что прочность железобетонных элементов по наклонной полосе между наклонными трещинами обеспечена, если соблюдается условие:
Если условие не соблюдается, необходимо увеличить размеры сечения или повысить класс бетона.
2. Сдвиг по наклонному сечению от действия поперечной силы (рис. 39).
Образование наклонной трещины происходит при .
При разрушении происходит взаимное смещение частей элемента по вертикали.
Расчет прочности наклонных сечений на действие поперечной силы производят в обязательном порядке.
Если касательные напряжения не достигают максимального значения, наклонные трещины не образуются.
Т.е. если , поперечная арматура ставится конструктивно.
3. Излом по наклонному сечению от действия изгибающего момента (рис. 40).
Под воздействием изгибающего момента главные растягивающие напряжения начинают превышать сопротивление растяжению , образуются наклонные трещины с максимальным раскрытием в растянутой зоне. Бетон растянутой зоны выключается из работы и все растягивающие усилия передаются на арматуру. Происходит взаимный поворот частей элемента относительно точки М (рис. 40). При слабом заанкеривании арматура выдергивается, при хорошем – сжатая зона бетона сокращается по высоте и разрушается.
Расчет прочности по наклонным сечениям на действие поперечной силы элементов с поперечной арматурой (рис. 41).
Прочность элемента по наклонному сечению на действие поперечной силы элементов с поперечной арматурой обеспечивается условием:
где Q – поперечная сила от внешней нагрузки, расположенной по одну сторону от рассматриваемого наклонного сечения;
Qb – поперечное усилие, воспринимаемое бетоном, определяется по формуле:
где: - коэффициент, учитывающий влияние вида бетона (для тяжелого бетона );
- коэффициент, учитывающий влияние сжатых полок в тавровых и двутавровых элементах, определяется по формуле: , где ;
- коэффициент, учитывающий влияние продольных сил (учет влияния предварительно-напряженной арматуры), определяется по формуле: .
Значение во всех случаях принимается не более 1,5.
- коэффициент, учитывающий влияние вида бетона (для тяжелого бетона ).
Поперечные усилия и определяются как сумма проекций на нормаль к продольной оси элемента предельных усилий соответственно в хомутах и отгибах, пересекающих опасную наклонную трещину.
Железобетонные элементы редко армируются отгибами, поэтому в частном случае можно принять равным нулю.
Для элементов с поперечной арматурой в виде хомутов, нормальных к продольной оси элемента и имеющих постоянных шаг s в пределах рассматриваемого наклонного сечения, значение с0 соответствует минимуму выражения , определяемому по формуле:
где qsw – усилие в хомутах на единицу длины элемента, определяется по формуле: , при этом для хомутов, устанавливаемых по расчету, должно удовлетворяться условие: .
Для таких элементов значение определяется по формуле:
Конструктивные требования по армированию поперечными стержнями.
Поперечная арматура в балочных и плитных конструкциях, устанавливается:
- на приопорных участках длиной 1/4пролета (в зоне максимальной поперечной силы):
при h > 450 мм. . . . . . . . . . . . . . . . . . не более h/3 и не более 500 мм;
- на остальной части пролета. . . . . . . . . . . . не более 3h/4 и не более 500 мм.
Расчет прочности по наклонным сечениям на действие поперечной силы элементов без поперечной арматуры.
Прочность элемента по наклонному сечению на действие поперечной силы элементов без поперечной арматуры обеспечивается условием:
Анализ факторов влияния на расчет железобетонных балок с ненапрягаемой арматурой действия поперечной силы
Ключевые слова: железобетонная балка, поперечная сила, факторы.
Построение общей расчетной модели, адекватно описывающей сопротивление конструкции действию среза в комбинации с изгибом и продольными усилиями, является одной из сложных задач теории железобетона. Метод расчета, принятый в действующих российских нормах, имеет ряд недостатков. Для правильного выполнения расчета необходимо знать закономерности процессов образования трещин и разрушения, а также факторы, которые влияют на несущую способность, напряженно-деформированное состояние и внутренние усилия, действующие в наклонных сечениях. Основную информацию обо всем перечисленном дает анализ результатов экспериментов [2].
Общий характер образования трещин иразрушения конструкций взоне действия поперечных сил
При постепенном загружении нормальные трещины образуются сначала в зоне чистого изгиба, затем в зоне совместного действия изгибающих моментов поперечных сил — в так называемом пролете среза балки. По мере возрастания нагрузки они развиваются следующим образом: в зоне чистого изгиба — не изменяя первоначального направления; в пролете среза — отклоняясь в сторону приложения сосредоточенной силы и постепенно переходя в наклонные. На определенном этапе загружения образуется второй вид наклонных трещин — в середине высоты сечения балки над существующими нормальными трещинами либо в зоне, где их нет. При постепенном увеличении нагрузки наклонные трещины развиваются по направлению к сжатой и растянутой граням балки, одна из них — критическая, раскрывается интенсивнее, в дальнейшем по ней будет происходить разрушение. Существуют две основные формы разрушения балок по наклонной трещине: первая — характеризуется мгновенным раскрытием наклонной трещины с последующим разрушением сжатого бетона над ее крайней точкой от опоры — разрушение по сжатой зоне; вторая — мгновенным раскрытием наклонной трещины с учетом текучести продольной арматуры или исчерпания прочности анкеровки арматуры за опорой — по растянутой зоне. В обоих случаях напряжения в поперечной арматуре достигают состояния текучести.
Факторы, влияющие на характер трещинообразования, разрушения инесущую способность
Современный уровень развития методов расчета позволяет учесть все факторы, влияющие на несущую способность и их взаимодействие в различных случаях. Основываясь на данных экспериментов, некоторые факторы, оказывающие наибольшее влияние на несущую способность условно разделены на две группы: первая — факторы от внешнего воздействия, такие как условие опирания и схема загружения, вид и режим действия поперечной нагрузки, факторы окружающей среды; вторая — конструктивные факторы — поперечное и продольное армирование, геометрия поперечного сечения элемента, класс бетона, условия анкеровки арматуры, ее сцепление с бетоном и т. д. [1,с.54–56]
К факторам внешнего воздействия относят следующее: вид приложенной поперечной нагрузки — сосредоточенная или равномерно распределенная; режим действия нагрузки — статическая, динамическая или многократно повторяющаяся; силовые факторы, действующие совместно с поперечными силами,- изгибающие и крутящие моменты, продольные силы; факторы влияния окружающей среды — высокие значения положительных и отрицательных температур, а также агрессивное действие воды. [1, с.54–56]
Загружение сосредоточенными силами — наиболее распространенный вид фактического загружения свободно опертой балки. Определяющий параметр — расстояние от опоры до точки приложения нагрузки, или пролет среза, длина которого существенно влияет на характер трещинообразования, форму разрушения и несущую способность балки. Таким образом, длина пролета среза, которую принято относить к рабочей высоте h0 определяет соотношение между максимальными значениями изгибающего момента и поперечной силы, действующими в сечениях балки (a/h0 = M/Qh0).
Загружение равномерно распределенной нагрузкой не вносит принципиальных изменений в описанные закономерности процессов трещинообразования и разрушения при действии на элемент сосредоточенных сил. Вследствие того, что при загружении равномерно распределенной нагрузкой поперечные силы действуют по всей длине балки, большинство нормальных трещин по мере развития отклоняются к середине пролета и постепенно переходят в наклонные. Наклон их возрастает с увеличением поперечной силы — от середины пролета к опоре.
В целом зависимость несущей способности от l/h0 носит такой же характер, как и в случае загружения сосредоточенными силами от a/h0, сохраняя общую тенденцию уменьшения несущей способности с увеличением l/h0 и переходом в дальнейшем к разрушению по нормальному сечению.
К конструктивным факторам, оказывающим существенное влияние на несущую способность при действии поперечных сил, оказывают: интенсивность поперечного армирования; прочность (класс) бетона; размеры и форма поперечного сечения; продольное армирование; анкеровка и сцепление продольной арматуры с бетоном; предварительное напряжение. С увеличением интенсивности поперечного армирования, диаметра поперечных стержней, уменьшением их шага или повышением прочности арматуры несущая способность повышается существенно (в 1,5. 2 раза) по сравнению с несущей способностью элементов без поперечного армирования.
При разрушении элемента по наклонной трещине от раздробления или среза бетона сжатой зоны, рост несущей способности элемента в целом существенно отстает от роста прочности элемента на осевое растяжение Rbt, т. е. превалирующее влияние оказывает прочность бетона на растяжение.
Также стоит учесть возможность разрушения по растянутой зоне за наклонной трещиной при недостаточной анкеровке продольной арматуры у свободных краев консольных элементов, а также при обрыве продольной арматуры в пролете или у промежуточных опор неразрезных элементов. При частичном обрыве продольной арматуры в пролете разрушение по растянутой зоне может наступить в критической наклонной трещине, проходящей через конец обрываемого стержня, в результате текучести продольной арматуры и последующего раздробления бетона над наклонной трещиной.
Таким образом, с увеличением длины обрываемого стержня и приближением его конца к опоре несущая способность элемента увеличивается до тех пор, пока не произойдет переход к другой форме разрушения — по сжатой зоне над наклонной трещиной или по нормальному сечению.
1. Кодыш Э. Н., Никитин И..К., Трекин Н. Н. Расчет железобетонных конструкций из тяжелого бетона по прочности, трещиностойкости и деформациям. — Монография. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010.
2. Баширов Х. З., Клюева Н. В., Дородных А. А. Основные результаты экспериментальных исследований ширины раскрытия трещин железобетонных составных конструкций по наклонным сечениям // Научный вестник Воронежского ГАСУ. 2013. № 2 (30).
Изгибаемые элементы. Характер разрушения.
Наиболее распространенные изгибаемые элементы железобетонных конструкций—плиты и балки. Плиты и балки могут быть однопролетными и многопролетными.
При изгибе любого элемента в нём возникает сжатая и растянутая зоны, изгибающий момент и поперечная сила. Изгибаемые железобетонные элементы, как правило, рассчитывают по прочности следующих видов сечений:
· 1.по нормальным сечениям — сечениям, перпендикулярным продольной оси, от действия изгибающего момента,
· 2.по наклонным сечениям — при действия поперечных сил (срез или раздавливание сжатой зоны бетона), по наклонной полосе между наклонными сечениями (трещинами), от действия момента в наклонном сечении.
Наиболее распространенные изгибаемые элементы железобетонных конструкций—плиты и балки. Плитами называют плоские элементы, толщина которых h значительно меньше длины 1 и ширины b. Балками называют линейные элементы, длина которых значительно больше поперечных размеров h и b. Из плит и балок образуют многие железобетонные конструкции, чаще других — плоские перекрытия и покрытия, сборные и монолитные, а также сборно-монолитные.
Плиты и балки могут быть однопролетными и многопролетными.
Плиты в монолитных конструкциях делают толщиной 50—100 мм, в сборных — возможно тоньше.
Армируют плиты сварными сетками. Сетки укладывают в плитах так, чтобы стержни их рабочей арматуры располагались вдоль пролета и воспринимали растягивающие усилия, возникающие в конструкции при изгибе под нагрузкой, в соответствии с эпюрами изгибающих моментов. Поэтому в пролетах плит сетки размещают понизу, а в многопролетных плитах — также и поверху над промежуточными опорами.
Стержни рабочей арматуры принимают диаметром 3—10 мм, располагают их на расстоянии (с шагом) 100—200 мм один от другого.
Защитный слой бетона для рабочей арматуры принимают не менее 10 мм, в особо толстых плитах (толще 100 мм) не менее 15 мм.
Поперечные стержни сеток (распределительную арматуру) устанавливают для обеспечения проектного положения рабочих стержней, уменьшения усадочных и температурных деформаций конструкций, распределения местного воздействия сосредоточенных нагрузок на большую площадь. Поперечные стержни принимают меньшего диаметра общим сечением не менее 10 °/о сечения рабочей арматуры, поставленной в месте наибольшего изгибающего момента; размещают их с шагом 250—300 мм, но не реже чем через 350 мм.
Железобетонные балки могут быть прямоугольного, таврового, двутаврового, трапециевидного сечения.
Рассмотрим для примера однопролетную железобетонную балку, свободно лежащую на двух опорах, симметрично загруженную двумя сосредоточенными силами. Участок балки между грузами находится в условиях чистого изгиба; в его пределах действует только изгибающий момент М, поперечная же сила равна нулю. На определенной ступени загружения в бетоне растянутой зоны этого участка образуются нормальные трещины, т. е. направленные перпендикулярно продольной оси балки. На участках между опорой и грузом действуют одновременно изгибающий момент М и поперечная сила Q. Здесь образуются наклонные трещины.
В соответствии с этим прочность изгибаемых элементов рассчитывают как по нормальным, так и по наклонным сечениям.
Разрушение изгибаемых элементов по наклонному сечению происходит вследствие одновременного действия на него изгибающих моментов и поперечных сил. В соответствии с этим развиваются внутренние осевые усилия в арматуре, пересекаемой наклонной трещиной, а также усилия в бетоне сжатой зоны.
В расчетной схеме усилий предполагается, что на рассматриваемом участке балки внешние воздействия в виде изгибающего момента и поперечной силы, вычисленные от нагрузки и опорной реакции, уравновешиваются внутренними усилиями в продольной и поперечной арматуре и в бетоне, также выраженными соответственно в виде момента и поперечной силы обратного направления.
Поэтому расчет прочности элемента производят по наклонному сечению, совпадающему с разрушающей наклонной трещиной, по двум условиям: по поперечной силе и по изгибающему моменту.
При расположении нагрузки по высоте сечения наиболее опасное наклонное сечение проходит над местом приложения этой нагрузки.
Расчёт прочности по нормальным сечениям изгибаемых элементов прямоугольного профиля с одиночной и двайной арматурой.
К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой.
Исследование деформативных свойств балок, имеющих стеклопластиковую и комбинированную арматуру, выполнялось на тех же опытных образцах, что и при изучении прочностных свойств элементов с композитной арматурой. При этом, как и ранее, в качестве эталонных были приняты железобетонные балки с обычной стальной арматурой. Конструкция опытных образцов, их армирование и характеристика используемых материалов приведены в работе [1], размещенной на страницах настоящего электронного журнала «Инженерный вестник Дона», №4 за 2012 год.
Балки загружались двумя сосредоточенными силами, приложенными в третях расчетного пролета балок и равного 160 см. Испытания проводилось ступенчато-возрастающей нагрузкой интенсивностью 4; 8 и 16 кН. Первый уровень нагрузки прикладывался трижды, затем следовал этап с нагрузкой 8 и далее по 16 кН до уровня ориентировочно равного 0,8 от предполагаемой величины разрушающей нагрузки- Nult.
Указанные нагрузки прикладывались через образцовый динамометр с максимальным усилием 500 кН непосредственно на траверсу. Таким образом, величина силы на приопорных участках составляла около 1/20 и 1/10 от величины Nult соответственно до и после образования трещин. Интенсивность нагрузки контролировалось по индикатору часового типа с ценой деления 0,01, установленного на динамометре, что соответствовало согласно тарировочной таблицы усилию, практически равному, 1кН.
Замеры деформаций выполнялись так же с помощью индикаторов часового типа с аналогичной ценой деления, которые были расположены по осям опор, осям приложения усилий и в середине пролета. Отсчеты с приборов снимались на каждом этапе дважды-сразу после загружения и после выдержки под нагрузкой, которая составляла 7-10 минут. Все отсчеты и характер поведения балок заносились в журнал испытаний.
Поведение опытных балок под нагрузкой изменялось в зависимости от следующих факторов: наличия или отсутствия нормальных и наклонных трещин; вида арматуры- стальной, стеклопластиковой или комбинированной; уровня загружения и напряжений в арматуре.
Первые нормальные трещины во всех балках появились при достаточно близкой нагрузке N=7,8÷8,5кН. Второй этап их появления соответствовал нагрузке 9,5÷11 кН. В дальнейшем, до появления наклонных трещин, шло развитие только нормальных трещин, появившихся на первых этапах загружения. Момент появления трещин фиксировался визуально с использованием ацетоновой пробы и далее уточнялся по показаниям динамометра и других приборов, установленных на образцах. Подробнее об этом- в статье [1].
Деформативность балок резко увеличивалась сразу после появления нормальных или наклонных трещин; при напряжениях в стальной арматуре близких или равных пределу текучести, а в композитной- составляющих 500 и более МПа.
Приращение деформаций в балках с комбинированным армированием находилось в зависимости от процента замещения стальной арматуры на стеклопластиковую. Это связанно с тем, что количество трещин, а следовательно и их шаг в зоне чистого изгиба напрямую зависят от модуля упругости стеклопластиковой арматуры, которой в наших опытах составлял 5,5 . 10 4 вместо 2 . 10 5 МПа для стальной арматуры, т.е. в 3,63 раза ниже.
В балках, где стальная арматура полностью замещена на композитную, шаг нормальных трещин был вдвое меньше по сравнению железобетонными балками и составлял около 50мм. При этом ширина их раскрытия была близка к раскрытию трещин эталонных балок, шаг трещин у которых был в двое больше.
Первоначальная обработка результатов экспериментов, выполненная по журналам испытания всех балок, представлена в табл. 1. В указанной таблице на этапе, предшествующем разрушающему, приведены опытные значения прогибов балок после выдержки их под нагрузкой и их средине значение по каждой серии опытных образцов.
Из табл. 1 видно, что с увеличением процента композитного армирования, опытные значения прогибов балок резко увеличиваются и при 100% замене стальной арматуры на стеклопластиковую в 2,5 раза превышают прогибы эталонных образцов. Данный факт свидетельствует о том, что значение предельной прочности балок со стеклопластиковой арматурой , которая всего на 20% ниже эталонных, согласно [1], не является определяющей при общей оценке несущей способности балок с исследуемой композитной арматурой.
Прочность и деформативность изгибаемых элементов из тяжёлого бетона, армированных стеклопластиковой и стальной арматурой Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Хишмах Мерват, Маилян Дмитрий Рафаэлович, Польской Петр Петрович, Блягоз Алик Моссович
В статье рассматриваются вопросы, связанные с прочностью и деформативностью изгибаемых железобетонных элементов из тяжелого бетона класса В30, в которых стальная арматура полностью или частично заменена на стержневую стеклопластиковую. Установлено, что прочность нормальных сечений таких балок на 13-22 % ниже, а деформативность более чем в 2,5 раза выше по сравнению с обычными железобетонными . При этом существующая расчётная база существенно завышает несущую способность нормальных сечений балок со стеклопластиковой арматурой.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Хишмах Мерват, Маилян Дмитрий Рафаэлович, Польской Петр Петрович, Блягоз Алик Моссович
О влиянии стеклопластиковой арматуры на прочрость нормальных сечений изгибаемых элементов из тяжелого бетона К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой О прочности балок из тяжелого бетона при использовании стальной, углепластиковой и комбинированной арматуры, расположенной в два ряда О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры Экспериментальные исследования изгибаемых элементов с полимеркомпозитной арматурой i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы. i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.Durability and deformability of flexural elements of heavy concrete reinforced with fiberglass and steel bars
The article considers questions related to the strength and deformability of flexural concrete elements of heavy concrete of B30 class, in which steel reinforcement is completely or partially replaced by a fiberglass rod. It has been found that the strength of the normal sections of the beams is 13-22% lower, and the deformability of more than 2.5 times higher than of conventional concrete . In this case, the existing calculation base significantly overestimates the bearing capacity of normal cross beams with fiberglass reinforcement.
Текст научной работы на тему «Прочность и деформативность изгибаемых элементов из тяжёлого бетона, армированных стеклопластиковой и стальной арматурой»
Хишмах Мерват, соискатель Ростовского государственного строительного университета;
Маилян Дмитрий Рафаэлович, доктор технических наук, профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного
Польской Петр Петрович, кандидат технических наук, профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций Ростовского государственного строительного
ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ТЯЖЁЛОГО БЕТОНА, АРМИРОВАННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ И СТАЛЬНОЙ АРМАТУРОЙ
В статье рассматриваются вопросы, связанные с прочностью и деформативностью изгибаемых железобетонных элементов из тяжелого бетона класса В30, в которых стальная арматура полностью или частично заменена на стержневую стеклопластиковую. Установлено, что прочность нормальных сечений таких балок на 13-22 % ниже, а деформативность более чем в 2,5 раза выше по сравнению с обычными железобетонными. При этом существующая расчётная база существенно завышает несущую способность нормальных сечений балок со стеклопластиковой арматурой.
Ключевые слова: бетон, железобетон, сталь, стеклопластик, прочность, деформативность, прогиб, модуль упругости.
Khishmakh Mervat, seeker of FSBEIHPE “Rostov State Construction University”;
Mailyan Dmitry Rafaelovich, Doctor of Technical Sciences, professor of the Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures of FSBEI HPE “Rostov State Construction University”;
Polskoy Peter Petrovich, Candidate of Technical Sciences, professor of the Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures of FSBEI HPE “Rostov State Construction University”;
Blyagoz Alec Mossovich, Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the department of Construction and General Professional Disciplines of Maikop State Technological University, tel.: 89184205021, e-mail: alfa-maikop@yandex. ru.
DURABILITY AND DEFORMABILITY OF FLEXURAL ELEMENTS OF HEAVY CONCRETE REINFORCED WITH FIBERGLASS AND STEEL BARS
The article considers questions related to the strength and deformability of flexural concrete elements of heavy concrete of B30 class, in which steel reinforcement is completely or partially replaced by a fiberglass rod. It has been found that the strength of the normal sections of the beams is 13-22% lower, and the deformability of more than 2.5 times higher than of conventional concrete. In this case, the existing calculation base significantly overestimates the bearing capacity of normal cross beams with fiberglass reinforcement.
Keywords: concrete, reinforced concrete, steel, fiberglass, strength, deformability, deflection, modulus of elasticity.
В настоящей статье во исполнение программы [1] приводятся первые результаты исследования по прочности и деформативности опытных образцов, в которых стальная арматура, расположенная в один ряд, заменена на стеклопластиковую или комбинированную. При этом балки, армированные только стальной арматурой, приняты эталонными.
Балки испытывались в возрасте 10-11 месяцев и загружались двумя сосредоточенными силами, приложенными в третях расчетного пролета балок, равного 160 см. Испытания до разрушения проводились ступенчато-возрастающей нагрузкой интенсивностью 4; 8 и 16 кН. Выдержка на каждом этапе загружения составляла 7-10 минут, в течении которых дважды снимались показания с приборов. Первый уровень нагрузки прикладывался трижды, затем следовал этап с нагрузкой 8 и далее по 16 кН до уровня, ориентировочно равного 0,8 от предполагаемой величины разрушающей нагрузки - Nut. Далее до разрушения образца интенсивность нагрузки составляла 8 кН. Указанные нагрузки прикладывались через образцовый динамометр с максимальным усилием 500 кН непосредственно на траверсу. Таким образом, величина силы на приопорных участках составляла около 1/20 и 1/10 от величины Nuit, соответственно до и после образования трещин. Интенсивность нагрузки контролировалась по индикатору часового типа с ценой деления 0,01, установленного на динамометре. Для удобства проведения анализа на каждом этапе загружения с помощью тензорезисторов с базой 50 и 10 мм замерялись деформации сжатой грани бетона и рабочей арматуры. Датчики наклеивались в зоне чистого изгиба на бетон и на продольные ребра рабочей арматуры. Изменение деформаций фиксировалось при помощи автоматического измерителя деформаций. Замеры прогибов опытных балок выполнялись при помощи индикаторов часового типа с аналогичной ценой деления, которые были расположены по осям опор, осям приложения сосредоточенных нагрузок и в середине пролета. Отсчеты с индикаторов, так же как и с тензорезисторов, снимались на каждом этапе дважды-сразу после загружения и после выдержки под нагрузкой. Все отсчеты и характер поведения балок под нагрузкой заносились в журнал испытаний.
. goo . 533,3 . 533,3 . 533,3 . gpp .
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Рис. 1. Схема испытания и армирования опытных образцов: а - продольный разрез опытных балок, б - поперечные сечения опытных образцов по сериям I, II, III, IV
Примечание: Стержневая стеклопластиковая арматура условно названа ССПА. По западной терминологии сокращенное её название GFRP.
Проведенные испытания показали, что все опытные балки разрушились по нормальным сечениям по первому случаю разрушения. Началом разрушения балок I и III серии послужило достижение во всей стальной растянутой арматуре своих предельных деформаций, а балок II и III серий, у которых стальная арматура отсутствовала, либо составляла одну треть от ее суммарной площади, явились чрезмерные прогибы опытных образцов, значительно превышающие деформации эталонных балок.
Характер изменения относительных деформаций сжатого бетона и рабочей арматуры по показаниям тензорезисторов так же находился в зависимости от вида рабочей арматуры. Средние по трем образцам значения относительных деформаций в крайних сжатых волокнах бетона, на этапе предшествующем разрушению, превысили их среднее нормируемое значение и составили для железобетонных балок^ = 2,21 • 103 ,а для балок со стеклопластиковой арматурой - 2,52 • 103 или на
Относительные деформации в растянутой арматуре по сериям I, III и IV составили
^ = (3,41;3,05 и 3,28) 10 3, а для композитной арматуры по сериям II, III и IV -^ = (5,14;4,8 и 5,36) 10 3 соответственно.
Результаты проведенных испытаний балок по прочности, их первичная обработка и сопоставление приведены на гистограммах, рис. 2 и в табл. 1.
Рис. 2. Результаты испытания опытных балок, армированных стальной, стеклопластиковой и комбинированной арматурой
Примечание: Символом Мй 1 - обозначает несущая способность балок при расчёте по первой, табл.1, а М п - по второй группой предельных состояние.
Прямое сопоставление опытных данных (столбец 9 в табл. 1) показывает, что вид рабочей арматуры существенно влияет на несущую способность нормальных сечений. Предельная прочность балок армированных стеклопластиковой арматурой, которая в наших опытах в два раза прочнее стальной, в среднем на 20% ниже по сравнению с эталонными железобетонными балками.
Шифр балок Bs-1 1 Bs-2 | Bs-3 Bg-1 | Bg-2 | Bg-3 Bhg-1 1 Bhg-2 1 Bhg-3 Bhg-1 1 Bhg-2 1 Bhg-3
Серия опытных образцов I II III IV
Прочность бетона я Мпа Ьп 22,8 24,1 20,9 22,0
Армирование 3ф12А600 3ф12ССПА 1200 2ф12А600 1ф12 ССПА 1200 1ф12А600 2ф12 ССПА 1200
Норматив. сопрот., Мпа Я5п =600 =1200 Rsn =600 КП = 1200 ^п =600 ЯІ =1200 Лп
Таблица 1 - Сопоставление средней опытной и теоретической прочности балок, армированных стальной, стеклопластиковой и комбинированной арматурой
Серия балок Обозначение балок в серии Класс бетона В, Мпа Площадь арматуры, см2 Разрушающее усилие, КН.М. Отношение средних значений
Сталь As Композит A*f Превед. A AS ,red Опытное среднее M exp Теоретич. MUor M exp M,eor M exp M,eor
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
I Bs 31,2 3,39 - 3,39 38,0 38,32 1 0,991
II Bg 32,8 - 3,39 6,78 30,5 63,65 0,803 0,479
III Bhg-1 28,4 2,26 1,13 4,52 33,12 46,67 0,872 0,71
IV Bhg-2 29,8 1,13 2,26 5,65 29,67 55,05 0,781 0,539
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.Несущая способность балок, имеющих комбинированное армирование, зависит от процента стального армирования. Балки, имеющие один или два композитных стержня, показали предельную прочность соответственно на 13 и 22% ниже. Однако без учета предельно допустимых нормами прогибов балок, сопоставление предельных значений прочности не совсем корректно, т.к. модуль упругости для стеклопластиковой арматуры в 3,64 раза ниже, чем у стали.
Исследование деформативных свойств опытных образцов проводилось (как и их прочность) на основе прямого сопоставления прогибов балок, имеющих композитную арматуру, с эталонными образцами из железобетона. Первоначальная обработка результатов эксперимента выполнена по журналам испытания, на основе которых были построены графики зависимости прогибов балок от величины приложенной нагрузки N на каждом этапе загружения. На рис. 3 представлены средние значения прогибов балок по каждой серии образцов.
150 14-0 130 120 НО 100 90 80 70 60 SO 40 30
0123456789 Ю 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2! ^
Рис. 3. Средние значения прогибов балок со стальной (серия I), стеклопластиковой (серия II) и комбинированной (серии III и IV) арматурой
Из рис. 3 видно, что деформации балок, имеющих стеклопластиковую арматуру, резко увеличиваются после появления нормальных трещин. Уровень их дальнейшего приращения зависит от процента замещения стальной арматуры на композитную. При 100% замене стальной арматуры на стеклопластиковую, прогибы композитно армированных балок на этапах, предшествующих разрушающему, в среднем в 2,5 раза превышает деформации эталонных образцов. Данный факт свидетельствует, что 20% снижение предельной несущей способности балок, имеющих стеклопластиковую арматуру, не является определяющим фактором при окончательной оценке несущей способности балок с исследуемой композитной арматурой.
Для получения более достоверных данных о влиянии стеклопластиковой арматуры на прогибы опытных образцов, дополнительно был выполнен анализ их деформативности при
различных уровнях нагрузки, составляющих 0,3;0,6 и 0,8 от разрушающей. Для этой цели на основе построенных графиков зависимости приращения прогибов на каждом этапе загружения, были определены деформации балок при указанных уровнях нагрузки, средние значение которых приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Изменение средних прогибов опытных балок армированных стальной, стеклопластиковой и комбинированной арматурой при различных уровнях нагрузки
Серия образ- цов Обозначе ние балок в серии Класс бетона, МПа. Опытные средние значения прогибов балок по сериям feqp, (мм) при уровнях нагрузки, N /Nult Сопоставление средних значений прогибов балок с композитной арматурой с прогибами эталонных образцов при отношении N /Чи14
0,3 0,6 0,8 0,3 0,6 0,8
1 2 3 4 5 6 7 8 9
I Bs 31,2 1,84 4,35 6,36 1 1 1
II Bg 32,8 5,1 12,24 17,1 2,77 2,81 2,69
III Bhg-1 28,4 1,91 4,6 6,76 1,04 1,06 1,063
IV Bhg-2 29,8 2,75 6,05 10,75 1,49 1,39 1,69
Примечание: Символами N обозначена нагрузка, передаваемая непосредственно на траверсу через образцовый динамометр на разных этапах загружения; Дц - аналогичная нагрузка в момент разрушения балок.
Из указанной таблицы видно, что образцы, у которых в сечении расположено более 30% площади композитной арматуры, имеют во всем диапазоне нагрузок значительно большие по сравнению с эталонными балками прогибы.
Наиболее показательны деформации опытных образцов, где стальная арматура полностью заменена на композитную. Для этих конструкций при эксплуатационных уровнях нагрузки прогибы увеличиваются в 2,7-2,8 раза. Из этого следует, что при предельно допустимом относительном прогибе для обычных балок, равном 1/200 от величины пролета, (в нашем случае это прогиб равный 8 мм) несущая способность опытных балок с использованием стеклопластиковой арматуры снижается с 36,24 кН.м до 13,5 кН.м или в 2,68 раза (см. заштрихованную часть гистограмм на рис. 2). Таким образом, на несущую способность балок гораздо большее влияние оказывает не прочность композитной арматуры, а ее модуль упругости. Следовательно, это должно существенным образом отразиться и на надежности существующего расчетного аппарата.
Для проверки данного предположения в столбцах 8 и 10 табл. 1 приведены соответственно теоретическая прочность нормальных сечений опытных образцов - м и отношение
экспериментальной прочности к ее расчетной, (по действующим нормам) величине - м«Р /м1т
Комплексно армированные балки рассчитывались с использованием приведенного значения площади рабочей арматуры.
Сопоставление опытной и теоретической прочности нормальных сечений балок показывает, что эталонные балки дали практически 100% совпадение результатов. Образцы, где использовалась только стеклопластиковая арматура, показали завышение теоретической прочности в 1,66 раза. Комплексно армированные балки показали завышение расчетной прочности на 21,8% при замещении одного стального стержня и 43,7% - двух стержней. При учете повышенной деформативности балок с композитной арматурой указанное несоответствие будет еще больше увеличиваться.
На основе прямого сопоставления прочности и деформативности опытных образцов при различном сочетании стального и композитного армирования можно сделать следующие выводы:
1. Армирование балок из тяжелого бетона класса В30 стеклопластиковой арматурой, которая по сравнению со сталью в два раза прочнее, но имеет в 3,64 раза меньший модуль упругости, приводит к снижению несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов.
2. Несущая способность балок с комбинированным армированием снижается при постепенном замещении стальной арматуры на стеклопластиковую. Однако, при содержании стальной арматуры менее 30% комбинированное армирование становится менее эффективным по прочности по сравнению с полным композитным армированием.
3. Существующий расчетный аппарат требует серьезной корректировки, т.к. завышает теоретическую прочность нормальных сечений пропорционально проценту замещения стальной арматуры на стеклопластиковую. При полном отсутствии стальной арматуры расчетная прочность превышает экспериментальную в 1,66 раза.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.4. Прогибы опытных образцов при замене стальной арматуры на композитную, более чем в 2,5 раза превышает прогибы эталонных железобетонных балок во всем диапазоне нагрузок.
5. Деформации балок с комбинированным армированием находится в прямой зависимости от процента композитной арматуры. Стеклопластиковая арматура сечением менее 1/3 от общей ее
площади, незначительно влияет на приращение прогибов. При росте процента композитного армирования прогибы балок резко увеличиваются.
6. Доминирующим фактором при определении несущей способности нормальных сечений балок является не прочность стеклопластиковой арматуры, а более низкий, чем у стали модуль упругости, что должно найти отражение при расчете композитно-армированных балок по второй группе предельных состояний.
Читайте также: