Нові способи отримання нових діаграм стану бетону

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полтавський університет споживчої кооперації України

Нові способи отримання нових діаграм стану бетону

Роговий С.І., д.т.н., професор

Клюка О.М., аспірант

м. Полтава

Анотація

Наведено критичний аналіз існуючих способів отримання повних (з низхідною гілкою) діаграм стану бетону у_b - е_b. Запропоновано науково обґрунтований удосконалений спосіб отримання даних для побудови таких діаграм.

Чинні на сьогоднішній день норми розрахунку проектування залізобетонних конструкцій [1] при різних схемах прикладання зовнішнього навантаження (згин, косий згин, згин з крученням) рекомендують приймати розрахункову схему в граничному стані для визначення несучої здатності поперечного перерізу з використанням тільки висхідної частини діаграми стану бетону у_b - е_b (напруження-деформації), використовуючи максимальні їх значення у_b = R_b і е_br, яких бетон досягає у момент початку його руйнування при випробуванні стандартних зразків на центральний стиск. При оцінюванні міцності неоднорідно стиснутої зони бетону приймається спрощена прямокутна форма епюри стискаючих напружень за висотою стиснутої зони з інтенсивністю таких напружень, рівною R_b.

За час, що минув з моменту прийняття діючих норм [1], в зарубіжній та вітчизняній літературі з'явилась значна кількість наукових публікацій, які поставили під сумнів доцільність використання прямокутної епюри стискуючих зусиль в бетоні стиснутої зони, оскільки така епюра не відповідає дійсному напруженому стану поперечного перерізу взагалі і в граничному стані зокрема. Це послужило підґрунтям для подальшого вдосконалення різних сучасних вітчизняних та зарубіжних нормативних документів із розрахунку й проектування бетонних і залізобетонних конструкцій. залізобетонний навантаження деформація

На основі ретельного аналізу розрахункових моделей, прийнятих в міжнародних, а також національних нормативних документах та наукових джерелах, підготовлені і всебічно обговорюються науковими співробітниками російські норми [2] із розрахунку та проектування бетонних і залізобетонних конструкцій без попереднього напруження. У даний час в Україні готуються до перегляду і видання вітчизняні норми [3] із розрахунку та проектування бетонних і залізобетонних конструкцій. У проекті зазначених норм передбачаються принципово нові розрахункові моделі, які дають можливість точніше враховувати реальний характер роботи залізобетонних елементів. Це, в свою чергу, забезпечує можливість проектування більш економічних конструкцій при оптимальних розмірах поперечного перерізу та витратах матеріалів. Сьогодні спеціалісти в галузі бетонних та залізобетонних конструкцій активно обговорюють та рекомендують до впровадження деформаційну розрахункову модель, яка реалізується на основі повних діаграм деформування бетону й арматури. У той же час необхідно констатувати, що при переході на деформаційну розрахункову модель не використовуються об'єктивні діаграми у_b - е_b, які б відповідали їх фізичній сутності.

Виходячи з цього, проведення експериментально-теоретичних досліджень стосовно удосконалення деформаційної розрахункової моделі, побудованої на основі реальних властивостей бетону, що проявляються на стадії руйнування є актуальним сьогоденним завданням.

Створення деформаційної розрахункової моделі передбачає використання низхідної частини діаграми стану бетону з визначенням критичної деформації в граничному стані е_bu, а також залишкової міцності бетону R_bu. Вперше на цей фактор звернув увагу Г. Рюш [4] на міжнародній нараді з розрахунку будівельних конструкцій у Москві в 1958 р. Розглядаючи в своїй доповіді сутність моделювання низхідної вітки кривої у_b - е_b, він задався питанням: до якої граничної деформації можливо використовувати такі криві розподілу напружень? Як далі відмітив доповідач, відповідь на це запитання може бути знайдена в результаті аналізу залежності згинаючих моментів, що сприймаються перерізом, від величин крайових деформацій бетону.

Незважаючи на велику кількість виконаних експериментальних досліджень деформативності бетону, закономірності поведінки бетону під навантаженням ще недостатньо вивчені. В більшості відомих на даний час досліджень не ставилось завдання отримати залежність у_b - е_b з низхідною гілкою, що не є виправдано.

У більшості випадків, при проведенні експериментальних досліджень деформативності бетону використовують прямий метод одержання діаграм деформування бетону на бетонних зразках-призмах зі стандартними розмірами 15х 15х 60 см. Завантаження зразків, як правило, виконується поетапно з контролем швидкості наростання навантаження або, як відзначають автори [5-7], з контролем швидкості деформування бетону. Слід відмітити, що згаданий контроль швидкості деформування є досить сумнівним, а випробування дослідних зразків з контролем наростання напружень в поперечному перерізі потребує спеціальних пристроїв, які могли б фіксувати величини зусиль та переміщень. Виходячи з цього, отримання експериментальних даних таким чином є достатньо обмеженим. Відносно простим є опосередкований метод отримання експериментальних даних. Так, в роботі [8] мова йде про досліди, проведені на армованих зразках, в результаті яких діаграма деформування бетону була отримана із пропорційності між зусиллями в арматурі й деформаціями зразків до досягнення умовної межі текучості високоміцної арматури та відповідної їм відносної деформації бетону армованих призм.

Автори досліджень [9,10] діаграму деформування стиснутого бетону з низхідною гілкою отримали з допомогою спеціального пристрою. У роботі [11] діаграми деформування бетону в згинальних елементах були одержані за допомогою кондуктора. Для цього використовувався спеціальний гвинтовий прес з метою контролю впливу на результати дослідження короткочасної повзучості.

У роботах [12-16] випробування експериментальних зразків виконувалось із забезпеченням постійної швидкості наростання деформацій бетону. При цьому встановлено, що суттєвий вплив на результати досліджень здійснюють жорсткість конструкції преса [10], [16], а також геометричні розміри і форма дослідних зразків [17-21]. При великих швидкостях деформування дослідного зразка в пресі невеликої жорсткості достатньо складно одержати діаграму деформування бетону з низхідною гілкою, або низхідна ділянка має достатньо коротку довжину. Такі випробування здійснюються з допомогою спеціальних пристроїв, у яких силовий привід по мірі необхідності регулювання швидкості деформування на низхідній гілці діаграми приводиться в дію за допомогою складної електронної системи, яка не завжди є надійною.

При випробуваннях дослідних зразків зі сталою, як стверджують автори, швидкістю деформування з одержанням діаграм стану бетону із низхідною гілкою [12,14-16] суттєвим недоліком є циклічне розвантаження дослідного зразка, що спотворює значення його деформативних характеристик. Цей фактор привносить серйозні погрішності в експериментальні діаграми деформування бетону і унеможливлює їх використання для порівняння з даними інших досліджень.

Автор роботи [22] взагалі відкидає реальність отримання повних діаграм деформування центрально стиснутих бетонних призм за стандартного режиму випробування. Тому, на його думку, більшість дослідників вдаються до спеціальних прийомів, пов'язаних із зміною режиму завантаження. За таких обставин, на його думку, неминучим є вплив суб'єктивних факторів на оцінку деформативних властивостей бетону та на характер самої низхідної гілки діаграми деформування бетону.

У роботах [23, 24] для побудови низхідної гілки діаграми деформування бетону авторами розроблено спеціальний пристрій (кондуктор) [25] Для одержання повних діаграм стану бетону цей пристрій включає випробувальну машину (прес) для стискання дослідних зразків та жорсткі силові елементи, які забезпечують їх розвантаження за умови перерозподілу релаксуючих напружень бетону і стабілізацію деформацій дослідного зразка в умовах його силового деформування на низхідній частині діаграми.

Поряд з перевагами такий пристрій має істотні недоліки. По-перше, використані тут жорсткі силові елементи, які виготовляються із сталевих прокатних профілів, мають обмежену деформативність, що визначається межею плинності та модулем пружності сталі й може бути меншою стисливості випробовуваного матеріалу. Це спонукає включати в роботу такі жорсткі елементи тільки на певних етапах випробувань і обмежує можливості використання такого пристрою за необхідності отримувати низхідні частини діаграми в широкому діапазоні значень закритичних (таких, що знаходяться за межею міцності матеріалу дослідного зразка) деформацій.

По-друге, досить складно при виготовлені випробувальних зразків забезпечити з достатньою точністю їх довжину такою, щоб у процесі випробувань вони синхронно завантажувались із жорсткими силовими елементами. Тому, для включення в роботу таких елементів, технологія випробування на певному етапі завантаження передбачає їх розклинювання для включення в роботу, що може спричиняти перекоси і призводити до недопустимого позацентрового прикладення навантаження.

По-третє, спосіб визначення зусиль релаксації дослідного зразка при посередництві вимірювання деформацій жорстких силових елементів та використання даних його попереднього тарування може вносити суттєві погрішності, оскільки такі зусилля визначаються непрямим способом.

Щоб уникнути зазначених вище недоліків, в лабораторії кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій та опору матеріалів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка було запроектовано, виготовлено й апробовано пристрій [26], який використано для отримання повних діаграм стану дослідних зразків бетону. Такий пристрій (рис. 1) складається з чотирьох симетрично розташованих навколо дослідного зразка - призми, послідовно з'єднаних між собою гідравлічних домкратів, розташованих між плитами випробувального преса. Такі домкрати після включення їх в роботу можуть сприймати зусилля релаксації дослідного зразка. Включення в роботу домкратів здійснюється подачею від насосної станції гідравлічної рідини й усунення зазору між поршнями домкратів та нерухомою плитою. Після такого включення в роботу при подальшому синхронному силовому навантаженні дослідного зразка і домкратів напруження релаксації бетону сприймаються гідравлічними домкратами, а дослідний зразок автоматично розвантажується і його деформації стабілізуються.

Таким чином, за умови досягнення граничних напружень призми при

стисканні, коли вона не може сприймати подальшого збільшення навантаження, завдяки включенню в роботу гідравлічних домкратів у дослідному зразку не відбувається інтенсивного неконтрольованого збільшення силових деформацій і лавиноподібного збільшення швидкості деформування. Домкрати надають можливість здійснювати перерозподіл напружень, розвантажуючи при цьому дослідний зразок і сприяючи його подальшому рівноважному (такому, що затухає) деформуванню.

Для визначення деформацій у вершині діаграми стану бетону при центральному стиску е_br з метою їх подальшого використання при розробці на основі нелінійної деформаційної моделі методики розрахунку залізобетонних елементів, що зазнають згину з крученням, було виготовлено та випробувано чотири серії дослідних зразків - призм (всього 24 шт.) стандартних розмірів (15х 15х 60 см).

Для виготовлення таких зразків використовувався портландцемент марки М 600, гранітний щебінь фракцій 5-20 мм та кварцевий пісок з модулем крупності в межах 1,25-2,5, при цьому водоцементне відношення не перевищувало В/Ц ? 0,4. Після ущільнення бетонної суміші з допомогою ігольчастого вібратора форми із зразками зберігались в лабораторних умовах. Виготовлення зразків здійснювалось у літній період. На момент випробування вік зразків досягав 55-69 діб. Кубикова міцність бетону дослідних зразків на момент випробування визначалась згідно з рекомендаціями [27], на підставі якої вираховувалась призмова міцність бетону.

Рис. 2. Загальний вигляд пристрою для іспитів

В процесі підготовки призми до випробування на кожну із її граней прикріплювалось по одному індикатору годинникового типу з ціною поділки 0,02 мм на подовженій базі 300 мм. Перед початком випробовування дослідний зразок центрувався: спочатку за геометричною, а потім за фізичною віссю бетонної призми. Останнє досягалося пробним навантаженням до напружень у_b = (0,1 - 0,15)R_b із послідуючим контролем показань індикаторів. При цьому ставилося завдання, щоб деформацій на всіх гранях призми були однаковими. Загальний вигляд підготовленого до випробування зразка представлено на рис.2. Дослідні бетонні призми завантажувалися за відомою методикою [28] на однорідне стиснення ступінчастим навантаженням (5-7) хв. для зняття відліків за індикаторами.

При досягненні навантаження на призму, що відповідало у_b = (0,6-0,7)R_b, в роботу включалися одночасно всі гідравлічні домкрати і величина ступеней подальшого завантаження зменшувалась удвічі.

Після включення в роботу гідродомкратів фактичне навантаження призми N_b на кожній ступені визначалось як різниця показань силовимірювача випробувальної машини та зусилля, визначеного за показаннями зразкового манометра насосної станції, який контролював тиск у гідравлічній системі послідовно з'єднаних домкратів.

За результатами випробувань будувався графік N_b - у_b (навантаження на призму - відносна деформація), на підставі якого отримували діаграму стану бетону у_b - е_b із низхідною гілкою й визначали відносну деформацію як відповідне значення у вершині ції діаграми. Приклад побудови такого графіка для однієї з випробуваних призм представлено на рис. 3. В науковій літературі [28-30] немає єдиного підходу стосовно теоретичного визначення деформацій е_br. Існують різні пропозиції стосовно визначення цієї величини залежно від різних факторів: міцності бетону, швидкості навантаження та тривалості його дії. Часом отримані результати носять суперечливий характер, що супроводжується протилежними точками зору. Яскравим свідчення складності визначення е_br залежно від різних факторів і, в першу чергу, від міцності бетону, є дані, представлені в [4]. Вони свідчать про відсутність єдиного підходу до визначення цього параметру, що потребує необхідності уточнення як методики визначення експериментальних значень таких деформацій, так і математичної моделі їх апроксимації.

Матеріали, викладені в цій публікації, пропонуються для всебічного обговорення можливого способу вирішення однієї з розглянутих проблем -експериментального визначення критичних деформацій е_br у вершині повної діаграми деформування бетону у_b - е_b.

Запропонований в цій роботі новий спосіб [26] отримання даних для побудови повної діаграми стану бетону, на відміну від загальновідомих, дає можливість дослідження об'єктивних характеристик міцності і деформативності бетону в умовах рівноважного стану, забезпечуючи таким чином стабільні значення цих параметрів на ділянці низхідної гілки діаграми стану. Розроблений спосіб випробування може бути рекомендований для моделювання аналітичної залежності е_{br -} R_b, яка є однією із ключових в деформаційній моделі оцінки напружено-деформованого стану бетону.

Література

1. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. М., 1985, 79 стр.

2. СП 52-101-03. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. М., 2003, 125.

3. ДБН…2005. Бетонні та залізобетонні конструкції (проект). Загальні положення. К., 2005. Держбуд України, с.47-52.

4. Рюш Г. Исследование работы изгибаемых элементов с учетом упруго-пластических деформаций бетона // Материалы международного совещания по расчету строительных конструкций.-М.:Госстройиздат,1961. -С.183-199.

5. Бондаренко В.М., Бондаренко С.В. Инженерные методы нелинейной теории железобетона. - М.: Стройиздат. -1982. -287 с.

6. Методические рекомендации по определению прочностных и структурных характеристик бетонов при кратковременном и длительном нагружении. - НИИЖБ Госстроя СССР,1976. -56с.

7. Расторгуев Б.С. Упрощенная методика получения диаграмм деформирования стержневых элементов в стадии с трещинами //Бетон и железобетон, 1993. -№ 5. С. 22-24.

8. Таль К.Э. О деформативности бетона при сжатии // Исследование прочности, пластичности и ползучести строительных материалов. - М.: Госстройизда, 1955 (ЦНИПС). - С.202-207.

9. Гвоздев А.А., Шубик А.В., Жумагулов Е.Ш. Длительное сопротивление железобетонных конструкций при неоднородной деформации // Бетон и железобетон. -1982. -№5. -С. 42 - 43.

10. Матков Н.Г., Жук В.М., Кульмет Р.Ю., Саммал О.Ю. Опытные определения напряжений в бетонных призмах и построение фактических диаграмм сжатия с нисходящим участком // Исследования по строительству. Напряжения в бетоне. Испытания конструкций. Сб. НИИ Строительства Госстроя ЭССР. - Таллин, 1986. -С.68-78.

11. Войцеховський О.В., Паруха В.В. Експериментальні дослідження залишкової тримкості залізобетонних балок після їх часткового руйнування // ВПІ. - 1999. - №3. - С.8 -

12. Новое о прочности железобетона / Под ред. К.В. Михайлова. - М.: Стройиздат, 1977. -272с.

13. Свердлов В.Д., Войцеховський О.В., Байда Д.М. До описання деформування бетону в стиснутій зоні балочних залізобетонних елементів на стадії руйнування // Вісник ВПІ. - 2001. - №2. - С.29 - 35.

14. Щелкунов В.Г. Прочность при длительном сжатии железобетона, армированного высокопрочной арматурой //Несущая способность и деформативность железобетонных конструкций. - К.: Выща школа, 1978. - С.31 - 38.

15. Щелкунов В.Г. Резервы прочности сжатых железобетонных элементов // Бетон и железобетон. - 1980. - №1. - С.34 - 35.

16. Яшин А.В. Некоторые данные о деформациях и структурных изменениях бетона при осевом сжатии. В кн. Новое о прочности железобетона / Под ред. К.В. Михайлова. - М.: Стройиздат, 1977. - С. 17. - 30.

17. Веретенников В.И., Бармотин А.А. О влиянии размеров и формы сечения элементов на диаграмму деформирования бетона при внецентренном сжатии // Бетон и железобетон. -2000.-№5. -С.27-30.

18. Ящук B.E., Совгира В.Н. Влияние масштабного фактора на прочность и деформации бетонных колонн // Науч. - практич. конф. - Ровно: Облмашинформа. - 1987. - С. 106 - 107.

19. Batrakov V., Kaprielov S., Sheinfeld A. Influence of Different Types of Silica Fume Having Varying Silica Content on the Microstructure and Properties of Concrete. Fourth Int. Conf. On Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Istanbul, Turkey, May 1992. Proceedings, p.p.943-964.

20. Building "D - 3 - Espace Leopold" in Brussels // СЕВ Bulletin d'Information "Application of High Performance Concrete", November 1994, - pp. 15.

21. Civaux Nuclear Power Plant. // СЕВ Bulletin d'Information "Application of High Performance Concrete", November 1994, - pp.26.

22. Ромашко В.М. Повна діаграма деформування бетону в бетонних та залізобетонних елементах. Зб. "Будівельні конструкції", випуск №67, 2007.

23. Роговий С.І. Методологія оцінки міцності нормальних перерізів бетонних і залізобетонних конструкцій на основі деформаційної розрахункової моделі. Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук, Полтава, 2005, 371 с.

24. Пахомов Р.І. Міцність косостиснутих залізобетонних елементів з урахуванням нелінійності деформування бетону. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук, Полтава, 2007, 158 с.

25. Спосіб одержання повних діаграм стану: Патент України 55204 А, МКІ Е 04С 1 / 04 / Роговий С.І., Круглий Д.В., Пахомов Р.І. (Україна). № 2002076000; Заявл. 19.07.2002; Опубл. 17.03.2003, Бюл. № 3. - с.3.

26. Пристрій для одержання повних діаграм стану матеріалів: Патент України 19747, МПК Е 04С 1 / 00 / Роговий С.І., Піпенко В.В., Клюка О.М., Юрко П.А., Прудкий А.Г. (Україна). № 200608623; Заявл. 31.07.2006; Опубл. 15.12.2006, Бюл. № 12. - с.3.

27. ГОСТ 10180 - 78. Бетоны. Методы определения прочности на сжатие и растяжение.- М.: 1981. - 24 с.

28. ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методика определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. - М.: 1988. - 18 с.

29. Михайлов В.В., Емельянов М.П., Дудаладов Л.С., Митасов В.М. Некоторые предложения по описанию диаграммы деформаций бетона при загружении // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1984. -№2. -С.23-27.

30. Несветаев Г.В. К вопросу определения основных констант деформирования бетона // Изв. вузов. Стр-во. - 1999. - № 5. - С. 136 - 139.

31. Р.І. Пахомов, С.І. Роговий, Д.В. Круглий. Дослідження деформацій у вершині діаграми стану бетону // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) - Вип.11. - Полтава: ПолтНТУ імені Юрія Кондратюка. - 2003. - С.21 - 25.

32. Нелепов А.Р. Анализ методик по определению максимальных деформаций бетона сжатой зоны стержневых элементов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1999. -№1. -С.126-130.

Размещено на Allbest.ru