Обзор экспериментальных исследований длительной устойчивости железобетонных стоек

УДК 624.04

ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛИТЕЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

СТОЕК

С. А. Слободянюк, д. т н., проф., Д. В. Климпотюк, асп.

Постановка задачи. Ввиду интенсивного развития индустрии строительства высотных железобетонных стержневых сооружений проблема их устойчивости имеет большое прикладное значение. Как известно [5], нагруженные железобетонные стержни имеют тенденцию деформироваться со временем. Железобетонный стержень - это композиционный элемент, поведение которого зависит от множества факторов: температуры, влажности, начала загружения образца, способа закрепления и армирования, эксцентриситетов приложения нагрузки и др., влияние которых невозможно определить одними методами строительной механики. Для их учёта создаются специальные эмпирические зависимости и теории, выводятся специальные коэффициенты, основанные на данных многочисленных экспериментов. Отсюда очевидна необходимость экспериментальных исследований железобетонных стоек на длительную устойчивость. Главной их задачей является нахождение длительной критической силы, которая приводит конструкцию к разрушению с течением времени.

Анализ предыдущих исследований. Экспериментальные исследования длительной устойчивости железобетонных стоек проводились К. Э. Талем, Е. А. Чистяковым [4], Д. Н. Пекус-Сахновским [3], А. П. Ковальским [2], А. А. Калининым [1] и др. Общие характеристики опытов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Экспериментальные исследования длительной устойчивости железобетонных стоек

№ п\п Автор Класс бетона Кол-во, шт Размеры, мм эксцентриситет предна-пряж ение Год

1 К. Э. Таль, Е. А. Чистяков В30 48 120 Ч 240 Ч 3700 150 Ч 240 Ч 4500 + - 1962

2 Д. Н. Пекус-Сахновский В35 34 50 Ч 120 Ч 1370 70 Ч 120 Ч 1370 + - 1965

3 А. П. Ковальский В50 30 60 Ч 120 Ч 1850 60 Ч 120 Ч 2450 + + 1968

4 А. А. Калинин В 60 42 60 Ч 120 Ч 1500 60 Ч 120 Ч 2100 + - 1978

В опытах К. Э. Таля и Е. А. Чистякова [4] было испытано 48 колонн, по шесть в восьми сериях - V, IX, XXII, XXIII, XXIV, XXV, XXVI, XXVII. Причем разные серии были изготовлены из разных марок бетона. Две из шести колонн в каждой серии испытывались на кратковременную разрушающую нагрузку для определения эталонной нагрузки для других образцов, испытываемых длительным нагружением. Величина длительной нагрузки колебалась от 0,5 до 0,9 от кратковременной критической. Все колонны имели приведенную гибкость около 30. Испытывались образцы двух размеров: поперечным сечением 120 Ч 240 мм длиной 3,7 м и сечением 150 Ч 240 мм длиной 4,5 м. Арматурные каркасы состояли из четырех продольных стежней, установленных по углам сечения колонн, хомутов и опорных торцовых пластинок. Для разных серий использовалась продольная арматура диаметром 10, 14 и 16 мм. Бетон, изготовленный на портландцементе, имел различные характеристики для различных серий. Испытания проводили в обычном закрытом помещении при непостоянных температурно-влажностных условиях. Средняя температура зимой 12°C, летом 17°C, достигая отметки 27°C. Средняя влажность 65% зимой и 90% летом.

На рисунке 1 приведена общая схема испытаний стоек. На рисунках 2 и 3 приведены графики прогибов колонн, испытанных длительно действующей нагрузкой.

Результаты испытаний приведены в таблицах 2-5.

Таблица 2

Результаты испытаний [4]

Средний3.0 Эксцен- Призмен-н tнач,

Шифр Размеры, см триситет, ая Ркр, т Рдл, т

арматуры, мм прочность дни дни

мм МПа

CT-V-3 12 Ч 24 Ч 370 4 Ч 9,7 0,0 16,2 40,9 21,6 51 -

CT-V-4 12 Ч 24 Ч 370 4 Ч 9,6 0,0 13,7 34,4 21,2 51 -

КГ-К-5 12 Ч 24 Ч 370 4 Ч 9,8 0,0 22,5 46,0 27,0 336 -

КГ-К-6 12 Ч 24 Ч 370 4 Ч 9,8 0,0 22,5 46,0 27,0 336 -

КГ-XXII^ 15 Ч 24 Ч 448 4 Ч 14,1 10,0 33,3 60,0 54,0 130 1

КГ-XXII^ 15 Ч 24 Ч 448 4 Ч 14,0 10,0 33,3 60,6 54,5 129 1

RF-XXIIM 15 Ч 21 Ч 448 4 Ч 14,0 23,0 35,8 41,2 39,1 98 1

RF-XXIII^ 15 Ч 25 Ч 448 4 Ч 14,0 23,0 36,3 41,2 32,9 105 15

КГ^Ш^ 15 Ч 25 Ч 448 4 Ч 14,0 23,0 36,3 41,3 34,3 105 16

КГ-ХХРУ-3 14 Ч 24 Ч 450 4 Ч 14,0 0,0 27,9 80,0 52,2 57 221

КГ-ХХЕУ-4 15 Ч 24 Ч 450 4 Ч 14,0 0,0 28,4 82,0 61,2 63 29

КГ-ХХЕУ-5 15 Ч 24 Ч 450 4 Ч 14,0 0,0 28,4 80,6 60,0 65 30

КГ-ХХРУ-6 15 Ч 24 Ч 450 4 Ч 14,0 0,0 27,4 81,0 54,5 51 85

КГ-ХХУ-3 15 Ч 24 Ч 450 4 Ч 16,2 25,0 35,3 44,4 35,5 87 42

КГ-ХХУ-4 15 Ч 24 Ч 450 4 Ч 16,1 25,0 35,3 45 36 88 27

КГ-ХХУ-5 15 Ч 24 Ч 450 4 Ч 16,2 25,0 35,3 48,6 31,0 130 —

КГ-ХХУ-6 15 Ч 25 Ч 450 4 Ч 16,1 25,0 35,3 48,2 30,5 133 —

КГ-ХХУЬ3 15 Ч 24 Ч 450 4 Ч 13,9 75,0 36,3 17,0 13,6 60 —

КГ-ХХУП-3 15 Ч 24 Ч 448 4 Ч 13,9 0,0 24,5 84,6 60,8 29 -

Рис. 2. Графики роста прогибов стоек

1 - КГ-ХХУ-3, №л=0,8Ык;

2 - КГ-ХХУ-4, Ыдл=0,8Ык

Рис. 1. Схема испытания стойки

Рис. 3. Графики роста прогибов стоек

1 - КГ-ХХУ-5, Ыдл=0,7Ык;

2 - КГ-ХХУ-6, №л=0,7Ык

В опытах Д. Н. Пекус-Сахновского [3] в трех сериях испытывалось 17 образцов стоек под длительно действующей нагрузкой и 17 образцов стоек под кратковременной нагрузкой. Образцы стоек имели гибкость 27,5 и 19,5 при одинаковой длине 137 см. Арматура стоек состояла из четырех продольных стержней Ш7 мм и поперечных хомутов Ш4 мм, приваренных контактной точечной сваркой через 9 см. Торцы стоек были усилены металлическими пластинами, приваренными к продольным стержням арматуры. Для изготовления бетона применяли портландцемент марки 400 (активность 487 кг/см2), речной песок с модулем крупности 2,1, щебень гранитный с максимальной крупностью 15 мм. Расход материалов на 1 м3 бетона для образцов I и II серий составлял 416:520:1298, В/Ц = 0,41 по весу. Осадка конуса 5 см. Расход материалов на 1 м3 бетона для образцов III серии составлял 326:580:1245, В/Ц = 0,60 по весу.

Осадка конуса 6 см. Образцы пропаривались в течение 14 часов при t = 70°C. Распалубленные образцы

отлеживались 69 суток до начала испытаний в закрытом помещении.

Результаты испытаний [3]

Таблица 3

3. 0 Экс цен- Призменная Шифр Размеры, см арматуры, триситет, прочность,

мм мм МПа

Класс (марка) бетона

Рдл, т

Ркр, т

1нач?

дни

1разр?

дни

ЬА-1 5 Ч 12 Ч 137 3,0 5,6 13,0 -

ЬА-2 5 Ч 12 Ч 137 2,5 5,6 15,0 -

I-B-1 5 Ч 12 Ч 137 2,5 7,0 14,5 -

I-B-2 5 Ч 12 Ч 137 1,2 7,0 16,7 -

ЬВ-1 5 Ч 12 Ч 137 2,5 10,0 15,1 203

ЬВ-2 5 Ч 12 Ч 137 2,4 10,0 14,5 251

ЬВ-3 5 Ч 12 Ч 137 2,8 10,0 14,0 75

ЬВ-4 5 Ч 12 Ч 137 4x70 5 Ч 12 Ч 137 ' 4,0 41,5 В35 (450) 10,0 12,5 69 1-4

ЬГ-1 0,4 11,7 21,0

ЬГ-2 5 Ч 12 Ч 137 0,35 11,7 19,0 -

!-Д-1 5 Ч 12 Ч 137 0,29 14,3 19,0 71

!-Д-2 5 Ч 12 Ч 137 0,24 14,3 21,1 90

П-А-1 7 Ч 12 Ч 137 14,5 9,3 13,4 -

II-B-1 7 Ч 12 Ч 137 2,3 25,0 31,8 84

П-Б-2 7 Ч 12 Ч 137 2,3 25,0 28,9 100

Ш-А-1 5 Ч 12 Ч 137 1,6 29,1 В30 (400) 10,0 12,8 59

Ш-А-2 5 Ч 12 Ч 137

1,5

10,0 12,7

66

В ходе испытаний замерялись продольные деформации бетона и арматуры на выпуклой и вогнутой гранях стойки. С выпуклой стороны бетон деформировался на растяжение, а с вогнутой на сжатие, причем деформации с течением времени увеличивались. Например, в образце 1-В-1 со сжатой стороны за 200 дней относительные деформации 308 в середине пролета изменились от 0,001 до -0,01, а с растянутой стороны - от 0,006 до 0,03. Также измерялись прогибы. Характерные графики нарастания прогибов некоторых стоек, зафиксированные самопишущими приборами, показаны на рисунке 4.

Рис. 4. Графики роста прогибов стоек: 1 - 1-В-3; 2 - 1-В-1; 3 - 1-В-2; 4 - 11-А-1; 5 - 1-Б-1

В опытах А. П. Ковальского [2] испытывались 18 образцов при длительно действующей нагрузке и 12 образцов-близнецов при кратковременно действующей нагрузке. Образцы имели расчетную длину 185 и 245 см, гибкость 30,6 и 40,5 при одинаковом прямоугольном сечении 12 Ч 6 см. Для изготовления образцов применяли бетон класса В50 (марки 600) с расходом на 1 м3: 625 кг цемента, 376 кг песка, 1330 кг щебня с водоцементным отношением 0,307. Арматура стоек состояла из четырех продольных стержней Ш5 мм и поперечных хомутов Ш4 мм, приваренных контактной точечной сваркой через 9 см. Половина всех стоек была предварительно преднапряжена. Осуществлялось оно проходящим в центре тяжести поперечного сечения стержнем Ш10 мм.

Результаты испытаний [2]

Таблица 4

Шифр Размеры, см

3.0 0 арматуры, мм

Эксцентриситет,

мм

Призменная прочность, МПа

1С-3А 1С-5А 1С-7А 1СН-5А 1СН-7А 1СН-8А ПС-4А ПС-7А ПС-3А ПС-5А ПС-1Б ПС-2Б ПСН-1А ПСН-8А ПСН-9А ПСН-2А ПСН-5Б ПСН-3Б

6 Ч 12 Ч 185

15,0

4x5,0

56,1

кр,

4,52

6,35

5,95

6 Ч 12 Ч 245

6,0

7,82

Р , т

1 дл А

3,18 2,94 3,40 4,78 4,45 4,12 4,45 4,16 ,87 16 87 16 80 47 08 47 47 08

^нач, дни 1разр, дни

72

151

72

151

208 320

0,5 98 242 79

220 0,3 89 334 73 218

Примечание: Серии С - без предварительного напряжения, СН - с предварительным напряжением.

т

Рис. 5. Графики роста прогибов стоек: а - серий 1С и 1СН; б, в - серий 11С и 11СН; 1 - 1СН-5А; 2 - 1СН-7А; 3 - 11СН-8А; 4 - 1С-7А;

5 - 1С-3А; 6 - 1С-5А; 7 - 11СН-2А; 8 - 11СН-5Б; 9 - 11СН-9А; 10 - 11СН-3Б; 11 - 11С-7А;

12 - 11С-3А; 13 - 11С-2Б; 14 - 11С-1Б При кратковременных испытаниях находили критическую нагрузку для назначения длительно действующей нагрузки. 12 стоек поделили на две серии, шесть образцов в каждой: три образца с предварительным напряжением, три образца-близнеца ненапряженные. При длительном испытании нагружали 18 образцов, из них девять предварительно напряженных. Нагрузка прикладывалась с эксцентриситетом 6 и 15 мм для стоек с большей и меньшей гибкостями соответственно. В процессе испытаний измеряли прогиб образца посредине (рис. 5), смещение опор, деформации

сжатого и растянутого бетона и арматуры.

В статье А. А. Калинина [1] приводятся результаты экспериментальных исследований 42 стоек с прямоугольным поперечным сечением 60 Ч 120 мм длиной 2120 и 1520 мм. Все опытные образцы изготовлены за один прием из бетона одного и того же состава класса В60 (марки М800). Для продольной рабочей арматуры использовали стержни Ш6 мм.

Таблица 5

Результаты испытаний [1]

Шифр Размеры, см 3.0 0 арматуры, мм Эксцентри-с итет, мм Призменная прочность, МПа Ркр, т Рдл, т tнач, дни tразр, дни

СД35-1К1-1 8,0 112

СД35-1К2-5 6 Ч 12 Ч 212 3,5 12 9,2 276

СД35-1К3-8 9,9 68

СД25-11К1-11 10,0 14 9,3 185

СД25-11К2-15 10,2 26

СД25-ШК1-20 4 Ч 6,0 56,1 4,7 72 -

СД25-ШК2-23 6 Ч 12 Ч 152 20,0 6,7 5,2 212

СД25-ШК3-26 5,4 95

СД25-ШК-28 3,8 -

СД25-11К-30 10,0 14 8,1 -

СД25-1УК-32 2,5 - 16,3 140

Кратковременной нагрузке подверглись девять стоек в возрасте бетона 35-37 суток. Исследовалась несущая способность, прогиб, соответствующий началу процесса потери несущей способности, процесс трещинообразования. При длительных испытаниях 27 стоек загружали в возрасте бетона, равном 70-72 суток; шесть стоек - в возрасте 82-98 суток по мере освобождения установок. Начальный эксцентриситет приложения нагрузки е0 принимался 2,5; 3,5; 10 и 20 мм. Длительность испытания достигала 900 суток. Для примера приведем результаты измерения прогибов для стоек-близнецов, обозначенных на рисунке 6.

у/////,-. \ 1 I

3

а А

¡7 3! и 1 £ суши

100 200 300 '>00 500 600

Рис. 6. Графики роста прогибов стоек: 1 - СД25-ШК3-26; 2 - СД25-ШК2-23; 3 - СД25-ШК1-20; 4 - СД28-ШК-28

Выводы. В результате этих исследований было обнаружено, что длительная разрушающая нагрузка составляет приблизительно 0,7-0,8 от кратковременной. Это обусловлено тем, что при сжатии, вследствие ползучести, происходит перераспределение усилий между бетоном и арматурой и большая часть нагрузки передается на арматуру, в результате чего при достижении арматурой предела текучести стойка разрушается.

Эксперименты показали, что при возрастании относительного эксцентриситета отношение Ыд/ЫК может возрасти, т. е. эксцентриситет имеет положительное влияние на устойчивость [4; 2]. Также обнаружено, что преднапряжение

увеличивает жесткость стоек и отдаляет момент начала резкого увеличения скорости деформирования [2], а относительная разрушающая нагрузка гибких железобетонных стоек при длительном и кратковременном действии нагрузки снижается при повышении марки бетона, т. е. увеличение прочности бетона незначительно влияет на его устойчивость [3].

Все образцы из вышеприведенных экспериментов имели симметричное армирование. Экспериментальное исследование стойки с несимметричным армированием нами не обнаружено и поэтому оно имеет научную новизну и целесообразно. Кроме того расчет внецентренно нагруженного несимметрично армированного стержня с начальными дефектами является наиболее общим случаем и в теоретическом аспекте.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Калинин А. А. Экспериментальные исследования несущей способности сжатых гибких железобетонных стоек при длительном действии нагрузки // Строительные конструкции - К.: Будiвельник, 1978. - Вып. 31. - С. 76-80.

2. Ковальский А. П. Экспериментальное исследование устойчивости предварительно напряженных и обыкновенных железобетонных стержней // Строительные конструкции - К.: Будiвельник, 1968. - Вып. 8. - С. 76-85.

3. Пекус-Сахновский Д. Н. Экспериментальное исследование несущей способности центрально сжатых гибких железобетонных стоек при длительном воздействии нагрузки // Строительные конструкции - К.: Будiвельник, 1965. -Вып. 2. - С. 98-108.

4. Таль К. Э. Экспериментальное исследование гибких железобетонных стержней при длительном нагружении / К. Э. Таль, Е. А. Чистяков // Исследование прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций -М.: Госстройиздат, 1962. - Вып. 26. - С. 30-58.

5. Яценко Е. А. Теория длительной прочности и устойчивости стержневых железобетонных систем с учетом ползучести бетона / Е. А. Яценко, С. А. Слободянюк - Д.: ПДАБА, Пороги, 2002. - 250 с.

УДК 624.04

Обзор экспериментальных исследований по длительной устойчивости железобетонных стоек /С. А. Слободянюк, Д. В. Климпотюк //Шсник ПридншровськоУ державно'1 академ1*1 буд1вництва та архггектури. - Дншропетровськ: ПДАБА, 2008. - № 11. - С. 17-22. - рис. 6. - табл. 5. - Б1блюгр.: (5 назв.).

Приведен обзор публикаций по экспериментальным исследованиям длительной устойчивости стержневых железобетонных стержней. В таблицах даны основные характеристики и условия испытаний исследуемых образцов. На графиках показаны зависимости изменения прогибов во времени от величины прикладываемой нагрузки. Сделаны общие краткие выводы по всем обозреваемым экспериментам.