Экспериментальные исследования полос бетона между трещинами при кратковременном динамическом нагружении

Вестник ТГАСУ № 4, 2007

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

УДК 624.012.042.8.001.2

З.Р. ГАЛЯУТДИНОВ, канд. техн. наук,

Д.Р. ВАЛИТОВ, студент,

ТГАСУ, Томск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛОС БЕТОНА МЕЖДУ ТРЕЩИНАМИ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований сжаторастянутых железобетонных дисков при кратковременном динамическом нагружении. Проведенные экспериментальные исследования позволили оценить влияние угла наклона арматурных стержней к трещине и уровня деформаций образца в направлении, перпендикулярном трещине, на прочность и деформативность полос бетона между трещинами при кратковременном динамическом нагружении.

Сложность современных конструкций и многообразие факторов, влияющих на их работу, требуют глубокого подхода к разрабатываемым методикам динамического расчета железобетонных конструкций. Современные модели деформирования железобетона позволяют учесть основные особенности деформирования бетона и арматуры на всех стадиях работы конструкции. Вместе с тем имеется ряд вопросов, требующих дополнительного изучения, особенно в условиях высокоскоростного нагружения.

Известно, что в плосконапряженных железобетонных конструкциях трещины возникают на площадках главных растягивающих напряжений и, в общем случае, могут быть косоориентированными по отношению к стержням арматурной сетки. После возникновения трещины бетон не может воспринимать растягивающие усилия в направлении, перпендикулярном направлению трещины, поэтому все растягивающие усилия по этому направлению передаются через арматуру. Усилия в ортогональном направлении воспринимаются полосами бетона между трещинами.

В связи с этим в настоящей работе экспериментально изучено деформирование полосы бетона между трещинами, растянутой в ортогональном трещине направлении, при кратковременном динамическом нагружении. Исследования проводились на железобетонных дисках с фиксированными трещинами. Во всех образцах при бетонировании устанавливали целлулоидные

© З.Р. Галяутдинов, Д.Р. Валитов, 2007

прокладки, чтобы в дальнейшем при испытаниях в этих местах образовались трещины, разделяющие бетонные блоки. Арматурные стержни располагались под углом к трещине. При этом угол наклона арматурных стержней к трещине а принимался равным 0, 30 и 45°. В образцах с а = 30° и а = 45° по наружным граням устанавливались металлические пластины, препятствующие взаимному смещению арматурных стержней. Основные размеры и схемы армирования образцов показаны на рис. 1.

Все опытные образцы были изготовлены из тяжёлого бетона с соотношением компонентов по массе 1,0:1,8:3,5 при водоцементном отношении В/Ц = 0,4. Для приготовления бетона принимался цемент марки 400 и щебень крупностью 10-15 мм. Одновременно с образцами изготавливали 6 контрольных кубов размерами 100^100^100 мм и 6 призм размерами 100x100x400 мм для определения прочностных и деформативных характеристик бетона. Арматурные сетки выполнены из арматуры класса А-111 диаметром 8 мм.

Рис. 1. Общий вид образцов и расстановка тензодатчиков на бетоне (а) и схемы армирования образцов при различных углах наклона арматурных стержней к трещинам

(б, в, г):

1 - трещины; 2 - металлические пластины

Призменная прочность бетона Яь, определенная на момент испытания

образцов-дисков, равна 20, 22 и 16 МПа соответственно для серии I, II и III.

Все кубы были испытаны статической нагрузкой. Призмы испытывались на действие статической (3 призмы) и кратковременной динамической нагрузки (3 призмы). По результатам динамических испытаний призм определяли скорость деформирования в ь и призменную прочность Яы образцов-

призм и далее коэффициент динамического упрочнения бетона к ¿ь = Яы / Яь , где Яь - призменная прочность бетона, полученная из статических испытаний призм. Анализ данных показывает, что связь между скоростью деформирования и коэффициентом динамического упрочнения в наилучшей степени может быть описана зависимостью, принятой в работе [1].

В дальнейшем, при обработке данных испытаний полос бетона между трещинами, динамическая призменная прочность бетона для каждого образца определялась выражением

мости от скорости деформирования бетона, полученной в результате испытания полосы бетона между трещинами; і - номер образца.

В процессе испытаний нагрузка на образец прикладывалась в двух взаимно ортогональных направлениях. По одному из направлений образец подвергался растяжению, а по другому - сжатию (рис. 2). Растягивающие напряжения передавались полностью через арматуру. Сжимающие напряжения передавались на бетонные блоки между трещинами (рис. 2). Испытания проводились в два этапа: сначала создавалось растяжение до необходимого уровня, а затем -сжатие до разрушения. При растяжении образовались трещины, разделяющие образец на три бетонных блока, связанных между собой арматурой.

п

х

о

о

РЭ

Рис. 2. Схема испытаний образцов

Растягивающая нагрузка на образец создавалась при помощи гидравлического домкрата. Динамические сжимающие напряжения создавались за счет энергии падающего груза. Высота падения груза и его величина подбирались из условия упругопластического деформирования конструкции до полного исчерпания несущей способности при однократном действии нагрузки.

Анализ данных экспериментальных исследований показал, что прочность и деформативность полос бетона между трещинами зависит от угла наклона арматурных стержней к трещине а и уровня деформаций образца в направлении, перпендикулярном трещине в 1.

При изменении угла а от 0 до 45° прочность полос бетона снижается. На рис. 3 показаны схемы разрушения образцов с различными углами а . Из рис. 3 видно, что при а = 0° разрушение полосы бетона носит локальный характер, в то время как для образцов с а = 30° и а = 45° наблюдается практически полное разрушение бетона полосы. Разрушающая нагрузка для образцов составляет 106,65 кН (а = 0°), 102,9 кН (а = 30° ) и 89,89 кН (а = 45°). При этом следует отметить, что уровень натяжения образцов снижается с уменьшением угла наклона арматурных стержней к трещине от в 1 = 184,7 -105 единиц относительной деформации (е.о.д.) до в г = 111,1-105 е.о.д.

а) б) в)

Рис. 3. Схемы разрушения образцов:

а - при а = 0° и в 1 = 184,7 -105 е.о.д.; б - при а = 30° и в 1 = 152,41 -105 е.о.д.;

в - при а = 45° и в! = 111 -105 е.о.д .

На рис. 4 приведены диаграммы деформирования полос бетона между трещинами при различном уровне натяжения образцов в 1. Данные графические зависимости наглядно показывают, что для образцов с большей величиной в 1 прочность бетона полос снижается вне зависимости от угла наклона

арматурных стержней к трещине.

Таким образом, можно отметить, что увеличение уровня деформаций перпендикулярно трещине в 1 и угла наклона арматурных стержней к трещине а от 0 до 45° приводит к снижению прочности полос бетона между тре-

щинами. Это вызвано нарушением структуры бетона растянутой арматурой, пронизывающей бетон полосы. Чем выше уровень натяжения в 1, тем в боль-

шей степени происходит нарушение структуры материала. При этом для а = 0° в арматурных стержнях возникают только осевые деформации. При а = 30° и а = 45° в арматуре возникают как осевые, так и касательные напряжения и деформации, в результате чего происходит как растяжение, так и перемещение стержней, что приводит к более значительному нарушению структуры бетона. По результатам экспериментальных исследований прочность полос бетона в зависимости от указанных выше факторов снижается в 2-2,5 раза.

Деформации &ьп 1° , е.о.д. Деформации вЬп-105, е.о.д.

Рис. 4. Изменение деформаций полос бетона между трещинами при кратковременном динамическом нагружении в зависимости от угла наклона и уровня деформаций

Вывод. Полученные опытные данные свидетельствуют о значительном снижении прочности и деформативности полос бетона между трещинами. При расчете плоских конструкций необходимо учитывать особенности деформирования бетона между трещинами. Изменение прочности при статическом нагружении в зависимости от уровня деформаций, перпендикулярно трещине в 1, и угла наклона арматурных стержней к трещине а может быть

учтено выражением, предложенным в работе [3], а при динамическом нагружении - зависимостью, предложенной в работе [1].

п = Рь^ = р р = 205 вп + 0,9 = Ы Уьр ,

где в п - деформации образца перпендикулярно трещине.

Библиографический список

1. Галяутдинов, З.Р. Совершенствование метода расчета железобетонных плит с трещинами при кратковременном динамическом нагружении: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2004. - 24 с.

2. Карпенко, Н.И. Общие модели механики железобетона / Н.И. Карпенко. - М. : Стройиз-дат, 1996. - 416 с.

Вестник ТГАСУ № 4, 2007

75

3. Яременко, А.Ф. Прикладная теория длительного деформирования и сопротивления плоских железобетонных элементов: дис. ... докт. техн. наук. - Одесса, 1987. - 500 с.

Z.R. GALJAUTDINOV, D.R. VALITOV

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE COMPRESSED-TENSILE STRIPS OF CONCRETE BETWEEN CRACKS AT A SHORT-TERM DYNAMIC LOADING

The results of experimental research of reinforced concrete disks with the cracks in biaxial tense-deformed conditions (compression-stretching) are presented in the paper. The carried out experiments have allowed to estimate the influence of slope angle of reinforcing bars on the crack and the specimen deformations level in the direction perpendicular to the crack on the strength and deformation of the concrete strips located between cracks under short-term dynamic loading.

УДК 624.078:725

В.А. ЯРОВ, канд. техн. наук, профессор,

А.А. КОЯНКИН, аспирант,

ИАС СФУ, Красноярск

СТЫК КОЛОННЫ С ПЕРЕКРЫТИЕМ В БЕЗБАЛОЧНЫХ КАРКАСАХ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

Авторами предлагается узел колонны и перекрытия с капителью в виде усеченной пирамиды, расположенной сверху на перекрытии и примыкающей к плите большим нижним основанием. В капители размещена наклонная арматура в виде четырех плоских каркасов. Авторами теоретически изучена работа предложенного стыка на изгиб и продавливание, а также исследовано влияние капители на работу перекрытия.

В последние годы в нашей стране существенно увеличился объем применения монолитного железобетона в гражданском строительстве. Его широкое внедрение приводит к снижению расхода арматуры и объема капитальных вложений по сравнению с использованием сборного железобетона. Кроме того, монолитный железобетон позволяет избежать монтажных стыков, что повышает жесткость несущих систем здания и упрощает процесс его возведения.

Большую долю при строительстве из монолитного железобетона занимают здания с безбалочным каркасом. Данная конструктивная схема дает возможность свободной планировки помещений, снижает высоту этажа, уменьшает расход бетона и арматуры, а также позволяет сократить сроки строительства в сравнении со стеновой схемой здания. Наряду с отмеченными преимуществами, здания с безбалочным каркасом имеют ряд недостатков, более значимым из них является устройство стыка колонны с перекрытием. С конструктивной точки зрения данный стык является «слабым местом» при работе перекрытия на изгиб и продавливание.

© В.А. Яров, А.А. Коянкин, 2007