Новые подходы к решению задач деформирования железобетонных конструкций с трещинами

Оригинальная статья / Original article УДК 624.012.45

НОВЫЕ ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ С ТРЕЩИНАМИ

© В.М. Митасов, М.А. Логунова, Н.В. Стаценко

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, Российская Федерация, 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

Резюме. Цель. Оценка степени влияния заранее организованных трещин на деформатив-ность плит безбалочного перекрытия и железобетонных балок при кратковременном действии нагрузки. Методы. Выполнен модельный физический эксперимент с плитами безбалочного перекрытия на модели масштабом 1:6. В двух ячейках плиты перекрытия отсутствовали заранее организованные трещины, в двух других - были выполнены сверху и снизу по двум различным схемам разрушения. Объектами исследования влияния заранее организованных трещин на жесткость балок являлись иные подходы по расположению организованных трещин, которые моделировались вне зоны действия максимального момента. Использовались три балки сплошного сечения, пять - с двумя заранее организованными трещинами в зоне максимальных моментов и один образец с заранее организованной трещиной посредине пролета. Результаты экспериментов подтвердили выдвинутые ранее гипотезы о большей жесткости плит и балок с заранее организованными трещинами по сравнению со стохастическими трещинами при эксплуатации. Выводы. Установлено, что наличие заранее организованных трещин уменьшает прогибы балок и плит, по сравнению с образцами сплошного сечения, фактически являясь регулятором напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций.

Ключевые слова: заранее организованные трещины, безбалочные плиты перекрытия, железобетонные балки, деформации, прогибы, трещинообразование.

Формат цитирования: Митасов В.М., Логунова М.А., Стаценко Н.В. Новые подходы к решению задач деформирования железобетонных конструкций с трещинами // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2017. Т. 7. № 1. C. 77-83.

NEW APPROACHES TO THE SOLUTION OF THE TASKS OF DEFORMATION OF REINFORCED

FRAMINGS WITH CRACKS

© V.M. Mitasov, M.A. Logunova, N.V. Statsenko

Novosibirsk State Architectural University,

113, Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008, Russian Federation.

Abstract. Purpose. Evaluation of the level of impact of the cracks organized beforehand on de-formability of flat slabs and reinforced concrete beams during short-term load action. Methods. We performed model physical experiment with flat slabs at the model size 1:6. In two capsules of a flat slab there were no cracks organized beforehand, in others - there were cracks performed from above and below according to two different schemes of destruction. Objects of the research of the impact of cracks organized beforehand on beam stiffness were other approaches according to the position of the organized cracks that were modeled outside the area of peak torque. We used three beams with solid cross-section, five - with cracks organized beforehand inside the area of peak torque and one sample was with a crack organized beforehand amid the passage. Results of the experiment proved the proposed hypotheses about the higher stiffness of slabs and beams with cracks organized beforehand in comparison with stochastic cracks during exploitation. Conclusions. It is stated that the presence of cracks organized beforehand decreases slab and beam deflections, in comparison with the samples with solid cross-section, which in fact is the regulator of stress-strain behavior of reinforced framings.

Keywords: cracks organized beforehand, beamless floor slabs, reinforced concrete beams, deformations, deflections, cracks formation

For citation: Mitasov V.M., Logunova M.A., Stacenko N.V. New approaches to the solution of the tasks of deformation of reinforced framings with cracks. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedviz-himost' [Proceedings of Universities. Investments. Construction. Real estate], 2017, vol. 7, no. 1, pp. 77-83.

Введение

При общей оценке достоинств и недостатков железобетона в учебниках, монографиях и других литературных изданиях одним из основных недостатков называют раннее трещинообразо-вание в растянутой зоне. В связи с этим как в нашей стране, так и за рубежом проводятся исследования, направленные на разработку и совершенствование методики расчета жесткости железобетонных изгибаемых элементов с трещинами в стадии эксплуатации [1, 2], изучается влияние ранее существующих трещин на прочность сцепления арматуры с бетоном [3, 4], прогнозирование трещинообразования в железобетонных конструкциях [5].

Последнее десятилетие в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете в процессе проведения теоретических и экспериментальных исследований получен новый, ранее не известный науке результат, позволяющий качественно изменить наше представление о железобетоне [1, 6].

Теоретическое решение задачи перехода из состояния «сплошное сечение» в состояние «сечение с трещиной», представленное в работе [1], на основании гипотезы «о динамическом характере образования стохастических трещин» позволило сделать вывод «о почти мгновенном продвижении трещины», разрушающей сечения железобетона. Экспериментальные исследования, проведенные авторами и зарубежными специалистами, подтвердили этот факт [6-10 и др.].

Уравнение энергетического баланса в общей системе уравнений диаграммно-энергетического метода позволяет оценить величину дополнительной работы, увеличивающей продвижение трещины вглубь сечения без неизменной нагрузки.

Для исключения или существенного снижения дополнительной работы внешней нагрузки изготовили ряд моделей, в которых были установлены трещинообразователи в процессе изготовления железобетонных конструкций (введен новый термин «железобетонные конструкции с заранее организованными трещинами») [6].

В развитие этого направления был проведен физический эксперимент с безбалочными плитами перекрытия и железобетонными балками с организованными трещинами вне зоны максимального момента.

Цель настоящего исследования - провести сравнительный анализ процессов деформирования сплошных железобетонных конструкций (балок и плит перекрытия) и конструкций с заранее организованными трещинами с различными вариантами их расстановки.

Основная задача работы - определить характер образования и развития трещин и оценить жесткость изгибаемых элементов; выявить количественное и качественное влияние изучаемого фактора: расположения заранее организованных трещин.

Материал и методы исследования

Для проведения исследований изготовили три серии железобетонных балок с кубами и призмами. Все образцы были выполнены с одинаковыми геометрическими размерами из мелкозернистого бетона с прочностью, соответствующей классу В10, и с одинаковой арматурой класса А400 диаметром 8 мм. Организованные трещины образованы установкой алюминиевых пластин толщиной 0,3 мм и высотой 35 мм в сечениях растянутой зоны элемента.

Объектами исследования являлись 9 балок, а именно три образца сплошного сечения, два - с двумя организованными трещинами на расстоянии трети пролета от опор, три - с двумя организованными трещинами на расстоянии четверти пролета и один образец с трещиной посередине пролета (рис. 1).

В качестве расчетной схемы при испытании изгибаемых образцов принята схема шарнир-но-опертой однопролетной балки, загруженной одной сосредоточенной силой F, приложенной в середине пролета. Процент армирования - 0,5 %, защитный слой - 35 мм.

Нагрузку прикладывали к балкам ступенями по 1 кН до разрушения. Во время испытаний производили непрерывное наблюдение за поведением исследуемых образцов (появление трещин, выколов и других повреждений). По результатам испытаний определены усилия и прогибы при образовании и развитии трещин, а также максимальные прогибы непосредственно перед разрушением.

Значения разрушающей силы для балок всех серий с учетом фактической прочности бетона, определенной по испытаниям стандартных кубов, получены одинаковыми, их разброс находится в пределах 10 %. Значение разрушающей нагрузки находятся в диапазоне 9...10 кН.

В результате обработки экспериментальных данных построены графики прогибов (рис. 2) в зависимости от нагрузки для балок без организованных трещин и с заранее организованными трещинами, испытанных на действие одной сосредоточенной силы при кратковременном загружении.

а)

t

>4

z\ J 001, 900 J_ IJ00

1100 /

в)

—

о

•

¿0 /

б)

1 1 Г- r-

' V л

1 ^ 225 зона эффективного 1 , трещин oo бр азован ия 225 «о

100 Л / 900 J00 t

1100 /

№

г)

1 . г- 1 Г~

V

1 J 00 ^ I зона эффективного ^ 300 |/трещинообразования , 300 - л J 00 in пч

А -И 900

1100 f

о

• ч-

20

1

\ ^

1 J00 Ъ 450 450 / 100 \ 1Г1

9( )0 * У

1100

Н

о t

Рис. 1. Железобетонные образцы для модельного эксперимента: а - балка сплошного сечения; б - с двумя организованными трещинами на расстоянии трети пролета; в - с двумя организованными трещинами на расстоянии четверти пролета; г - с организованной трещиной посередине пролета; 1 - организованная трещина Fig. 1. Reinforced concrete samples for the model experiment: а - beam solid section; б - with two of the pre-organized cracks at a distance of a third of the span; в - with two of the pre-organized cracks by one third flight distance at a distance of a quarter of the span; г - with the pre-organized cracks at a distance of at midspan; 1 - pre-organized crack

-Ж-Балка без орг. трещ. —•—Балка с орг. трещ. в 1/2 пролета  Балка с орг. трещ. в 1/3 пролета —*— Балка с орг. трещ. в 1/4 пролета

0,00

1,50 2,00 2,50 Прогиб /,мм

Рис. 2. График зависимостей прогиба f железобетонных балок от нагрузки F Fig. 2. Diagram dependencies deflection f of concrete beams of the load F

Для эксперимента с безбалочными плитами перекрытия модель каркаса масштабом 1:6 была выполнена из мелкозернистого бетона класса В10. Размеры сечения колонн - 40 х 40 мм. Армирование всех колонн выполнено 4 стержнями класса Вр-I диаметром 3 мм. Толщина плит перекрытия и покрытия - 30 мм. Покрытие армировали сетками из стержней 03 Вр-I шагом 50 мм. Схема армирования показана на рис. 3. В двух ячейках плиты перекрытия отсутствовали заранее организованные трещины, в двух других - были выполнены сверху и снизу по двум различным схемам (рис. 4).

Заранее организованные трещины были выполнены с помощью металлических пластинок высотой 10 мм. Расположение организованных трещин по схеме 2 (см. рис. 4) повторяет расположение пластических шарниров при расчете по методике проф. А.А. Гвоздева. По схеме 1 трещины расположены схожим образом, но они короче и рассекают ячейку локально, а не от края до края (по предложению проф. В.М. Митасова).

Для обеспечения большей прочности на продавливание в узлах сопряжения колонны и перекрытия установлены стальные уголки 2L63х5 высотой 25 мм, сваренные между собой.

Загружение производили равномерно распределенной нагрузкой в виде гирь по 2 кН на верхнюю плиту перекрытия. Каждая ступень - по 40 кН (100 кН на ячейку). Первые видимые трещины появились на 2-й ступени нагружения.

Схема расположения верхней арматуры

Схема расположения нижней арматуры

03 Вр-1 'шаг 50

вН

110

890

890

1780

© ©

Рис. 3. Схема армирования плиты покрытия Fig. 3. Diagram of reinforcement slabs

Схема расположения нижней арматуры

Схема

ПО

f

60 „,225у ,, 445 у f

L

ш

J

890

890

1780

© ©

Схема 1

арматура

03BP-I шаг 50

, 110

©

ч организованная трещина

- верхние организованные трещины

- нижние организованные трещины

, по

Рис. 4. Схема расположения организованных трещин Fig. 4. Location scheme pre-organized cracks

Во время испытаний измеряли прогибы в центрах ячеек плиты покрытия и вертикальные перемещения возле колонн.

График зависимости прогибов от нагрузки представлен на рис. 5. Зафиксированные прогибы плит со стохастически образующимися трещинами были больше, чем у плит с организованными трещинами на 10-45 %.

Прогибомср I Прогибом ер 2

10

15

20

2S

Прогиб, мм

Рис. 5. Графики зависимости прогибов плит от нагрузки Fig. 5. Diagrams dependencies deflection slabs of the load

Разрушение произошло от продавливания плиты перекрытия центральной колонной при нагрузке 80 кН на грузовую площадь колонны (рис. 6).

Рис. 6. Общий вид разрушения каркаса Fig. 6. General view of the destruction of frame

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты проведенного исследования: А) по железобетонным балкам:

1. Трещина в зоне максимального момента железобетонных балок появляется во всех случаях, независимо от того, «организована» она или нет.

2. Эффект установления трещинообразователей появляется при условии их расположения в зоне действия максимальных моментов (в зоне эффективного трещинообразования, рис. 1), снижая при этом прогибы железобетонных балок при эксплуатационной нагрузке.

_Б) по железобетонным плитам безбалочных монолитных перекрытий:_

1. Результаты эксперимента подтвердили выдвинутые ранее гипотезы о большей жесткости плит с заранее организованными трещинами по сравнению с трещинами стохастическими.

2. Прогибы плит безбалочного перекрытия со стохастически образующимися трещинами больше, чем плит с организованными трещинами на 10-45 %.

Заключение

Таким образом, в статически неопределимых системах арматура является регулятором напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций. Вторым регулятором напряженно-деформированного состояния являются «заранее организованные трещины», при этом места их расположения должны быть соответствующем образом обоснованы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Митасов В.М. Основные положения теории сопротивления железобетона: монография. Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2010. 158 с.

2. Darwin D., Dolan C.W., Nilson A.H. Design of Concrete Structures. 15th edition. New York: McGraw-Hill, 2016. 786 p.

3. Yuan J., O'Reilly M., Matamoros A., Darwin D. Effect of Simulated Cracks on Lap Splice Strength of Reinforcing Bars. SL Report 12-2. Kansas: University of Kansas Center for Research, inc. Lawrence, 2012. 235 p.

4. Yuan J., O'Reilly M., Matamoros A., Darwin D. Effect of Preexisting Cracks on Lap Splice Strength of Reinforcing Bars // ACI Structural Journal. 2016. Vol. 113, no. 4. P. 801-812.

5. Carino N.J., Clifton J.R. Prediction of Cracking in Reinforced Concrete Structures. Gaithers-burg: NISTIR 5634, NIST BFRL, 1995. 50 p.

6. Михайлова Н.С. Экспериментальные исследования железобетонных балок без трещин и с заранее намеченной трещиной // Известия вузов. Строительство. 2007. № 4. С. 117-120.

7. Логунова М.А., Пешков А.С. Экспериментальные исследования бетонных балок без организованных трещин и с заранее организованными трещинами // Известия вузов. Строительство. 2011. № 1. С. 116-120.

8. Marder M. Shock-wave theory for rupture of Rubber // Physical Rewiew Letters. 2005. Vol. 94. P. 048001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.048001

9. Guodzen T.M., Jagla E.A. Supersonic Crack Propagation in a class of Lattice Models of Mode III Brittle Fracture // Physical Rewiew Letters. 2005. Vol. 95. P. 224302. DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.224302

10.Митасов В.М., Логунова М.А., Шатохина М.В. Железобетонные балки с организованными трещинами под воздействием длительной нагрузки // Известия вузов. Строительство. 2013. № 10. С. 5-10.

REFERENCES

1. Mitasov V.M. Osnovnyie polozheniya teorii soprotivleniya zhelezobetona [A central tenet of the theory of reinforced concrete resistance]. Novosibirsk, Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin) Publ., 2010. 158 p.

2. Darwin D., Dolan C. W., Nilson A.H. Design of Concrete Structures. 15th edition. New York, McGraw-Hill, 2016. 786 p.

3. Yuan J., O'Reilly M., Matamoros A., Darwin D. Effect of Simulated Cracks on Lap Splice Strength of Reinforcing Bars. SL Report 12-2. Kansas, University of Kansas Center for Research, inc. Lawrence, 2012. 235 p.

4. Yuan J., O'Reilly M., Matamoros A., Darwin D. Effect of Preexisting Cracks on Lap Splice Strength of Reinforcing Bars. ACI Structural Journal, 2016, vol. 113, no. 4, pp. 801-812.

5. Carino N.J., Clifton J.R. Prediction of Cracking in Reinforced Concrete Structures. Gaithers-burg, NISTIR 5634, NIST BFRL, 1995. 50 p.

6. Mikhaylova N.S. Experiment investigation of reinforced concrete beams without cracks and with a crack organized beforehand. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of Higher Educational Institutions. Development], 2007, no. 4, pp. 117-120.

7. Logunova M.A., Peshkov A.S. Experiment investigation of concrete beams without cracks and with cracks organized beforehand. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of Higher Educational Institutions. Development], 2011, no. 1, pp. 116-120.

8. Marder M. Shock-wave theory for rupture of Rubber. Physical Rewiew Letters, 2005, vol. 94, p. 048001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.048001

9. Guodzen T.M., Jagla E.A. Supersonic Crack Propagation in a class of Lattice Models of Mode III Brittle Fracture. Physical Rewiew Letters, 2005, vol. 95, p. 224302. DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.224302

10.Mitasov V.M., Logunova M.A., Shatokhina M.V. Reinforced Concrete Beams with Specified Cracks under the Long Term Load. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of Higher Educational Institutions. Development], 2013, no. 10, pp. 5-10.

Информация об авторах

Митасов Валерий Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой железобетонных и каменных конструкций; e-mail: mitassovv@mail.ru; Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), Российская Федерация, 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

Логунова Мария Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры железобетонных и каменных конструкций, e-mail: m-nblack@yandex.ru; Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), Российская Федерация, 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

Стаценко Наталья Валерьевна, аспирант, старший преподаватель кафедры железобетонных и каменных конструкций, e-mail: stacnat@yandex.ru; Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), Российская Федерация, 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

Критерии авторства

Митасов В.М., Логунова М.А., Стаценко Н.В. имеют равные авторские права. Стаценко Н.В. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Information about the authors

Valery M. Mitasov, doctor of technical sciences, professor, Head of Department of Reinforced concrete and stone structures, e-mail: mitassovv@mail.ru; Novosibirsk State Architectural University (Sibstrin), 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008, Russian Federation.

Maria A. Logunova, candidate of technical sciences, associate professor, Department of Reinforced concrete and stone structures, e-mail: m-nblack@yandex.ru; Novosibirsk State Architectural University (Sibstrin), 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008, Russian Federation.

Natalya V. Statsenko, graduate student, senior lecturer, Department of Reinforced concrete and stone structures, e-mail: stacnat@yandex.ru; Novosibirsk State Architectural University (Sibstrin), 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008, Russian Federation.

Contribution

Mitasov V.M., Logunova M.A., Statsenko N.V. have equal author's rights. Statsenko N.V. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interest regarding the publication of this article.

Статья поступила 15.11.2016 г.

The article was received 15 November 2016