автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка прочности изгибаемых элементов железобетонных конструкций с учетом особенностей экспериментальной диаграммы напряжений - деформаций сжатой зоны бетона

ж

/

У

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЛИМОШКИНА ГАЛИНА ИВАНОВНА

ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ДИАГРАММЫ НАПРЯЖЕНИЙ - ДЕФОРМАЦИЙ СЖАТОЙ ЗОНЫ БЕТОНА

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УДК. 624.012.45:539.4

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор

Б.И. ВИКТОРОВ

доктор технических наук, профессор

Г.И. ПОПОВ

МОСКВА 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4 ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1Л. Структура бетона как поликристаллического тела 9

1.2. Теории разрушения 11

1.3. Исследование масштабного фактора для различных

материалов 18

1.4. Исследование диаграмм при кратковременном статическом нагружении (центральное сжатие и изгиб) 23

1.5. Анализ расчетов прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с точки зрения использования расчетных диаграмм бетонов сжатой зоны 35

ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 58 ГЛАВА 2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ОПЫТНЫХ КОНТРОЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ

2.1. Описание и планирование эксперимента 60

2.2. Изготовление образцов 64

2.3. Испытание образцов на центральное сжатие 65

2.4. Испытание образцов на внецентренное сжатие 73

2.5. Методика обработки результатов испытаний 78 ВЫВОДЫ 82 ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗЦОВ

3.1. Испытание образцов на центральное сжатие 83

3.2. Испытание образцов на внецентренное сжатие 102 \ ВЫВОДЫ 141

ГЛАВА 4. ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ ПРОЧНОСТИ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЫТНОЙ ДИАГРАММЫ

сЪ - sb ПРИ НЕОДНОРОДНОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ 144

4.1. Расчет прочности нормальных сечений упрощенным

способом 146

4.2. Расчет прочности нормальных сечений уточненным способом 150

4.3. Связь между двумя способами расчета прочности нормальных сечений. 156

ВЫВОДЫ 157

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 158

ЛИТЕРАТУРА 160

ПРИЛОЖЕНИЕ 175

ВВЕДЕНИЕ

Железобетон остается в России основой индустриального строительства.

За последние десятилетия практика строительства предъявила повышенные требования к свойствам бетона (прочности на сжатие и растяжение, к долговечности, к деформативным характеристикам).

В настоящее время не существует совершенной модели бетона, которая могла бы быть использована для любой схемы разрушения конструкций; поэтому вопросы расчета бетонных и железобетонных конструкций решаются с использованием эмпирических зависимостей, упрощенных диаграмм деформирования бетона и арматуры. Такой подход, позволяющий упростить расчет, связан с отсутствием теоретических закономерностей, основанных на физических явлениях, происходящих в элементах при их эксплуатации.

Совершенствование теории железобетона направлено на повышение точности расчета, на расширения его применения , на снижение стоимости конструкций, включая и снижение их материалоемкости.

В последние 15 лет научные разработки в области железобетона были в частности направлены на совершенствование строительных норм и на разработку методов расчета с учетом действительных диаграмм деформирования бетона и арматуры [35, 38, 60,64, 67, 75, 102, 112].

Действительные диаграммы деформирования отражают изменения напряженно-деформированного состояния бетона при однородном и неоднородном деформировании. Исследование таких диаграмм позволило бы обеспечить большую надежность работы конструкций [100,101].

Одной из задач уточнения методов расчета прочности нормальных сечений изгибаемых элементов является выявление действительных диаграмм ст ь - в ь бетонов сжатой зоны.

За время развития железобетона предлагались различные эпюры напряжений в сжатой зоне от линейных до эпюр сложных очертаний. Предпочтение

при выборе эпюр отдавалось наиболее простым, применение которых при относительно несложном математическом аппарате позволяло с достаточной точностью оценить несущую способность изгибаемых элементов.

В методе расчета прочности нормальных сечений по СНиП 2.03.01-84* заложена прямоугольная эпюра напряжений в сжатой зоне бетона с условной величиной напряжений, равных Яь и условной укороченной высотой сжатой зоны - х [96]. Исходная диаграмма а - 8 получена в условиях центрального сжатия при кратковременном статическом нагружении и не отвечает действительному неоднородному деформированию сжатой зоны. Эпюра напряжений бетона сжатой зоны, принятая в расчете, всего лишь рабочая модель. Задаваясь формой эпюры сжатой зоны бетона автоматически задавались и положением ее центра тяжести, она давала возможность определить равнодействующую отпора бетона сжатой зоны и плечо внутренней пары. Переход на другую эпюру усложнит эти операции.

Методика расчета прочности нормальных сечений по СНиП 2.03.01-84* выделяется глубокой теоретической проработкой и широкой практической апробацией [39, 40, 48, 72, 84].

Расчет прочности нормальных сечений должен предусматривать следующие варианты потери несущей способности:

- для переармированных железобетонных элементов - вследствие разрушения бетона сжатой зоны при упругой работе растянутой арматуры;

- для недоармированных железобетонных элементов - вследствие разрыва растянутой арматуры после прорастания нормальной трещины по всей высоте поперечного сечения;

- для нормально и слабо армированных элементов - вследствие разрушения сжатой зоны после начала текучести растянутой арматуры.

Для расчета нормально армированных сечений для нахождения условной высоты сжатой зоны бетона достаточно уравнения проекций внутренних сил на горизонтальную ось.

Для расчета переармированныу сечений появляется еще одна неизвестная - напряжение в растянутой арматуре - а 8ь Необходимо введение дополнительного уравнения деформаций. Для перехода от условной высоты сжатой зоны к фактической высоте сжатой зоны в методике СНиП вводится параметр Н, 1 - характеристика сжатой зоны бетона. Она является эмпирической линейной зависимостью от прочности бетона.

Несмотря на достаточно солидную теоретическую проработку методики расчета по СНиП, в ней остаются открытыми вопросы, связанные с уточнением исходной формы эпюры напряжений бетона сжатой зоны, с учетом масштабного фактора, его влияния на прочность и деформативность.

Метод расчета прочности нормальных сечений, заложенный в СНиП 2.03.01-84*, не распространяется на массивные конструкции (гидротехнические сооружения) [97] и на тонкостенные конструкции.

В настоящей работе сделана попытка получить действительные опытные диаграммы ст ь - £ ь при неоднородном деформировании образцов разных размеров из бетонов различной прочности в условиях кратковременного статического нагружения. Была использована аппаратура с непрерывной фиксацией контролируемых явлений.

Для получения опытных диаграмм сжатой зоны бетона было создано соответствующее оборудование и разработана методика, которая предусматривала исследования сжатой зоны бетона при практическом постоянстве формы эпюры деформаций.

Целью работы является разработка инженерного способа расчета прочности изгибаемых железобетонных элементов, учитывающего зависимость прочностных и деформативных свойств бетонов (разную для разных классов

бетона) от поперечных размеров элементов и основанного на действительных диаграммах с> ь - в ь при неоднородном сжатии.

На защиту выносятся:

- методика проведения испытаний при однородном и неоднородном деформировании в условиях кратковременного статического нагружения;

- результаты испытаний при центральном сжатии и неоднородном деформировании бетонных образцов разной прочности и различных размеров;

- аналитические зависимости диаграмм а ь - £ь для тяжелых бетонов разной прочности и различных размеров при однородном и неоднородном сжатии при кратковременном статическом нагружении;

- способ расчета прочности изгибаемых железобетонных элементов, учитывающий зависимость механических свойств бетонов от их поперечных размеров и использующий действительные диаграммы о ь - £ ь сжатой зоны бетона.

Научная новизна:

- способ расчета изгибаемых элементов, использующий опытные диаграммы а ь - в ь сжатой зоны бетона и учитывающий зависимость прочностных и деформативных свойств бетонов от поперечных размеров элементов;

- экспериментальные диаграммы ст ь - е ь внецентренно сжатых образцов разной прочности и различных размеров;

- данные о предельной деформативности бетонов при однородном и не однородном деформировании для образцов разной прочности и различных размеров;

- методика проведения испытаний при неоднородном деформировании для получения действительных диаграмм ст ь - в ь в сжатой зоне.

Достоверность научных положений, выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается достаточным оснащением испытаний

бетонных образцов современной аппаратурой и приборами, продуманной методикой проведения экспериментов, использованием математической статистики при обработке опытных данных, соответствием исходных положений способа расчета эксперименту, близостью результатов расчетов железобетонных элементов к результатам испытаний.

Практическая ценность работы. Результаты работы делают расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов более достоверным и гибким благодаря использованию действительных диаграмм а ъ - £ ь сжатой зоны, дифференцированных в зависимости от класса прочности бетонов и поперечных размеров элементов.

Апробация работы. Основные результаты экспериментально-теоретических исследований докладывались на конференциях в МАДИ в 1983г., 1984г., 1985г., 1986г., 1987г., 1999г., на семинаре постоянной комиссии по железобетонным конструкциям многоэтажных зданий научно-координационного Совета по бетону и железобетону Госстроя СССР в 1985г..

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Объем работы 180 е., в том числе 110 с. машинописного текста, 6 таблиц, 70 рисунков; список литературы содержит 138 наименований.

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте на кафедре «Аэропорты и конструкции» под руководством профессора, к.т.н.

Б.И.Викторова и профессора, д.т.н. Г.И.Попова.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. СТРУКТУРА БЕТОНА КАК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО

ТЕЛА

Бетон - основной материал строительных конструкций . Эффективное использование бетона в конструкциях в большой степени зависит от надежности расчета конструкций, от точности учета его прочностных и дефор-мативных параметров, а также его поведения под нагрузкой и при различных воздействиях.

Для создания теории прочности, основанной на физических процессах, протекающих в бетоне, необходимо иметь четкие представления о его структуре.

Работы [12, 34, 53, 66, 93, 108, 121, 120] посвящены изучению структуры бетона и ее составляющих.

Р Лермит [53] рассматривает бетон с момента схватывания как твердое тело >и считает, что бетон находится в состоянии «непрекращающегося преобразования». При таком сложном рассмотрении структуры бетона трудно решать практические задачи, связанные с механикой разрушения бетона под нагрузкой.

Модель бетона, предложенная Б.Г.Скрамтаевым [93], в виде шаров одинакового размера, нашла свое отражение в работах О.Я. Берга, E.H. Щербакова и Н.Г. Хубовой [12].

Авторы приняли бетон как двухкомпонентную среду, состоящую из матрицы цементного раствора и содержащихся в ней зерен крупного заполнителя в виде сферических включений одинакового радиуса, равномерно распределенных по объему.

Процесс нагружения бетона рассматривается с учетом концентрации напряжений на контакте матрицы раствора с включениями. Данная модель позволила уточнить поведение бетона под нагрузкой с учетом прочностных

свойств компонентов бетона с точки зрения механических концепций в рамках теории упругости.

Ю.В. Зайцев [34] рассматривает структуру бетона на основе более сложной модели. Он рассматривает модель, основанную на ряде упрощающих гипотез.

Твердое тело рассматривается в виде матрицы с включениями (зернами заполнителя) различного размера, с дефектами первого (поры) и второго (трещины) рода на различных уровнях структуры материала (микро-и макро уровне). Нелинейность в бетоне оценивается развитием трещин в структуре материала.

Моделирование структуры бетона позволяет проектировать бетон с заданными физико-механическими свойствами, а также дает возможность совершенствовать теорию железобетона и другие современные направления теории железобетона.

C.B. Шестоперов [121] рассматривает бетон, в первую очередь, с позиций технолога, как искусственную техническую породу, состоящую из разнородных компонентов, каждой из которых свойственна своя структура.

Текстура бетона включает: контактный слой цементного камня; структуру крупного и мелкого заполнителей; воздушные поры; зону отделившейся свободной воды; раствор со специфической структурой зон цементного камня.

Данные предложения о структуре бетона легли в основу теории его морозостойкости, разработанной C.B. Шестоперовым.

А.Е. Шейкин [120] и A.M. Невилль [66] рассматривают структуру бетона на различных уровнях: начиная с атомно-молекулярной структуры компонентов бетона и кончая макроструктурой бетона как композиционного материала, состоящего из цементно-песчаного раствора и крупного заполнителя.

М.М.Холмянский [108] представляет материал как квазиоднородную «исходную среду», в которой в процессе структурообразования возникла сис-

тема трещин, число и размер которых обеспечивает снятие структурных напряжений. Модель бетона состоит из зерен, соединенных между собой ортогональной системой связей; зерна предположительно имеют сферическую форму.

Модель Холмянского М.М. позволяет описать псевдопластичность (от-рывность) и объясняет проявления этого свойства с помощью статистической теории прочности и влияния масштабного фактора на прочность образца.

Структурные теории анализируют физическую сущность поведения материала под нагрузкой и имеют ряд недостатков. Данная теория рассматривает изолированные поры (включения) и не учитывают эффект взаимодействия и ограничиваются только определением напряжений, которые приводят к образованию первых трещин и не способны описать весь процесс разрушения бетона, заключающийся в постепенном накапливании и развитии трещин.

За время применения бетона рассматривались различные типы его моделей: реологические, феноменологические, механические, кинетические, энергетические и их совокупности.

Из представленных моделей только модели Зайцева Ю.В. и Холмянского М.М. дают более полное представления о бетоне, как неоднородном материале, и позволяют оценить механизм деформирования бетона с позиций механики разрушения.

1.2. ТЕОРИИ РАЗРУШЕНИЯ

Развитие взглядов на механику разрушения связано с именами Ш. Кулона, А. Сен-Венана, О. Мора, А. Гриффитса. Ш. Кулон предполагал, что разрушение происходит путем сдвига. А. Сен-Венан в качестве критерия прочности принимал наибольшие деформации.

О. Мор считал, что разрушение происходит, когда наибольшие растягивающие нормальные напряжения, зависящие от величины касательных напряжений, достигают предельного значения.

Теория О. Мора допускает возможность учета сопротивления материалов, которые имеют различное сопротивление сжатию и растяжению.

Перечисленные теории основываются на том, что тело является сплошной деформируемой средой. В XX веке получили развитие следующие теории:

- теория хрупкого разрушения;

- теория дислокаций;

- статистическая теория прочности;

- кинетическая теория прочности;

- феноменологическая теория прочности;

- структурная теория прочности.

А. Гриффите [124] обосновал теорию хрупкого разрушения, которая основывается на начальном разрушении, т.е. условии образования трещины. Теоретическая прочность материала определяется числом и прочностью связей между атомами и молекулами и намного больше его реальной прочности. Это связано с наличием в структуре материала ряда дефектов, в частности поверхностных и внутренних микротрещин, являющихся концентраторами напряжений.

Изучая роль дефектов в твердом теле на примере каменной соли, А.Ф. Иоффе [41] пришел к выводу, что наличие дефектов в кристаллах играет определяющую роль в прочности материалов.

Теория Гриффитса и результаты изучения твердого тела с дефектами позволили А.Ф. Иоффе сформулировать понятие «хрупкой прочности».

Основные принципы статистической теории хрупкой прочности были впервые сформулированы А.П. Александровым и С.Н. Журковым [1] для неоднородных микроскопических хрупко разрушающихся тел на основе экспериментальных наблюдений.

В основу теории было положено, что прочность тела определяется прочностью само