автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование прочности, трещинностойкости и деформативности изгибаемых трехслойных элементов с ограждающими слоями из стеклофибробетона

На правах рукописи

ГАЗИН ЭМИЛЬ МИГДАТОВИЧ_____^

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ИЗГИБАЕМЫХ ТРЕХСЛОЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ОГРАЖДАЮЩИМИ СЛОЯМИ ИЗ СТЕКЛО ФИБРОБЕТОНА

Специальность 05.23.01 - " Строительные конструкции,

здания и сооружения "

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в Государственном Ордена Трудового Красного Знамени научно -исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (НИИЖБ) Госстроя России.

Научный руководитель - кандидат технических наук Волков И.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор, Почетный член РААСН Г.К.Хайдуков; - кандидат технических наук В.Ф.Шабля.

Ведущая организация - ОАО "Научно-исследовательский институт

транспортного строительства (ЦНИИС)".

Защита состоится" ^ " __"_ 1998 г. в 7 4 часов на

заседании Диссертационного Совета К 033.03.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Государственном научно -исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (НИИЖБ) Госстроя РФ по адресу : 109428, Москва, 2-ая Институтская ул., д.6.

Совет направляет Вам для ознакомления данный реферат и просит Ваши отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направить по указанному выше адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " 4 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

\jUUi Т. А. Кузьмич

Актуальность работы. В настоящее время в практике строительства все более широкое применение находят фибробетоны и в том числе стеклофибробетон, который изготавливается из мелкозернистого бетона-матрицы, дисперсно армированного фибрами из щелочестойкого стекловолокна, равномерно или разноинтенсивно распределенными по объему бетона. Армирование бетона стеклянными фибрами может сочетаться с армированием стержневой или проволочной арматурой.

Фибробетон рекомендуется для конструкций, в которых наиболее эффективно могут быть использованы его повышенные по сравнению с обычным бетоном физико-механические характеристики, такие как: прочность на растяжение, трещиностойкость, ударная вязкость, износо-, морозо-, огнестойкость, водонепроницаемость, сопротивление кавитации и др.

Накопленный отечественный и зарубежный опыт позволил определить номенклатуру экономически выгодных конструкций из стеклофибробетона. Наиболее эффективны тонкостенные или слоистые стеклофибробетонные конструкции: складчатые панели безрулонных покрытий, ребристые панели покрытий и перекрытий, плиты раздельных полов, монолитные оболочки, элементы ограждений лоджий, а также несъемная опалубка для ограждающих конструкций, трехслойные стеновые панели, перекрытия и перегородки для малоэтажного строительства.

Следует отметить, что в настоящее время применение стеклофибробетона в отечественном строительстве ограничено Это связано с недостаточной изученностью свойств стеклофибробетона, отсутствием до последнего времени нормативных документов по проектированию и изготовлению конструкций из него.

С целью повышения эффективности применения стеклофибробетона в нашей стране и за рубежом ведутся исследования с целью разработки новых оптимальных конструктивных решений, технологий и материалов для фибробетонных конструкций, совершенствуется методика их расчета и конструирования, технология производства.

В создание методики исследований физико-механических свойств стеклофибробетона и развитие методов расчета конструкций из него большой вклад внесли: Г.К. Хайдуков, В.П.Сербин, Ю.Л.Бирюкович, И.В.Волков, В.Б.Арончик, Т.А.Арунашвили, Е.Ф.Лысенко, А.Х.Карапетян, М.М.Лачинов, Ш.Я.Измайлов, и др., а также зарубежные исследователи: А.Дж.Маджумдар, М.А.Али, Р.Н.Свами, Р.У.Нурс и др.

Для определения прочностных и деформативных свойств стеклофибробетона в НИИЖБ И.В.Волковым и И.Л.Ицковым были разработаны, изготовлены и апробированы

специальные испытательные установки, позволяющие получить полные диаграммы "Ст£ы

- ел" при растяжении. Эти диаграммы могут быть использованы для определения напряженно-деформированного состояния стеклофибробетона в нормальных сечениях изгибаемых элементов.

Как отмечалось выше, одной из наиболее эффективных областей применения стеклофибробетона являются трехслойные ограждающие конструкции. Однако до настоящего времени работа изгибаемых трехслойных элементов с наружными слоями из стеклофибробетона практически не изучалась.

Целью диссертационной работы являлось экспериментально-теоретическое исследование прочности нормальных сечений, трещиностойкости и деформативности изгибаемых трехслойных элементов с наружными слоями из стеклофибробетона и внутренним слоем из эффективного утеплителя-фибролита при кратковременном действии нагрузки, а также разработка метода расчета таких элементов с учетом диаграмм "01ы - растянутого стеклофибробетона, включая предельную стадию разрушения.

Автор защищает:

- методику экспериментальных исследований работы нормальных сечений изгибаемых трехслойных элементов с наружными слоями из стеклофибробетона и внутренним слоем утеплителя при действии кратковременных статических нагрузок;

- результаты экспериментально-теоретических исследований прочности и трещиностойкости нормальных сечений трехслойных изгибаемых элементов и их деформативности при действии кратковременных статических нагрузок; предложения по расчету прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых трехслойных элементов, а также их жесткости при действии кратковременных статических нагрузок.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

- методика определения напряженно-деформированного состояния нормального сечения трехслойного изгибаемого элемента с учетом диаграммы "с^ - бц," стеклофибробетона, включая предельную стадию работы при растяжении; получены данные о влиянии общей толщины элемента и толщин составляющих слоев фибробетона и утеплителя на несущую способность изгибаемого трехслойного элемента;

выявлена степень участия слоев в восприятии внешней нагрузки слоистым элементом и особенности работы каждого слоя;

- определены особенности работы изгибаемых трехслойных элементов без дополнительных связей;

выявлено влияние процента фибрового армирования, прочности и деформативности стеклофибробетона на прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых трехслойных элементов;

- предложен метод расчета прочности нормальных сечений изгибаемых трехслойных элементов с эффективным утеплителем и наружными слоями из стеклофибробетона без дополнительных связей ;

- разработаны предложения по оценке трещиностойкости и жесткости трехслойных изгибаемых элементов с эффективным утеплителем и наружными слоями из стеклофибробетона.

Практическое значение работы заключается в том, что предложенные методы расчета прочности нормальных сечений изгибаемых трехслойных элементов с учетом диаграммы "CTfbt - Efbt" Для стеклофибробетона, а также их трещиностойкости и деформативности дают возможность рассчитывать и конструировать трехслойные конструкции, позволяют получать наиболее оптимальные решения. Апробация работы и публикации.

Предложения по расчету прочности нормальных сечений трехслойных изгибаемых элементов с наружными слоями из стеклофибробетона использованы при составлении Ведомственных строительных норм "Проектирование и основные положения технологий производства фибробетонных конструкций " (ВСН 56-97), разработанных НИИЖБ, МНИИТЭП и фирмой "Фибробетон", утвержденных Департаментом строительства Правительства г. Москвы. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 155 наименований и приложения. Содержит 208 страниц машинописного текста, включая 109 рисунков и 19 таблиц.

Исследования проводились под руководством заведующего лабораторией фибробетонов и фибробетонных конструкций НИИЖБ, кандидата технических наук И.В.Волкова.

Содержание работы.

Анализ отечественного и зарубежного опыта показал, что наибольший объем применения сгеклофибробетона в конструкциях приходится на навесные панели, облицовку стен и колонн, несъемную опалубку. Основным фактором, определяющим выбор сгеклофибробетона для таких элементов, является снижение их массы до 65% по сравнению с железобетонными элементами, благодаря чему сокращается стоимость изготовления, транспортирования и монтажа элементов, создается возможность облегчения несущих конструкций и, следовательно, снижается общая стоимость сооружений. Кроме того, разнообразие форм, отделки и цветового решения элементов из сгеклофибробетона позволяет проектировать здания, отличающиеся разнообразием и высокой архитектурной выразительностью.

Примерами эффективного использования стеклофибробетонных наружных стеновых панелей являются здания банка "Лионский Кредит" (Лондон), банка в городе Дейтон (штат Огайо, США), особняка "Аль-Гары" (Саудовская Аравия), универсального магазина и городского департамента в г. Токио (Япония) и др.

Вместе с тем, проведенный анализ предшествующих работ в области стеклофибробетонных конструкций показал, что в отечественной и зарубежной литературе практически нет обстоятельных данных о работе изгибаемых трехслойных элементов с наружными слоями из сгеклофибробетона и внутренним слоем из эффективного утеплителя, без дополнительной связи наружных слоев.

Для проведения экспериментальных исследований были приняты следующие условия:

- бетон - матрица классов В25 и В35;

- процент фибрового армирования |Ль,= 1,5% и 2,5%;

- фибра из щелочестойкого стекловолокна марки СЦ-6 по ТУ 21-38-257-90. Длина фибры 40 мм. Прочность стеклянного моноволокна, диаметром 13-15 мкм равна 1760 + 2200 МПа;

- средний утепляющий слой из фибролитовых плит по ГОСТ 8928-81 толщиной 75 и 150 мм.

Основные образцы состоят из 3-х слоев - 2-х наружных стеклофибробетонных и среднего утепляющего слоя. Наружные стеклофибробетонные слои выполняются толщиной 15 и 25 мм с фибровым армированием Jifv = 1,5 и 2,5 %. Всего было

изготовлено и испытано 18 образцов длиной 1000 мм и 2200 мм, шириной 250 мм.

Стеклофибробетонная смесь изготавливалась методом предварительного перемешивания в смесителе марки ССВ и укладывалась с виброуплотнением. Изготовление трехслойных образцов выполнялось поочередным приформовыванием слоев из стеклофибробетона на слой утеплителя.

Для каждой серии трехслойных элементов было изготовлено и испытано по одной серии контрольных образцов плит, кубов и призм.

Прочность на растяжение при изгибе определялась на образцах-плитках по методике, разработанной в НИИЖБ и апробированной в работах Лачинова М.М., Карапетяна А.Х., Арунашвили Т.А., Адамова А.Б., Приева Б.Л и др.. Размер плиток 2x10x40 см.

Призменная прочность стеклофибробетона определялась испытанием полых призм размером 10x10x40 см, склеенных из отдельных плиток эпоксидной смолой.

Деформации стеклофибробетона замерялись с помощью тензодатчиков с базой 50 мм, наклеенных группами на каждой грани образца: две в продольном направлении, одна- в поперечном.

Для оценки характера работы стеклофибробетона при растяжении, включая предельную стадию разрушения, были использованы результаты испытаний, полученные на специальных установках, позволяющих получить полные диаграммы "СГ£ы - Епл" фибробетонов при растяжении и изгибе, разработанные в НИИЖБ (авторы кандидат технических наук Волков И.В., и инженер Ицков И.Л.).

Экспериментально были определены также прочностные и деформативные характеристики фибролита, в т.ч. прочность на срез фибролита по грани сцепления со стеклофибробетонным слоем.

Слоистые элементы испытывались на специальном стенде, включавшем силовую раму, гидравлический домкрат, насосную станцию и распределительные балки. Нагрузки на опытные образцы создавались гидравлическим домкратом грузоподъемностью 50 кН через распределительную траверсу и прикладывались к образцу в виде двух сосредоточенных сил в третях пролета.

Прогибы элементов и отдельных слоев измерялись прогибомерами системы Максимова с ценой деления шкалы 0,01 мм. Они прикреплялись на специальной рамке. Ширина раскрытия трещин измерялась с помощью переносного микроскопа.

Контроль величины смещения слоев элемента относительно друг друга

производился системой индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм или 0,002 мм, прикрепленных к отдельным слоям элемента.

Нагружение образцов при испытаниях производилось этапами, равными 1/10 предполагаемой разрушающей нагрузки, с выдержкой на каждом этапе 10-15 минут. За это время снимались показания приборов, фиксировалось появление новых и развитие имеющихся трещин, определялась ширина их раскрытия.

При испытаниях опытные образцы доводились до разрушения.

Как показали проведенные испытания, момент образования трещин наступал при относительных деформациях на крайнем, наиболее растянутом волокне, равных есгс=(18т22)х10"5, для элементов, испытанных в возрасте 270 суток; и есгс=(20+25)х10"' -для элементов, испытанных в возрасте 30 суток. При этом процент фибрового армирования не оказал существенного влияния на величину относительных деформаций в момент трещинообразования.

За момент трещинообразования стеклофибробетона предлагается принимать момент нагружения, соответствующий резкому изменению деформаций или точке разветвления кривых "Р - Б", построенных по показаниям разнобазных датчиков по методике, предложенной Г.К.Хайдуковым.

Опытные значения отношений момента образования трещин к разрушающему моменту Mm /Ми для трехслойных элементов серии I-IV, составили: М^ /Ми =0,55 при JJ.fv =1,5% и Мсс /Ми =0,47 при Hfv =2,5%. Для образцов серий VII и VIII это отношение составило 0,56 при Jifv=2,5%.

При М=0,7Ми были визуально зафиксированы штриховые трещины, ширина раскрытия которых составляла З-б мкм при fi;y=¡,5% и 5-8мкм при (ijv=2,5%, шаг трещин составлял Ю-ЗОмм и 5-15мм соответственно.

Дальнейшее повышение нагрузки на элементы незначительно повлияло на появление новых трещин - их количество, как правило, не увеличивалось. В сечении, где появлялись первые микротрещины, штриховые трещины постепенно объединялись и при нагрузках, равных 0,9-0,95Ми, образовывали магистральную трещину, по которой затем происходило разрушение трехслойного элемента.

Анализ результатов исследований автора и проведенных ранее исследований показывает, что определение момента трещинообразования в стеклофибробетонных элементах может выполняться с использованием общих зависимостей для

железобетонных и армоцементных элементов с некоторой корректировкой их, учитывающей особенности фибрового армирования стекловолокном.

Для изгибаемых элементов расчет по образованию трещин рекомендуется производить из условия:

Мг^Мсго (1)

Принимаем, что при изгибе в момент образования трещин напряжения в крайнем, наиболее растянутом волокне сечения достигают величины Rs*,«, , а относительные деформации - величины £fbt,crc ■ Тогда значение напряжения в стеклофибробетоне в момент образования трещин будет определяться по формуле:

<?fbt,crc = Sfbt.crc' Ef ■ ( J-Lfv - JÍCT ) • (1/Kf ) • Kor + Rbt, ser , (2) коэффициент, учитывающий ориентацию фибр в сечении элемента; Rbt, ser- сопротивление бетона-матрицы осевому растяжению для предельного состояния второй группы; модуль упругости стеклянной фибровой арматуры; коэффициент фибрового армирования по объему; минимальный критический процент фибрового армирования, принимаемый равным 1,2%; Síbt,crc- относительные деформации стеклофибробетона в

момент образования трещин, принимаемые равными 18х10'5; коэффициент, учитывающий нелинейность зависимости напряжений в стеклофибробетоне от процента фибрового армирования и определяемый по формуле Kf = 0,1 + lg (100 -)lfv) или по графику (рис.1).

где: Ког -

Е,-Мсг-

Kf-

0 1,2. ¿5- г,О 2.S 3,0 Рис. 1. График зависимости Kf от процента фибрового армирования.

Кроме того, в расчете принимаются следующие предпосылки:

- гипотеза плоских сечений;

- работа утепляющего слоя прямым путем не учитывается;

- сечение (аналогично предложению проф. Г.К.Хайдукова для армоце-ментных и сталефибробетонных элементов) рассматривается приведенным к эквивалентному стеклянному сечению (рис.2).

Формулу для определения момента трещинообразования, исходя из вышеизложенного, можно представить в следующем виде:

Мае = Ф ■апл.сгс , (3)

где ф -коэффициент, зависящий от возраста стеклофибробетона при нагружении,

принимаемый на основе опытных данных, полученных М.М.Лачиновым для

стеклофибробетона в возрасте :

- 1 год и более ф = 1,0 ;

-28 суток ф= 1,1;

- в других случаях коэффициент ф принимают по интерполяции;

А^^ыъ - момент сопротивления для крайнего растянутого волокна с учетом неупругих деформаций растянутого стеклофибробетона.

Значения М<„, рассчитанные по формуле (3), хорошо согласуются с опытными значениями с точностью до 16%. Результаты приводятся в таблице 1.

Анализ результатов предшествующих работ показал, что расчет трещиностойкости стеклофибробетонных элементов сводился только к определению момента трещинообразования. Данных по раскрытию трещин в стеклофибрбетонных элементах в публикациях не обнаружено.

Результаты экспериментальных работ автора, а также данные, полученные в работах М.М.Лачинова, А.Х.Карапетяна и зарубежных исследователей показывают, что сгеклофибробетонные элементы после момента трещинообразования продолжают нести нагрузку и разрушаются при нагрузках, превышающих М^ в 1,7-2,3 раза.

Экспериментальные данные показывают, что на ширину раскрытия трещин в значительной степени влияет шаг трещин, зависящий от процента фибрового армирования и уменьшающийся с увеличением последнего.

а

5)

i

^—

Рис.2. Схема приведения сечения трехслойного стеклофибробетонного элемента к условному эквивалентному сечению из материала стеклянной фибры (стеклянному)

а) - сечение трехслойного стеклофибробетонного элемента,

б) - сечение, приведенное к стеклянному.

Таблица 1.

Опытные и теоретические моменты образования трещин в изгибаемых трехслойных элементах.

Марка И, Возраст М^, М°"сгс M'cre.l MV2 мтсгс, Мтсгс[96] М*от

эл-та, Mu [13], [96], М01« М"^

обр. % сут. НМ НМ НМ НМ

1-1 514,5 0,52 518,6 994,1 549,7 1,93 1,06

1-2 1,5 270 588,0 0,50 560,8 986,3 594,4 1,68 1,01

1-3 588,0 0,69 416,1 770,8 441,0 1,31 0,75

И-1 2,5 270 514,5 0,46 448,8 965,1 488,0 1,88 0,95

II-2 514,5 0,46 445,3 979,6 484,5 1,90 0,94

III-1 1029,0 0,58 990,1 1910,0 1049,5 1,86 1,02

III-2 1,5 270 955,5 0,52 977,8 1828,6 1036,5 1,91 1,08

Ш-З 1029,0 0,54 902,9 1741,0 957,1 1,69 0,93

IV-1 1102,5 0,46 1005,0 2011,5 1093,6 1,82 0,99

IV-2 2,5 270 808,5 0,48 915,8 1582,1 996,6 1,96 1,11

IV-3 1102,5 0,48 1059,5 2076,0 1152,9 1,88 1,05

VII 2,5 30 1886,5 0,73 1060,4 1719,4 1160,2 1,13 0,68

VIII 1543,5 0,56 1255,6 2099,7 1366,3 1,36 0,97

Для определения ширины раскрытия трещин в стеклофибробетонных элементах удобнее всего использовать соответствующую зависимость, принятую для армоцементных элементов в СНиП 2.03.03-85 с некоторой корректировкой, учитывающей особенности армирования стекловолокном и выражающуюся формулой:

Астй

асгс = Фг --- 7i.cn;, (4)

Ее

где ф1- коэффициент, принимаемый равным -1,0 при действии только кратковременных нагрузок; в других случаях его необходимо определять экспериментально;

Е( - модуль упругости стеклянной фибры;

Дстц - приращение напряжения в крайнем растянутом волокне сечения в зависимости от действующего момента и момента образования трещин, определяемое по формуле (5);

У1,сгс - коэффициент, учитывающий влияние фибрового армирования, определяемый по формуле (7).

При расчете Дсц рассматривается сечение, приведенное к эквивалентному стеклянному сечению (Рис.2) с единой упругой характеристикой. При этом в растянутой зоне к стеклянному сечению приводится только фибровая арматура с эквивалентной площадью сечения, а в сжатой зоне - фибровая арматура и бетон-матрица с эквивалентными площадями сечения. Исходя из вышеизложенного, Дстд будет определяться по формуле:

ДОй = (М - Мег;) / \УП , (5)

где : М - момент в нормальном сечении от внешних нагрузок, действующих на элемент;

Мое - момент образования трещин, нормальных к продольной оси изгибаемого трехслойного элемента;

- момент сопротивления сечения, приведенного к стеклянному сечению, определяемый по формуле:

\\Г„=1п /(1,3-Ус) , (6)

где 1П - момент инерции сечения, приведенного к эквивалентному стеклянному сечению, относительно его центра тяжести;

Ус - расстояние от центра тяжести приведенного сечения до наиболее растянутой грани.

На основании анализа результатов экспериментальных данных, автором установлена эмпирическая зависимость для определения коэффициента У1>сгс , учитывающего влияние процента фибрового армирования и шага трещин, выражаемая формулой:

У1.СГС = 100-( 0,62 - 20-Цл) , (7)

Значения а^с, рассчитанные по формуле (4), хорошо согласуются с опытными максимальными значениями раскрытия трещин а0ПСГс при изгибающих моментах, не превышающих 0,7 Ми , оценивая их с запасом до 15%.

Анализ результатов испытаний на прочность показывает, что разрушение изгибаемых трехслойных элементов происходит из-за разрушения стеклофибробетона растянутого слоя от внецентренного растяжения с малым эксцентриситетом. Работа сжатого слоя характеризуется практически упругой стадией работы при внецентренном сжатии с малым эксцентриситетом. Краевые деформации стклофибробетона сжатого и растянутого слоев в стадии разрушения зависят от высоты сечения, толщины слоев, отношения высоты элемента к рабочему пролету, прочности и деформативности стеклофибробетона.

Эксперименты и анализ позволили определить основные зависимости между указанными выше факторами в предельной стадии работы нормальных сечений изгибаемых трехслойных стеклофибробетонных элементов. Результаты испытаний для растянутого слоя представлены в таблице 2. В исследованиях были экспериментально

определены краевые деформации слоев и в соответствии с ними определены краевые напряжения в стеклофибробетоне в стадии разрушения элементов. Для этого были использованы экспериментальные зависимости "а^ - Бя*" для стеклофибробетона (Рис. 3).

На основании выявленных зависимостей определена схема напряженно-деформированного состояния в нормальном сечении изгибаемого трехслойного стеклофибробетонного элемента в стадии разрушения (Рис.4). Опыты показали, что при имеющем место внецентренном растяжении в растянутом слое, в средних по его высоте волокнах напряжения достигают временного сопротивления стеклофибробетона растяжению Яц* , а в крайних, наименее и наиболее растянутых волокнах, могут оказаться несколько ниже временного сопротивления, соответственно, а^п и ст^ (рис. 3 и 4).

Работа сжатого стеклофибробетонного слоя в диапазоне проведенных исследований характеризовалась практически упругой работой в условиях внецентренного сжатия. Соотношение максимальных и минимальных деформаций, соответственно в наиболее и менее сжатых волокнах, а также напряжения в них могут быть определены из расчетной схемы, приведенной на рис. 4.

На основе представленной схемы напряженно-деформированного состояния, с учетом особенностей прочностных и деформативных характеристик стеклофибробетона и утеплителя, разработана модель расчета прочности нормальных сечений изгибаемых трехслойных элементов с наружными слоями из стеклофибробетона.

В целом расчетная модель напряженно-деформированного состояния позволяет производить точный расчет с учетом фактически возможных деформаций слоев и реальных зависимостей "С{ы - ££ы"

Опыты показали, что в предельной стадии работы изгибаемого трехслойного элемента отношение краевых деформаций еп>и и Е^а изменяется в зависимости от геометрических размеров сечения, толщины стеклофибробетонных слоев и утеплителя и характеризуется коэффициентом Кс (см. табл. 2). Обозначения в таблице соответствуют принятым на рис.3 и 4.

зо етг ет во ат< эо

Рис.3. Обобщенная схема зависимости "С(ы - £(ы" при растяжении для стеклофибробетона.

Рис.4. Общая схема напряженно-деформированного состояния нормального сечения трехслойного изгибаемого элемента с наружными слоями из стеклофибробетона в предельной стадии.

Соотношение опытных краевых деформаций растянутого слоя стеклофибробетона

№ образца Еш хЮ5 £1Ы1 хЮ5 Ке Ц, % 'г, см гг/ь

1-1 44 55 1,25 1,5 1,49 0,133

1-2 42 66 1,57 1,53 0,136

1-3 39 48 1,23 1,15 0,102

II- 1 50 66 1,20 2,5 1,15 0,102

П-2 54 120 2,22 1,19 0,106

II-3 48 106 2,20 1,37 0,121

Ш-1 39 50 1,28 1,5 2,40 0,182

III-2 36 49 1,36 2,35 0,177

П1-3 32 48 1,50 2,20 0,168

IV-1 47 74 1,57 2,5 2,47 0,190

ГУ-2 52 66 1,48 2,20 0,167

IV-3 54 85 1,57 2,50 0,185

VII 55 62 1,13 2,5 1,60 0,085

VIII 56 75 1,34 1,80 0,088

В общем случае при расчете прочности нормального сечения, по схеме рис.4, значения краевых напряжений и Сла могут определяться из опытных зависимостей "Стая - С(ы", используя значения Е^а , приведенные в табл.3 и определяя с их использованием значения Е^и по приведенной ниже методике (см. формулу 16)

Анализ опытных значений дефрмаций и напряжений в сжатом и растянутом стеклофибробетонных слоях, а также сопоставление опытных и теоретических значений разрушающих моментов, показал, что можно с достаточной для практических целей точностью расчет прочности нормального сечения производить по упрощенной расчетной схеме напряженно-деформированного состояния элемента в предельной

стадии работы, приведенной на рис.5. При этом в запас прочности и без большой погрешности (до 2-10%), можно пренебречь работой слоя утеплителя.

Рис.5. Упрощенная рачетная схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого трехслойного элемента с наружными слоями из стеклофибробетона при разрушении.

Исходя из принятых предпосылок прочность нормального сечения изгибаемого трехслойного элемента определяется из условия :

М^^-г. (8)

В расчетах плечо внутренней пары сил 7. принимается условно постоянным и равным расстоянию между геометрическими центрами тяжести слоев. При этом, фактическое положение центра тяжести эпюры (У(ъ в сжатом слое компенсирует величину эксцентриситета равнодействующих в растянутом слое, сохраняя практически постоянным плечо внутренней пары сил 7.. Учитывая это,положение равнодействующих

Расчетные значения предельных относительных краевых деформаций растянутого слоя е^, коэффициентов полноты эпюры к>1, краевых напряжений Кь К2 и отношения предельных относительных краевых деформаций растянутого стеклофибробетонного слоя в зависимости от высоты сечения трехслойного элемента К«

\и% В \ 1,5 2,0 2,5 3,0

Е(Ы2 35 25 30 40 50

25 30 35 45 50

К1 0,8 0,85 0,9 0,95

к2 0,9 0,95 1,0 1,0

Й1 0,9 0,93 0,95 0,97

Ь,/Н 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20

КБ 1,1 1,15 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

усилий сжатия и растяжения принимается условно по центрам тяжестей соответствующих слоев.

По опытным данным, пониженные значения краевых напряжений Ст(ъи и Сд^ по отношению к К.(ы, могут оцениваться с помощью коэффициентов, соответственно К1 и Кг, приведенных в таблице 3, и определяться по следующим формулам:

Оя,и=И(м-К1 (9)

СТ(Ы2 = Ил- к2. (10)

При этом, в запас прочности от 0,5% до 5%, в зависимости от толщины растянутого слоя, может приниматься, что по высоте растянутого слоя напряжения растяжения линейно распределяются между значениями апмь Яа* иСТ(Ы2-

Тогда усилие в растянутом стеклофибробетонном слое определяется по формуле :

СГЛИ + ФЫ2 + К.(Ы

Мя,,=--А пл, (П)

3

где Аяя - площадь сечения растянутого сгеклофибробетона.

Для упрощения расчетов при стеклофибробетонных слоях толщиной до 15 мм допускается производить расчет в соответствии с упрощенной схемой, приведенной на рис.6. При этом напряжения растяжения условно принимаются равномерно распределенными по высоте сечения, равными Кд* • СО] и определяются из следующего положения. Максимальное значение напряжений в растянутом слое достигает величины равной а фактор более низких краевых напряжений оценивается коэффициентом полноты эпюры со 1 ( см. таблицу 3 ).

а

То

ш

Рис. 6. Упрощенная схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого трехслойного элемента с наружными слоями из стеклофибробетона малых толщин.

Тогда прочность нормального сечения изгибаемого трехслойного элемента определяется из условия:

м^о^Ай'г. (12)

Во всех случаях следует выполнять проверку работы сжатого слоя по следующей схеме. Краевые относительные деформации сжатого стеклофибробетонного слоя определяются по формулам:

Бй>1 = Бац ; х / ( Ь - х) , (13)

Бай = Е(ыг( х-*/ )/(Ъ-х). (14)

Положение нулевой линии определяется из условия:

епл2-ем-(1--)■ (15)

Ь -х

При этом, значения е^а принимаются по опытным данным, приведенным в табл.3, а значения е^н определяются в зависимости от отношения толщины растянутого стеклофибробетонного слоя ф) к высоте трехслойного элемента (Ь) с помощью коэффициента Кг по формуле:

Ейя1 = Е«Ы2-Ке. (16)

Значения КЕ принимаются по данным табл.3.

Краевые напряжения сжатого стеклофибробетонного слоя определяются по формулам:

С{ы=Ел>-ел1, (17)

0(Ь2 = ЕЙ-ЕЛ2 , (18)

усилие в сжатом сгеклофибробетонном слое определяется по формуле :

0£Ы + СГ1Ъ2

1^ =-'А£Ь, (19)

2

где А а, - площадь сечения сжатого слоя стеклофибробетона.

При этом должно выполняться условие :

01ы<К(ь, (20)

Результаты сопоставления опытных М„ и теоретических разрушающих моментов, определенных с учетом обобщенной зависимости "С^- Еш" и схемы на рис. 5 - М<,т и упрощенной модели расчета по схеме на рис. 6 - М<Д представлены в таблице 4. Эти данные показывают достаточно хорошую сходимость теоретических и опытных значений разрушающих моментов.

Соотношение опытных и теоретических разрушающих моментов трехслойных изгибаемых элементов

+-------

1 № | ми, 1 МоТ, 1 Ми 1 М«,г | Ми 1 М0Т !

1 обр. | кНм | кНм М0Т 1 КНм 1 Мщ1 МоТ 1

1 1-1 1 1, 01 1 1,014 0, 99 0, 94 1, 074 — - 1 1,08 |

1 1-2 [ 1,20 1 1,063 1,13 0, 95 1,26 1,26 |

1 1-3 | 0, 86 | 0,763 1,13 0,77 1,11 0,99 |

1 И-1 1 1,12 1 1,120 1, 0 1,03 1,09 1,08 |

1 И-2 | 1,12 ! 1,190 С, 94 1, 08 1, 04 1,10 |

1 и-з | 0, 86 1 1,295 0, 66 1,27 0, 68 1,02 |

1 Ш-11 1,80 1 1,810 0, 99 1,81 0, 99 1,0 I

1 111-2| 1, 87 1 1,720 1, 08 1,73 1, 08 0,99 |

1 Ш-3| 1, 80 | 1,661 1,08 1, 66 1, 08 1,0 |

I IV-! | 2,40 1 2,298 1,04 2,28 1,05 1,01 |

1 IV-2 | 1,73 1 1,769 0, 98 1,75 0, 99 1,01 |

1 IV-3 1 2,40 ! 2,360 1, 02 2,32 1, 03 1,02 |

1 VII | 2, 62 1 2,466 1,06 2,22 1,18 1,11 1

1 VIII | 2, 80 I 2,793 1, 00 2,57 1, 08 1,08 |

+--------

Результаты испытаний трехслойных элементов выявили возможность разрушения в определенных случаях из-за среза утеплителя по поверхности его контакта со сгеклофибробетонными слоями. Достаточная несущая способность трехслойного элемента по срезу утеплителя определяется по формуле:

т = С2-8ге<1/( 1ГИ1-Ь)< , (21) где : 0 - поперечная сила;

8геа, ^ - приведенные статический момент и момент инерции нормального сечения трехслойного элемента;

Ь - ширина элемента;

- временное сопротивление срезу фибролита.

При этом необходимо за R«h принимать величину сопротивления срезу фибролита, полученную из опытных данных, соответствующих отсутствию эффекта "обоймы" при испытаниях. Для элементов, разрушение которых произошло по нормальному сечению, Т< Rsh-

Анализ полученных экспериментальных результатов выявил возможность использования при проектировании трехслойных элементов расчета их прогибов на ЭВМ по программе "Расчет строительных конструкций в линейной постановке (SAP-80) по ферменной аналогии методом конечных элементов." Расчетная схема по программе "SAP-80" представлена на рис. 7. В расчет были заложены фактически определенные в опытах деформативные характеристики стеклофибробетона и фибролита.

Расчеты, выполненные на ЭВМ по программе "SAP-80" показали, что достаточно точно прогибы трехслойных изгибаемых элементов могут быть определены методом конечных элементов по ферменной аналогии, подставляя в расчет опытные характеристики стеклофибробетона и фибролита с учетом схемы нагружения и распределения усилий в зависимости от уровня внешней нагрузки. Анализ показал, что расчетные прогибы изгибаемых трехслойных элементов хорошо коррелируются с опытными данными.

Рис.7. Расчетная схема трехслойных элементов в программе "Расчет строительных конструкций в линейной постановке (АР-80)", с переменным модулем деформация растянутого стеклофибробетонного слоя.

а) - пролетом 90 см;

б) - пролетом 210 см.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния в нормальных сечениях изгибаемых стеклофибробетонных элементов.

2. Исследованы прочностные и деформативные свойства стеклофибробетона наружных слоев и фибролита внутреннего слоя трехслойных элементов.

3. Проведенные исследования показали, что механическое сцепление между наружными слоями и внутренним слоем утеплителя без дополнительных связей достаточно для обеспечения совместной работы трехслойного элемента на изгиб при l/h>8 или при соблюдении условия: X = Q SrKi / ( Jrc<i b ) < Ra .

4. Предложена и экспериментально обоснована теоретическая зависимость для определения значений напряжений в стеклофибробетоне в момент образования трещин С7(ы,стс = EfbtEf ( (ifv - Цст )(I/Kf )Ко,+ Кы,,«.

Нелинейность зависимости напряжений в растянутом стеклофибробетоне от процента фибрового армирования следует учитывать коэффициентом Kf , определяемым по формуле Kf = 0,1 + lg (100- Hfv).

Расчет момента образования трещин, в нормальном сечении трехслойных изгибаемых элементов рекомендуется производить по формуле: М^ = ф-Ofbt, crc'Wpi,fb.

5. Даны предложения по расчету ширины раскрытия нормальных трещин в растянутом стеклофибробетонном слое трехслойного элемента.

Выявлена зависимость влияния процента фибрового армирования на ширину раскрытия трещин и шаг трещин, учитываемая коэффициентом yi>crc в формуле (4). Коэффициент У1)СГС определяется по формуле yijCrc = 100 (0,62-20|ifv).

6. Разработана общая модель расчета прочности нормального сечения трехслойного изгибаемого элемента с наружными слоями из стеклофибробетона и внутренним слоем утеплителя-фибролита, при действии кратковременных нагрузок (формулы 8-20). Даны варианты упрощения.

Определены опытные соотношения краевых деформаций растянутого стеклофибробетонного слоя Ке в предельной стадии разрушения в зависимости от общей толщины трехслойного изгибаемого элемента и толщины растянутого стеклофибробетонного слоя.

На основании экспериментальных диаграмм "Стц* - Спя" для стеклофибробетона при растяжении установлены расчетные значения коэффициентов полноты эпюры (щ и отношений краевых напряжений растянутого слоя К 1 и

7. Прогибы трехслойных изгибаемых стеклофибробетонных элементов рекомендуется рассчитывать методом конечных элементов в линейной постановке с использованием ферменной расчетной модели с принятием в ее элементах переменных значений модуля деформаций элементов из стеклофибробетона и фибролита в соответствии с уровнем нагружения.

8. Приведено технико-экономическое обоснование применения стеклофибробетона в трехслойных изгибаемых элементах и конструкциях.

Даны предложения по применению других видов утеплителей взамен фибролита, использованного в настоящей работе.

Основные положения диссертационной работы нашли отражение в следующих научных публикациях:

1. Волков И.В., Газин Э.М. Исследование прочности нормальных сечений изгибаемых слоистых элементов из фибролита и стеклофибробетона// Экспресс информация ВНИИНТПИ, серия "Строительные конструкции и материалы", вып. 6, 1994 г., с. 32-37.

2. Волков И.В., Газин Э.М. Исследование прочности нормальных сечений изгибаемых слоистых элементов из стеклофибробетона // Пространственные конструкции зданий и сооружений. -М., Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1996 г.- Вып. 8. - С. 112-117.

3. Волков И.В., Газин Э.М. Трещиностойкость изгибаемых трехслойных элементов из стеклофибробетона и фибролита// Ресурсосберегающие конструктивно-технологические решения зданий и сооружений: Сб. докл. Междунар. конф. "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений". -Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1997 г.- Ч. 6-7. - С. 283-287.

4. Газин Э.М. Исследование работы слоистых изгибаемых элементов с фибролитом и наружными слоями из стеклофибробетона// Новое в технологии, расчете и конструировании железобетонных конструкций. -М., НИИЖБ, 1993 г., -С. 26-28.

5. Ведомственные строительные нормы "Проектирование и основные положения технологий производства фибробетонных конструкций" (ВСН 56-97), М., 1997 г.