автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование работы высокопрочной арматуры в сжатой зоне железобетонных конструкций

Ь им

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА И СТРОИТЕЛЬСТВА ЗАПОРОЖСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи Аль-Каддах Мохамал

УДК 624.012

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ВЫСОКОПРОЧНОЙ АРМАТУРЫ В СЖАТОЙ ЗОНЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском институте коммунального хозяйства и строительства и Запорожском индустриальном институте. Научные руководители: доктор технических наук, про^ссор

НЛЗЛРРЖО В. Г.

кандидат технических наук, доцент МАРКОВ А. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, про^ссор

ХРОМЕЦ Ю. Н.

кандидат технических наук, профессор ЯГУПОВ Б.'А.

Ведущая организация: Центральный научный исследовательский

институт экспериментального проектирования сельскохозяйственного строительства

,ся ..30 .. Но9<0>9- ,оо4 р. в /3

Зашита состоится "__" 1994 г. в / о ча~

ов на заседании специализированного совета К 063. 08. 01 по при-уждению ученой степени кандидата технических наук в Московском нетитуте коммунального хозяйства и строительства по адресу: 09807, Москва, Ж-29, Средняя Калитниковская ул. , д. 30, актовый ал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского нститута коммунал: чого хозяйства и строительства.

Автореферат ра юслан " »Ок./10^4 г.

Ученый секретарь снециализир> «ванного совета

М. В. Герлинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Цель диссертационной работы. Исследование особен-остей работы сжатой зоны железобетонных конструк-ий, армированных высокопрочной арматурой, и разра-отка предложений по расчету таких элементов с учетом еальных свойств, присущих железобетону: нелинейности сформирования, ползучести, полной диаграммы дефор-ирования бетона, режимов нагружения и т.д.

Актуальность_работы. Расчетные сопротивления

рматуры сжатию действующие нормы проектирования елезобетонных конструкций назначают в зависимости от изического или условного предела текучести арматуры предельной сжимаемости бетона. За величину пре-ельной сжимаемости принимаются относительные дефор-ации бетона при кратковременном нагружении до апряжений, равных призменной прочности. При этом читается, что эта величина для бетонов всех видов и лассов одинакова и равна 0.002. Для стали с тносительно низкой прочностью относительные дефор-ации на пределе текучести не превышают этой величины совместность деформаций бетона и арматуры не арушается вшк ть до разрушения. В этом случае асчетное сопрс: -тление арматуры сжатию определяется ределом ее текучести. Деформации высокопрочных стаей на условном пределе текучести превышают обсуж-аемую выше величину 0.002 и, поэтому, нормы в этом лучае определяют расчетное сопротивление арматуры жатию величиной напряжений, при которых развиваются акие деформации.

Многочисленные экспериментальные исследован отечественных и зарубежных ученых сжатых желез бетонных элементов, армированных высокопрочной арм турой, показывают, что напряжения в сжатой армату ощутимо превышают нормируемую величину. На осно полученных экспериментальных данных построены частн импирические зависимости, учитывающие влияние о дельных факторов на величину этих напряжений. Однак до сего времени нет теории, способной выявить факто н степонь их влияния на обсуждаемую величину.

С практической точки зрения целесообразное применения высокопрочной сжатой арматуры определяет не только снижением удельной стоимости, но зачастую, просто необходимостью обеспечения нов шенной несущей способности в стесненных условиях.

Таким образом, проведение рассматриваемых иссл дований актуально.

Работа выполнялась в Московском институте комм нального хозяйства и строительства на кафедре желез бетонных конструкций и Запорожском индустриальном и. ституте в соответствии с темой 9/94-53 - "Теорет) ческие исследования поведения арматуры в сжатой зо: железобетонных конструкций" единого наряда-зака: Госкомитета по высшему образованию РФ.

Теоретические исследования были направлены решение следующих задач:

изучение условий, способствующих развитию запр< дельных деформаций бетона на ниспадающей ветви ди, граммы деформирования;

изучение степени проработки ниспадающей ветви ^аграммы деформирования бетона, величина которой эямо связана с величиной напряжений, развивающихся в катой арматуре перед разрушением элемента;

изучение в- шния ползучести бетона на его зформации на всех этапах работы, вплоть до разру-эния;

разработка алгоритмов и программ расчета сжатых элезобетонных элементов, армированных высокопрочной катой арматурой.

Научную новизну работы составляет следующее: получены теоретические зависимости, необходимые для ценки работы высокопрочной арматуры в сжатых зонах елезобетонных конструкций;

изучено влияние интенсивности армирования, получести и режимов нагружения на степень использования ысокопрочной арматуры;

построены алгоритмы и программы на ПЭВМ для расчета ормальных сечений железобетонных элементов армиро-анных высокопрочной сжатой арматурой.

На защиту выносятся: результаты исследования поведения высокопрочной рматуры в сжатой зоне железобетонных конструкций;

результаты теоретических исследований влияния нтенсивности армирования, ползучести бетона, дли-ельности и режимов нагружения на степень исполь-ования высокопрочной сжатой арматуры;

алгоритмы и программы расчета железобетонных сжатых инструкций, армированных высокопрочной арматурой;

- теоретическая зависимость расстояния между попере ными стержнями от величины напряжений, развивающихся сжатой арматуре.

Достоверность и обоснованность научных положений выводов подтверждена: коректной постановкой и решена задач на основе традиционных допущений, предпосылок гипотез; совпадений теоретических данных с даннь экспериментов других независимых исследований, ольи эксплуатации конструкций, запроектированных по сфор^ лированным в диссертации результатам.

Практическое значение работы заключается в том, ^ результаты проведенных исследований позволяют суще твенно повысить надежность оценки напряженно-дефорь рованного состояния железобетонных конструкций на сч дии их проектирования, основанную .на математичес строгих и точных теоретических решениях, что, в се очередь, позволяет при одинаковых затратах проект ровать более надежную конструкцию, или призадань надежности снижать затраты на создание конструкции.

Материалы^ дассертации изложены з статье "Пробле нелинейной теории железобетона" в кн. "Научно-техь ческая продукция", МИКХиС, Москва, 1994, с.64-67.

Аппробация работы. Работа доложена на XX Юбилейь конференции,посвященной 50-летию Московского инстит;, коммунального хозяйства и строительства, по теме "Прс лемы нелинейной теории железобетона" (Москва, 19 94).

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, оби выводов и списка литературы, содержит 125 с. основнс

У

кета, 18 с. иллюстраций, 2 8 с. таблиц, библиографи-~кий список из 95 наименований.

Ниже приводится краткое содержание работы.

Анализ исследований Е.А.Чистякова, П.Ф.Вахненко, Ч.Берга, А.А.Артемчука, Н.М.Мулина, М.К.Бейсембаева, З.Карнета, А. ГГ.Кусакина, Д.Т.Маиляна, В.В.Сурина, Л.Шорниковой, 1- Н.Попова, А.А.Гончарова, В.Ф.Захаро-Ю.В.Краснова, Ю.Ж.Аун, И.Г.Хайта, Н.Ф.Трохачева, 1.Миченея, А.Ю.Свитлыка и других показывает, что противление арматуры, расположенной в сжатой зоне же-зобетонных конструкций определяется ее количеством, формативными свойствами арматуры и бетона, формой перечного сечения , видом напряженного состояния эле-нтов конструкций и режимом внешних воздействий.

В практике проектирования предельное сопротивление матуры сжатию назначают в соответствии с некоторой повно усредненной величиной предельной сжимаемости гона £¡1=2%с и величиной физического или условного эдела текучести металла. Считается, что вследствие пьшой гибкости арматура исчерпывает свою несущую спо-Зность в момент разрушения бетона. Предельное со-этивление арматуры сжатию определяется меньшей 113 ух величин. Первой - напряжением в арматуре при формациях, равных^ и второй - величиной предела кучести арматуры. Для арматуры повышенной прочности ределяющей является первая величина. Величина £е(1=.?|при-га в запас прочности по нижним значениям предельной ;1маемости бетона при кратковременном нагружении. Для эгих классов и видов бетона она может принимать боль-

ъ

шие значения. Величина ¿' ^ «=2%о определена при испьи центрально сжатых бетонных призм и соответствует д€ мациям призмы при максимальных напряжениях, рг лризменной прочности бетона.

Деформации армированных элементов при цeнтpaJ сжатии, неармированных и армированных элементов прр гибе или внецентренном сжатии больше величины £ ^ 1<(

в этих элементах создаются условия для реали; ниспадающей ветви полной диаграммы "£>>.-и справе; £<■>! ^-Ь./пп*. 4 £о.и

Уже на этапе кратковременного нагружения предельные деформации бетона влияют деформации ш чести, точнее - быстронатекагацая ее часть. Даже кратковременном нагруженми могут быть созданы усл( когда полностью реализуются прочностные свойства с: высокопрочной арматуры без предварительного напряж< Опыты Е.А.Чистякова и К.К.Бакирова показали, что в дельном состоянии исчерпанию несущей способности мента предшествуют разрушения защитного слоя Оето! элементах с косвенным армированием появление продо. трещин в защитном слое бетона обнаружено при продо. деформациях окло 2.5 % , что соответствует напряж в продольной арматуре =500МПа. Эта величина пр действующими нормами за предел прочности высокопр арматуры на сжатие

При продолжительном действии нагрузки в бетоне виваютсся деформации ползучести, которые с по значительно увеличить предельные деформации сж бетона В зависимости от режима внешных воздейс

формативных свойств арматуры, деформативных и следственных свойств бетона £ь.^ад могут меняться в роких пределах. При этом трансформируется во времени аграмма деформирования бетона *6& СО - ¿ь С 4 > вместе с ее рактерными точками, определяемыми режимной прочностью тона^(£)и соответственно б),.!.'!- максимальными деформациями соответствующей им прочности . Вместе с тем оче-

:дно, что при реализации деформаций ползучести будет 'даляться момент образования продольных трещин в :тоне защитного слоя. Кроме того, момент образования ■их трещин не служит моментом исчерпания несущей юсобности элемента, следует лишь следить за величиной : раскрытия в соответствии с требованиями 2-ой группы »едельных состояний.

Анализ показал также, что большинство экспери-¡нтальных исследований проводились при кратковременном ¡нтральном сжатии (исключением для нас явилась работа Ю.Свитлыка, и, отчасти, Ю.Ж.Ауна с целью изучения тяния свойств бетона, свойств арматуры и ее коли-:ства на максим< чьные деформации бетона и на величину шряжений в армаг. уре при разрушении.

Имеется лишь несколько публикаций, посвященных эатковременному внецентренному сжатию. В подавляющем теле случаев, экспериментальные исследования изучали эзависимое влияние этих факторов. Теоретические зобщения представляли собой, как правило, апроксимацию слученных результатов эмпирическими зависимостями. Вне шсмотрения оказались изгибаемые и внецентренно ютянутые элементы с большими эксцентриситетами,

имеющими сжатую зону бетона, в которой при определи ных условиях может быть целесообразным применение выс копрочной арматуры.

Перечисленные факторы влияют комплексно на нап£ женно-деформированное состояние железобетонных кс струкций, методы определения которого отсутствуют.

Нормы проектирования железобетонных конструк! предъявляют определенные конструктивные требования назначению поперечного армирования элементов, арми^ емых сжатой арматурой, учитываемой в расчете несун способности. Эти требования определены по результат экспериментов с низкопрочной сжатой арматурой. Обос! вание их в случае применения высокопрочной сжатой г матуры также отсутствуют.

Целью настоящих исследований является теоретичеа построение модели деформирования сжатой зоны бет О! армированной высокопрочной арматурой для изучения вл!-ния различных факторов на ее напряженно-деформирован! состояние с последующей апробацией существующими экс: риментальными данными. Основной задачей настоящих I следований является изучение зависимости напряженно-; формированного состояния сжатой зоны поперечных сече! железобетонных конструкций, армированных высокопроч! арматурой, от интенсивности армирования, прочности! деформативных и наследственных свойств арматуры и бе1: на и режимов внешних воздействий с целью определе} поведения высокопрочной арматуры в сжатых 301 реальных железобетонных конструкций, знание которс

1еобходимо для осмысленного построения области рацио-шльного применения такой арматуры.

В качестве механической модели принят короткий ;имметрично армированный продольной арматурой с тлощадью поперечного сечения А3 железобетонный элемент

центрально нагруженный продольной силой N(t), меня-ощийся во времени по заданному закону. Необходимо определить напряжения в бетоне арматуре 6*s(t) и их ;овместные деформации £ (t) . Математическая модель 1спользует следующие зависимости:

Условие равновесия между сжимающей силой и внут-эенними усилиями даст уравнение

o{l)Ah+Ascyx{t) = mt),

(1)

рде Аь и As - площади поперечного сечения бетона и фматуры.

Величина напряжений в бетоне

a(t) = Rb«)Mt) / ^(O)exp(l - bit) / ¿'„(О) •

(2)

Величина напряжений в арматуре определяется

о;,(0 =

' (3)

?де Es - секущий модуль упругости арматуры, определяемый по формуле

Три этом

пде Rsc<

Секущий модуль деформаций арматуры

где

Р*" Е; +С-1 <5о.оа-

g- ^^/¿sf

/и. /г?

В ( 6 ) fи и m - параметры диаграммы " - Е£ " JI. Р. Маиляну.

Длительная прочность бетона по В.Г.Назаренко

о (П - (K/eJe^O - , it.t.)

где А ( t,to) - нормирующий множитель

«: <*о дт

Разрешающая система уравнений (1), (2), (3), (Î (8) с интегральным уравнение^ (8) и ограничением (4) принципе является задачей математического программна вания. Однако она имеет одно независимое перемен! ¿{t), поэтому решается шаговым методом. С этой цeJ временной интервал [to~t] разбивается на определен!

количество более мелких, в течение которых напряжен принимаются постоянными. Интегральное выражение заменяется на

/=о

Постепенно, начиная с момента времени загружения to» шаг за шагом, так , что п пробегает значения номеров всех интервалов, вычисляются необходимые величины £"s(ti), £ (ti) , A(ti,t0) и N(ti).

Принятый алгоритм может работать в двух режимах. Первый позволяет определить предельную нагрузку N(t). В этом случае максимизируется выражение N(t) в выражении (1) при записанных выше ограничениях. В результате вычисляются предельные величины напряжений в бетоне и арматуре, предельные деформации и несущая способность в любой момент времени t. Второй позволяет определить эти величины при заданном законе изменения N(t), величина которой не превосходит предельной. В этом случае минимизируется невязка выражения (1) при записанных выше ограничениях в виде равенств и неравенства.

В соответствии с приведенным алгоритмом для численного решения задач каждого режима составлены две программы для ПЭВМ на алгоритмическом языке BASIC.

Проведен расчет центрально нагруженных стержней из тяжелого бетона призменной прочности Rb=26 МПа.

Коэффициент армирования менялся в пределах 0. 005...0.06. Исследовалось поведение арматуры класса А-IV и A-VI. Результаты расчета представлены на рис.1 и 2.

Из анализа полученных данных следует, что при низком коэффициенте армирования, равном около 0.005, напряжения в арматуре совпадают с нормативными данными. Причем, предельная сжимаемость также соответствует

Т 9*

Рис. I. ьапряжение в арматуре класса а-ТУ*/4-= 0,005...0,0о с щагомл/^ =0,00^"

о '!'0 2 ce son ЧРО soo

Рис. 2. палряжение e арматуре класса л-Vl, /У = 0,005...0,0и с тагом лу4 =0,005

принятой в нормах £ С увеличением количест

арматуры предельные напряжения в ней растут уже п кратковременном действии нагрузки. Со временем, результате проявления ползучести, напряжения растут даже в слабо армированных элементах, приближаются нормативному сопротивлению арматуры на растяжение.

При этом так же сохраняется тенденция к рос предельных напряжений в зависимости от увеличен интенсивности армирования, хотя и более слабая, чем п кратковременном нагружении.

Полученный эффект можно объяснить след угон образом. Арматура, находящаяся в бетоне, является еде живающим элементом , стесняющим деформации. Ее действ в принципе аналогично поддерживающему эффекту меь нагруженных волокон в бетонном элементе при нес нородном напряженном состоянии.Сдерживание деформаг бетона арматурой провоцирует развитие запредель* деформаций на неспадающем '-участке диаграммы дефс мирования бетона. Естественно, чем больше количес: арматуры, тем больше сдерживающий эффект , тем 601 прорабатывается неопадающая ветвь и тем больше рг виваются деформации в бетоне до его разрушения.Та1 образом сплошность арматуры и бетона не нарушается г значениях деформаций, больших Сьи ■ Отсюда и напряжения арматуре превышают принятые нормами величине сопротивления арматуры сжатию.

Если учесть, что сжатые элементы в совремеш каркасных зданиях нагружаются постепенно, особенно многоэтажных зданиях, а период строительства заним£

значительное время, то за счет проявления эффекта ползучести можно повышать расчетные сопротивления арматуры сжатию.Причем,основываясь на сетевом графике строительства, можно прогнозировать режим нагруже-ния.При этом этот режим будет нижней границей длительности, поскольку сетевой график основан на критическом пути. В действительности период строительства всегда больше.

Сжатые стержни железобетонных конструкций, учитываемые в расчетах,согласно действующим нормам должны раскрепляться от бокового выпучивания поперечными стержнями. Растояние между поперечными стержнями должно быть не более 15 и 20 диаметров при ,400 МПа, 12 и 15 диаметров при Р.зс.).4 50 МПа, в вязанных и сварных каркасах соответственно. Если насыщение элемента требует по расчету сжатой продольной арматурой свыше 1.5%, а также если все сечение элемента сжато и общее насыщение арматурой Б и Б' свыше 3%, расстояние между хомутами должно быть не более 10 диаметров и не более 300 мм. Боковое выпучивание сжатых стержней наступает в результате потери устойчивости, когда сжимающая сила достигает критического значения. Согласно Л.Эйлеру, критическая сила центрально сжатого стержня определяется выражением

'о

Вообще говоря, арматурный стержень, находящийся в бетоне, подкрепляется бетоном, и вычисление их совместной жесткости представляет самостоятельную

интересную и, вместе с тем черезвычайно трудную зада** Ясно, что собственная жесткость стержня является нижк оценкой жесткости ■системы бетон-стержень. И если принять при вычислении критической силы, то получен* значение будет наименьшим. С одной стороны, х круглого стержня,:

Я2 „ ТТСр*

42 64

с другой

= -

4

Приравнивая эти выражения и произвс соответствующие сокращения, получим:

,71

Приведенная длина 10 лежит в пределах между 0.5^ где t - расстояние между хомутами. С извест! степенью осторожности можнс^ принять ¿$=0.8 {, то:

расстояние между хомутами определится как

V С

Так, если б =Би,с=400МПа и Е=2*105МПа,

/=5(500с1=22.4с1, а при-б=103МПа £= \/200с1=14 . 2й.

19

Выводы

На основе проделанной работы вытекают следующие воды:

1.Предельная сжимаемость бетона , принятая нормами, ляется величиной деформаций бетонного элемента при пряжениях, соответствующих призменной прочности тона, полученных при постоянной скорости нагружения

отсутствии стеснения деформаций. В реальных кон-рукциях деформации бетона стесняются либо менее наг-■женными волкнами бетона и арматурой при неоднородном лряженном состоянием, либо арматурой при центральном сатии.

2.В результате стеснения деформаций в бетоне про-[батывается ниспадающая ветвь диаграммы деформи->вания, что увеличивает его деформации перед [зрушением.

3.Деформации ползучести бетона так же увеличивают >щие деформации конструкции перед разрушением.

4.Стеснение деформаций и ползучесть, таким образом, (еличивают деформации элемента конструкции перед >терей сплошности констукции. Этим объясняется ¡тановленый в опытах факт, что при определенных усло-1ях напряжения в сжатой высокопрочной арматуре зна-гтельно превышают нормируемые значения.

5.Превышение напряжений .в сжатой арматуре по от->шению к нормируемым значениям растет с увеличением ее ючности при растяжении, уровня стеснения деформаций и гигельности действия нагрузок.

6.Стеснение деформаций зависит от количества api туры, степени неоднородности напряжённого состоят формы поперечного сечения элемента, реологических деформативных свойств бетона и арматуры,а также реж! напряжений.

7. Разработан метод оценки поведения высокопрочз аратуры в сжатой зоне железобетонных конструкций основе нелинейной теории железобетона.

8.Составлены алгоритмы и отлажены программы расч< центрально сжатых железобетонных элементов на ПЭВМ позволившие количественно оценить обсуждаемое явлен! Полученные результаты не противоречат многочислен] опытам отечественных и зарубежных исследований.

9.Программы позволяют проводить расчёты реалы конструкций, армированных высокопрочной сжатой арз турой, при расчётных сопротивлениях этой арматуры с: тию, близких к сопротивлению на растяжение.

10.Предлагаемый метод позволяет учитывать реаль режим нагружения, например, в соответствии с сете графиком строительства.

11.Предложен аналитический способ определе расстояния между поперечными стержнями, закрепляют высокопрочную сжатую арматуру от бокового выпучиван: в зависимости от действующих в ней напряжений.