автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Керамзитофиброжелезобетонные изгибаемые элементы с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения

РОСТОВСКАЯ-НА-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

КЕРАМЗИТОФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ИЗГИБАЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ВЫСОКОПРОЧНОЙ АРМАТУРОЙ БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.23.01 - "Строительные конструкции,

здания и сооружения"

Г'Го ОД

На правах рукописи

ШИЛОВ Андрей Владимирович

А в торе ф е р ат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону, 1996

Работа выполнена в Ростовской-на-Дону государственной академии строительства на кафедре железобетонных и каменных конструкций.

Научный руководитель: Заслуженный строитель Российской Федерации,

доктор технических наук, профессор

Л.Р. Маилян

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

E.H. Лересыпкин кандидат технических наук С.С. Пиневич

Ведущая организация - А.0 "СевкавНИПИагропром"

Защита состоится " 0 1996 г . в Ю часов на за-

седании диссертационного совета Д.06164.01 в Ростовской-на-Дону государственной академии строительства по адресу:

344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 232.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " " г.

Ученый секретарь диссертационного сове- L IJ

та кандидат технических наук, доцент;

А.И. Панченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современному строительству требуются легкие эффективные железобетонные конструкции и изделия полной заводской готовности, обеспечивающие в сжатые сроки монтаж здании и сооружений при минимальных затратах труда на строительной площадке. В связи с этим повышение требований к материалам и конструкциям, а также совершенствование методов их расчета и проектирования является важной задачей.

Одним из путей является использование в железобетонных конструкциях дисперсной арматуры. Дисперсно армированные бетоны представляют собой разновидность обширного класса композиционных материалов, применяемых в последнее время все более широко. Особый интерес представляют бетоны, армированные минеральными волокнами, главные достоинства которых - дешевое природное сырье и близкие к их железобетонным аналогам прочностные характеристики. Наличие в бетоне минеральных волокон увеличивает прочность и жесткость конструкций, повышает трещиносгогасость, улучшает морозостойкость и ударную стойкость, сопротивление усадке, ползучести и другие характеристики.

В этой связи значительный теоретический и практический интерес представляют вопросы исследования свойств керазитофибробетона и напряженно-деформированного состояния изгибаемых керамзитофиб-рожелезобетонных элементов, имеющих комбинированное армирование - традиционное стальное н дисперсное неметаллическое фибровое.

Существующие в настоящее время нормативные методы расчета железобетонных элементов по предельным состояниям не учитывают или учитывают не в полной мере работу растянутого бетона. Однако при фибровом армировании прочность бетона на растяжение резко-увеличивается, что дает основание дополнительно учитывать его в расчетах. Мало изученными являются в настоящее время и вопросы повышения характеристик керамзитофибробетона в зависимости от содержания в нем фибр.

Данная работа направлена на дальнейшее совершенствование норм и посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию керамзитофибробетона и изгибаемых железобетонных элементов из него при кратковременном загружении.

Цель диссертационной работы:

- исследовать физико-механические свойства конструктивного керамзитофибробетона с различными видами фибр и процентом фибрового армирования и работу железобетонных изгибаемых элементов из него с ненапрягаемой арматурой, а также возможности сочетания линейного и фибрового армирования; предложить методы расчетной оценки характеристик конструктивного керамзитофибробетона, а так-

же несущей способности, трещиностоккоста и деформативностн желе зобетонных изгибаемых элементов ю него.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований конструктивной: керамзитофибробетона с различными видами фибр;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативностн различных видов фибр - полипропиленовых, минера ловатных, стекловолокон, базальтового ровинга и грубого базальтово го волокна;

- выбор в качестве базового вида фибр грубого базальтового волокна (ГБВ);

- результаты статистической обработки полученных опытных данных и рекомендованные значения нормативных и расчетных сопротивлений конструктивного керамзитофибробетона по первой и второй группам предельных состояний;

- результаты экспериментальных исследований работы железобетонных изгибаемых элементов с обычной ненапрягаемой арматурой и: конструктивного керамзитофибробетона;

- аналитические зависимости для определения прочностных и де-формативных характеристик конструктивного керамзитофибробетона в зависимости от процента содержания в нем фибр;

- методы расчета прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов с учетом работы растянутой зоны бетона в предельной по прочности стадии;

- способы расчетной оценки трещиносгойкости железобетонных изгибаемых элементов из конструктивного керамзитобетона;

- учет свойств и характеристик керамзитофибробетона в расчетах деформативностн и ширины раскрытия трешин по СНиП.

Научная новизна работы:

- получены новые экспериментальные данные о сопротивлении конструктивного керамзитофибробетона с различными видами волокон и различными процентами армирования осевому сжатию и растяжению;

- даны практические рекомендации по выбору базового вида фибры и рациональному диапазону изменении процента армирования ею конструктивного керамзитофибробетона;

- получены новые экспериментальные данные о сопротивлении железобетонных изгибаемых элементов из конструктивного керамзитофибробетона с различным армированием стальной арматурой;

- выявлено экспериментально и теоретически доказаны возможности фибрового армирования как способа снижения расхода и понижения уровня преднапряжения стальной арматуры;

_ 5- предложены зависимости для описания прочностных и яеформа-тивных характеристик конструктивного керамзитофибробетона и сто

полной диаграммы "

- разработаны методы расчета прочности нормальных сечений железобетонных балок с сочетанием линейного и фибрового армирования с учетом работы растянутой зоны сечения;

- приведены способы расчетной оценки деформативности и трещиностойкости железобетонных балок из керамзитофибробетона;

- проведено уточнение различных коэффициентов деформативности и трещиностойкости в рамках расчетной методики СНнП.

Достоверность разработанных рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки опытных результатов автора и других исследователей.

Практическое значение и внедрение результатов работы. На основании выполненных исследований разработаны практические рекомендации по определению прочности и деформативности конструктивного керамзитофибробетона и по расчету прочности, деформативности и трещиностойкости изгибаемых железо-бетонньи элементов из него.

Рекомендации автора позволяют более точно оценить сопротивление керамзитофибробетона и железобетонных изгибаемых элементов из него однократному кратковременному силовому воздействию, армировать их более рационально, снижая расход и уровень предна-пряження стальной арматуры.

Разработанные рекомендации приняты Всероссийским научно-исследовательским центром "Строительство" (НИИЖБ + ЦНИИСК + НИИОСП)для использования при подготовке новых нормативных документов, а также использованы региональным институтом "Севкав-НИПИагропром" в "Рекомендациях по расчету и проектированию железобетонных балок из конструктивного керамзитофибробетона".

По результатам испытаний автора на Ростовском и Соколовском заводах ЖБИ освоен выпуск натурных фиброжелезобетонных конструкций - дорожных плит и колец смотровых колодцев, что дало экономию бетона в среднем до 20 % и арматуры до 15 %.

Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс в Ростовской-на-Дону государственной академии строительства, Ростовском государственном архитектурном институте, Новочеркасском техническом государственном университете, Воронежской государственной архитектурно-строительной академии и Кабардино-Балкарском аграрном институте - они включены в программу курсов железобетонных конструкций для студентов строительных специальностей.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в одиннадцати статьях автора, а также в двух научно-технических отчетах РГАС и СевкавНИПИагропрома.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции (Росгов-на-Дону, 1994), на заседании секции железобетона Ростовского областного управления НТО строииндустрии (Ростов-на-Дону, 1995), на научно-технических кон-, ференциях РГАС и СевкавНИПИагропрома в 1992...96 пг.

Работа выполнялась в соответствии с общероссийской научно-технической программой "Архитектура и строительство" в 1992 ...1996 гг. на кафедре железобетонных и каменных конструкции Ростовскон-на-Дону государственной академии строительства.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, приводятся научная новизна, практическая ценность и данные об апробации работы.

В первой главе проводится анализ существующих опьтг-ных и теоретических исследований технологии приготовления керам-зитофибробетонов, их достоинств и недостатков, рассматривается теоретическое обоснование целесообразности фибрового армирова-ння,возможные пределы изменения характеристик дисперсно армированного бетона.

Отмечается, что благодаря работам Л.Г. Курбатова, З.Б. Колба-ско, Б А. Крылова, ИЛ. Лобанова, ВА. Невского, Ф.Н. Рабиновича и др. накоплен значительный объем опытных и теоретических данных.

Однако ряд вопросов, касающихся работы конструктивного ке-^ рамзитофибробетона и изгибаемых железобетонных элементов из него, остаётся недостаточно изученным.

Исходя из этого в работе поставлены следующие задачи исследования:

- исследовать физико-механические характеристики конструктивного керамзитофибробетона с различными видами фибр и выбор базового вида волокон для дальнейших исследований;

- провести экспериментальные исследования работы керамзито-фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с обычной ненапрягае-мой арматурой;

- изучить возможности сочетания линейного и фибрового армирования;

- предложить аналитические зависимости для определения прочностных и деформативных характеристик конструктивного керамзитофибробетона в зависимости от процента содержания в нем фибр;

- предложить методы расчета прочности нормальных сечении железобетонных изгибаемых элементов с учетом работы растянутой зоны бетона в предельной по прочности стадии;

- предложить способы расчетной оценки деформативностн н тре-шиностойкостн железобетонных изгибаемых элементов из конструктивного керамзитофибробетона.

Во второй главе исследуются физико-механические характеристики керамзитофибробетона с различными видами фнбр и произво- • дится выбор базового вида волокна для фибрового армирования.

В программу экспериментальных исследований входило изготовление н испытание 156 кубов размером 10 х 10 х 10 см на осевое сжатие и растяжение при раскалывании.

Варьируемыми факторами в опытах были вид фибры и процент фибрового армирования (по массе твердых составляющих цементно-песчаной матрицы). Всего было изготовлено 52 партии образцов, включающих по 3 образца с одинаковыми параметрами:

- керамзнтобетон без фибры;

- керамзнтобетон со стеклянными волокнами и процентом фибрового армирования И-у= 1, 2, 3,4, 5 %;

- керамзнтобетон, армированный минеральным волокном, получаемым из расплавов металлургических шлаков с у = 1, 2,3,4,5 %;

- керамзнтобетон с полипропиленовым волокном Р-2,3,4,5 %;

- керамзнтобетон с базальтовым ровингом '.2,3, 4, 5 %;

- керамзнтобетон, армированный грубым базальтовым волокном с /^=1,2,3,4,5 %;

Эффективность влияния армирующих волокон на свойства бетона __ зависит от соотношения модулей упругости волокон и матрицы, а также от условий последующего структурообразования. Поэтому волокно, используемое для дисперсного армирования керамзитобетона, должно иметь высокую гибкость, чтобы не вызвать раздвижку зерен заполнителя и не нарушить структуру бетона, а также достаточно высокий модуль упругости и прочность на разрыв по сравнению с этими характеристиками растворной части.

Характеристики исходных материалов. Для изготовления конструктивного керамзитобетона использовался портландцемент Новороссийского завода "Пролетарий" марки 500.

В качестве крупного пористого заполнителя применялся керамзитовый гравий Ростовского завода легких заполнителей (ГОСТ 9759-83) средней плотностью 670 кг/м1, фракции 2,5... 10 мм. Прочность керамзита при сжатии в цилиндре 5,5 МПа, водопоглощение 17,8 %.

- Ь -

В качестве мелкого заполнителя для приготовления керамзитобс-тонных образцов применялся кварцевый песок (ГОСТ 8736-77), с модулем крупности (М/с) в пределах 1,5... 1,7, средней насыпной плотностью 1475 кг/м

Для выбора базового вида фибры для армирования мелкодисперсного керамзитобетона было отобрано 5 различных типов волокон:

- волокно из стеклянных нитей по ГОСТ 17139-79 (СВ);

- минеральное волокно из расплава металлургического шлака_ (МВ);

- волокна из полипропилена (ПП);

- грубое базальтовое волокно (ГБВ);

- базальтовый ровинг (БР).

Средний диаметр волокон определялся в соответствии с ГОСТ 17177.16-81 микроскопом при увеличении в 130-300 раз. Для изучения прочности и деформативностн отдельных волокон от каждой партии дисперсной арматуры из разных мест отбиралось по 12... 15 проб. Затем из каждой пробы произвольно брали по 10 волокон, которые наклеивали на полосу бумаги размером 10 х 70 мм. После разделения волокон их испытывали на разрывной машине РМ-3, оборудованной тисочными зажимами маятникового типа.

Особенности технологии изготовления фибробетонов. Качественное получение фиброармированной бетонной смеси при использовании полипропилена, стекловолокна, минерального волокна из расплава металлургических шлаков и базальтового ровинга в лабораторных условиях достигалось за счет обеспечения равномерной и постепенной подачи фибры в бетоносмеситель во время перемешивания в нем компонентов бетонной смеси.

Приготовление керамзитофибробетона с грубым базальновым волокном осуществлялось методом принудительного перемешивания, по' раздельной технологии. Это делалось с целью равномерного распределения волокон в бетонной смеси. На первом этапе производилось приготовление растворной части, на втором - перемешивание растворной части с заполнителем.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил изучить изменение прироста прочности керамзитофибробетона во времени в зависимости от вида и процента фибрового армирования, определить минимальный процент насыщения бетонной матрицы различными видами фибры, а также "критическую" величину дисперсного армирования для каждого его вида.

Испытаниями установлено, что введение различных волокон для армирования бетона повысило прочность на сжатие от 2,5 до 8 %, а на растяжение при раскалывании от 23 до 135 % . Наиболее высокие при-

росты физико-механических характеристик показал керамзитофиб-робетон с волокном из ГБВ.

Отметим, что темп прироста прочности керамзитофибробетона с грубым базальтовым волокном был существенно выше, чем в случае армирования другими видами волокон. Кроме того, если при армировании любыми другими волокнами максимум прироста прочности в наших опытах был достигнут и составлял всего до 5 % - при осевом сжатии и до 130 % - при растяжении, то в керамзитофибробетоне с гру-. бым базальтовым волокном максимум прироста прочности как на сжатие, так и на растяжение в рамках исследованного диапазона изменения процента дисперсного армирования достигнут не был. Вместе с тем наиболее высокий модуль упругости у грубого базальтового волокна, по сравнению с другими видами волокон, позволяет предположить более значительный прирост прочности, чем в бетонных образцах, армированных другими видами волокон.

Все сказанное позволило сделать вывод о необходимости расширенного объема и диапазона экспериментальных исследований бетона на грубом базальтовом волокне как наиболее перспективном их виде, который может быть принят за базовый.

В третьей главе приводятся результаты исследования работы конструктивного керамзитофибробетона, армированного ГБВ.

Программа исследований включала изготовление и испытание 663 кубов размером 10 х 10 х 10 см, 15 призм 10 х 10 х 40 см и 15 "восьмерок" 10 х 10 х 70 см.

В опытах варьировались:

- вид керамзитобетона - с ГБВ и без него;

- процент армирования ГБВ - 0, 5, 10, 15,20 %;

- вид силового воздействия - осевое сжатие, осевое растяжение и растяжение при раскалывании.

Анализ проведеных экспериментальных исследований работы керамзитобетона и керамзитофибробетона на грубом базальтовом волокне на сжатие и растяжение позволил выявить изменение их прочностных и деформзгивных характеристик. Установлен оптимальный диапазон армирования керамзитобетона ГБВ - 10—15%.

Выявлено, что при сжатии, прочность керамзитофибробетона повышается по сравнению с керамзитобетоном на 25-30 %, деформации, ей соответствующие - на 30-40 %, в то же время происходит снижение модуля упругости в среднем на 20 %.

Установлено, что при растяжении^ эффект от применения ГБВ еще выше - прочность повышается в среднем на 90-120 %, деформации - на 80-130%, модуль упругости снижается на 20 %.

По результатам испытаний и статистической обработки опытных данных построены кривые распределения прочности для керамзито-фнбробетонов различного состава.

Отмечено, что с увеличением процента фибрового армирования

А/ от 0 до 20 коэффициенты вариации возрастают с 11,95 до 18,1 % соответственно.

По результатам статистической обработки опытных данных были определены нормативные сопротивления (Я/, и R/,,) при надежности* 0,95 для керамзитофнбробетона классов В15, В20, В25 при процентах

фибрового армирования Му- 5; 10; 15 и 20 %. Эти значения являются одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы (Кы хг и Rt,i хг).

В четвертой главе рассмотрено сопротивление железобетонных изгибаемых элементов из конструктивного керамзитофнбробетона на грубом базальтовом волокне.

Программа экспериментальных исследований включала изготовление и испытание 14 однопролетных балок размером 8 х 12 х 150 см.

В опытах варьировались:

- процент армирования стальной арматурой № j = 0,245; 0,49; 0,735; 1,64%;

- коэффициент преднапряжения арматуры К^ -----------= 0; 0,33;

As

0,67; 1;

- вид бетона: керамзитобетон, керамзитофибробетон.

Прочность керамзитобетона и керамзитофнбробетона принималась в опытах равной 19,9...23,б МПа, процент фибрового армирования ГБВ принимался равным № f- 10 % во всех балках.

Балки армировались в продольном направлении высокопрочной проволокой 0 5 Вр-П. Под коэффициентом преднапряжения арматуры понимался параметр Kw — Asp! (А^ + AS), где Ат и А, - площади сечения преднапряженной и ненапрягаемой арматуры одного и того же класса. Уровень преднапряжения арматуры принимался одинаковым во всех балках и равным 0,7 R

Анализ результатов экспериментальных исследований позволил-выявигь, что прочность нормальных сечений керамзитофнброжелезобе-тонных элементов повышается по сравнению с аналогичными керамзи-тожелезобетонными до 12 % при разрушении как по I, так и по II случаю, в элементах как с обычной, так и с преднапряженной арматурой.

Установлены также изменения параметров деформативности ке-рамзнтофиброжелезобетонных элементов:

_ П -

- деформации сжатой зоны бетона увеличиваются до 30 % . а деформации растянутой арматуры - снижаются до 40 % ;

- высота сжатой зоны увеличивается до 7 %;

- кривизны сечений при одинаковых абсолютных значениях нагрузки М несколько больше до 8 % , а при тех же относительных значениях М/Мц - практически равны кривизнам аналогичных элементов без фибр;

- прогибы при абсолютных значениях нагрузки М одинаковы, а. при тех же относительных М/Мц - несколько больше (до 8 %), чем в элементах без фибр.

Моменг_образования_ трещдн_ в керамзитофиброжелезобетонных балках значительно (до 63 %) повышается по сравнению с аналогичными керамзитожелезобетоннымн, причем это повышение характерно для любых процентов армирования и коэффициентов преднапряжения стальной арматуры.

Отмечено, что щирина_раскрытия_ трещин при эксплуатационных уровнях нагрузки в керамзитофиброжелезобетонных элементах существенно ниже (до 70 % - в преднапряженных и до 200 % - в обычных), чем в аналогичных керамзитожелезобетонных элементах.

Кроме того, выявлено, что фибровое армирование железобетонных элементов способно в определенной степени заменить предварительное напряжение арматуры, получив те же или даже лучшие прочностные и деформативные характеристики балок.

Анализ позволил также установить, что расчетная оценка показателей прочности, деформативности и трещиностойкосги по СНиП приводит к значительным отклонениям от опытных данных, что свидетельствует о необходимости усовершенствования некоторых расчетных методик норм.

В пятой главе производится разработка методов расчетной оценки работы керамзитофибробетона на грубом базальтовом волокне и изгибаемых железобетонных элементов из него.

Учет изменения прочностных и деформативных характеристик керамзитофибробетона при сжатии и растяжении. Анализ показал, что изменение характеристик керамзитофибробетона в зависимости от содержания в нем грубого базальтового волокна, не однозначно. Так, если деформации ¿я, соответствующие достижению максимальной прочности бетона К, возрастают практически во всем исследованном диапазоне процента армирования фибрами р./ - 0...20 % , то максимум прироста прочности бетона Л приходится на процент армирования №} - 15 %, после чего он начинает снижаться, при этом модуль упругости бетона Е снижается на протяжении всего изменения М/ ~ 0...20 %.

В этих условиях в качестве единой базовой функции была выбрана:

гае хя , у я - координаты максимума графика функции (I) в абсо--лютных показателях: К - управляющий параметр, влияющий на форму графика функции (I).

В качестве аргумента X выступает текущее значение процента фибрового армирования в %), а в качестве функции У - приращения Д (в %) прочностных RB, Rk и деформатнвных fietR, Е^ Ев, характеристик керамзитофнбробетона.

Значения XR и Ук , характеризующие максимумы графиков функции (I ^соответствуют граничным значениям аргумента и функцин>их конкретные значения для каждой из указанных выше прочностных и деформатнвных характеристик нами определены и приводятся в работе.

Для учета изменения диаграмм деформирования керамзнтофибро-бетона при сжатии и растяжении, в целях единообразия предложим также функцию (1), использованную нами для оценки изменения прочностных и деформатнвных характеристик керамзитофнбробетона. При этом в качестве функции У и аргумента X будут выступать теперь

текущие значения напряжений ст н деформаций а в качестве граничных значений Ук и XR - соответственно прочность бетона R и соответствующие ей деформации

Эта формула, предложенная впервые П. Сарджнном для обычного тяжелого бетона, как показали наши опыты, хорошо также описывает

и диаграммы "О" - £ " керамзитофнбробетона при сжатии и растяжении.

В целом порядок расчетной оценки изменения характеристик и диаграмм деформирования керамзитофнбробетона имеет следующий вид. На первом этапе расчета определяется изменение прочностных ARg, A Rel и деформатнвных А AfslR, А Е^ - по формуле (I).

На втором этапе расчета доя описания диаграмм " <7 - В" керамзитофнбробетона при сжатии и растяжении используется также формула (I) с подстановкой в нее вместо R. и соответственно + А/^); (Дк + А /ья) при сжатии и (Ret + A R„,); (¿Sr + A/Sir) при растяжении.

При этом в обоих случаях подставляется

(1)

_ т _

Взаимосвязь изменения характеристик и диаграмм деформирования керамзитофибробетона при сжатии и растяженни и ее аналитическое описание. Диаграммы деформирования бетона при сжатии "аь -р ь" н при растяженни "сгь, всегда взаимосвязаны между

собой. Наиболее просто, и вместе с тем достоверно, эта взаимосвязь от-. ражена в уже приведенной формуле (1). В ней принимается равенство начальных модулей упругости пря сжатии и растяженни Ев ~ Е„, , т.е. касательных к диаграммам "<Уъ~&ь" и "^ы в начале коорди-

нат и рекомендуется одинаковое значение параметра

V ь - ^

при сжатии и растяжении (т.е. секущих в точках максимумов диаграмм "Оь -£ь" и "СГЬ, ъ"). Тем самым диаграммы "(У " бетона при сжатии и растяжении предполагаются аффинноподобными.

Анализ полненных нами опытных данных выявил некоторые дополнительные факты взаимосвязи изменения диаграмм "<Т " керамзитофибробетона при сжатии и растяжении.

Во - первых, это касается координат максимумов диаграмм

"СГь и ы ы" • Оказалось, что эти максимумы при каждом

определенном проценте фибрового армирования лежат при сжатии и растяжении на одной прямой, проходящей через начало координат. Такая взаимосвязь наблюдается при каждом проценте фибрового армирования во всем исследованном диапазоне /у = 0...20 % (рис. 1).

Во-вторых, если принять точки максимумов первоначальных диа-"

грамм "Оь -£ь" и "Оь, -£ь," за новые начала координат, то точки максимумов новых диаграмм деформирования керамзитофибробетона ложатся на кривые, также хорошо описываемые функцией (1).

Способы учета работы растянутого бетона при расчете прочности изгибаемых железобетонных элементов. Влиянием растянутого бетона на прочность изгибаемых железобетонных элементов из обычного тяжелого и легкого бетона,как правило,незначительным (<1 % ) вследствие малой прочности бетонов на растяжение, в нормативных документах. обычно пренебрегают. В железобетонных же изгибаемых элементах из фибробетона влияние растянутой зоны на прочность нормальных сечений возрастает и его целесообразно учитывать в расчетах.

Основные расчетные предпосылки, принимаемые в большинстве методов расчета:

а) Е, - Ев1, т.е. прямая 1-1 (рис. 2) является общей касательной к обеим диаграммам "<7ь " и "<7Ь,-£Ь,";

б) = Ёа ч т.е. прямая 2-2 является общей секущей, к обеим диаграммам "<ТЬ -рь " и "<7ь! ~Ры" • проходящей через точки их максимумов.

Предложим два способа учета работы растянутой зоны бетона при расчете прочности изгибаемых железобетонных элементов.

В первом способе введем новую рабочую гипотезу —- = —^

ВЬи

смысл которой заключается в том, что прямая 3 -3 также является общей секущей, проходящей через точки с абсциссами ^ и £в!и,,которые соответствуют максимальным предельным деформациям крайнего сжатого и крайнего растянутого (над вершиной трещины) волокон в момент достижения максимального момента Ми.

Рассмотрим теперь нормальное сеченне изгибаемого железобетонного элемента в момент достижения предельной несущей способности и - Ми (рис. 3).

Уравнения равновесия "Е х^Лфхь + ЯгЛ',-Л» Ьхь,-П,Аг = 0\ (4)

Е М - Яфхь (Ьъ-0,5хь) +ЯХ А „(ко-а)-Яы Ъхь, (5)

4 (Ьо'Хь-0,5хь)=Мг имеют три неизвестных ( хь ; хь,; Мдва из которых можно связать

ё $

между собой с помощью гипотезы плоских сечений — = и указан-

Хь Хь,

ной выше введенной нашей гипотезы.

Проведя преобразования, получим окончательно систему уравнений для расчета прочности с учетом работы растянутой зоны бетона: Кы

Е*=(Къ......)Ьхъ А3 -К, А3-0-, (6)

Кь} 1

г М- [0,5 ----- +........0,5 Я.ь ] Ьхь! + [Кь.......] ЪЪъ хь +

Щ Я-ь

+ А', (ко- а') —Ми • (7)

Во втором способе введем другую гипотезу - о соотношении максимальных деформаций краевых сжатого и растянутого волокон:

тов с учетом работы растянутого бетона

расчета прочности.

^лч РЬИ

------ = --------> будем считать, что прямая 4-4 (см. рис. 2) также

является обшей секущей к обеим диаграммам "<Т " н

Тогда .подставляя это. имеем новую взаимосвязь двух неизвестных

ры,Н

ХЫ - --------Л'(, >

¿•'ьи

что позволяет,проведя преобразования, получить окончательно: Лд.я

г г = (Яь- Кь, ------)Ь хь +/<х. Л\- К,А, = 0; (8)

I ¿М*

1 £ ъкп £ыя ЕМ = [0,5 + Д,,---------0,5 Яь] Ь хь +

Р ЬК РЬК

^[Яь-Яъг------ ]Ыг0хь^11хЛ!(к0-а,)=М11. (9)

£ьп

Таким образом, нами получены две системы уравнений для расчета прочности нормальных сечений изгибаемых элементов, каждая из которых соответствует двум новым предложенным гипотезам о взаимосвязи деформаций и напряжений крайнего сжатого и крайнего растянутого (над вершиной трещины) волокна сечения.

Способ учета работы арматуры за условным пределом текучести. В настоящее время в методике СНиП для расчета прочности нормальных сечений железобетонных элементов наблюдается определенная двойственность расчета. Так, при относительной высоте сжатой зоны бетона меньше граничной £< к расчетному сопротивлению арматуры (соответствующему условному пределу текучести С 0.2) добавляется повышающий коэффициент у учитывающий превышение напряжениями в растянутой арматуре условного предела текучести и определяемый по формуле СНиП.

В случае же, когда относительная высота сжатой зоны бетона 4>4 д. напряжения в растянутой арматуре остаются меньше своих расчетных сопротивлении и для их определения используется совершенно другая эмпирическая зависимость СНиП, не имеющая никакой

связи с коэффициентом у 5«.

Для избежания этой двойственности расчета рекомендуем следующий единый способ расчета прочности, базирующийся на применении

1Ъ -

уннверсальной зависимости коэффициента у зб от величины .

ЬЯ

Суммируя опытные и теоретические данные многих отечественных и зарубежных авторов, запишем 1раничные условия, которым должна

удовлетворять предлагаемая ниже новая зависимость

г «= п

1 У г« - —

Ьк

4 =0

I

4*

л &

X -& £

Предложим для описания единой зависимости " ^ Бб

Г и = I

У 56=0

функцию вида: у —аэ? + Ь лс + г,

где У - параметр У ж, я Х- отношение ~.

± • (Ю)

с

Определим коэффициенты а, Ь, с предложенной зависимости с помощью граничных условий. При этом учтем, что максимум графика

предлагаемой функции имеет координаты

Ь .4ас~Ь Та' А а

, а его дискри-

минант И и параметр а должны быть соответственно больше н меньше нуля.

Исходя из этого, получим окончательно: \2

СО

-1

СО

Ля'

'«Л

■в

(О Х\С0

0-ч)-г

/ > со

+ »7

\Ък>

{ \ со_ V

Ля)

+ п ■ (11)

[4

Можно несколько упростить расчетные зависимости, предположив, что график функции " у" будет описывзться только правой половиной симметричной квадратной параболы. При этом к граничным

условиям добавляются дополнительно

2 а 4 а

/£ " приобретает упрошенный вид:

У

Л5

( <0

п

м

£

У*/?;

н функция

(12)

Предлагаемые зависимости имеют ряд особенностей, выгодно отличающих их от аналогичной зависимости СНиП.

Во-первых, они действует во всем возможном диапазоне изменения

с Й) ч

— 0...—, в то время как зависимость СНиП

Р £

- только от 0 до 1.

Во-вторых, в предложенных зависимостях отсутствуют какие-либо численные коэффициенты, а есть только характеристики и параметры, нормированные СНиП .

Третье отличие следует выделить особо. При определении коэффициентов а, Ь и с мы использовали математические особенности функции (10) (И > 0, а< 0), фиксированные коэффициенты вершины графика, указанные выше, а также граничные условия. Обилие этих условий привело даже к их избыточности для наших целей. Так, неиспользованным оказалось одно из граничных условий.

Тем не менее, используем его и получим:

п

(13)

Полученная формула позволяет впервые установить зависимость

п /у

между параметрами Ч и —, нормируемыми СНиП, но никак ранее

не взаимосвязанными между собой. Так, если параметры и ,

учитывающие вид, класс и прочность бетона, вид, класс, прочность и преднапряжение арматуры, определялись по некоторым аналитическим

зависимостям СНиП, то коэффициент просто приводился в СНиП в виде численных значений в зависимости только от класса арматуры.

Теперь же полученная намн формула позволяет,с одной стороны, избавиться от нормирования численных значений параметра Л, с другой стороны - подходить к его определению более дифференцированно, с учетом влияния многих параметров, не учитываемых ранее и

нашедших свое отражение в ф н , нормированных СНиП.

Метод расчета момента образования трещнн. Рассмотрим железобетонный элемент в момент образования трещин. Согласно СНиП" эпюра напряжений в сжатой зоне будет треугольной, а в растянутой -прямоугольной.

Используем предпосылку, достаточно часто используемую в исследованиях железобетонных конструкций и имеющую косвенное обоснование в СНиП - продолжение треугольной эторы в сжатой зоне отсекает на растянутой грани сечения условную ординату,равную 2 Я в/.

Уравнение проекций на горизонтальную ось, после раскрытия и подстановки деформаций и напряжений, имеет вид:

А-Я х Ь- ё Е А ■ (»4)

2 .г * г 1 х 5

Используем условие взаимосвязи высот сжатой и растянутой зон

сечения Хь* ' а также для определения ¿Г и ¿Г' гипотезу плоских сечений: - —--; £ — —^Х— . ' , что даст возможность записать уравнение проекцией в напряжениях:

Тт^Уи 1 , ч \h-a-xb) аьльъ аА-КЪ А ~Ъ>ЬЧ-« А =0 (15)

* ' ' * 1 ' (й-ад) * '

где о. ~ Е / Е " коэффициент соответствия. * *

Уравнение имеет два неизвестных (уь и Хъ, одно из которых можно выразить через другое, используя приведенную предпосылку:

Хь Ь-Хь ' ■ (»6)

ь ь Ь-хъ

Таким образом, в уравнении проекций остается только одно не-

известное после определения которого решается уравнение мо-

ментов относительно, например, нейтральной оси сечения, которое после преобразования примет вид:

Ь~Хь

/

(17)

Я ь~Хъ

¿с

/

-Ж а А.

Ь-Хь

а

-м .

С ГС

2 л

Таким образом, нами предложен новый способ расчетной оценки момента трещинообразования, в котором,в отличие от методики ядровых точек СНиП, используются уравнения равновесия статики нормальных сечений при сохранении расчетной эпюры напряжений СНиП.

Учет свойств керамзнтофнбробетона при расчете ширнны раскрытия трещин и деформативности изгибаемых элементов. Расчет ширины раскрытия трещин, а также деформаций, кривизн и прогибов железобетонных элементов по СНиП производится, как правило, с помощью различного рода эмпирических зависимостей, использующих в качестве входящих в них параметров различные характеристики материалов-бетона и арматуры. Не затрагивая структуры и общей направленности расчетных рекомендаций СНиП, будем рекомендовать использовать в них характеристики и диаграммы керамзитофибробетона, определен-* ные по нашим рекомендациям, приведенным выше, а также рекомендованные нами нормативные и расчетные его сопротивления.

Как показал анализ, такой прием позволяет добиться удовлетворительной для расчетов железобетонных элементов сходимости опытных к расчетных данных, позволяющей рекомендовать наши предложения для непосредственного использования при расчете и проектировании реальных фиброжелезобетонных конструкций.

Анализ сходимости опытных данных с теоретическими, определенными по предлагаемым зависимостям. Для выявления степени достоверности разработанных расчетных рекомендаций производилось сопоставление опытных и теоретических данных, вычисленных по предложенным нами методам.

Сходимость опытных и те0реп1ческих_характедист11к11а_ сжатие и растяжение л их диаграмм деформирования, была удовлетворительной,

V

в целом, по всем сравниваемым параметрам К),; Еы:

"(7Еьи" "<Уы~Еы " и нигде не превышала 14%.

Прочно^^келезобетонных^лементов. определялась по СНнП, по нашим рекомендациям с учетом работы растянутого бетона, по нашим рекомендациям с учетом работы растянутой арматуры за условным пределом текучести и по нашим рекомендациям с учетом обоих факторов.

Анализ показал, что расчет по СНиП в ряде случаев может приводить к существенным отклонениям ( £ Дг = 909,7 %). Расчет же по нашим рекомендациям с учетом работы растянутой зоны бетона заметно сближает опытные и теоретические результаты ( £ Д2 =807,4 %), хороший эффект дает расчет с учетом работы арматуры за условным пределом текучести ( =897 ). Абсолютно лучшую сходимость опытных и теоретических результатов показывает расчет, учитывающий совместное влияние обоих факторов ( £ Дг = 784,4 ). Указанные эффекты наиболее заметны в слабоармированных балках и существенно снижаются с ростом процента армирования.

Анализ сходимости моментов_образования^1рещин_также показал лучшую по сравнению со СНиП сходимость значений Мсп, определенных по нашим рекомендациям. Так, максимальные отклонения теоретических значений Мск от опытных по СНиП достигали 27,9 %, а сумма их квадратов - 6643. В то же время по нашим рекомендациям эти же показатели составили 18,1 % н 2595.

Для анализа сходимости опытных и теоретических данных по ширине раскрытия трещин и деформативносги сравнивались значения ширннырасщэытиятрещин и прогибов_.

Анализ показал, что учет в расчете по СНиП разработанных нами рекомендаций по определению характеристик керамзитофибробетона приводит к улучшению сходимости в среднем на 9-11 %. Это относится как к ширине раскрытия трещин, так и к прогибам.

В целом ¡ложно констатировать, что использование в расчетах разработанных нами рекомендаций по определению характеристик и диаграмм керамзитофибробетона и расчету прочности и трещнностон-кости керамзитофиброжелезобетонных изгибаемых элементов приводит к существенному улучшению сходимости опытных и теоретических данных и может быть рекомендовано для практических расчетов реальных железобетонных конструкций.

- 23 -ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние различных видов неметаллических волокон - стекловолокна, минерального волокна из металлургических шлаков, полипропиленового волокна, базальтового ровинга, грубого базальтового волокна на работу конструктивного керамзитофибробетона при сжатии н растяжении. Установлено, что введение волокон в структуру бетона приводит к повышению его прочности и деформативности на сжатие (до 25 % н 40 %) и на растяжение (до 135 % и 150 %) при некотором снижении модуля упругости (до 20 %). Выявлено влияние длины волокон и процента фибрового армирования. Выбран базовый вид фибрового армирования керамзитофибробетона - грубое базальтовое волокно (ГБВ), определен оптимальный диапазон процента фибрового

армирования 10...15%.

2. Углубленное исследование свойств керамзитофибробетона на ГБВ позволило установить степень повышения его прочностных и де-формативных характеристик на сжатие (до 30 % и 40 %) и растяжение (до 120 % и 130 %) и изменения его диаграмм деформирования.

3. По результатам испытаний и статистической обработки опыт-' ных данных построены кривые распределения прочности для керамзи-тофибробетонов различного состава. Определены и рекомендованы нормативные прочности Rt>c при надежности 0,95 для керамзитофибробетона классов В15, В20, В25 при процентах фибрового армирования

ß j - 5; 10; 15 и 20 %. Эти значения являются одновременно расчетными сопротивлениями для предельных состояний второй группы Rh, хг и Rbl, яг ■

4. Для учета изменения прочностных и деформативных характеристик керамзитофибробетона при сжатии и растяжении при различных процентах фибрового армирования предложена формула, аналогичная по структуре формуле ЕКБ-ФИП, определены все параметры.

Предложено использовать для расчетного описания диаграмм деформирования керамзитофибробетона при сжатии и растяжении формулу ЕКБ-ФИБ с учетом разработанных рекомендации по оценке изменения прочности и деформативных характеристик бетона.

Выявлена взаимосвязь изменения характеристик и диаграмм деформирования бетона при сжатии и растяженни. Предложена расчетная зависимость для описания этой взаимосвязи, имеющая в целях единообразия, одинаковую структуру с расчетными рекомендациями, разработанными для характеристик бетона и его диаграмм деформирования.

5. Проведенные экспериментальные исследования работы изгибаемых керамзитофиброжелезобетонных элементов с ГБВ с обычной и преднапряженной арматурой выявили , что прочность нормальных се-

_ гч -

ченнй керамзнтофиброжелезобетонных элементов повышается до 12 % при разрушении как по I, так и по II случаям, в элементах как с обычной, так и с преднапряженной арматурой;

- деформации сжатой зоны бетона увеличиваются до 30 % , а растянутой арматуры - снижаются до 40 %, высота сжатой зоны увеличивается до 7 % , кривизны сечений при одинаковых абсолютных значениях нагрузки М больше до 8 % , а при тех же относительных М/Мц - практически равны кривизнам аналогичных элементов без фибр, прогибы при абсолютных значениях нагрузкн М одинаковы, а при тех же относительных М/Мц - несколько больше до 8 % , чем в элементах без фибр;

- момент образования трещин значительно (до 63 %) повышается причем это повышение характерно для любых процентов армирования и коэффициентов преднапряжения;

- шнрнна раскрытия трещин при эксплуатационных уровнях нагрузки в керамзитофиброжелезобетонных элементах существенно ниже (до 70 % - в преднапряженных и до 200 % - в обычных), чем в аналогичных керамзнтожелезобегонных элементах.

6. Выявлено, что фибровое армирование железобетонных элементов способно в определенной степени заменить предварительное напряжение арматуры, получив те же или даже лучшие прочностные и де-формативные характеристики балок.

7. Предложены два способа расчета прочности нормальных сечении изгибаемых железобетонных элементов с учетом работы растянутой зоны бетона на основе взаимосвязи деформаций и напряжений крайнего сжатого и крайнего растянутого (над вершиной трещины) волокон сечения.

Разработан новый расчет прочности железобетонных элементов с учетом работы арматуры за условным пределом текучести с помощью

единого коэффициента У & > свободный от двойственности расчетной

методики СНиП.

8. Предложен новый способ расчета момента образования трещин, использующий в отличие от СНиП при сохранении его расчетной схемы уравнения равновесия статики нормальных сечений железобетонных элементов.

9. Рекомендовано при расчете деформативности и ширины раскрытия трещин использовать методики норм с использованием рекомендаций автора по учету характеристик и диаграмм деформирования ке-рамзитофибробетона.

10. Анализом подтверждена достоверность разработанных рекомендаций и методов расчета, имеющих лучшую по сравнению со СНиП сходимость с опытными данными.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. М а и л я н JI.P., А л ь - X а й ф и М.М., Шилов A.B. Диаграммы деформирования бетона при одноцикловом длительном знакопеременном нагружении железобетонных элементов, jf Совершенствование расчетов, проектирования и технологии изготовления конструкций для сельского строительства. — Ростов-на-Дону; Севкав-НИПИагропром, 1992.

2. М а и л я н Л.Р., Шилов A.B. Учет работы растянутого бетона в расчете прочности нормальных сечений ЖБИ. Ц Совершенствование расчетов, проектирования и технологии изготовления конструкций для сельского строительства. — Ростов-на-Дону; Севкав-НИПИагропром, 1992.

3. М а и л я н JI.P., Шилов A.B. Применение сборных железобетонных элементов при устройстве чердачных сельских зданий. Ц Совершенствование расчетов, проектирования и технологии изготовления конструкций для сельского строительства,—Ростов-на-Дону; СевкавНИПИагропром, 1992.

4. О с и п о в В.К., Шилов A.B. Фибробетонные конструкции" крыш сельских зданий. Jf Совершенствование расчетов, проектирования и технологии изготовления конструкций для сельского строительства,-Ростов-на-Дону; СевкавНИПИагропром, 1992.

5. Ш и л о в A.B. Конструктивные решения сборных ж/б крыш малоэтажных зданий. ff Совершенствование расчета, проектирования и изготовления строительных консгрукций.-Ростов н/Д; РГАС, 1993.

6. М а х о в а М.Ф., Д ж и г и р и с ДД.. Сергеев В.П., М а и -л я н JI.P., Шилов A.B., Бочарова Т.М. Выбор рациональных видов дисперсного армирования тонкостенных фибробетонных кон-струкцийУ/Строительство Украины, 1994.-№ 5-6,

7. М а и л я н JI-Р., Шилов A.B., Абдаллах М.Т. Работа конструктивного керамзитофибробетона и балок с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой. Ц Эффективные технологии и материалы для стеновых и ограждающих конструкций.— Ростов-на-Дону; РГАС. 1994, с. 172.

8.Маилян РЛ.,Маилян Л.Р., Ш и л о в A.B., А б д а л-л а х М.Т. Изгибаемые элементы из керамзитофибробетона с высокопрочной арматурой без преднапряжения и при частичном преднапря-женни. Ц Известия высших учебных заведении Строительство-1995-Мо 12,

9. М а и л я н РЛ., Шилов A.B. Нормативные и расчетные сопротивления керамзитофибробетона.. Ц Совершенствование расчетов, проектирования vi технологии изготовления строительных конструкций.-Ростов-на-Дону; СевкавНИПИагропром, 1995. .

10. М а и л я н Л.Р., Шилов A.B., Абдаллах М.Т. Вли нне фибрового армирования на трещнностойкость железобетонных б: лок. Ц Совершенствование расчетов, проектирования и технолог* изготовления строительных конструкций. — Ростов-на-Дону; Севка! НИПИагропром, 1995.

П.Шилов A.B., Физико-механические характеристики легко] бетона с различными видами фибрового армирования. Ц Сове; шенсгвование расчета, проектирования и изготовления стронтельнь конструкций.— Ростов н/Д; СевкавНИПИагропром, 1995.

12. М а и л я н PJL, М а и л я н JI.P., Осипов K.M., Ш и лов Ан.В., Шилов Ал.В., Абдаллах М.Т., Аль-Хуже р и X. Ц Рекомендации по проектированию железобетонных ко струкций из керамзитобетона с фибровым армированием базальтовь волокномгРостов н/Д; СевкавНИПИагропром, РГАС, 1996.

ЛР я 020818. Подписано в печать "27" октября 1996г. Формат 60x84 1/16

Бумага писчая. Ксерокс. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 70 экз. СЗ/

Редакиионно-издательский пенгр Ростовской-на-Дону го сударственной академии строительства 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162