автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность бетона на срез при продавливании

БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ5 ОД 2 5 ДЕК 2Нв

УДК 624.074.012.3.046-462

ШЕХАДАТ АЙМАН МУХАМЕД

ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА СРЕЗ ПРИ ПРОДАВ Л ИВА МИ И

05.23.01. Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брест 2000

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

На$шый руководитель - Заслуженный деятель науки Республики Беларусь,

Действительный член Белорусского отделения Жилищно-коммунальной Академии, доктор технических наук, профессор Л.К. Лукша

а *

ГИ- " 1

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Кудрявцев И.А.

Кандидат технических наук, профессор Кондратчик A.A.

Оппонирующая организация - Научно-технический центр Министерства

архитектуры и строительства Республики Беларусь

Защита состоится « /Я /У 2000 г. в часов на заседании

Совета по защите диссертаций К 02.09.01 при Брестском государственном техническом университете по адресу: г. Брест, ул. Московская, 267, ауд. 323

Отзывы просим направлять по адресу: 224017, г. Брест, ул. Московская, 267, БГТУ, ученому секретарю Совета, тел: (0162) 42-02-94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брестского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан «

2000 г.

Н 53 ~ (Н ~~ с /03 }0

Ученый секретарь Совета по защите диссертаций

В.Л.Шевчук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Решение задач экономического и социального развития общества в значительной степени зависит от уровня развития строительной отрасли, как одной из наиболее значимых областей хозяйственно-экономической деятельности человека. Уровень развития строительной отрасли в первую очередь опфделяет^я* эффективностью проектных решений, базирующихся на последних достижениях в области сопротивления строительных конструкций различным силовым воздействиям.

Учитывая, что бетон и железобетон в настоящее время являются господствующими строительными материалами, изучение их возможностей сопротивления различным, особенно сложным силовым воздействиям представляет значительный научный интерес. В первую очередь это касается сопротивления бетона и железобетона воздействию разнозначных (сдвиговых) напряжений. Прочность бетона при сдвиге со сжатием во многих случаях определяет несущую способность конструкций зданий и сооружений. Поэтому изучение прочности бетона при сдвиге в сочетании с дополнительным воздействиям гидростатического давления, имитирующего работу арматуры конструкции, представляется актуальным для дальнейшего развития теории железобетона.

Моделирование взаимодействия арматуры с бетоном в процессе нагружения элемента воздействием гидростатического давления на бетон позволяет повысить чистоту эксперимента и получать более надежные опытные результаты. Изучение работы бетона на продавливание при воздействии гидростатического давления позволило дать научную интерпретацию так называемого "мембранного сжимающего эффекта", описанного в Западной научной литературе, касающейся исследований железобетонных плит, работающих на продавливание сосредоточенными силами.

При разработке методики, анализе и обобщении полученных опытных данных учитывались результаты исследований ученых Беларуси, СНГ и дальнего зарубежья, а именно: Астровой Т.И., Берга О.Я., Блещика Н.П., Браиловского М.И., Василькова А.Н., Волкова Ю.С., Гвоздева A.A., Золотова П.В., Карпенко Н.И., Коровина H.H., Лукши JI.K., Михайлова К.В., Мордича А.И., Пастушкова Г.П., Пецольда Т.М., Серых Р.Л., Столярова .Я.В., Филоненко-Бородича М.М., Abasi M.S.A., Azad А.К., BurgR.G„ Elstner, Hawkins N.M., Herzog M., Hognestad E., Jiang Da-Hua, Johansen K.W., Kinnunen G., Kuang J.S., Lovrovich J.S., Morley C.T., McLean D.I., Nylander H., Urban Т. и многих других.

Цель диссертационной работы состоит в изучении сопротивления обжатого гидростатическим давлением бетона продавливанию сосредоточенными силами применительно к исследованию и расчету железобетона на срез.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: - разработана методика экспериментальных исследований прочности бетона на продавливание в условиях, приближенных к реальным конструкциям, и вместе с тем позволяющая избежать влияния посторонних осложняющих работу бетона на срез факторов благодаря использованию гидростатического давления вместо армирования;

- разработано, спроектировано и изготовлено нагружающее устройство в виде набс ра нагружающих штампов и матриц продавливания в качестве оснастки известног прибора гидростатического давления;

- изготовлены, подготовлены к испытанию и испытаны опытные бетонные образцы диски, контрольные кубы и призмы;

- • •'выполнена обработка результатов испытаний, сделан их анализ и разработаны рс

комендации по расчету бетона на продавливание.

Объект и предмет исследований заключаются в экспериментальном изучени

поведения бетона повышенной прочности на срез путем продавливания моделей кок

струкций в форме плоских круговых дисков, нагруженных осевой продавливающе

силой и гидростатическим давлением по боковой дуговой поверхности дисков.

Научной новизной диссертации являются:

- разработка и создание нагружающего устройства для продавливания бетонны дисков в приборе трехосного сжатия;

- методика изоляции образца совместно с нагружающим устройством от масляно нагружающей среды прибора трехосного сжатия;

- результаты экспериментальных исследований на продавливание бетонных диско диаметром 140 мм различной толщины (40, 60, 80 и 100 мм), изготовленных из бt тонов разных классов по прочности, нагруженных по боковой круговой поверхне ста гидростатическим давлением различной величины (от 0 до 20 МПа) и осево центрально приложенной продавливающей силой, передающейся на образец чере штампы различных диаметров (30, 60 и 90 мм) и матрицы продавливания с дж метрами в 60 и 90 мм;

- обобщение опытных результатов на основе теории прочности Мора.

Основные положения диссертации, выносимые иа защиту:

- методика исследования сопротивления бетона срезу при продавливании, отлг чающаяся от традиционных испытаний армированных бетонных плит или их мс делей исследованием продавливания бетонных дисков, где роль армирования им* тируется боковым гидростатическим давлением, в результате чего повышаете чистота эксперимента и расширяется диапазон бокового воздействия на опытны образец;

- конструкция нагружающего устройства и возможности его использования в ир1 боре трехосного сжатия при исследовании опытных образцов на продавливание;

- результаты исследований сопротивления бетонов срезу при продавливании бетш ных образцов-дисков под воздействием бокового гидростатического давления ра: личной величины (от 0 до 20 МПа);

- аналитическая оценка сопротивления бетона срезу при продавливании на осног соответствующим образом развитой теории прочности Мора.

Достоверность результатов и обоснованность выводов подтверждаются:

- оценкой рассеяния результатов экспериментов по коэффициентам вариации;

- сходимостью в пределах допустимого расчетных и опытных данных;

- обсуждением результатов исследований на конференции (г. Лодь) с положител] ными отзывами ведущих зарубежных ученых.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные опытные ре-ультаты могут быть использованы при уточнении действующих нормативных доку-дентов, касающихся проектирования без балочных перекрытий, ростверков опор мостов, плит коробчатых и ребристых пролетных строений железобетонных мостов.

Основные положения диссертации опубликованы в четырех статьях (всего >4 стр.) в сборниках научных трудов, в одном научном отчете и в одном докладе на Международной научной конференции по механике железобетонных конструкций в [996г. в г. Лодь (Польша). В материалах упомянутой конференции опубликована падшая статья, объемом 0,65 п.л., в которой изложены основные результаты исследова-нш.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, трех глаз, заключения, списка использованных источников. Текст диссертации изложен на 78 лраницах. Диссертация содержит 57 иллюстраций, 11 таблиц, 50 использованных источников общим объемом 142 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации представлен литературный обзор эксперименталь-яо-теоретических исследований прочности бетона и железобетона при продавлива-еши, описанных в отечественных и зарубежных публикациях. В обзоре дан критический анализ применяемых методик экспериментальных исследований, основополагающих предпосылок теоретических построений и опытных результатов. В частности на основе анализа исследований Кюанга и Морли, направленных на изучение так называемого "сжимающего мембранного эффекта" и его влияния на предельные срезывающие напряжения при продавливании показано, что повышение прочности железобетонных плит с окаймляющими железобетонными ребрами на срез при продавливании объясняется положительным влиянием упомянутых ребер, создающих реактивный эффект обоймы, как это имеет место в выполненных нами экспериментах, где боковое обжатие создавалось активным давлением масла в приборе трехосного сжатия.

Из приведенного в первой главе литературного обзора сделаны выводы о том, что интерес мировой научной общественности к проблеме в последние годы не ослабевает. Наоборот, количество публикаций по проблеме продавливания даже возрастает, особенно в научной литературе дальнего зарубежья (главным образом, американской), что подчеркивает актуальность выполненных исследований.

Во втором выводе, касающемся методик рассмотренных исследований, указывается, что почти все исследования выполнялись по традиционной методике, с изготовлением армированных крупногабаритных образцов, опиранием их на те или иные виды опор и нагружением круглыми или прямоугольными штампами. Такие методики в принципе возражений не вызывают, однако они не позволяют испытывать образцы с большим боковым стеснением (давлением) и добиваться высокой чистоты эксперимента.

Вторая глава посвящена описанию методики эксперимента и анализу получе! ных опытных результатов.

Опытные образцы для постановки экспериментальных исследований был приняты в форме бетонных дисков диаметром 140±0,02 мм различной номинально толщины (40, 60, 80 и 100 мм), контрольные бетонные кубы размером 100x100x10 мм и бетонные призмы размером 100x100x400 мм.

Для изготовления образцов было принято 2 состава товарного бетона классе по прочности ВЗО и В50. Цемент портландский Кричевского цементного завода ai тивностью 500. Щебень п/о "Гранит", песок карьера "Заславль". Изготавливалась б( тонная смесь на заводском бетоносмесителыюм узле, уплотнялась на лабораторно вибростоле. Образцы-диски с целью получения гладкой верхней плоскости диск перпендикулярной оси образца, пригружались специально изготовленными стальнь ми дисками.

После уплотнения образцы в течение суток твердели в воздушно сухих услош ях заводской лаборатории, затем пропаривались по схеме 8+8+8 в пропарочной кам< ре завода. После пропарки готовые образцы хранились на заводе при температур 20+5°, затем в лаборатории института при нормальной комнатной температуре.

Испытание образцов производилось в возрасте 5-7 месяцев. Всего было изп товлено и испытано 12 серий опытных образцов. Каждая серия состояла из 10 диско; 9 кубов и трех призм.

Образцы-диски подразделялись на 4 группы - по 3 серии в каждой групп< Группы различались между собою толщиной дисков. Общее количество изготовла ных и испытанных дисков составляло 120 нгг., кубов - 108 шт. и призм - 36 шт.

Подготовка к испытанию кубов и призм производилась в соответствии с треб< ваниями ГОСТ 10180-90. Она сводилась к освидетельствованию (осмотр, выявлен; дефектов в виде перекосов, раковин, каверн, определения приложения сжимающи усилий при испытании), обмеру размеров поперечных сечений, маркировке, опреда лению мест установки индикаторов (для призм). Плотность бетона кубов определял в соответствии с ГОСТ 12730.1-78.

Испытания кубов производили в три приема. Часть из них (3 шт.) испытыв! лась перед испытанием основных образцов (дисков), вторая часть (3 шт.) испытыв: лась после завершения испытания основных образцов, третья часть испытыватас вместе с испытанием контрольных призм. Как показал анализ результатов испыгаш заметного различия в прочности кубов, испытанных в различном зозрасте, на наблк далось.

Призмы изготавливаются и испытываются с целью контроля упругих свойст бетона, определения призменной прочности и прочности бетона на растяжение. В п< следнем случае призмы испытывались на изгиб как балочки на двух опорах, нагр; женные двумя грузами по схеме чистого изгиба, с расчетным пролетом, равным 30 с: при этом одна из призм испытывалась на сжатие, две другие в каждой серии - на и гиб.

Особенно тщательно готовились к испытанию основные образцы-диски. Есл верхняя грань диска была непараллельной нижней грани, то образец подлежал выра

шваниго. В этом случае с целью достижения параллельности торцевых поверхностей щека, необходимой для равномерности нагружения его штампом, производилось до-)етопирование цементным раствором перекошенной плоскости диска. Диски с непа-эаллельными плоскостями (таких было немного) выравнивались путем помещения их ) цилиндрические формы без днищ, так чтобы выступающая часть торца диска была ¡ровень (за подлицо) с краем (торцом) формы. Образовавшуюся нишу заполняли цементным раствором с жесткой затиркой подбетонки металлической планкой вровень с горцом формы. После затвердевания подбетонки выровненные образцы освобожда-шсь от форм и хранились до набора требуемой прочности добетонированного слоя. 5ля углубления процессов твердения первую неделю подбетонка увлажнялась.

Как показали испытания, слой подбетонки, толщина которого обычно изменяюсь от нуля до нескольких миллиметров, не оказывал влияния на несущую способ-юсть дисков (ввиду меньшей его прочности и отслоения в процессе нагружения). Потому он не принимался во внимание при расчете опытных продольных сдвигающих гапряжений в образцах.

Как показал анализ результатов испытаний кубов среднее значение коэффици-:нта вариации в пределах всей серии образцов составило 6,61%, что значительно нике нормативного. При этом частные коэффициенты вариации по сериям несущест-юнно уклоняются от упомянутого среднего значения. Это свидетельствует о высокой однородности бетонов, использованных для изготовления опытных образцов.

Бетонные призмы испытывались на сжатие по методике НИИЖБ с выдержкой югрузки на каждой ступени. Держатели индикаторов крепились к призмам с помо: цью специального клея, затвердевающего без подогрева. Центрирование образцов осуществлялось пробной нагрузкой, составляющей 20% от разрушающей. Выдержка юстоянных нагрузок на ступени составляла 5 мин. Испытание одной призмы на сжатие длилось 1,5 ... 2 часа. При нагрузке, составляющей 80% от разрушающей, индикаторы с образцов снимались в целях предупреждения их поломки во время разрушения гризм.

Разрушение призм при сжатии происходило по плоскостям, наклоненным под гекоторым углом к оси образца. Угол наклона плоскостей разрушения убывал с уве-шчением прочности бетона. Образцы с призменной прочностью до 35 МПа разруша-шсь постепенно (нехрупко), с развитием больших пластических деформаций. Призмы 13 бетона более высокой прочности разрушались внезапно, с "взрывом", т.е. хрупко. Гаким образом, характер разрушения прмм при сжатии был ординарным, без прояв-тения каких либо особенностей.

Анализ диаграмм сжатия, приведенных в диссертации, показывает, что с Повышением нагрузки на призму ширина "ступенек" систематически возрастает, увели-швается так же наклон "подступенков" ступенчатой диаграммы. Это свидетельствует эб увеличении пластических деформаций бетона с повышением нагрузки на призму. Диаграммы для более прочных бетонов проходят круче таковых для бетонов менее зрочных. Соответственно, ширина ступени у них меньше, что вызвано более высоким модулем упругости бетона повышенной прочности.

Предел прочности бетона на растяжение при изгибе определяется в соотвстст вии с ГОСТ 10180-Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образ цам. Переходной коэффициент от предела прочности на растяжение при изгибе к прс делу прочности при осевом растяжении принимался в соответствии с ГОСТ 10180-74 По результатам определения пределов прочности на сжатие и растяжение вычисляла параметр хрупкости бетонов, имеющий важное значение в теории прочности бетона Впоследствии он использовался при обобщении опытных данных.

Плоскость разрушения призм, испытанных на изгиб, были нормальны к ос] призм. Они располагались в зоне чистого изгиба призм.

Бетонные диски испьггывались на продавливаше на специальном стенде, со стоящем из прибора трехосного сжатия, изготовленного в соответствии с А.С 1167474 СССР, МКИ4, 901 №3/10. Устройство для испытания трубчатых образцов /Л.К. Лукша, А.П. Кириллов, В.Б. Николаев/ маслонапорной станции с пультов управления, масло-проводящей, отводящей и контролирующей арматурой. Прибо] смонтирован на 100-тонном гидравлическом прессе ГСМ-100, создающем продавли вающее усилие в образце.

Для нагружения основных опытных образцов (дисков) продавливающим уси лием при воздействии бокового гидростатического давления потребовалась дополни тельная оснастка. С этой целью было спроектировано и изготовлено пагружающс' устройство, состоящее из пуансонов со штампами диаметрами 30, 60 и 90 мм, матрш диаметрами 60 и 90 мм и обечайки противодавления, защищающей нагружающее уст ройство от бокового давления масла. Нагружающее устройство вместе с образцо? размещалось внутри прибора трехосного сжатия. Изолировалось от рабочей жидкосп прибора двухслойным резиновым чехлом.

При испытании бетонных дисков изучалось влияние на несущую способност: величины бокового давления, схем продавливания (пролетов среза), высоты (толщи ны) дисков, прочности бетона. Схемы продавливания (пролеты среза) определялис: размерами пуансона и матрицы и их соотношением. Они были следующими: 90/90 60/60, 60/30, 90/30 мм. Здесь первой цифрой обозначен диаметр матрицы (мм), втора цифра (знаменатель) - диаметр штампа пуансона.

Несущая способность дисков на продавливание фиксировалась по шкале прес са. Для дисков, нагруженных боковым давлением, к показателям силоизмерител пресса вводились две поправки, учитывающие отпор давления рабочей жидкост] (м^сла) на выступы элементов прибора и нагружающего устройства. Поправка на тре ние в сальниках прибора на учитывалось ввиду ее малости.

Нагружсние образцов, испытывавншхся под действием гидростатического дав ления, было сложным. Сначала создавалась осевая (продавливающая) нагрузка не большой величины из соображений, чтобы она не превышала половины разрушаю щей для аналогичных образцов, испытанных без бокового гидростатического давле ния. Для самых тонких дисков из бетона ВЗО начальная нагрузка принималась равно) бтс. Затем создавалось давление масла требуемой величины, после чего осевая на грузка повышалась до разрушения образца. Трехступенчатая схема нагружения при менялась только для небольших гидростатических давлений. При давлениях свыше 1

у!Па приходилось прибегать к четырех- и пятиступенчатой схеме нагружения. В противном случае могла наступать разгерметизация системы в процессе повышения дав-хения масла.

Анализ характера разрушения основных опытных образцов показал, что все эни при воздействии бокового гидростатического давления разрушаются от среза не-твисимо от схемы нагружения, т.е. от соотношения диаметров матрицы и штампа нагружающего устройства. Тонкие диски, до 40 мм включительно, испытанные на про-цавливание без бокового давления, при неодинаковых диаметрах штампа и матрицы разрушаются от изгиба, как пластинки из хрупкого материала; увеличение толщины дисков, испытуемых без бокового обжатия, меняют форму их разрушения и приводят к образованию сердечников продавливания (разрушение от среза). Зона бетона, расположенная вокруг сердечника, воспринимает распор, возникающий при продавлива-нии диска и работает на растяжение как обойма, о чем свидетельствуют радиальные грещины, образующиеся перед продавливанием диска. При высоких боковых давления (не менее 20 МПа) в случаях неравенства диаметров штампа и матрицы возможно продавливанием без образования радиальных трещин в бетонной обойме вокруг продавливаемого сердечника. Во всех случаях бетонные продавливаемые сердечники находятся в условиях трехосного сжатия - они не раздробляются в процессе разрушения образца.

Количественный анализ предельного состояния бетонных дисков при продав-ливании показывает, что максимальной несущей способностью обладают образцы, испытанные при условии равенства диаметров штампа и матрицы (рис. 1). В этом случае боковое давление наиболее существенно повышает предельное сопротивление сдвигу (срезу), (верхняя кривая на рис. 1). С увеличением пролета среза р т.е. отношения диаметра матрицы к диаметру штампа (пуансона) несущая способность диска на продавливание снижается. Повышение бокового давления во всех случаях увеличивает сопротивление бетона срезу. Однако интенсивность увеличения сопротивления бетона срезу не одинакова на всем диапазоне изменения гидростатического давления. Сначала (при небольших давлениях) наблюдается резкое возрастание прочности (сопротивления срезу), затем интенсивность повышения прочности с ростом бокового давления снижается, т.е. предельные кривые выполаживаются. Это согласуется с общими представлениями о влиянии шарового тензора напряжений на прочность хрупких материалов при сложном напряженном состоянии бетона.

Очень существенна роль ширины окружающей штамп зоны бетона. Об этом свидетельствует положение внутренних кривых на рис. 2. Если исходить из влияния пролета среза на сопротивление сдвигу, то взаимное расположение кривых при р = 1,5 и р = 2 должно было быть обратным. Кривая для р = 1,5 должна была лежать выше кривой с р = 2. Фактическое (более низкое) расположение предельной кривой с р = 1,5 обусловлено меньшей величиной бокового давления, создаваемого бетонной обоймой (меньшей толщины), поскольку диаметр стальной матрицы (опорного кольца) в этом случае был большим (равным 90 мм). Из анализа рис. 2 можно сделать вывод о том, что на прочность бетона при продавливании для неизменных боковых дав-

лений оказывают наибольшее влияние два фактора: пролет среза и ширина зоны бетона, окружающей сердечник продавливашш.

Влияние высоты (толщины) диска на относительную прочность бетона на срез при продавливании показано на рис.3. Рисунок построен по результатам испытания дисков различной толщины по схеме 60/60 при различных боковых давлениях. Как следует из приведенного рисунка, увеличение толщины диска снижает прочность бетона на срез при продавливашш, что согласуется с данными Уолравена и Легуолтера. исследовавшими влияние масштабного эффекта на прочность бетона при срезе железобетонных балок различной высоты. Еще более выразительно видно влияние толщины диска на прочность бетона на срез при продавливании из рис. 4. Бетонные диски различной толщины здесь продавливались по схеме 90/90. Верхняя опытная кривая для Н « 4 см здесь тоже расположилась выше остальных, как и на рис. 3. Сравнивая рис. 3 и 4 можно видеть, что все кривые на рис. 4 расположились положе и ниже, чек на рис. 3, т.е. прочность на срез при продавливании здесь оказалась ниже. Причин) этого явления следует искать во влиянии на прочность бетона при срезе работы бетонной обоймы, опоясывающей сердечник продавливания, о чем уже упоминало« выше, при анализе рис. 1. В первом случае для схемы 60/60 (рис. 3) бетонная обоймн была более мощной, нежели для схемы нагружения 90/90, т.к. в обоих случаях диаметры дисков были одинаковыми и равными 140 мм. Из анализа обоих последних ри сунков можно заключить, что относительная величина предельного сопротивленш срезу обратно пропорциональна толщине дисков, хотя для толщин 60, 80 и 100 мм этг зависимость менее выражена.

Для более детального исследования влияния толщины ненапряженных диско! на сопротивление бетона срезу дана табл. 1, в которой приведены результаты испыта ний образцов по двум схемам: 60/60 и 90/90.

Таблица:

Величина средних относительных сопротивлений бетона срезу в ненапряженных дисках

Группа <3/0, Количество Номинальная Относительная Отношение пре-

образ- мм образцов, высота, см прочность, дельных сопро-

цов шт. КэЪ/Кк тивлений

1 2 3 4 5 6

I 60/60 4 4 0,375 1,96

90/90 3 4 0,191

II 60/60 2 6 0,253 1,27

90/90 2 6 0,198

III 60/60 4 8 0,245 1,19

90/90 2 8 0,205

IV 60/60 3 10 0,174 0,94

90/90 3 10 0,184

'ис. 1. Зависимость несущей способности на продавливаняе дисков оминальной толщиной 40 мм от бокового давления при различных -хемах нагрухения

Рис. 2. Зависимость между боковым гидростатическим давлением и относительной прочностью бетона на срез для различных пролетов среза

Рис.3 . Зависимость относительной величины сопротивления срезу от относительного бокового давления при различной толщине дисков для схемы нагрухения 60/60 им.

А<

{,0

0,3 / // й'В'ЭОмм

• —На4-сп У —Нп&сн О —Н**8 см а -Н**/Ссм

0,(25 0.250 0375

Рис. 4. Зависимость относительной величины сопротивления срезу от относительного бокового давления при различной толщине дисков для схемы нагрухения 90/90 им.

Из табл. 1 следует, что с увеличением высоты (толщины) ненапряженных дис-в относительная прочность бетона закономерно снижается для обеих схем ненагру-ния. При этом как и в случае ненапряженных дисков относительная прочность ока-вается выше для схемы нагружашя с меньшими диаметрами штампов пуансонов и триц, что как уже указывалось, обуславливается благотворным влиянием радиаль-IX боковых напряжений, возникающих за счет реакции обоймы из окружающего рдечник бетона.

Рассмотрение соотношений относительной прочности на срез при продавлива-и для обеих схем нагружения (графа 5) показывает, что отношение полученных ачений (графа 6) колеблется в пределах от ~ 2 до ~ 1. При этом видно, что это от->шение убывает с увеличением толщины диска. Для дисков толщиной 80 мм это от-шение сопротивлений бетона на срез при продавливании близко к единице. Любо-ITHO, что для толстых дисков (последняя строка табл. 1) рассматриваемое отноше-ie оказалось меньше единицы (0,94). Этот неожиданный результат свидетельствует о м, что для толстых дисков в предельном состоянии наряду со срезом бетона начи-|ют проявляться некоторые другие процессы разрушения бетона, как-то, например, юкалывание и смятие. Если диаметр матрицы превышает диаметр штампа пуансона (при пролете среза >1), то характер напряженного состояния и разрушения, а также величина несущей юсобности на продавливание существенно меняются. В опасных сечениях образца з поверхности разрушения наряду с напряжениями сдвига возникают напряжения 1стяжения, обусловливающие снижение несущей способности образцов на продав-тание. На рис.1 показана зависимость несущей способности бетонных дисков но-инальной толщиной 40 мм от бокового давления при различных схемах загружения. иаметры штампов пуансонов и матриц указаны над опытными кривыми (ломаными), з рисунка видно, что наименьшей несущей способностью обладали образцы, непышные при диаметре штампа равном 30 мм и матрице диаметром 90 мм - нижняя ло-анная линия. Увеличение диаметра штампа до 60 мм (вторая снизу кривая) повыша-г несущую способность дисков на продавливание. Еще большая несущая способ-ость зафиксирована для кривых при равенстве диаметров штампа и матрицы, о чем же сообщалось выше. Го, что кривая для 90/90 расположилась выше кривой для 0/60, закономерно, так как в этом случае речь идет об абсолютных значениях несущи способности на продавливание, зависящей от величины площади среза, а для хемы 90/90 она (площадь) была больше примерно в полтора раза.

Анализ влияния прочности (марки или класса) бетона на величину предельных резывающих напряжений при продавливании показал следующее: с увеличением прочности бетона при сжатии предельное сопротивление срезу для схем с равными диаметрами штампа и матрицы повышается, однако рост прочности на срез в этом случае менее интенсивный чем, например, для призменной прочности;

при нагружении образцов по схеме 30/90 влияния класса бетона в пределах исследованных марок бетона на предельное сопротивление срезу при продавливании почти незаметно; менее заметно и влияние гидростатического давления на про-

дельное сопротивление срезу для схем нагружения с неравными диаметрам! штампа и матрицы, о чем легко видеть из предыдущих рисунков.

Кроме выше изложенного во второй главе содержится многочисленная информация в табличной и графической форме, вытекающая из анализа опытных результатов, полученных по теме диссертации.

Из содержания второй главы сделаны следующие вводы:

1. Разработана новая методика исследования моделей железобетонных конструкций на продавливание, отличающаяся от известных методов тем, что работа арматуры в процессе нагружения моделируется воздействием гидростатического давления на боковую поверхность образцов.

2. Сконструировано, запроектировано и изготовлено нагружающее устройство для испытания образцов-моделей, позволившее приспособить для исследований известный прибор гидростатического давления [1]. Исследования показали высокую надежность, широкие возможности (гидростатическое давление достигало до 20 МПа), большую производительность в работе, как нагружающего устройства, так и испытательного стенда в целом.

3. Бетоны для изготовления опытных образцов обладали высокой однородностью, средний коэффициент вариации прочности бетона на сжатие составил 6,61%.

4. Все бетонные диски, подвергнутые продавливаншо под действием гидростатического давления, разрушается от среза независимо от их толщины и соотношения примененных диаметров матрицы и штампа пуансона нагружающего устройства.

5. Диски с номинальной толщиной 40 мм, испытанные без бокового давления по схеме нагружения с диаметрами пуансона и матрицы 30/90, разрушались от изгиба как пластинки из хрупких материалов.

6. Более толстые диски, испытанные без бокового давления, а так же диски любой толщины при любой схеме загружения разрушались от среза по цилиндрической либо конической поверхностям с образованием сердечника продавли-вания.

7. Кольцевая зона бетона вокруг сердечника продавливания работает на тангенциальное растяжение как обойма и в предельном состоянии разрушается по радиальным трещинам. При высоких боковых давлениях в случаях неравенства диаметров пуансона и матрицы возможно продавливание без образования трещин в обойме.

8. Бетонные продавливаемые сердечники испытывают трехосное сжатие; они гге раздробляются в процессе разрушения образца.

9. Полученные экспериментальные данные имеют функциональную (некор-релягивную) связь; а опытные зависимости между предельными напряжениями срезу и боковым гидростатическим давлением отвечают общим представлениям теории сложного напряженного состояния бетона - они криволинейны, гладки,

их кривизна убывает по мере погашения гидростатического давления; последнее обстоятельство свидетельствует о повышении пластичности бетона.

10. На величину предельных сопротивлений срезу при продавливании влияние класса бетона сказывается в меньшей мере, чем боковое гидростатическое давление. Особенно незначительно влияние классов бетонов на предельное сопротивление срезу для схем нагружения с неравными диаметрами пуансона и матрицы.

11. На величину предельных срезывающих напряжений при продавливании оказывает влияние масштабный эффект - более тонкие диски разрушаются при более высоких напряжениях среза.

12. Учет влияния кольцевой зоны бетона вокруг сердечника продавливания на сопротивление бетона срезу при продавливании может осуществляться на принципах, принятых в расчетах бетона и железобетона при смятии (местном сжатии).

В третьей главе диссертации дается аналитическое обобщение полученных опытных данных. В основу теоретического обобщения при условии равенства диаметров пуансона и матрицы положена гипотеза О.Мора о том, что в плоскости разрушения при продавливании действуют нормальное и касательное предельные напряжения, зависящие от призменной прочности бетона, величин осевого напряжения и бокового давления. Зависимость между указанными напряжениями в предельном состоянии, следуя за О.Мором, представлена в виде функции

т=До), (1)

где т - предельное касательное напряжение на поверхности разрушения, а - нормальное к поверхности разрушения предельное напряжение.

Как известно Мору не удалось получить зависимость (1) в аналитической форме. Поэтому он рекомендовал строить ее графически, на основе обработки экспериментальных данных, как огибающую предельных кругов напряжений (кругов Мора). Мором доказано, что такая огибающая существует и что она имеет нелинейный характер. Аналитическое уравнение функции (1) было получено позднее проф. д.т.н. Л.К. Лукшей на основе условия прочности бетона в форме двуполостного гиперболоида вращения.

Для получения функции (1) в замкнутой форме необходимо перейти от декартовых координат, в которых обычно представляются критерии прочности, к неинвариантным координатам Мора - нормальному и касательному напряжениям в плоскости разрушения. С этой целью необходимо записать уравнение круга напряжений в координатах Мора:

(о-^+тЧ2, (2)

где £,=0,5(а^ а0) - абсцисса центра круга напряжений, г1=0,5(а1-ао) - радиус круга напряжений.

После подстановки указанных параметров круга напряжений в уравнение (2) и раскрытия скобок проф. Л.К. Лукшей получено уравнение

о2-о(ст1+с1о)+сг1(то+т2=0, (3)

где Ст] - наибольшее главное напряжение сжатия под штампом пуансона согласие критерию двуполостного гиперболоида

с^фСТо+О^Яь-КО+с, (4)

с = +<р- 2)с?1 + (2 + <р){Кь - Я, К + 0,25(К4 + К,)2 (5)

Параметр ф, предложенный проф. Л.К. Лукшей, рассчитывается по формуле

ф=2(3ю-т)/(3 ¡в +т), (6)

где ее = КьЯ<1 - параметр хрупкости как отношение пределов прочности при сжатии \ растяжении, т=2 - показатель класса материала (тяжелые крупнозернистые бетоны) Сто - боковое давление на сердечник в предельном состоянии:

Оо=Ро+Ръ (7)

здесь р0 - гидростатическое давление масла в приборе трехосного сжатия, рь - реакция бетонной обоймы в виде кольцевой зоны вокруг сердечника, которую можно определить по формуле А.Н. Василькова

Рь = (Р-Щ„ (8)

где р = Бй/<1 - отношение диаметра образца к диаметру штампа пуансона (при условш равенства диаметров пуансона и матрицы), Е>а = 140 мм - диаметр бетонного опытно го диска.

После дифференцирования функции (3) по ст0 и решения ее производной относительно нормального к поверхности разрушения напряжения получена зависимость а = (<ро0 + и, )е + (<Р2 + <Р - 2)сгд + (0,5(0 + 1)(Я„ - К, )а0 (().

(<р +1 )с + (<р2+<р-2)<70 + (0,5? + Ш„ -Я,) ' Касательное к поверхности разрушения напряжение определено из (3) как

т = ^<т,-ст)(о-а0), (10)

Сравнение расчетных значений согласно формулам (4...10) с полученным! опытными данными приведено в табл. 2.

Таблица х

Сравнение расчетных значений с опытными_

Опытные данные Расчетные данные

№№ Схема Гидростати- Предельное Боковое Сопрошв- Откло-

образ- нагруже- ческое да- сопротивление давление ление резу, нение,

цов ния (Ю вление, МПа срезу, МПа Сто, МПа МПа %

1 2 .э 4 5 6 7

1.1.6 60/60 10,0 40,5 15,1 31,3 -21,6

1.1.9 60/60 15,0 51,5 19,4 40,2 -22,0

1.2.1 90/90 2,5 22,6 4,1 19,0 -16,0

1.2.9 90/90 20,0 49,86 21,6 38,56 -22,6

2.1.5 60/60 10,0 45,7 14,93 35,8 -21,8

2.2.2 90/90 10,0 29,75 11,7 29,3 -1,7

2.2.3 90/90 15,0 39,45 16,7 35,73 -9,4

3.2.6 60/60 15,0 44,8 19,0 41,2 ' -7,8

3.2.8 60/60 2,5 23,4 6,5 25,6 -9,4

1 2 3 4 5 6 7

3.2.9 60/60 17,5 51,3 21,5 44,2 -13,9

3.3.7 90/90 15,0 33,05 16,56 32,57 ■1.4

3.3.8 90/90 10,0 28,95 11,56 26,85 -7,2

4.2.7 60/60 15,0 42,71 19,67 41,05 -5,9

4.3.3 60/60 5,0 25,06 8,33 22,5 - 10,2

4.3.6 60/60 15,0 37,44 18,33 34,1 -8,9

Как следует из табл. 2, расчетные значения прочности на срез при продавлива-нии бетона в соответствии с рекомендуемой методикой расчета оказываются несколько ниже опытных, т.е. имеется некоторый запас прочности. Этот запас прочности выше для тонких дисков. Для образцов средней толщины и толстых дисков (Н=100 мм) сходимость расчета с опытом более тесная, запас прочности незначителен.

Аналитическое обобщение опытных данных для случая испытания образцов без бокового давления при неравенстве диаметров пуансона и матрицы выполнено с помощью методики СНиП 2.03.01-84 с использованием формулы на продавливание:

& =<*-К-ит'К, (И)

По формуле (11) были обсчитаны результаты испытаний ненапряженных бетонных дисков из всех испытанных серий. Результаты расчета приведены в табл. 3.2 диссертации.

Как показывает анализ упомянутой таблицы методика СНиП 2.03.01-84 дает удовлетворительные результаты только для сравнительно нетолстых дисков с относительной высотой ЬЮа < 0,5, где Ба - диаметр диска. Для более толстых дисков необходимо вводить понижающие коэффициенты, равные 0,7, если относительная толщина дисков находится в пределах 0,5 < ЬЮл < 0,7. Для более толстых дисков с Ь/Тм > 0,7 понижающий коэффициент в среднем должен быть равен 0,45. Из таблицы равным образом следует, что рекомендацию СНиП принимать С = 0,4Ь не следует.

Для образцов, нагруженных боковым давлением (напряженные диски) расчетная модель на продавливание принята в виде скорректированной выше модели СНиП с учетом действующего избыточного гидростатического давления и влияния кольцевой зоны бетона по среднему периметру разрушения. В этом случае суммарная несущая способность диска на продавливание будет равна:

И = Р + ДР, (12)

где Р вычисляется по формуле (11) с учетом оговоренных коэффициентов, зависящих от относительной толщины диска;

Б - избыточная несущая способность диска на продавливание, обусловленная влиянием гидростатического давления и работы кольцевой зоны бетона вокруг среднего периметра конуса нродавливания:

Дг = (г/гит'И (13)

где aß - нормальное к образующей конуса продавливания сжимающее напряжение уменьшающее растягивание напряжения отрыва по поверхности разрушения. Опреде ляется по формуле:

°ß=(Po + Pb)c°sß (14)

где рй - гидростатическое давление, рь - реакция бетонной обоймы вокруг средней периметра конуса продавливания. Определяется по формуле (8). ß - угол, определяющийся по формуле:

о С

ß = arctg7 п

где С - длина горизонтальной проекции боковой грани пирамиды (образующей конуса) продавливания h -толщина диска.

По приведенным формулам обсчитаны напряженные диски с неравными диаметрами пуансона и матрицы. Сопоставления расчетных и опытных данных приведены в табл. 3.3 диссертации. Анализ упомянутой таблицы показывает, что отношения расчетных данных от опытных хотя и имеют место, но они во-первых, имеют разные знаки, во-вторых, основная масса образцов обнаружила незначительные отклонения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика исследований на продавливание модельных образцов бетонных дисков позволяет получать достоверные данные о предельном сопротивлении бетона срезу [1,2,3,5].

2. На величину предельного сопротивления бетона срезу наибольшее влияние оказывают следующие факторы: пролет среза, боковое давление, зависящее от гидростатического давления (мощности армирования) и ширины незагруженной зоны вокруг штампа, масштабный эффект', зависящий от толщины продавливаемых образцов, классы применяемых бетонов. Влияние классов бетонов уменьшается с увеличением пролетов среза [1,2].

3. Кольцевая зона бетона, расположенная вокруг сердечника продавливания, активно участвует в работе продавливаемого образца, сопротивляясь растяжению, возникающему при продавливания и этим повышая прочность бетона на срез по поверхности продавливания. О работе кольцевой зоны, как бетонной обоймы, свидетельствуют возникающие в ней радиальные трещины при разрушении образца. Учет влияния кольцевой зоны бетона вокруг сердечника продавливания на сопротивление бетона срезу при продавливании может осуществляться на принципах, принятых в расчетах бетона и железобетона на смятие (местное сжатие) [1,2,4].

4. Методика СНиП 2.03.01-84 расчета бетона и железобетона на продавливание не учитывающая относительной толщины продавливаемых железобетонных конструкций требует уточнения. "Уточнение может быть достигнуто путем учета понижающих (меньших единицы) коэффициентов, если относительная толщина элемента h/D > 0,5, где h - толщина элемента, D - условный диаметр элемента. Значения экспериментально полученных упомянутых коэффициентов составляют: а = 0,7 для 0,5 < h/D < 0,7; а - 0,4...0,5 для h/D > 0,7. Кроме того,

результаты экспериментов показывают, что рекомендацию СНиП 2.03.01-84 принимать С = 0,4 h учитывать не следует [1].

5. Рекомендуемая методика расчета прочности напряженных дисков на продавливание может быть положена в основу уточнения СНиПовской методики расчета железобетонных элементов на продавливание [1].

6. Рекомендуемая методика расчетной оценки сопротивления бетона про-давливанию для случаев равенства диаметров пуансонов и матриц дает сопоставимые с опытом расчетные результаты [1,3].

7. Полученные экспериментальные зависимости между боковым гидростатическим давлением и предельным сопротивлением срезу бетона при продавливании соответствуют общим представлениям теории сложного напряжешюго состояния бетона - они криволинейны, гладки, их кривизна убывает по мерс повышения гидростатического давления [1,2,3,4,5].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Luksha L.K., Ajman Sh. Reserch of Strength of Concrete on Extnede. //Analytical Models and New Concepts in Mechanics of Concrete Structures. Proceeding II International Scientific Conference. - Lodz: Technical University, 1996. - p. 83-90.

2. Лукша Л.к., Шехадат A.M. Прочность бетона на срез при продавливании. "БГПА" "Отчет о НИР". Разработать теорию сопротивления деформированию и разрушению композитных многослойных сталебетонных и сталежелезобегонных в т.ч. центрефугированных элементов, а так же конструктивные их сопражения и методы расчета их прочности. Минск 1999 г. стр. 73-81.

3. Лукша Л.к., Шехадат A.M. "Аналитические основания информационной технологии расчета прочности бетона на продавливание" В сб. Научных трудов: Проблемы создания информационных технологий. Выпуск - 4. Международная Академия Информационных Технологий. Москва 1999г. стр. 152-157.

4. Лукша Л.к., Шехадат А.М."Технологические проблемы обеспечения прочности бетона на срез при продавливании" В сб. Научных трудов: Проблемы создания информационных технологий. Выпуск - 4. Международная Академия Информационных Технологий. Москва 1999г. стр. 145-151.

5. Лукша Л.к., Шехадат A.M."Развитие методологии экспериментально-теоретических исследований прочности бетона" В сб. Научных трудов: Проблемы создания информационных технологий. Выпуск - 4. Международная Академия Информационных Технологий. Москва 1999г. стр. 229-242.

РЭЗЮМЭ

Шехадет Айман. Трываласць бетона на зрэз пры пращскашн. Ключавыя словы: трываласць зрэз, пращсканне, трохвосевае сщсканне, скла-дана напружаны стан, пдрастатычны цюк, складанае нагружэнне, супрашуленне бетона зрэзу.

У працы прадстаулены эксперыментальныя i тэарытычныя даследванш трыва-ласги бетона на зрэз пры пращскашн мадэльных вопытных узорау у форме плоемх кругавых бетонных дыскау рознай таушчыш, нагружаных пдрастатычным щекам па бакавой кругавой паверхш i восевой пращекаючай сшай, прыкладзенай праз кругавы штамп парпендыкулярна паверхш дыскау, тая абал^раюцца на крушвыя матрицы разных дыяметрау. Для перадачы пращекальнай сшы на бетоины дыск сканструявана

и выраблена спецыяльнае нагружаючае абсталяванне, якое змясцшася разам з воныт ньш узорам у прыбор трохвосевога сшскання. ( Абсталяванне да выпрабавання труб частых узорау. Аутары: Л.К. Лукша, А.П. Юрыла i шш. Даследаваны уплыу таушык узорау це.пчыш бакавога пдрастатычнага щека, ¡.чгшруючага ар,\нрованнс бетоне пралета зрэза i трываласць бетона на прызначэнне супращулення бетона зрэзу npi пращсканш. Вызкачан грунтоуны уплыу на супращуленне бетона зрэзу пры пра щсканш таюх фактау, як: бакавогы гщрастатычны nicK, працы бетоннай абоймы вако. пращскнутага сардэчнша, маштабны эфект (таушчыня дыскау), пралет зрэза, клась ужываемых бетонау.

У выпадку роунасщ дыяметрау нагружаючага штампа i апорнай матрыцы ат рыманы разлшовыя формулы сапращулення бетона зрэзу у залежнасщ ад вел^чыт ба кавога щеку. Атрыманныя звестга прагпваюць новы святло на адну з складанейшых; тэорьн жалезабетона праблем - праблему зрэза. Яны могуць выкарыстоувацца прь удасканальванш нарматыуных дакументау пры праектаванш жалезабетонных канет рукцый.

РЕЗЮМЕ

Шехадат Айман. Прочность бетона на срез при продавливании.

Ключевые слова: прочность, срез, продавливание, трехосное сжатие, сложно! напряженное состояние, гидростатическое давление, сложное нагружение, сопротив леняе бетона срезу.

В работе представлены экспериментальные и теоретические исследовании прочности бетона на срез при продавливании модельных опытных образцов в форм< плоских круговых бетонных дисков различной толщины, нагруженных гадростатиче ским давлением по боковой круговой поверхности и осевой продавливающей силой приложенной через круговой штамп перпендикулярно плоскостям дисков, который опирались на круговые матрицы различных диаметров. Для передачи продавливаю' щей силы на бетонный диск сконструировано и изготовлено специальное нагружаю щее устройство, помещавшееся вместе с опытным образцом в прибор трехосного сжатия (Устройство для испытания трубчатых образцов. Авторы: Л.К. Лукша, А.П. Кириллов и др.). Исследовано влияние толщины образцов величина бокового гидростатического давления, имитирующего армирование бетона, пролета среза и прочное« бетона на значения сопротивления бетона срезу при продавливании. Установлено существенное влияние на сопротивление бетона срезу при продавливании таких факторов, как: боковое гидростатическое давление, работа бетонной обоймы вокруг про давливаемого сердечника, масштабный эффект (толщина дисков), цролет среза, классы применяемых бетонов.

Для случая равенства диаметров нагружающего штампа и опорной матрицк получены расчетные формулы сопротивления бетона срезу в зависимости от величины бокового давления. Полученные данные проливают новый свет на одну из сложнейших в теории железобетона проблем - проблему среза. Они мшут быть использованы при совершенствовании нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций.

SUMMARY .

Shehedat Aiman. The strength of concrete in the shear by punching.

Key words: strength, shear, punching, triaxial compression, complex stressed state, lydrostatic pressure, complex loading, concrete resistance to the shear.

Experimental and theoretical researches of concrete strength in the shear by the «inching of the model test samples in the shape of flat circular concrete disks of different hickness, loaded by the hydrostatic pressure along the side circular surface and by the axial 'orcing through force, applied through the circular die perpendicular to the disks' surface, vhich rested on the circular die of different diameters, were presented in this work. Special oading mashine, which placed together with the test samples into the device of the triaxle :ompression, was constructed and produced for the transmission of the forcing through brce (Device for the testing of the pipe samples. The authors: L.K.Luksha, A.P.Kirillov, :tc.). The influence of the samples' thickness for the value of the side hydrostatic pressure, vhich imitates the reinforcement of concrete, shear span and concrete strength on the mag-litude of the concrete resistance to the shear by the forcing through, was examined. The essential influence on the concrete resistance to the shear by the forcing through of such fac-ors as: side hydrostatic pressure, concrete casing operation round the crushing core, scale :ffect (the thickness of the disks), shear span, grades of the applied concrete was deter-nined.

For the equality of the diameters of the loading die and supporting die calculated 'ormulas of the concrete resistance to the shear depending on the value of the side pressure vere received. The obtained information sheds the new light on one of the complicated problem in the theory of the reinforced concrete - the problem of the shear. They can be jsed by the upgrading of the normative documents on the designing of the reinforced con-:rete constructions.

Шехадат Айман Мухамед

ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА СРЕЗ ПРИ ПРОДАВЛИВАНИИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.09.2000 г. Формат 60x84/16-Усл. П.л. 1,39 Уч. Изд. Л. 1,5. Заказ № 624. Тираж 120 экз.

Отпечатано на ризографе Брестского государственного технического университета

224017, г. Брест, ул. Московская, 267