автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов с арматурой класса Ат500С из углеродистой стали

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

рГ О од

УДК 624.072.22.012.454.042 (043.3) , „ , - , ,г,

Волик Алла Ричардовна

ПРОЧНОСТЬ, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С АРМАТУРОЙ КЛАССА Ат500С ИЗ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск-2000

Работа выполнена в Полоцком государственном университете.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РБ Пецолъд Т.М., кандидат технических наук, доцент Терин В.Д.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ТурВ.В.,

кандидат технических наук, доцент . Рак Н.А.

Оппонирующая организация: НИППГП - институт БелНИИС Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь

Защита состоится года в часов на

заседании совета по защите диссертаций Д.02.05.09 в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220025, г. Минск, проспект Ф.Скорины, 150, ауд. 839, Белорусская государственная политехническая академия.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Отзыв на автореферат отправлять по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф.Скорины, 65, ученому секретарю, тел. 264-98-65.

Автореферат разослан "

J« ¿it/ff&fa 2000 г.

H530J-ОЪН-i ,0

Ученый секретарь совета по защите

диссертаций / /¿.UX,' ) Е.М. Сидороеич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Мировой опыт развития железобетонных конструкций неразрывно связан с улучшением физико-механических свойств материалов, используемых при изготовлении конструкций, и совершенствованием методов расчета железобетонных конструкций.

В бывшем СССР, а затем и в странах СНГ, основным видом арматуры периодического профиля, применяемой в качестве рабочей арматуры железобетонных конструкций, до последнего времени была горячекатаная арматура класса А400 (А-Ш) марок 35ГС и 25Г2С. Из-за дефицита ферромарганца более 70 % арматуры этого класса производится из стали марки 35ГС с содержанием углерода до 0,39 %, и по международным стандартам эта сталь считается несвариваемой.

Большинство экономически развитых стран мира перешли или переходят на производство и применение в обычном железобетоне одного класса свариваемой арматуры - А500С с нормативным пределом текучести 500 МПа.

Для Республики Беларусь, не имеющей своих источников черных металлов, реальный путь расширения производства ненапрягаемой арматуры -это переход на применение термомеханически упрочненной арматуры с пределом текучести не менее 500 МПа из углеродистой стали, что позволит выйти на мировой рынок с продукцией, соответствующей стандартам развитых стран и при этом экономить дорогостоящие легирующие добавки.

В настоящее время Белорусский металлургический завод (БМЗ) освоил технологию производства арматуры из углеродистой стали марки СтЗсп, при этом экономия дорогостоящих легирующих добавок в расчете на 100 т стали составляет: марганца-800...900 кг, кремния -450...600 кг. Это снижает себестоимость проката на 15 %. Нормированные требования к производству арматуры класса Ат500С установлены ГОСТом 10884-94 и ТУ РБ 04778771001-93. Однако нормативной базы для применения арматуры класса Ат500С сегодня нет, поэтому проектировщики и строители используют ее с показателями арматуры А400.

Этим обусловлена необходимость проведения комплексных исследований с целью разработки рекомендаций по применению арматуры класса Ат500С в изгибаемых железобетонных конструкциях в Республике Беларусь.

В проекте СНБ 5.03.01-98 основная расчетная модель сечений построена с использованием диаграмм деформирования материалов. Поэтому исследования прочностных и деформативных характеристик арматуры класса Ат500С, которая впервые внесена в проект новых норм СНБ 5.03.01-98 как 51500, имеет важное научное и практическое значение.

Связь работы с крупными научными темами. Работа является разделом комплексной программы "Стройпрогресс-2000" научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института бетона и железо-

бетона (НИИЖБ) Госстроя РФ, а также государственной программы "Разработка национального комплекса научно-технической документации в 'строительстве" (п. 1.1.13) Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь.

Целью диссертационной работы является обоснование условий применения в изгибаемых железобетонных конструкциях термомеханически упрочненной арматуры класса Ат500С из углеродистой стали.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

•исследовать механические свойства арматуры Ат500С из стали марки СтЗсп в состоянии поставки;

•исследовать влияния масштабного фактора (диаметра арматуры) на параметры диаграммы деформирования арматуры;

•разработать предложения по нормированию диаграммы деформирования арматуры класса Ат500С;

•исследовать влияние различных видов сварки на механические свойства арматуры;

•исследовать прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов с рабочей арматурой класса Ат500С, имеющей различные диаграммы "о-е"\

•теоретически исследовать влияние прочности бетона и процента армирования на ширину раскрытия трещин в нормальных сечениях изгибаемых элементов.

•провести апробацию методов расчета прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых элементов с новым классом арматуры Ат500С по проекту СНБ 5.03.01-98;

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является ненапрягаемая термомеханически упрочненная арматура класса Ат500С из углеродистой стали марки СтЗсп и изгибаемые железобетонные элементы, армированные ею. Предмет исследования - механические и технологические характеристики указанной арматуры, прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов с рабочей арматурой класса Ат500С.

Методология и методы проведения исследования. При выполнении данной работы использовались экспериментальные методы исследований механических свойств арматуры, прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных элементов, а также статистические методы обработки экспериментальных данных.

Научную новизну работы составляют:

• результаты экспериментальных исследований механических свойств арматуры класса Ат500С из углеродистой стали и их изменчивости в состоянии поставки;

• впервые полученные экспериментальные данные о влиянии диаметра стержней на механические свойства термомеханически упрочненной арматуры класса Ат500С из углеродистой стали марки СтЗсп;

• предложения по нормированию диаграммы деформирования арматуры класса Ат500С;

• экспериментальные данные о влиянии крестообразных сварных соединений на механические и технологические свойства арматуры класса Ат500С;

• впервые полученные экспериментальные данные о прочности, тре-щиностойкости и деформативносги изгибаемых элементов с продольной арматурой класса Ат500С из углеродистой стали;

• экспериментальные данные о влиянии различных диаграмм растяжения арматуры класса Ат500С (с^/ст,,,) на прочность, трещиностойкость и

деформативность изгибаемых элементов;

• результаты теоретических исследований влияния прочности бетона и процента содержания рабочей арматуры на динамику развития трещин изгибаемых элементов;

• результаты теоретических исследований влияния прочности бетона и процента армирования рабочей арматуры на динамику развития трещин изгибаемых элементов.

• результаты апробации методов расчета прочности, трещиностойко-сти и деформативносги по методике проекта СНБ 5.03.01-98 с использованием нового класса арматуры.

Практическая значимость полученных данных. Выполненные исследования позволили объективно оценить механические свойства арматуры класса Ат500С из углеродистой стали, выпускаемой Белорусским металлургическим заводом, и их изменчивость, дать предложения для включения в нормы проектирования по назначению расчетного сопротивления и нормированию диаграммы деформирования этой арматуры.

Результаты исследований использованы при внедрении в производство многопустотных плит перекрытия на АП КЖИ №214. Использование в качестве рабочей арматуры класса Ат500С взамен А-Ш (А400) дает экономию стали 15-21%. Проведенные исследования способствуют внедрению в практику строительства нового класса арматуры, соответствующей стандартам развитых стран.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автор защищает:

• результаты исследования механических свойств арматуры класса Ат500С из стали марки СтЗсп в состоянии поставки, изготовленной Белорусским металлургическим заводом;

• результаты исследования влияния масштабного фактора (диаметра арматуры) на прочностные параметры исследуемой арматуры;

• предложения по нормированию диаграммы деформирования арматуры класса Ат500С из углеродистой стали;

• экспериментальные данные о возможности эффективного использования арматуры повышенной прочности класса Ат500С без предварительного напряжения в железобетонных изгибаемых конструкциях;

• результаты исследования влияния физико-механических характеристик арМатуры класса Ат500С на прочность, трещиностойкость и деформа-тивность изгибаемых железобетонных элементов;

• результаты апробации методик расчета прочности, трещиностойко-сти и деформативности, представленных в проекте СНБ 5.03.01-98, с использованием нового класса арматуры.

Личный вклад соискателя. Работа выполнена соискателем самостоятельно на кафедре "Железобетонные и каменные конструкции" Полоцкого государственного университета под научным руководством доктора технических наук, профессора Т.М. Пецольда и кандидата технических наук, доцента В.Д. Терина.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: VII научно-техническая конференция "Новые направления в строительстве и развитии строительных конструкций и материалов" (Люблин, 1996 г.); международная конференция "Инженерные проблемы современного бетона и железобетона" (Минск, 1997); научно-методические межвузовские семинары "Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь" (Брест, 1996 г.; Гомель, 1997 г.; Могилев, 1998 г.).

Опубликованность результатов. Основные положения диссертации и результаты, выносимые на рассмотрение, опубликованы в 3 статьях рецензируемых сборниках научных работ и в 3 сборниках материалов научных конференций с общей численностью 24 страниц печатного текста.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, основной части, состоящей из четырех глав, заключения, списка используемых источников из 144 наименований. Объем работы составляет 130 страниц, включая 79 страниц машинописного текста, 52 рисунка, 19 таблиц и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Первая глава посвящена состоянию вопроса, постановке цели и задач исследований. Мировой опыт совершенствования железобетонных конструкций уделяет большое внимание снижению расхода материалов и в первую очередь - строительных сталей. Практически вся история развития железобетона связана с этой проблемой, актуальность которой сохраняется до настоящего времени.

До середины 50-х годов основным видом арматуры в нашей стране являлась гладкая горячекатаная сталь марок СтО и СтЗ с пределом текучести 230 МПа. В 60-е годы большое внимание было уделено повышению прочностных характеристик арматуры за счет изменения химического состава стали (введением различных легирующих добавок и повышением содержания углерода), упрочнения в холодном состоянии волочением и вытяжкой, терми-

ческой обработкой. Были разработаны новые виды арматурных сталей с периодическим профилем, что обеспечивало их надежную совместную работу с бетоном.

Начиная с 1961 года и до настоящего момента, в СНГ основным видом арматуры для железобетонных конструкций является горячекатаная арматура класса A-III (А400), выпускаемая в основном из низколегированной стали марок 35ГС и 25Г2С.

Анализ нормативных документов европейских стран и США показал, что основными направлениями мирового развития ненапрягаемой арматуры для железобетонных конструкций являются:

• повышение прочностных свойств арматурных сталей до уровня А500С, т.е. сол* 500 МПа;

• обеспечение гарантированной свариваемости за счет ограничения содержания углерода до 0,24 % и углеродного эквивалента до 0,52 % (т.е. ограничения содержания легирующих добавок).

Европейским стандартом EN 10080 предусмотрен выпуск и применение в странах ЕС только одного класса ненапрягаемой арматуры для железобетонных конструкций с нормативным пределом текучести, равным 500 МПа.

В России за последние пять лет проведены комплексные исследования технологических особенностей производства и эксплуатационных свойств арматурной стали А500С, получаемой путем термомеханического упрочнения рядовых углеродистых сталей марок 20, СтЗ. Нормативные требования к производству такой арматуры установлены стандартом СТО АСЧМ 7-93 и ТУ 14-1-5254-94.

НИИЖБ рекомендует повсеместную замену всех видов арматуры на сталь А500С. За счет более высокого предела текучести по сравнению с А400 (A-III) средняя ожидаемая экономия стали составит 15%.

Для Республики Беларусь, не имеющей своих источников черных металлов, но стремящейся к выходу на мировой строительный рынок, реальный путь в развитии ненапрягаемой арматуры - переход на применение термоме-ханически упрочненной арматуры с пределом текучести не менее 500 МПа из углеродистой стали.

В настоящее время Белорусский металлургический завод освоил технологию производства арматуры класса Ат500С из стали марки СтЗсп. Но поскольку проектная документация на применение такой арматуры отсутствует, строители и проектировщики используют ее как арматуру класса А400. Поэтому введение в нормы Республики Беларусь арматуры класса Ат500С, производимой белорусскими металлургами, требует детального изучения и экспериментальной проверки ее применения в железобетонных конструкциях.

Практика использования высокопрочных арматурных сталей выявила ряд новых особенностей, которые необходимо учитывать в расчетах. В работах Г.И. Бердичевского, A.A. Гвоздева, Б.П. Горячева, Е.А. Гузеева, Ю.П. Гущи, В.В. Дегтерева, А.П. Кудзиса, С.А. Мадатяна, РЛ. Машина, К.В. Михайлова, Н.М. Мулина, Э.Г. Ратца, А.И. Семенова, С.М. Скоробогатова и др. показано, что прочностные и деформативные свойства арматуры оказывают

существенное влияние на характер разрушения и прочность железобетонных конструкций.

В работе проведен обзор известных методик расчетов железобетонных конструкций по I и II группе предельных состояний.

В настоящее время наметилась тенденция перехода к расчету железобетонных конструкций с использованием диаграмм деформирования арматуры и бетона, которая нашла отражение в проектах нормативных документов России, Белоруссии и Украины. В диссертации представлены алгоритмы расчетов по методикам разрабатываемых норм.

Только в течение последних сорока лет предложено более 30 аналитических зависимостей, описывающих полную диаграмму деформирования бетона.

В работе представлены варианты аналитических зависимостей диаграмм деформирования бетона, предложенные В.В. Михайловым, JI.JI. Jle-мышем, Хогнестадом (Hognestad's Model), Wang, Carriera и Chu, Mansur, M. Chin и нормативными документами, базирующимися на использовании диаграмм деформирования материалов (СЕВ Model Code, проекты строительных норм Белоруссии, России и др).

Поскольку настоящая работа посвящена изучению свойств и особенностей применения арматуры нового класса в железобетонных изгибаемых конструкциях, в работе представлен анализ предложений В.Н. Байкова, Ф. Боргиса, Ю.П. Гущи, И.Ю. Жидониса, Ю.В. Зайцева, С.М. Крылова, С.А. Мадагяна, Т.И. Мамедова, В.М. Митасова и др. по описанию диаграмм деформирования арматуры.

В нормах ЕКБ-ФИП, проектах СН 51-01, СНБ 5.03.01-98 для арматурных сталей приведены более простые линейные диаграммы в виде отдельных отрезков, проходящих через базовые точки, соответствующие классу арматуры.

Широкая компьютеризация расчетов строительных конструкций, стремление наиболее точно описать математически их напряженно-деформированное состояние, желание теорию расчета максимально приблизить к фактической работе железобетонных конструкций показали перспективность использования расчетной модели на основе учета диаграмм деформирования материалов. Исследования по оценке напряженно-деформированного состояния с применением диаграмм деформирования материалов для железобетонных изгибаемых элементов с рабочей арматурой из углеродистой стали не проводились, не изучено влияние различных видов диаграмм "а - е" арматуры на работу изгибаемых элементов. Исходя из изложенного сформулированы основные задачи диссертации.

Вторая глава посвящена исследованию механических свойств опытно-промышленных партий арматуры. Для объективной оценки свойств определенного класса арматуры и назначения нормативных и расчетных характеристик исследовалась внутриплавочная (по двум плавкам - 22546 и 10876 арматуры класса Ат500С из стали марки СтЗсп путем случайного отбора 100 образцов от каждой плавки) и межплавочная (по данным испытаний 256 образцов от 64 плавок) изменчивости.

Исследования механических свойств арматуры показали:

Г. условия, согласно ГОСТ 10884-94, исходя из которых предприятие-

изготовитель гарантирует средние значения прочностных и пластических характеристик исследуемой арматурной стали, в каждой из исследованных плавок выполняются (табл. 1);

2. браковочные значения предела текучести, относительного удлинения, установленные ГОСТ 10884-94 и ТУ РБ 04778771-001-93 обеспечиваются с вероятностью большей чем 0,95 (табл. 2);

3. браковочное значение временного сопротивления не удовлетворяет требованиям ГОСТ 10884-94 и ТУ РБ 04778771-001-93 (табл. 2).

Таблица 1

Результаты статистической обработки внутриплавочной изменчивости механических свойств арматуры класса Ат500С

Номер плавки А, мм Прочностные свойства Пластические свойства

Ом,МПа ст., Мпа <5

ГТо.2 Б» О.Эхю.+ЗБо а. 0,9хцер+350 6, Бо О.^хцвр+ЗБо

Плавка 10876 12 557 11,7 485,1 631 9,06 567,2 22,9 1,3 16,4

Плавка 22546 10 552,8 17,6 502,8 621,2 19,0 597,1 23,7 3,7 23,7

Таблица 2

Результаты межплавочной изменчивости механических свойств. арматуры класса Ат500С

Изучаемые характеристики X, Р == 0,95 Р = 0,977 Р = 0,999

Х-1.648, Х-й, Х-и,

СТ„.МПа 548,2 23 510,5 502 479,2

ст., МПа 622,2 23,9 583 574,4 550,5

23 Д 4,3 16,5 14,6 10,3

12,62 1.17 10,7 10,28 8,9

Поэтому была исследована изменчивость отношения при испы-

/ <Т0,2

тании образцов арматуры диаметром 10, 12, 16, 25 мм (по 20 образцов каждого диаметра).

Результаты статистической обработки опытных данных выявили связь

между отношением ау и диаметром арматуры, которая может быть опи-/ О"0.2

сана уравнением:

а>/ = 1,21-^^ при 10£с/<;25лш. (1) / СТо.1 а

При диаметре арматуры Ат500С - 10 мм минимальное значение отношения °Ч/ с доверительной вероятностью 0.95 составляет 1.095.

/ СГе.2

При назначении коэффициента безопасности руководствовались положением, что расчетное сопротивление гарантируется для арматуры Ат500С в состоянии поставки с доверительной вероятностью не менее 0,9985. В результате статистической обработки прочностных характеристик арматуры с учетом их изменчивости установлен коэффициент безопасности, равный 1,1, и, соответственно, значение расчетного сопротивления для арматуры Ат500С из углеродистой стали СтЗсп, равное 450МПа.

При расчете изгибаемых железобетонных конструкций с использованием диаграмм деформирования арматуры, согласно проекту СНБ 5.03.01-98, определены базовые точки для упрощенной диаграммы "а- е" арматуры класса Ат500С, состоящей из двух наклонных участков (табл. 3).

Таблица 3

. Координаты точек диаграммы "о- -с" арматуры класса Ат500С

Название Координаты

Базовая точка

Предел текучести (К,.„,е,.,) 7?,.. = 500 МПа, £,„ = £„ + 0,2 = 0,44 %

Дополнительные точки

Предел упругости (о»Л,е.,.) <т„.. = 480 МПа, где 7 = 0,96. &.,. = — -Ю0% =0,24% Ео

Временное сопротивление разрыву (Я».» » £я1.П ) = Д„ = 550МПа, / О 02 где0"/ =1,095. /СГо 2 £„, = + £„ = £„„ + <5,= П%

В железобетонных конструкциях арматура обладает свойствами, отличающимися от свойств в состоянии поставки, т.к. в процессе изготовления конструкций она подвергается различным технологическим переделам, оказывающим влияние на ее свойства. Одним из основных переделов является сварка арматуры.

В третьей главе исследовано влияние наиболее часто используемых видов сварки на механические свойства арматуры класса Ат500С.

Современными стандартами прочность и надежность сварных соеди-

нений арматуры оценивается испытаниями на растяжение, срез и изгиб. Для оценки качества сварных соединений по ГОСТ 14098-89 были изготовлены образцы, выполненные контактно-точечной сваркой и дуговой ручной прихватками.

Исследования показали, что при испытаниях сварных соединений на разупрочнение и срез все образцы разрушились пластично в зоне термического влияния сварки.

Разупрочнение, характеризуемое снижением временного сопротивления, составило 2... 10 % (табл. 4). Фактические значения временного сопротивления в зоне разупрочнения составили 569-603 МПа, т.е. временное сопротивление разрыву составляло не менее 0,9 ст. ■

При испытаниях на загиб на 90° во всех образцах (стержнях арматуры класса Ат500С в состоянии поставки и их сварные соединения ручной дуговой сваркой прихватками и контактной точечной сваркой) образование трещин и изломов не обнаружено, что свидетельствует о том, что закалочные структуры металла, приводящие к хрупкому разрушению соединений, не образуются.

Исследования показали, что крестообразные сварные соединения армаггуры класса Ат500С, выполненные контактной точечной и ручной дуговой сваркой прихватками по типу, конструкциям и размерам, удовлетворяющим требованиям ГОСТ 14098-89, имеют временные сопротивления разрыву не менее 0,9е., что соответствует требованиям ГОСТ 10884-94 для свариваемой арматуры.

Для более рационального применения в железобетонных конструкциях арматуры класса Ат500С из углеродистой стали СтЗсп были проведены исследования работы изгибаемых железобетонных элементов с рабочей арматурой данного класса, изложенные в четвертой главе.

С этой целью были изготовлены и испытаны 2 серии опытных балок (8 образцов) размерами 160x300x3200 мм, отличающиеся процентом армирования, который был установлен таким образом, чтобы предельные напряжения в арматуре для балок I серии были близки к временному сопротивлению, а для II серии - к среднему значению между пределом текучести и временным сопротивлением.

В каждой серии было изготовлено по две балки-близнеца, имеющие различные диаграммы растяжения рабочей арматуры: в одном случае - тер-момеханически упрочненную арматуру периодического профиля Белорусского металлургического завода класса Ат500С из углеродистой стали марки СтЗсп, в другом - из легированной стали марки 25Г2С. С целью чистоты эксперимента для армирования опытных элементов были отобраны стержни по возможности с одинаковой величиной предела текучести. Для определения влияния диаграммы деформирования рабочей арматуры (т.е. с./сГт) на работу изгибаемых элементов были отобраны образцы арматуры класса Ат500С из углеродистой стали с минимальным соотношением сг./сг» г ■ (табл.5).

Таблица 4

Результаты испытаний крестообразных сварных соединений арматуры Ат500С

Диаметр, мм Вид испытаний Средние значения временного сопротивления Характер и место разрушения Требование ГОСТ 14098: 0,9<тГ

стержней в исходном состоянии егГ, Мпа сварных соединений СТ.. МПа

10 Разупрочнение 628 615 По основному стержню, пластично 565,2

10 Разупрочнение 628 590 В зоне сварных соединений, пластично 565,2

10 Разупрочнение 628 603 В зоне сварных соединений, пластично 565,2

12 Разупрочнение 636 586 В зоне сварных соединений, пластично 572,4

12 Разупрочнение 636 579 В зоне сварных соединений, пластично 572,4

12 Разупрочнение 636 591 В зоне сварных соединений, пластично 572,4

10 Срез 628 577 На срезе соединений, пластично 565,2

10 Срез 628 564 На срезе соединений, пластично 565,2

10 Срез 628 577 На срезе соединений, пластично 565,2

12 Срез 636 582 На срезе соединений, пластично 572,4

12 Срез 636 593 На срезе соединений, пластично 572,4

12 Срез 636 569 На срезе соединений, пластично 572,4

Таблица 5

Номенклатура, геометрические размеры сечений и характеристики материалов опытных балок

Шифр балок в, мм Я, мм см2 £ Иь, МПа С 0.2, МПа ст.. МПа. ст./сгт

Б-1.1 186 340 1,10 0,075 16,5 645 827 1,28

Б-1.2 184 328 1,10 0,078 16,5 645 827 1,28

Б-1.3 184 330 1,13 0,075 16,5 602 633 1,053

Б-1.4 184 327 1,12 0,074 16,5 598 634 1,064

Б - II.1 185 308 3,30 0,25 16,5 642 836 1,28

Б -11.2 186 333 3,30 0,23 16,5 642 833 1,30

Б - П.З 183 335 3,38 0,21 16,5 574 620 1,08

Б-11.4 184 342 3,38 0,21 16,5 577 618 1,08

Балки армировали сварными каркасами, которые имели поперечную арматуру 0 12 мм класса А400 с шагом 100 мм и арматуру в сжатой зоне 012 мм того же класса, установленную лишь в крайних третях пролета. Пространственные каркасы изготавливали при помощи точечной сварки. Перед установкой пространственных каркасов в опалубку, на рабочую арматуру в зоне чистого изгиба были закреплены репера для измерения деформаций арматуры при испытаниях.

Опытные балки были изготовлены в производственных условиях ГП "Новополоцкжелезобетон". Контроль физико-механических свойств бетона производился по результатам испытаний кубов и призм.

Испытания производили по балочной схеме до разрушения с приложением сосредоточенных усилий в третях пролета. Нагружение осуществляли с помощью гидродомкрата через распределительную траверсу. В процессе испытания измеряли относительные деформации бетона и арматуры, прогибы балок, ширину раскрытия трещин и их развитие по высоте сечения вплоть до разрушения. Деформацию растянутой арматуры измеряли при помощи индикатора часового типа, установленного на реперах, предварительно закрепленных на арматуре. На боковой поверхности балок были наклеены тензо-резисторы с базой 50 мм цепочками длиной 35 см от середины балки для измерения относительных деформаций бетона по высоте сечения. На каждом этапе фиксировали место появления и достигнутую'высоту трещин, а также ширину раскрытия наиболее характерных трещин на уровне рабочей арматуры. Прогиб балок измеряли прогибомером.

Разрушение опытных балок происходило по нбрмальным сечениям в зоне чистого изгиба в результате развития пластических деформаций в рас-

тянутой арматуре, приводящих к раздроблению бетона сжатой зоны, кроме балки первой серии Б-1.3 с рабочей арматурой класса Ат500С из углеродистой стали СтЗсп, разрушение которой произошло от разрыва рабочей арматуры.

При сопоставлении величин разрушающих моментов опытных балок, армированных арматурой класса Ат500С, имеющей различные диаграммы деформирования, заметно снижение прочности в балках с рабочей арматурой из углеродистой стали. Но фактические разрушающие нагрузки составляют не менее 95 % от контрольных, определенных по требованиям ГОСТ 8829-94, что позволяет признать опытные балки удовлетворяющим предъявленным требованиям по прочности. Экспериментально подтверждено, что при расчетном сопротивлении для арматуры класса Ат500С, установленном статистическими исследованиями и равном 450 МПа, обеспечен коэффициент безопасности С = 1,35.

Расчетные величины разрушающих нагрузок определяли с учетом фактических диаграмм растяжения арматуры, действительных геометрических размеров балок и прочности бетона в день испытания по методике СНиП 2.03.01-84* и по методикам, предложенным в проектах СН 51-01 РФ и СНБ 5.03.01-98.

Для каждой методики были составлены компьютерные программы при расчете по I и II группах предельных состояний.

При расчете прочности балок по методике СНиП 2.03.01-84 и по упрощенному способу проекта СНБ 5.03.01-98 для определения действительных предельных напряжений в арматуре был установлен коэффициент у , учитывающий работу арматуры за пределом текучести, в зависимости от

Сравнивая величины разрушающих нагрузок, вычисленные по различным методикам, можно выделить следующее:

• самые большие отклонения от экспериментальных данных дают значения, полученные при расчетах без учета коэффициента уп по СНиП 2.03.01-84* (максимальные отклонения до +17,1 %, средние до +11,08 %) и по методу проекта СНБ 5.03.01-98 (максимальные отклонения +17,7 %, средние до+12,78 %);

• значения разрушающих моментов, вычисленные по общему случаю проекта СНБ 5.03.01-98, дают хорошую сходимость с опытными (при максимальных отклонениях: -4,2 % ...+9,2 %, средних- +3,13%);

, • расчетные значения разрушающих моментов по СНиП 2.03.01-84 и по упрощенному методу проекта СНБ 5.03.01-84 с учетом коэффициента ..у, , определенного по формуле (2), имеют наилучшую сходимость с опытными (максимальные отклонения от -5,9 % до +7,6 % , средние - +1,44 %).

Таким образом, при расчете прочности изгибаемых железобетонных

величины £ и с учетом различных видов диаграмм (т.е. с )

(2)

элементов наиболее точно учитывает влияние характера диаграмм на работу элемента общий случай расчета проекта СНБ 5.03.01-98. Расчет прочности по упрощенному методу проекта СНБ 5.03.01-84 или по СНиП 2.03.01-84* обеспечивает аналогичную точность оценки прочности при расчете с коэффициентом у

При оценке развития прогибов и трещин опытных элементов можно выделить две стадии их работы. Первая стадия - когда напряжения в арматуре не превышают предела текучести. На этой стадии характер развития трещин и прогибов в балках с рабочей арматурой из углеродистой стали с

= 1,08 (Б-1.3, Б-1.4, Б-П.З, Б-П.4) и из легированной стали с

/ СГог

= 1Д8(Б-1.1,Б-1.2,Б-П.1,Б-П.2) имеют незначительные различия (рис.1).

/<То.2

После превышения напряжений в арматуре условного предела текучести в балках с арматурой из углеродистой стали отмечено более интенсивное развитие трещин и прогибов по сравнению с балками с арматурой из легированной стали.

Это объясняется тем, что на первой стадии при увеличении внешней нагрузки рост деформаций и напряжений в арматуре из углеродистой и легированной стали носят примерно одинаковый характер, а после достижения предела текучести увеличение деформации в арматуре из углеродистой стали происходит более интенсивно, чем в арматуре из легированной стали.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что вид диаграммы деформирования рабочей арматуры влияет на величины прогибов и ширину раскрытия трещин.

Теоретические значения ширины раскрытия трещин и прогибов определены по методикам СНиП 2.03.01-84* и проекта СНБ 5.03.01-98.

В проекте строительных норм Беларуси для расчета ширины раскрытия трещин и прогибов предусмотрены два способа: общий (с учетом диаграмм деформирования материалов) и упрощенный.

Анализ сопоставления опытных а^ и расчетных (вычисленных согласно СНиП 2.03.01-84*), (по упрощенному способу проекта СНБ 5.03.01-98) и (вычисленных по общему способу проекта СНБ 5.03.01-98) значений ширины раскрытия трещин показал, что:

• расчетные значения -и»* практически совпадают между собой при нагрузках, не вызывающих пластических деформаций в растянутой арматуре. На этой стадии работы наиболее близки к экспериментальным данным ширины раскрытия трещин теоретические значения , для балок I серии, Оа, Для балок II серии;

• при повышении нагрузки, когда напряжения в арматуре выше предела текучести, происходит интенсивное увеличение расчетного значения уу, по сравнению с величинами уу,,, соотношение между которыми достигает 0,7... 1,4. При сравнении с экспериментальными данными фактическая ширина раскрытия трещин превышает теоретические значения уу»,, в 2-5

Ччр. иНн

Рис. 1 Влияние диаграмм деформирования рабочей арматуры на прогиб и ширину раскрытия трещин в опытных балках

раз. Сопоставляя опытные данные и расчетные уу», видно, что к моменту текучести арматуры практически данные совпадают

= 0,86... 1,12), при дальнейшем увеличении нагрузки происходит ин-

■и>*

тенсивное увеличение расчетных значений по сравнению с экспериментом и при разрушающем моменте урк превышает фактические значения в 6...20 раз.

Анализ зависимостей расчетных и экспериментальных величин прогиба от изгибающего момента показал, что:

• расчетные значения прогибов вычисленные по СНиП 2.03.01-84*,

вычисленные по общему случаю расчета проекта СНБ 5.03.01-98 с учетом допущения условно упругой работы бетона и арматуры, и д„, вычисленные по упрощенной схеме расчета согласно проекту СНБ 5.03.01-98, очень близки между собой; только расчетные значения вычисленные по упрощенной схеме, сразу после появления трещин начинают расти и превышают данные эксперимента II серии в 1,4...2 раза на всех этапах нагружения;

• при нагрузках, вызывающих пластические деформации арматуры, происходит интенсивное увеличение прогиба опытных балок, что не нашло отражения у вышеупомянутых расчетных величин, т.к. их динамика роста остается постоянной;

• расчетные значения прогиба д„, вычисленные по методике проекта СНБ 5.03.01-98 с учетом диаграмм деформирования, наиболее близки к экспериментальным данным: максимальные отклонения составляют в среднем до -5 % (I серия), -16 %...+20 % при нагрузках, не вызывающих пластических деформаций в арматуре. При дальнейшем увеличении нагрузкй происходит интенсивное увеличение теоретических величин прогиба по Сравнению с опытными данными во всех образцах.

Таким образом, расчетные значения ширины раскрытия трещин и прогибов, вычисленные по методике СНиП 2.03.01-84 и по упрощенному способу СНБ 5.03.01-98 хорошо согласуются с опытными данными при упругой работе арматуры в конструкциях. Общий случай расчета ширины раскрытия трещин и прогибов по проекту СНБ 5.03.01-98 дает возможность оценит^ работу балок на всех стадиях работы элемента вплоть до разрушения! при этом учитывается возможность применения арматуры с различными диаграммами "ст - е" арматуры и бетона.

Влияние процента армирования и класса бетона на динамику образования и раскрытия трещин в изгибаемых железобетонных элементах было исследовано теоретически. По общему случаю расчета методики СНБ 5.03.0198 была рассчитана ширина раскрытия трещин в изгибаемой железобетонной балке сечением 180x330 мм, армированной арматурой класса Ат500С. В первом случае варьировалась величина процента армирования (сечение армировалось 1, 2, 3, 4, 5, 6 стержнями рабочей арматуры 0. 12 мм при классе бетона В16/20), во втором - принимались разные классы бетона - ~С 12/15,

С16/20, С20/25, С30/37 при армировании сечением двумя стержнями арматуры (обозначения классов бетона - по проекту СНБ 5.03.01-98). При исследовании влияния процента армирования сечения выявлено, что при эксплуатационной нагрузке, когда рабочая арматура работает упруго, требование нормативных документов по ограничению ширины раскрытия трещин выполняется при ц> 0,38 %.Анализ зависимости ширины раскрытия трещин от класса бетона показал, что при эксплуатационных нагрузках при любом классе бетона выполняются требования по трещиностойкости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования позволили решить важную прикладную задачу по эффективному использованию углеродистой арматуры класса Ат500С в качестве рабочей в изгибаемых железобетонных элементах. По полученным результатам можно сделать следующие выводы:

1. Исследования показали возможность применения арматуры класса Ат500С из углеродистой стали в изгибаемых железобетонных конструкциях с величиной расчетного сопротивления 450 МПа. Поскольку применение арматуры с es Ja o.i= 1,095 и R, - 450 МПа обеспечивает требуемые запасы прочности, то вполне резонно снизить браковочную величину временного сопротивления до 550 МПа, для чего рекомендуем внести изменения в ГОСТ 10884-94, ТУ РБ 04778771-001-93 [2,4,6].

2. Впервые разработаны предложения по описанию и нормированию диаграммы деформирования арматуры класса Ат500С и определены ее базовые точки [2,4,6].

3. Экспериментально установлено снижение прочности изгибаемых элементов с арматурой класса Ат500С при уменьшении соотношения а Ja о.2. При расчете прочности изгибаемых железобетонных элементов наиболее точно учитывает влияние характера диаграмм "cr-е" общий случай расчета проекта СНБ 5.03.01-98. Расчет прочности по упрощенному методу проекта СНБ 5.03.01-84 или по действующему СНиП 2.03.01-84* обеспечивает аналогичную точность оценки прочности при введении коэффициента определенного в зависимости от величины £ и с учетом соотношения aJa^i по формуле (2) [1,3].

4. Крестообразные сварные соединения арматуры Ат500С, выполненные контактной точечной и дуговой ручной сваркой прихватками по типу, конструкциям и размерам, удовлетворяющим требованиям ГОСТ 1409889, имеют временные сопротивления разрыву не менее 0,9 <у,, что соответствует требованиям ГОСТ 10884-94 для свариваемой арматуры [6].

5. Анализ развития прогибов и трещин опытных балок показал, что характер. диаграммы "<т — е" арматуры класса Ат500С (т.е. соотношение aja<,,z) влияет на величину прогибов и ширину раскрытия трещин лишь на

той стадии работы изгибаемых элементов, когда напряжение в арматуре превышает величину условного предела текучести. Однако при эксплуатационных нагрузках, когда напряжение в арматуре не превышает предела текучести, это влияние отсутствует, и требования ГОСТ 8829-94 по оценке жесткости и трещиностойкости для балок соблюдается при fi> 0,38% [1, 5].

6. Апробированы методики расчета прочности, трещиностойкости и деформативности нормальных сечений изгибаемых железобетонных балок проекта СНОБ 5.03.01-98 применительно к новому классу арматуры Ат500С [3, 5].

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Терин В.Д., Волик А.Р. Изгибаемые элементы с арматурой класса Ат500С из углеродистой стали // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь: Сб. статей III научно-методического межвузовского семинара; Под ред. Т.М. Пе-цольда. - Брест, 1997. - С. 146-148.

2. Терин В.Д., Волик А.Р. О назначении величины расчетного сопротивления арматуры Ат500С// Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь: Материалы V научно-методического межвузовского семинара, Могилев, 13-16 мая 1998г.; Под ред. А.А.Борисевнча, Т.М.Пецольда. - Мн: Редакция журнала «Тыдзень», 2000. - С.284-288.

3. Терин В.Д., Волик А.Р. Прочность балок с ненапрягаемой арматурой класса Ат500С// Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь: Материалы V научно-методического межвузовского семинара, Могилев, 13-16 мая 1998 г.; Под ред. А.А.Борисевнча, Т.М.Пецольда. - Мн: Редакция журнала «Тыдзень», 2000. - С.279-284.

4. Волик А.Р. Механические свойства арматуры класса Ат500С из углеродистой стали И Материалы международной 53-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов БГПА, Минск, 1999 г. / Белорусская государственная политехническая академия. - Минск, 1999. - С. 8.

5. Терин В.Д., Волик А.Р. Прочность, трещиностойкость и деформации балок с рабочей арматурой класса Ат500С // Инженерные проблемы современного бетона и железобетона: Материалы международной конференции, Минск, 17-21 ноября 1997 г. / Ин-т БелНИИС. - Минск, 1997. - Том 1, ч. 2. -С. 161-168.

6. Терин В.Д., Волик А.Р., Клейменов Д.И. Исследование механических и технологических свойств арматуры Ат500С из углеродистой стали // Nowe rozwiazania w budownictwie i naprawy konstrukcji budowlanych powszechnych i zabytkowych: Материалы научно-техн. конференции, Люблин, 17-21 ноября 1996 г. / Люблинский политехнический институт. - Люблин, 1996. - С. 123127.

РЭЗЮМЕ

Болт Алла Ры чардауиа

Трываласць, трэшчынастойкасць 1 дэфарматыунасць выгшальных жалезабетонных элементау з арматурай класа Ат500С з вугляродз1Стан стал»

Ключавыя слови: арматура, вугляродз1Стая сталь, жалезабетонная канструкцыя, трываласць, трэшчынастойкасць, дэфармацыя, мехашчныя уласщвасш, напружанне цякучасщ, лепруючыя дабаую.

Аб'ектам даследавання з'яуляецца ненапружаная тэрмамехашчна умацаваная арматура класа Ат500С з вугляродз1стай стал1 марш СтЗсп 1 выпнальныя жалезабетонныя элементы, арм1раваныя ёю. Прадмет даследавання - мехашчныя 1 тэхналапчныя характарыстьш дадзенай арматуры, трываласць, трэшчынастойкасць 1 дэфармацьн выгшальных жалезабетонных элемента)?, арм1раваных такой арматурай.

Мэтаю працы з'яуляецца абгрунтаванасць умоу прымянення У сыпнальных жалезабетонных канструкцыях тэрмамехашчна умацаванай арматуры класа Ат500С з вугляродз1стай сталь

Пры выкананш гэтай работы выкарыстоувалюя эксперыментальныя метады даследавання мехашчных уласщвасцей арматуры, трываласщ i трэшчынастойкасщ жалезабетонных элементау, а таксама статыстычныя метады апрацоум эксперыментальных даных.

У працы атръшаны вынш эксперыментальных даследавання^ мехашчных характырыстык арматуры класа Ат500С з вугляродз1Стай стал! \ IX змяшивасщ у стане пастаум 1 палажэшп па нарм1раванню дыяграм гэтай арматуры, паказан уплыу зварга на мехашчныя уласш'васщ арматуры, упершыню атрыманы эксперыментальныя даныя аб трывапасш, трэшчынастойкасщ I дэфарматыунасщ выгшальных элемента)? з падоужанай арматурай класа Ат500С з вугляродз!Стай сталь эксперыментальныя даныя па уплыву розных дыяграм расцяжэння арматуры класа Ат500С (а„/со.г) на р трываласць, трэшчынастойкасць 1 дэфарматыунасць выгшальных элементау 1 апрабфаваны метады разл1ку праекта БНБ 5.03.01-98 трывапасш, трэшчынастойкасщ I дэфарматыунасщ выгшальных элементау з № кар ыстаннем новага класа арматуры.

Вын1К1 даследаванняу выкараставаны пры укараненш у вытворчасць многопустотных пшт псракрыцця на АП КЖВ №214, пры распрацоуцы гиарматыуных дакументау Рэспублпа Беларусь, укаранёны у навучальным гпрацэсе па курсу' "Жалезабетонный канструкцьп" Полацкага дзяржаунага ушверсгтэта.

РЕЗЮМЕ

ВоликАлла Ричардов на

Прочность, трещиностойкость н деформативность

изгибаемых железобетонных элементов с арматурой класса Ат500С из углеродистой стали

Ключевые слова: арматура, углеродистая сталь, железобетонная конструкция, прочность, трещиностойкость, деформация, механические свойства, предел текучести, легирующие добавки.

Объектом исследования является ненапрягаемая термомеханически упрочненная арматура класса Ат500С из углеродистой стали марки СтЗсп и изгибаемые железобетонные элементы, армированные ею. Предмет исследования - механические и технологические характеристики указанной арматуры, прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых железобетонных элементов, армированных такой арматурой.

Целью работы является обоснование условий применения в изгибаемых железобетонных конструкциях термомеханически упрочненной арматуры класса Ат500С из углеродистой стали.

При выполнении данной работы использовались экспериментальные методы исследований механических свойств арматуры, прочности, деформа-тивности и трещиностойкости железобетонных элементов, а также статистические методы обработки экспериментальных данных.

В работе получены результаты экспериментальных исследований механических свойств арматуры класса Ат500С из углеродистой стали и их изменчивости в состоянии поставки и положения по нормированию диаграмм указанной арматуры, установлено влияние сварки на механические свойства арматуры, впервые получены экспериментальные данные о прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых элементов с продольной арматурой класса Ат500С из углеродистой стали, экспериментальные данные по влиянию различных диаграмм растяжения арматуры класса Ат500С (ст„/со.г) на прочность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых элементов и апробированы методы расчета проекта СНБ 5.03.01-98 прочности, трещиностойкости и деформативности изгибаемых элементов с использованием нового класса арматуры.

Результаты исследований использованы при внедрении в производство многопустотных плит перекрытия на АП ЖБИ №214, при разработке нормативных документов Республики Беларусь, внедрены в учебный процесс по курсу "Железобетонные конструкции" Полоцкого государственного университета.

SUMMARY

Volik AUa Richardovna

The strength, crack resistance and rigidity <>r flexural reinforced concrete elements with grade AtSOOW carbonated steel reinforcement

Key words: reinforcement, carbonated steel, reinforced concrete structure, strength, crack resistance, strain, mechanical properties, yield strength, alloying additions.

The research specimen is an unstressed thermo-mechanical treated grade At500W reinforcement from carbonated steel mare St3k and a bending reinforced concrete elements with (lie above mentioned reinforcement.

Research subject - mechanical and technological characteristics of reinforcement in question, strength, crack resistance and strain of bending reinforced concrete elements with the above mentioned reinforcement.

The aim of this work is study of condition of application in bending reinforced concrete structures thermo-mecanical treated grade At500W reinforcement from carbonated steel.

Experimental research method on reinforcement mechanical properties, strength, rigidity and crack resistance of reinforced concrete elements, as well as statistical experimental data processing method were used when carrying out this work.

In this work, experimental research results on grade At500W carbonated steel reinforcement mechanical properties during supply and the condition of diagram standardization of the reinforcement were acquired. Besides effects of welding on reinforcement mechanical properties were fixed in addition to experimental data on strength, crack resistance and rigidity of flexural elements with At500W carbonated steel transverse reinforcement. There were first obtained experimental data on the effects of different grade At500W reinforcement tensile diagrams on strength, crack resistance and rigidity of flexural elements. And at last checked SNB 5.01.03-98 (project) strength, crack resistance and rigidity calculation method of flexural elements with grade At500W reinforcement were acquired for the first time.

Research results were utilized in the integration in the production of hollow core floor slabs on CE FRC №214, in the formulation of the Belorussian standard document and used in the "Reinforced concrete structures" courses of Polotsk State University.