автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Сопротивление изгибу преднапряженных керамзитофиброжелезобетонных элементов со смешанным армированием

г? £

^^ На правах рукописи

¿Г

<4/

АБДАЛЛАХ Мажед Тахер

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗГИБУ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫХ КЕРАМЗИТОФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СО СМЕШАННЫМ АРМИРОВАНИЕМ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж, 1997

Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций в Ростовском государственном строительном университете

Научный руководитель: заслуженный строитель Российской Федерации,

доктор технических наук, профессор Л. Р. Маилян

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Э.Д.Чихладзе

канди дат технических наук, доцент А.В.Никулин

Ведущая организация: Северо - Кавказский проектный и

научно-исследовательский институт АО "СевкавНИПИагропром"

Защита состоится 26 июня 1997 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 063.79.01 в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии по адресу:

394680, г.Воронеж, ул. XX лет Октября, 84, ауд.84, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан 26 мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.В.Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Фибробетоны представляют собой одну из разновидностей композиционных материалов, которые получают в настоящее время все большее распространение. Особый интерес представляют фибробетоны. армированные минеральными волокнами, главные достоинства которых - дешевое природное сырье и достаточно высокие прочностные характеристики. Наличие в бетоне минеральных волокон увеличивает прочность, жесткость и трещиностойкость конструкций, их морозо- и ударную стойкость, сопротивление усадке, ползучести и другие важнейшие характеристики.

Особую роль играет введение минеральных волокон в легкие бетоны, в частности в такой распространенный их вид как керамзитобетон.

В связи с этим, большой интерес представляют исследования свойств керамзитофибробетона и напряженно-деформированного состояния керамзи-тофиброжелезобетонных элементов с комбинированным армированием - традиционным стальным с полным или частичным преднапряжением и дисперсным неметаллическим фибровым. Так как фибровое армирование повышает прочность и трещиностойкость растянутого бетона, в фиброжелезобе-тонных элементах появляется возможность использовать высокопрочную арматуру без преднапряжения.

Существующие нормативные методы расчета железобетонных элементов по предельным состояниям не учитывают или учитывают не в полной мере работу растянутого бетона. Однако при фибровом армировании прочность бетона на растяжение увеличивается, что дает основание учитывать его в расчетах. Недостаточно изучено в настоящее время и повышение характеристик керамзитофибробетона в зависимости от содержания в нем фибр, его усадка, ползучесть и другие конструктивные параметры.

Этим и другим малоизученным вопросам и посвящена настоящая работа. Решение их позволит повысить эффективность керамзитофиброжелезо-бетонных изгибаемых элементов, способствовать их расширенному внедрению в практику строительства.

Цель диссертационно» работы:

- исследовать физико-механические свойства, конструктивные и эксплуатационные параметры и характеристики керамзитофибробетона с различными процентами фибрового армирования грубым базальтовым волокном и работу железобетонных изгибаемых элементов из него с ненапрягаемой, частично и полностью преднапряженной высокопрочной арматурой; предложить методы расчетной оценки их прочности, деформативности и трещино-стойкости; изучить возможности сочетания линейного и фибрового армирования

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований конструктивного ке-рамзитобетона и керамзитофиброжелезобетона на грубом базальтовом волокне;

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

- результаты экспериментальных исследований работы керамзито-фиброжелезобетонных изгибаемых элементов с ненапрягаемой, частично и полностью преднапряженной высокопрочной арматурой;

- аналитические зависимости для определения прочностных и дефор-мативных характеристик конструктивного керамзитофибробетона в зависимости от процента содержания в нем фибр, а также его усадки, ползучести, усадочной трещиностойкости и длины зоны анкеровки;

- расчет прочности нормальных сечений керамзитофиброжелезобе-тонных изгибаемых элементов с учетом работы растянутой зоны бетона и растянутой арматуры за условным пределом текучести;

- способ расчетной оценки трещиностойкости керамзитофиброжеле-зобетонных изгибаемых элементов;

- учет свойств и характеристик конструктивного керамзитофибробетона в расчетах деформативности и ширины раскрытия трещин по СНиП.

Научная новнзна:

- получены новые экспериментальные данные о сопротивлении конструктивного керамзигофиброжелезобетона с различными процентами армирования грубым базальтовым волокном осевому сжатию, осевому растяжению, растяжению при изгибе и раскалывании;

- впервые получены данные по усадке, ползучести, усадочной трещи-ностойкости керамзитофибробетона, длины зоны передачи преднапряжения в нем, даны рекомендации по их расчетному определению;

- даны практические рекомендации по рациональному диапазону изменения процента фибрового армирования керамзитофибробетона;

- получены новые экспериментальные данные о сопротивлении ке-рамзитофиброжелезобетонных изгибаемых элементов с различным процентом армирования и коэффициентом преднапряжения стальной арматуры;

- выявлены возможности фибрового армирования как способа снижения расхода и понижения уровня преднапряжения стальной арматуры;

- предложены зависимости для описания прочностных и деформа-тивных характеристик конструктивного керамзитофибробетона и его полных диаграмм "а - е" при сжатии и растяжении;

- разработан расчет прочности нормальных сечений керамзитофиб-рожелезобетонных изгибаемых элементов с учетом работы бетона растянутой зоны сечения и высокопрочной арматуры за условным пределом текучести;

- предложен способ расчетной оценки момента образования трещин в керамзитофиброжелезобетонных балках;

- проведено уточнение различных коэффициентов в расчетах дефор-мативности и трещиностойкости в рамках расчетных методик СНиП.

Достоверность разработанных рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки опытных данных автора.

Практическое значение и внедрение результатов. На основании выполненных исследований разработаны практические рекомендации по определению прочностных, деформативных характеристик и диаграмм деформирования конструктивного керамзитофибробетона. а также по расчету

прочности, деформативности и трещиностойкости изгибаемых ке-рамзитофиброжелезобетонных элемеигов.

Разработанные рекомендации позволяют более точно оценить сопротивление керамзигофибробетона и керамзитофиброжелезобетонных изгибаемых элементов силовым воздействиям, снижать расход и уровень предна-пряжения стальной арматуры в них.

Разработанные рекомендации приняты Всероссийским научно-исследовательским центром "Строительство" (НИИЖБ+ЦЩИСК+НИЮСП) для использования при подготовке новых нормативных документов, а также использованы институтом "СевкавНИПИагропром" в нормативном документе регионального значения - "Рекомендациях по расчету и проектированию железобетонных конструкций из керамзигофибробетона с фибровым армированием базальтовым волокном" (Ростов-на-Дону, 1996).

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

Произведено внедрение результатов работы в практику проектирования натурных фиброжелезобетонных конструкций в строительных фирмах.

Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс в Рос-товском-на-Дону государственном строительном университете, Ростовском государственном архитектурном институте, Новочеркасском государственном техническом университете, Воронежской государственной архитектурно-строительной академии и Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии - они включены в программы курсов железобетонных конструкций для студентов строительных специальностей.

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

Материалы диссертации доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции (Ростов-на-Дону, 1995), на заседании секции железобетона Ростовского областного управления НТО стройиндустрии

(Ростов-на-Дону. 1996), на научно-технических конференциях РГАС - РГСУ и СевкавНИПИагропрома в 1995...97 гг.

Работа выполнялась в соответствии с общероссийской научно-технической программой "Архитектура и строительство" в 1994... 1997 гг.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна, практическая ценность, апробация работы.

В первой главе проводится анализ выполненных ранее исследований Г.И.Бердичевского, И.В.Волкова, Б.А.Крылова, Л.Б.Курбатова, И.А.Лобанова, В.А.Невского, Ф.Н.Рабиновкча, Т.Ф.Шляхтиной и др., посвященных работе фибробетонов и конструкций из него.

Анализ показал, что для фибробетонов наиболее эффективны в качестве исходных легкие бетоны, заполнитель которых имеет относительно ровную обкатанную форму, без резках изломов и сколов. Это позволяет сохранить фибры в процессе бетонирования без повреждений - с одной стороны и способствует более равномерному их распределению по объему бетона - с другой.

Одним из таких бетонов является керамзигобегон, относительно хорошо исследованный и применяемый в настоящее время в практике строительства.

Что же касается вида фибр, то его невысокая стоимость и достаточно хорошие физико-механические свойства грубого базальтового волокна позволяют остановиться на нем, как на одном из наиболее эффективных видов фибрового армирования для бетона.

Именно для керамзитобетона на грубом базальтовом волокне предстоит решить ряд поставленных целей и задач исследования:

1. Исследовать физико-механические характеристики конструктивного керамзитофибробетона с различными процентами армирования грубым базальтовым волокном при сжатии и растяжении и разработать рекомендации по расчетной оценке его прочностных и деформативных характеристик, а также диаграмм деформирования.

2. Изучить работу керамзитофиброжелезобетонных изгибаемых элементов с ненапрягаемой, частично и полностью преднапряженной высокопрочной арматурой и предложить способы расчета их прочности, трещино-стойкости и деформативности на основе совершенствования расчетных методик СНиП.

3. Проверить возможность сочетания линейного и фибрового армирования, а также выявить способность фибрового армирования как альтернативы предварительному напряжению линейного армирования.

Во второй главе исследуется сопротивление керамзитофиб-робетона с грубым базальтовым волокном (ГБВ) сжатию, растяжению, раскалыванию и изгибу и даются рекомендации по его аналитическому описанию.

Программа экспериментальных исследований включала изготовление и испытание 54 кубов 10x10x10 см, 27 призм 10x10x40 см, 27 "восьмерок" 10х 10x70 см и 27 балочек 10х 10x70 см. В опытах варьировались:

- вид бетона - керамзитобегон, керамзитофибробетон;

- процент армирования - равный отношению массы ГБВ к массе цемента и песка - 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20%;

- вид воздействия - осевое сжатие, растяжение, раскалывание, изгиб;

- режим воздействия - поэтапно, с постоянной скоростью нагруже-ния; поэтапно, с постоянной скоростью деформирования; непрерывно, с постоянной скоростью деформирования.

В качестве исходных материалов использовались керамзитобегон средней прочностью 20 МПа, плотностью 1700 кг/м3 и грубое базальтовое волокно средней прочностью 400 МПа, плотностью 285 кг/м3, диаметром 160 -260 мкм.

Керамзитофибробетон приготовлялся по раздельной технологии, разработанной под руководством В.А.Невского - вначале растворная часть, затем ГБВ, потом вода и керамзит. В образцах Цг = 15 и 20% в ряде случаев производилось механическое распределение ГБВ с целью его равномерности.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при сжатии наибольший прирост прочности достигался при изменении арми-рования-в-диапазоне црО... 10%. При цс>10% темп роста прочности замед-

лялся. Максимум прироста прочности на сжатие (25...30%) достигался при цр 15%, после чего наблюдалось некоторое снижение прочности при цр20%. Наибольший рост деформативности наблюдался также при изменении процента фибрового армирования в диапазоне 0... 10%. В дальнейшем темп прироста деформативности снижался. Следует отметить, однако, что в отличие от прочности, максимум прироста которой был зафиксирован при fir = 15%, максимум деформативности не был зафиксирован во всем исследованном диапазоне изменения процента фибрового армирования ц-f = 0...20%. Однако, незначительность прироста деформативности при цг = 20% по сравнению с p.f = 15%, дает основание предположить, что максимум прироста деформативности керамзитофибробетона (40...50%) достигается при (if = 20% , либо при близкой к нему величине.

Модуль упругости с повышением процента фибрового армирования уменьшается (до 20%).

Диаграмма деформирования при сжатии также изменяется. В связи с тем, что максимум ее смещается по вертикали вверх на 25...30%. а по горизонтали вправо на 40...50% при одновременном снижении начального модуля упругости, диаграмма "<ть-Бь" становится более пологой в своей восходящей части и более плавной - в нисходящей части.

При растяжении прочность подчинялась тем же закономерностям, что и на сжатие. Здесь также максимум прироста прочности (до 120%) достигался при (if = 15%, после чего наблюдаюсь снижение прочности.

Максимум прироста деформативности при растяжении приходится на процент армирования р-г = 20% и составляет 140... 160%. Таким образом, де-формативность керамзитофибробетона при растяжении увеличивается в 2,5 раза.

Модуль упругости при осевом растяжении, как и при осевом сжатии, снижается примерно на 20% при = 20%.

Для диаграммы деформирования при растяжении "сты-еы" характерны те же особенности, что и при сжатии - она становится более пологой в восходящей части и более плавной в нисходящей части. Кроме того, и окончательное разрушение образца из керамзитофибробетона происходит менее резко, чем образца из керамзитобетона без фибр.

Все сказанное выше для осевого сжатия и растяжения, может быть с полным правом перенесено и на раскалывание и изгиб. Изменения характеристик подчиняется тем же закономерностям и имеет примерно те же количественные показатели.

По результатам испытаний и их статистической обработки были построены кривые распределения прочности для 5; 10; 15 и 20%, что позволило с надежностью 0,95 определить нормативные Яь„. Иъш и расчетные сопротивления для первой Иь, Яы и второй Иь,«^ групп предельных состояний.

Для применения при проектировании, помимо их, рекомендованы также значения соответствующих предельных деформаций е^.

Для расчетной оценки изменения характеристик керамзитофибробе-тона и его диаграмм "а - е" при сжатии и растяжении была выбрана единая зависимость вида:

Гх) ГхУ к|-|- 1-1

у

(1)

Уи

Гх )

1+(к-2)1— I

и*;

в которой Хк, уЕ - координаты максимума; к - управляющий параметр, влияющий на форму кривой (от прямой до параболы и квадратичной гиперболы).

При использовании зависимости (1) для оценки изменения характеристик керамзитофибробетона, в качестве аргумента х функции (1) выступает процент фибрового армирования цг (в %), а в качестве функции у - приращения Д (в %) прочностных и деформативных еЬя, еЬж, Еь, Еы характеристик керамзитофибробетона и предлагаемые расчетные зависимости имеют вид:

í Hf W иг 1

2,l|-M_|

ARb I 15 J [ 15 J

30 ( jif ^

1+(2.1-2)1-1

I 15 )

2,ll-----1 -1 — I

ARbt ll5 ) Vl5 )

120 ( m ) l+(2,3-2)1-----1

Us;

1,9|-----1 -1 — I

AsbR Í20 J [20 J

50 ( nr Ï 1+(1,9-2)1-----1

[20 J

f

1,7|-----1 -1 —-1

AsbtR l20 ) У3.0)

200 ( иг 1

1+(1,7-2)1-----1

V20;

Г M-f^ 11- l-l-l I20; 120;

(2)

-25 ( jif Ï

l+( 1-2)1 — I \2Q)

При использовании же зависимости (1) для описания расчетных диаграмм деформирования "с - е" керамзитофибробетона при сжатии и растяжении, в качестве аргумента х и функции у выступают соответственно деформации е и напряжения а бетона, а в качестве Хя и - максимальная прочность И + ДК. и деформации +Аея, определяемые с учетом приведенных выше формул (2):

( г Л ( г \ к|-

(3)

Я+ДЯ (в Л 1+(к -2) I- I

ик+Деа^

(еЬя + ДеЬя)(Е + ДЕ)

где к =-. (4)

(Я +ДИ)

Наконец, можно использовать зависимость (1) для построения расчетных.диаграмм "ДИ - Д ея" керамзитофибробетона при сжатии и растяжении, то есть диаграмм, в которых в качестве аргумента х и функции у выступают приращения прочности ДР. и деформативности Д Дело в том, что если принять точки максимумов первоначальных диаграмм "сть -еь" и "сгЬ1 -ем" керамзитобетона (без фибр) при сжатии и растяжении за новые начала координат "ДЯь - Деья" и "Д11ь( - Леьж", то в этих новых системах координат точки максимумов новых диаграмм деформирования керамзитофибробетона ложатся на кривые, также хорошо описываемые функцией (1):

2

ГДеьИ ГЛеыЛ

к,

■ь I

ДЛь I 50 ] I 50)

(5)

30 , (ДеьП

1+(кь-2) I-1

V 50 )

(Деык ^ (Asbtr

kbtl

ARb, U50 ) l 150 J

120 ( AsbtR ^

1+ (кы - 2) I-I

l 150 ;

где kb = 1,245; kbt = 2,9.

Анализ показал удовлетворительную сходимость опытных данных с теоретическими, определенными по предложенным зависимостям (2) - (5).

В третьей главе исследуются усадка, ползучесть, усадочная трещиностойкость и длина зоны анкеровки в керамзитофиброжелезобетонных элементах.

Методикой экспериментальных исследований усадки и ползучести было предусмотрено изготовление 5 керамзитобетонных и 5 керамзитофибро-бетонных призм 10х 10x40 см. Из 10 призм 4 были поставлены для измерения усадки ( по 2 из керамзитобетона и керамзитофибробетона) и б - для измерения ползучести (по 3 из тех же видов бетона).

Измерение усадочных деформаций начиналось с 3-х и продолжалось до 240 суточного возраста. Загружение призм для исследования ползучести осуществлялось в пружинных установках в возрасте 28-ми и длилось до 240 суток.

Анализ показал, что усадка керамзитофибробетона к концу наблюдений стабилизировалась и была почти в 2 раза меньше, чем керамзитобетона. Деформации ползучести керамзитофибробетона были на 25% ниже, чем керамзитобетона, а мера ползучести при одинаковых напряжениях снижалась в 1,5 раза.

На основании проведенных исследований были разработаны рекомендации по расчетной оценке усадки и ползучести керамзитофибробетона. В соответствии с ними, потери преднапряжения от усадки бетона а8 в элементах из керамзитофибробетона рекомендовано принимать равными при естественном твердении 25 МПа (а не 50 МПа - как в СНиП 2.03.01-84*):

erg = 25 МПа (6)

Потери преднапряжения от линейной ползучести ст9 рекомендовано определять по откорректированной формуле СНиП 2.03.01-84*:

стьр сгьр

&9= 100 ——, при -<0,75 (7)

Яьр 1^Ьр

Достоверность расчетных рекомендаций была подтверждена при измерении потерь преднапряжения от усадки и ползучести в наших преднапря-женных балках (см.главу 4).

Разработанные рекомендации показывают, что при заданном контролируемом преднапряжении его потери в керамзитофибробетонных элементах будут существенно ниже, чем в аналогичных элементах без фибр, что приводит к повышению установившегося преднапряжения и, соответственно, к повышению трещиностойкости элементов из керамзитофибробетона.

Методика исследований усадочной трещиностойкости керамзитофиб-робетона состояла в экспериментальном изучении бетонных призм 10x10x80 см с осевым гладким стальным стержнем диаметром 18 мм. В средней части длиной 50 см стержень покрывался смазкой и обертывался калькой, чтобы исключить сцепление с бетоном, а на концевых участках к нему приваривались коротыши для усиления анкеровки.

Наблюдения за деформациями стержня начинались через 2-3 суток после бетонирования и продолжались до появления первой трещины. Тем самым судить об усадочной трещиностойкости бетона можно было не только по времени появления первой трещины, но и по численному значению коэффициента усадочной трещиностойкости:

К=Яь1/аь,у, _ (8)

где Яы - предел прочности бетона при растяжении в 28-дневном возрасте;

аыу - растягивающие напряжения в бетоне от усадки в том же возрасте, определяемые по измеренным значениям деформаций арматуры.

Результаты исследования усадочной трещиностойкости керамзитофибробетона. Свободные усадочные деформации еус, оказались в керамзитофибробетонных призмах в 3 раза меньше, чем в керамзигобетонных. Деформации сжатия стержня в образцах с фибровым армированием оказались в среднем в 6 раз меньше, чем в образцах без фибр. Так же в 6 раз были мень-

ше и растягивающие напряжения в керамзитофибробетоне, вызванные его усадкой в возрасте 28 суток.

Коэффициент усадочной трещиностойкости в образцах с фибрами оказался в 8 раз выше, чем в образцах без фибр.

Таким образом, при фибровом армировании в результате значительного уменьшения усадочных деформаций, уменьшения модуля упругости бетона, существенного увеличения прочности и деформативности при растяжении усадочная трещиностойкость бетонов повышается в несколько раз.

Длина зоны передачи преднапряжения определяется обычно по линейной формуле (11) СНиП 2.03.01-84*. Используя закон сцепления в виде степенной функции, предложенной Рэмом, нами предложена нелинейная формула вида:

1Р = КрсЩзр V ст,р , (9)

где параметр Кр = (ЗЕ5хс)|/4 /1,68ха3/4 > МПа1/2, (10)

с1 - диаметр арматуры; Иьр - передаточная прочность бетона; стзр - преднапряжения в арматуре; а и с - опытные параметры.

В отличие от линейной формулы, рекомендованной СНиП 2.03.0184*, полученная зависимость нелинейна, она правильнее описывает явление и дает более точные результаты во всем диапазоне изменения предналряжений.

Для экспериментального исследования длины зоны передачи преднапряжения с высокопрочной арматуры класса Вр-П на керамзитофибробетон и керамзитобетон было исследовано напряженно-деформированное состояние концевых участков 6 балок (см. главу 4) размерами 8x12x150 см, из которых 3 - изготовлены из керамзитофибробетона и 3 - из керамзитобетона. Балки армировались 1, 2 и 3 0 5 Вр-Н с одинаковым преднапряжением стзр = 731,5 МПа.

На каждой ступени отпуска преднапряжения по тензодатчикам определялись продольные деформации. За длину зоны передачи преднапряжений с арматуры на бетон принималось расстояние от торца до сечения, начиная с которого продольные деформации практически оставались неизменными.

Анализ результатов и рекомендации по расчету. Опытные значения длины зоны анкеровки оказались ближе к предложенной нелинейной зависимости, чем к принятой в нормах. По опытным данным были определены зна-

чения параметра Кр формулы (9) и коэффициент юр формулы норм. Для ке-рамзитофибробетонных элементов с высокопрочной проволокой класса Вр-И параметр Кр оказался равным 35 МПа"2, а для для керамзитобетонных - 38 МПа1'2. Значения коэффициента оор формулы норм оказались соответственно равными 1,3 и 1,4.

Эти данные показывают, что при равнопрочных бетонах длина зоны передачи преднапряжения в керамзитофибробетоне на 7...8% меньше, чем в керамзитобетоне. Если же учесть, что введение фибры в керамзигофибробе-тон при одинаковом расходе цемента повышает его прочность на 20%, то при этом длина анкеровки арматуры в бетоне 1р уменьшается на 22...24%.

В четвертой главе приводятся результаты исследований работы керамзитофиброжелезобетонных балок с ненапрягаемой, частично и полностью преднапряженной арматурой.

Методика экспериментальных исследований предусматривала изготовление и испытание 14 однопролетных балок 8x12x150 см. В них варьировались:

- процент армирования стальной арматурой ц = 0,245; 0,49; 0,735;

1,64%;

- коэффициент преднапряжения арматуры Кф = 0; 0,33; 0,67; 1;

- ввд бетона: керамзитобетон, керамзитофибробетон.

Призменная прочность бетона составляла 19,9...23,6 МПа. Процент

фибрового армирования ГБВ был принят равным цг = 10%.

Балки армировались высокопрочной проволокой 0 5 Вр-Н. Предна-пряжение арматуры принималось одинаковым и равным стзр = 731,5 МПа. Балки испьггывались двумя сосредоточенными силами в третях пролета.

Анализ результатов исследований показал, что по сравнению с аналогичными элементами без фибр прочность нормальных сечений повышается (до 12%) при разрушении как по I, так и по II случаю, в элементах как с ненапрягаемой, так и с частично и полностью преднапряженной арматурой.

Деформативность сжатой зоны бетона увеличивается (до 30%), а деформации растянутой арматуры снижаются (до 40%). при этом высота сжатой зоны увеличивается (до 7%). Кривизны сечений при одинаковых абсолютных значениях нагрузки М несколько больше (до 8%), при тех же относительных

М/Мя - практически равны кривизнам аналогичных элементов без фибр, а прогибы при абсолютных М и относительных М/Мя значениях нагрузки несколько больше (до 8%), чем в элементах без фибр.

Что касается трещиностойкости, то момент образования трещин значительно (до 63%) повышается при любых процентах армирования и коэффициентах преднапряжения арматуры, ширина же раскрытия трещин при эксплуатационных уровнях нагрузки существенно ниже (до 70% - в преднапря-женных и до 200% - в обычных).

Анализ влияния фибрового армирования показывает, что степень его зависит от армирования балок стальной арматурой и его преднапряжения.

Так, влияние фибрового армирования на прочность возрастает с повышением армирования и практически не зависит от преднапряжения. Влияние фибрового армирования на прогибы не очень сильно зависит от армирования, но ощутимо возрастает с ростом преднапряжения. Наконец, влияние фибрового армирования на образование и раскрытие трещин снижается с ростом процента армирования и повышения степени преднапряжения.

В целом же, влияние фибрового армирования на прочность, деформа-тивность и трещиностойкость балок столь велико, что оно в ряде случаев позволяет полностью исключить необходимость преднапряжения арматуры. Это, в свою очередь, позволяет снизить расход стали благодаря возможности обрывов арматуры в соответствии с эпюрой и упростить технологию изготовления.

Таким образом, фибровое армирование можно в определенной степени рассматривать как альтернативу преднапряжению, получив практически аналогичные характеристики балок.

Для учета работы растянутого бетона в расчетах прочности керамзи-тофиброжелезобетонных элементов условно соединим в одном чертеже диаграмму деформирования "сть - бь" краевого сжатого волокна сечения и "сть, -краевого растянутого волокна сечения (над вершиной трещины). Будем считать действующими для них расчетные предпосылки:

Еъ = Еы; 1УгьК = &ы/еьж- (11)

Введем две новые дополнительные расчетные гипотезы: £ь.и/еы,и= Яь/Кьи еь,и/еы,и= еьа/еыя. (12)

Первая гипотеза связывает деформации крайнего сжатого сгь,и и крайнего растянутого Сты,и волокон сечения в момент исчерпания его несущей способности соотношением их прочности на сжатие и растяжение.

Вторая гипотеза связывает деформации краевых волокон сечения при исчерпании несущей способности соотношением их деформаций, соответствующих максимальной прочности бетона на сжатие и растяжение.

Подставляя в уравнение равновесия предпосылки (11) и первую из гипотез (12) и проведя преобразования, получим новую систему уравнений:

( Лы2

I £х= (Иь--) Ьхь + аж - ^Аэ = 0 ; (13)

I Иь

^

I Яы3 Иы2 IV

! ЕМ = (0,5 — +--О.бадЬхь2 +(Яъ--)Ыъхь +К50А5'(Ьо - а') =Ми.

I Иь Иь Иь

Используя же вторую из гипотез (12), после преобразований получим: ( £ыд

I Ех = (Ль - Яь.-) Ьхь + ^А', - И^Аб = 0 ;

I ЕЬЯ

^ 2 (14)

I Г е2ыд £Ь!.Я 1 Г е^д 1

I Ш=10Ж---О^ь |Ькь+1 - 1ШоХЬ +КЗСА'3(Ь0 - а')=Ми.

I I е2ьд Еьд J I Еж ]

Таким образом, нами получены две новые системы уравнений для расчета прочности нормальных сечений с учетом работы растянутого бетона. Способ учета работы растянутой арматуры керамзитофибробето'нных элементов за условным пределом текучести. Для избежания двойственности расчета, по СНиП, имеющейся в настоящее время при и , рекомендуем следующий единый способ расчета прочности, базирующийся на применении универсальной зависимости коэффициента у5б от величины^/^- Запишем условия, которым должна удовлетворять общая зависимость "у5б -

% 5 5 ®

1,6= Ц — =0; ys6= 1 — = 1: 7s6=0 — = — (15)

^R ^R ^R

Предложим для описания единой зависимости "y36 - í^r" функцию

вида:

у = ах2 + Ьх + с, (16)

где в качестве функции у выступает параметр ys6, а в качестве аргумента х -отношение с/с,^.

Определив коэффициенты а, Ь, с предложенной зависимости (16) с помощью условий (15), получим окончательно:

Га> ] ico ) ico У

Л I--ll - I— 1 I — I(1-T0 + ti

Ur J ^яо2 ^J (О

Ys6=-l — l-ь-1 —I + Л (17)

Гю 1АИ Г® V^J

I —- 11 l—l I— iü-1

Ur J ы Ur J^RJ

Предлагаемая зависимость имеет ряд особенностей, выгодно отличающих ее от аналогичной зависимости СНиП. Во-первых, она действует во всем возможном диапазоне изменения = 0 ... cd/^r, в то время как зависимость СНиП - только от 0 до 1. Во-вторых, в предложенной зависимости отсутствуют какие-либо численные коэффициенты, а есть только характеристики и параметры, нормированные СНиП.

Методика определения 'момента образования трещин керамзитофиб-рожелезобетонных элементов базируется на использовании, в отличии от СНиП, уравнений равновесия нормальных сечений.

Сохранив эпюру напряжений в сжатой зоне железобетонного элемента треугольной, а в растянутой зоне - прямоугольной, используем часто применяемую предпосылку и имеющую косвенное обоснование в СНиП - продолжение треугольной эпюры в сжатой зоне отсекает на растянутой грани сечения условную ординату равную 2Иы, то есть

20

аь 2Яь, — = —— (18) хь Ь - хь

Уравнение'суммы проекций на горизонтальную ось с учетом предпосылки (18), условий взаимосвязи высот сжатой и растянутой зон сечения хь + Хы - Ь и гипотезы плоских сечений для выражения взаимосвязи их с деформациями арматуры е3' = еь( хь - а')/ хь и е3 = еыф - а - хь)/ (11 - хь) приобретает вид:

Кь,хь2 (хь - а') Е, (Ь - а -Хь) Е,

-Ь +-211* — А'3 - ^^(Ь - хь)--2ЯЬс — Аз = Нр (19)

Ь - хь (Ь - хь) А, (Ь - хь) Еь

После решения уравнения проекций (19) и определения хь, составляется и решается уравнение моментов относительно нейтральной оси сечения:

2Кыхь3Ь 211ь,хь(Е5/Еь)А'3 11ы(Ь-Хь)2Ь Е3

-+-(хь-а')---— А,(Ь-хь-а') - Кр^р =N1^

З(Ь-Хь) 11-хь 2 Еь

(20)

Тем самым, получена расчетная зависимость для определения величины момента образования трещин в преднапряженных и ненапрягаемых элементах, базирующихся не на методике ядровых моментов СНиП, а на уравнениях равновесия нормальных сечений.

Расчет ширины раскрытия трещин и деформативности керамзито-фиброжелезобетонных элементов. Не затрагивая структуры и общей направленности расчетных рекомендаций СНиП, рекомендуем использовать в них характеристики и диаграммы керамзитофибробетона, а также нормативные и расчетные его сопротивления определенные по нашим рекомендациям.

Как показывает аналйз, такой прием позволяет добиться удовлетворительной для расчетов керамзитофиброжелезобетонных элементов сходимости опытных и теоретических данных.

Анализ показал, что сходимость опытных данных с теоретическими, вычисленных по разработанным рекомендациям, существенно лучше по всем показателям - прочности, деформативности и трещиностойкости. чем с вычисленными по СНиП. Это дает основание рекомендовать разработанные предложения для практических расчетов железобетонных конструкций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные экспериментальные исследования работы керамзито-фибробетона на грубом базальтовом волокне на осевое сжатие, растяжение, раскалывание и изгиб позволили определить оптимальный процент армирования бетона фибрами = 10... 15%, а также выявить, что при сжатии прочность керамзитофибробетона повышается по сравнению с керамзитобетоном (до 30%), деформации, соответствующие максимальной прочности увеличиваются (до 50%), модуль упругости снижается (до 20%), а при растяжении прочность и деформации повышаются (до 120% и 130%), модуль упругости снижается (до 20%).

2. Выполненные экспериментальные исследования усадки, ползучести, усадочной трещиностойкости и длины зоны анкеровки выявили, что усадка керамзитофибробетона снижается по сравнению с керамзитобетоном почти в 2 раза, деформации ползучести уменьшаются на 25%, меры ползучести при одинаковых сжимающих напряжениях отличаются в 1.5 раза, усадочная трещиностойкость повышается в 8 раз, а длина зоны анкеровки уменьшается на 25%.

3. Экспериментальные исследования работы изгибаемых керамзито-фиброжелезобетонных элементов на грубом базальтовом волокне с ненапря-гаемой, частично и полностью преднапряженной высокопрочной арматурой выявили, что по сравнению с аналогичными элементами без фибр прочность повышается (до 12%), деформации сжатого бетона увеличиваются (до 30%). деформации растянутой арматуры снижаются (до 40%). высота сжатой зоны увеличивается (до 7%), выгибы несколько (до 5%) меньше, а прогибы и кривизны при одинаковых относительных значениях нагрузки МУМи - несколько больше (до 8%). момент образования трещин значительно (до 63%) повы-

шается, ширина раскрытия трещин существенно ниже (до 70% - в преднапря-женных и до 200% в обычных балках), потери преднапряжения, вызванные усадкой, быстронатекающей и длительной ползучестью снижаются (до 60%).

4. Проведенные исследования показали, что фибровое армирование железобетонных элементов способно в определенной степени заменить предварительное напряжение арматуры, получив практически аналогичные характеристики балок по прочности, деформативности и трещиностойкости.

5. Для оценки изменения прочностных и деформативных характеристик керамзитофибробетона и его диаграмм деформирования, а также их взаимосвязи при сжатии и растяжении при различных процентах фибрового армирования предложен единый комплекс расчетных зависимостей аналогичных по структуре формуле ЕКБ-ФИП, определены их параметры и коэффициенты.

При надежности 0,95 определены и рекомендованы для применения при проектировании нормативные сопротивления на сжатие и растяжение керамзитофибробетона классов В15, В20, В25 при процентах фибрового армирования )j.f= 5; 10; 15 и 20%, а также расчетные сопротивления для предельных состояний первой и второй группы.

6. Произведена корректировка численных значений и расчетных зависимостей СНиП для оценки длины зоны анкеровки, а также потерь преднапряжения высокопрочной арматуры от усадки и линейной ползучести керамзитофибробетона, приводящая к повышению величин установившегося преднапряжения и трещиностойкости керамзитофиброжелезобетонных элементов.

7. Разработаны способы учета работы растянутой зоны бетона на основе взаимосвязи деформаций и напряжений крайнего сжатого и крайнего растянутого (над вершиной трещины) волокон сечения, а также способ учета работы арматуры за условным пределом текучести с помощью единого коэффициента 7зб. свободный от двойственности расчетной методики СНиП, реализованные в расчете прочности нормальных сечений изгибаемых керамзитофиброжелезобетонных элементов.

8. Рекомендовано при расчете деформативности и ширины раскрытия трещин использовать методику норм с использованием разработанных рекомендаций по учету характеристик керамзитофибробетона.

9. Достоверность разработанных рекомендаций и методов расчета подтверждена лучшей по сравнению со СНиП сходимостью теоретических результатов с опытными данными.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Маилян JT.P., Шилов A.B., Абдаллах М.Т. Работа конструктивного керамзитофибробетона и балок с преднапряженной и ненапрягаемой арматурой. В кн.: Эффективные технологии и материалы для стеновых и ограждающих конструкций. РГАС. Ростов-на-Дону, 1994, -с. 172-174.

2. Маилян JI.P., Шилов A.B., Абдаллах М.Т. Влияние фибрового армирования на трещиностойкость железобетонных балок. В кн.: Совершенствование расчетов, проектирования и изготовления строительных конструкций. Ростов-на-Дону, СевкавНИПИагропром, 1995, -с. 12 -16.

3. Маилян P.JL. Маилян ДР., Шилов A.B., Абдаллах М.Т. Изгибаемые элементы из керамзитофибробетона с высокопрочной арматурой без преднапряжения и при частичном преднапряжении. Известия ВУЗов "Строительство", 1995. N 12.

4. Маилян Р.Л., Маилян Л.Р., Абдаллах М.Т. Усадочная трещиностойкость керамзитофибробетона. В кн.: Строительные конструкции, материалы и методы производства работ. Ростов-на-Дону. СевкавНИПИагропром, 1996.-с. 3-7.

5. Маилян Л.Р.. Шилов A.B., Абдаллах М.Т. Способ учета работы арматуры за условным пределом текучести. В кн.: Строительные конструкции, материалы и методы производства работ. Ростов-на-Дону. СевкавНИПИагропром, 1996. - с. 43-48.

6. Рекомендации по проектированию железобетонных конструкций из керамзитобетона с фибровым армированием базальтовым волокном /Маилян Р.Л., Маилян Л.Р., Осипов K.M., Шилов A.B.. Шилов Ал.В., Абдаллах М.Т..Аль-Хужейри X./. Ростов-на-Дону, СевкавНИПИагропром, 1996,- 14 с.

7. "^jM" .jySfl iSUf Äijl' ■» Li«jil\ ¿л+j

• ¿¿21 Ji..*jii xül J^u JJH (jlc »4 jji"?И

a-UI л-лл >*Ua A-a.lo < ¿Lp ¿¿Lil / j^AII

.No«<.V\Vl ¿Wi ¿VM^ii^ / iW