автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние местных напряжений на несущую способность железобетонных элементов

Введение.

Глава I. Анализ существующих предложений по расчету бетонных и железобетонных элементов при местном приложении нагрузки.

1.1. Сравнение предложений по расчету прочности бетонных элементов при местном приложении нагрузки.

1.2. Несущая способность и трещиностойкость железобетонных элементов при местном приложении нагрузки.

1.3. Учет неупругих свойств бетона при определении несущей способности бетонных элементов.

1.4. Расчет напряженного состояния плоского бетонного элемента при местном приложении нагрузки.

1.5. Выводы и задачи исследования.

Глава II. Экспериментальное исследование работы плоских бетонных и железобетонных элементов при местном приложении нагрузки.

11.1. Опытные образцы и физико-механические характеристики материалов.

11.2. Методика проведения исследований.

11.3. Трещинообразование и разрушение образцов.

11.4. Распределение деформаций в бетоне и арматуре.

11.5. ЕЬводы.

Глава III. Трещиностойкость плоских бетонных и железобетонных элементов при местном

Одной из важнейших задач, поставленных ХХУ1 съездом КПСС, является рациональное расходование ресурсов, соблюдение строгого режима экономии. В нынешней пятилетке предстоит обеспечить экономию в строительной отрасли основных материалов: на 5-9% проката черных металлов и лесоматериалов, на 5-7% цемента. Один из путей экономии - повышение качества строительства, долговечности сооружений при снижении материалоемкости, стоимости и трудоемкости изготовления железобетонных конструкций.

Многие железобетонные конструкции имеют зоны местного на-гружения, т.е. когда нагрузка передается не по всей площади их сечения, а на отдельных участках. В непосредственной близости от площади (жесткий штамп), по которой приложена нагрузка, возникают значительные местные напряжения, которые могут привести к образованию трещин под штампом и снижению несущей способности конструкции. Поэтому нужно обеспечить надежный расчет на прочность и трещиностойкость конструкций на участках, непосредственно воспринимающих действие местной нагрузки. Действующие в настоящее время нормы проектирования не учитывают ряд факторов, влияющих на несущую способность и трещиностойкость бетонных и железобетонных конструкций при местном приложении нагрузки, несмотря на то, что к настоящему времени проведены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении. В диссертации обращено особое внимание анализу существующих предложений по расчету трещиностойкости и несущей способности бетонных и железобетонных элементов при местном приложении нагрузки.

С применением в настоящее время высокопрочных бетонов возникает необходимость изучения влияния прочностных и деформативных характеристик этих бетонов на прочность и трещиностойкость конструкций при различных видах загружения. СНиП П-21-75 не учитывает растягивающих напряжений при определении несущей способности бетонных элементов при местном приложении нагрузки. Это приводит к переоценке несущей способности элементов из высокопрочного бетона, так как при применении этих бетонов рост сопротивления бетона растяжению значительно отстает от роста сопротивления бетона сжатию с увеличением марки бетона.

Местная нагрузка может передаваться на элемент самым разнообразным образом: по части длины и ширины, не касаясь контура элемента, касаясь контура элемента с одной стороны и касаясь контура элемента с двух сторон (угловая зона); по части длины элемента и по всей ширине. В первом случае имеет место объемное напряженное состояние, во втором - возникает напряженное состояние, близкое к плоскому. СНиП П-21-75 не делает различия между этими видами напряженных состояний и свои рекомендации строит, исходя из работы бетонных и железобетонных элементов по первому случаю. Ряд экспериментальных данных, о чем будет сказано ниже, показывает, что рекомендации СНиП П-21-75 приводят, как правило, к недопустимому завышению расчетной несущей способности плоских железобетонных элементов, загруженных по всей ширине. Такое положение можно объяснить недостаточной изученностью плоского напряженного состояния при местном приложении нагрузки и стремлением сохранить единый подход к расчету на местное смятие для всех видов загружения.

В практике проектирования возникает необходимость определения нагрузки образования трещин в бетонных и железобетонных конструкциях, работающих в агрессивных условиях. Например, конструкции, применяемые при строительстве животноводческих зданий и хранилищ для различных видов удобрений. СНиП П-21-75 не дает никаких рекомендаций по расчету трещиностойкости как плоских, так и объемных бетонных и железобетонных элементов, при местном приложении нагрузки.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании несущей способности и трещиностойкости плоских бетонных и железобетонных элементов при местном приложении нагрузки.

В результате проведенного экспериментально-теоретического исследования автор защищает:

1. Метод оценки напряженно-деформированного состояния плоского бетонного элемента, ограниченного с одной стороны поверхностью, на которую прикладывается местная нагрузка, и с другой стороны поверхностью, опирающейся на плоскость без трения. Боковые поверхности при этом рассматриваются как не испытывающие никаких воздействий (свободные).

2. Результаты проведенного экспериментально-теоретического исследования влияния на прочность и трещиностойкость плоских бетонных и железобетонных элементов при приложении нагрузки через полосовой штамп следующих факторов: марки бетона, процента армирования и распределения армирования по высоте элемента,размера штампа и его положения по отношению к элементу.

3. Предложения по расчету прочности и трещиностойкости плоских бетонных и железобетонных элементов при приложении нагрузки через полосовой штамп.

Научная новизна работы состоит в том, что в расчете на прочность и трещиностойкость учитывается, что плоские бетонный и железобетонный элементы при приложении нагрузки через полосовой штамп находятся в условиях плоского напряженного состояния.

Предлагается метод оценки напряженного состояния плоского бетонного элемента до образования трещин.

С учетом выявленных особенностей плоского напряженного состояния разработан метод определения нагрузки образования трещин в бетонных и железобетонных элементах. Получены данные о влиянии размера штампа и его положения по отношению к образцу, марки бетона на величину нагрузки образования трещин. Влияние этих факторов учитывается в расчете.

6 доказательстве необходимости учета влияния сопротивления бетона растяжению на сопротивление бетона при местном сжатии. Предлагается формула для определения сопротивления бетона при местном сжатии, учитывающая влияние сопротивления бетона растяжению.

В разработке метода расчета несущей способности плоских железобетонных элементов при приложении нагрузки через полосовой штамп, основанного на применении кинематического способа метода предельного равновесия.

Практическое значение работы состоит в том, что эксперимен тально-теоретическое исследование позволило получить данные, необходимые для расчета плоских бетонных и железобетонных элементов при местном приложении нагрузки, наиболее полно отображающего действительную работу этих элементов. Предложение по определению сопротивления бетона при местном сжатии включено в проект СНиП 2.03.01, подготовленного взамен СНиП П-21-75. Предложения по расчету несущей способности и трещиностойкости плоских бетонных и железобетонных элементов могут быть использованы в дальнейшем при составлении нормативных документов и в проектировании конструкций. На основании проведенного экспериментально-теоретического исследования изыскана возможность уменьшить конструктивное армирование в плоских бетонных элементах, загруженных через полосовой штамп, что ведет к экономии металла.

Работа проводилась в лаборатории теории железобетона

НИИКБ и в лаборатории железобетонных конструкций ЩШИЭПсельстроя в 1980-1983 гг., под руководством Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д.т.н., проф. С.М.Крылова и при научной консультации к.т.н., с.н.с. Л.Н.Зайцева.

УЛ. Выводы

I. Проведенный в главе I анализ выполненных рядом авторов исследований и нормативных документов различных стран, а также анализ проведенных автором диссертации исследований позволяет сделать вывод о том, что при расчете бетонных элементов в ряде предложений по расчету и в нормативных документах не учитываются растягивающие напряжения, возникающие под штампом, через который передается сосредоточенная местная нагрузка. В некоторых предложениях делаются попытки учесть влияние растягивающих напряжений на несущую способность бетонных элементов введением чисто эмпирических коэффициентов. Так, в отечественных нормах (СНиП П-21-75) имеется методика расчета сжатых (в том числе смятие) железобетонных элементов с косвенным армированием, которое ставится для восприятия растягивающих напряжений, возникающих при приложении сжимающих нагрузок. Эта методика не включает величин прочности бетона на растяжение, а использует коэффициент эффективности косвенного армирования, зависящий от прочности бетона на сжатие, прочности арматуры сеток или спирали и коэффициента косвенного (объемного) армирования. Эти коэффициенты получены из обработки результатов опытов на объемных элементах, где имеет место объемное напряженное состояние. Рекомендации норм распространены и на элементы с плоским напряженным состоянием, что, как показано в диссертации, не является правомерным.

Z. Анализ экспериментальных исследований, проведенный в главе П, указывает на то, что перед разрушением бетонного элемента от местного сжатия (смятия) образуются трещины в области, характеризуемой наличием растягивающих и сжимающих напряжений. Наличие армирования, перпендикулярного действию сжимающих сил, как показали испытания плоских железобетонных элементов на местное приложение нагрузки, не оказало влияния на момент трещинообразования.

Для расчета образования трещин с допустимым приближением могут быть использованы методы, основанные на предпосылках теории упругости и учитывающие реальные свойства бетона с помощью метода итерации для различных видов загружений. Такие методы, как правило, будут отличаться сложностью и громоздкостью, что не всегда будет оправдано точностью получаемых результатов в отношении действительного напряженного состояния бетона под штампом.

3. В главе Ш разработан метод расчета на образование трещин в плоском элементе при загружении его через полосовой штамп, имеющий различную ширину и положение по отношению к краю элемента. Этот метод основан на использовании критерия прочности, принятого в СНиП П-21-75 для плоского напряженного состояния сжатие-растяжение применительно к области под штампом с напряженным состоянием близким к однородному, где и были отмечены первые трещины. Сравнение опытных тл теоретических величин нагрузок образования первых трещин показало, что предлагаемая методика дает совпадение с данными опыта. Предложенный метод может быть использован при расчете плоских железобетонных конструкций на трещиностойкость при местном приложении нагрузки через полосовой штамп.

40 Образование первых трещин в области, характеризуемой наличием сжимающих и растягивающих напряжений, указывает на необходимость учета в расчетах на местное сжатие сопротивления бетона не только сжатию ( ), но и растяжению ( Р.р ).

Выражение для определения несущей способности при местном сжатии, принятое в СНиП П-21-75 и основанное на многочисленных опытных данных, включает условную характеристику сопротивления бетона на смятие ( ). Как показали проведннные экспериментальные исследования и исследования других авторов характеристика » принятая в СНиП П-21-75, хорошо отражает несущую способность при местном сжатии в бетонных элементах средних марок до М 300 (30 МПа). Известно, что для высокопрочных бетонов марок более М 300 (30 МПа) рост прочности бетона на растяжение 13 р ощутимо отстает от роста прочности на сжатие К пр .В опытах на бетонных элементах с бетоном марки от М500 (50 МПа) до М800 (80 МПа) при местном приложении нагрузки было отмечено существенное снижение несущей способности элементов по сравнению с рекомендациями норм, в которых величина зависит только от Йпр . Предлагается, при расчете несущей способности бетонных элементов на местное приложение нагрузки ввести поправочный коэффициент, учитывающий отношение £ для повышенных марок бетона, начиная с М300 (ЗОМПа).

К пр

Введение поправочного коэффициента к формуле СНиП П-21-75 значительно сблизило опытные и теоретические значения предельных нагрузок для бетонных элементов при местном нагружении.

5. После образования трещин в железобетонных элементах в работу элемента включается продольная арматура, перпендикулярно направленная действию сжимающей силы. Напряжения растяжения в арматурных стержнях армированного плоского элемента могут достигать предельных значений. Характер распределения деформаций вдоль стержня показывает, что максимальные деформации в арматуре сосредотачиваются в местах трещин, что отличает роль армирования в плоском элементе от роли косвенного армирования,принятого в СНиП П-21-75.

На основе анализа экспериментальных данных были приняты две схемы разрушения элементов: раскол и скол. При достижении напряжениями в растянутой арматуре предельных значений <эа=£<х и при достижении касательными напряжениями предельного значения сопротивления железобетона срезу ТГ — ср (где Еср - величина сопротивления армированного бетона срезу, включая сопротивление зацепления бетона) происходит скольжение клина по наклонной поверхности. В этом случае для определения несущей способности оказалось возможным применить кинематический способ метода предельного равновесия. Полученные выражения предельных нагрузок (1У.10) и 1У.27) учитывают изменение размера штампа.

Анализ возможных схем положения полосового штампа по отношению к плоскому элементу ( С ) показывает, что схема разрушения на скол реализуется только при расположении штампа на краю элемента. Условие реализации схемы разрушения от скола дается выражением (1У.28). Наиболее часто встречающаяся схема разрушения типа раскол реализуется в зависимости от соотношения сопротивления железобетона срезу и сопротивления арматуры растяжению, а также соотношения высоты элемента и ширины полосового штампа (1У.16). Сравнение опытных и теоретических предельных нагрузок показало хорошее совпадение на всем диапазоне изменения размера полосового штампа и его положения по отношению к краю элемента как для схемы раскола, так и скола. б. Величина разрушающей нагрузки, определенной по методу, основанному на использовании кинематического способа метода предельного равновесия для плоского элемента, армированного двумя сетками совпадает с нагрузкой, определенной по методике СНиП П-21-75 для бетонного элемента. То есть в плоском элементе при местном приложении нагрузки достаточно применение двух конструктивных сеток вместо четырех сеток, установленных конструктивными требованиями СНиП П-21-75.

У. 2. Рекомендации в нормативные документы по расчету бетонных и железобетонных элементов при местном приложении нагрузки

Проведенное экспериментально-теоретическое исследование работы плоских бетонных и железобетонных элементов при местном приложении нагрузки и сделанные на основании этого исследования выводы позволяют рекомендовать ряд изменений и дополнений к главе СНиП П-21-75.

I. П. 3.44. Расчетное сопротивление бетона смятию определяется по формуле: см = А-ТГБ-Кпр, (УЛ) где X* Й 5 ^ \.

Здесь = I - для бетонов марки ниже МЗОО (МЗО МПа);

Л. =13,5 - для бетонов марки МЗОО (МЗО МПа)

К пр и выше:

I *

М-р

К гс(

- но не более следующих значений: при рем

1. СНиП П-21-75 Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. М. Стройиздат, 1976, с. 39, 49-50.

2. Bauschinger J. Versuche mit Quadern aus Natursteinen. Munich, Mitteilungen aus dem Mechanischtechnischen Laboratorium der Kgl. Technishen Hochschule No.6. 1876, p. 15.

3. Graf 0. Versuch mit Betonqua^dern zu Brückengelenken und Auflagern. Berlin, Verein Deutscher Ingenieure. Mitteilungen über Forschungsarbeiten. No. 252. 1921, p. 68.

4. Graf 0. Uber einige Aufgaben der Eisenbetonforschung aus älterer und neuerer Zeit. Beton und Eisen. 195^. Vol. 55 > No. II. June, pp. 165-175.

5. Graf 0. Die Eigenschaften des Betons. Ist edition. Berlin, Springer Verlag. 1950, p. 155*

6. Семенцов С.А. Местное краевое и внецентренное сжатие бетона и кладки. Строительная механика, 1959, № I, с. II-19.

7. Гвоздев A.A. Расчет железобетонных элементов на местное сжатие. В сб. Новое в проектировании бетонных и железобетонных конструкций. М. Стройиздат, 1978, с. 106-108.

8. Рохлин И.А. Расчет бетонных и железобетонных конструкций промзданий на местное сжатие и продавливание. Промышленное строительство и инженерные сооружения. М. 1970, Ii» I, с. 21-24.

9. Венцкявичюс В.В. О прочности бетонных элементов при центральном местном сжатии. /Труды ВИСИ/, Железобетонные конструкции, МО, Вильнюс, 1972, с. 83-93.

10. Зайцев Л.Н. Прочность железобетонной полосы загруженной сосредоточенными силами. В сб. Новые исследования элементовжелезобетонных конструкций при различных предельных состояниях. М. 1982, с. 48-59.

11. Холмянский М.М. Сопротивление бетона смятию. В кн. Контакт арматуры с бетоном. М. Стройиздат, 1981, с. 84-98.

12. Niyogi К. Bearing strength of reinforced concrete blocks. Journal of the Structural Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Vol. IOI, No. ST5» May, 1975.

13. Williams A. The bearing capacity of concrete loaded over a limited area. Technical Report 526. Cement and Concrete Association. 1979, pp. 15-16, 56-57.

14. Jensen Bjarne Chr. Some applications of plastic analysis to plain and reinforced concrete. Technical University of Denmark. 0K-2800 Lyngby 1977.

15. Ivkovic M. Plasticity in reinforced concrete. International Association Bridge and Structural Engineering. Colloquium Copenhagen 1979»

16. Hawkins N.M. The bearing strength of concrete loaded through rigid plates. Magazine of Concrete Research. Vol. 20, No. 62. March 1968, pp. 51-40.

17. Рохлин И.А. Рекомендации по расчету бетонных и железобетонных конструкций на прочность и выносливость при местном сжатии. НИИСК Госстроя СССР. Киев, 1972, с. 4-14.

18. Гениев Г.А., Киссюк В.Н., Ъопин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона. М. Стройиздат, 1974, с. 190-200.

19. Филиппов Б.П., Винокуров О.П. Прочность узлов опирания стеновых панелей из ячеистого бетона. Бетон и железобетон. 1983, № I, с. 42-44.

20. CEB-FIP Model Code for concrete structures. Comite Euro-International du Beton and Federation Internationale de la Precontraint. Paris, Comite Euro-International du Beton, 1978, p. 548.

21. CP 110. British Standards Institution. The structural use of concrete. Part Is Design, materials and work man-ship. London, 1972, pp. 154.

22. Коровин H.H. Узлы сборного железобетонного каркаса многоэтажных промышленных зданий /вопросы расчета, конструирования и монтажа/. Автореферат дисс. на соискание учен. степ, канд. техн. наук. М. 1955, с. I-I4.

23. Червонобаба В.А. Исследование сопротивления бетона, армированного сетками, смятию. В сб. Исследование прочности элементов железобетонных конструкций. / Труды НИИЖБ, выпуск 5/. М., 1959, с. II0-I26.

24. Червонобаба В.А. Исследование сопротивления смятию и сжатию бетона, армированного сетками, применительно к стыкам сборных железобетонных колонн. Автореферат дисс. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. Ленинобат, 1959, с. 13-17.

25. Филиппов Б.П., Васильев А.П., Матков Н.Г. Прочность и деформативность сжатых элементов с косвенным армированием. -Бетон и железобетон. 1973, № 4, с. 17-20.

26. Мирмуминов М.М. Сопротивление местному сжатию торцов железобетонных колонн, армированных поперечными сетками. Дисс. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. М., 1976, с. 36-68, 74-91.

27. Niyogi К. Concrete Bearing Strength-Support, Mix, Size Effect-Journal of the Structural Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Vol. 100, No. ST8, August, 1974, PP. 1685-1702.

28. Niyogi К. Effect of Side Slopes on Concrete Bearing Strength. Journal of the Structural Division, Proceedingsof the American Society of Civil Engineers, Vol. 104, No. ST3, March, 1978, pp. 599-604.

29. Niyogi K. Bearing Strength of Concrete Geometric Variations. - Journal of Structural Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Vol. 99i No. ST7, July, 1975, PP. №1-1490.

30. Гладышев Б.М. 0 расчете бетонных и железобетонных элементов на местное сжатие. В сб. Строительные конструкции. Bfem. X. Будивильник, Киев, 1968, с. 61-70.

31. Баранова Т.И. Прочность коротких железобетонных элементов при действии поперечных сил. Дисс. на соискание учен, степ. канд. техн. наук. М., 1976, с. 16-20, 78-82.

32. Керас В.К., Шлежевичюс К.В., Венцкявичюс В.В. О сопротивлении бетонных стенок воздействию местного сжатия при вне-центренном нагружении. /Труды ВИСИ/ Железобетонные конструкции, № 4, Вильнюс, 1971, с. 65-70.

33. Зайцев Л.Н., Чуприн В.Д. Особенности напряженного состояния в стержневом железобетонном элементе вблизи нагрузки, приложенной по площадке. В сб. Исследование стержневых и плитных железобетонных статически неопределимых конструкций. М.,с. 65-82.

34. Тимошенко С.П., Г^дь-ер Дж. Теория упругости. М., 1979, с. 53, 64-65, II2-II5, 127-136.

35. Кащеев Г.В. Напряженное состояние и прочность участков панельных стен при местном краевом сжатии. Автореферат дисс. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. M., 1969, с. 1-20.

36. Кащеев Г.В., Колчина О.Н., Кучерова Т.И., Скачков Ю.П. Расчет высоты растянутой зоны элемента при местном сжатии. -Информационный лист № 36-82. Межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды. Пенза, 1982.

37. Chen V/.F. , Drucker D.C. Bearing capacity of concrete blocks rock. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Journal of the Engineering Mechanics Division. Vol. 95, No. EM4. August 1969, pp. 955-978.

38. Гийон И. Предварительно напряженный железобетон. M. Госстройиздат, 1959, с. 199-230.

39. Guyon Y. Contraintes dans les Pieces Prismatiques Soumises a des Forces Appli uees sur leurs Bases, au Voisinage de ces Bases. Publication, International Association for Bridge and Structural Engineering, Vol. II, 1951, pp. 165-226.

40. Сизов В.П. Проектирование состава бетона. Стройиздат, 1966, с. 45-46.

41. Руководство по тензометрированию строительных конструкций. M., 1971, с. 182-215.

42. Кубашов Е.В. Прочность и трещиностойкость предварительно напряженных керамзитобетонных свай. Дисс. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. M., 1982, с. 75-77.

43. ГОСТ 24452-80. Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. М. 1981, с. 5.

44. ГОСТ 10180-78. Бетоны. Методы определения прочности на сжатие и растяжение. М., 1978, с. 3-5.

45. ГОСТ 12004-81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. М., 1982, с. 1-4.

46. Яшин А.В. Неодноосные напряженно-деформированные состояния бетона. В сб. Прочность, структурные изменения и деформации бетона. М. Стройиздат, 1978, с. 196-222.

47. Залесов А.С., Воробьев Ю.А., Яшин А.В. Условия образования наклонных трещин в железобетонных балках из различных бетонов. В сб. Прочностные и деформационные характеристики элементов бетонных и железобетонных конструкций. М., 1981, с. 94.

48. Бирюков А.И. Исследование причин аварий и повреждений опор при краевом загружении. Автореферат дисс. на соискание учен. степ. канд. техн. наук. М., 1966, с. 1-25.

49. Muguruma Н., Okamoto Б. Study on bearing capacity of concrete. Proceedings of the Eight Japan Congress on testing materials-nonmetallic materials. March 1965.

50. Ульбиева И.С. Экспериментальные исследования работы железобетонных элементов в условиях местного загружения. В сб. Новое в технологии, расчете и конструировании железобетонных конструкций. М., 1984, с.

51. Петров А.И. Экспериментальное исследование бетона при нагружении сжатием и срезом. Бетон и железобетон. 1965, № II, с. 34-36.

52. Hofbeck J.A., I.O.Ibrahim, A.A.Mattock. Shear Transfer in Reinforced. Concrete. Journal of the American Concrete Institute, Feb. 1969, PP. 965-970.

53. Hermansen B.E., J.Cowan. Modified Shear-Friction Theory from Bracket Design. Journal of the American Concrete Institute, Feb. 1974, pp. 1050-1055.

54. Гвоздев A.A. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. М. Стройиздат, 1949, с. 14-15.

55. УТВЕРЖДАЮ" ^Замдиректора НИИЖВ М^кШЩя СССР Шф^^ШгЬ-- Н.Н.КОРОВИНоь . 1984 г.