Main results of experimental studies of reinforced concrete structures of high-strength concrete B100 round and circular cross sections in torsion with bending

Cover Page

Abstract


Aim of the research to verify the proposed calculating apparatus and accumulate new experimental data on the complex resistance of reinforced concrete structures, experimental studies of such structures made of high-strength concrete of circular and circular cross-section were conducted at the testing base of the South-West State University. Method is experimental-theoretical. Results of experimental research the plots of the deflections and rotation angles, the dependency of deformations of concrete according to the testimony of the outlets of electrodesorption with respect to the calculated cross section 1-1. The main deformations of elongation and shortening of concrete were determined; the reinforcement was selected in such a way that in the stage preceding the destruction, it reached fluidity, so the stresses in the reinforcement are known. It is established that for reinforced concrete structures made of high-strength concrete of circular cross-section, as a rule, there is the development of two cracks, i.e. the round shape of the cross-section slightly reduces the concentration due to the structure of high-strength concrete. For the annular section there were several cracks, of which stands out the one on which the destruction occurs. On the steps preceding the destruction, this crack begins to prevail over the rest and has a maximum opening width. On the basis of experimental studies of reinforced concrete structures made of high-strength concrete of square and box sections, reliable data on the complex stress-strain state in the studied areas of resistance, such as: the values of the generalized load of cracking , and destruction ,, its level relative to the limit load; the distance between the cracks at different levels of cracking (up to the moment of destruction, as a rule, two or three levels are formed); crack widths at the level of the axis of the working armature, at a distance of two diameters from the axes of the armature and along the entire crack profile at various stages of loading, from which it follows that the crack opening at the level of the axis of reinforcement in 2-3 times less compared with the crack opening on the removal of 1.5-2 diameters of the working axis (longitudinal and transverse) reinforcement; the coordinates of the spatial formation of cracks; schematic drawings on tablets of education, development and opening of cracks of reinforced concrete constructions in torsion with bending. Thus, the experimental studies and the result provide an opportunity to test the developed computational model and its working hypotheses for assessing the resistance of reinforced concrete structures made of high-strength concrete in torsion with bending.


Введение Решение основных задач капитального строительства связано с дальнейшим развитием технического прогресса в области бетона и железобетона как наиболее распространенных материалов несущих конструкций современного строительства. Разнообразие и уникальность архитектурных форм, как правило, вызывает сложное сопротивление железобетонных конструкций - кручение с изгибом и требует создания бетонов все более высоких классов, что влечет за собой необходимость экспериментально-теоретических исследований [1-14]. Сопротивление железобетонных конструкций на кручение с изгибом в настоящее время изучено недостаточно глубоко и практически не изучено для высокопрочных бетонов. Об этом свидетельствует и тот факт, что в СП 63.13330.2012[5] отсутствуют какие-либо рекомендации по проектированию конструкций при кручении с изгибом, а приведены только общие положения их расчета, которые не всегда согласуются с реальной работой железобетона в стадии образования, развития трещин, а также в предельной стадии их сопротивления. Результаты исследований и их анализ Для того чтобы проверить достоверность предлагаемого расчетного аппарата и установить закономерности сопротивления железобетонных конструкций при кручении с изгибом были проведены экспериментальные исследования по специально разработанной методике. Фактическое образование и развитие трещин при проведении испытаний опытных железобетонных конструкций круглого и кольцевого поперечных сечений при кручении с изгибом представлены на рис. 1. Картины развития трещин для круглых и кольцевых сечений приведены на рис. 2 и 3. Характерной особенностью железобетонных конструкций круглого и кольцевого сечений является то, что происходит образование нескольких трещин, из них выделяется та, которая впоследствии и является разрушающей. Эта трещина на ступенях близких к разрушению начинает превалировать над остальными и имеет максимальную ширину раскрытия (рис. 2, 3). а б Рис. 1. Картина образования и развития трещин при проведении испытаний железобетонных конструкций на кручение с изгибом, сторона Б: а - II-БВ-КР-410 (2); б - IV-БВ-КО-410 (2) [Figure 1. The picture of formation and development of cracks during testing of reinforced concrete structures for torsion with bending, side Б: а - II-БВ-КР-410 (2); б - IV-БВ-КО-410 (2)] Опытные исследования каждой экспериментальной конструкции сопровождались ведением журнала испытаний. Полученные данные приведены в таблице. Графики деформаций (прогибов и углов поворота) по отношению к расчетному сечению 1-1 приведены на рис. 4. Рис. 2. Раскрытие трещин в экспериментальной железобетонной конструкции второй серии II-БВ-КР-410 (2): без скобок приведены значения ширины раскрытия трещин, замеренные вдоль оси рабочей арматуры, в скобках - то же на удалении двух диаметров от оси рабочей арматуры [Figure 2. Crack opening in the experimental reinforced concrete structure of the second series II-БВ-КР-410 (2): without brackets - the values of crack opening width measured along the axis of the working rebar are given, in brackets - the same at a distance of two diameters from the axis of the working rebar] Рис. 3. Раскрытие трещин в экспериментальной железобетонной конструкции четвертой серии IV-БВ-КО-410 (2): без скобок приведены значения ширины раскрытия трещин, замеренные вдоль оси рабочей арматуры, в скобках - то же на удалении 2 диаметров от оси рабочей арматуры [Figure 3. Crack opening in the experimental reinforced concrete structure of the second series IV-БВ-КО-410 (2) without brackets - the values of crack opening width measured along the axis of the working rebar are given, in brackets - the same at a distance of two diameters from the axis of the working rebar] Рис. 4. Графики углов поворота и прогибов опытной железобетонной конструкции IV-БВ-КО-410 (2): 1 - прогиб по индикатору И2; 2 - прогиб по индикатору И3; 3 - угол поворота по индикаторам И1-И2; 4 - угол поворота по индикаторам И3-И4 [Figure 4. Graphs of rotation angles and deflections of the experimental reinforced concrete structure: 1 - deflection on the indicator И2; 2 - deflection on the indicator И3; 3 - angle of rotation on the indicators И1-И2; 4 - angle of rotation on the indicators И3-И4] а б Рис. 5. Схема развития трещин по отношению к розеткам электротензорезисторов для опытной железобетонной конструкции III-БВ-КОР-410 (3) на стадии, предшествующей разрушению: а - сторона А; б - сторона Б [Figure 5. Scheme of cracks’ development in relation to electrical resistor sockets for experimental reinforced concrete structure III-БВ-КОР-410 (3) at the stage preceding destruction: а - side А; б - side Б] Таким образом, выполнены экспериментальные исследования железобетонных конструкций из высокопрочного бетона при кручении с изгибом с целью проверки предлагаемого метода расчета и выявления закономерностей и параметров сопротивления железобетонных конструкций при кручении с изгибом, таких как координаты образования пространственных трещин, обобщенная нагрузка трещинообразования ,, ширина раскрытия трещин на уровне оси продольной и поперечной растянутой арматуры вдоль всего профиля трещин; изменения расстояния между трещинами и длины трещин по мере увеличения деформационной нагрузки; деформаций сжатого бетона (см. таблицу) при сложном напряженно-деформированном состоянии и др. Для анализа в работе представлены графики деформаций, полученные по показаниям электротензометрических розеток (рис. 5-7). В результате проведенных опытов по установленным розеткам электротензорезисторов также были построены графики «нагрузка - относительная деформация». Для опытных железобетонных конструкций II-БВ-КР-410 (2) и IV-БВ-КО-410 (2) такие графики приведены на рис. 6 и 7 соответственно. Розетки электротензорезисторов обрабатывались в соответствии с формулой для определения главных деформаций удлинения (укорочения) бетона. 7 этап: Для обработки показаний электротензорезисторов использовались формулы определения главных деформаций удлинения (укорочения) бетона. Применительно к II-БВ-КР-410 (3), сторона Б, (рис. 6) получим: ( 115)  ( 27) 6 этап: Рис. 6. Графики зависимости деформаций бетона от нагрузки для железобетонной конструкции II-БВ-КР-410 (3) [Figure 6. The dependence of deformation of concrete load for reinforced concrete structure II-БВ-КР-410 (3)] Рис. 7. Графики зависимости деформаций бетона от нагрузки для железобетонной конструкции [Figure 7. The dependence of deformation of concrete load for reinforced concrete structure IV-БВ-КО-410 (2)] Применительно к IV-БВ-КО-410 (2), сторона Б, (рис. 7) получим: 7 этап: ( 7)  ( 15) 2 2 2 ε1   (( 7)  ( 15))    (( 15) ( 5,5))  4,5; (7) 2 2 ( 7)  ( 15) 2 2 2 ε2   (( 7)  ( 15))    (( 15) ( 5,5)) 26,5; (8) 2 2 tg 2φ  2( 5,5)    (( 7) ( 15))  0,86; (φ  24 ).o (9) ( 7)  ( 15) 6 этап: ( 6)  ( 5) 2 ε1   (( 6)  ( 10))2    (( 10) ( 5))2 15; (10) 2 2 ( 6)  ( 5) 2 2 2 ε2   (( 6)  ( 10))    (( 10) ( 5)) 16; (11) 2 2 tg 2φ  2( 10)    (( 6) ( 5)) 1,9; (φ  44 ).o (12) ( 6)  ( 5) Таким образом, проведенные экспериментальные исследования железобетонных конструкций из высокопрочного бетона при кручении с изгибом позволили проверить разрабатываемую расчетную модель, ее рабочие предпосылки и выявить закономерности и параметры сопротивления железобетонных конструкций, такие как координаты образования пространственных трещин; обобщенная нагрузка трещинообразования , и разрушения ,; ширина раскрытия трещин на уровне осей продольной и поперечной растянутой арматуры на удалении двух диаметров от осей арматуры и вдоль всего профиля трещины; изменения расстояния между трещинами и длины трещин по мере увеличения нагрузки; фибровые главные деформации сжатого бетона при сложном напряженно-деформированном состоянии (см. таблицу). Также были определены фактическая высота сжатой зоны и высота сжатого бетона над наклонной трещиной в в рабочем сечении 1-1 (проходящем через конец пространственной трещины); прогибы и углы поворота; значение проекций пространственных трещин на горизонталь. Таблица Экспериментальные параметры сопротивления железобетонных конструкций серий II и IV при кручении с изгибом [Table. Experimental parameters of resistance of reinforced concrete structures of series II and IV at torsion with bending] Серия [Series] Шифр конструкции [Cipher design] ,, кН [ ,, kN] ,, кН [ ,, kN] , кН [ , kN] Ступень нагружения, Pi/Pmax [Loading stage, Pi/Pmax] Пространственная трещина, по которой произошло разрушение [Spatial crack, which was the destruction] Фактическая высота сжатой зоны, xfact, мм [Actual height of the compressed zone, xfact, mm] Координаты образования пространственной трещины [Coordinates of the spatial formation of cracks] ,, мм [ , mm] ,, мм [ , mm] ,, мм [ ,, mm] xexp, мм yexp, мм II БВ-КР-410 (2) Сторона А [Side A] 6,62 7,11 14,22 0,79 2,5 1,0 385 0 111,1 -35,4 БВ-КР-410 (2) Сторона Б [Side Б] 0,79 2,5 1,7 0 -274,4 -47,3 IV БВ-КО-410 (2) Сторона А [Side A] 7,61 9,57 19,13 0,85 0,2 0,1 436 - 264,4 -1,6 0,90 0,6 0,3 - 0,95 3,0 0,6 75 1,00 3,3 1,4 50 БВ-КО-410 (2) Сторона Б [Side Б] 0,85 0,2 0,2 60 -53,5 -11,6 0,90 0,6 0,6 10 0,95 3,0 3,5 10 1,00 3,3 4,0 0 П р и м е ч а н и е : , - ширина раскрытия трещины на уровне оси растянутой рабочей арматуры, мм; , - ширина раскрытия трещины на уровне середины высоты сечения, мм; , - длина проекции пространственной трещины, мм; xexp - расстояние по горизонтали от опорной реакции, мм; yexp - расстояние по вертикали от геометрической оси, мм В итоге данные, полученные в результате экспериментов, предоставляют возможность проверить достоверность расчетного аппарата сложного сопротивления железобетонных конструкций из высокопрочного бетона при совместном действии кручения с изгибом. Для II-БВ-КР-410 (2). Образование трещины Тр-4, переходящей в трещину Тр-3 на грани А и пересекающей трещину Тр-1 на верхней грани. Также образовалась нитевидная трещина Тр-5. Произошло дальнейшее увеличение ширины раскрытия и рост по высоте сечения трещин Тр-1, Тр-3, Тр-4. На грани Б от трещины Тр-3 ответвляется трещина Тр-2. Максимальная нагрузка составила 1700 кгс, затем после выдержки нагрузка на прессе упала до 1 000 кгс. Для IV-БВ-КО-410 (2). Дальнейшее увеличение ширины раскрытия трещин Тр-1 - Тр-4 и их развитие по высоте сечения. Трещина Тр-5 развилась по высоте и образовалась трещина Тр-5’, выходящая из Тр-2 параллельно Тр-5. Выкол бетона сжатой зоны вблизи трещины Тр-4. Произошло смещение блоков балки относительно друг друга на 5 мм (сработал нагельный эффект). Максимальная нагрузка составила 2 000 кгс, затем нагрузка на прессе составила 1 500 кгс. Выводы 1. На основании экспериментальных исследований железобетонных конструкций из высокопрочного бетона круглого и кольцевого сечений получены достоверные данные о сложном напряженно-деформированном состоянии в исследуемых областях сложного сопротивления при действии изгибающего и крутящего моментов, такие как: значения обобщенной нагрузки трещинообразования Rsup,crc и разрушения Rsup,u , ее уровень относительно предельной нагрузки; расстояние между трещинами на разных уровнях трещинообразования (до момента разрушения, как правило, образуется два-три уровня); ширина раскрытия трещин на уровне оси рабочей арматуры на удалении двух диаметров от осей арматуры и вдоль всего профиля трещины на различных ступенях нагружения, из которых следует, что раскрытие трещин на уровне оси арматуры в 2-3 раза меньше, по сравнению с раскрытием трещин на удалении 1,5-2 диаметров от оси рабочей (продольной и поперечной) арматуры; координаты точек x; ; y z образования пространственных трещин; схемы зарисовки на планшетах образования и развития трещин железобетонных конструкций при кручении с изгибом. 2. В результате проведенных опытных исследований построены графики деформаций (прогибов и углов поворота) по отношению к расчетному сечению 1-1. 3. Построены графики зависимости деформаций бетона по показаниям розетки электротензорезисторов, и по формуле розеток определены главные деформации удлинения и укорочения бетона в зоне, расположенной в окрестности расчетного сечения 1-1; арматура была подобрана таким образом, что в стадии, предшествующей разрушению, она достигала текучести, поэтому напряжения в арматуре известны. В ряде случаев показания электротензорезисторов продублированы механическими и цифровыми приборами с ценой делениия 0,001 мм. 4. Выполнен анализ образования и развития трещин с использованием журнала испытаний железобетонных конструкций из высокопрочного бетона при кручении с изгибом. 5. Установлено, что для железобетонных конструкций из высокопрочного бетона круглого сечения, как правило, наблюдается развитие двух трещин, т. е. круглая форма поперечного сечения несколько снижает концентрацию, обусловленную структурой высокопрочного бетона. Для железобетонных конструкций из высокопрочного бетона кольцевого сечений имело место несколько трещин, из них выделяется та, по которой происходит разрушение. На ступенях, предшествующих разрушению, эта трещина начинает превалировать над остальными и имеет максимальную ширину раскрытия. Таким образом, выполненные исследования и полученный результат предоставляют возможность проверки разрабатываемой расчетной модели оценки сопротивления железобетонных конструкций из высокопрочного бетона при действии кручения с изгибом.

Vladimir I Travush

Russian Academy of Architecture and Construction Sciences

Author for correspondence.
Email: travush@mail.ru
SPIN-code: 6462-2331
24 Bolshaya Dmitrovka Str., bldg. 1, Moscow, 107031, Russian Federation

D.Sc. in Technical Sciences, Professor, Vice President

Nikolay I Karpenko

Scientific Research Institute of Construction Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences

Email: niisf_lab9@mail.ru
SPIN-code: 3027-2197
21 Lokomotivnyy Proezd, Moscow, 127238, Russian Federation

D.Sc. in Technical Sciences, Professor, Head of Laboratory

Vladimir I Kolchunov

South-West State University

Email: vlik52@mail.ru
SPIN-code: 3990-0345
94 50 let Oktyabrya St., Kursk, 305040, Russian Federation

D.Sc. in Technical Sciences, Professor

Semen S Kaprielov

Research and Development, Design and Technological Institute of Concrete and Reinforced Concrete named after A.A. Gvozdev

Email: kaprielov@mail.ru
6 2-ya Institutskaya St., bldg. 5, Moscow, 109428, Russian Federation

D.Sc. in Technical Sciences, Head of Laboratory

Alexey I Dem’yanov

South-West State University

Email: speccompany@gmail.ru
SPIN-code: 1447-1505
94 50 let Oktyabrya St., Kursk, 305040, Russian Federation

D.Sc. in Technical Sciences, Professor

Alexey V Konorev

South-West State University

Email: alexeykonorev@mail.ru
SPIN-code: 2089-9130
94 50 let Oktyabrya St., Kursk, 305040, Russian Federation

D.Sc. in Technical Sciences, Professor

  • Bondarenko V.M., Kolchunov V.I. (2004). Raschetnye modeli silovogo soprotivleniya zhelezobetona [Computational model of a power resistance of reinforced concrete]. Moscow: АSV Publ., 472. (In Russ.)
  • Veryuzhskij Yu.V., Kolchunov V.I. (2005). Metody mekhaniki zhelezobetona [Methods of reinforced concrete mechanics]. Kiev: NАU Publ., 653. (In Russ.)
  • Golyshev А.B., Kolchunov V.I. (2009). Soprotivlenie zhelezobetona [Resistance of reinforced concrete]. Kiev: Osnova Publ., 432. (In Russ.)
  • Golyshev А.B., Kolchunov V.I., Yakovenko I.A. (2015). Soprotivlenie zhelezobetonnykh konstruktsij, zdanij i sooruzhenij, vozvodimykh v slozhnykh inzhenerno-geologicheskikh usloviyakh [Resistance of reinforced concrete structures, buildings and structures erected in complex engineering-geological conditions]. Kiev: Talkom Publ., 371. (In Russ.)
  • Geniev G.А., Kolchunov V.I., Klyueva N.V. (2004). Prochnost' i deformativnost' zhelezobetonnykh konstruktsij pri zaproektnykh vozdejstviyakh [Strength and deformability of reinforced concrete structures under beyond design impacts]. Moscow: АSV Publ., 216. (In Russ.)
  • Karpenko N.I. (1996). Obshhie modeli mekhaniki zhelezobetona [General models of reinforced concrete mechanics]. Moscow: Stroiizdat Publ., 416. (In Russ.)
  • Travush V.I., Konin D.V., Krylov А.S., Kaprielov S.S., Chilin I.А. (2017). Experimental studies of steelreinforced concrete structures working on bending. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya [Engineering and reconstruction], 4(72), 63–72. (In Russ.)
  • Dem'yanov А.I., Kolchunov V.I., Sal’nikov A.S., Mikhajlov M.M. (2017). Computational model static and dynamic deformation of reinforced concrete constructions in torsion with bending at the time of formation of the spatial crack. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya [Engineering and reconstruction], 3(71), 13–22. (In Russ.)
  • Kolchunov V.I., Yakovenko I.A. (2016). Calculation model of static-dynamic deformation of reinforced concrete bending structures at the time of destruction of the concrete stretched matrix. Vіsnik Kremenchuts'kogo natsіonal'nogo unіversitetu іmenі Mikhajla Ostrograds'kogo [Bulletin of the Kremenchug national University named after Mikhail Ostrogradsky], 3(98), 56–62. (In Russ.)
  • Salnikov A.S., Kolchunov V.I., Yakovenko I.A. (2015). The computational model of spatial formation of cracks in reinforced concrete constructions in torsion with bending. Applied Mechanics and Materials, 725–726, 784–789.
  • Kolchunov Vl.I., Salnikov A.S. (2016). Experimental study of the cracking of reinforced concrete constructions in torsion with bending. Stroitel'stvo i rekonstruktsiya [Engineering and reconstruction], 3(65), 24–32. (In Russ.)
  • Mullapudi T., Ayoub A. (2013). Analysis of reinforced concrete columns subjected to combined axial, flexure, shear, and torsional loads. Journal of Structural Engineering, 139(4), 561–573.
  • Bernardo L.F.A. & Teixeira M.M. (2018). Modified softened truss-model for prestressed concrete beams under torsion. Journal of Building Engineering, (19), 49–61.
  • Hyunjin J., Kang S.K., Deuck H.L., Jin-Ha H., Seung-Ho C., Young-Hun O. (2015). Torsuonal responses of steel fiber-reinforced concrete members. Composite Structures, (129), 143–156.

Views

Abstract - 203

PDF (Russian) - 161

PlumX


Copyright (c) 2019 Travush V.I., Karpenko N.I., Kolchunov V.I., Kaprielov S.S., Dem’yanov A.I., Konorev A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.