Основные результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций из высокопрочного бетона В100 круглого и кольцевого сечений при кручении с изгибом

Полный текст

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.

Об авторах

Владимир Ильич Травуш

Российская академия архитектуры и строительных наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: travush@mail.ru
SPIN-код: 6462-2331

доктор технических наук, профессор, вице-президент

Российская Федерация, 107031, Москва ул. Большая Дмитровка, д. 24, стр. 1

Николай Иванович Карпенко

Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН

Email: niisf_lab9@mail.ru
SPIN-код: 3027-2197

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией, Научно-исследовательский институт строительной физики

Российская Федерация, 127238, Москва, Локомотивный проезд, 21

Владимир Иванович Колчунов

Юго-Западный государственный университет

Email: vlik52@mail.ru
SPIN-код: 3990-0345

доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Семен Суренович Каприелов

Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона имени А.А. Гвоздева

Email: kaprielov@mail.ru

доктор технических наук, заведующий лабораторией

Российская Федерация, 109428, Москва, ул. 2-я Институтская, д. 6, корп. 5

Алексей Иванович Демьянов

Юго-Западный государственный университет

Email: speccompany@gmail.ru
SPIN-код: 1447-1505

кандидат технических наук, доцент

Российская Федерация, 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Алексей Владимирович Конорев

Юго-Западный государственный университет

Email: alexeykonorev@mail.ru
SPIN-код: 2089-9130

аспирант

Российская Федерация, 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Список литературы