Результаты экспериментальных исследований сложнонапряженных балок круглого поперечного сечения из высокопрочного фиброжелезобетона

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель исследования - экспериментальное изучение особенностей трещинообразования и деформирования сложно напряженных балок круглого поперечного сечения из высокопрочного фиброжелезобетона для развития практических методов расчета трещиностойкости, жесткости и прочности таких конструкций при кручении с изгибом, а также для накопления новых опытных данных о сложном силовом сопротивлении. Метод исследования - экспериментально-теоретический. Результаты. Экспериментально определены опытные значения и построены графики прогибов и углов поворота, зависимостей деформаций бетона от нагрузки для сложнонапряженных балок круглого поперечного сечения из высокопрочного фиброжелезобетона. Определены главные деформации удлинения и укорочения бетона для опытных конструкций балок с высоким уровнем соотношения крутящего и изгибающего моментов. Установлено, что для железобетонных конструкций из высокопрочного фиброжелезобетона круглого сечения, как правило, наблюдается развитие дискретных одной-двух трещин, следовательно, круглая форма поперечного сечения несколько снижает концентрацию, обусловленную структурой высокопрочного бетона. На основании проведенных испытаний железобетонных конструкций из высокопрочного фиброжелезобетона круглого сечения получены новые экспериментальные данные о сложном напряженно-деформированном состоянии в исследуемых областях сопротивления, такие как: значения обобщенной нагрузки трещинообразования и разрушения, ее уровень относительно предельной нагрузки; расстояние между трещинами на разных уровнях трещинообразования; ширина раскрытия трещин на уровне оси рабочей арматуры и на удалении двух диаметров от осей арматуры, а также вдоль всего профиля трещины на различных ступенях нагружения; координаты точек образования пространственных трещин; схемы образования, развития и раскрытия трещин железобетонных конструкций при рассматриваемом сложном напряженном состоянии - кручении с изгибом.

Полный текст

Introduction In the last two-three decades the publications of researchers from different countries give increasingly greater attention to the investigation of reinforced concrete under special and emergency loadings, which cause combined stress state in the structures [1-8]. Architectural solutions and structural element cross-section shapes used in design practice are becoming more complex as well. It should be noted that until now a relatively limited number of studies on the stress-strain state of structures under combined loading have been conducted. In this field a number of Russian and various international studies on reinforced concrete structures from regular concrete can be mentioned, for example [9-15]. Even less studies are devoted to testing beams and other structures under combined bending and torsion. Existing experimental results, according to their methodologies [11; 13; 16-18], relate to particular individual stress-strain state cases, boundary condition kinds, reinforcement types, concrete grades and types. At the same time, resistance of reinforced concrete structures to combined loading (bending and torsion) until now remains globally underexplored due to a number of reasons, primarily due to the complexity of the experiment. As to high-strength reinforced concrete and fiber reinforced concrete structures, the studies of their combined stress state and crack propagation properties are practically absent. This is evidenced by the fact that in Russian, European, US and other countries’ building codes there are no recommendations on designing structures under combined bending and torsion. There are general guidelines of particular individual stress state cases only for ultimate limit state and only for rectangular cross-sections of structures, which do not always correspond well enough to the real behavior of reinforced concrete in the stage of crack formation and development and also in the ultimate stage of their resistance. In [19-21] the authors begin the publications on the conducted experimental studies of high-strength reinforced concrete structures under combined loading. Here are the methodologies and some particular test results on structures with high-strength concrete of grade B100 or higher for rectangular, hollow circular and solid circular beam cross-sections. Following on these studies, the present article provides the experimental results of high-strength fiber reinforced concrete circular beams under combined loading. It is also worth mentioning that the cross-sectional shape accepted for the experiment is fairly often used in design practice (cores of high-rise buildings that act as cantilever beams, power transmission line supports, factory building columns, etc.). Investigation results and their analysis A series of six sample beams from high-strength fiber reinforced concrete has been tested (see Table). The following notation is used for the test structures: FB - fiber reinforced concrete beam, CR - circular cross-section, 720 - value of external force couple arm for creating torsional moment, (1) - number of test sample. Reinforcement details in the cross-sections of test sample structures are presented in Figure 1. Longitudinal reinforcement of the test samples is grade A240C and 6 mm diameter, positioned along the cross-section perimeter. Transverse reinforcement is grade A240C, 6 mm diameter with 100 mm spacing. Metallic plates 8 mm thick with reinforcement anchors from 10 mm A240C grade bars were placed on the ends of the test samples. A series of test samples were made from grade B130 high-strength fiber reinforced concrete. More detailed information on the structure of beam test samples, reinforcement details and testing methods are given in [20]. Obtained experimental results, their processing and analysis allow to state the following. A characteristic feature of crack propagation in high-strength fiber reinforced concrete structures with circular cross-section is that they develop several discrete cracks, from which one stands out with increasing load and which then governs the failure. This crack becomes predominant over the others at the load steps close to failure and has the maximum opening size (Figure 1). Side B Side A B A Figure 1. Crack pattern in test sample structure from high-strength fiber reinforced concrete FB-CR-720 (1) Comparing the obtained crack pattern with the pattern in regular reinforced concrete structures in the acting region of bending and torsional moments [11; 18; 22] it can be stated that such structures form an entire network of cracks. In addition to that, with increasing load new cracks are being formed, and correspondingly the distances between them and the intensity of development of the already formed cracks change. Therefore, the deformation concentration in the reinforcement due to crack propagation is decreasing in the structures from regular concrete. The obtained experimental results on the features and physical process of crack propagation in high-strength fiber reinforced concrete structures allow to conclude that the traditionally applied theoretical model of reinforced concrete deformation for service limit state, which is based on the hypothesis of averaging deformations after crack formation (coefficient ψs), needs correction in regards to the reinforced concrete in consideration. m kNm Figure 2. Deflections of test sample structure from high-strength fiber reinforced concrete FB-CR-720 (1): 1 - deflection according to indicator I2; 2 - deflection according to indicator I3 radian kNm Figure 3. Angles of deflection of test sample structure from high-strength fiber reinforced concrete FB-CR-720 (1): 1 - angle of deflection according to indicators I1-I2; 2 - angle of deflection according to indicators I3-I4 From the analysis of experimental deflections and angles of deflection of tested structures (Figures 2 and 3) it can be noted that the relative cracking load level in fiber reinforced concrete beams (Т+М)/(Тu+Мu) is significantly higher than in structures from regular concrete. For all FB-CR-720 beam test samples the mentioned ratio comprised 0,55-0,64. This implies that the presence of fiber in structures from high-strength reinforced concrete under the considered stress state substantially increases the second stage of the stress-strain state, and this feature should be accounted for in the design. The obtained experimental graphs of concrete compressive strains in the test samples from strain gauge measurements are of interest as well (Figures 4 and 5). Strain gauge rosettes were processed after the gauge measurements according to the know formulas for determination of the principal tensile (compressive) deformations of concrete. P, kN 10-5 Figure 4. Loading force to concrete deformation relationship for test sample structure from high-strength fiber reinforced concrete FB-CR-720 (1), side A 10-5 P, kN Figure 5. Loading force to concrete deformation relationship for test sample structure from high-strength fiber reinforced concrete FB-CR-720 (1), side B So, with regard to FB-CR-720 (1) beam side A (Figure 4) the following is obtained: - load step (1) (2) (3) - load step (4) (5) (6) - load step (7) (8) (9) With regard to FB-CR-720 (1) beam side B (Figure 5) the following is obtained: - load step (10) (11) (12) - load step (13) (14) (15) - load step (16) (17) (18) Experimental investigation of the considered beam structures from high-strength reinforced concrete produces a number of important parameters for the evaluation of resistance of reinforced concrete structures to combined loading - bending with torsion, given in Table. They include the following: coordinates of nonplanar crack formation, generalized cracking load ; failure load ; width of nonplanar crack which governed failure on the level of longitudinal and transverse reinforcement axes, at a double diameter distance from reinforcement axes and along the entire crack profile; changes in the distance between cracks with increasing load. Table Experimental parameters of resistance of fiber reinforced concrete structures under combined bending and torsion Structure notation kN kN kN Load step, Pi / Pmax Nonplanar crack, which governed failure Actual height of the compression zone, xfact, mm Coordinates of nonplanar crack formation mm mm mm xexp, mm yexp, mm FB-CR-720 (1) Side A 12.5 17.5 35.0 0.57 - - 368 - -35.3 -22.5 0.85 0.2 0.3 50 1 1.8 4.8 0 FB-CR-720 (1) Side B 0.57 - - - -154.7 43.9 0.85 0.1 0.2 70 1 1.2 1.6 20 FB-CR-720 (2) Side A 15.0 19.5 39.0 0.64 - - 377 - -44.8 -18.0 0.77 0.1 0.2 40 1 0.5 1.8 0 FB-CR-720 (2) Side B 0.64 - - - -168.1 35.6 0.77 - - 95 1 0.1 1 15 FB-CR-720 (3) Side A 17.5 260 52.0 0.67 - - 224 - 122.5 -93.4 0.76 0.1 0.17 102 1 3.5 4 10 FB-CR-720 (3) Side B 0.67 - - - -116.8 -36.4 0.62 0.1 0.11 30 0.82 0.1 0.16 0 The actual height of compression zone xfact and the height of compressed concrete above the inclined crack xB in the effective section 1-1 (going through the end of the nonplanar crack), deflections and angles of deflection, values of nonplanar cracks projections onto the horizontal were also determined. As a result, the obtained experimental data allow to verify the accuracy of the analytical model of resistance of fiber reinforced concrete structures to combined bending and torsion, and will be useful for the accumulation of new experimental information on the stress-strain state of reinforced concrete structures under combined loading. Conclusion Experimental investigation of beams from high-strength fiber reinforced concrete with circular cross-section produced new data on the stress-strain state parameters of such structures under combined bending and torsion. They include the values of generalized cracking load and failure load, concrete deformation in the region of the reference section, structure deflections and angles of deflection, nonplanar crack patterns and the distance between cracks at different loading stages, crack widths on the level of principal reinforcement axis and at a double diameter distance from this axis, and also along the entire crack profile at different loading stages, coordinates of nonplanar crack formation at the considered stress state. It is established that for beams from high-strength fiber reinforced concrete with circular cross-section during cracking several discrete cracks propagate, from which one stands out with increasing load and which then governs the failure. At the stages close to failure this crack becomes predominant over the other and has the maximum width. It was also established that the relative cracking load in fiber reinforced concrete structures is high and it comprised 0.55-0.64 from the failure load for the tested structures. The obtained and previously undetermined experimental parameters on the stress-strain state of fiber reinforced concrete structures are relevant for the analysis and verification of the developing analytical model, evaluation of resistance of such structures under combined bending and torsional moments.

×

Об авторах

Владимир Ильич Травуш

Российская академия архитектуры и строительных наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: vlik52@mail.ru
SPIN-код: 6462-2331

вице-президент, доктор технических наук, профессор

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

Николай Иванович Карпенко

Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН

Email: vlik52@mail.ru
SPIN-код: 3027-2197

заведующий лабораторией «Проблемы прочности и качества в строительстве», доктор технических наук, профессор

Российская Федерация, 127238, Москва, Локомотивный пр-д, 21

Владимир Иванович Колчунов

Юго-Западный государственный университет

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

профессор кафедры уникальных зданий и сооружений, 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: vlik52@mail.ru

заведующий лабораторией, доктор технических наук

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

Алексей Иванович Демьянов

Юго-Западный государственный университет

Email: vlik52@mail.ru
SPIN-код: 1447-1505

доцент кафедры уникальных зданий и сооружений, кандидат технических наук, доцент

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

Сергей Александрович Булкин

ЗАО «Горпроект»

Email: vlik52@mail.ru

главный специалист-конструктор

Российская Федерация, 105064, Москва, Нижний Сусальный пер., д. 5, стр. 5А

Виолетта Сергеевна Московцева

Юго-Западный государственный университет

Email: vlik52@mail.ru

инженер кафедры уникальных зданий и сооружений

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

Список литературы

  1. Травуш В.И., Колчунов В.И., Клюева Н.В. Некоторые направления развития теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. С. 4–11.
  2. Назаров Ю.П., Городецкий А.С., Симбиркин В.Н. К проблеме обеспечения живучести строительных конструкций при аварийных воздействиях // Строительная механика и расчет сооружений. 2009. № 4. С. 5–9.
  3. Кодыш Э.Н. Проектирование защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения с учетом возникновения особого предельного состояния // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 10. С. 95–101.
  4. Травуш В.И., Шапиро Г.И., Колчунов В.И., Леонтьев Е.В., Федорова Н.В. Проектирование защиты крупнопанельных зданий от прогрессирующего обрушения // Жилищное строительство. 2019. № 3. С. 40–46.
  5. Бондаренко В.М., Колчунов В.И. Концепция и направления развития теории конструктивной безопасности зданий и сооружений при силовых и средовых воздействиях // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 2. С. 28–31.
  6. Shan S. et al. Experimental study on the progressive collapse performance of RC frames with infill walls // Eng. Struct. 2016. Vol. 111. Pp. 80–92.
  7. Jariwalaa V.H., Patel P.V., Purohit S.P. Strengthening of RC beams subjected to combined torsion and bending with GFRP composites // Procedia Engineering. 2013. Vol. 51. Pp. 282–289.
  8. Голышев А.Б., Колчунов В.И. Сопротивление железобетона. К.: Основа, 2009. 432 с.
  9. Бондаренко В.М., Колчунов Вл.И. Расчетные модели силового сопротивления железобетона. М.: АСВ, 2004. 472 с.
  10. Морозов В.И., Бахотский И.В. К расчету фиброжелезобетонных конструкций, подверженных совместному воздействию кручения с изгибом // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. С. 109.
  11. Бахотский И.В. Экспериментальные исследования фиброжелезобетонных конструкций, подверженных совместному воздействию кручения с изгибом // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. С. 99.
  12. Mostofinejad D., Talaeitaba S.B. Nonlinear modeling of RC beams subjected to torsion using the smeared crack model // Procedia Engineering. 2011. No. 14. Pp. 1447–1454.
  13. Hii A.K.Y., Al-Mahaidi R. An experimental and numerical investigation on torsional strengthening of solid and boxsection RC beams using CFRP laminates // Composite Structures. 2006. No. 75 (1). Pp. 213–221.
  14. Ghobarah A., Ghorbel M.N., Chidiak S.E. Upgrading torsional resistance of reinforced concrete beams using fiber-reinforced polymer // Journal of Composites for Construction (ASCE). 2002. No. 6 (4). Рp. 257–263.
  15. Demyanov A., Kolchunov Vl. The dynamic loading in longitudinal and transverse reinforcement at instant emergence of the spatial сrack in reinforced concrete element under the action of a torsion with bending // Journal of Applied Engineering Science. 2017. Vol. 15. Pp. 377–382.
  16. Lin K. et al. Experimental study of a novel multi-hazard resistant prefabricated concrete frame structure // Soil Dyn. Earthq. Eng. 2019. Vol. 119. Pp. 390–407.
  17. Ogawa Y., Kawasaki Y., Okamoto T. Fracture behavior of RC members subjected to bending shear and torsion using acoustic emission method // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 67. Pp. 165–169.
  18. Awadh E.A. Torsion plus bending and shear on reinforced concrete beams // Journal of Engineering and Sustainable Development. 2016. No. 4. Pр. 277–288.
  19. Травуш В.И., Карпенко Н.И., Колчунов Вл.И., Каприелов С.С., Демьянов А.И., Конорев А.В. Основные результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций из высокопрочного бетона В100 круглого и кольцевого сечений при кручении с изгибом // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 1. С. 51–61. http://dx.doi.org/ 10.22363/1815-5235-2019-15-1-51-61
  20. Травуш В.И., Карпенко Н.И., Колчунов Вл.И., Каприелов С.С., Демьянов А.И., Конорев А.В. Результаты экспериментальных исследований конструкций квадратного и коробчатого сечений из высокопрочного бетона при кручении с изгибом // Строительство и реконструкция. 2018. № 6 (80). С. 32–43.
  21. Колчунов Вл.И., Демьянов А.И., Наумов Н.В. Программа и методика экспериментальных исследований составных железобетонных конструкций при кручении с изгибом // Строительство и реконструкция. 2018. № 1 (75). С. 22–30.
  22. Колчунов Вл.И., Сальников А.С. Экспериментальные исследования трещинообразования железобетонные конструкций при кручении с изгибом // Строительство и реконструкция. 2016. № 3 (65). С. 24–32.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Травуш В.И., Карпенко Н.И., Колчунов В.И., Каприелов С.С., Демьянов А.И., Булкин С.А., Московцева В.С., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.