Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Железобетонные конструкции с зонным армированием из стальной фибры 12
1.1. Обзор теоретических исследований по расчету железобетонных конструкций с зонным армированием из стальной фибры 17
1.2. Обзор экспериментальных исследований железобетонных конструкций с зонным армированием из стальной фибры 33
1.3. Выводы по первой главе 43
Глава 2. Методы расчета сжато-изогнутых железобетонных конструкций с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении 44
2.1. Предпосылки расчета 44
2.1.1. Предельные состояния, предъявляемые к железобетонным конструкциям, подверженным действию кратковременных динамических нагрузок, и способы их нормирования 44
2.1.2. Прочностные и деформативные характеристики бетона при кратковременном динамическом нагружении 51
2.1.3. Прочностные и деформативные характеристики арматуры при кратковременном динамическом нагружении 56
2.1.4. Прочностные и деформативные характеристики стале фибробетона при кратковременном динамическом нагружении 61
2.2. Динамический расчет сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры аналитическим методом и при помощи электронно-вычислительных комплексов методом конечных элементов 70
2.2.1. Динамический расчет сжато-изогнутых сталефиброжеле-зобетонных элементов аналитическим методом 70
2.2.2. Расчет сжато-изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов методом конечных элементов при помощи электронно-вычислительных комплексов 76
2.3. Расчет прочности сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении, реализующий нелинейную деформационную модель 85
2.4. Инженерный метод расчета прочности нормальных сечений сжато - изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов при помощи областей относительного сопротивления при кратковременном динамическом нагружении 100
2.5. Выводы по второй главе 107
Глава 3. Экспериментальные исследования сжато-изогнутых железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении 108
3.1. Цель экспериментальных исследований 108
3.2. Программа экспериментальных исследований и характеристика опытных образцов 108
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований 113
3.4. Результаты экспериментальных исследований 125
3.4.1. Прочностные и деформативные характеристики бетона, арматуры и сталефибробетона, полученные при испытании контрольных образцов 125
3.4.2. Анализ схем разрушения и трещинообразования экспериментальных балок 130
3.4.3. Анализ изменения динамической нагрузки и опорных реакций 133
3.4.4. Анализ изменения перемещений и ускорений балок во времени 135
3.4.5. Анализ изменения деформаций бетона, арматуры и сталефибробетона во времени 138
3.4.6. Вычисление и анализ энергоемкости экспериментальных образцов 141
3.5. Выводы по третьей главе 143
Глава 4. Сопоставление результатов расчета и экспериментальных данных и численные исследования сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении 144
4.1. Расчет прочности нормальных сечений сталефиброжелезобе-тонных балок при кратковременном динамическом нагружении и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными 144
4.2. Численные исследования влияния параметров зонного стале-фибрового армирования на прочность сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении 154
4.3. Выводы по четвертой главе 161
Заключение 162
Список используемой литературы 164
Приложение 183
- Обзор теоретических исследований по расчету железобетонных конструкций с зонным армированием из стальной фибры
- Прочностные и деформативные характеристики стале фибробетона при кратковременном динамическом нагружении
- Прочностные и деформативные характеристики бетона, арматуры и сталефибробетона, полученные при испытании контрольных образцов
- Численные исследования влияния параметров зонного стале-фибрового армирования на прочность сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении
Введение к работе
Актуальность темы: В последние годы все чаще возникает необходимость проектирования железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию интенсивных кратковременных динамических нагрузок. Опасность действия на сооружения ударных волн возрастает вследствие взрывов обычных взрывчатых веществ при их хранении, транспортировке и т.д. Возникающие при этом специфические нагрузки часто вызывают значительные повреждения конструкций, и даже их полное или частичное разрушение, которое может привести к травмам и гибели людей. В связи с этим, при проектировании и расчете несущих железобетонных конструкций, учет возможности воздействия на них кратковременных динамических нагрузок в настоящее время является актуальным.
На современном этапе развития строительства достигнуть повышения надежности и экономичности возводимых зданий и сооружений возможно как применением более эффективных материалов, так и опираясь на новые методы расчета, более полно учитывающие поведение конструкций под нагрузкой, а также напряженно-деформированное состояние материалов конструкции.
Одним из новых и перспективных строительных материалов является сталефибробетон, повышенные прочностные и деформативные свойства которого были исследованы и проанализированы различными, как российскими, так и зарубежными учеными. В России и за рубежом элементы и конструкции с применением сталефибробетона получили широкое применение в различных областях строительства.
Большинство имеющихся на сегодняшний день теоретических и экспериментальных исследований работы железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры проводились для статически нагруженных конструкций, в литературе практически отсутствуют данные об исследованиях сталефиброжелезобетонных элементов при воздействии на них кратковременной динамической нагрузки. Заложенный в СП 52-104-2006 «Стале-фибробетонные конструкции» метод расчета сталефиброжелезобетонных элементов по двум группам предельных состояний также ограничивается расчетами статически нагруженных элементов.
Анализ литературных источников показал, что на сегодняшний день не существует современного метода, обладающего единым методологическим подходом при описании поведения сжато - изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры, как в растянутой, так и в сжатой зонах с различным уровнем продольной сжимающей силы при кратковременном динамическом нагружении.
Таким образом, совершенствование метода расчета сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием, как в сжатой, так и в растянутой зонах при кратковременном динамическом нагружении является
актуальным и имеющим важное практическое значение при проектировании экономичных и надежных железобетонных конструкций.
Объект исследования: сжато-изогнутые железобетонные элементы прямоугольного сечения с зонным армированием из стальной фибры в сжатой, либо в растянутой зоне сечения.
Предмет исследования: влияние величины и расположения зонного армирования из стальной фибры на прочность и деформативность изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении.
Цель работы: Разработка, экспериментальная проверка и реализация метода расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры в сжатой или растянутой зонах при кратковременном динамическом нагружении с учетом нелинейной работы материалов.
Задачи исследований:
- на основе обзора, систематизации и анализа существующих теоретиче
ских и экспериментальных исследований сформулировать предпосылки, пре
дельные состояния и способы их нормирования для расчета сжато-изогнутых
железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при
кратковременном динамическом нагружении;
разработать метод расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении на основе деформационной модели с использованием реальных диаграмм деформирования бетона, сталефибробетона и арматуры;
провести экспериментальные исследования железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом изгибе и изгибе со сжатием, при различном уровне продольной сжимающей силы;
провести сопоставление результатов расчета по разработанному методу с результатами экспериментальных исследований, выявить влияние зонного армирования из стальной фибры на прочность и деформативность железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении.
Методология работы: Теоретические исследования выполнены на основе использования фундаментальных положений теории железобетона и композиционных материалов. Физический эксперимент выполнялся с использованием современного измерительно-вычислительного оборудования в лаборатории железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета, что обеспечило необходимую достоверность полученных результатов.
Научная новизна работы заключается в получении новых данных о прочности и деформативности сжато-изогнутых железобетонных элементов с
зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении, а именно:
в аналитическом виде получено решение задач по описанию нелинейной диаграммы деформирования сталефибробетона при сжатии и растяжении, расчету прочности и оценки несущей способности сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении;
установлено, что применение зонного армирования из стальной фибры в растянутой или сжатой зонах, величиной 0,2 и 0,3 от высоты сечения для сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении повышает их несущую способность на 18 и 22 %, энергоемкость на 6 и 10 % соответственно при армировании растянутой зоны сечения сталефибробетоном, и увеличивает несущую способность на 27 и 33 %, энергоемкость на 14 и 20 % соответственно при армировании сжатой зоны;
- получены новые экспериментальные данные о напряженно-
деформированном состоянии, прочности и деформативности сжато-
изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов при кратковременном ди
намическом нагружении, установлено влияние размеров и расположения
зонного армирования из стальной фибры в сечении и величины продольной
сжимающей силы на прочность и деформативность железобетонных элемен
тов.
Практическая значимость работы заключается в разработке метода и программы расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении, позволяющего упростить решение задач проектирования и обеспечить расчетным путем их несущую способность при эксплуатации. Разработаны оригинальные стенды, устройства и установка для экспериментальных исследований сжато-изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении, новизна которых подтверждена четырьмя патентами РФ.
Достоверность результатов работы: Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием основных положений теории железобетона, расчетными предпосылками, основанными на анализе обширных теоретических и экспериментальных данных о работе материалов и конструкций с зонным армированием из сталефибробетона; методологически обоснованным комплексом экспериментальных исследований, с применением сертифицированных лабораторных приборов и установок, применением современных средств регистрации деформаций бетона, сталефибробетона и арматуры, достаточной воспроизводимостью экспериментальных величин; необходимая для практического использования точность разработанного метода расчета подтверждена удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.
Реализация результатов диссертационной работы: Разработанный метод и программа расчета используются в 26 ЦНИИ МО РФ при расчете сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении; результаты диссертационных исследований используются в Томском государственном архитектурно-строительном университете в учебном процессе при подготовке бакалавров, магистров и дипломников.
Личный вклад диссертанта:
разработан метод, алгоритм и программа расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении на основе деформационной модели с учетом реальных диаграмм деформирования материалов;
разработан инженерный метод расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении;
получены новые опытные данные, характеризующие процесс сопротивления сжато-изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении, выявлено влияние зонного армирования из стальной фибры на прочность и деформативность железобетонных элементов с различным уровнем продольной сжимающей силы;
проведены численные исследования влияния параметров зонного ста-лефибрового армирования на прочность сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении.
На защиту выносятся:
метод расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении на основе деформационной модели с учетом реальных диаграмм деформирования материалов;
результаты численных расчетов прочности нормальных сечений сжато-изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов с учетом влияния геометрических и прочностных характеристик стальной фибры и величины зонного сталефибрового армирования в сжатой или растянутой зонах при кратковременном динамическом нагружении;
инженерный метод расчета прочности сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении на основе областей относительного сопротивления;
методика и результаты экспериментальных исследований изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: на научных семинарах кафедры железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета (2004-2009 гг.); на десятой научно-технической конференции Общества железобетонщиков Сибири и Урала (Новосибирск, 23-25 ноября 2004 г., НГАСУ); на V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (г. Томск, 2007 г. ТПУ), на VI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, ТПУ, 26-29 мая 2009 г). В полном объеме работа доложена и одобрена на межкафедральном семинаре ТГАСУ (5 ноября 2009 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано тринадцать печатных работ, в том числе четыре патента РФ на полезную модель и две статьи без соавторов, одна из которых опубликована в журнале «Вестник ТГАСУ», входящем в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Объем и структура диссертации. Диссертация объемом 185 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 160 наименований, трех таблиц, 83 рисунков, одного приложения.
Обзор теоретических исследований по расчету железобетонных конструкций с зонным армированием из стальной фибры
Исследования механических свойств сталефибробетоиа и разработка теорий расчета железобетонных элементов с дисперсным армированием получили свое развитие с шестидесятых годов двадцатого века.
Отдавая дань научному приоритету в применении сталефибробетоиа, отметим работы В.П. Некрасова, проведенные им в России в начале XX столетия [77].
Началом нового этапа теоретических исследований фибробетона после работ В.П. Некрасова можно считать появление в 1963 г. первых статей Ромуальди и Батсона [155]. Основываясь на теории Гриффитса и изучив влияние расстояния между непрерывными параллельно армирующими волокнами на величину концентрации напряжений на границе трещин, они пришли к выводу, что напряжение трещинообразования при растяжении прямо пропорционально обратной величине квадратного корня из среднего расстояния между волокнами a.f.
Позднее авторы работы [156] Ромуальди и Мандель получили подобный результат для коротких, произвольно ориентированных и равномерно распределённых фибр, полагая, что сдвигающие усилия по контактной поверхности фибр с бетоном отсутствуют до возникновения первой трещины.
Выполненные в последние десятилетия исследования сталефибробето-на посвящены изучению его прочностных и деформативных свойств, трещи-ностойкости и стойкости к агрессивным средам. Можно выделить несколько направлений в изучении структуры сталефибробетона:
- сцепление арматуры с бетоном в зависимости от насыщения его фибрами [45, 66];
- обжатие фибры в сталефибробетоне в процессе твердения, микротвердость бетона в зоне контакта «арматура - бетон» [66];
- структурные характеристики сталефибробетона: плотность, объемная масса, пористость [44];
- расположение армирующих волокон, их ориентация в пространстве в зависимости от размеров и технологии уплотнения изготовляемой конструкции [9, 11, 130];
- соотношение между параметрами фибрового армирования и параметрами неоднородностей и дефектов бетонной матрицы, подбор оптимального состава сталефибробетонной смеси [79, 101].
Анализ перечисленных исследований позволяет сделать следующие выводы:
- степень насыщения бетона фибрами не оказывает влияния на величину сцепления [66], но в то же время сила сцепления тем больше, чем больше длина анкеровки фибры в бетоне и степень шероховатости ее поверхности [44, 79];
- после потери фибрами сцепления с бетоном возможно их дальнейшее нагружение, которое способно привести либо к обрыву, либо к выдергиванию фибры из бетона [53];
- введение фибровой арматуры изменяет свойства бетона в зонах, прилегающих к арматуре, повышая микротвердость цементного камня при наборе им прочности [66]. В случае хаотичного армирования с высоким содержанием фибры удельный вес этих зон становится значительным и оказывает существенное положительное влияние на прочностные свойства сталефибро-бетона [66, 99];
- процесс диспергирования арматуры в бетоне должен быть упорядоченным, а параметры, характеризующие уровень дисперсности, соизмеримы с дефектами (трещинами и порами) и неоднородностями (размерами заполнителя) структуры бетона [99];
- введение фибровой арматуры снижает суммарную проницаемость бетона вследствие уменьшения диаметра средних и максимальных пор в стале-фибробетоне, что объясняет лучшую сопротивляемость его агрессивным средам.
Механические свойства сталефибробетона изучались, как правило, в зависимости от структурных параметров фибрового армирования по следующим направлениям: прочность [55, 63, 111], деформативные свойства [10, 15, 63, 118], трещинообразование и раскрытие трещин [15, 79, 129], стойкость к агрессивным средам [31].
По результатам анализа исследований механических свойств сталефибробетона можно сделать следующие выводы:
- с ростом длины фибры и ее количества в объеме бетона, имеет местоувеличение прочности сталефибробетона при сжатии в 1,5 раза [66] и более [118]; при растяжении в 1,5-2,5 раза и более [66]; при изгибе в 3-6 раз [66]; - для сталефибробетона на основе мелкозернистого бетона с уменьшением диаметра фибр повышается прочность композита [63];
- фибровое армированием повышает сопротивляемость бетона при многократном [63] и длительном загружении [118, 140];
- с повышением коэффициента фибрового армирования наблюдается улучшение деформативных свойств бетона, сталефибробетон деформируется нелинейно, а характер диаграмм деформирования свидетельствует о его раз-носопротивляемости растяжению и сжатию [10];
- на сопротивляемость трещинообразованию и раскрытию трещин положительное влияние оказывают следующие факторы: уменьшение диаметра фибровой арматуры [129]; увеличение степени дисперсности армирования [48]; повышение содержания фибры в бетоне [136]; уменьшение крупности заполнителя в бетоне, приводящее к уменьшению размера критической трещины [101]; увеличение относительной длины фибровой арматуры [75];
- отмечается сдерживающее влияние фибры на образование видимых трещин в бетоне при растяжении, которое наблюдается при нагрузках 0,7-0,9 от прочности бетона на сжатие [63, 75, 129, 136];
- фибры замедляют процесс раскрытия трещин по сравнению с обычным железобетоном с тем же процентом армирования в 6-20 раз в зависимости от параметров фибрового армирования и уровня загружения как при кратковременном [79], так и при многократно повторяющемся загружении [128].
Разработкой методов расчета железобетонных конструкций с применением армирования из стальной фибры по первой и второй группе предельных состояний занимались такие ученые, как Л.Г. Курбатов, Ф.Н. Рабинович, В.П. Вылегжанин, В.И. Григорьев, Л.Л. Лемыш, В.П. Романов, Д.С. Аболи-ныш, Ф.Ц. Янкелович, О.В. Коротышевский и другие. Большинство из этих исследований посвящены изучению свойств сталефибробетона и формулировке методов расчета прочности и трещиностойкости сталефиброжелезобе-тонных элементов при статическом нагружении, а также разработке моделей дисперсно - армированных бетонов и моделей деформирования фибробето-нов. Исследования сталефибробєтона при кратковременном динамическом нагружении ограничиваются в основном экспериментальными данными.
В работе [159] установлено, что величины af (длина фибры) и /jf (коэффициент фибрового армирования) влияют на изгибную прочность фибро-бетона. Автор работы [154] Кобаяши, используя полученное выражение для а{, предложил формулу для определения прочности фибробетона при растяжении, зависящей от прочности бетонной матрицы, прочности связи фибр с матрицей и расстояния между фибрами.
Авторы работы [153] Кар и Пал, предполагая, что напряжения сцепления по контактной поверхности фибр с бетоном изменяются линейно от максимального значения на поверхности трещины, до нуля в сечении с координатой к- df, ввели понятие эффективного расстояния между фибрами и предложили формулу для его определения.
Используя полученную формулу и результаты испытаний фиброарми-рованных образцов, они показали, что зависимость между прочностью фибробетона при изгибе и эффективном расстоянии имеет вид: v = 3,914—т2 при аГе 25,4 мм
Прочностные и деформативные характеристики стале фибробетона при кратковременном динамическом нагружении
Дисперсное армирование бетона стальными фибрами (создание сталефибробетона), повышая физико-механические характеристики бетонных материалов, в частности, вязкость разрушения, морозостойкость, коррозионную стойкость, динамическую прочность, трещиностойкость и т.п, обеспечивает более высокие технико-экономические характеристики элементов конструкции, по сравнению с железобетонными [29, 31, 40, 66, 78, 96, 119, 129], сокращая расход материалов и снижая затраты в строительстве. Композиционные материалы, в их числе сталефибробетон, обладают, так называемым «синергетическим» эффектом изменения свойств, то есть свойства таких материалов носят «взрывной» характер. При этом свойства сталефибробетона напрямую зависят от структуры материала, формируемой на всех этапах создания конструкции. При насыщении бетонов стальными волокнами в зависимости от параметров фибрового армирования (объемного содержания фибр, соотношения между параметрами фибровой арматуры, параметрами структуры бетонной матрицы и геометрии сечения, уровня дисперсности армирования) формируются свойства материала. Свойства сталефибробетона также зависят от условий приготовления сталефибробетонной смеси, технологии получения фибровой арматуры, способа формования изделий.
Механизм повышения свойств сталефибробетона (рис. 2.1.4.1), помимо прочего, состоит в том, что при загружении элементов конструкции, металлическая фибра, произвольно ориентированная в сечении элемента, перераспределяет градиенты напряжений, тем самым, сглаживая и снижая их концентрацию.
В случае же появления в структуре сталефибробетона микродефекта, обусловленного структурой бетона, его развитие предотвращается или замедляется фибрами, дисперсно-расположенными в сечении. Фибры как бы «пришивают» дефекты, ограничивая рост последних до определенного уровня напряжений.
В работе [96] Рабиновичем Ф.Н. предложены стадии работы фибры в бетоне в процессе нагружения растянутого сталефиброжелезобетонного элемента:
Эксплуатационная стадия, когда 07 Rf. При условии достаточной ан-керовки фибры в бетоне при осевом растяжении элемента или его волокна (при изгибе) деформируются вместе с ним и получают перемещение Af в направлении действия силы, а в сечении с трещиной - перемещение равно ширине раскрытия трещины независимо от наклона фибр. В частности, рассматриваются два варианта: в первом (упругая стадия) принимаем указанную длину 1 /2 , во второй (стадия работы элемента с трещиной) - равной длине (зоне) активного сцепления:
Упругая стадия. Сдвигов между фибрами и бетоном нет. Концы фибр, центры которых находятся в точке пересечения фибр, но имеющих разные наклоны, расположены в различных сечениях и их предельные перемещения неодинаковы.
Стадия работы элемента с трещиной. Удлинение фибр в трещине относится к длине активного сцепления (условие 2.1.4.1). Удлинение і-й фибры в трещине равно: Ац= Acrccosai. Средняя величина относительной деформации і-й фибры: соответственно средняя величина напряжений в фибре в зоне активного сцепления будет равна: Щ = ЩЕ{ = fcrcC ai Ef . (2.1.4.3)
Стадия предельного равновесия, когда 7f = Rf . Напряжения в фибрах, соответствующие условному или действительному пределу их текучести, будут достигнуты не одновременно, а в зависимости от ориентации последних относительно направления силы Р. Деформации материала (продольные перемещения А) в стадии, близкой к разрушению, растут, однако напряжения в фибрах, достигнув Rf, если исходить из диаграммы Прандтля для диаграммы «а — ef», становятся независимыми от этих деформаций (перемещений). В этой ситуации (весьма условной, т.к. в действительности фибры работают в области самоупрочнения) фибры с разным наклоном по отношению к направлению силы Р работают с различными уровнями пластических деформаций при постоянном расчетном уровне напряжений ay = Rf. При этом диапазон деформаций фибр на принятой диаграмме щ — f» изменяется в преде-лах г{у fl fu, где {у = . Таким образом, в стадии предельного равновесия величину напряжений во всех надежно заанкеренных фибрах принимают условно равными R{ независимо от их ориентации. При этом нетрудно убедиться, что уровень вклада в работу таких фибр становится функцией COSCCi.
На основе данной теории предлагается модель пересечения фибр расчетной плоскостью, представленная на рис. 2.1.4.2. На основе данной модели предложены основные аналитические зависимости для определения расчетного сопротивления сталефибробетона растяжению при кратковременном динамическом нагружении. При статическом нагружении зависимости для определения расчетных сопротивлений сталефибробетона растяжению и сжатию представлены в [125].
В частности, при определении расчетного сопротивления сталефибро-бетона растяжению - Rfbt.a различают 2 случая:
- первый случай: сопротивление растяжению сталефибробетона исчерпывается из-за обрыва некоторого количества фибр и выдергивания остальных, что определяется условием: где If - длина фибры; ап- длина заделки фибры в бетоне, обеспечивающая ее разрыв при выдергивании и определяемая: t т ы (2145) здесь r\{ - коэффициент, учитывающий анкеровку фибры; df recj = ІДЗд/S - приведенный диаметр используемой фибры; Sf - площадь номинального поперечного сечения фибры, определяемая по ее номинальным размерам, принимаемым по соответствующим ТУ.
Динамическая прочность сталефибробетона при сжатии и растяжении в среднем на 20...35 % выше прочности исходного бетона по данным исследований отдельных авторов, таких как Талантова К.В., Рабинович Ф.Н., Курбатов Л.Г., Григорьев В.И. и др. Она возрастает с увеличением объемного.содержания фибр и уменьшением их относительной длины.
Ударная прочность сталефибробетона обеспечивается более равномерным, чем в бетоне и железобетоне перераспределением энергии ударных воздействий, что объясняется особенностями структуры этого материала. Мера сопротивления сталефибробетона удару - число ударов, необходимых для появления первой трещины и полного разрушения образца. По литературным данным предел выносливости сталефибробетонных конструкций выше железобетонных на 30 % и составляет 0,95 Rtm. После микроразрушений развитие трещин и разрушение в сталефибробетоне наступает медленнее, чем в железобетоне, более чем в 10 раз. Причем вязкость разрушения, характерная для сталефибробетона при воздействии ударной нагрузки, до 40 раз выше аналогичной характеристики бетона.
Прочностные и деформативные характеристики бетона, арматуры и сталефибробетона, полученные при испытании контрольных образцов
Для получения прочностных и деформативных характеристик бетона, арматуры и сталефибробетона был проведен ряд стандартных испытаний. Для каждой серии образцов были испытаны четыре бетонные и четыре ста-лефибробетонные призмы, размерами 100 100 400 мм, по четыре бетонных и сталефибробетонных куба, размерами 100 100 100 мм. Кроме того, в сериях балок, где фибробетон применялся в растянутой зоне, были изготовлены фибробетонные плашки, размером 60 100 400 мм, испытанные при растяжении. Также были произведены испытания на растяжение стержней стальной арматуры класса А-400с.
Кубиковая и призменная прочность бетона и сталефибробетона определялась по ГОСТ 10180-90 [25] непосредственно перед испытанием каждой серии балок.
Испытание стандартных кубиков и призм на сжатие проводилось на гидравлическом прессе, удовлетворяющем требованиям ГОСТ 8905-73 [26] . Общий вид испытания призм представлен на рис. 3.4.1.1 а, кубиков - на рис. 3.4.1.1 б. В ходе испытания отслеживалась разрушающая сжимающая нагрузка при помощи манометра пресса.
На каждую призму наклеивалось по четыре тензорезистора базой 50 мм типа ПКБ - 50 для измерения продольных деформаций и один тензорезистор для измерения поперечных деформаций, а также устанавливалась тензомет-рическая линейка для фиксации деформаций бетона (сталефибробетона) после выхода из строя тензорезисторов, наклеенных на поверхность призмы.
Также на призму сверху устанавливался силомер для определения нагрузки, действующей на образец с течением времени. Данные с тензорезисторов, линейки и силомера записывались при помощи измерительной системы МІС-400.
Для определения прочностных и деформативных характеристик фиб-робетона при растяжении производилось испытания сталефибробетонных плашек, размером 60 100 400 мм. Испытание фибробетонных плашек и арматурных стержней класса А-400С на растяжение производилось на разрывной машине по ГОСТ 12004-85 [27].
На каждый испытанный арматурный стержень наклеивалось по два тензорезистора базой 10 мм. Предварительно на арматурном стержне при помощи напильника были подготовлены площадки для наклейки датчиков. При помощи тензорезисторов определялись продольные деформации арматурного стержня. Так как при достижении сталью предела текучести тензоре-зисторы выходили из строя, то для дальнейшего, после обрыва тензорезисторов, исследования деформаций арматуры, на каждый стержень устанавливалась специально сконструированная металлическая линейка с наклеенными на нее тензорезисторами. Все тензорезисторы подключались к измерительной системе MIC-400. Нагрузка подавалась ступенчато, с выдержкой после каждого этапа, полученные результаты при этом дублировались при помощи графопостроителя, встроенного в разрывную машину. Кроме того, на арматурном стержне непосредственно перед испытанием размечалась база 200 мм с нанесенными в пределах базы рисками через каждые 2 мм для дальнейшего определения относительного удлинения стержня.
На фибробетонные плашки наклеивалось по четыре тензорезистора для измерения продольных деформаций фибробетона при растяжении, а также устанавливалась металлическая линейка для фиксации деформаций после выхода из строя тензорезисторов.
Общий вид испытания арматурных стержней представлен на рис. 3.4.1.2 а, фибробетонных плашек - на рис. 3.4.1.2 б.
Схемы разрушения контрольных образцов представлены на рис. 3.4.1.3. В результате проведенных испытаний контрольных образцов построены характерные зависимости «а-є» для бетона при сжатии (рис. 3.4.1.4), фибробетона при сжатии (рис. 3.4.1.5), фибробетона при растяжении (рис. 3.4.1.6), арматуры при растяжении (рис. 3.4.1.7).
На основании полученных результатов при испытаниях контрольных образцов материалов, было установлено, что бетон соответствует классу В25 (Rbn = 18.5 МПа, Rbtn = 1.6 МПа, Rb = 14.5 МПа, Rbt = 1.05 МПа, ЕЬ = 30000 МПа), арматура - классу А400 (Rsn = 400 МПа, Rs = 355 МПа, Rsc = 355 МПа, Es = 200000 МПа), средняя прочность фибробетона на сжатие составила Rib = 24.5...27.8 МПа, средняя прочность фибробетона на растяжение равна Rfbt = 2.8.. .3.7 МПа.
Численные исследования влияния параметров зонного стале-фибрового армирования на прочность сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении
В данном разделе приведены результаты численного исследования влияния диаметра растянутой арматуры, класса растянутой и сжатой арматуры, коэффициента сталефибрового армирования, отношения длины стальной фибры к толщине фибры и величины зонного армирования из стальной фибры, как в растянутой, так и в сжатой зонах на несущую способность сжато-изогнутого железобетонного элемента при кратковременном динамическом нагружении. При этом геометрические размеры и класс бетона элемента соответствуют данным параметрам экспериментальных образцов (см. главу 3).
На рис. 4.2.1. приведен график изменения несущей способности стале-фиброжелезобетонного элемента сечением 100x200 мм, с классом бетона В25 в зависимости от диаметра растянутой арматуры класса А-400с, при разной высоте зонного армирования из стальной фибры в сжатой и растянутой зонах сечения, при постоянной сжатой арматуре из 206 A-I.
На рис. 4.2.2. представлены графики несущей способности того же элемента при варьировании классом растянутой арматуры (2012), при разной высоте зонного армирования из стальной фибры в сжатой и растянутой зонах сечения, при постоянной сжатой арматуре из 206 A-I.
Анализ влияния диаметра и класса растянутой арматуры на прочность сталефиброжелезобетонных элементов, показал, что при увеличении диаметра растянутой арматуры с 010 до 016 происходит увеличении несущей способности сталефиброжелезобетонных элементов в среднем на 75...80 %. При изменении класса растянутой арматуры с А-240 до А-400 происходит увеличение несущей способности сталефиброжелезобетонного элемента в среднем на 4...6 %.
На рис. 4.2.3. показаны графики несущей способности сталефиброжелезобетонного элемента при варьировании диаметром сжатой арматуры класса A-I, при разной высоте зонного армирования из стальной фибры в сжатой и растянутой зоны сечения, при постоянной растянутой арматуре из 2012 А-400С.
Таким образом, с изменением диаметра сжатой арматуры наблюдается повышение несущей способности сталефиброжелезобетонного элемента в среднем на 8...9 %.
На рис. 4.2.4. представлены графики несущей способности сталефиброжелезобетонного элемента при варьировании коэффициентом фибрового армирования (jif), при разной высоте зонного армирования из стальной фибры в сжатой и растянутой зонах сечения, при постоянном армировании элемента в растянутой зоне сечения 2012 А-400с, сжатая арматура из 206 A-I.
Из рис. 4.2.4. видно, что при увеличении коэффициента фибрового армирования с 1 % до 4 % происходит повышение несущей способности стале-фиброжелезобетонного элемента в среднем на 13...27 %.
На рис. 4.2.5. представлены графики несущей способности сталефиб-рожелезобетонного элемента при варьировании отношения длины стальной фибры к ее толщине (lf/df), при разной высоте зонного армирования из стальной фибры в сжатой и растянутой зоны сечения, при постоянном армировании элемента в растянутой зоне сечения 2012 А-400с, сжатая арматура из 206 A-I.
Увеличение отношения длины стальной фибры к ее диаметру с lf/df = 25 до lf/df = 150 дает повышение несущей способности сталефиброжелезобе-тонного элемента в среднем на 13...36 %.
На рис. 4.2.6. представлены графики несущей способности железобетонного элемента при варьировании высотой сталефибрового армирования в растянутой (Д/ЙС) и сжатой зонах сечения (Д/Й) ПРИ постоянных прочностных и геометрических характеристиках стальной фибры и при постоянном армировании элемента в растянутой зоне сечения 2012 А-400с, сжатая арматура из 206 A-I.
Анализ графиков на рис. 4.2.6. позволяет сделать вывод, что увеличение толщины зонного армирования из стальной фибры в растянутой зоне железобетонного элемента до величины 0,5h повышает его несущую способность при изгибе на 36 %, а при изгибе с обжатием происходит повышение прочности на 28%. При увеличение толщины зонного армирования из стальной фибры в сжатой зоне железобетонного элемента до величины 0,5 h повышается несущая способность железобетонного элемента на 18...21 % при изгибе, и на 25...33 % при изгибе с обжатием.
