На правах рукописи

КУРГИН Константин Васильевич

КЕРАМЗИТОФИБРОЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОЛОННЫ

СО СМЕШАННЫМ АРМИРОВАНИЕМ

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2013 2

Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет» (РГСУ)

Научный руководитель: Маилян Дмитрий Рафаэлович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Байрамуков Салис Хамидович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Экспертиза и управление недвижимостью» Северо-Кавказской государственной гуманитарно-технологической академии Корниенко Николай Алексеевич кандидат технических наук, доцент кафедры «Начертательной геометрии» Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС)

Ведущая организация: ООО «Севкавнипиагропром»

Защита состоится «7» декабря 2013г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 1125, тел/факс (863) 201-90-31; e-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «6» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доц. А.В. Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В строительной индустрии в настоящее время активно применяются различные виды неметаллической фибры, одним из них являются фибры из базальтовых волокон. Первые исследования в этом направлении были выполнены в нашей стране, при этом необходимость их была обусловлена обширными запасами, дешевизной сырья и относительно несложной технологией получения базальтовых волокон.

Исследования отечественных ученых показали, что прочность фибробетонов на основе базальтовых волокон на сжатие превышала прочность неармированных образцов на 30 40%, а в случае осевого растяжения прочность увеличивается в 3,4 4 раза, предельная сжимаемость вырастает на 30 45%, а предельная растяжимость - в 2 раза. Деформации ползучести при сжатии снижаются на 25 40%, а при растяжении уменьшаются в 3 4 раза. С увеличением количества базальтовых волокон величина модуля упругости композита снижается на 5 15% в сравнении с обыкновенным мелкозернистым бетоном.

При уровне нагрузки 0,8 0,9 Rb величина коэффициента упругости b изменяется в пределах 0,94 0,91,превышая значение, принятое в нормах в 2 раза.

Наиболее оптимальным является процент фибрового армирования f=10%. Вместе с тем, несмотря на высокую эффективность бетонов с базальтовым волокном, многие вопросы расчета и проектирования таких конструкций остались не исследованы. Так, практически, не изучены несущая способность, трещиностойкость и деформативность фиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием. Не определено влияние немногократно повторных нагружений на работу таких конструкций. Требуют значительной корректировки нормативные положения расчета. Не изучено влияние арматуры класса А на диаграмму деформирования керамзитофибробетона. Необходимо уточнение методов расчета прочности и деформативности керамзитофиброжелезобетонных колонн с учетом трансформированных диаграмм деформирования бетона.

Этим и некоторым другим малоизученным вопросам посвящена представленная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы: исследовать работу внецентренносжатых гибких керамзитофибробетонных колонн со смешанным армированием высокопрочной сталью при однократных и немногократно повторных нагружениях, усовершенствовать нормативные расчеты таких конструкций, а также расчеты с учетом полных трансформированных диаграмм деформирования керамзитофибробетона.

Автор защищает:

- новые экспериментальные данные о несущей способности, деформативности и трещиностойкости керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием; анализ влияния на их работу при однократном и немногократно повторном нагружении коэффициента преднапряжения, гибкости и относительного эксцентриситета внешней силы;

- полученную экспериментальным путем полную с нисходящей ветвью диаграмму "b-b" керамзитофибробетона при сжатии и аналитическую зависимость по описанию этой диаграммы;

- рекомендации по определению максимальных реализованных деформаций сжатия и растяжения керамзитофибробетона от относительного эксцентриситета, гибкости и коэффициента преднапряжения;

- разработанные предложения по усовершенствованию расчета прочности керамзитофиброжелезобетонных элементов, которые позволяют учесть реальное напряженно-деформированное состояние внецентренно сжатых элементов при разрушении и влияние преднапряжения на свойства керамзитофибробетона;

- рекомендации по совершенствованию упрощенной методики определения трещинообразующих усилий с влиянием основных факторов на значение напряжений перед образованием трещин;

- предложения по определению жесткостей и кривизн железобетонных колонн из керамзитофибробетона на всех стадиях работы;

- методики определения напряженного состояния от действий предварительного напряжения и расчета прочности и трещиностойкости керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием с использованием трансформированных диаграмм деформирования материалов;

- разработанную приближенную методику учета реализации нисходящей ветви диаграммы деформирования керамзитофибробетона при расчете прочности и трещиностойкости колонн.

Достоверность научных положений и выводов, касающихся расчета керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием подтверждается научной обоснованностью и статической надежностью при обработке большого количества результатов тщательно проведенных экспериментов.

Научная новизна работы:

- впервые получены экспериментальные данные о работе керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием при однократном и немногократно повторном воздействии с широким варьированием гибкости, относительного эксцентриситета внешней силы и коэффициента армирования;

- установлено влияние на характер разрушения, несущую способность, деформации, кривизны и прогибы, усилия трещинообразования и ширину раскрытия трещин коротких (h=8) и гибких (h=25) керамзитофиброжелезобетонных колонн различных коэффициентов преднапряжения при центральном и внецентренном сжатии;

- разработаны на основе данных эксперимента аналитические зависимости по описанию диаграмм деформирования керамзитофибробетона при сжатии;

- опытным путем установлено влияние на максимальные реализованные деформации керамзитофибробетона при сжатии и растяжении коэффициента преднапряжения и эксцентриситета внешней силы; предложены расчетные рекомендации по определению этих параметров;

- получены усовершенствования расчета керамзитофиброжелезобетонных колонн, которые учитывают реальное напряженно-деформированное состояние при разрушении, влияние преднапряжения и фактические напряжения в арматуре растянутой и сжатой зон;

- получена упрощенная методика определения трещинообразующих усилий при учете влияния основных факторов на значения напряжений перед образованием трещин и даны расчетные рекомендации по усовершенствованию методики определения жесткостей и кривизн керамзитофиброжелезобетонных колонн на всех стадиях работы;

- разработан метод расчета напряженного состояния и метод определения прочности и трещиностойкости керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием, в основу которых положены трансформированные диаграммы деформирования материалов;

- разработана упрощенная методика реализации диаграмм деформирования керамзитофибробетона при расчете колонн по прочности и трещиностойкости.

Практическая ценность работы Разработаны практические рекомендации по расчету и проектированию керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием, которые включают в себя влияние на несущую способность таких конструкций коэффициента преднапряжения, гибкости, эксцентриситета внешней силы, аналитическое описание диаграммы деформирования керамзитофибробетона, методики определения напряженно-деформированного состояния керамзитофиброжелезобетонных конструкций от действия предварительных усилий и внешней нагрузки.

Внедрение разработанных рекомендаций позволяет повысить надежность и эффективность керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием.

Внедрение результатов работы Рекомендации по проектированию керамзитофиброжелезобетонных колонн со смешанным армированием используются в проектной практике в проектных организациях ООО «Севкавнипиагропром», ОАО «Ростовгражданпроект» и др.

Результаты исследований автора внедрены также в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете. Они включены в лекционные курсы по железобетонным конструкциям, в спецкурс, дипломное проектирование и научно-исследовательскую работу студентов.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство-2000», «Строительство-2003», «Строительство-2005», «Строительство-2007», «Строительство-2011» Ростовского государственного строительного университета в 2000...2011 гг.

Публикации. Материалы, изложенные в диссертации были опубликованы в 15 печатных работ, из них 4 в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАКом РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 142 страницах, содержит 10 таблиц, 12 рисунков, библиографический список из 131 наименования.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет под руководством доктора технических наук, профессора Д.Р. Маиляна и кандидата технических наук, профессора П.П. Польского.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводятся результаты исследований керамзитофибробетона на основе грубого базальтового волокна, особенности работы и расчета таких конструкций. Отмечены исследования К.М. Королева, Б.А. Крылова, Д.Р. Маиляна, Ф.Н. Рабиновича, А.В. Шилова. Результаты этих исследований позволяют заключить, что данный материал может быть очень эффективен при использовании его в несущих конструкциях, в частности в колоннах.

Изучению особенностей смешанного армирования железобетонных конструкций посвятили работы В.П. Артемьев, А.А. Гвоздев, Н.Г. Головин, Р.Л. Маилян, Д.Р. Маилян, С.А. Дмитриев. Несмотря на достаточно большое количество экспериментальных данных, следует отметить, что подавляющее большинство из них относится к изгибаемым железобетонным элементам. Таким образом, можно констатировать, что не все вопросы проектирования и расчета железобетонных конструкций на основе керамзитофибробетона в настоящее время решены. Это особенно относится к керамзитофибробетонным сжатым элементам со смешанным армированием.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям особенности работы сжатых керамзитофиброжелезобетонных элементов со смешанным армированием, а также получению необходимых данных об их несущей способности, трещиностойкости и деформативности. Длины колонн приняты 960 мм и 3000 мм, что соответствует гибкостям h=l0/h=8 и h=25.

Относительный эксцентриситет е0/h - 0 и 0,3. Все образцы имели прямоугольное поперечное сечение 250х120(h) мм. Высота сечения была принята меньше ширины с целью предотвратить возможный выгиб элемента из плоскости.

В программу исследования входило изготовление и испытание 12 коротких и 12 длинных керамзитожелезобетонных стоек со смешанным армированием, которые испытывались однократной кратковременной (16 шт.), немногократно повторной (8 шт.) нагрузкой (рис. 1).

Опытные образцы армировались шестью продольными стержнями высокопрочной арматуры класса A800 диаметром 12 мм.

Для оценки и характеристики смешанного армирования использовался коэффициент Kр, определяемый по формуле:

Разрушение образцов из керамзитофибробетона происходило по заполнителю и растворной части. Время разрушения (хрупкость) существенно зависело от e0/h и Kp. Центрально сжатые образцы разрушались хрупко, при этом нисходящая ветвь диаграммы "N - b" практически не проявлялась, несколько пластичнее проходило разрушение элементов с е0/h=0,3. С помощью осциллографической аппаратуры зафиксированное падение внешнего усилия по сравнению с максимальным значением составило до 20-25%, прирост деформации по сравнению с предельными (при N=Nu) достигал 20-30%. Снижение коэффициента Kp также повышало пластичность разрушения образцов.

Гибкие керамзитофиброжелезобетонные колонны при е0/h=0 разрушались от общей потери устойчивости, при е0/h=0,3 – при исчерпании "устойчивой прочности".

При центральном сжатии наибольшая несущая способность оказалась у гибких керамзитофиброжелезобетонных колонн с Kр=0,66. Она превышала аналогичные показатели при Kр=0 и Kр=0,33. При дальнейшем увеличении Kр до 1, наблюдается небольшое падение прочности относительно его наибольшего значения.

Для коротких элементов повышение Kр вызвало снижение несущей способности керамзитофиброжелезобетонных стоек до 6%. Полученные данные вписываются в общую картину по результатам экспериментов других авторов (рис. 2).

При внецентренном сжатии (е0/h=0,3) даже небольшое предварительное обжатие бетона при Kр=0,33 вызвало значительный рост несущей способности керамзитофиброжелезобетонных стоек (рис. 3).

Рис. 2.Влияние уровня предварительного обжатия бетона на относительную несущую 1,2,3,4,5,6- данные РГСУ; 7,8-данные автора для керамзитофибробетона при h=25 и Рис. 3. Влияние уровня предварительного обжатия бетона на несущую способность железобетонных колонн при e0/h=0,3 и h=60(1); 50(2); 40(3); 30(4); 25(5);

20(6); 15(7); 10(8); 25(9); 8(10); 1,2,3,4,5,6,7,8 - данные РГСУ; 9,10 – данные При дальнейшем увеличении Kр наблюдается небольшое повышение прочности. При е0/h=0,3 так же наблюдается рост прочности керамзитофиброжелезобетонных стоек с увеличением Kр. Как видно из рис. 3, предварительное обжатие керамзитофибробетона е0/h=0,3 повышает несущую способность стоек в большой степени, чем колонн из обычного бетона.

Отношение несущей способности гибкой керамзитофиброжелезобетонной колонны (h=25) к соответствующей короткой (h=8) с увеличением коэффициента преднапряжения Kр возрастает.

Увеличение эксцентриситета внешней силы до e0=0,3h привело в керамзитофиброжелезобетонных элементах с h=25 к снижению уровня усилий треexp exp щинообразования до N crc 0,7...0,89 Nu по сравнению с элементами, испытанными при e0/h=0.

Существенное влияние на величину усилий трещинообразования оказывает коэффициент преднапряжения, повышение которого с 0 до 1 существенно (до 30%) увеличивает усилия трещинообразования сжатых керамзитофиброжелезобетонных элементов.

В опытных элементах при уровнях нагрузки MMu трещины раскрывались лишь при гибкости h=25 и e0/h=0,3. На ширину раскрытия трещин элементов e0/h=0,3 оказало определенное влияние коэффициент преднапряжения Kp. Так, при Kp=1 ширина раскрытия трещин составила 0,05…0,08 мм, в то время как в элементах без предварительного напряжения - 0,1…0,2 мм.

При увеличении коэффициента преднапряжения, кривизны и прогибы опытных образцов при одинаковых величинах внешней нагрузки снижаются.

При этом наблюдается увеличение кривизн и прогибов предварительно напряженных образцов по сравнению с ненапряженными при равных относительных уровнях внешней нагрузки.

Для установления влияния повторного нагружения была проведена специальная серия опытов (8 колонн), в которых керамзитофиброжелезобетонные колонны (гибкие и короткие) испытывались при немногократно повторных нагружениях. Колонны этой серии подвергались повторному сжатию до уровня Nrep/Nu=0,6 с полной нагрузкой (=0) при относительном эксцентриситете e0/h=0 и 0,3. Все колонны после 25 циклов нагружений испытывались монотонно возрастающим усилием, приложенным в том же месте, до разрушения.

Наблюдается повышение несущей способности керамзитофиброжелезобетонных колонн: Nu возрастает в коротких колоннах до 14%, а в гибких до 5%, а разрушающий момент Mu- соответственно до 14,5% и 12,5%. Причиной этого является повышение прочности керамзитофибробетона сжатой зоны вследствие повторного сжатия невысокого уровня. Предельные деформации сжатия керамзитофибробетона при повторных нагружениях увеличились в коротких колоннах на 16%, а в гибких - на 19%. Прогибы в гибких керамзитофиброжелезобетонных колоннах при усилии Nrep после повторных нагружений возросли на 23%, а при усилии Nu они оказались больше, чем при однократном нагружении на 6%.

После предварительных малоцикловых повторных нагружений с разрушением без изменения знака эксцентриситета происходит возрастание усилий, вызывающих образование трещин. Причем с увеличением гибкости с h=8 до h=25 этот эффект несколько снижался.

Третья глава диссертации посвящена установлению полной диаграммы деформирования керамзитофибробетона и степени ее реализации в сжатых элементах.

В программу экспериментов входило изготовление и испытание на центральное сжатие бетонных образцов двух серий из керамзитофибробетона прочностью 35 МПа и керамзитобетона аналогичной прочности.

Опыты показали, что характер связи между напряжениями и деформациями керамзито- и керамзитофибробетона при центральном сжатии призм несколько отличен друг от друга, так, восходящий участок диаграммы "b-b" керамзитобетона наклонен к оси абсцисс под меньшим углом, чем для керамзитофибробетона, а нисходящий падает более круто.

Наиболее простой по своему виду и вместе с тем наиболее полно отражающей изменение свойств бетона является зависимость, предложенная Саргеном и принятая нормами ЕКБ-ФИП, в которой Kb - коэффициент, характеризующий упругопластические свойства бетона. Значение коэффициента Kb для каждого нового вида бетона должно определяться экспериментальным путем.

По опытным данным были определены значения этого коэффициента: для керамзитобетона – Kb=1,79 и керамзитофибробетона – Kb=2,45.

Максимальные реализованные деформации bu керамзитофибробетона существенно зависели от эксцентриситета внешней силы режима нагружения, коэффициента смешанного армирования и гибкости их рекомендуемые значения приведены в диссертации.

По результатам испытаний опытных железобетонных стоек из керамзитофибробетона были определены максимальные деформации bt,u, реализуемые к моменту образования трещин.

Предлагается формула для определения bt,u керамзитофибробетонных элементов в виде:

В четвертой главе приведены результаты усовершенствования нормативных методов расчета железобетонных колонн.

Напряжения в арматуре при исчерпании прочности железобетонного элемента зависят от максимальных реализованных деформаций крайнего сжатого волокна бетона bu и относительного расстояния арматуры до сжатой грани i=x/hоi (где x - высота сжатой зоны, hоi - расстояние от сжатой грани до рассматриваемого стержня). Деформацию на уровне i-го арматурного стержня, вызванную внешней нагрузкой можно получить из следующего выражения:

При этом напряжения при упругой работе арматуры определяются из выражения:

Так как в расчетах прочности железобетонных элементов согласно нормам эпюра напряжений принимается условной прямоугольной с высотой x, в выражение (4) подставим xехр=x/, где - характеристика полноты эпюры напряжений бетона при сжатии. Она может быть определена в соответствии с рекомендациями норм.

Таким образом, расчетные зависимости для определения напряжений в арматуре (с учетом и предварительного напряжения) и арматуры сжатой зоны примут соответственно следующий вид:

Предварительное напряжение и повторные нагружения оказывают существенное влияние на свойства бетона. Учет этого явления может быть произведен умножением расчетных значений Rb на коэффициент R b, зависящий от уровня предварительного напряжения, прочности бетона и других факторов.

Учет реальных напряжений в арматуре и бетоне при расчете прочности железобетонных элементов позволяет учитывать действительное напряженнодеформированное состояние элементов при разрушении.

Предлагается следующая упрощенная методика определения усилий трещинообразования. Фиксируются предельные деформации крайнего растянутого волокна бетона bt,u и деформации крайнего сжатого волокна бетона, реализуемые к моменту появления трещин b,crc. Эпюра напряжений в бетоне в момент появления трещин: прямоугольник в растянутой зоне и треугольник в сжатой. При этом угол в вершине треугольной эпюры не задается. Уравнение равновесия выглядит следующим образом:

Из уравнения (6) сразу без громоздких промежуточных вычислений и итераций вычисляются усилия трещинообразования Ncrc. Предлагаемая методика отличается простотой и удобством, для расчета необходимо лишь располагать двумя значениями деформаций bt,u и b,crc.

Для аналитического описания зависимости деформации b,crc от основных основных факторов хорошо отражается зависимостью:

Анализ полученных опытных данных показал, что при определении жесткости сечений без трещин в растянутой зоне коэффициент, учитывающий неупругие деформации бетона (0,85), существенно зависит от уровня нагружения и изменяется от единицы (при низких уровнях нагружения) до 0,3 при M=Mcrc. Повышение усилий предварительного обжатия сжатой зоны вызывает снижение этого коэффициента, т.к. в этой зоне напряжения от внешней нагрузки складываются с напряжениями предварительного обжатия, что увеличивает уровень сжимающих напряжений и развитие неупругих деформаций.

Теоретические значения коэффициента b удобно определять в два этапа.

На первом определяются значения коэффициента b,min равного b в момент образования трещин.

Для опытных элементов из керамзитофибробетона значения параметра могут быть приняты равными: при е0/h=0,3 =0,4; при e0/h=0 =0,52.