Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,926

DEFORMATION OF REINFORCED CONCRETE BEAMS WITH FORMING ELEMENTS UNDER LONG-TERM LOADING

Mitasov V.M. 1 Chkhum A. 1
1 Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering
This paper deals to problems of studying cracks in reinforced concrete beams under long-term loading by fundamental of reinforced concrete resistance theory (energy approach) was describe. The experimental study of bearing capacity of reinforced concrete beams with the form of plastic plates (artificial cracks) and without form of plastic plates (artificial cracks) with different coefficients of concrete working conditions ?bi. Tables were present, including of schematic beams loading, their cross-section, as well as various parameters of concrete and reinforced bar. The presents the research allowed to estimate influence of specified cracks in reinforced concrete beams on their rigidity and strength by the above method under long-term loading. The introduction with the form of plastic plates (artificial cracks) in to tensile zone, the beam was changed stress-strain state of the structure and more soft their character deformation at cracking, as a result of which the deflection of beams under loading are much less than deflections of beams without form of plastic plates (artificial cracks). Cracks of reinforced concrete beams in the form of plastic plates (artificial cracks) under the action of long-term loading depends on the coefficient of working conditions of concrete ?bi, that use of the technique in the form of plastic plates (artificial cracks) can have an economic effect.
diagram-energy approach
cracks
rigidity
long-term loading
reinforced concrete beams

Железобетонные конструкции в капитальном строительстве занимают ведущее место в общем объеме применяемых конструкций и материалов. В Камбодже в настоящее время существенно возросли объемы строительства жилых, общественных зданий и сооружений из монолитного бетона. Важной задачей является управление процессами трещинообразования бетона с учетом ползучести [1–3]. Деформация ползучести бетона в линейной области существенно зависит от комплекса факторов, которые условно можно разделить на две группы:

– технологического характера, связанные с условиями изготовления и твердения бетона;

– связанные с условиями загружения бетонного элемента и работы бетона под нагрузкой (размеры сечения бетонного элемента, температурно-влажностные условия окружающей среды, возраст бетона в момент приложения нагрузки).

Балка – это один из основных конструктивных элементов зданий и сооружений, работающий на изгиб. Железобетонные балки подвержены трещинообразованию в растянутой зоне, что требует необходимости усиления растянутых участков стальной арматурой. Арматура препятствует фрагментации балки и ограничивает величину раскрытия трещин. Процесс образования трещины протекает с очень большой скоростью, так что можно представить его как мгновенный разрыв бетона растянутой зоны, сопровождающийся колебанием балки.

Таким образом, вопрос перехода железобетона из сплошного состояния в состояние с трещиной остается до конца неизученным [4–6].

Актуальность и цели исследований

Образование трещин влияет на жесткость и деформативность конструкций (элементов), поэтому возникает необходимость дальнейшего совершенствования расчетного аппарата для сближения расчетных и фактических значений прогибов и параметров трещинообразования. Основная идея расчета по образованию трещин состояла в том, чтобы определить максимальные напряжения, возникающие в растянутой зоне перед образованием трещин, а также момент сопротивления с учетом неупругих свойств деформирования бетона.

К сожалению, исследование железобетонных конструкций на прочность, жесткость и трещиностойкость при длительном воздействии нагрузки еще мало изучено. На сегодняшний день остается неясным воздействие длительной нагрузки на балки, требует дальнейшего исследования прочность бетона в этих условиях.

Длительное воздействие нагрузки, вызывающей в материале появление микротрещин при начальном загружении, показывает, что разрушение образца идет медленно в течение продолжительного времени. Опыты с бетоном показывают, что долговременная прочность бетона лежит выше границы mit01.wmf, которая определяет прочность под воздействием длительной нагрузки. До сих пор нет единого мнения о величине предела длительной прочности бетона и влияющих на него факторов.

Цель нашей работы – изучить особенности деформирования балок и описать экспериментальные исследования несущей способности железобетонных балок в виде пластмассовых пластин (искусственных трещин) и без них с различными коэффициентами условий работы бетона γbi.

Особенностью деформирования железобетона под действием нагрузки является качественное изменение состояния при образовании трещин. Методы расчета, основанные на использовании диаграмм деформирования материалов, имеют общие основы для расчета по прочности, деформациям, образованию и раскрытию трещин и основаны на использовании в расчетных моделях связи между напряжениями и деформациями в бетоне и арматуре.

В процессе эксперимента показано несколько вариантов испытаний железобетонные балок при воздействии длительной нагрузки в зависимости от коэффициента γbi. Основой разработки проведения модельного эксперимента для сравнительной оценки поведения балок в виде пластмассовых пластин (искусственных трещин) и без них под действием длительной нагрузки будет являться диаграммно-энергетическим подходом для расчета сечений железобетонных элементов. В исследованиях В.М. Митасова и В.В. Адищева отмечено, что состояние после образования трещины описывается следующим образом. После образования трещины в сечении происходит перераспределение усилий. Энергия растянутого бетона передается на арматуру, трещина растет по ширине и высоте, увлекая за собой пересекающую ее арматуру [7, с. 7]. Тогда энергия растянутого бетона определяется по формуле

mit02.wmf

где mit03.wmf – приращение энергии растянутого бетона с трещиной;

b(y) – переменная ширина сечения;

ψ(ε) – диаграмма деформирования бетона в координатах;

ho – рабочая высота сечения;

εbt – относительные деформации растяжения бетона;

х – высота сжатой зоны бетона;

у – расстояние от нейтрального слоя до рассматриваемого волокна.

Кроме того, экспериментальные данные Н.С. Михайловой наглядно показывают наличие участка с резким ростом деформаций в балках сплошного сечения на определенных этапах загружения. Это говорит о процессе микротрещинообразования в растянутой зоне балки, что, с одной стороны, приводит к увеличению деформаций растянутых волокон и, соответственно, прогиба балок, а с другой стороны – уплотнению бетона в сжатой зоне. В свою очередь, уплотнение сжатой зоны приводит к изменению деформационных свойств сжатых волокон бетона (упрочнение), пусть и незначительного, но достаточного для появления большего сдерживающего усилия в сжатой зоне, чем первоначально, что приводит к остановке дальнейшего роста прогиба [8, с. 19].

Материалы и методы исследования

В процессе нашего эксперимента выполнено:

– разработана методика проведения модельного эксперимента для сравнительной оценки поведения балок с формообразующими элементами (искусственных трещин) и без них под действием длительной нагрузки;

– определены прогибы и деформации изгибаемых элементов, изготовленных с формообразующими элементами (искусственными трещинами) и без них;

– исследованы процессы образования и развития микротрещин в сжатой зоне бетона при длительном действии нагрузки;

Бетон для образцов приготовляли как в лабораторных, так и в заводских условиях на портландцементе марки 500 при В/Ц = 0,71; состав бетона 1:1,9:4 (по весу); кубиковая прочность на 28-е сутки – 13,85 МПа; прочность призм размерами 10*10*40 см – 11,48 МПа; расчетный пролет 78 см; арматура периодического профиля класса А400 диаметром 10 мм.

Формообразующие элементы (искусственные трещины) образованы установкой пластины толщиной 0,5 мм и высотой 30 мм на арматуру в зоне максимальных моментов.

В возрасте 28 суток балки, предназначеные для исследования влияния длительной нагрузки, устанавливали в устройств, создающие постоянную во времени нагрузки в виде одних сосредоточенных сил. Средние деформации сжатого бетона и растянутой арматуры замеряли в зоне чистого изгиба на базе 260 мм индикаторами часового типа с ценой деления 0,001; прогибы – замеряли прогибомеры Аистова с ценой деления 0,01 мм, установлены в плоскости средного поперечного сечения балок. Армирование одиночное и защитный слой – 20 мм (рис. 1).

mitas1.tif

Рис. 1. Схема железобетонной балки: а – без пластмассовых пластин (искусственных трещин); б – с одной пластмассовой пластиной; в – с тремя пластмассовыми пластинами; 1 – пластмассовая пластина (искусственная трещина)

В ходе эксперимента перед бетонированием моделировали в виде пластмассовых пластин (искусственных трещин), установленных в опалубку в середине пролета в зону чистого изгиба. Уплотнение бетонной смеси балок серии 1–3 производили на виброплощадке в несколько этапов.

С помощью рычага железобетонные балки испытывались длительной нагрузкой, как однопролетные шарнирно опертые балки, загруженные с одной сосредоточенными силами. В испытании использовались гири массой 20 кг. На рис. 2 представлена установка испытания железобетонных балок длительной нагрузкой.

mitas2.wmf

Рис. 2. Установка для испытания балок при длительных нагрузках: 1 – опытная балка; 2 – рычаг из швеллера; 3 – прогибомер; 4 – металлические грузы; 5 – стойки из металлических труб; 6 – стойки из швеллера; 7 – динамометр

mitas3.wmf

Рис. 3. Прогиб балок при длительной нагрузке [11]

Схема испытания балок

mitasov1.tif

В таблице показана схема испытания балок в виде пластмассовых пластин (искусственных трещин) и без них, их поперечное сечение, а также различные параметры бетона и арматуры.

По испытаниям железобетонных обрацов балок построены графики деформаций и прогибов балок в зависимости от момента времени в виде пластмассовых пластин (искусственных трещин) и без них с коэффициентами условий работы бетона γbi.

Анализ полученных данных исследования показал хорошую согласованность с ранее проведенными исследованиями деформативности железобетонных балок [9, 10].

Выводы

Использование методики с применением формообразующих элементов (искусственные трещины) под воздействием длительной нагрузки позволяет перейти от прогнозирования трещинообразования при нагружении к регулируемому процессу и повышает надежность, долговечность, безаварийную эксплуатацию конструкций при минимальных затратах.