Прочность, жесткость и трещиностойкость железобетонных балок с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне

Актуальность темы. Слоистые железобетонные конструкции активно используются как в России, так и за рубежом в новом строительстве, а также при реконструкции путем сочетания бетонов с разными физико-механическими характеристиками и расположением бетонов в разных частях конструкции с введением дополнительной рабочей арматуры. Применение слоистых конструкций эффективно для ограждающих панелей, где необходимо обеспечить как прочностные характеристики сечения, так и теплоизоляционные. Наружные слои делаются из прочного бетона, а внутренний слой из теплоизоляционного. Слоистые конструкции могут найти применение там, где необходимо восстановление несущей способности конструкций зданий и сооружений, подвергшихся ошибочным решениям при проектировании и столкнувшихся с некачественным выполнением работ непосредственно на строительной площадке. Использование слоистых конструкций с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне приведет к увеличению их жесткости, прочности и трещиностойкости относительно традиционных и к экономии требуемых материалов, за счет уменьшения сечений конструкций, снизит массу здания, тем самым уменьшит нагрузку на фундаменты и основания. Это делает слоистые конструкции довольно привлекательными для применения. Известные на сегодняшний день исследования, как правило, рассматривают слоистые железобетонные конструкции, состоящие из тяжелого бетона в сжатой зоне и облегченного (легкого) в растянутой зоне или состоящие из двух крайних слоев из тяжелого и среднего слоя из легкого бетона. Однако на сегодняшний день в изучении слоистых конструкций отсутствует комплексный подход. На результат испытаний могут повлиять различные факторы, такие как: вид и класс бетона, высота тяжелого бетона в верхней зоне балки, сопротивление растяжению рабочей и поперечной арматуры, интенсивность продольного и поперечного армирования, способы приложения нагрузки и ее характер, в каких пропорциях сечением воспринимаются поперечные силы и изгибающий момент. Воздействие данных факторов в разной пропорции на конструкцию существенно влияет на величину несущей способности и характер разрушения железобетонного элемента. В последние годы началось исследование свойств бетонов каркасной структуры. Суть бетона каркасной структуры заключается в минимизации объема растворной составляющей в бетонной смеси. Использование в современном строительстве бетонных смесей, в основу которых входит добавление суперпластификаторов ведет не только к получению неоспоримых преимуществ, но и приводит к появлению некоторых недостатков. К одним из недостатков бетонов, произведенных с использованием суперпластификаторов, можно отнести ползучесть, увеличение усадки и снижение модуля упругости. Объем растворной части в бетоне каркасной структуры должен быть эквивалентен объему пустот, которые образуются между элементами крупного заполнителя, что позволит минимизировать недостатки, перечисленные выше. Вместе с тем исследования слоистых конструкций с использованием в сжатой зоне бетонов каркасной структуры не проводились. Расчет слоистых конструкций теоретически может вестись по расчетному аппарату, приведенному в СП 63.13330.2018, как тавровое сечение, только в сечении железобетонного элемента меняются не геометрические характеристики (ширина и высота полки, стенки), а физические (прочности бетонов, модули упругости). Или вести расчет с приведением физических характеристик разных бетонов к одной. Однако, как показывают экспериментальные данные, такой подход является не достаточно точным как в оценке несущей способности по изгибающему моменту и поперечной силе, так и по моменту трещинообразования и деформациям балок. Наиболее точно характеризовать работу сечения может методика расчета по нелинейной деформационной модели. Методом послойного суммирования удается определить распределение напряжений и деформаций внутри сжатой зоны балки с довольно высокой точностью. В диссертационной работе приведены результаты экспериментальных исследований, с дальнейшим теоретическим совершенствованием методик по расчету несущей способности изгибаемых двухслойных железобетонных элементов с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне по нормальным сечениям. Степень разработанности темы. Применение слоистых конструкций происходит как в новом строительстве, так и в реконструкции и даже проводятся исследования их влияния на прогрессирующее обрушение. Поэтому существует множество областей, куда направлены Отечественные и зарубежные исследования слоистых конструкций. В работах И. М. Литвинова исследовалась эффективность усиления балок наращиванием в сжатой зоне, и эффективность восстановления уже разрушенных балок путем наращивания. Эксперименты показали, что несущая способность восстановленных разрушенных балок оказалась не ниже нарощенных, но не разрушенных. Е. Г. Кремневой проводилось исследование напряжённо-деформированного состояния плитных конструкций с арматурой, не имеющей физического предела текучести, усиленных намоноличиванием под нагрузкой, разработана деформационная модель расчёта таких конструкций, учитывающая диаграммы деформирования бетона и арматуры. Король Е.А., Ву Динь Тхо, Римшин В.И., Фам Туань Ань проводили исследование напряженно-деформированного состояния трехслойной железобетонной армированной конструкции из бетонов с разными физико-механическими характеристиками в программе ANSYS Mechanical. Колчунов И.К., Федорова Н.В., Кайдас П.А., Савин С.Ю. пишут, что одним из способов увеличения долговечности и надежности сборных строительных конструкций является разработка конструктивных решений по строительству систем сборных каркасов с многослойными балками. М. С. Поветкиным проводились исследования с усилением балок с предварительно напряженной арматурой. В настоящее время появились исследования, проведенные Г. В. Несветаевым, Д. Р. Маиляном, А. В. Беляевым, Е. А. Король, И. С. Горностаевым и многими другими по особенностям напряженно-деформированного состояния, определению трещиностойкости, жесткости и кривизны слоистых конструкций, по регулированию жесткости и прочности слоистых железобетонных балок, варьированием модулем упругости бетона. Разработана технология изготовления каркасного бетона и балок с каркасным бетоном в сжатой зоне. Проанализировав все вышенаписанное можно сказать, что совершенствование методов расчета слоистых железобетонных конструкций, с использованием нелинейной деформационной модели является актуальной и востребованной задачей. Нелинейная деформационная модель позволяет более точно смоделировать напряженно-деформированное состояние сечения конструкции, что позволит точнее оценить совместную работу бетонов и арматуры, бетонов с разными физическими характеристиками. А также произвести оценку напряженно-деформированного состояния в зоне контакта бетонов с разными физическими характеристиками. Целью работы являются комплексные исследования работы под воздействием нагрузок, и разработка методов расчетной оценки несущей способности двухслойных железобетонных балок с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне. В зависимости от поперечного сечения рабочего армирования растянутой зоны балки, шага конструктивного армирования вдоль балки, а также высоты бетона каркасной структуры в верхней зоне. Задачи исследования: − Получить новые данные о несущей способности, моменте трещинообразования и деформативности железобетонных двухслойных балок с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне при различных процентах растянутого армирования, двух вариантах поперечного армирования и высотах набетонок из бетона каркасной структуры равных: 0,24h, 0,16h и 0,08h. А также эталонных балок полностью из обычного тяжелого бетона и полностью из каркасного бетона; − Исследовать влияние армирования и высоты бетона каркасной структуры на характер разрушения, несущую способность, трещиностойкость и деформативность изгибаемых конструкций; − Исследовать влияния всех варьируемых факторов, включая интенсивность продольного и поперечного армирования, наличие и высоту бетона каркасной структуры в сжатой зоне, на изменение несущей способности, характер и величину трещиностойкости и деформативности, а также характер разрушения балок. Дать оценку эффективности введения бетона каркасной структуры в сжатую зону балок; − Разработать рекомендации по расчету несущей способности двухслойных балок с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне балок на основе нелинейной деформационной модели на воздействие изгибающего момента; − Провести сравнительный анализ точности методов расчета железобетонных конструкций при помощи положений, описанных и рекомендованных в действующей Российской нормативной документации; − Выполнить расчет несущей способности по нелинейной деформационной модели с использованием диаграммы Саржина методом математического моделирования в программе Excel. Объект исследования – железобетонная балка, подвергшаяся изгибу, с различной высотой бетона каркасной структуры в сжатой зоне и различным армированием, при воздействии статической ступенчатой, кратковременной нагрузки. Предмет исследования – несущая способность, напряжённо-деформированное состояние, жесткость, трещиностойкость двухслойных балок с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне. Соответствие паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует пп. 1, 2, 3, 8 паспорта специальности 2.1.1 – Строительные конструкции, здания и сооружения. Научная новизна: − Выявлено влияние упругопластических свойств и соотношения толщин слоев разномодульных бетонов на положение нулевой линии слоистых балок в зависимости от коэффициента армирования. Развиты научные представления о влиянии коэффициента упругопластических деформаций λ для традиционного тяжелого бетона вибрационного уплотнения и бетона каркасной структуры на напряженно-деформированное состояние изгибаемых сечений слоистых балок. − Предложена методика определения рациональной толщины слоя бетона каркасной структуры hc = хh0 в двухслойных балках, исключающая разрушение двухслойной балки вследствие нарушения сцепления между слоями разномодульных бетонов. Адаптирована методика расчета по прочности нормальных сечений на основе нелинейной деформационной модели применительно к двухслойным балкам с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне. − Уточнена зависимость момента трещинообразования Mcrc от прочности и вида бетона и предложен коэффициент γ, учитывающий влияние рецептурно-технологических факторов. Предложена методика расчета момента трещинообразования с использованием предела прочности бетона на растяжение при изгибе, обеспечивающая лучшую сходимость экспериментальных и расчетных значений в сравнении с традиционным походом с использованием предела прочности на осевое растяжение в сочетании с коэффициентом γ. − Определены соотношения кривизны двухслойных балок и эталонной балки из традиционного тяжелого бетона вибрационного уплотнения в зависимости от упругопластических свойств бетонов при уровне нагружения 0,6 в зависимости от параметров бетона, соотношения толщин слоев и коэффициента армирования. − В результате сопоставление прогибов одно и двухслойных балок из разномодульных бетонов, определенных по СП63.13330.2018 и известной из геометрии зависимости «длина дуги-хорда-высота сегмента» уточнена зависимость прогиба от кривизны и закономерность изменения жесткости нормального сечения от величины изгибающего момента. Установлено, что изменение модуля деформаций бетона в растянутой зоне на уровне растянутой арматуры до значения M/Mult ≈ 0,5 подобно зависимости Dred/D0 = f(M/Mult). − Проведено сопоставление экспериментальных и теоретических данных (по СП 63.13330.2018) изгибающих моментов, поперечных сил при определении момента трещинообразования, значений прогибов и кривизны. Теоритическая и практическая значимость. Состоит в повышении точности методики расчёта несущей способности железобетонных двухслойных элементов с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне на действие изгибающего момента, с учетом влияния продольного и поперечного армирования, а также высоты бетона каркасной структуры. А также в разработке рекомендаций по определению несущей способности и напряженно-деформированного состояния железобетонных двухслойных элементов на действие изгибающего момента. Использование рекомендаций позволяет уменьшить расход материалов при проектировании, увеличить надежность и долговечность железобетонных конструкций, выбрать рациональные варианты усиления и проектные решения, при более точном моделировании работы конструкций под нагрузкой. Это подтверждается актами внедрения ФГБОУ ВО «Донского государственного технического университета», ЗАО "КБ Ивлева" НПФ «Геотекспроектстрой». Методология и методы исследования. Методологией и методами исследования работы являются: метод численного моделирования; проведение эксперимента и фиксация его результатов; идеализация расчетной модели изгибаемого элемента при переходе от напряженно-деформированного состояния; общенаучные методы познания; анализ и сравнение результатов, полученных опытным путем с теоритическими результатами. Положения, выносимые на защиту: − Результаты, которые были получены в рамках проведенного исследования прочности, жесткости и трещиностойкости двухслойных железобетонных балок с бетоном каркасной структуры в сжатой зоне. При варьировании: факторов площадь поперечного сечения продольной арматуры, шаг поперечного армирования и высота бетона каркасной структуры в сжатой зоне балки; − Системный анализ новых данных о характере разрушения двухслойных балок при разном продольном и поперечном армировании и при разной высоте бетона каркасной структуры в сжатой зоне; − Результаты анализа влияния продольного и поперечного армирования с разной высотой бетона каркасной структуры в сжатой зоне на развитие трещин в испытанных образцах при постепенно увеличивающейся нагрузке вплоть до достижения предельного состояния конструкции; − Новые данные о влиянии характера армирования и высоты бетона каркасной структуры в сжатой зоне на величину ее несущей способности и деформативные способности балок; − Анализ сопоставления результатов расчета прочности, жесткости и трещиностойкости, полученных с использованием рекомендаций, описанных в Российских нормативных документах, с экспериментальными данными, полученными автором в результате испытаний конструкций; − Результаты выполненного численного эксперимента при помощи метода математического моделирования в программе Excel и сравнение их с результатами, полученными в ходе эксперимента; − Предложения по совершенствованию расчета несущей способности двухслойных железобетонных балок на действие изгибающего момента с учетом влияния высоты бетона каркасной структуры в сжатой зоне и характера армирования.