Внецентренно сжатые элементы из фибробетона, армированные высокопрочной арматурой

Слова «строительство» и «бетон» уже давно стали синонимами. Любое современное строительство просто невозможно без бетона. Бетон является одним из самых распространенных и массовых строительных материалов, производство которого в определенной степени характеризует уровень развития цивилизации [103, 104]. Одновременно с этим, бетон — это чрезвычайно сложный композиционный материал, который, в связи с его многокомпонентностью, обладает широким спектром уникальных свойств. Бетон успешно применяется в различных климатических и эксплуатационных условиях, гармонично сочетается с окружающей средой, имеет практически неограниченную сырьевую базу и относительно низкую стоимость. Сюда же следует добавить архитектурно-строительную выразительность, возможность широкого использования местного сырья и утилизации техногенных отходов при его изготовлении, сравнительную простоту и доступность технологии, эксплуатационную надежность, невысокую энергоемкость и экологическую безопасность [33]. Очевидно, что бетон и в будущем останется лидером среди основных конструкционных материалов [6, 8].

В мировой строительной практике наблюдается тенденция к увеличению этажности возводимых зданий и к снижению материалоемкости строительства. В связи с этим возникает необходимость дальнейшего совершенствования строительных конструкций. Развитие железобетонных конструкций возможно путем эффективного использования высокопрочных бетонов, высокопрочных арматурных сталей и рационального сочетания этих материалов.

Увеличение этажности зданий приводит к необходимости повышения несущей способности колонн. Такое повышение может быть достигнуто несколькими известными способами — увеличением площади сечения колонны, применением бетона высоких классов, более мощным армированием. г' 6.

В современном строительстве наблюдается тенденция к применению высокопрочных бетонов в сочетании с высокопрочной арматурой. Рационально комбинируя эти материалы, можно более полно использовать их свойства. ^ Крупный заполнитель принято считать одним из основных компонентов бетона, но для многих бетонных центров щебень является дальнепривозным материалом, что обуславливает удорожание конечной продукции. В данной диссертации исследуется работа фиброжелезобетонных элементов из мелкозерк нистого бетона.

I Необходимо отметить, что чем выше прочность бетона, тем меньше его способность к перераспределению внутренних усилий. Это, в свою очередь, сказывается на характере разрушения. Так, например, многочисленные иссле-| дователи сравнивают процесс разрушения высокопрочного бетона с взрывом, хлопком, выстрелом, акцентируя внимание на мгновенное разрушение после появления первых трещин. | При расчете прочности сжатых железобетонных элементов согласно норГ.

I мативнои литературе, расчетное сопротивление сжатию арматурных стержней !

Г принимается исходя из предельной сжимаемости бетона, которая равна еиЬ =2×10″ 3 — при кратковременном действии нагрузки и енА =2,5−10″ 3 — при длительном. Из этого следует, что в сжатых элементах применение арматуры с рас-I четным сопротивлением > 500 МПа становится не целесообразно в сжатых.

I элементах без каких-либо дополнительных мероприятий.

Одним из способов решения данных проблем является дисперсное армиь рование бетона, в том числе стальными фибрами, способное обеспечить улуч.

I шение механических характеристик материала: повысить прочность на растя.

I' жение, увеличить предельную сжимаемость, трещиностойкость, ударопроч.

I ность и т. д. Кроме того, повышается эксплуатационная надежность конструкций, в том числе в условиях действия агрессивных сред, появляется возможность сокращения рабочих сечений конструкций, уменьшение расхода рабочей и конструктивной арматуры и др. в.

•"Г.

Стальные фибры в отличие от арматуры в железобетоне, действуют на бетонную матрицу на гораздо большем объеме, затрудняя развитие в ней трещин. Фибры, пронизывая бетонную матрицу способны адсорбировать упругую энергию, и процесс разрушения становится более энергоемким. Очевидно, что в этом случае фибровое армирование будет полезно для предотвращения прогрессирующего обрушения зданий.

Использование высокопрочной стержневой арматуры в железобетонных колоннах малоэффективно, поскольку предельные сжимающие напряжения в продольной арматуре не достигают даже условного предела текучести, не говоря уже о более высоких напряжениях, из-за ограниченной предельной сжимаемости бетона. Повышение эффективности применения такой арматуры в сжатой зоне элементов достигается применением дисперсного армирования.

Основная научная гипотеза работы заключается в том, что использование армирования в виде стальных фибр повышает предельную сжимаемость бетона, в том числе мелкозернистого, повышает вязкость разрушения и таким образом создает предпосылки для эффективного использования высокопрочной арматуры в сжатых элементах.

Цель работы: экспериментально-теоретическое обоснование эффективного использования высокопрочной арматуры в сочетании с фибровым армированием в сжатых элементах из мелкозернистого бетона при кратковременном нагружении.

Объектом исследования являются короткие сжатые элементы из бетона повышенной прочности, армированного высокопрочной арматурой и стальной фиброй при кратковременном загружении.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: • экспериментальные исследования влияния вида и процента фибрового армирование на изменение прочностных и деформативных характеристик образцов из высокопрочного бетона (прочность на сжатие и растяжение, предельная сжимаемость, начальный модуль упругости);

• экспериментальная проверка возможности применения высокопрочной арматуры в сжатых элементах без предварительного напряжения с полным расчетным сопротивлением;

• разработка методики расчетной оценки прочности и трещиностойкости сжатых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

• выявлено влияние процента армирования и вида фибры на прочностные и деформативные характеристики тяжелого бетона;

• доказана возможность эффективного использования высокопрочной арматуры без предварительного напряжения в коротких сжатых элементах, армированных стальной фиброй при кратковременном нагружении;

• получены новые экспериментальные данные о сопротивлении внецентрен-ному сжатию фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой;

• разработана модель, основанная на методах механики разрушения, качественно описывающая процессы микротрещинообразования в дисперсно-армированном бетоне;

• разработана расчетная модель сжатого фиброжелезобетонного элемента с высокопрочной арматурой.

Практическое значение и реализация полученных результатов. На основании выполненных исследований предложена модель расчетной оценки прочности и трещиностойкости внецентренно сжатых элементов из фибробето-на, армированных высокопрочной арматурой без предварительного напряжения. Предложенный расчетный аппарат может быть использован при проектировании сжатых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой без предварительного напряжения. Результаты работы использованы при проектировании объекта: «Многоквартирный 9-ти этажный жилой дом со встрое-но-пристроенными помещениями соцкультбыта и торговли, расположенный по адресу: г. Абакан, ул. Ленина 62, а также приняты для дальнейшего использования на объекте «Детский сад на 260 мест в п. Усть-Абакан» и проектировании и изготовлении опытной серии колонн на заводе ЗАО «Экспериментальный завод», г. Санкт-Петербург. Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГАСУ при изучении студентами строительных специальностей и магистрами направления «Строительство» курса «Железобетонные и каменные конструкции» и специального курса.

Достоверность результатов исследований.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается применением стандартных методик испытаний, использованием лабораторного метрологически аттестованного испытательного оборудования и измерительных приборов, применением общепринятых гипотез и допущений, удовлетворительным согласием результатов эксперимента и теоретических исследований, а также сопоставлением с работами других авторов.

Личный вклад автора в исследовании проблемы состоит в следующем:

• экспериментальными исследованиями определено влияние вида и процента фибрового армирования на прочностные и деформативные свойства бетонов повышенных классов;

• экспериментально доказана возможность эффективного использования высокопрочной арматуры в сжатых фиброжелезобетонных элементах;

• на основе модели развития трещины в пластине подкрепленной ребрами жесткости, предложенной В. З. Партоном и Е. А. Морозовым, решена задача об определении коэффициента интенсивности напряжений на конце микротрещине в пластине пронизанной фибрами;

• на основании результатов экспериментов сделаны предложения по расчету прочности и трещиностойкости сжатых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой.

Апробация и публикация работы:

Основные положения диссертационной работы доложены на 63 международной научно-технической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010), 64 и 68 научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета СПбГАСУ (Санкт.

Петербург 2007, 2011) — на XII конкурсе, научно-технических разработок и научно-исследовательских проектов «Молодые. Дерзкие. Перспективные» при поддержке Правительства Санкт-Петербурга и Комитета по науке и высшей школе Санкт-Петербурга, а также доложены на конференции в рамках исследований и оптимизаций эксплуатационных характеристик новых энергоэффективных и энергосберегающих строительных материалов и конструкций в условиях террористической угрозы, глобального роста интенсивности аварийно опасных геофизических и климатических процессов на базе научно-образовательных центров МГСУ в 2009 году. Отдельные результаты исследований были получены в рамках НИИР Российской академии архитектуры и строительных наук по теме «Железобетонные конструкции с направленным поверхностно-дисперсным армированием (технология и методы их расчета)», раздел 2.4 (2009;2011гг.). Основные положения диссертации опубликованы в 8-ми печатных работах.

Автор выражает глубокую благодарность член. корр. РААСН д.т.н. проф. Ю. В. Пухаренко за консультации по вопросам технологии изготовления фиб-рожелезобетонных конструкций.

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Проведенные исследования позволили определить ряд особенностей работы внецентренно сжатых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой при кратковременном действии нагрузки. В результате работы можно сделать следующие выводы:

1. На основании экспериментально-теоретических исследований доказана Щ принципиальная возможность применения высокопрочной арматуры без предварительного напряжения в сжатых фиброжелезобетонных элементах с полным расчетным сопротивлением при кратковременном загружении.

2. С использованием методов механики разрушения получена теоретическая модель микротрещинообразования в фибробетоне, качественно адекватно описывающая процессы, наблюдаемые в опытах;

3. Экспериментально обнаружено повышение прочностных и деформатив-ных характеристик высокопрочных бетонов при введении фибр.

4. Экспериментально подтверждено, что введение фибр влияет на характер поведения образца из высокопрочного бетона под нагрузкой, делая его более «пластичным», податливым, способным к большему перераспределению усилий, о чем свидетельствует, принятого в работе, увеличение условного коэффициента пластичности фибробетонных образцов.

5. На основании классических принципов теории железобетона и специфики поведения фибрового армирования предложена методика расчетной оценки прочности и трещиностойкости сжатых фиброжелезобетонных элементов с высокопрочной арматурой, дающая удовлетворительное согласие с экспериментальными данными.

§-р

1* if.

II ¡-В feil fc.