Внецентренно сжатые элементы из фибробетона, армированные высокопрочной арматурой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Хегай, Алексей Олегович

• Хегай, Алексей Олегович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хегай, Алексей Олегович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. НАПРАВЛЕНИЕ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Высокопрочный бетон.

1.1.1. Общие сведения.

1.1.2. Прочностные свойства высокопрочного бетона.

1.1.3. Деформативные свойства высокопрочного бетона при сжатии.

1.2. Фибробетон.

1.2.1. Общие сведения.

1.2.2. Прочностные свойства фибробетона.

1.2.3. Трещиностойкость фибробетона.

I 1.2.4. Сцепление стальной фибры с бетонной матрицей.

1.3. Высокопрочный бетон, армированный стальными фибрами.

1.4. Применение высокопрочной арматуры в сжатых элементах без [ предварительного напряжения.

1.5. Экспериментально-теоретические исследования прочности внецентренно сжатых элементов из высокопрочного бетона.

1.6. Выводы.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИБРОБЕТОННЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ СЖАТИИ.

2.1 Материалы и технология изготовления опытных образцов.

2.2 Испытания на сжатие бетонных призм, армированных стальными фибрами.

2.2.1. Приборы и оборудование.

2.2.2. Проведение испытаний.

2.2.3. Разрушение образцов.

2.3 Результаты испытаний.

2.4 Выводы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, АРМИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНОЙ АРМАТУРОЙ И

СТАЛЬНЫМИ ФИБРАМИ.

3.1. Технология изготовления опытных образцов.

3.2. Подготовка образцов к испытаниям и методика испытаний.

3.3. Физико-механические характеристики материалов.

3.4. Характер разрушения опытных образцов при внецентренном сжатии с относительно малыми эксцентриситетами.

3.4.1. Железобетонные колонны.

3.4.2. Фиброжелезобетонные образцы.

3.5. Характер разрушения опытных образцов при внецентренном сжатии

I с относительно большими эксцентриситетами. г 3.5.1. Железобетонные колонны.

3.5.2. Фиброжелезобетонные образцы.

3.6. Результаты испытаний опытных образцов при внецентренном сжатии с относительно малыми эксцентриситетами.

3.7. Результаты испытаний опытных образцов при внецентренном сжатии с относительно большими эксцентриситетами.

1 3.8. Выводы.

I Глава 4. РАСЧЕТ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ

I ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА, АРМИРОВАННЫХ

I ВЫСОКОПРОЧНОЙ АРМАТУРОЙ И СТАЛЬНОЙ ФИБРОЙ.

4.1. Моделирование микротрещинообразования фибробетона методами механики разрушения.

Г 4.2. Расчетная модель разрушения внецентренно сжатого элемента, армированного стальными фибрами и высокопрочной арматурой при действии сжимающего усилия с малым эксцентриситетом.

4.3. Коэффициенты полноты эпюры напряжений (со) и

I равнодействующей усилий сжатого бетона ((3).

I № I

4.4. Напряжения в арматуре (А) наиболее удаленной от точки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 =2х10"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.

11

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Хегай, Алексей Олегович

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\

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хегай, Алексей Олегович, 2011 год

1. Аболиныи, Д.С. Сопротивление фибробетона изгибу и растяжению / Д.С. Аболинып, В.К. Кравинскис // Расчет и оптимизация строительных конструкций. Рига, 1974. - С. 47-54.

2. Аксенов, В.Н. Проектирование гибких преднапряженных железобетонных колонн из высокопрочного бетона: автореф. дис. . канд. техн. наук / В.Н. Аксенов; РГСУ. Ростов н / Д, 2009. - 23 с.

3. Астрова, Т.П. Об оценке прочности сцепления стержневой арматуры с бетоном // Трещиностойкость и деформативность обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций: под ред. Гвоздева A.A. М., 1965.-С. 223-271.

4. Ахвердов, И.Н. Высокопрочный бетон / И.Н. Ахвердов. М.: Стройиздат, 1961.-163 с.

5. Баженов, Ю.М. Новый век: новые эффективные бетоны и технологии / Ю.М. Баженов, В.Р. Фаликман // Материалы I Всеросс. конф. М., 2001. -С. 91-101.

6. Баженов, Ю.М. Повышение эффективности и экономичности технологии бетонов / Ю.М. Баженов // Бетон и железобетон. 1988. - №9. - С. 14-16.

7. Баженов, Ю.М. Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций / Ю.М. Баженов // Международная конференция «Бетоны XXI века». Белгород, 1995. - С. 3-5.

8. Баженов, Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов. М.: Изд-во Ассоциации Высших учебных заведений, 2002. - 500 с.

9. Байков, В.Н. Железобетонные конструкции / В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов. -М.: Стройиздат, 1985. 727с.

10. Бондаренко, В.М. Железобетонные и каменные конструкции / В.М. Бон-даренко, Д.М. Суворкин. -М.: Высш. школа, 1987. 384с.tiirй

11. Бондаренко, В.М. Инженерные методы нелинейной теории железобетона / В.М. Бондаренко, C.B. Бондаренко. -М.: Стройиздат, 1982. 287с.

12. Бондаренко, В.М. Расчетные модели силового сопротивления железобетона / В.М. Бондаренко, Вл. И. Колчунов. M.: АСВ, 2004. - 472с.

13. Беликов, В.А. Исследование несущей способности внецентренно сжатых колонн из высокопрочного бетона / В.А. Беликов // Бетон и железобетон. 1969.-№12.-С. 36-39.

14. Берг, О.Я. Высокопрочный бетон / О.Я. Берг, E.H. Щербаков, Г.Н. Писан-ко. М.: Стройиздат, 1971. - 208 с.

15. Берг, О.Я. Проблемы прочности бетона /О.Я. Берг, Г.Н. Писанко, E.H. Щербаков // Бетон и железобетон. 1970. - №3. - С. 3-5.

16. Бетонные и железобетоны конструкции без предварительного напряжения арматуры: СП 52-101-2003. М., 2004.

17. Булгаков, B.C. Механические свойства высокопрочного бетона нормального и автоклавного твердения / B.C. Булгаков, Л.П. Русанова // Бетон и железобетон. 1966. - №7. - С. 26-29.

18. Бутенко, С.А. Особенности работы сжатых железобетонных элементов из бетона, твердеющего под давлением: дис. . канд. техн. наук / С.А. Бутенко; Ленингр. инженер.-строит. ин-т. Л., 1983.

19. Васильев, А.П. Прочность и деформативность сжатых элементов с косвенным армированием / А.П. Васильев, Н.Г. Матков, Б.П. Филиппов // Бетон и железобетон. 1973. - №4. - С. 17-20.

20. Влияние некоторых характеристик отрезков стальной проволоки на свойства бетона, армированного этими отрезками // Строительство и архитектура. Сер. 7. Строительные материалы и изделия: реф. инф. / ЦНИИС. М, 1974. - Вып. 17. - С. 6-8.

21. Волков, И.В. Сталефибробетонные конструкции зданий и сооружений / И.В. Волков, В.А. Беляева // Строительство и архитектура: обзор, ин-форм. М.: ВНИИНТПИ, 1990. - 59с.1/г'VI

22. Волков, И.В. Инженерные методы проектирования фибробетонных конструкций / И.В. Волков и др. // Бетон и железобетон. 2007, - №4. -С. 20-23.

23. Волков, Ю.С. Применение сверхпрочных бетонов в строительстве / Ю.С. Волков // Бетон и железобетон. 1994. - №7. - С. 27-31.

24. Вылегжанин, В.П. Прочность и деформируемость фибр, пересекающих трещину при обрыве и выдергивании / В.П. Вылегжанин, В.И. Григорьев // Пространственные конструкции в гражданском строительстве. Л., 1974.-С. 61-66.

25. Высокопрочный бетон / Долгополов И.Н. и др. // 9 Всесоюзная конференция «Повышение эффективности и качества бетона и железобетона». -М.: Стройиздат, 1983. С. 216-219.

26. Гетун, Г.В. Экспериментально-теоретические исследования изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных в растянутой зоне слоем сталефибробетона: автореф. дис. . канд. техн. наук / Г.В. Гетун; КИСИ. Киев, 1983.-20с.

27. Гордон, Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол / Дж. Гордон; пер. с англ. С.Т. Милейко. -М.: Мир, 1971.-272 с.

28. Гордфи, К. Новый рекорд прочности бетона / К. Гордфи // Гражданское строительство. 1987. - №10. - С. 2-5.г I1. •1. ИГ