Міцність і ширина розкриття тріщин сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624. 012.4

Міцність і ширина розкриття тріщин сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі і споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Секутен'яна Майкл Мунгала

Макіївка 1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва й архітектури Міністерства освіти України.

Захист дисертації відбудеться “21“ травня 1999 г о 10 години на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12. 085.01. у Донбаській державній академії будівництва й архітектури: (Україна, 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, зал засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаській державній академії будівництва й архітектури.

Автореферат розісланий: “20” квітня 1999

Вчений секретар В.Г.Погребняк спеціалізованої вченої ради доктор техн. наук,професор

АНОТАЦІЯ

Секутен'яна Майкл Мунгала. Міцність і ширина розкриття тріщин сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі і споруди. - Донбаська державна академія будівництва й архітектури, Макіївка, 1999.

Виконанні экспериментально - теоретичні дослідження дозволили встановити напружено - деформований стан, виникаючий в сталефібробетоннім элементі, що працює на згин, армованим фіброю малих розмірів, на різних этапах навантаження і розробити методику розрахункового визначення зусилля тріщиноутворення, ширини разкриття тріщини і міцностіі такого элемента. Встановлено вплив різних типів фібрового армування і їхньої суміші на опір сталефібробетона разтягу при вигині і запропоновані відповідні функції впливу фібрового армування. Встановлені умови, дотримання яких забезпечує ефективність армування сталефібробетона фіброю малих розмірів. Разроблені рекомендації по визначенню розрахункового опіру сталефібробетона разтягу при вигині. Встановлена висока эфективність контроля якості сталефібробетона на всіх этапах його роботи під навантаженням шляхом іспиту балок розміром 10х10х40 см з послідуючим визначенням величин індексів якості. Развита модель деформування сталефібробетонного элемента, що працює на згин з тріщиною (модель Штанга-Ааре) для сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів. Зокрема, установлена залежність між напруженнями і шириной разкриття тріщин, а також установлена величина зони інтенсивного деформування lcb. Розроблені пропозиції по розрахунку сталефібробетонних элементів по утворенню тріщин з обліком пластичних деформацій в разтягнутій зоні, включно випадок армування стержньовою арматурою. Ширину разкриття тріщин пропонується визначати по програмі “СТАФІБ”, разробленій на основі моделі деформування сталефібробетонного элемента з тріщиною, развитою в нинішній работі. Розроблені рекомендації по розрахунку міцності сталефібробетонних элементів, армованих фіброю малих розмірів, з урахуванням пластичних деформацій в разтягнутій і стиснутій зонах, включаючи випадок армування стержньовою арматурою. Здійснено упровадження розроблених в роботі розрахункових рекомендацій и методик розрахунку.

Ключові слова: сталефібробетонні елементи, що працюють на згин, напружено-деформований стан, моделювання, сталева фібра малих розмірів, опір сталефібробетона розтягу, утворення і розкриття тріщин, міцність.

АННОТАЦИЯ

Секутеньяна Майкл Мунгала. Прочность и ширина раскрытия трещин сталефибробетонных изгибаемых элементов, армированных фиброй малых размеров. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции здания и сооружения. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1999.

Диссертация посвящена исследованию напряженно - деформированного состояния сталефибробетонных изгибаемых элементов на разных этапах нагружения и разработке методики расчетного определения усилия трещинообразования, ширины раскрытия трещин и прочности таких элементов. Установлено влияние различных типов фибры и их смеси на сопротивление сталефибробетона растяжению при изгибе и предложены соответствующие функции влияния фибрового армирования. Установлены условия, соблюдение которых обеспечивает эффективность армирования сталефибробетона фиброй малых размеров. Развита модель деформирования сталефибробетонного элемента с трещиной, армирования фиброй малых размеров.

Ключевые слова: сталефибробетонные изгибаемые элементы, напряжённо-деформированное состояние, моделирование, стальная фибра малых размеров, сопротивление сталефибробетона растяжению, образование и раскрытие трещин, прочность.

SUMMARY

Sekutenyana Michael Mungala Strength and crack-mouth opening of steelfibrereinforcedconcrete (SFRC) members in bending , reinforced by small-sized fibres.-Manuscript.

Thesis for the attainment of a Ph.D. (doctors) degree in the field of technical sciences-Specialty No 05.23.01 Building designs (constructions) ,buildings and structures.-Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture, Makeyevka, 1999.

The thesis is devoted to the research of the stress-strain state of SFRC members in bending during the different stages of loading and the working out of methods of calculating the forces of crack-formation,crack-mouth opening and the strength of such members in bending. The thesis determines the effect of different types of fibre and their mix (composition) on the tensile strength of SFRC members in bending and proposes the corresponding functions of influence arising as a result of small-sized steelfibre reinforcement.

Furthermore, it determines the conditions which should be maintained in order to achieve the best effect of small-sized steelfibre reinforcement of SFRC members in bending.

The thesis develops a model characterising the deformation of cracked SFRC members in bending , reinforced by small-sized steel fibres

Keyword: SFRC members in bending, stress-strain state ,modeling, small-sized steel fibres , tensile strength of SFRC, formation and opening of cracks, strength.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах бурхливого росту будівельної індустрії в країнах, Азії, Латинської Америки й Африки, що розвиваються, до яких відноситься і республіка Замбія, з'являється необхідність широкого впровадження нових, ефективних будівельних матеріалів і конструкцій, розробки методів розрахунку таких конструкцій, застосування нових технологій і систем контролю якості будівництва. Виникає також потреба в ефективному виконанні ремонтів і реконструкції існуючих будинків і споруд.

До найбільш ефективних сучасних будівельних матеріалів відноситься сталефібробетон, який завдяки введенню в бетонну матрицю сталевих волокон одержує ряд важливих переваг перед бетоном. Сталеві волокна в бетонній матриці виступають в якості внутрішнього армування і завдяки цьому збільшуються міцність на розтяг при вигині, у середньому, у 1,5 - 2 рази і підвищують енергію руйнування сталефібробетона в 10 - 20 разів у порівнянні з бетоном. Сталефібробетон ефективно застосовується в конструкціях, до яких надаються вимоги підвищеної тріщиностійкості, високому опіру ударним і знакоперемінним навантаженням. Матеріал має також високу морозостійкість, корозійну стійкістю і водонепроникність, добрий опір істираємості і впливу високих температур.

Одним з найбільш ефективних різновидів сталефібробетона є сталефібробетон, армований фіброю малих розмірів (довжина волокон до 30мм). До цього різновиду відноситься торкретсталефібробетон, що є ефективним матеріалом для ремонтів і посилення залізобетонних і кам'яних конструкцій, а також сталефібробетон, який застосовується для виготовлення тонкостінних конструкцій.

Ефективність застосування сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів, у тому числі наносимого методом торкретування, досягається в результаті зниження трудозатрат у 1,5 - 2 рази, насамперед за рахунок виключення арматурних робіт і зниження матеріалоємкості конструкцій, а також зниження їхньої вартості при одночасному підвищенні експлуатаційних якостей і довговічності. Для посилення ряду залізобетонних споруджень, що мають великий фізичний ізнос, таких як силосні корпуса, градирні і вугільні вежі, конструкції мостів технологія торкретсталефібробетону практично не має альтернативи. Вона дозволяє створювати несучий прошарок посилення, що має високу довговічність, морозостійкість і корозійну стійкість, на будь-яких важкодоступних поверхнях конструкцій, при цьому цілком виключаються трудомісткі арматурні й опалубні роботи. Робота по дослідженню таких споруд, виконані в ряді вузів і НДІ України, зокрема, у ДДАБА (В.М.Левин), ХГТУСА (А.Л.Шагін, С.А.Фомін), ХГАЖТ (Е.Д.Чихладзе), Донецький ПромбудНДІпроект (Г.В.Червонобаба), свідчать про велику потребу в ефективних методах їх посилення.

Проте, застосування цього перспективного матеріалу при посиленні і ремонтах залізобетонних конструкцій будинків і споруд стримується через відсутність даних про властивості сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів, і методів розрахунку конструкцій. Зокрема, відсутні рекомендації з розрахунку міцності і по визначенню ширини розкриття тріщин у сталефібробетонних елементах, що працюють на згин із фіброю малих розмірів, а також рекомендації по нормуванню опору сталефібробетона растягу при згині. .Відсутні також рекомендації, що дозволяють оцінити якість такого типу сталефібробетона.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково - дослідної роботи, проведеної по гостемі К-3-2-96 "Експериментальне дослідження і розробка методів розрахунку залізобетонних інженерних споруд з урахуванням температурно - вологістного навантаження, включаючи розробку методів їх посилення".

Ціль і задачі дослідження: Ціллю дисертаційної роботи є експериментально-теоретичне дослідження міцності і ширини розкриття тріщин сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів, і розробка відповідних методів розрахунку, дослідження опору сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів розтягу при згині і розробка відповідних рекомендацій,а також розробка рекомендацій по оцінці якості такого типу сталефібробетона.

Поставленої цілі відповідають такі головні задачі:

- розробка методики дослідження ширини розкриття тріщин і міцності сталефібробетонних елементів, що працюють на згин;

- експериментальні дослідження впливу типу й кількості сталевої фібри на опір розтягу і деформації сталефібробетона при вигині, а також на характеристики якості сталефібробетона;

- розробка рекомендацій по нормуванню опору сталефібробетона з фіброю малих розмірів розтягу при вигині і розробка рекомендацій по оцінці його якості;

- експериментальні дослідження впливу типу й кількість сталевої фібри малих розмірів на міцність, зусилля тріщиноутворення і ширину розкриття тріщин сталефібробетонних елементів при вигині;

- розвиток моделі деформування сталефібробетонного елемента, що працює на згин з тріщинами, на випадок його армування фіброю малих розмірів і розробка на цій основі методики визначення ширини розкриття тріщин у таких елементах;

- розробка рекомендацій з розрахунку міцності та визначенню зусиль тріщиноутворення сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, із фіброю малих розмірів;

- здійснення впровадження результатів роботи.

У якості об'єктів дослідження були використані сталефібробетоні балки з надрізом, а також стандартні куби і призми, виготовлені зі сталефібробетона.

Наукову новизну результатів досліджень складають:

- експериментальні дані про міцність і ширину розкриття тріщин сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів, а також результати теоретичного аналізу їхнього напружено - деформованого стану;

експериментальні дані і методика розрахункового визначення характеристик опору сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів, розтягу при вигині;

умови, що забезпечують ефективність армування сталефібробетона фіброю малих розмірів;

-методика оцінки якості сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів і висновки про відповідність сталефібробетона, з різноманітними типами фібри малих розмірів, вимогам якості на основних стадіях навантаження елемента, що працює на згин;

-методика розрахунку міцності сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів;

-методика розрахунку ширини розкриття тріщин у сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, із фіброю малих розмірів, яка базується на модифікованій моделі деформування сталефібробетонних елементів із тріщинами розвиненій у цій роботі.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що проведені експериментально - теоретичні дослідження і розроблені рекомендації створюють необхідні умови для широкого застосування сталефібробетона з фіброю малих розмірів, зокрема для застосування торкретсталефібробетона при посиленні і ремонті залізобетонних конструкцій. Методика визначення ширини розкриття тріщин і розрахунок міцності сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, дає можливість збільшити надійність проектних рішень.

Запропоновані методики дозволили ефективно застосувати торкретсталефібробетон при посиленні і ремонті ряду конструкцій будинків і споруд, виконаних українсько-німецьким СП “СТАКОН“, у тому числі монолітних залізобетонних перекриттів і монолітної залізобетонної оболонки градирні.

Особисто отримані автором результати:

результати експериментальних досліджень міцності і ширини розкриття тріщин, а також результати аналізу напружено - деформованого стану сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів;

умови ефективності армування фіброю малих розмірів і функції впливу фібрового армування на опір сталефібробетона розтягу при вигині;

рекомендації по оцінці якості сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів, і висновки, що до припустимого діапазону його експлуатації;

методика розрахунку міцності і зусилля тріщиноутворення сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів;

- методика розрахунку ширини розкриття тріщин у елементах, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів.

Апробація роботи: Основні положення дисертації були подані на наукових конференціях Донбаській державній академії будівництва й архітектури (Макіївка 1995-1998 рр) на першій Республіканській конференції по залізобетону (Київ, 1997 рік) і на ювілейній конференції інституту Донецький ПромбудНДІпроект (Донецьк, 1997рік).

Публікації: По темі роботи опубліковано 4 друкарських роботи в збірниках наукових праць.

Структура й обсяг роботи: Дисертаційна робота містить введення, 4 розділа, головні висновки, список використаної літератури і додатки. Дисертація викладена на 149 сторінках, у тому числі 99 сторінок головного тексту, 12 .сторінок списку літератури, 36 .повних сторінок із малюнками і таблицями, 2 сторінки додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

сталефібробетонний тріщина деформація

У введенні обгрунтована актуальність теми, сформульовані ціль і задачі дослідження, приведені основні результати, отримані автором, показана їх наукова новизна і практичне значення.

У розділі 1 проаналізован стан проблеми і результати досліджень сталефібробетонних елементів, що працюють на згин. Виконан огляд літератури по трьом напрямкам: структура, міцність і деформативні властивості сталефібробетона; контроль якості сталефібробетона; експериментально - теоретичні дослідження і методи розрахунку міцності і ширини розкриття тріщин сталефібробетонних елементів, що працюють на згин.

При аналізі структури сталефібробетона і дослідженні його міцності і деформативних властивостей у головному розглядаються такі питання, як вплив виду, кількості, орієнтації і форми сталевої фібри, а також структури і міцності бетонної матриці на міцність, деформативність і тріщиностійкість сталефібробетона. Ці проблеми знайшли відбиток у численних роботах вітчизняних і закордонних вчених:. В.В. Арончика, А.Я. Барашикова, М.В. Волкова, Г.В. Гетун, К. Кабаяши, А.Г. Курбатова, О.В. Коротишевського, О.П. Кричевського, Е.И. Лисенка, Б. Майдля, Ф.Н. Рабіновича, Г.К. Хайдукова, А. Хіллерборга, Б. Хортвіха, Б Шнютгена., Ф. Штангенберга. , Х..Штанга і багатьох інших вчених.

Роботи, присвячені вивченню впливу фібри малих розмірів ( і на основні фізико-механічні властивості сталефібробетона, виявилися дуже нечисленними, у їхньому числі роботи Н. Кристенсена і С.О. Кричевського.

Завдяки присутності сталевої фібри в бетонній матриці зростає міцність на осьовий розтяг і, особливо, на розтяг при вигині, тому що в останньому випадку найбільш повно виявляється спроможність до перерозподілу напруг по обсязі зразка. На ріст опору сталефібробетона розтягу визначальний вплив роблять такі чинники, як відношення довжини сталевої фібри до діаметра , форма і вид поверхні сталевої фібри, співвідношення довжини фібри і розміру крупного заповнювача. Так, при збільшенні відношення від 20 до 100 при присутності фібри порядку 1% від обсягу бетонної матриці міцность на розтяг зростала на 50%. В усіх роботах відзначається великий вплив сталевої фібри на спадну гілку діаграми деформування сталефібробетона при розтягу і вигині, що виявляється в появі на графіках “навантаження-прогин“ спадної гілки значної протяжності, у багато разів переважаючу спадну гілку для бетону.

Питання оцінки якості сталефібробетона є дуже актуальним для впровадження цього нового матеріалу, що призвело до появи в ряді країн рекомендацій і стандартів по оцінці його якості. У американському стандарті ASTM-C1018-92 рекомендується оцінювати якість сталефібробетона шляхом іспиту балочок розмірами 10х10х40см, використовуючи 4-х крапкову схему навантаження, і по отриманих графіках “навантаження-прогин“ визначати індекси якості I5, I10 і I20 при фіксованих значеннях прогинів. Це дозволяє оцінити якість сталефібробетона для основних стадій напружено-деформованого стану елемента, що працює на згин.

Для визначення опору сталефибробетона розтягу при вигині широке поширення одержала методика німецьких норм (Merkblatt), що дозволяє по діаграмі графіка “навантаження-прогин“, отриманої при іспиті стандартних сталефібробетонних балок, визначати опір сталефібробетона розтягу при вигині для трьох параметричних точок: точка 1 відповідає утворенню тріщин, точка 2 - роботі сталефібробетона з тріщиною обмеженої ширини розкриття, що припускається по нормах для стадії експлуатації, точка 3 - вичерпанню несучої спроможності сталефібробетонної балки.

Моделі, що описують роботу сталефібробетона при вигині і базуються на різноманітних теоріях міцності бетона і композитних матеріалів не одержали широкого поширення. Найбільш сучасною і повною є модель Штанга-Ааре, що базується на феноменологічних підходах. Вона достатньо повно і вірогідно описує напружено -деформований стан, що виникає в сталефібробетоннім елементі при вигині в процесі утворення і розкриття тріщини, а також у стадії руйнації. Модель припускає поділ згинаного елемента по довжині на зону інтенсивного деформування довжиною lcb (зону роботи з тріщиною) і зони упругої роботи матеріалу. На основі цієї моделі отримані методики розрахунку міцності і ширини розкриття тріщин для сталефібробетонних згинаних елементів. Проте, особливості роботи сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів, зокрема міцність і ширина розкриття тріщин у згинаних елементах, вивчені недостатньо. Для цього типу сталефібробетону в моделі Штанга-Ааре відсутні основні параметри, що дозволяють описати його поведінку при навантаженні і побудувати методику розрахунку міцності і ширини розкриття тріщин. Виходячи з аналітичного огляду літератури сформульовані ціль і задачі досліджень.

У розділі 2 описана методика іспитів сталефібробетонних балок. Балки розмірами 15х15х60см, а також 15х8х60см і 15х20х60см мали надріз у центрі прольоту з боку розтягнутої зони і призначалися для дослідження міцності і ширини розкриття тріщин сталефібробетонних згинаних елементів, а також для визначення параметрів, необхідних для аналізу їхнього напружено - деформованого стану. Балочки розмірами 10х10х40см призначалися для вивчення впливу типу і кількості сталевої фібри малих розмірів на характеристики якості і на характеристики міцностні сталефібробетона, зокрема для визначення опору сталефібробетона в 3-х параметричних точках, що відповідають утворенню тріщин (параметрична точка 1), їхньому обмеженому розкриттю (параметрична точка 2) і вичерпанню несучої спроможності матеріалу (параметрична точка 3) по методиці німецьких норм (Merkblatt), яка наведена у цьому розділі.

Для зразків обох типів було передбачене армування двома типами сталевої фібри малих розмірів - хвилястої типу Ф-1 ( і прямої типу Ф-3 (, а також їхньою сумішшю. У експериментах передбачені також варіації складом бетонної матриці, кількістю сталевої фібри кожного типу, а також визначалося оптимальне сполучення досліджуваних типів фібри. Загальна кількість сталевої фібри, введеної у бетон, змінювалась від 0,5% до 2% обсягу бетонної суміші. Було прийнято два склади бетонної матриці, один із яких мав максимальний розмір заповнювача до 10мм і відповідав по складу торкретсталефібробетону, а другий мав максимальний розмір заповнювача до 20мм і відповідав складу монолітного сталефібробетона. Разом із балками кожної серії бетонувалися куби 10х10х10см, 15х15х15см і призми. Іспити сталефібробетонних балок із надрізом провадилися на спеціальному обладнанні, яке розташовувалось на пресі, що дозволяло створювати необхідний режим навантаження і вимірювати всі параметри експерименту не тільки на всхідній, але і на спадній гілці діаграм деформування балки. У процесі іспиту провадилися виміри розмірів навантаження, що прикладається відносних деформацій і прогинів балки, ширини розкриття тріщини і її довжини.

Іспит балочок розмірами 10х10х40см на вигин провадилося на спеціальному обладнанні з метою побудови графіків “навантаження-прогин”. Розмір навантаження, що прикладається контролювався за допомогою зразкового динамометра ДОСМ 3-5, а прогини - за допомогою індикатора годинникового типу з ціною розподілу 0,01мм. Результати іспиту цих балок були використані для визначення опору сталефібробетона розтягу при вигині в трьох параметричних точках по модифікованій для балок даних розмірів методиці Merkblatt і для визначення індексів якості за методикою ASTM -C 1018-92. По модифікованій методиці Merkblatt навантаження P1, що відповідає точці 1, відшукувалося як максимальне навантаження, отримане в іспитах, а навантаження P2 і P3, як частка від діління площі під кривою P- на ділянці, що відповідає заданим прогинам 2 і 3, на розмір відповідного прогину, тобто по відповідної енергії деформування балки. Індекси якості визначалися по тієї ж кривій P-, як відношення енергії деформування сталефібробетонній балки для трьох заданих прогинів до енергії деформування в пружної стадії і потім сопоставлялись з аналогічними показниками для ідеального пружно-пластичного матеріалу. Іспит зразків на осьовий стиск провадився по стандартних методиках, описаних у ГОСТ 10180-90.

У розділі 3 наведені результати експериментальних досліджень деформацій і опору сталефібробетона розтягу при вигині, встановлені умови ефективності армування сталефібробетона фіброю малих розмірів і функції впливу різноманітних типів і кількості фібри на опір сталефібробетона розтягу при вигині в параметричних точках, розроблені пропозиції по нормуванню властивостей і оцінці якості сталефібробетона при вигині, а також встановлені діапазони його роботи під навантаженням при армуванні різноманітними типами фібри малих розмірів. Загальним для всіх графіків "навантаження-прогин" є збільшення максимального навантаження, яке сприймається балками, і поява спадної гілки значної протяжності при введенні в бетонну матрицю сталевої фібри. Встановлені головні чинники, що забезпечують ефективність фібрового армування, тобто ріст максимального навантаження і поліпшення форми діаграми "навантаження-прогин", що дозволяє наблизити її по формі до діаграми Прандтля. До них відноситься тип фібри (конструкція волокна) і її кількість у бетонній матриці, а також співвідношення довжини фібри і максимального розміру заповнювача. Для сталефібробетона, з максимальним розміром крупного заповнювача до 20мм ефективність армування фіброю типу Ф-3 довжиною 12,5мм виявилася дуже невисокою, розмір максимального навантаження збільшився лише на 20% при 1% об'ємного армування, тоді як застосування фібри типу Ф-1, що мала довжину 28мм, дозволило збільшити розмір максимального навантаження в 1,5-1,6 раза. Армування сталефібробетона, що мав розмір крупного заповнювача до 10 мм, фіброю типу Ф-3 дозволило збільшити розмір максимального навантаження на балку в 1,73 раза при 1% об'ємного армування. Найбільше ефективним видом армування виявилася суміш фібри типу Ф-1 і Ф-3 (“фібровий коктейль”). При 2% об'ємного армування такою фібровою сумішшю було отримано більш, ніш двукратне збільшення максимального навантаження на балку в порівнянні з бетонною балкою. Істотно поліпшувалася в цьому випадку робота (форма діаграми) сталефібробетона на спадній гілці - розмір навантаження, що відповідає утворенню тріщин, залишався у подальшому постійним або навіть декілька зростав при збільшенні прогинів балок більш, ніж у 3 рази в порівнянні з прогинами, що відповідають утворенню тріщин. Результати цих експериментів дозволили сформулювати такі дві умови ефективності фібрового армування:

- довжина фібри повинна не менш, ніж у півтора раза перевершувати максимальний розмір крупного заповнювача;

- повинне бути забезпечене надійне зчеплення фібри з бетонною матрицею шляхом застосування волокон, що мають відношення довжини до діаметра не менше 80 і (або) ефективну форму волокна.

Встановлено, що розміри перетину балок у досліджуваному діапазоні не роблять істотного впливу на залежність "відносний розмір навантаження - прогин" для сталефібробетонних балок. По діаграмі “навантаження - прогин” були визначені значення опору сталефібробетона розтягу в 3 параметричних точках і встановлен вид функцій впливу армування фіброю малих розмірів (рис.1), які також залежать від типу і кількості присутної фібри і від дотримання умов ефективності фібрового армування. Встановлено, що при введенні в бетонну матрицю до 2% сталевої фібри типу Ф-1 і Ф-3 і їхньої суміші при дотриманні умов ефективності фібрового армування опір сталефібробетона в точці 1 зростає в 1,7-2,2 рази в порівнянні з міцностю матриці (рис.1а, 1б). Опір сталефібробетона розтягу в точці 2 також залишався високим і складав 66%-107% від опору сталефібробетона розтягу в точці 1 (рис. 1б, 1г). Для параметричної точки 3 опір сталефібробетона розтягу зберігався на рівні 33%-76% від опору в точці 1 і залежав від типу і кількості фібри в бетонній матриці. У випадку порушення умов ефективності фібрового армування величина опору сталефібробетона для всіх параметричних точок була набагато менше, ніж для випадку ефективного армування (рис. 1а і 1б -армування фіброю типу Ф-2, рис .1в і 1г - армування фіброю типу Ф-3 при максимальному розмірі заповнювача до 20мм).

Точками позначені экспериментальні значення, лініями - їх аппроксимація.

Функції впливу армування фіброю малих розмірів типу Ф-1 і Ф-3 на опір сталефібробетона розтягу для параметричних точок 1,2 і 3 при дотриманні умов ефективності фібрового армування пропонується описувати формулою:

( 1)

Для сталефібробетона, армованого сумішшю вказаних типів фібри, функцію впливу рекомендується визначати по тієї ж формулі, використовуючи принцип накладення впливу окремих типів фібри (принцип аддитивності). У випадку порушення умов ефективності фібрового армування (фібра типу Ф-2 і фібра типу Ф-3 при максимальному розмірі крупного заповнювача до 20мм) формула для визначення функцій впливу фібри на опір сталефібробетона розтягу має інший вид.

За результатами іспитів сталефібробетонних балок і їхнього наступного опрацювання по модифікованій методиці Merkblatt були отримані діаграми "напруження-деформації" сталефібробетона при розтягу. Отримано 2 типи діаграм, що істотно відрізняються формою спадної гілки. Для випадку фібрового армування без порушення умов його ефективності, після утворення тріщин на діаграмах відзначається деякий ріст напружень при деформаціях у 3-4 рази перевищуючих деформації трещиноутворення. Для випадків із порушенням умов ефективності фібрового армування відразу ж після утворення тріщин на діаграмах відзначається інтенсивне падіння напруг у сталефібробетоні, що свідчить про погане зчеплення сталевої фібри з бетонною матрицею. Початковий модуль пружності сталефібробетона при збільшенні кількості сталевої фібри змінювався незначно і мало відрізнявся від початкового модуля пружності бетонної матриці.

Запропоновано розрахункові опори сталефібробетона розтягу визначати шляхом множення розрахункового опору розтягу бетонної матриці, визначаємого по СНиП 2.03.01 - 84, на функцію впливу фібрового армування. Зіставлення отриманих у такий спосіб розрахункових значень із визначеними з експерименту по модифікованій методиці Merkblatt свідчить про їхню гарну збіжність - для всіх параметрів, що зіставлялися, різниця не виходила за межі 9%. Проте, використання запропонованих рекомендацій припускається, на нашу думку, лише при проектуванні складу сталефібробетона, призначенні класу бетонної матриці, типу і кількості фібри для її армування. При розрахунку міцності і тріщиностійкості сталефібробетонних конструкцій пропонується інший підхід - для кожного конкретного випадку пропонується визначати розрахункові характеристики сталефібробетона за результатами іспитів 6 стандартних сталефібробетонних балочок розміром 10х10х40см. Це дозволить уточнити їхні значення для дуже різноманітних технологій виготовлення сталефібробетона, що застосовуються у даний час і відповідає підходові, прийнятому в німецьких рекомендаціях на проектування конструкцій промислових полів і тонелей із сталефібробетона. За результатами іспитів цих же балочок пропонується визначати індекси якості сталефібробетона. Таким чином, для оцінки опору сталефібробетона розтягу при вигині і параметрів його якості пропонується комплексний підхід.

Встановлено високу ефективність методики контролю якості сталефибробетона, армованого фіброю малих розмірів, із визначенням індексів якості при фіксованих значеннях прогинів. Ця методика дозволяє встановити відповідність сталефібробетона необхідній якості на всіх етапах його роботи під навантаженням. Зокрема, результати контролю якості досліджуваних зразків із сталефібробетона дозволили встановити, що для сталефібробетона, армованого фіброю типу Ф-1 і Ф-3, а також їхньою сумішшю при дотриманні умов ефективності фібрового армування обмеження діапазону його роботи на всіх стадіях напружено - деформованого стану не варто передбачати. У випадку недотримання цих умов сталефібробетон, армований фіброю малих розмірів, доцільно застосовувати тільки в конструциях, що працюють без тріщин.

У розділі 4 подані результати експериментально-теоретичних досліджень міцності і ширини розкриття тріщин сталефібробетонних елементів з надрізом, що працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів.

Вплив фібрового армування на зусилля тріщиноутворення, приблизно, відповідав його впливу на опор сталефібробетона розтягу для параметричної точки 1. При дотриманні умов ефективності фібрового армування введення 1% фібри типу Ф-1 у бетонну суміш призвело до росту зусилля тріщиноутворення в 1,5-1,63 разу, а армування сумішшю фібри типу Ф-1 і типу Ф-3 у кількості 1,5% об'ємного армування підвищило зусилля тріщиноутворення, приблизно, у 2 рази. Зусиллю тріщиноутворення відповідали деформації розтягу сталефібробетона в діапазоні (18-27)х10-5. Вони перевершували в 1,5-2 рази деформації бетону в момент утворення тріщини в бетонних балках, що складали (11-13)х10-5. Це свідчить про істотне поліпшення роботи бетонної матриці на розтяг при введенні сталевої фібри.

Після утворення тріщини головний вплив на залежність згинального моменту від ширини розкриття тріщини при постійній швидкості збільшення деформацій розтягнутої зони балки мають тип фібри, кількість вводимої у бетонну суміш фібри і співвідношення довжини фібри і максимального розміру крупного заповнювача. Для сталефібробетонних балок, армованих фіброю типу Ф-3, яка при розмірі крупного заповнювача до 20 мм є неефективною, спостерігалося інтенсивне зниження згинального моменту із ростом ширини розкриття тріщин і в стадії, близької до руйнації, він складав лише 0,4-0,45 від зусилля руйнації в бетонній балці. Для cталефібробетонних балок, армованих фіброю типу Ф-1, після утворення в них тріщин не тільки не відзначалося зменшення моменту, але спостерігався його деякий ріст при ширині розкриття тріщин до 0,1 мм і наступне дуже незначне зниження моменту при розкритті тріщини до 2 мм. Для сталефібробетонних балок, армованих сумішшю фібри Ф-1 і Ф-3, відзначався значний ріст згинального моменту після утворення тріщин і при ширині її розкриття до 0,1 мм і наступне плавне зменшення згинального моменту при збільшенні ширини розкриття тріщин до 2мм.

Аналіз напружено-деформованого стану сталефібробетонних балок із надрізом з урахуванням розкриття одиночної тріщини і пов'язаної з цим перемінною жорсткістю елемента по його довжині був виконаний із використанням програми “СТАФІБ," розробленої на основі моделі Штанга-Ааре. У моделі виділяється зона інтенсивного деформування елемента, що працює на згин в районі тріщини, у якій зосереджені непружні деформації, і примикаючі до неї частини балки, що працюють в упругой стадії. Головними параметрами моделі, що були визначені за результатами експериментів, є залежність між напруженнями в сталефібробетоні після утворення тріщини і шириною розкриття тріщини і довжина зони інтенсивного деформування lcb. Залежність “напруження - ширина розкриття тріщини” для сталефібробетонних балок, армованих фіброю малих розмірів (рис.2), змінюється в широкому діапазоні в залежності від типу фібри, її кількості і від дотримання умов ефективності фібрового армування. Для фібри типу Ф-1 і суміші Ф-1 і Ф-3 відзначається дотримання високих значень напруження при збільшенні ширини розкриття тріщини до 0,8-1,0 мм, а потім їхнє плавне зниження. Для фібри типу Ф-3 при порушенні умов ефективності фібрового армування відзначається інтенсивне падіння напружень на початковому етапі і стабілізазія з ростом ширини розкриття тріщин. Для аналітичного опису цих експериментальних залежностей рекомендується використовувати формулу, запропоновану Штангом:

; ( 2)

у якій параметри w0 і р для сталефібробетона з фіброю малих розмірів визначені з експериментів у залежності від типу і кількості фібри.

Результати визначення довжини ділянки lcb свідчать, що вона істотно залежить від ширини розкриття тріщини, типу фібри і від співвідношення її довжини і розміру крупного заповнювача. Для сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів без порушення умов ефективності армування, величина lcb із ростом ширини розкриття тріщини декілька зростає при ширині розкриття тріщин 0,2 мм і потім залишається постійним розміром, а у випадку порушення умов ефективності фібрового армування - різко зменшується вже при ширині розкриття тріщин до 0,1 мм. На підставі аналізу результатів експериментів рекомендовані такі значення довжини зони lcb. При ширині розкриття тріщин до 0,1 мм її розмір рекомендується і рівним 0,65 h для сталефібробетона, армованого фіброю типу Ф-1 і сумішшю фібри типу Ф-1 і типу Ф-3, і 0,5 h - для сталефібробетона, армованого фіброю Ф-3 із порушенням умов ефективності фібрового армування. При ширині розкриття тріщини більш 0,2 мм для сталефібробетона, армованого ефективними типами фібри, довжина lcb встановлюється 0,74 h і для сталефібробетона, армованого неефективними типами фібри - 0,3 h. У діапазоні 0,1 мм - 0,2 мм розмір lcb визначається по інтерполяції.

За результатами аналізу експериментів на балках був також встановлений вплив типу і кількості фібри на залежність "висота розтягнутої зони балки -переміщення в рівні кореня тріщини".

Результати аналізу напружено - деформованого стана сталефібробетонних балок із надрізом, що виконані з використанням програми “СТАФІБ”, зіставлені з результатами експериментів і встановлена їхня гарна збіжність.

На основі аналізу результатів іспитів сталефІбробетонних балок із надрізом запропонована методика розрахунку зусилля тріщиноутворення для сталефібробетонних елементів, що працюють на згин з урахуванням пластичних деформацій у розтягнутій зоні. Виходячи з розрахункової схеми зусиль, приведеної на рис.3а, для сталефібробетонних елементів прямокутного перетину, що працюють на згин умова тріщиностійкості має такий вигляд:

М = 0,55 b h (0,3 + 0,275) h 0,32 b h2 ; ( 3)

де - розрахунковий опір сталефібробетона утворенню тріщин.

При наявності в сталефібробетоннім елементі, що працює на згин, стержньової арматури для розрахунку зусилля тріщиноутворення рекомендується використання методики СНиП 2.03.01-84, при цьому розрахункові формули коректуються шляхом введення розрахункового опору сталефібробетона утворенню тріщин замість розрахункового опору бетону розтягу, а також враховується його підвищена гранична розтяжність.

Розрахунок ширини розкриття тріщин у сталефібробетоннім елементі, що працює на згин рекомендується виконувати по програмі “СТАФІБ”, розробленої на основі моделі Штанга-Ааре, головні параметри якої були визначені на підставі експериментальних досліджень, що забезпечує високу достовірність результатів розрахунків. Припустима ширина розкриття тріщини встановлюється в залежності від типу застосовуваної фібри й умов експлуатації конструкції.

Розрахунок міцності сталефібробетонних елементів, що процюють на згин, армованих фіброю малих розмірів, рекомендується виконувати з урахуванням розвитку пластичних деформацій у розтягнутій і стиснутої зонах, виходячи з розрахункової схеми зусиль, наведеної на рис.3б. Умова міцності для сталефібробетонних елементів прямокутного перетину, що працюють на згин, має такий вигляд:

М 0,94 b h 0,5 h = 0,47 b h2 ; ( 4)

де - розрахунковий опір сталефібробетона розтягу.

Розбіжність експериментальних і розрахункових згинальних моментів у стадії руйнації знаходилася в межах +3,6% - -2,2%. У випадку застосування стержньової арматури розрахунок міцності сталефібробетонних елементів, що працюють на згин, рекомендується робити за методикою СНиП 2.03.01-84 з урахуванням роботи сталефібробетона в розтягнутій зоні.

Впровадження викладених розрахункових рекомендацій при розрахунку посилення монолітного залізобетонного балкового перекриття сталефібробетоном показало його високу ефективність і дозволило значно підвищити міцність і тріщиностойкість посилюваних конструкціїй

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1.Наявність сталевої фібри в бетонній матриці призводить до збільшення максимального навантаження, сприйманого елементами, що прцюють на згин, і до появи спадної гілки великої протяжності на графіках "навантаження - прогин". Головними чинниками, що визначають вплив сталевої фібри на властивості сталефібробетона, є тип фібри (конструкція волокна), кількість вводимій фібри і співвідношення довжини сталевого волокна і максимального розміру крупного заповнювавча бетонної суміші.

2. Ефективність армування сталефібробетона фіброю малих розмірів забезпечується при дотриманні таких умов:

- довжина фібри повинна не менш, як у 1,5 рази перевершувати максимальний розмір крупного заповнювача;

- повинно бути забезпечено надійне зчеплення фібри з бетонною матрицею шляхом застосування волокон, що мають відношення довжини до діаметра не менш 80 і (або) ефективну форму волокна, що забезпечує її надійну роботу з матрицею.

3.Опір сталефібробетона розтягу для сталефібробетнних елементів, що працюють на згин, може бути охарактеризовано величинами опору сталефібробетона в параметричних точках 1, 2 і 3, що відповідають стадії утворення тріщин, у стадії експлуатації при обмеженій ширині розкриття тріщин і стадії руйнації.

При дотриманні умов ефективності фібрового армування при наявності сталевої фібри до 2% від об'єму бетону опору сталефібробетона розтягу для параметричної точки 1 збільшується на - 170 -220% у порівнянні з міцністю бетону на розтяг. При дотриманні цих же умов опір сталефібробетона в параметричній точці 2 після утворення тріщини складає 66-107%, а в точці 3 - 33-76% від розміру опору сталефібробетона в точці 1.

4. Вплив фібри малих розмірів типу Ф-1 і Ф-3 на опір сталефібробетона розтягу для всіх параметричних точок при дотриманні умов ефективності фібрового армування рекомендується враховувати функцією впливу, яка визначається по формулі (1). Для сталефібробетона, армованого сумішшю цих типів фібри, значення функції впливу визначається по тієї ж формулі, використовуючи принцип накладення впливу окремих типів фібри (принцип аддитивності).

5. Розрахункові опори сталефібробетона розтягу рекомендується враховувати як добуток розрахункового опору розтягу бетонної матриці згідно СНиП 2.03.01. -84 на значення функції впливу фібрового армування. Приведену рекомендацію варто принімати при проектуванні складу сталефібробетона, призначенні типу і кількості фібри, класу бетону матриці і складу бетонної суміші і т.д. При розрахунку сталефібробетонних конструкцій по граничним станам рекомендується інший підхід - визначення розрахункових характеристик сталефібробетона шляхом іспиту на вигин 6 стандартних балочок розмірами 10х10х40см, виготовлених із сталефібобетона того ж складу і по тієї ж технології, що і проектована сталефибробетонна конструкція. Цим враховувається недостатня розробленість технологій виготовлення сталефібробетона і пов'язаний із цим розкид його властивостей.

6. Контроль якості сталефибробетона, армованого фіброю малих розмірів, рекомендується робити шляхом визначення індексів якості за результатами іспиту тих же стандартних балочок розмірами 10х10х40см. Встановлено високу ефективність цього методу контролю якості сталефибробетона, тому який дозволяє встановити відповідність сталефібробетона необхідній якості на всіх етапах роботи конструкції під навантаженням.

7. Модель Штанга-Ааре дозволяє вірогідно описувати напружено-деформований стан сталефібробетонного елемента з тріщиною, що прцює на згин, армованого фіброю малих розмірів, при цьому значення головних параметрів моделі - довжина зони інтенсивного деформування lcb і залежність (2) між напруженнями і шириною розкриття тріщини одержаним з експериментів.

8.Розрахунок сталефібробетонних елементів, що працюють на згин по утворенню тріщин рекомендується робити по формулі (3) з урахуванням пластичних деформацій у розтягнутій зоні, виходячи з розрахункової схеми зусиль,наведеної на рис.3а.

9.Розрахунок ширини розкриття тріщин у сталефібробетоннім елементі, що працює на згин, армованому фіброю малих розмірів, рекомендується робити по програмі “СТАФІБ”, розробленої на основі моделі Штанга-Ааре, головні параметри якої визначені за результатами експериментальних досліджень.

10. Розрахунок міцності сталефібробетонних елементів, ща працюють на згин, армованих фіброю малих розмірів, рекомендується робити по формулі (4) з урахуванням пластичних деформацій у розтягнутій і стиснутій зоні, виходячи з розрахункової схеми зусиль, приведеної на рис.3б.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кричевський О.П., Секутеньяна М.М. Вплив фібрового армування на міцність і енергію руйнації сталефібробетона при вигині. // Вісник Донбаської державної академії будівництва й архітектури. - Макіївка. -1998. - Вип. 98-1- 4с.

2. Кричевський О.П., Кричевський С.О., Секутеньяна М.М. Міцність і тріщиностійкість при вигині сталефібробетона, армованого фіброю малих розмірів. // Вісник Донбаської державної академії будівництва й архітектури. - Макіївка.1998. Вип. 98-6. 5 с.

3. Кричевський С.О., Секутеньяна М.М., Результати експериментальних досліджень ширини розкриття тріщини в сталефібробетонних елементах, що працюють на згин. // Вісник Донбаскої державної академії будівництва й архітектури. - Макіївка. 1998. Вип. 98-6. 4 с.

4. Секутеньяна М.М., Експериментальне - теоретичне дослідження напружено - деформованого стану сталефібробетонних елементів, що працюють на згин. // Науково - техн. збірник праць “Комунальне господарство міст”, №18. - Харківська державна академія міського господарства, 1999. 5 с.

Размещено на Allbest.ru