Предельная деформативность бетона при осевом кратковременном сжатии

Обновлено: 02.05.2024

Бетон как материал, не подчиняющийся закону Гука, имеет диаграмму сжатия криволинейного очертания. Известны различные варианты математического описания кривой G = /(є), в основу которых положены экспериментальные закономерности [166, 199]. Исследования, значительная часть которых была проведена в ЦНИИС [10, 17, 66], позволили связать характерную форму этой кривой с физическими процессами деформирования и разрушения бетона (см. главу II).

При кратковременном возрастании статической нагрузки отклонение диаграммы сжатия от прямолинейной обусловлено преимущественно нарушением сплошности материала, вследствие перехода границы микроразрушения Rr по мере роста нагрузки и дальнейшим развитием микротрещин в бетоне [10, 17]. В более общем случае степень искривления диаграммы зависит также от скорости нагружения, поскольку наблюдаемые деформации включают определенную долю деформаций ползучести, проявляющихся частично на всех уровнях нагрузки. Поэтому даже при небольших нагрузках (в зоне так называемой линейной ползучести) обнаруживается некоторая криволинейность диаграммы [10]. Вследствие этого модуль деформаций бетона, определяемый как тангенс угла наклона секущей к кривой о — є, не является постоянной величиной и уменьшается по мере роста напряжений.

Для практических оценок пределов изменения секущего модуля под кратковременной нагрузкой необходимо располагать данными, по крайней мере, о двух параметрах кривой а — є, начальном угле наклона этой кривой (начальный модуль деформаций) и величине деформаций, соответствующей максимуму кривой (предельная деформация под кратковременной нагрузкой). В указанном диапазоне модуль деформаций изменяется более или менее плавно [10, 66, 166]. Значения обоих параметров, а также характер изменения модуля деформаций с ростом напряжений от нуля до максимальной величины существенно зависят от особенностей структуры бетона [10, 149, 202].

Рассмотрим характеристики деформативной способности бетона при кратковременном нагружении (начальный модуль деформаций и величину предельной деформативности), которые наиболее часто применяются для расчетов элементов конструкций.

Хотя наибольшее число экспериментальных данных в этой области получено при испытании бетонов в условиях одноосного сжатия, установленные закономерности можно с достаточным основанием использовать применительно к действию растягивающих напряжений в бетоне [46, 158, 166].

В лабораторных условиях начальный модуль деформаций бетона Е = ^ находят при определенной величине

Относительного уровня напряжений в бетоне, составляющей 20—30% предела прочности опытных образцов [26]. В этой области напряжений (и вплоть до границы R?) кривая, характеризующаяся зависимостью а — є, имеет незначительную кривизну, поэтому начальный модуль деформаций практически не зависит от величины напряжений. Повторным нагружением бетона в зоне невысоких напряжений до некоторой степени можно исключить влияние остаточных деформаций бетона на величину модуля. Определенную таким путем характеристику деформативности бетона с ненарушенной структурой рассматривают условно как модуль упругости (начальный модуль упругости) этого материала.

Виды деформаций. Под деформативностью бетона понимается изменение его формы и размеров под влиянием различных воздействий (в том числе в результате взаимодействия бетона с внешней средой).

Бетон является упруго-пластическим материалом, в котором, начиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций (e_e), появляются и неупругие остаточные или пластические (e_pl), т.е. полная деформация (e_b) без учёта усадки равна:

В бетоне различают деформации двух основных видов: объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки или изменения температуры, и силовые, развивающиеся главным образом в направлении действия сил. Силовым продольным деформациям также соответствуют некоторые поперечные деформации бетона; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v равен 0,2 (коэффициент Пуассона). Причём v остаётся практически постоянным вплоть до напряжений . При этом относительная продольная деформация будет , апоперечная деформация .

Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности её действия подразделяются на следующие три вида:

- при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой;

- при длительном действии нагрузки;

- при многократном повторяющемся действии нагрузки.

Наибольший практический интерес представляют продольные деформации бетона при осевом сжатии. Для изучения деформативности бетона при сжатии используют бетонные призмы с h/a = 4, чтобы исключить влияние на получаемые результаты сил трения, возникающих между опорными гранями образца и плитами пресса. На боковые грани призм в средней их части по высоте устанавливают приборы для замера деформаций (рис. 12, а) или наклеивают электротензодатчики.

Нагрузка к призме прикладывается постепенно по этапам или ступеням (ступень обычно составляет 1/10. 1/20 от ожидаемой разрушающей нагрузки). Если деформации на каждой ступени приложения нагрузки замерять дважды: первый раз сразу после приложения нагрузки и второй раз через некоторое время после выдержки под нагрузкой (обычно около 5 минут), то на диаграмме получим ступенчатую линию, изображенную на рис. 12, б. Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, неупругие и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой (рис. 12, б).

Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Длительность загружения обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 13.

Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня напряжений и класса бетона, т. е. .

В связи с этим целесообразно выделить исходные (эталонные) диаграммы, полученные на стандартных призмах, испытываемых скоростью роста деформаций 2%, а затем уже переходить к корректировке (трансформированию) диаграмм. Такая скорость изменения деформаций позволяет достигать вершины диаграммы примерно за 1 час.

Если по мере падения сопротивления бетона удаётся в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы. Знать как работает бетон на этом участке важно для ряда конструкций и видов нагружения.

Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна , т.е. она состоит из упругой части, равной и неупругой , которая после снятия нагрузки практически не исчезает. Точнее небольшая доля неупругих деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки исчезает. Эта часть пластической деформации называется деформацией упругого последействия ε_ер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации ε_е1,характеризующая обратимое сплющивание пустот цементного камня. Таким образом, после разгрузки бетона окончательно остается остаточная деформация, возникающая из-за необратимого сплющивания пустот цементного камня и излома их стенок ε_р_l₁ (рис. 13). R₂ – напряжение в момент, предшествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная величина).

Рис. 12. К определению продольных деформаций бетона при сжатии:

а – опытный образец (призма) с наклеенными на боковых поверхностях электротензодатчиками; б – диаграмма при приложении нагрузки ступенями; 1 – прямая упругих деформаций, 2 – кривая полных деформаций

При невысоких напряжениях ( ) превалируют упругие деформации ( ), а при бетон можно рассматривать как упругий материал. При осевом растяжении диаграмма имеет тот же характер что и при сжатии.

Необходимо обратить внимание на предельные деформации, при которых бетон разрушается (точнее начинает разрушаться). Независимо от режима нагружения за предельное значение деформации бетона принимают величину, соответствующую максимальному напряжению. Считают приближенно, что средние значения предельных деформаций тяжёлого бетона любого класса составляют при кратковременном действии нагрузки:

- при сжатии е_иЬ = 0, 002 (2 мм на 1 м);

- при растяжении е_и_bt = 0,00015 (0,15 мм на 1 м).

Знание предельных деформаций бетона необходимо, так как от их величин зависит диапазон совместной работы арматуры с бетоном и эффективность её использования.

Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки (t > 60 минут), даже постоянной, неупругие деформации с течением времени значительно увеличиваются. В реальных же условиях в процессе строительства зданий и сооружений идёт постепенное ступенчатое нагружение железобетонных элементов.

Нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки называется ползучестью бетона. Впервые ползучесть бетона была обнаружена И. Самовичем в 1885 г. Деформации ползучести состоят из двух частей: пластической, протекающей почти одновременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. При длительном загружении бетона постоянной нагрузкой, которая меньше разрушающей, диаграмма сжатия выглядит так, как показано на рис. 14, а. Участок 0 - 1 этой диаграммы соответствует деформации, возникающей при загружении; кривизна этого участка зависит, главным образом, от скорости загружения. Участок 1 - 2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений. Наибольшая интенсивность нарастания деформаций ползучести наблюдается в первые 3. 4 месяца после загружения бетона (рис. 14, б). Они достигают к концу этого периода 40. 45% от e_upl,через год они составляют приблизительно 65. 75% от e_upl,и через два года 80. 90%. Затем нарастание этих деформаций по мере приближения к предельной для данных условий величине e_upl постепенно затухает. Замечено, что нарастание деформаций ползучести прекращается одновременно с окончанием нарастания прочности бетона. Опыты показывают, что независимо от того, с какой скоростью достигнуто напряжение σ_ь, конечные неупругие деформации, соответствующие этому напряжению, всегда будут одинаковы (рис. 14, в).

Рис. 14. Неупругие деформации бетона в зависимости:

а, б – от длительности действия нагрузки; в – от скорости начального загружения

Деформации ползучести развиваются главным образом в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3. 4 раза, т. е. ε_ир_l /ε_е - 3. 4. Это обстоятельство заставляет с ними считаться при проектировании железобетонных конструкций.

Одновременно с ползучестью развиваются и деформации усадки, т. е.:

(1.13)

Природа ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и постепенным уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит постепенное перераспределение напряжений с испытывающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кристаллический сросток и зёрна заполнителей. Развитию деформаций ползучести способствуют также капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформирование прекращается.

Ползучесть бетона условно разделяют на линейную и нелинейную. Считают, что линейная ползучесть имеет место при ( – напряжение, соответствующее нижней границе микроразрушений). В этом случае деформацию ползучести определяют по формуле:

(1.14)

где с – мера ползучести бетона при сжатии .

В практических расчётах используют обычно предельную меру ползучести бетона с_пр, отнесенную ко времени t → ∞ (практически t = 3. 4 годам). Её значения при для различных сроков загружения бетона приведены в СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы» в табл. 3.

Обозначим через v= ε_е/εь коэффициент упругопластичности бетона, а через λ = ε_pl /εь – коэффициент пластичности бетона, тогда отношение

(1.15)

будет называться характеристикой ползучести бетона φ, которая изменяется от 0 до 4.

Зависимость между с и φ можно получить из (1.14) и (1.15), учитывая, что , тогда φ = сЕ_b; φ и с вводятся в расчёт для количественной оценки деформаций линейной ползучести при сжатии.

Величина деформации ползучести зависит от многих факторов.

Загруженный в раннем возрасте бетон (при прочих равных условиях) обладает большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Технологические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увеличением W/C и расхода цемента на единицу объёма бетонной смеси ползучесть возрастает; с повышением прочности зёрен заполнителя ползучесть уменьшается; с повышением класса бетона ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны. Ползучесть зависит от вида цемента: наибольшей ползучестью обладают бетоны, приготовленные на шлакопортландцементе или портландцементе. Ползучесть тем меньше (при прочих равных условиях), чем больше размеры поперечного сечения бетонного элемента. Максимальные деформации ползучести (при прочих равных условиях) достигаются при водонасыщении бетона в пределах 20. 35%. Пропаривание бетона снижает его ползучесть на 10. 20%, а автоклавная обработка – на 50. 80%. Ползучесть бетона оказывает существенное влияние на работу железобетонных конструкций под нагрузкой, что учитывают, например, при расчете внецентренно сжатых элементов, при оценке деформативности конструкций и при определении внутренних усилий в статически неопределимых конструкциях.

Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. Многократное повторение циклов нагрузки и разгрузки бетонного образца приводит к постепенному накоплению неупругих деформаций. Линии нагрузки и разгрузки образуют петлю гистерезиса, площадь которой характеризует энергию, затраченную за один цикл на преодоление внутреннего трения.

При напряжениях, не превышающих предел выносливости , после достаточно большого числа циклов неупругие деформации бетона, соответствующие данному уровню напряжений, постепенно выбираются и бетон начинает работать упруго (рис. 15).

При высоких напряжениях после некоторого числа циклов кривая достигает прямолинейного вида, а затем начинает искривляться снова, но уже в обратном направлении, т.е. вогнутостью в сторону оси напряжений. Искривление начинается с верхней части прямой (т.е. вблизи наивысшего напряжения) и появляется точка перегиба. При продолжающемся повторении приложении нагрузки точка перегиба опускается всё ниже по кривой, пока не исчезнет. Тогда вся кривая оказывается вогнутой в сторону оси напряжений. При этом остаточные деформации после каждой разгрузки неограниченно растут, а кривая всё больше наклоняется к оси абсцисс. Петля гистерезиса всё больше увеличивается и, наконец, образец хрупко разрушается.

Физические явления, происходящие в бетоне при повторных нагружениях, близки к явлениям, происходящим при действии очень длительных нагрузок, т.е. длительное нагружение можно рассматривать как многократно повторное с .

При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200. 600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бетона, называемое виброползучестью или динамической ползучестью бетона.

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий их эксплуатации нормы проектирования СП 52-101-2003 устанавливают показатели качества бетона (их несколько). Важнейшим из них является класс бетона по прочности на осевое сжатие В. Он указывается в проектах во всех случаях как основная характеристика бетона.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В называется наименьшее контролируемое значение временного сопротивления сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных после 28 суток твердения при температуре t = 20 ± 2°С и относительном влажности воздуха более 60% с соблюдением всех требований стандарта, которое принимается с доверительной вероятностью 0,95.

Для бетонных и железобетонных конструкций нормами проектирования СНиП 52-01-2003 по прочности на сжатие предусмотрены следующие классы тяжёлого бетона: В3,5; В5; В7,5; B10; B15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80; В85; В90; В95; В100; В105; В110; В115; В120.

Число, стоящее после буквы «В» в обозначении класса бетона, соответствует гарантированной прочности бетона на осевое сжатие, выраженной в МПа, с обеспеченностью 95%. Например, классу бетона В20 соответствует гарантированная прочность бетона 20 MПa.

Чтобы оценить количественно изменчивость прочности бетона и обеспечить её гарантированное для заданного класса бетона значение используют методы теории вероятностей.

Классы бетона по прочности на осевое растяжение (В_t0,4; В_t0,8; В_t1,2; В_t1,6; В_t2; В_t2,4; В_t2,8; В_t3,2; В_t3,6; В_t4; В_t4,4; В_t4,8; В_t5,2; В_t5,6; В_t6) устанавливаются для конструкций, работающих преимущественно на растяжение (например, стенок резервуаров и водонапорных труб).

Кроме того, при необходимости для более полной характеристики качеств бетона могут устанавливаться марки бетона по морозостойкости F, по водонепроницаемости W и по средней плотности D.

В п. 5.1.3. СНиП 52-01-2003 предусмотрены бетоны следующих марок:

- по морозостойкости F15, F20, F25, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F700, F800, F900, F1000, они характеризуются числом циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которые выдерживает бетон без снижения прочности более чем на 15%;

- по водонепроницаемости W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20;

число — величина давления воды в кгс/см 2 , при котором еще не наблюдается просачивания ее через испытуемый стандартный образец толщиной 15 см;

- по средней плотности от D 200 до D 5000, соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м 3 .

Для напрягающих бетонов устанавливают марку по самонапряжению.

При необходимости устанавливают дополнительные показатели качества бетона, связанные с теплопроводностью, температуростойкостью, огнестойкостью, коррозионной стойкостью (как самого бетона, так и находящейся в нем арматуры), биологической защитой и с другими требованиями, предъявляемыми к конструкции.

Виды деформаций. Под деформативностью бетона понимается изменение его формы и размеров под влиянием различных воздействий (в том числе в результате взаимодействия бетона с внешней средой).

Бетон является упруго-пластическим материалом, в котором, начиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций, появляются и неупругие остаточные или пластические, т. е. полная деформация без учёта усадки равна:

- при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой;

- при длительном действии нагрузки;

- при многократном повторном действии нагрузки.

Наибольший практический интерес представляют продольные деформации бетона при осевом сжатии. Для изучения деформативности бетона при сжатии используют бетонные призмы с h/a = 4, чтобы исключить влияние на получаемые результаты сил трения, возникающих между опорными гранями образца и плитами пресса. На боковые грани призм в средней их части по высоте устанавливают приборы для замера деформаций (рис. 2.4а) или наклеивают электротензодатчики.

Нагрузка к призме прикладывается постепенно по этапам или ступеням (ступень обычно составляет 1/10. 1/20 от ожидаемой разрушающей нагрузки). Если деформации на каждой ступени приложения нагрузки замерять дважды: первый раз сразу после приложения нагрузки и второй раз через некоторое время после выдержки под нагрузкой (обычно около 5 минут), то на диаграмме получим ступенчатую линию, изображенную на рис. 1.7б. Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, неупругие и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой (рис. 2.4б).

Рисунок 2.4 – К определению продольных деформаций бетона при сжатии: а - опытный образец (призма) с наклеенными на боковых поверхностях электротензодатчиками; б - диаграмма при приложении нагрузки ступенями; 1 - прямая упругих деформаций, 2 - кривая полных деформаций

Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Его длительность обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 2.5. Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня
напряжений и класса бетона, т. е. .

Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна:

Рисунок 2.5 – Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями бетона при сжатии и растяжении: I – область упругих деформаций; II – область пластических деформаций; 1 – нагрузка; 2 – разгрузка; – предельная сжимаемость; – предельная растяжимость; – максимальная сжимаемость при нисходящей ветви диаграммы

т. е. она состоит из упругой части, равной и неупругой , которая после снятия нагрузки практически не исчезает. Точнее небольшая доля неупругих деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки исчезает. Эта часть пластической деформации называется деформацией упругого последействия ε_ер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации ε_е1 характеризующая обратимое сплющивание пустот цементного камня. Таким образом, после разгрузки бетона окончательно остается остаточная деформация, возникающая из-за необратимого сплющивания пустот цементного камня и излома их стенок ε_р_l₁ (рис. 2.5). R2- напряжение в момент, предшествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная величина).

При невысоких напряжениях () превалируют упругие деформации (), а при бетон можно рассматривать как упругий материал. При осевом растяжении диаграмма имеет тот же характер что и при сжатии.

Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки (t > 60 минут), даже постоянной, неупругие деформации с течением времени значительно увеличиваются. В реальных же условиях в процессе строительства зданий и сооружений идёт постепенное ступенчатое нагружение элементов.

Нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки называется ползучестью бетона. Деформации ползучести состоят из двух частей: пластической, протекающей почти одновременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. Деформации ползучести развиваются, главным образом, в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3. 4 раза.

Основными показателями прочности и деформативности бетона являются нормативные значения их прочностных и деформационных характеристик.

Основными прочностными характеристиками бетона являются нормативные значения:

сопротивления бетона осевому сжатию R_b,n;
сопротивления бетона осевому растяжению R_bt,n.

Нормативное значение сопротивления бетона осевому сжатию (призменная прочность) следует устанавливать в зависимости от нормативного значения прочности образцов-кубов (нормативная кубиковая прочность) для соответствующего вида бетона и контролируемого на производстве.

Нормативное значение сопротивления бетона осевому растяжению при назначении класса бетона по прочности на сжатие следует устанавливать в зависимости от нормативного значения прочности на сжатие образцов-кубов для соответствующего вида бетона и контролируемого на производстве.

Соотношение между нормативными значениями призменной и кубиковой прочностями бетона на сжатие, а также соотношение между нормативными значениями прочности бетона на растяжение и прочности бетона на сжатие для соответствующего вида бетона следует устанавливать на основе стандартных испытаний.

При назначении класса бетона по прочности на осевое растяжение нормативное значение сопротивления бетона осевому растяжению принимают равным числовой характеристике класса бетона по прочности на осевое растяжение, контролируемой на производстве.

Основными деформационными характеристиками бетона являются нормативные значения:

предельных относительных деформаций бетона при осевом сжатии и растяжении ε_bo,n и ε_bto,n ;
начального модуля упругости бетона Е _b,n .
Кроме того, устанавливают следующие деформационные характеристики:
начальный коэффициент поперечной деформации бетона v;
модуль сдвига бетона G;
коэффициент температурной деформации бетона α_bt;
относительные деформации ползучести бетона ε_сг (или соответствующие им характеристику ползучести φ_b,cr меру ползучести C_b,cr;
относительные деформации усадки бетона ε_shr.

Нормативные значения деформационных характеристик бетона следует устанавливать в зависимости от вида бетона, класса бетона по прочности на сжатие, марки бетона по средней плотности, а также в зависимости от технологических параметров бетона, если они известны (состава и характеристики бетонной смеси, способов твердения бетона и других параметров).

В качестве обобщенной характеристики механических свойств бетона при одноосном напряженном состоянии следует принимать нормативную диаграмму состояния (деформирования) бетона, устанавливающую связь между напряжениями σ _b,n (σ_bt,n) и продольными относительными деформациями ε_b,n (ε_bt,n) сжатого (растянутого) бетона при кратковременном действии однократно приложенной нагрузки (согласно стандартным испытаниям) вплоть до их нормативных значений.

Основными расчетными прочностными характеристиками бетона, используемыми в расчете, являются расчетные значения сопротивления бетона:

Расчетные значения прочностных характеристик бетона следует определять делением нормативных значений сопротивления бетона осевому сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии и растяжении.

Значения коэффициентов надежности следует принимать в зависимости от вида бетона, расчетной характеристики бетона, рассматриваемого предельного состояния, но не менее:

для коэффициента надежности по бетону при сжатии:

1.3 - для предельных состояний первой группы;
1.0 - для предельных состояний второй группы;

для коэффициента надежности по бетону при растяжении:

1,5 - для предельных состояний первой группы при назначении класса бетона по прочности на сжатие;
1.3 - то же, при назначении класса бетона по прочности на осевое растяжение;
1.0 - для предельных состояний второй группы.

Расчетные значения основных деформационных характеристик бетона для предельных состояний первой и второй групп следует принимать равными их нормативным значениям.

Влияние характера нагрузки, окружающей среды, напряженного состояния бетона, конструктивных особенностей элемента и других факторов, не отражаемых непосредственно в расчетах, следует учитывать в расчетных прочностных и деформационных характеристиках бетона коэффициентами условий работы бетона γ_bi.

Расчетные диаграммы состояния (деформирования) бетона следует определять путем замены нормативных значений параметров диаграмм на их соответствующие расчетные значения.

Значения прочностных характеристик бетона при плоском (двухосном) или объемном (трехосном) напряженном состоянии следует определять с учетом вида и класса бетона из критерия, выражающего связь между предельными значениями напряжений, действующих в двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Деформации бетона следует определять с учетом плоского или объемного напряженных состояний.

Характеристики бетона — матрицы в дисперсно-армированных конструкциях следует принимать как для бетонных и железобетонных конструкций.

Характеристики фибробетона в фибробетонных конструкциях следует устанавливать в зависимости от характеристик бетона, относительного содержания, формы, размеров и расположения фибр в бетоне, ее сцепления с бетоном и физико-механических свойств, а также в зависимости от размеров элемента или конструкции.

Основными показателями прочности и деформативности арматуры являются нормативные значения их прочностных и деформационных характеристик.

Основной прочностной характеристикой арматуры при растяжении (сжатии) является нормативное значение сопротивления R_s,n, равное значению физического предела текучести или условного, соответствующего остаточному удлинению (укорочению), равному 0,2%. Кроме того, нормативные значения сопротивления арматуры при сжатии ограничивают значениями, отвечающими деформациям, равным предельным относительным деформациям укорочения бетона, окружающего рассматриваемую сжатую арматуру.

Основными деформационными характеристиками арматуры являются нормативные значения:

относительных деформаций удлинения арматуры ε_s0,n при достижении напряжениями нормативных значений R_s,n;
модуля упругости арматуры E_s,n.

Для арматуры с физическим пределом текучести нормативные значения относительной деформации удлинения арматуры ε_s0,n определяют как упругие относительные деформации при нормативных значениях сопротивления арматуры и ее модуля упругости.

Для арматуры с условным пределом текучести нормативные значения относительной деформации удлинения арматуры ε_s0,n определяют как сумму остаточного удлинения арматуры, равного 0,2%, и упругих относительных деформаций при напряжении, равном условному пределу текучести.

Для сжатой арматуры нормативные значения относительной деформации укорочения принимают такими же, как при растяжении, за исключением специально оговоренных случаев, но не более предельных относительных деформаций укорочения бетона.

Нормативные значения модуля упругости арматуры при сжатии и растяжении принимают одинаковыми и устанавливают для соответствующих видов и классов арматуры.

В качестве обобщенной характеристики механических свойств арматуры следует принимать нормативную диаграмму состояния (деформирования) арматуры, устанавливающую связь между напряжениями σ_s,n и относительными деформациями ε_s,n арматуры при кратковременном действии однократно приложенной нагрузки (согласно стандартным испытаниям) вплоть до достижения их установленных нормативных значений.

Диаграммы состояния арматуры при растяжении и сжатии принимают одинаковыми, за исключением случаев, когда рассматривается работа арматуры, в которой ранее были неупругие деформации противоположного знака.

Характер диаграммы состояния арматуры устанавливают в зависимости от вида арматуры.

Расчетные значения сопротивления арматуры R_s определяют делением нормативных значений сопротивления арматуры на коэффициент надежности по арматуре.

Значения коэффициента надежности следует принимать в зависимости от класса арматуры и рассматриваемого предельного состояния, но не менее:

при расчете по предельным состояниям первой группы - 1,1;
при расчете по предельным состояниям второй группы - 1,0.

Расчетные значения модуля упругости арматуры E_s принимают равными их нормативным значениям.

Влияние характера нагрузки, окружающей среды, напряженного состояния арматуры, технологических факторов и других условий работы, не отражаемых непосредственно в расчетах, следует учитывать в расчетных прочностных и деформационных характеристиках арматуры коэффициентами условий работы арматуры γ_si.

Расчетные диаграммы состояния арматуры следует определять путем замены нормативных значений параметров диаграмм на их соответствующие расчетные значения.

Деформативность бетона под кратковременной нагрузкой при наличии его сцепления с арматурой характеризует распределение полного усилия в железобетонном элементе по мере роста нагрузки.

Степень вовлечения арматуры в совместную работу с бетоном различна на разных уровнях нагружения и ограничивается некоторым предельным значением деформаций бетона, которые могут быть достигнуты к моменту потери бетоном несущей способности или нарушения сцепления с арматурой.

Нормативные документы (СНиП; СН 365-67) рекомендуют учитывать предельную деформативность бетона при расчете элементов железобетонных конструкций на трещино - стойкость, а в некоторых случаях также на прочность. При этом предельная деформативность принимается в среднем равной: при сжатии = 200-10~5, а при растяжении в*р= 15-Ю-5.

Указанные величины следует рассматривать, однако, как сугубо ориентировочные. Опыты показывают, что фактические значения предельных деформаций бетона колеблются в довольно широких пределах в зависимости от состава бетонной смеси, качества составляющих, скорости загружения, а также от вида напряженного состояния (осевое или внецентренное сжатие, изгиб, растяжение и т. д.).

Проанализируем закономерности изменения предельной деформативности тяжелых бетонов в условиях осевого сжатия ERq при обычных лабораторных испытаниях кратковременной нагрузкой.

Развитие деформаций бетона с ростом нагрузки и форма кривой а — є существенно зависят от того, сохраняется
ли Постоянной в течение испытаний скорость Деформирования материала ^ = const или скорость подачи нагруз-

Ки = const. В первом случае после достижения максимального значения напряжений на кривой сг — є обнаруживается нисходящий участок, и дальнейшее нарастание деформаций сопровождается падением величины напряжений. Во втором случае достижение максимума напряжений приводит к быстрому исчерпанию несущей способности бетона, так что нисходящий участок кривой зафиксировать, как правило, не удается.

Учитывая указанные особенности кривой сг — є, условимся в дальнейшем, что независимо от режима нагру

Жения = const или —77 = const предельное значение

Деформаций бетона соответствует максимальным напряжениям на этой кривой. С учетом этого принципа были обработаны результаты испытаний бетонов обычной и высокой

Прочности, полученные при условии как - J] = const [148,

155], так и = const [15, 23, 66]. В зависимости от призменной прочности бетона в момент испытания на график наносили соответствующие удельные значения предельной деформации єдс//?пр (Рис - 43). Видно, что между рассматриваемыми величинами существует достаточно тесная корреляционная связь (коэффициент корреляции г = 0,95), которая аппроксимируется аналитическим выражением вида:

Наряду с этим необходимо учитывать, что в общем случае даже при одинаковом режиме нагружения зависимость
bRc = /(/?пр) носит, бероятно, неоднозначный Характер, обусловленный влиянием технологических параметров, не связанных непосредственно с прочностью бетона. Систематические исследования, которые позволили бы проверить это положение, пока не проводились. Однако можно полагать, что аналогично упругим деформациям (см. предыдущие разделы) предельные деформации бетона

Предельная деформативность бетона при неоднородных напряженных состояниях сжатия (внецентренное сжатие, сжатие при изгибе) может существенно отличаться от величин, соответствующих осевому сжатию за счет влияния соседних менее напряженных участков сжатой зоны. По некоторым опытным данным, предельные деформации сжатия в крайней фибре балок достигают (300700) 10—5, а в отдельных случаях 1000 х10~5.

Экспериментальные исследования* проведенные в ЦНИИС по специальной методике [15], показали, что наиболее напряженные волокна работают в этом случае

Рис. 44 Зависимость предельных деформаций растяжения бетона от содержания крупного заполнителя в смеси, по данным

1—Каплана (раствор) [161]; 2— Каплана (бетон на щебне и гравий) [161]; З—Писанко и Голикова (бетон на щебне) [67]

В зоне нисходящего участка кривой сг — ей претерпевают поэтому значительные деформации вплоть до разрушения. Такое явление особенно сильно выражено в низкомарочных

Бетонах. Не исключено, что в этом случае характер взаимосвязи предельных деформаций и прочности бетона будет отличен от установленного при центральном сжатии (см. рис. 43).

Аналогичным образом влияет также арматура сжатой зоны, вследствие чего предельные деформации армирован-

Деформации бетона при растяжении едр значительно меньше по величине, чем при сжатии. Относительная предельная деформация растяжения составляет, согласно опытным данным (10ч-15) • Ю-5.

Эксперименты показывают [66, 161], что на предельную растяжимость бетона в значительной мере оказывает влияние присутствие крупного заполнителя. По данным Капла - на [161], величина заметно уменьшается по мере увеличения процентного содержания заполнителя (рис. 44). Из тех же данных следует, что деформации бетона, соответствующие моменту появления первых микротрещин в растянутой зоне балок и при раскалывании цилиндров, близки по величине к предельным деформациям осевого растяжения (рис. 45).

Читайте также: