Статья опубликована в №34 (июнь) 2016
Разделы: Архитектура, Строительство
Размещена 29.06.2016. Последняя правка: 28.06.2016.
Просмотров - 4244

Влияние высокопрочной арматуры на деформативные свойства железобетона

Колесников Владислав Дмитриевич

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

студенит

Колкатаева Наталья Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования зданий и строительных конструкций, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

УДК 624.075.23

Существующие нормы проектирования РФ тормозят развитие строительных технологий, в частности действующая методика расчёта сжатых железобетонных элементов (расчёт по предельным усилиям), поскольку согласно ей нецелесообразно использовать высокопрочную арматуру в сжатых железобетонных элементах. Нецелесообразность обусловлена тем, что данная методика ограничивает расчётное сопротивление стали до 400 МПа (при кратковременном нагруженнии). Следовательно, прочностные возможности арматуры с более высоким пределом текучести не будут учтены. Однако, в настоящее время существует новый, более прогрессивный метод расчёта сжатых железобетонных элементов, метод расчёта по нелинейной деформационной модели железобетона, который не ограничивает при расчёте расчётное сопротивление арматуры. Результаты расчёта по такой методике свидетельствуют о том, что использование высокопрочной арматуры увеличивает деформативность железобетона.

Целью данной работы является попытка доказать рациональность использования высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных конструкциях без предварительного напряжения, в связи с тем, что её применение увеличивает деформативность в железобетонных конструкциях и как следствие увеличивает и несущую способность.

Проведём расчёт несущей способность центрально-сжатого короткого (влияние гибкости не учитывается) железобетонного элемента при кратковременном нагружении (явление ползучести бетона исключается) по двум методам:

– методу предельных усилий (действующий метод);

– и методу нелинейной деформационной модели железобетона

Решение методом предельных усилий.

В Российских нормах, заложенных в актуализированной версии СНиП – СП63.13330.2012 предельная относительная деформация у бетона при сжатии постоянна ε_bo = 200·10^-5. При расчёте несущей способности железобетона деформации бетона и стали считаются одинаковыми. В Европейских нормах максимальная деформация бетона зависит от его прочности и колеблется в диапазоне от 180·10^-5 до 280·10^-5. В действующих нормах РФ, в частности в СП63.13330.2012, при достижении бетоном максимальной прочности, максимальные деформации в арматуре достигают значения 200·10^-5. Для этой деформации рассчитываются напряжения в арматуре для одноосного сжатия по закону Гука:

R_sc = σ_sc = ε_sc·Е_sc                                                           (1) 

где Es = 2·10⁵ – модуль упругости для стали, МПа;

_εsc = ε_bo = 200·10^-5 – деформации в арматуре при достижении бетоном предела прочности при сжатии.

При подстановке соответствующих значений в формулу (1) получаем σ_sc = 400 МПа. В соответствии с этим, в Российских нормах записано, что для арматуры, какой бы она не была, (обычная или высокопрочная) расчётное сопротивление стали следует брать не более 400 МПа. В соответствии с этим, при кратковременном нагружении, можно брать арматуру не выше класса А400. Т.е. нет возможности использовать высокопрочную арматуру в сжатых железобетонных элементах, по тому как её прочностные возможности, в соответствии с данной методикой, полностью не будут учтены. Далее, можно найти несущую способность N железобетонного элемента, работающего при одноосном центральном сжатии.

Рис. 1. Работа короткого железобетонного элемента при центральном осевом сжатии. 

N = Rb·A +  Rsc·Asc                                                             (2)

где Rb – предел прочности бетона при сжатии, МПа;

A – площадь сечения железобетонного элемента, мм²;

Rsc ≤ 400 – расчётное сопротивление стали, МПа;

Asc – суммарная площадь сечения арматурного стержня, мм².

По этой методике расчёта получается, что высокопрочную арматуру использовать нельзя, по тому, что её прочностные свойства будут недоиспользованы и она не окажет влияния на несущую способность железобетона по сравнению с обычной арматурой.

Однако, на практике это не так, и методикой расчёта по нелинейной деформационной модели железобетона можно доказать, что высокопрочную арматуру можно применять при осевом центральном сжатии.

Решение методом расчёта по нелинейной деформационной модели железобетона.

Главное отличие данного метода от предыдущего в том, что здесь максимальная степень деформации бетона ε_bo не является постоянной и зависит от предела прочности бетона. Конечная формула для расчёта несущей способности железобетонного. элемента похожа на формулу в предыдущем методе, но несколько от неё отличается:

N = σ_b·A + Σσ_sc·A_sc                                                          (3) 

где A_b и A_sc – площадь бетона  и суммарная площадь арматуры, мм²;

σ_b – сжимающие напряжения в бетоне, МПа.

   σ_b = ε_b·ν_b·Е_b                                                            (4) 

где ε_b – относительные деформации в бетоне;

ν_b – коэффициент упругости бетона;

Е_b – начальный модуль упругости бетона, МПа.

где v_bu коэффициент упругости в вершине диаграммы.
где ε_bo предельнаяотносительнаядеформациябетона на вершине диаграммы деформирования, ε_bо = ε_bо [%_o]/1000.

ε_bo = 1,2 + 0,19√R_bn                                                   (8)

 

Рис. 2. Диаграмма деформирования бетона. 

где σ_sc – напряжения сжатия в арматуре, МПа;

Е_sc = 2·10⁵ – начальный модуль упругости стали, МПа.

Для обычной (не высокопрочной) арматуры применяется двухлинейная диаграмма состояния арматуры.

Рис. 3. Диаграмма деформирования обычной арматуры

при 0 < ε_sc < ε_sc0

σ_sc·= ε_sc·Е_sc                                                          (9)

ε_sc0= R_s/E_sc                                                         (10)

 

при ε_sc0 < ε_sc < ε_sc2

σ_sc·= R_s                                                           (11)

ε_sc2 = 0,025                                                       (12)

где R_s – расчётное значение арматуры на растяжение, МПа.

Для высокопрочной арматуры применяется трёхлинейная диаграмма состояния арматуры.

Рис. 4. Диаграмма деформирования высокопрочной арматуры

 

при 0 < ε_sc < ε_sc1

σ_sc·= ε_sc·Е_sc                                                    (13)

σ_sc1·= 0,9Rs/Е_sc                                                    (14)

при ε_sc1 < ε_sc < ε_sc2

σ_sc1·= 0,9·R_s                                                 (16)

  ε_sc0= R_s/E_sc + 0,002                                            (17)

ε_sc2 = 0,015                                               (18)

По методу придельных усилий для бетона класса B60 и арматуры марки А400 для железобетонного образца сечением 400х400 и диаметром арматуры 25 мм с количеством стержней 4 шт (процент армирования 4,91 %) несущая способность N = 9 683,9 кН.

По методу нелинейной модели деформирования железобетона расчёт вёлся для:

– бетона В60 и обычной арматуры А400 с теми же геометрическими параметрами, что и в расчёте по методу предельных усилий

– и бетона В60 и высокопрочной арматуры А800

так как этот метод допускает использование высокопрочной арматуры.

Для В60 и А400 в соответствии с формулой (8) предельная относительная деформация бетона ε_bo на вершине диаграммы 0,0025. В наших нормах, не зависимо от прочности бетона, она равна 0,002. Несущая способность в железобетонной конструкции N = 9 713,27 кН при относительной предельной деформации железобетонного элемента 0,0025 на вершине диаграммы, которая совпадает с предельной относительной деформацией бетона на вершине диаграммы. Разница между результатами расчётов двух методов составляет ∆Р = 29,37 кН или около 3 т. В данном случае влияние на расчёт оказали разные предельно допускаемые деформации в бетоне на вершине диаграммы.

Рис. 5. Диаграмма деформирования бетона B60

 

Рис. 6. Диаграмма деформирования арматуры А400.

Рис. 7. Диаграмма деформирования железобетона, армированного арматурой классом А400. 

Для В60 и А800 в соответствии с формулой (8) предельная относительная деформация бетона на вершине диаграммы ε_bo также 0,0025, т.к. класс бетона не менялся. Несущая способность в железобетонной конструкции N = 11 329,85 кН при относительной предельной деформации железобетонного элемента ε_bso 0,0035 на вершине диаграммы, которая больше предельной относительной деформацией бетона на вершине диаграммы 0,0025. Напряжения сжатия в арматуре в момент достижения максимальной несущей способности σ_sc = 720 МПа, т.е. прочностные возможности арматуры А800 были использованы на 90 %. В данном случае высокопрочная арматура повлияла на деформативные свойства железобетона, увеличив предельную степень деформации всего железобетонного элемента до 0,0035 (в отличии от арматуры А400, где ε_bo = 0,0025, которая на не повлияла на деформативность конструкции), и тем самым увеличив несущую способность на 1617 кН или 164,8 т.

Рис. 8. Диаграмма деформирования бетона B60

Рис. 9. Диаграмма деформирования арматуры А800
 

Рис. 10. Диаграмма деформирования железобетона, армированного арматурой классом А800

Таким образом, используя данный метод (расчёт по нелинейной деформационной модели железобетона), становится возможным использовать высокопрочную арматуру в сжатых элементах, получая при этом следующие преимущества в сравнении с методом предельных усилий:

– при тех же геометрических параметрах и при том же проценте армирования, что и в методе предельных усилий, с помощью нелинейной деформационной модели железобетона используя высокопрочную арматуру увеличить несущую способность N;

– при той же несущей способности N и том же проценте армирования, что и в методе предельных усилий, с помощью нелинейной деформационной модели железобетона используя высокопрочную арматуру уменьшить размеры сечения сжимаемой железобетонной конструкции и тем самым облегчить вес конструкции и сделав возможным более доступно высотное домостроение;

– при той же несущей способности N и тех же геометрических характеристиках, что и в методе предельных усилий, с помощью нелинейной деформационной модели железобетона, используя высокопрочную арматуру, уменьшить процент армирования. Т.е. сократить количество высокопрочной арматуры до 30 %, (при том, что высокопрочная арматура дороже обычной на 10-15 %) тем самым получить экономический эффект.

1. Чистяков Е.А. Основы теории, методы расчета и экспериментальные исследования несущей способности сжатых железобетонных элементов при статическом нагружении: Дисс. … доктора техн. наук. – М, 1988. – 627 с.
2. Кришан А.Л., Римшин В.И., Заикин А.И. Расчет прочности сжатых железобетонных элементов с косвенным армированием. Бетон и железобетон – взгляд в будущее: научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону. Т.1. Теория железобетона. Железобетонные конструкции. Расчет и конструирование. Москва: МГСУ, 2014.- C.308-313.
3. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. – М.: Стройиздат, 1996.– 416 с.
4. Кроль И.С. Эмпирическое представление диаграмм сжатия (обзор литературных источников) / И.С.Кроль // Исслед. в области мех. Измерений. – М.: ВНИИФТРИ, 1971.-Вып.8 (38).– С.306-326.
5. СП63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.М.:ФАУ«ФЦС»,2012. – 155 с.

Рецензии:

29.06.2016, 11:00 Очилов Фарход Эгамбердиевич
Рецензия: Рекомендую опубликовать



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий