Введение
В современном обществе всегда есть опасность разрушения конструкций от разного рода техногенных факторов, террористических угроз. В связи с этим становятся актуальными вопросы повышения вязкости разрушения элементов и предупреждения лавинообразного разрушения.
Одним из способов решения данной проблемы является дисперсное армирование бетона стальными фибрами, способное обеспечить улучшение механических характеристик материала: повысить прочность, увеличить предельную сжимаемость, растяжимость, трещиностойкость, ударопрочность и т.д. [3-7].
Все более широкое применение, в частности в многоэтажных зданиях, имеют конструкции круглого сечения, работающие с малыми эксцентриситетами. Зачастую, помимо продольных сил, на них также действуют и поперечные силы. Ранее проведенные экспериментальные исследования [1; 2] показали, что продольная сжимающая сила оказывает заметное воздействие на прочность и трещиностойкость при действии поперечных сил прямоугольных и тавровых сечений.
Вместе с тем отсутствуют данные о расчете как железобетонных, так и фиброжелезобетонных конструкций как в нормативных документах, так и в специальной литературе.
Настоящая статья посвящена экспериментальным исследованиям элементов круглого сечения при совместном действии продольной сжимающей и поперечной нагрузок.
Изготовление и испытание конструкций производилось в лаборатории кафедры железобетонных и каменных конструкций СПбГАСУ.
Для выполнения поставленной цели было изготовлено 12 образцов. Образцы были разделены на три серии в зависимости от усилия продольного обжатия, в количестве 0.1, 0.15, 0.2 от разрушающей продольной силы при центральном сжатии. Для каждой серии были изготовлены контрольные образцы из железобетона. Для определения физико-механических свойств фибробетона и бетона были изготовлены кубы размерами 100×100×100 мм и призмы размерами 400×100×100 мм.
Образцы представляли собой балки круглого сечения диаметром 200 мм и длиной 1000 мм. Армирование и геометрические размеры образцов представлены на рис. 1.
Армирование фиброжелезобетонных образцов производилось стальной проволочной фиброй «Танис» (l=20, d=0,2). Общий вид фибр представлен на рисунке 2. Применялся мелкозернистый бетон. Состав бетонной смеси на 1 м3: цемент – 791,4 кг, песок – 1582,8 кг, вода – 356,69 л, фибра (1%) – 85,99 кг. Содержание фибрового армирования составляет m=1% на основании ранее проведенных исследований [8].
Рис. 1. Схема армирования опытных образцов
Рис. 2. Общий вид фибр «Танис»
Бетонная смесь приготавливалась в смесителе принудительного действия объемом 20 л. Последовательность добавки компонентов принималась следующая: в смеситель загружались песок c цементом, вода и затем фибра. Формование каждого образца осуществлялось за один этап. Уплотнение смеси производилось глубинным вибратором ИВ-35-1. Образцы формовались в сборной пластиковой форме, предварительно смазанной маслом, что обеспечивало точность геометрических размеров.
Распалубка осуществлялась на 7 сутки после формования. Образцы хранились 28 суток в помещении с температурой 20…25 °С. Для предотвращения потери влаги открытые поверхности покрывались влажной ветошью и полиэтиленом.
Характеристики опытных образцов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Примечание: первая цифра означает процент фибрового армирования, ФЖБ-фиброжелезобетон, последняя цифра - усилие продольного сжатия (т)
Обжатие образцов осуществлялось с применением гидравлических домкратов ГД-25 и ГД-50 до нужного результата. Для передачи усилий продольного сжатия на испытуемый образец, был изготовлен специальный стенд (рис. 3), позволяющий с помощью домкрата передать на балку продольные сжимающие усилия. Продольная сила прикладывалась по центру тяжести поперечного сечения балки до постоянного значения.
Нагружение поперечной нагрузкой производилось ступенями по 10% от ожидаемой разрушающей нагрузки. При достижении нагрузки 70% от разрушающей величина ступени уменьшалась до 5% от разрушающей нагрузки.
Рис. 3. Общий вид испытуемого образца
Качественный характер трещинообразования в образцах был идентичен образцам без продольного сжатия [8]: первые трещины возникали под точками приложения нагрузки в растянутой зоне и в зоне чистого изгиба. С увеличением нагрузки появлялись наклонные трещины у опоры, стремящиеся к точке приложения нагрузки.
Разрушение железобетонных образцов происходило по наклонному сечению и сопровождалось отколом защитного слоя растянутой зоны, вблизи опоры. В отличие от образцов без продольного сжатия [8], разрушение носило более вязкий характер, падение нагрузки пресса было значительно медленнее, чем в образцах без продольной сжимающей силы.
Рис. 4. Разрушение ФЖБ образцов
Серии 1ФЖб-10, 1ФЖБ-14, 1ФЖБ-20
Появление видимых трещин у фиброжелезобетонных образцов наблюдалось при 0,4 от разрушающей нагрузки. Слышалось характерное потрескивание, которое было обусловлено выдергиванием фибр из тела бетона. При достижении разрушающей нагрузки следовало плавное падение нагрузки до 70-80% от разрушающей. Все образцы разрушились при раскрытии наклонной трещины и раздроблении бетона сжатой зоны (рис. 4).
На рисунке 5 представлена зависимость предельной поперечной силы от продольных усилий сжатия.
Рис. 5. Зависимость предельной поперечной силы (Q) от усилий продольного сжатия (N) на образцах из фиброжелезобетона (ФЖБ) и железобетона (ЖБ)
При добавлении сжимающих сил наблюдалось увеличение несущей способности по наклонному сечению. Для железобетонного образца прочность повысилась в 1,5, 1,87, 2,39 раза при обжатии усилием 8,5, 10, 20 тонн соответственно. Для фибробетонного образца прочность повысилась в 1,5, 1,95, 2,34 раза при обжатии усилием 10, 14, 20 тонн соответственно.
Из проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Добавление продольных осевых, сжимающих сил увеличивает несущую способность железобетонных и фиброжелезобетонных элементов по наклонному сечению при действии поперечных сил.
2. Количественное влияние продольной силы для железобетонных и фиброжелезобетонных образцов было практически одинаковым.
3. Фибровое армирование меняет характер разрушения и трещинообразования образцов. Разрушение становилось более вязким. Количество трещин в фиброжелезобетонных образцах было существенно выше, чем в образцах из железобетона.
Рецензенты:
Веселов А.А., д.т.н., профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г.Санкт-Петербург.
Белов В.В., д.т.н., профессор кафедры «Строительная механика и строительные конструкции» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», г.Санкт-Петербург.