Введение
В современном мире есть опасность лавинообразного разрушения конструкций от разного рода техногенных факторов, террористических угроз, в связи с этим становится актуальным вопрос повышения вязкости разрушения элементов.
Одним из способов повышения вязкости разрушения является дисперсное армирование бетона стальными фибрами, способное обеспечить улучшение механических характеристик материала: увеличить предельную сжимаемость, повысить прочность, растяжимость, трещиностойкость, ударопрочность, вязкость разрушения и т.д. [1,2,3,4].
Конструкции круглого сечения приобретают все более широкое применение. Зачастую, помимо продольных сил на них также действуют и поперечные силы.
Вместе с тем отсутствуют данные о расчете как железобетонных, так и фиброжелезобетонных конструкций, как в нормативных документах, так и в специальной литературе.
В Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре «Железобетонных и каменных конструкций» были проведены испытания элементов круглого сечения из сталефибробетона при совместном действии продольных сжимающих и поперечных сил, в которых варьировалась величина продольного усилия обжатия. В результате эксперимента было выявлено, что:
1. Добавление продольных 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. Для железобетонных образцов увеличение составило 50%, 87%, 139%, для фиброжелезобетонных – 50%, 95%, 134% в зависимости от продольного усилия сжатия.
3. Фибровое армирование меняет характер разрушения и трещинообразования образцов. Разрушение становилось более вязким, ширина раскрытия трещин в фиброжелезобетонных образцах была меньше, чем в железобетонных. Шаг трещин в фиброжелезобетонных образцах был больше. Это подтверждается исследованиями авторов [1,2,3,4].
Влияние совместного действия продольных сжимающих и поперечных сил в нормативных документах [5, 6, 7] учитывается коэффициентом:
φn=Qn/Q,
где Qn – несущая способность от совместного действия продольной сжимающей и поперечной сил; Q – несущая способность от действия поперечной силы.
В таблице 1 приведено сравнение опытных и теоретических коэффициентов φn и разрушающей поперечной нагрузки (Qn) для сталефиброжелезобетонных образцов.
Таблица 1
Примечание: 
; 
; φnоп=Qnоп/ Qоп;
,
где N-усилие сжатия, 
, Qnоп – экспериментальное значение предельной поперечной силы, воспринимаемой образцом при совместном действии продольных и поперечных сил, Qоп – несущая способность элемента без продольного обжатия; Q – теоретическая несущая способность вычисленная по предложенной расчетной модели [8].
В таблице 2 приведено сравнение опытных и теоретических коэффициентов φn и разрушающей поперечной нагрузки (Qn) для железобетонных образцов.
Таблица 2
На основании таблиц 1 и 2 были построены графики зависимости разрушающей поперечной силы от продольного усилия сжатия (рис. 1, 2).
Рис. 1. Зависимость Q от N в железобетонном элементе, где Q- предельная поперечная сила, N-усилие обжатия
Рис. 2. Зависимость Q от N в фиброжелезобетонном элементе, где Q – предельная поперечная сила, N – усилие обжатия
Как видно из графиков, существующие нормативные документы дают значительное отклонение от опытных результатов. Так, для железобетонных конструкций отклонение по нормам СНиП 2.03.01-84 составило 20,4%, для СП 52-101-2003 – 38,51%, по СП 63.13330.2012 – 42,79%. Для фиброжелезобетонных конструкций отклонение по нормам СНиП 2.03.01-84 составило 19,86%, для СП 52-101-2003 – 26,67%, по СП 63.13330.2012 – 31,63%.
На рисунке 3, 4 представлены графики зависимости коэффициента φn от b по результатам экспериментальных данных и теоретических расчетов для железобетонных и фиброжелезобетонных элементов.
Рис. 3. Зависимость φn от β в железобетонном элементе, где
, 
Рис. 4. Зависимость φn от β в фиброжелезобетонном элементе, где
,
Наименьшее отклонение теоретических результатов от экспериментальных было получено при расчете по СНиП 2.03.01-84, в котором была принята линейная зависимость коэффициента φn от продольного сжатия.
На основании проведенных экспериментов была построена аппроксимирующая зависимость коэффициента φn от b (рис. 4), которая выражается формулой:
Рис. 4. Зависимость φnоп от β
где φnоп= Qnоп/ Qоп, 
Таким образом, несущая способность элемента круглого сечения из сталефибробетона от совместного действия продольной сжимающей и поперечных сил определяется из выражения:
Расчеты по существующим нормативным документам элементов круглого сечения из сталефибробетона при совместном действии продольных сжимающих и поперечных силах дают значительное отклонение от опытных данных ( Dmax = 31,63%) в запас прочности, что снижает эффективность использования материалов при проектировании.
В результате проведенных исследований получены экспериментально теоретические параметры, обеспечивающие получение адэкватных результатов при расчете прочности фиброжелезобетонных элементов круглого сечения при совместном действии продольных сжимающих и поперечных сил.
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-Петербургского государственного политехнического университета», г. Санкт-Петербург.