Визначення ширини розкриття тріщин в згинальних залізобетонних елементах з урахуванням повторних малоциклових навантажень (стр. 1 )

УДК 624.012.25:539.432

Є.1, Ільчук Н. І.2, В.1, кандидати техн. наук

(1- Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне, 2- Луцький державний технічний університет, м. Луцьк)

ВИЗНАЧЕННЯ ШИРИНИ РОЗКРИТТЯ ТРІЩИН В ЗГИНАЛЬНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТАХ З УРАХУВАННЯМ ПОВТОРНИХ МАЛОЦИКЛОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ

Виконано аналіз експериментальних даних, одержаних авторами та іншими дослідниками, на основі яких запропонована методика розрахунку розкриття тріщин в залізобетонних згинальних елементах, які піддаються повторним навантаженням.

ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Низкою експериментальних досліджень встановлено, що в умовах статичного повторного навантаження робота залізобетонних конструкцій суттєво відрізняється порівняно з їхньою роботою при монотонному одноразовому навантаженні [1, 2]. Особливо це стосується процесу утворення та розкриття тріщин, від наявності яких в значній мірі залежить надійність та довговічність залізобетонних конструкцій. На даний час в різних наукових установах виконані окремі дослідження цього питання, узагальнення впливу повторних малоциклових навантажень на ширину розкриття тріщин не виконувалися внаслідок обмеженої їхньої кількості, а обґрунтована методика її визначення не розроблялася. В нормах проектування залізобетонних конструкцій [3] також будь-які рекомендації щодо таких розрахунків відсутні.

З огляду на наведене, задачею досліджень, які розглядаються в даній статті, є узагальнення експериментальних даних, отриманих окремими авторами та авторами статті, розробити методику розрахунку ширини розкриття тріщин в згинальних залізобетонних елементах, які піддаються короткочасним малоцикловим навантаженням.

ОГЛЯД РЕЗУЛЬТАТІВ РАНІШЕ ВИКОНАНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

В роботі [4] наведені результати випробовувань консолей колон при дії повторних навантажень. Консолі колон, які виготовляли з бетону класу В30 з поперечним перерізом 30×30 і 40×40 см, випробовували в пресі ПММ-250 з використанням спеціальних траверс. Рівень повторних навантажень складав приблизно 50 % від руйнуючого, а кількість циклів становила 20, після чого зразки були зруйновані. В процесі повторних навантажень спостерігалося збільшення ширини розкриття тріщин, але на 8 – 10 циклах відбулася їхня стабілізація. Так, на першому циклі ширина розкриття тріщин в консолях розміром 30×30 см становила 0,16 мм, а в консолях розміром 40×40 см – 0,24 мм. До стабілізації ці тріщини відповідно збільшилися до 0,28 і 0,34 мм. В середньому збільшення ширини розкриття тріщин відбулося в 1,46 рази.

Вплив повторних навантажень на процеси тріщиноутворення виявлено при дослідженні роботи пустотних панелей перекриття [5]. В процесі повторних навантажень максимальний згинальний момент складав 65 % від руйнуючого. Після 98 циклів повторних навантажень ширина розкриття тріщин збільшилася до 0,5 мм. На підставі цього автор робить висновок, що при такому режимі навантаження плита перестає задовольняти вимогам щодо нормальної експлуатації.

Дослідження роботи попередньо напружених гратчастих балок при повторних навантаженнях високих рівнів описано в роботі [6]. Рівень повторних навантажень складав 0,76 від руйнівного на протязі дев’яти циклів, на десятому циклі балки довантажувалися до руйнування. Вивчався розвиток нормальних і похилих тріщин, при цьому виявлено, що повторні навантаження більш суттєво впливають на збільшення ширини розкриття похилих тріщин. На першому циклі нормальні тріщини в суцільному перерізі склали 0,19 мм, а в перерізі з прорізом – 0,28 мм. На дев’ятому циклі ці тріщини відповідно зросли до 0,24 і 0,37 мм. Таким чином, повторні навантаження призвели до збільшення ширини розкриття тріщин відповідно в 1,26 і 1,32 раза. Треба зазначити, що похилі тріщини збільшилися майже в 3,5 раза.

Вплив повторних навантажень на ширину розкриття тріщин виявлено і в плитах, що працюють на згин в двох напрямках [7]. Дослідження виконували з плитами розмірами 900×900×90 мм, виготовлених з бетону класу В40 і армованих стержнями діаметром 8 ( плити ПО) і 10 мм (плити П) класу А500 за проценту армування 0,37 і 0,775 %.

Випробовування плит виконували в спеціальних установках монотонним одноразовим навантаженням до руйнування і повторним навантаженням до рівня 0,6 від руйнівного. В плиті П-2, яка випробовувалася за балочною схемою, ширина розкриття тріщин на останньому циклі зросла на 33 %, порівняно з шириною її розкриття на першому циклі.

В плиті П-4, яка завантажувалася в двох напрямках, виявлено, що з кожним новим циклом кількість тріщин зростала, а ширина їх розкриття зменшувалася (з першого по останній цикл на 40 %). В плиті ПО-4, яка завантажувалася таким же чином, як і плита П-4, навпаки, ширина розкриття тріщин зі збільшенням кількості циклів зростала з 0,25 мм (на першому циклі) до 0,4 мм (на останньому циклі). В подальшому аналізі з результатів цих дослідів будуть прийматися плити, які завантажувалися за балочною схемою.

Значні дослідження виконані в роботі [8], в якій випробовувалися балкові конструкції стосовно мостових споруд. Випробовуванням піддавалися 20 залізобетонних балок розміром 100×200×2100 мм за схемою чистого згину. Клас бетону для виготовлення балок приймався в межах В30 – В60, армування виконували стержнями діаметром 12 мм класу А-ІІІ. Базою випробувань було прийнято 10 циклів, а базовим рівнем навантажень – 0,6Pu, де Pu – руйнівне навантаження, яке визначалося за результатами випробовувань балок-близнюків. Для окремих балок цей рівень складав 0,75Pu Ширину розкриття тріщин визначали за допомогою мікроскопа МБП-2 із ціною поділки, рівною 0,05 мм.

Результати дослідження впливу повторних навантажень на ширину розкриття тріщин наведено в табл.1.

Таблиця 1

Збільшення ширини розкриття тріщин балок по циклам навантаження [8]

Серія	Марка балок	Відношення ширини розкриття тріщин на циклах до ширини розкриття на першому циклі (acrc, n /acrc1)
Всі нормальні тріщини	Тріщини з максимальним розкриттям
Після 7-ми циклів при 0,6Pu	Після 10 циклів з довантаж. до 0,75Pu	Після 7-ми циклів при 0,6Pu	Після 10 циклів з довантаж. до 0,75Pu
1	Б1.1	1,18	1,78	1,17	1,63
Б1.2	1,03	1,58	1,03	1,38
2	Б2.1	1,10	-	1,17	-
Б2.2	1,48	1,97	1,50	2,00
3	Б3.1	1,29	1,62	1,00	1,40
Б3.2	1,16	-	1,03	-
4	Б4.1	1,69	2,09	1,40	1,80
Б4.2	1,27	1,81	1,13	1,45
5	Б5.1	1,24	1,73	1,15	1,69
Б5.2	1,16	1,62	1,17	1,68
Середні значення	1,26	1,77	1,18	1,63

В усіх балках утворювалися на першому циклі. При повторних навантаженнях відбувався їхній розвиток без утворення нових, яке спостерігалося лише при монотонному прикладанні навантаження до руйнування балок після десятого циклу. Як видно з табл. 1, після семи циклів навантаження середня ширина розкриття нормальних тріщин по окремим балкам збільшувалася від 1,03 до 1,69 раза, а в середньому в 1,26 рази. Звертає на себе увагу значне збільшення тріщин при довантаженні балок до 0,75Pu. При цьому, таке збільшення може досягати декілька десятків відсотків.

Досліджувався вплив повторних навантажень і в згинальних елементів з армованого керамзитобетону [9]. Попередньо напружені балки розміром 100×200×2000 мм виготовляли з керамзитобетону класу В20 (призмова міцність Rb = 16,4 МПа) зі змішаним армуванням. Попередньо напружувана арматура влаштовувалася діаметром 12 мм класу Ат-V, а звичайна – діаметром 10 мм класу А-ІІІ. Максимальний рівень малоциклового навантаження 0,72 від руйнівного. Тривалість одного циклу навантаження-розвантаження складав 4 ... 5годин (величина ступеня навантаження складала 1/18 руйнівного навантаження). В процесі випробувань вимірювали ширину розкриття головної тріщини, по якій в кінці випробувань відбувалося руйнування балки, і однієї суміжної тріщини.

Значення відношення ширини розкриття головних і другорядних (суміжних) тріщин як середнє по чотирьом балкам на окремих циклах навантаження acrc,n до ширини розкриття на першому циклі acrc1 наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Змінювання ширини розкриття тріщин [9]

Відношен-ня	Тріщини	Цикли навантаження - розвантаження
1	2	3	4	5	7	10
acrc,n/ acrc1	Головні	1,00	1,08	1,11	1,13	1,14	1,15	1,16
Другорядні	1,00	1,10	1,14	1,15	1,15	1,17	1,18

Відношен-ня	Тріщини	Цикли навантаження - розвантаження
15	20	30	40	50	70	100
acrc,n/ acrc1	Головні	1,17	1,18	1,18	1,18	1,19	1,18	1,19
Другорядні	1,19	1,19	1,19	1,19	1,18	1,19	1,20

Як видно з табл. 2, розбіжності у відносному збільшенні ширини розкриття головної і другорядної тріщини майже не спостерігалося. Після дії ста циклів повторного навантаження тріщини в середньому збільшилися в на 19,5 % (збільшення в 1,195 рази). Стабілізація розкриття тріщин практично відбулася до десятого циклу.