Растягивающие напряжения в бетоне от усадки
Обновлено: 24.04.2024
Основные физико-механические свойства бетона и арматуры
Физико-механические свойства бетона зависят от его состава, технологии изготовления конструкций и вида их напряженного состояния. Следует учитывать и тот факт, что с увеличением загрязнений и крупного заполнителя прочность бетона ухудшается. При постоянном водоцементном соотношении механические свойства цементного бетона практически не зависят от соотношения между количеством вяжущего и заполнителя.
Характерной особенностью для всех видов бетона является неоднородность структуры. Повышение структурной однородности бетона существенно влияет на улучшение его физико-механических свойств, что способствует значительному росту прочности бетона. Так как неоднородность и дефектность структуры бетона носят случайный характер, то механические свойства бетона целесообразно оценивать с точки зрения статистической механики твердого тела, т. е. с учетом вероятностного описания его напряженно-деформированного состояния.
Вследствие усадки цементного камня, в его соприкосновении с заполнителем возникают микротрещины сцепления ненагруженного бетона. Размеры этих трещин и их количество зависят от микро- и макроструктуры бетона. С увеличением сжимающей нагрузки силы сцепления ослабляются и происходит развитие микротрещин, несмотря на процесс уплотнения бетонной массы. Наряду с этим происходит увеличение растягивающих напряжений в направлении, перпендикулярном плоскости приложения внешней силы. При кратковременном однократном сжатии или растяжении уровень напряжений Rb1 при котором образуются трещины в цементном камне, называют нижней границей микроразрушения или пределом упругости бетона (рис. ниже). Эта величина характеризуется максимальным уплотнением сжатого бетона образца, что подтверждается изменением относительной скорости ультразвука.
Диаграммы деформаций бетона при кратковременном однократном действии нагрузки
В тех местах, где цементный камень ослаблен порами и дефектами, возникают концентрации напряжений. Это обстоятельство способствует (при увеличении нагрузки) началу разрушения цементного камня и снижению его сцепления с заполнителем. В результате происходит разуплотнение бетона. Уровень напряжений Rb2, при котором прекращается прирост объема образца, принимают за верхнюю границу микроразрушения. При дальнейшем увеличении нагрузки происходит интенсивное трещинообразование в бетоне и его отрыв от образца в поперечном направлении.
Уровни Rb1 и Rb2 при осевом сжатии бетона могут быть определены по зависимостям О.Я. Берга:
Физические процессы уплотнения, разуплотнения, микро- и макроразрушения бетона обусловливают характер его деформирования как при сжатии, так и при растяжении. Если статическая нагрузка возрастает мгновенно, то в бетоне развиваются упругие деформации, которые прямо пропорциональны напряжениям, т. е. подчиняются закону Гука. При напряжениях σb относительные величины деформаций составляют εb,el (рис. выше). При медленном увеличении нагрузки на образцы возникают пластические деформации бетона εb,pl, которые в теории железобетона называют деформациями быстронатекающей ползучести. При замедленном (длительном) увеличении нагрузки показатель прочности бетона может снизиться на 10% в сравнении с кратковременным (мгновенным) возрастанием нагрузки.
К основным физико-механическим свойствам бетона относятся прочность и деформативность, определяемые его структурой.
Прочность бетона. Бетон имеет капиллярно-пористую неоднородную структуру, образованную зернами заполнителя (песок, щебень или гравий), скрепленными цементным камнем в монолитный твердый материал. По данным исследований, поры и капилляры занимают около трети объема цементного камня. В таком неоднородном материале внешняя нагрузка создает сложное напряженное состояние.
В сжатом бетонном образце напряжения концентрируются на более твердых частицах и около пор и пустот. При этом растягивающие напряжения действуют по площадкам, параллельным направлению силы (рис. ниже). Так как в бетоне много хаотически расположенных пор и пустот, то растягивающие напряжения накладываются друг на друга.
Поскольку сопротивление бетона растяжению значительно меньше, чем сжатию, то разрушение сжимаемого образца происходит в результате разрыва бетона в поперечном направлении (рис. ниже). Отсутствие закономерности в расположении твердых частиц и пор приводит к существенному разбросу показателей прочности при испытании образцов из одного и того же бетона.
К бетону неприменимы классические теории прочности, так как они справедливы для материалов с идеальными свойствами. Поэтому данные о его прочности и деформативности основываются на большом числе экспериментов.
Схема напряженного состояния и разрушения сжатого бетонного образца
Прочность бетона зависит от многих факторов, основными из которых являются: время и условия твердения, вид напряженного состояния, форма и размеры образцов, длительность нагружения.
Опытами установлено, что прочность бетона нарастает в течение длительного времени, но наиболее интенсивный ее рост происходит в начальный период твердения (28 суток при применении портландцемента, 90 суток при пуццолановом и шлаковом портландцементе). В дальнейшем нарастание прочности значительно замедляется, но при положительной температуре и влажной среде продолжается еще годами (рис. ниже).
Нарастание прочности бетона во времени при хранении во влажной (а) и сухой (б) средах
Из рисунка видно, что в бетоне, хранившемся во влажной среде, увеличение прочности продолжается и по истечении 10 лет. В бетоне же, хранившемся только 7 дней во влажной среде, а затем в сухой, нарастание прочности почти прекратилось примерно через год. Опыты над образцами, хранившимися во влажной среде в течение 20 лет, показали, что прочность их непрерывно растет.
На прочность бетона большое влияние оказывает скорость нагружения образцов. При замедленном нагружении прочность бетона оказывается меньше на 10-15%, чем при кратковременном. При быстром нагружении (0,2 с и менее) прочность бетона, наоборот, возрастает до 20%. Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона.
Кубиковая прочность бетона при сжатии является основной механической характеристикой (эталон прочности) материала. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Однако силы трения, возникающие на опорных гранях, препятствуют поперечным деформациям куба вблизи торцов и создают эффект обоймы (рис. ниже). Если устранить влияние сил трения смазкой контактных поверхностей, то поперечные деформации проявляются свободно и куб раскалывается по трещинам, параллельным направлению действия сжимающей силы (рис. ниже), а его прочность уменьшается примерно вдвое. По ГОСТу кубы испытывают без смазки контактных поверхностей. Силы трения влияют на прочность кубов в зависимости от их размеров: чем меньше размер куба, тем больше его прочность. Так, если прочность куба с ребром 15 см равна R, то для куба с ребром 10 см она равна 1,12R, а с ребром 20 см
Кубиковая прочность бетона при сжатии необходима для производственного контроля и при проектировании не применяется, так как реальные конструкции по форме отличаются от куба и приближаются к форме призм. Поэтому за основную характеристику прочности батона сжатых элементов принята призменная прочность — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм с квадратным основанием а и высотой h.
Характер разрушения бетонных кубов при сжатии
Опыты показали, что с увеличением h/a влияние сил трения на торцах уменьшается и прочность призм снижается. Разрушение наступает от поперечного растяжения и образования продольных трещин (см. рис. выше). При h/a > 4 прочность призм становится постоянной и равной Rb
(0,7-0,8)R. Призменную прочность используют при расчете сжатых и изгибаемых элементов.
Прочность бетона при местном сжатии (смятии) учитывают при передаче давления только на часть площади (опирание балок, ферм, колонн и т. д.). Как показывают опыты, в этом случае загруженная часть площади обладает большей прочностью, чем Rb, так как в работе участвует также бетон, окружающий площадку смятия и создающий эффект обоймы. Прочность бетона на местное сжатие
где Alog1 — площадь смятия; Alog2 — расчетная площадь, включающая площадку смятия и дополнительный участок, как правило, симметричный по отношению к площади смятия.
Прочность бетона при растяжении зависит от прочности цементного камня, силы его сцепления с заполнителем и значительно меньше прочности при сжатии. При осевом растяжении прочность бетона R bt = (0,1-0,05)R.
Причем с увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при растяжении уменьшается. Опытным путем Rbt определяют испытаниями на разрыв восьмерок или на раскалывание образцов в виде цилиндров и кубов.
Прочность бетона при срезе и скалывании в железобетонных конструкциях встречается редко. Обычно срез сопровождается действием нормальных сил. Под чистым срезом понимается разделение элемента на две части по сечению, в плоскости которого действуют перерезывающие силы. Прочность бетона при срезе можно определять по эмпирической зависимости:
Значительно чаще бетон в железобетонных конструкциях работает на скалывание, например, в балках под действием поперечных сил. Скалывающие (касательные) напряжения при изгибе изменяются по высоте сечения по квадратной параболе. Сопротивление бетона скалыванию, по опытным данным, в 1,5-2 раза больше прочности при осевом растяжении.
Прочность бетона при длительных, быстрых и многократно повторяющихся нагружениях. При длительном действии статической нагрузки бетон разрушается при меньших напряжениях, чем временное сопротивление кратковременной нагрузке. Это вызвано развитием значительных неупругих деформаций и структурных изменений в бетоне. Предел длительного сопротивления бетона при осевом сжатии, по опытным данным, составляет 0,9Rb. Если конструкция эксплуатируется в благоприятных для нарастания прочности бетона условиях (например, гидротехнические сооружения, эксплуатируемые во влажной среде), то уровень напряжений OtJRb постепенно уменьшается в связи с ростом Rh, и отрицательное влияние длительного загружения будет со временем проявляться меньше. При нагрузках малой продолжительности (порыв ветра, транспортные средства, краны, удар и т. д.) бетон разрушается при больших напряжениях (1,1-1,2)Rb.
Многократно повторяющиеся нагрузки снижают сопротивление бетона сжатию под влиянием развития микротрещин. Предел выносливости бетона зависит от числа циклов нагрузки, характеристики цикла ρb = σmin /σmax и принимается не менее 0,5Rb.
Его используют при расчете на выносливость железобетонных конструкций, испытывающих динамические нагрузки (подкрановые балки, пролетные строения мостов и т. д.).
Деформации бетона под нагрузкой. В бетоне различают деформации двух основных видов: силовые, развивающиеся под действием внешних сил, и температурно-влажностные.
Бетон является материалом с ярко выраженными упругопластичными свойствами. Уже при небольших напряжениях в нем кроме упругих (восстанавливающихся) деформаций развиваются пластические (остаточные) деформации, которые в основном зависят от характера приложения и длительности действия нагрузки. Поэтому силовые деформации различают при однократном кратковременном, длительном и многократно повторяющихся нагружениях.
При однократном действии кратковременной нагрузки деформации бетона оценивают путем испытания бетонных призм на сжатие. Если призму загружать ступенями и замерять деформации на каждой ступени дважды (после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой), то диаграмма σ-ε будет ступенчатой (рис. ниже). Деформации εpl, замеренные сразу после приложения нагрузки, —упругие и прямо пропорциональны напряжениям, а деформации εpl, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, — пластические. Упругие деформации соответствуют мгновенной скорости загружения образца.
Пластические деформации с уменьшением скорости загружения или увеличением времени выдержки образца под нагрузкой возрастают, а зависимость σ-ε становится более пологой. Таким образом, полная деформация бетона εb = εel + εpl. При большом количестве ступеней загружения график σ-ε становится криволинейным (пунктир на рис. ниже). В общем случае диаграмма «напряжения— деформации» для бетона изображена на рис. ниже. Если в какой-то момент загружения, соответствующий напряжению σb, нагрузку с бетонного образца быстро снять, то кривая σ-ε будет обращена выпуклостью в противоположную сторону. В процессе разгружения восстанавливается часть неупругих деформаций (рис. ниже). После полной разгрузки в образце сохраняются остаточные деформации, которые с течением времени частично восстанавливаются (деформации упругого последействия εep).Диаграмма σ-ε при испытании бетонных призм на сжатие
Общая диаграмма «напряжения-деформации» бетона
Связь между напряжениями и деформациями для бетона, как упругопластичного материала, характеризуется модулем деформации и является переменной величиной, определяемой как тангенс угла наклона касательной к кривой σ-ε, т. е. Eb = tga = dσ/dε. Использование такого определения модуля деформаций сложно и затруднительно.
Поэтому для практических расчетов при небольших напряжениях σb < Rb, связь σ-ε принимается линейной (соответствует закону Гука) и называется начальным (или мгновенным) модулем упругости Eb - tga = σb/εel. При σb > 0,3/Rb влияние пластических деформаций становится существенным и в расчетах используют средний модуль, или модуль упругопластичности, представляющий собой тангенс угла наклона секущей Eb,Pl = tga = σb/εel.
где v = εl/εb — коэффициент, характеризующий упругопластичное состояние бетона при сжатии; он изменяется от 1 (при упругой работе) до 0,1 и зависит от величины напряжений и длительности нагрузки.
При осевом растяжении диаграмма σ-ε имеет тот же характер, что и при сжатий. Начальные модули упругости бетона при растяжении и сжатии отличаются незначительно и могут быть приняты одинаковыми. Тогда модуль упругопластичности бетона при растяжении
где vt —коэффициент, характеризующий упругопластическое состояние бетона при растяжении. При σbt - Rbt по опытным данным vt = 0,5.
При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Эти деформации интенсивно нарастают в первые 3—4 месяца, затем их рост постепенно замедляется и прекращается через несколько лет.
Нарастание неупругих деформаций во времени при длительном действии нагрузки или напряжений (температурных, влажностных и т. п.) называют ползучестью бетона. Деформации ползучести могут в 3-4 раза превышать упругие деформации. Деформации ползучести бетона и скорость их нарастания во времени зависят от очень многих факторов. Так, с ростом напряжений ползучесть бетона увеличивается; загруженный в раннем возрасте бетон характеризуется большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. На ползучесть бетона также влияют технологические факторы: увеличение количества цемента и В/Ц, применение цементов низких марок повышают ползучесть; хорошо фракционированный заполнитель, тщательное уплотнение бетонной смеси уменьшают деформации ползучести.
Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная ползучесть возможна при σb < 0,5Rb, когда увеличение деформаций примерно пропорционально увеличению напряжений (рис. ниже, кривая 1). При напряжениях σb > 0,5Rb в бетоне появляются микротрещины, начинаются ускоренное нарастание неупругих деформаций и нелинейная ползучесть (рис. ниже, кривая 2). Так как граница между этими двумя видами ползучести (граница развития микротрещин) выше напряжений при эксплуатационных нагрузках, наибольшее практическое значение имеет линейная ползучесть.Деформации ползучести бетона
Для количественной оценки деформаций ползучести пользуются величинами: характеристика ползучести φt и мера ползучести С(t);
где εpl(t) —деформация ползучести к моменту времени t; εel —упругая деформация в момент загружения (рис. ниже, t = 0); σb— длительно действующие напряжения.
При многократно повторяющейся нагрузке происходит постепенное накопление неупругих деформаций. После определенного числа циклов загружения и разгрузки неупругие деформации выбираются, и бетон начинает работать упруго. Такой характер деформирования наблюдается при напряжениях, не превышающих предела выносливости. При большем значении напряжений после некоторого числа циклов неупругие деформации начинают неограниченно расти и происходит разрушение образца, т. е. наступает усталость бетона.
Предельные деформации бетона. Предельными называют деформации бетона перед его разрушением. Различают предельную сжимаемость εbu и растяжимость εbtu, которые зависят от прочности бетона, его состава и длительности приложения нагрузки.
С увеличением прочности бетона они уменьшаются, а с ростом длительности нагрузки увеличиваются. По данным опытов, предельная сжимаемость бетона εbu = (0,8—З)10 -3 . В расчетах принимают εbu = 2 · 10 -3 , а при длительном действии нагрузки εbul = 2,5 · 10 -3 .
Предельная растяжимость бетона в 10-20 раз меньше предельной сжимаемости и в среднем принимают εbtu = 1,5 · 10 -3 . Величину εbtu можно определять в зависимости от прочности бетона при растяжении с учетом модуля упругопластичности бетона (см. формулу выше):
Предельная растяжимость бетона существенно влияет на сопротивление образованию трещин в растянутых зонах железобетонных конструкций.
Температурные и влажностные деформации бетона. Температурные деформации бетона неизбежны в массивных гидротехнических сооружениях при их бетонировании. Твердение бетона сопровождается выделением теплоты (экзотермический разогрев) и при последующем неравномерном остывании конструкции появляются значительные температурные деформации. Они возникают также в сооружениях, подверженных атмосферным воздействиям или изменениям технологических температур. Температурные деформации при ограничении перемещений конструкций (статически неопределимые) или при неравномерном их распределении по объему (в массивных сооружениях) вызывают растягивающие напряжения, которые могут привести к появлению трещин. Для расчета температурных деформаций и напряжений пользуются коэффициентом линейного расширения бетона, величина которого, по опытным данным, при температуре от -50 до +50 °С в среднем составляет 1-10 -5 1/град.
Влажностные деформации бетона вызваны его свойством: уменьшаться в объеме при твердении в воздушной среде (усадка) и увеличиваться в объеме при увлажнении (набухание). Усадку бетона можно представить как сумму деформаций двух видов: собственно усадки и влажностной усадки.
Собственно усадка происходит в результате уменьшения истинного объема системы цемент — вода в процессе гидратации цемента и необратима. Влажностная усадка связана с испарением свободной влаги в бетоне; она частично обратима: при твердении на воздухе происходит усадка бетона, а при достаточном притоке влаги — набухание. Деформации влажностной усадки бетона в 10-20 раз больше деформаций собственно усадки.
Усадка бетона происходит наиболее интенсивно в начальный период твердения и в течение первого года. В дальнейшем она постепенно затухает. Величина и скорость усадки зависят от влажности окружающей среды (чем меньше влажность, тем больше усадочные деформации и выше скорость их роста), вида цемента, состава бетона, способов его укладки и т. д. Неравномерное высыхание бетона по объему в массивных гидротехнических сооружениях приводит к неравномерной усадке. Открытые поверхностные слои бетона теряют влагу быстрее и усадка их больше, чем внутренних, более влажных зон. В результате такой неравномерности во внутренних слоях бетонного тела возникают сжимающие, а в наружных — растягивающие напряжения, приводящие к образованию поверхностных трещин.
Величина усадки (набухания) зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах. По опытным данным средние деформации могут быть приняты равными: усадки — 2 · 10 -4 , набухания — 1 · 10 -4 . Уменьшение усадочных деформаций и напряжений в бетоне достигается как технологическими (уменьшение расхода цемента и отношения В/Ц, повышение плотности бетона, увлажнение открытых поверхностей и т. д.), так и конструктивными мерами, например, устройством усадочных швов, постановкой противоусадочной арматуры. Наиболее радикальным средством устранения усадки является применение безусадочных цементов.
В строительстве наибольшее применение получили обычные тяжелые бетоны плотностью 22-25 кН/м. Прочность бетона нарастает с течением времени. Наиболее быстрый ее рост происходит в начальный период твердения (28 суток для портландцемента, 90 суток для пуццоланового и шлакового портландцемента).
В зависимости от вида действующих нагрузок (сжатие, растяжение, изгиб, срез) бетон имеет различную прочность.
Кубиковая прочность R — это временное сопротивление сжатию бетонных кубов размером 150x150x150 мм.
Так как реальные конструкции но форме отличаются от куба, то при расчетах используется призменная прочность Rb, представляющая собой временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм с квадратным основанием а и высотой h.
При соотношении h/a > 4 призменная и кубиковая прочности связаны зависимостью
Прочность бетона при растяжении, связь призменной и кубико- вой прочности определяются эмпирической формулой
Прочность бетона на растяжение при изгибе Rbtc вычисляется по обычной формуле изгиба, не учитывающей пластические деформации,
Среднее значение коэффициента изгиба
В действительности, для различных бетонов значение Кс колеблется в широких пределах. Прочность бетона при растяжении определяется по формуле
Как рассчитать напряжения в арматуре, возникающие от усадки бетона?
Интересует обозначенный в заголовке вопрос и смежные с ним проблемы. Дано: некая бетонная балка с квадратным сечением A x A и длиной L. При её изготовлении перед заливкой бетонной смеси производится установка продольных стержней арматуры, совокупная площадь сечения арматурных стержней S. Соответственно, необходимо понять какой величины возникают напряжения в балке и в арматуре после твердения? Интуиция подсказывает, что в арматуре должны возникать сжимающие напряжения, а в массиве бетона растягивающие, и они должны расти с увеличением степени армирования. Может быть я заблуждаюсь, и некое представление о вреде переармирования ложно?
В целом логика правильная. Переармированные сечения плохи тем, что разрушение в таких сечениях имеет хрупкий характер и происходит внезапно; прочность растянутой арматуры недоиспользуется.
Усадка бетона при наличии арматуры
Наличие арматуры существенно уменьшает усадку и набухание бетона. Это объясняется тем, что арматура вследствие сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона (рис. 29).
Для определения деформации усадки железобетона при старом (зрелом) бетоне естественного твердения можно пользоваться формулой:
Стеснение (ограничение) арматурой деформаций усадки бетона приводит к возникновению в железобетонном элементе собственных или начальных внутренне уравновешенных напряжений: растяжения в бетоне и сжатия в арматуре.
Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетонного элемента ( )и стесненной усадки армированного элемента ( ) (см. рис. 29)
(1.27)
в поперечных сечениях железобетонного элемента возникают растягивающие напряжения в бетоне , средние значения которых определяются по формуле:
(1.28)
Рис. 29. Деформации усадки образцов:
а – бетонного; б – железобетонного
Наибольшие значения этих напряжений находятся в зоне контакта бетона с арматурой.
где As – площадь сечения продольной арматуры;
А – площадь сечения элемента.
Из (1.30) находим напряжения в продольной арматуре
(1.31)
где — коэффициент армирования сечения.
Если подставить в (1.27) деформации, выраженные через напряжения, по формулам (1.28), (1.29), (1.31), то получим следующее выражение:
Из него получаем значение средних растягивающих напряжений в бетоне, действующих в поперечном сечении железобетонного элемента
(1.32)
где – отношение модулей упругости арматуры и бетона;
,здесь – коэффициент упругопластических деформаций бетона при растяжении.
Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных элементов, которые испытывают растяжение от нагрузки.
В статически неопределимых железобетонных конструкциях (арках, рамах и т.п.) лишние связи препятствуют усадке железобетона, вызывая появление дополнительных внутренних усилий.
Растягивающие напряжения в бетоне от усадки
Рекомендации
по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных конструкций
Рекомендованы к изданию решением секции конструкций Ученого совета НИИЖБа.
Содержат методику расчета железобетонных конструкций с учетом ползучести и усадки бетона, условий изготовления, а также сроков нагружения конструкций.
Изложены основные положения расчета, приведены значения деформаций ползучести и усадки тяжелых бетонов и другие характеристики, необходимые для расчета. Даны методики определения потерь предварительного напряжения от усадки и ползучести бетона, жесткостей и перемещений изгибаемых и сжатых элементов, величин критических сил для сжатых стержней, а также методика расчета статически неопределимых систем.
Для инженерно-технических работников проектных и производственных организаций, научных работников, а также студентов строительных вузов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящие Рекомендации содержат положения по учету ползучести и усадки бетона при проектировании бетонных и железобетонных стержневых элементов и составленных из них систем, изготовленных из тяжелого бетона и применяемых в промышленном, гражданском, гидротехническом, транспортном и других областях строительства.
Целью Рекомендаций является внедрение в практику проектирования методов расчета, позволяющих более точно учитывать влияние деформаций ползучести и усадки бетона на напряженно-деформированное состояние бетонных и железобетонных конструкций. Использование в расчетном аппарате статистически обоснованных характеристик бетона, принимаемых в зависимости от состава бетона, его возраста в момент нагружения, длительности действия нагрузки, условий окружающей среды в стадии эксплуатации конструкции и других факторов, позволяет более правильно проектировать бетонные и железобетонные конструкции.
Рекомендации предусматривают возможность применения расчетного аппарата также и при отсутствии в полном объеме исходных данных о составе бетона и некоторых других факторах.
Основными характеристиками бетона, учитываемыми в расчетах, являются прочность и модуль упругости бетона в момент приложения силового или температурно-влажностного воздействия, мера ползучести (характеристика ползучести) бетона, деформация усадки бетона и др.
Рекомендации состоят из 12-ти разделов: в разделах 1-3 излагаются основные положения и предпосылки методик расчета, а также приводятся значения прочностных и деформационных характеристик бетона; в разделах 4-9 содержится изложение методов расчета бетонных и железобетонных конструкций с учетом ползучести и усадки в предположении линейной зависимости между напряжениями и деформациями; в разделах 10-12 приведены методики расчета с учетом нелинейного деформирования бетона при кратковременном и длительном действии нагрузки.
Рекомендации составлены на основе результатов исследований, проведенных в СССР и за рубежом.
Рекомендации разработаны НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн. наук Р.Л.Серых, канд. техн. наук А.В.Яшин), ЦНИИС Минтрансстроя (кандидаты техн. наук Е.Н.Щербаков, Н.Г.Хубова), ВЗИСИ Минвуза РСФСР (д-р техн. наук В.М.Бондаренко, кандидаты техн. наук В.Г.Назаренко, И.М.Сперанский), ОИСИ Минвуза УССР (д-р техн. наук И.Е.Прокопович, кандидаты техн. наук М.В.Штейнберг, А.Н.Орлов), ЛПИ имени М.И.Калинина Минвуза РСФСР (д-р техн. наук П.И.Васильев); НИИСК Госстроя СССР (д-р техн. наук А.Б.Голышев, кандидаты техн. наук В.Я.Бачинский, В.А.Критов).
В разработке отдельных положений Рекомендаций приняли также участие ИСМиС АН ГССР (д-ра техн. наук З.Н.Цилосани, Г.В.Кизирия); ВЗПИ Минвуза СССР (д-р техн. наук Ю.В.Зайцев), ЦНИИС Минтрансстроя (инж. В.Л.Хасин); ДИСИ Минвуза УССР (канд. техн. наук В.А.Пахомов), КАДИ Минвуза УССР (д-р техн. наук Я.Д.Лившиц, ОИСИ Минвуза УССР (кандидаты техн. наук В.И.Барановский, М.М.Застава, инж. М.М.Бакирова), КПИ Минвуза МССР (д-р техн. наук Е.Н.Львовский, инж. Ф.П.Сырбу), ВЗИСИ Минвуза РСФСР (кандидаты техн. наук В.В.Костюков, А.Н.Курбанов, Е.П.Михлин); Ленинградский ИСИ Минвуза РСФСР (канд. техн. наук А.И.Филиппов); ЦНИИпроект Госстроя СССР (канд. техн. наук С.В.Бондаренко).
1. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Настоящие Рекомендации содержат указания по учету влияния деформаций ползучести и усадки при расчете бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона на цементном вяжущем, выполняемых как без предварительного натяжения арматуры, так и с предварительным натяжением, и предназначенных для эксплуатации в условиях воздействия температур не выше плюс 50 °С и не ниже минус 40 °С и относительной влажности воздуха в пределах от 30 до 100%.
1.2. Материалы Рекомендаций основаны на обширных результатах статистической обработки опытных данных о кратковременном и длительном деформировании бетона, а также экспериментально проверенных теоретических решениях задач теории ползучести. Рекомендации позволяют более точно оценивать влияние ползучести и усадки бетона на несущую способность и перемещения, создают возможности для проектирования более рациональных и экономичных бетонных и железобетонных конструкций.
Для упрощения расчетов помещены таблицы, в которых промежуточные значения определяют по линейной интерполяции.
1.3. Рекомендации распространяются на расчет стержневых элементов бетонных и железобетонных конструкций, а также конструкций, рассчитываемых аналогичными способами, при действии нагрузок и (или) вынужденных деформаций (температурные и влажностные воздействия, смещения опор и т.д.).
Рекомендации не распространяются на расчет массивных конструкций гидротехнических и других сооружений. При наличии данных о величинах деформации ползучести и усадки рекомендации могут применяться и для расчета конструкций из других видов бетона (на пористых заполнителях, на специальных вяжущих и т.п.).
1.4. При определении внутренних усилий и перемещений расчетные температура и влажность среды устанавливаются заданием на проектирование. При отсутствии в задании необходимых указаний температура и влажность среды определяются по отраслевым техническим условиям.
1.6. Численные значения характеристик бетона, приведенные в настоящих Рекомендациях, предназначены только для проектирования. Характеристики арматуры, а также другие данные, не нашедшие отражения в Рекомендациях, следует принимать по соответствующим нормативным документам.
1.7. Усилия в статически неопределимых железобетонных конструкциях от нагрузок и вынужденных деформаций при расчете по предельным состояниям первой и второй групп следует, как правило, определять с учетом неупругих деформаций бетона и арматуры, с учетом в необходимых случаях нелинейности деформаций при кратковременном нагружении и деформаций ползучести, наличия трещин, а также деформированного состояния как отдельных элементов, так и конструкций в целом.
1.8. Усилия, возникающие при любом изменении температуры, определяют в предположении однократного и стационарного во времени характера этих температурных воздействий.
1.9. Вынужденные деформации, связанные с неравномерной осадкой опор в статически неопределимых системах, считаются мгновенно зафиксированными или монотонно изменяющимися по законам, регламентированным соответствующими документами или полученным по результатам экспериментальных или натурных наблюдений.
1.10. При расчете конструкций, возводимых методом последовательного наложения связей после частичного или полного загружения, перемещения в направлении этих связей, сформировавшиеся при работе по разрезной схеме, рассматривают как вынужденные перемещения в неразрезной системе, сохраняющиеся после замыкания связей.
1.11. Если статически неопределимая система состоит из конструктивных элементов, бетон которых существенно различается по возрасту, составу или другим показателям, то в расчет системы следует вводить элементы с соответствующими жесткостями, а также параметрами ползучести и усадки.
2. ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА
2.1. Вводимые в расчет класс бетона по прочности на сжатие и нормативное значение призменной прочности имеют обеспеченность, равную 0,95, и принимаются согласно СНиП 2.03.01-84 для возраста бетона =28 сут. Значения модуля упругости , предельные значения меры ползучести и деформации усадки , определяемые по формулам (1), (3) и (4) или по табл.2 и 4, принимаются среднестатистическими с обеспеченностью 0,5 и соответствуют базовым условиям, принятым по ГОСТ 24452-80 и ГОСТ 24544-81 с изм.
2.2. Для учета в расчетах влияния отклонений фактических условий изготовления, загружения и эксплуатации железобетонных элементов от базовых условий (возраста бетона в момент загружения или же начала его высыхания, размеров поперечного сечения элемента, температурно-влажностного режима окружающей среды, тепловлажностной обработки) числовые значения деформационных характеристик , , , полученные согласно п.2.1, умножают на коэффициенты, приведенные в табл.5-7 и в примечаниях к табл.2 и 4.
2.3. Значение начального модуля упругости бетона при известных характеристиках состава бетонной смеси и ее составляющих определяют по формуле
Усадка бетона и начальные напряжения
Бетон обладает свойством уменьшаться в объёме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объёме при твердении в воде или очень влажной среде (набухание бетона).
Усадка бетона происходит в результате кристаллизации цементного камня и интенсивного испарения воды с поверхностных слоев бетона. Она особенно интенсивно протекает в первые две недели твердения бетона. Через год её можно считать практически закончившейся.
Как показывают опыты, величина усадки бетона зависит от целого ряда причин:
- количества и вида цемента (его минералогического состава) - чем больше расход цемента на единицу объёма бетона, тем (при прочих равных условиях) больше усадка; при этом бетоны, приготовленные на высокоактивных и глинозёмистых цементах, дают большую усадку. Наименьшей усадкой обладают бетоны, приготовленные на портландцементе;
- количества воды - чем больше W/C, тем больше усадка;
- крупности заполнителей и их вида - при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше. Чем выше способность заполнителей сопротивляться деформированию, т. е. чем выше их модуль упругости, тем усадка меньше. При разной крупности зёрен заполнителей и меньшем объёме пустот меньше и усадка;
- от влажности окружающей среды - чем ниже влажность, тем больше усадка;
- различные гидравлические добавки и ускорители твердения (например, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку;
- влияние пропаривания бетона на процесс усадки изучено пока недостаточно; однако имеются данные о том, что после пропаривания усадка уменьшается примерно в 1,5 раза;
- при наличии заполнителей с глинистыми и пылевидными загрязнениями усадочные деформации бетона могут увеличиться в несколько раз.
Средняя величина годичной усадки тяжёлого бетона средней прочности, приготовленного на портландцементе, при естественном твердении составляет esl = 3·10 -4 относительных единиц. Абсолютная величина деформации набухания примерно в 2. 5 раз меньше усадки.
Деформацию усадки бетона можно представить как сумму деформаций двух видов - собственно усадки и влажностной усадки.
Собственно усадка происходит в результате уменьшения истинного объёма системы цемент - вода при гидратации. Она может развиваться при полной изоляции бетона от внешней среды и всегда ведёт к необратимому уменьшению первоначального объёма.
Влажностная усадка связана с уменьшением влагосодержания бетона, то есть с испарением свободной воды в цементном камне и обусловлена капиллярными явлениями (натяжением менисков в порах цементного камня); она частично обратима: при твердении на воздухе происходит уменьшение объёма (усадка), а при достаточно большом притоке влаги – увеличение объёма (набухание).
Деформации, происходящие вследствие влажностной усадки бетона, по величине в 10. 20 раз превышают деформации собственно усадки. Поэтому изменение влагосодержания бетона - основная причина усадочных деформаций.
Усадка повышает сцепление арматуры с бетоном, вызывая её обжатие, что является положительным фактором.
В реальных условиях усадка бетона происходит неравномерно: развитие усадки начинается с поверхности бетона и постепенно, по мере его высыхания, распространяется вглубь. Уменьшение объёма цементного камня встречает сопротивление со стороны инертных составляющих бетона, которые стремятся сохранить свой объём постоянным. Возникающие при этом внутренние усилия могут служить причиной микроразрушений на границе цементно-песчаного камня и крупного заполнителя и даже в самом цементно-песчаном камне. Образующиеся при этом микро- и макротрещины отрицательно влияют на физико-механические свойства бетона. Особенно существенно сказывается влияние усадки на напряженно-деформированное состояние в массивных конструкциях (плотины и т. п. конструкции).
Уменьшения начальных усадочных напряжений в бетоне и тем самым предотвращения образования усадочных трещин можно добиться технологическими мерами — правильным подбором состава бетона (за счёт уменьшения объёма пор), увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, увлажнением, особенно в первые дни, поверхности бетона при естественном твердении и др., а также конструктивными мерами - например, устройством усадочных швов в конструкциях большой протяженности, постановкой противоусадочных сеток.
Бетоны, приготовленные на специальных цементах (расширяющемся или безусадочном) усадки не дают. Особо прочные бетоны класса В100 и выше также практически не дают усадки.
Читайте также: