Статьи (пресс-релизы)
Н.А. Одарченко
Механизм разрушения изгибаемых железобетонных ограждающих конструкций
Изгибаемые железобетонные конструкции ограждающих конструкций.
Экспериментальными исследованиями установлено, что с развитием деформаций железобетонного элемента напряжённое состояние его сечений меняется не только в количественном, но и в качественном отношении, проходя ряд различных стадий.
Разрушение железобетонного элемента начинается тогда, когда в характерных его сечениях хотя бы один из материалов, составляющих его сечение, достигает предельных значений (для бетона) или значительных деформаций (для арматуры). Экспериментальные исследования показали, что перед разрушением железобетонного элемента, в нём образуются пластические зоны протяженностью до одной, двух высот сечения рассматриваемого элемента, что говорит о перераспределении усилий между сечениями. Однако разрушение железобетонного элемента начинается с сечений которые первыми достигают своих максимальных значений
В первую очередь, в нормально армированном изгибаемом железобетонном элементе разрушение защитного слоя происходит со стороны сжатой зоны бетона. Затем происходит разрушение нижележащих слоёв бетона. Рабочая арматура при этом постоянно растягивается. Постепенно сечение железобетонного элемента уменьшается за счёт разрушения бетона сжатой зоны, что приводит к значительному увеличению прогиба и уменьшению сопротивления нагрузке всего элемента.
Рассматривая переармированный железобетонный элемент, следует отметить, что его разрушение будет происходит в основном за счёт разрушения бетона сжатой зоны, т.к. напряжения растянутой могут на достичь предела текучести, а её деформации пластических.
Изгибаемые железобетонные конструкции внутренних конструкций.
Основное отличие в работе внутренних железобетонных конструкций от работы ограждающих конструкций является то, что они, в основном, загружены инерционными силами. Которые с течением времени могут менять знак на противоположный, т.е. растянутая зона сечения элемента становиться сжатой и наоборот. Работу внутренней изгибаемой конструкции можно разделить, как бы на два полуцикла:
- первый полуцикл колебаний, начинается от "нулевого" положения , при этом сечение проходит все стадии напряжённо-деформированного состояния, как и при работе ограждающего изгибаемого элемента;
- второй полуцикл колебаний начинается при обратном движении, при этом сечение разгружается и приходит в первоначальное положение и после чего начинается деформироваться в обратную сторону. То есть сжатая зона при первом полуцикле становится растянутой при втором растянутой.
Следовательно, если деформации бетона при первом и втором полуциклах достигают предельных значений, а арматуры достаточных значений, то может произойти разрушение железобетонного элемента, что усугубляется переменностью напряжённого состояния в сечении. То есть растянутая зона бетона пронизанная трещинами, на следующем полуцикле попадает в сжатую зону безусловно способствует раздавливанию бетона. Арматура же при этом сначала получает некоторые остаточные растяжения, а затем попадая в сжатую зону, теряет устойчивость и изгибается, что в свою очередь значительно способствует разрушению бетона и образованию зияющих трещин по нормальным сечениям.
Следовательно, разрушение внутреннего изгибаемого железобетонного элемента будет происходить, не с одной стороны (сжатой), а с двух сторон.
УДК 624. 012. 45
Н. А. Одарченко
УЧЁТ РАБОТЫ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ЭЛЕМЕНТА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.
Аварии на различных объектах, связанных с производством, хранением и транспортировкой взрывчатых и других энергоёмких материалов, вызывают необходимость обеспечения взрывобезопасности, как на самих объектах так и на зданиях и сооружениях находящихся в непосредственной близости.
Объект расположенный на некотором расстоянии от места наземного аварийного или промышленного взрыва, подвергается воздействию продуктов детонации или воздушной ударной волны, и бесспорно, нельзя дать гарантию в том, что взрывные нагрузки, воздействующие на конструкции сооружений, не могут превысить предельно допустимых значений.
Результат воздействия сверхрасчётной ударной нагрузки на объект или отдельно взятую конструкцию можно оценить энергетическим методом расчёта, основанным на принципах Гамильтоновой механики.
В основу которого положена размерность действия по Гамильтону - произведение энергии на время (кг.м.сек.) [1]. Суть энергетического метода оценки степени повреждения заключается в сравнении энергии воздушной ударной волны, действующей на элемент, с внутренней энергией самого элемента. Равенство или некоторое превышение суммы внутренней энергии над суммой подводимой к элементу внешней энергии позволяет определить состояние элемента (т.е. до какой степени повреждения он доведён при заданной нагрузке), начиная от работы его в упругой стадии до его полного разрушения. Деформирование железобетонной конструкции в виде плиты опёртой по контуру происходит по длине пластического шарнира, в виде «конверта», т. е. по сечениям, которые делят её на два треугольных и два трапециевидных диска [2]. Об этом свидетельствует характер трещин на нижней поверхности плиты .
Рис. 1
Характер разрушения на нижней поверхности опёртых по контуру плит: а) с соотношением сторон 1:1 и симметричным армированием; б) с соотношением сторон 1:2 и симметричным армированием; в) с соотношением сторон 1:1 и несимметричным армированием; г) с соотношением сторон 1:2 и несимметричным армированием.
Несомненно, одним из ключевых вопросов рассматриваемых при проведении оценки степени повреждения изгибаемой железобетонной конструкции является характер работы нормальных сечений данной конструкции, от начала восприятия нагрузки до его полного разрушения.
Экспериментально установлено, что нелинейные деформации бетона и разрушение сжатой зоны бетона оказывают существенное влияние на напряжённо-деформированное состояние железобетонного элемента. В результате развития деформаций железобетонного элемента напряжённое состояние его сечения меняется не только в количественном, но и в качественном отношении, проходя ряд различных стадий напряжённо-деформированного состояния:
Стадия - I. Начинается с восприятия железобетонным элементом малых нагрузок, напряжение в арматуре и бетоне невелики, и деформации носят преимущественно упругий характер, т. е. зависимость между напряжением и деформациями линейная. Далее с увеличением нагрузки на элемент в бетоне растянутой зоны начинается развитие неупругих деформаций, и образуются трещины. Этим характеризуется конец стадии I. Если учесть, что напряжения в бетоне и арматуре не достигают предельных значений, а эпюра напряжений в бетоне представляет собой треугольник. Изгибающий момент в сечении можно выразить следующим образом:
где, σb - напряжение в бетоне сжатой зоны; h0=h-a - рабочая (полезная) высота сечения; ху - высота сжатой зоны бетона в упругой стадии; а - расстояние от оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через центр тяжести сечения растянутой арматуры, до внешнего растянутого края сечения.
Стадия - II. Сечение железобетонного элемента в этой стадии работает следующим образом: растягивающие усилия в местах, где образовались трещины, воспринимаются арматурой, на растяжение работает и бетон, находящийся в растянутой зоне над трещинами. С дальнейшим увеличением нагрузки на элемент в бетоне сжатой зоне и арматуре растянутой зоны развиваются заметные неупругие деформации, однако напряжения в бетоне и арматуре в наиболее напряжённых сечениях не превосходят расчётных сопротивлений. В сжатой зоне сечения эпюра напряжений приобретает криволинейное очертание (с преобразованием эпюры в сжатой зоне в прямоугольную). Нейтральная ось сечения постепенно перемещается к сжатой грани.
где Rb - временное сопротивление бетона сжатию при изгибе.
Стадия - III (стадия разрушений). При дальнейшем возрастании нагрузки происходит раздавливание сжатой зоны бетона, начиная от верхней наиболее напряженной грани сечения, а так же продолжается раскрытие трещин в растянутой зоне, в результате чего растягивающие усилия воспринимаются только одной арматурой. Эпюра напряжений в сжатой зоне бетона принимает ярко выраженный криволинейный характер.
В свою очередь рассматриваемая стадия разделяется:
-
на стадию слабых разрушений, которая характеризуется сильным раскрытием нормальных трещин в пролётах и наклонных трещин в опорных частях изгибаемого элемента, а так же раздавливанием сжатой зоны на глубину 10...20%;
-
стадия средних разрушений с раскрытие зияющих трещин и раздавливание бетона на глубину 20...40%;
-
стадия сильных разрушений характеризуется, раздроблением и выпадением значительных кусков бетона и обрывом арматуры, при этом раздробление бетона происходит на глубину 40...60% от высоты сечения;
-
стадия полного разрушения, характеризуется обрушением элемента в результате обрыва арматуры или его провисом при выпадении раздробленных кусков бетона из арматурных каркасов.
Исходя из вышесказанного при определении изгибающего момента на стадиях разрушения, необходимо учесть как изменение рабочей высоты сечения так и криволинейный характер эпюры давления в сжатой зоне рассматриваемого сечения, при этом сжатая зона, рассматриваемого сечения увеличивается примерно в 1,5 раза. В этом случае изгибающий момент на стадиях разрушения можно выразить следующим образом:
При учёте всех факторов рассматриваемых в данной статье позволяет более точно определить нелинейность относительных деформаций и напряжений в бетоне, что и видно на приведённом графике (рис.2).
Рис.2
График зависимости напряжений в сечении железобетонного элемента от относительного прогиба конструкции.
при приведении сжимающих напряжений в бетоне сечения, к прямоугольнику;
при учёте криволинейности сжимающих напряжений в сечении.
I- упругая стадия работы конструкции;
II- пластическая стадия работы конструкции;
II1- начало стадии разрушения конструкции;
III- стадия слабых разрушения конструкции;
IV- стадия средних разрушения конструкции;
V- стадия сильных разрушения конструкции;
VI- стадия полного разрушения конструкции.
Приведение криволинейного характера эпюры напряжений в бетоне (на стадиях разрушения) к прямоугольнику значительно упрощает проведение оценки степени повреждения, разрушения конструкции, от воздействия непериодической динамической нагрузки и несущественно влияет на его результат расчёта порядка 3..4.%. Это и видно из приведённого выше графика. Что говорит о целесообразности рассмотрения эпюры напряжения в сжатой зоне бетона в виде прямоугольника. Однако, разница в результатах расчётов говорит о возможности и необходимости учёта криволинейного характера эпюры напряжений в бетоне для получения более точных данных, например для обработки эксперимента.
Литература:
1. Лурье А. И. « Аналитическая механика.» М. изд. Физико-математической литературы-1961г. -824с.
2. Попов Н. Н., Расторгуев Б. С. «Расчёт железобетонных конструкций на кратковременные динамические нагрузки.» М. Стройиздат -1964г.- с. 91 - 93.
Смотрите также:
