Експериментальні дослідження пружно-пластичних властивостей крупнозернистого бетону за малоциклових навантажень високих рівнів

 

 

 

 

Приведены методика и результаты экспериментальных исследований упруго-пластических свойств призм из крупнозернистого бетона при малоцикловых нагружениях высоких уровней

Technique and results of experimental researches on resiliently-plastic properties of prisms made from coarse-grained concrete under small cycle loading of high levels are given

Ключові слова:

Бетон, напруження, деформація, малоциклові навантаження

Бетон, напряжение, деформация, малоцикловые нагружения

Concrete, tension, deformation, small cycle loading

Задачі проектування та виробництва економічних конструкцій, здатних забезпечити надійну роботу будівель та споруд під час всього періоду експлуатації, вирішуються удосконаленням розрахунку конструкцій з -урахуванням особливостей роботи бетону в реальних умовах. Будівельні конструкції піддаються дії малоциклових навантажень, вплив яких на міцність і деформативність вивчений недостатньо. Дія таких навантажень може спричинити в конструкціях руйнування особливого виду, коли деформації конструкції необмежено зростають за повторних навантажень, що не перевищують одноразового граничного навантаження.

Для більш повного вивчення особливостей міцнісних та деформативних характеристик крупнозернистого бетону на вплив мало циклових навантажень високих рівнів були виготовлені і випробувані зразки призм, розміром 150х150х600мм. Матеріали, склад бетону та методика виготовлення дослідних зразків призм наведені в [1]. Визначення впливу малоциклових стискаючих навантажень на міцнісні та деформативні характеристики бетонів проводили у відповідності до розробленої методики досліджень [2]. Зразки призм досліджували циклічними навантаженнями на гідравлічному пресі П-250 Армавірського заводу. Перед випробуванням призм проводили їх центрування при навантаженні 0, 15…0, 20Rb, досягаючи при цьому, щоб поздовжні деформації, заміряні на гранях, не відрізнялись між собою більш ніж на ±10%. Навантаження зразків до заданого верхнього рівня проводили з постійною швидкістю напружень (0, 6±0, 2 МПа/с) ступенями рівними 10% від очікуваного руйнівного навантаження. На кожному ступені виконували витримку протягом 4…5 хвилин для того, щоб виділити пластичні деформації. Аналогічно ступенями проводили розвантаження зразків до нижнього рівня, який приймали рівним нулю. Кількість циклів прикладання навантаження на дослідні зразки при випробуваннях не обмежували, вона визначалась числом циклів, які витримував зразок до руйнування. З метою виключення можливого впливу зміни міцності бетону у часі, зразки випробували у віці 350…371 доби. При дослідженні призм поздовжні та поперечні деформації вимірювали тензорезисторами з базою 50 мм, наклеєними на чотирьох бічних гранях в поздовжньому і поперечному напрямках. Крім того вимірювання поздовжніх та поперечних деформацій здійснювали індикаторами годинникового типу з ціною поділки 0, 001 мм на базі 115 мм і 400 мм, встановленими за поздовжньою та поперечною осями на чотирьох гранях призми. Показники тензорезисторів фіксували за допомогою тензометричної системи СИИТ-3. При незмінному нижньому рівні навантаження, який приймали рівним нулю, фіксований верхній рівень навантаження складав 0, 78…0, 88 Rb. При проведенні випробувань дослідних зразків призм фіксували: кількість циклів навантаження до руйнування зразка; величини поздовжніх та поперечних деформацій бетону на етапах навантаження і розвантаження.

За результатами обробки дослідних даних, отриманих при випробуванні осьовими малоцикловими навантаженнями зразків призм побудовані діаграми залежностей η – εl; η – εtr (рис. 1) і E'bl – η; Eb'tr – η на (рис. 2). На рисунках: εl, εtr – відносні поздовжні і поперечні деформації; E'bl, E'btr – січні модулі поздовжніх і поперечних деформацій; η = σ/Rb – рівень напруження зразків призм в циклах за малоциклового стиску.

 

Рис. 1. Зміна поздовжніх і поперечних деформацій бетону εl×10-5; εtr×10-5

 

Рис. 2. Діаграми лінійних кореляційних залежностей E'bl – η; Eb'tr – η побудовані для зразків призм при малоцикловому стискаючому навантаженні

 

Лінійні рівняння регресії E'bl – η і Eb'tr – η отримували за дослідними точками методом найменших квадратів за [3]. Результати статистичної обробки дослідних даних підтвердили лінійність залежностей E'bl – η і Eb'tr – η, а також їх добрий збіг з дослідними значеннями січного модуля.

Для діаграм поздовжнього та поперечного деформування бетону визначені прирости максимальних і залишкових деформацій (табл. 1).

 

Таблиця 1

Максимальні та залишкові значення приростів поздовжніх і поперечних деформацій бетону, визначені на діапазонах малоциклових навантажень

 

Як видно з таблиці 1 бетон, випробуваний малоцикловими навантаженнями, проходить три послідовні стадії деформування: стадія І – стадія поступового зменшення приросту деформацій і ширини петель гістерезису; стадія ІІ – стадія стабілізації приросту деформацій, петлі гістерезису на етапах навантажень повторюють одна одну; стадія ІІІ – стадія збільшення приросту деформацій, ширини петель гістерезису.

Стадія І характеризується зменшенням від цикла до циклу на протязі перших10.. 15-ти циклів приростів деформацій бетону внаслідок «вибирання» пластичних деформацій, перерозподілу зусиль між заповнювачем та в’яжучим. На цій стадії відбувається «затухання» розущільнення матеріалу, а також формування основних поздовжніх та поперечних мікротріщин, які надалі розвиваючись, призводять до руйнування структури бетону. На стадії І діаграма «σ – ε» при навантаженні повернута до осі напружень, а при розвантаженні – до осі деформацій, ширина петель пластичного гістерезису поступово зменшується зі зростанням кількості циклічних навантажень.

Для стадії ІІ характерна стабілізація приростів деформацій, деформування бетону набуває пружного характеру, вітки гістерезису висхідні і низхідні практично повторюють одна одну, маючи лінійну залежність.

На стадії ІІІ відбувається поступове збільшення приросту деформацій від цикла до циклу, тобто відбувається процес розущільнення та руйнування бетону внаслідок інтенсивного розвитку утворених на перших циклах навантаження тріщин, а також порушення зв’язку між заповнювачем і цементною матрицею (заповнювач «перемелює» цементну складову бетону). Діаграми «σ – ε» на циклах навантаження і розвантаження обернені до осі деформацій, ширина віток пластичного гістерезису зростає зі збільшенням кількості циклічних навантажень.

Значення максимальних деформацій бетонних зразків, визначені на момент перед їх руйнуванням, зросли в порівнянні з такими ж, заміряними на 1-му циклі навантаження в поздовжньому напрямку в 1, 36…1, 74 рази, а в поперечному в 2, 79…6, 54 рази. Руйнування бетонних зразків призм відбувалось внаслідок інтенсивного розвитку, насамперед, поперечних деформацій, викликаних циклічними навантаженнями.

Як видно з рис. 2, дослідно-кореляційні прямі E'bl – η і Eb'tr – η, отримані при різному числі циклів прикладання навантаження, утворюють віяльну діаграму і прагнуть перетнутись в одній параметричній точці С. Внаслідок неоднорідності бетону кореляційні прямі E'bl – η і Eb'tr – η не перетинаються точно в дослідній точці. Тому, для встановлення координати точки С приймались середні значення точок взаємного перетину дослідних кореляційних прямих. Слід відмітити, що основні процеси тріщино- утворення в бетоні відбуваються на 1-му циклі, починаючи з 2-го циклу призми досліджувалися з утвореними на 1-му циклі тріщинами. Тому при розгляді сімейства кореляційних прямих рівняння, отримані на 1-му циклі навантаження до уваги не приймалися. В результаті обчислень отримані координати параметричної точки С, яка визначає залежність, що дає можливість прогнозувати напружено-деформований стан окремого виду бетону при різній кількості циклів навантаження в діапазоні напружень 0 ≤ η ≤ 1. З подібності трикутників, утворених віялоподібними кореляційними прямими, підставляючи знайдені значення параметричної точки С, отримаємо наступні залежності:

E'bl, cyc = Ebl (1 – 0, 8803η) + 2, 087η (1)

E'btr, cyc = Ebtr (1 – 0, 8271η) + 3, 520η (2)

В останніх формулах залишаються невизначеним значення початкового модуля лінійних деформацій Ebl, Ebtr, залежно від кількості циклів прикладання навантаження ncyc. Після лінерізації за дослідними точками Ebl, Ebtr і ncyc, методом найменших квадратів отримуємо:

Ebl = Ebl1 -1, 534 (ncyc – 1) / (3, 374 + ncyc)  (3)

Ebtr = Ebtr2 -6, 258 (ncyc – 2) / (12, 093 + ncyc)  (4)

Підставивши (3) і (4) у відповідні значення Ebl, Ebtr, (1) і (2) отримаємо залежності E'bl, cyc – η і E'btr, cyc – η:

E'bl, cyc = [Ebl1 -1, 534 (ncyc – 1) / (3, 374 + ncyc) ] (1 – 0, 8803η) + 2, 087η (5)

E'btr, cyc = [Ebtr2 -6, 258 (ncyc – 2) / (12, 093 + ncyc) ] (1 – 0, 8271η) + 3, 520η (6)

Таким чином, знаючи значення початкового модуля пружності бетону Ebl1 і Ebtr2, визначені відповідно на 1-му і 2-му циклах навантаження, задаючись рівнем навантаження η і кількістю циклів ncyc, можна визначити значення січного модуля деформацій E'bl, cyc і E'btr, cyc, а також повні силові деформації за короткочасного і циклічного навантаження:

εbl, cyc = Rb η / E'bl, cyc (7)

εbtr, cyc = Rb η / E'btr, cyc (8)

 

1. Панчук Ю. М. Експериментальні дослідження усадки і повзучості крупнозернистого бетону // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник статей -Рівне, НУВГП, 2012, (вип. 23).

2. Бабич Е. М., Крусь Ю. А., Борисюк А. П., Панчук Ю. Н. Экспериментальные исследования работы бетона и железобетона при молоцикловых статических нагружениях //Строительные материалы, конструкции и инженерные системы// Сб. научн. трудов -Одесса, 1996. – С. 235-246.

3. Леонтьев Н. Л. Техника статистических вычислений. – М., Лесная промышленность, 1966. – 250 с.