Зв'язок між конструктивними особливостями підсилених згинальних елементів та їх несучою здатністю

Постановка мети і задач дослідження. Метою поставлених досліджень було з’ясування впливу конструктивних особливостей балок підсилених в стиснутій зоні нарощуванням на їх загальну несучу здатність.

Методика досліджень. З огляду на означену мету було проаналізовано експериментальні дані отримані дослідниками [5…7], які в різний час займалися питаннями підсилення згинальних елементів в стиснутій зоні нарощуванням. Експериментальні дані були узагальнені та проаналізовані.

Результати досліджень. Аналіз даних отриманих дослідниками [5…7] при експериментальних випробуваннях балок підсилених в стиснутій зоні дозволяє виявити спільні риси в роботі балок на всіх етапах навантаження. Останнє стало можливим завдяки тому, що підсилення балок відбувалося за схожою схемою, а саме підсиленню підлягав залізобетонний згинальний елемент прямокутного перерізу, який після улаштування шару підсилення змінював форму поперечного перерізу на таврову. Факторами, що підлягали зміні, в залежності від мети експерименту, були матеріал шару підсилення, умови навантаження та стан зразка, а також спосіб улаштування надійного зчеплення “старого” та ”нового” бетонів. Узагальнена схема зразків, що досліджувалися [5…7] в цілому збігається зі схемою наведеною на рис. 1.

Незважаючи на різну мету, яку ставили дослідники перед собою при проведенні експерименту та невеликі відхилення в характері руйнування підсилених зразків, можна виділити наступні стадії напружено-деформованого стану балок, які є загальними, а саме [5]:

перша стадія характеризується, практично, пружними деформаціями бетону у розтягнутій та стиснутій зонах. Вона відповідає зусиллям, які складають 0, 3... 0, 4 від руйнівних, тобто цей стан триває, практично, до появи перших нормальних тріщин;

друга стадія напружено-деформованого стану балок знаходиться у діапазоні навантажень, починаючи з рівня 0, 3... 0, 4 до рівня 0, 7... 0, 8 від руйнівного, що відповідає експлуатаційній стадії роботи конструкції. В підсилених зразках нормальні тріщини, практично не отримують розвитку. При рівні навантажень 0, 4... 0, 5 від руйнівного спостерігається початок відшарування підсилюючого шару бетону від основної конструкції залізобетонної балки. Слід зазначити, що в усіх серіях підсилених балок розшарування починається в чвертях прольоту, у зоні сумісної дії поперечної сили та згинального моменту, і розвивається у напрямку до опори. З початком розшарування співпадає момент виникнення похилих тріщин. Вони з’являються в бетоні підсилюваної конструкції на нейтральній осі. Тріщини розвиваються з гори до низу у напрямку до опори. Такий характер тріщиноутворення викликаний частковим зминанням стиснутої зони бетону підсилюваної балки в четвертях прольоту внаслідок відокремлення підсилюючого шару бетону. Подальше зминання стиснутої зони бетону підсилюваної балки стримується частково ще не відокремленим шаром підсилення, а також зусиллями опору зсуву, що діють у зоні контакту “старого” та “нового” бетонів. Також на цьому етапі з’являються перші похилі тріщини у чвертях прольоту, які розвиваються з низу до гори у напрямку від опори до місця прикладення зосередженої сили. Їх утворення та розвиток стають можливими завдяки ослабленню стиснутої зони елементу в чвертях прольоту внаслідок відшарування шару підсилення і, як наслідок, часткового зминання стиснутої зони бетону у цьому місці. Виникнення цих тріщин остаточно обумовлює подальше руйнування підсилених балок за похилими перерізами;

третя стадія роботи відповідає навантаженням, які складають 0, 8... 0, 9 від руйнівних. Стан підсилених балок характеризується подальшим розвитком відшарування підсилюючих шарів від базових конструкцій;

четверта стадія роботи балок – це стадія руйнування. Продовжується відшарування підсилюючого шару. Тріщини, які з’являються наприкінці попереднього етапу в приопорній зоні балок на рівні розтягнутої арматури починають інтенсивно розвиватися. На зустріч їм згори до низу також розвиваються похилі тріщини. При подальшому збільшенні навантаження похилі тріщини, що розвиваються згори та знизу з’єднуються, внаслідок чого відбувається роздроблення бетону над похилою тріщиною. Після цього основну частину навантаження починають сприймати поперечні стержні, що майже миттєво призводить до руйнування залізобетонного елементу за похилими перерізами.

Так, за невеликим відмінностями, описують стан підсилених балок під навантаженням дослідники [5…7]. Загальний вид підсилених зразків балок після руйнування, який дозволяє отримати уявлення про характер тріщиноутворення та руйнування зразків наведено на рис. 2.

Визначальним в приведених результатах є те, що попередньо дослідниками ставилася мета досягнути вичерпання несучої здатності підсилених зразків балок за нормальними перерізами. Проведені теоретичні розрахунки вказували на те, що як міцності контактного шва, так і міцності зразків при розрахунку за поперечною силою для цього достатньо [5…7].

Невідповідність отриманих результатів та теоретичних розрахунків могла виникнути внаслідок відсутності конкретних вимог, щодо улаштування підсилення та не досконалості існуючих методів розрахунку. Єдині обмеження, які існують [1, 4] полягають в тому, що клас бетону підсилення повинен бути не нижче класу бетону підсилюваної конструкції, а також в забезпеченні достатньої міцності контактного шва. Як показує практика не завжди цих вимого достатньо для надійної та прогнозованої роботи конструкції.

Відомо, що в четвертях прольоту вагомий вплив на несучу здатність згинального елемента створює дотичне напруження, як наслідок дії поперечної сили, а також те, що місцях різкої зміни форми поперечного перерізу елемента відбувається значне збільшення величини цих напружень. На рис. 3 показано умовний розподіл дотичних напружень за висотою поперечного перерізу елемента таврового профілю. При цьому, як раніше зазначалося, в місці примикання шару підсилення до підсилюваної конструкції відбувається їх стрибок. Величина останнього залежить від співвідношення bf / b; чим воно більше, тим більшим буде величина стрибка напружень.

Аналіз рис. 3 та наведених результатів досліджень дозволяє зробити припущення про наступний характер та причини руйнування балок за похилими перерізами. Дослідники [5…7] відмічали, що похилі тріщини починали розвиватися при рівні навантажень 0. 4…0. 5 від руйнівного. При цьому розвиток отримували похилі тріщини які утворилися, як в при опорній зоні, так і ті що виникли в зоні контакту бетонів, поряд з місцем прикладання зосередженого навантаження. Крім того при даному рівні навантаження нейтральна лінія розташовувалася в межах полиці, а отже бетон в межах контактного шва зазнавав дії зусиль розтягання. Бетон підсилюваної балки, в межах контактного шва, зазнавав збільшеного впливу цих зусиль, порівняно з бетоном шару підсилення в цій зоні (рис. 3). Оскільки дослідниками, у відповідності до рекомендацій [1, 4], клас бетону шару підсилення приймався більшим за клас бетону підсилюваної конструкції, то найслабшим місцем, з точки зору сприйняття зусиль розтягання, виявився не контактний шов, а бетон підсилюваної конструкції в околі контактного шва. В усіх приведених дослідах [5…7] зразки армувалися таким чином, що була відсутня поперечна арматура, яка б перетинала контактний шов і могла опиратися дії дотичних напружень. Таким чином, тріщини які з’явилися в околі контактного шва в бетоні конструкції, що підсилюється, ймовірно були викликані впливом дотичних напружень. Розтріскування бетону призвело до локального розшарування в місці утворення тріщин. Після цього бетон над похилою тріщиною та шар підсилення виключається з роботи. Дійсно, бетон підсилюваного елемента не міг сприймати ці навантаження, тому що в ньому і почався процес тріщиноутворення, а бетон шару підсилення, після розшарування, також не міг чинити опір дії поперечних сил. Подальше збільшення навантаження призвело до утворення похилої тріщини [5…7], яка йшла з гори до низу назустріч тріщинам, що розвивалися від опори. Після цього сприймати діюче навантаження повинна була лише поперечна арматура, що і призвело до руйнування елементів.

Отже для описуваних прикладів визначальною, з точки зору несучої здатності, була не міцність контактного шва, а відсутність поперечної арматури яка б його перетинала. На користь зроблених припущень виступає, той факт, що в роботі [6] одна з серій балок з самого початку проектувалася таврового перерізу, як еталонна. Армування ж було виконана, як для зразків, що підлягали підсиленню, тобто поперечна арматура розташовувалася в межах ребра і не доходила до полиці. В результаті проведених експериментальних випробувань ці балки також зруйнувалися за похилими перерізами [6].

Основні висновки. Приведені результати досліджень дозволяють дійти висновку, що не завжди існуючих рекомендацій, щодо виконання підсилення ти чи іншим способом, достатньо. При виконанні підсилення згинальних елементів нарощуванням стиснутої зони, окрім забезпечення достатньої міцності контактного шва, потрібно враховувати конструктивні особливості елементів, які утворюються після підсилення. Так, попередньо, можна рекомендувати при виконанні підсилення нарощуванням зверху, обов’язкове додаткове армування шару підсилення в чвертях прольоту. При цьому слід забезпечити надійну сумісну роботу поперечної арматури елемента що підсилюється з додатковою поперечною арматурою шару підсилення. Безумовно, для підтвердження зроблених висновків та припущень потрібні додаткові цілеспрямовані експериментально-теоретичні дослідження.

 

СНиП 2. 03. 01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР. – М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1991. – 79с.

ДСТУ Б В. 2. 6-156: 2010. Бетонні та залізобетонні конструкції з важкого бетону / Мінрегіонбуд України. – К. : Урархбудінформ, 2011. – 118с.

Лазовский Д. Н. Усиление железобетонных конструкций эксплуатируемых строительных сооружений / Д. Н. Лазовский. – Новополоцк: Изд-во Полоцкого гос. ун-та, 1998. – 240 с.

Голышев А. Б. Усиление несущих железобетонных конструкций производственных зданий и просадочных оснований. – К. : Логос, 2004. – 219с.

Єрьоменко О. Ю. Ефективність варіантів підсилення у стиснутій зоні залізобетонних елементів, що працюють на згин. Дисс. канд. техн. наук. КНУБА, 2005. – 133с.

Попруга Д. В. Міцність стикових з’єднань при підсиленні залізобетонних згинальних елементів у стиснутій зоні. Дисс. канд. техн. наук. КНУБА, 2009. – 138с.

Валовой М. О. Міцність, тріщиностійкість та деформативність підсилених згинальних елементів при повторних навантаженнях. Дисс. канд. техн. наук. КНУБА, 2011. – 126с.