ABOUT THE BASICS OF IMPROVING THE RELIABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES DURING DESIGN AND OPERATION

Абрамов Л.М.¹, Галкина М.А.², Маклакова С.Н.³

¹Доктор технических наук, профессор, ²аспирант, ³доцент кафедры строительных конструкций, Костромская государственная сельскохозяйственная академия

ОБ ОСНОВАХ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Аннотация

Цель работы - исследование факторов, влияющих на прочностные характеристики бетонов при определении прочности на сжатие. Проводимые по стандартной методике по ГОСТ 10180-2012 испытания на сжатие контрольных образцов бетона не отвечают современным требованиям как по качеству подготовки экспериментов, так, как следствие, по объективным показателям получаемых результатов, что указывает на необходимость корректировки методики испытаний, рекомендованной нормативными документами.

Ключевые слова: испытание, сопротивление, сжатие, перемещение, напряжение, анализ.

Abramov L. M.¹, Galkina M. A.², Maklakova S. N.³

¹ PhD in Engineering, Professor, ² postgraduate student, ³associate Professor, Department of building structures, Kostroma state agricultural Academy

ABOUT THE BASICS OF IMPROVING THE RELIABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES DURING DESIGN AND OPERATION

Abstract

Purpose - the study of factors affecting on strength characteristics of concrete in the determination of the compressive strength. Conducted by standard methods according to GOST 10180-2012 compression testing of control samples of concrete do not meet modern requirements as to the preparation of the experiments, as a result, for the objective indicators of results, indicating the need to adjust testing methods recommended by regulatory documents.

Key words: test, resistance, compression, displacement, voltage, analysis.

В последнее время по объективным причинам возрос интерес к проектированию и возведению зданий и сооружений повышенного уровня ответственности. Одновременно, как констатирует большинство экспертов, резко упало качество материалов, применяемых при изготовлении строительных элементов (балки, колонны, плиты и т.д.)  Это безусловно связано с падением культуры производства в связи с использованием дешевой, малоквалифицированной рабочей силы, с понижением уровня подготовки специалистов для строительной отрасли, а также с нарушениями технологии процессов производства основных конструктивных материалов (бетон, арматура).

Как указано в работе [1], поскольку бетон относиться к конструкционным материалам, то весьма важны его прочностные характеристики. Однако до последнего времени, на наш взгляд, уделяется недостаточно внимания исследования в области методики испытания бетона в части определения его нормативных и расчетных характеристик прочности, хотя назревшая необходимость в этом имеется.

Следует так же отметить, что существует достаточно распространенная точка зрения [2-3], что надежность железобетонных конструкций – это прежде всего надежность основного конструктивного материала, т.е. бетона, и объективная оценка прочности как основного его показателя, является одной из важнейших сторон обеспечения надежности любой элементарной конструкции в целом.

Как показано в работах [4-5], проводимые по стандартной методике [6] испытания на сжатие контрольных образцов бетона не отвечают современным требованиям как по качеству подготовки экспериментов (вывод формы и размеров образцов, обеспечение необходимых условий для реализации одноосного сжатия и т.д.), так, как следствие, по объективным показателям получаемых результатов.

По-видимому, впервые Ю.М. Баженовым [2] было отмечено, что одна из основных проблем при проведении испытаний на сжатие бетонных образцов – это устранение вредного влияния сил трения (касательных напряжений), возникающих на контактных поверхностях «образец-плита испытательной машины».

Схемы нагружения образца и возникающих напряженных состояний в этом случае приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схема нагружения образца и возникновения напряженно-деформированного состояния: а – схема нагружения образца;  б –схема нагруженного состояния и действия главных напряжений

Очевидное влияние касательных напряжений (рис.1а) ярко проявляется при рассмотрении видов разрушения изгибающих образцов, испытанных в рекомендуемых нормами [6] условиях (рис 2).

Рис.2. Формы разрушенных кубических образцов при испытаниях при рекомендуемых нормами условиях: 1 – нормальное разрушение, 2-5 – дефектное разрушение

 

При этом форма рис.1а. принята стандартом за основную, результаты испытаний только таким образом разрушенных образцов, рекомендовано учитывать при расчете характеристик прочности.

Однако разработанная нами методика испытаний позволила существенно уменьшить влияние сил трения (напряжения τ_zx на рис. 1б), создав на контактных поверхностях образца режим гидродинамического трения, что подробно описано в работах [4-5].

Результаты испытаний кубических образцов по рекомендуемой стандартом и предложенной нами методике приведены в таблице 1. В качестве материалов были использованы бетоны В15 и В30, часто применяемые для изготовления строительных элементов типа балок, плит, колонны, панелей и т.д. В качестве заполнителя был использован песок с размером зерен от 0,63 до 2,5 мм, что позволило уменьшить величину абразивной составляющей силы трения, возникающей на касательных поверхностях.

Количественных результаты испытаний по определению разрушающей нагрузки при использовании кубических образцов размером 100×100×100 мм приведены с учетом масштабного коэффициента, рекомендованного ГОСТ 10180 -2012.

Таблица 1 - Величина разрушающей нагрузки при испытании на сжатие бетонных образцов размером 100х100 мм (кН)

Приведенные результаты были использованы при расчете величин характеристик прочности отдельного образца по формуле

.                                                           (1)

где α_w – максимальный коэффициент для образца, принятый по стандарту (α_w =0,95);

      Р_i   - минимальная разрушающая нагрузка, взятая по таб.1;

      А_i - площадь поперечного контактного сечения испытанного образца, измеренная перед нагружением.

 Класс бетона В, как характеристику прочности, указываемую в рабочих чертежах, определяли по формуле

,                                                           (2)

где R_m - среднее значение характеристик прочности, вычисленное по результатам испытания серии;

  - коэффициент Стьюдента, определяемый с учетом рекомендаций ГОСТ  0180-2012;

S - среднеквадратическое отклонение для результатов испытаний для конкретной серии образцов.

Нормативное R_b,n и расчетное R_b сопротивления бетона, используемые при расчете по 2-й и 1-й  группе предельных состояний, вычисляем по формулам

;                                             (3)

,                                                                  (4)

где γ_b – коэффициент надежности по бетону, принимаемый по рекомендациям [7].

Как следует из расчетных зависимостей [1-4] при определении нормативного сопротивление сжатию величину характеристики прочности материала конкретного образца уменьшают три раза, а при определении расчетного сопротивления величину R_b,n уменьшают дополнительно в γ_b  раз, поскольку γ_b ›1. Это связано со структурой бетона, которая отличается высокой неоднородностью и содержит несколько составляющих (цементный камень, заполнитель, добавки), а также 5 видов дефектов (3 вида коррозии и 2 вида трещин).

Вследствие этого при испытаниях при испытаниях кубических бетонных образцов помимо сил трения дополнительно действует ряд факторов, существенно влияющих на условия деформирования материала, которые подробно были описаны в работе [8]:

-    неплоскостность контактных поверхностей образцов;

- наличие выступающих частей зерен заполнителя на контактных поверхностях;

- наличие абразивного эффекта вследствие высокой твердости зерен заполнителя;

- неравномерность распределения нормативных напряжений по контактах поверхности.

Численный расчет с применением программного комплекса ANSYS  показал, что при отсутствии или наличии контактных сил трения картины деформирования образцов в различных условиях существенно разнятся [рис 3-4].

а)

б)

 Рис. 3. Распределение осевых перемещений (а) и осевых напряжений (б) для изотропного бетона в условиях отсутствия трения

а)           

б)   

 Рис. 4. Распределение осевых перемещений (а) и осевых напряжений (б) для изотропного бетона при наличии трения

Для теоретического анализа напряженно-деформированного состояния бетонного изотропного образца использовали модель упругопластичного тела (бетон обладает нелинейной характеристикой типа «напряжение  σ_b – деформация ε_b»). Граничные условия задавали в перемещениях, величина которых не превышала предельных упругих значений, подсчитанных по величине  предельных упругих деформаций, равных 0,1%. При таких принятых допущениях математическая расчетная модель была записана в виде [8]:

                                               (5)

где   ;                       (6)

где   ;  – перемещения точек деформированного материала по соответствующим координатным осям x, y, z; , ,  - упругие характеристики бетона, принимаемые по нормативным данным для бетонов используемых классов без учета анизотропных свойств бетонов.

Рис.5.  Внешний вид образцов, разрушенных в условиях возникновения режима гидродинамического трения в контакте

 

Анализ внешнего вида образцов (рис.5), разрешенных в условиях гидродинамического трения по контактным поверхностям, показывает, что радикально уменьшились не только усилия разрушения, а, следовательно, и характеристики прочности бетона, приведенные в табл. 1, но и радикально изменился вид разрушения.

Неучет рассмотренных причин влияния приводит к неоправданному завышению характеристик прочности бетона, а, следовательно, неизбежно приводит к аварийным ситуациям возводимых объектов, поскольку вводимые и ранее принятые коэффициенты запаса уже не будут перекрывать фактически объективную и меньшую, по сравнению с принятой в расчете, характеристику прочности.

Следует отметить также, что аналогичные условия возникают при обследовании зданий и сооружений при изменении их функционального назначения, что особенно актуально в современных условиях.

При обследовании зданий и сооружений для оценки степени деградации бетона ГОСТ 28570-90 рекомендует выпиливать или выбуривать цилиндрические образцы диаметром от 44 до 150 мм и высотой от 0,8 до 2,0 диаметров. Такие типы образцов стандарт рекомендует тогда, когда невозможно изготовить образцы согласно ГОСТ 10180-2012.

Так как при обследовании зданий весьма часто выбуривают цилиндрические образцы, то целесообразно провести испытания для определения прочности на сжатие таких образцов, используя стандартную и предлагаемую нами методику проведения испытаний.

Различные формы разрушенных цилиндрических образцов, результаты которых следует учитывать при подсчете характеристик прочности бетона, приведены на рис. 6.

Рис. 6. Формы разрушения цилиндрических образцов, результаты испытаний которых подлежат учету

Нами были испытаны цилиндрические образцы, внешний вид которых после испытаний приведен на рис. 7.

а)

б)

Рис. 7. Внешний вид форм разрушения цилиндрических образцов диаметром 100 мм и высотой 200 мм при испытаниях на сжатие в режиме граничного (а) и гидродинамического (б)  трения

Результаты испытаний по определению характеристик прочности бетонов В15 и В30 на цилиндрических образцах при песчаном заполнителе фракций от 0,63 до 2,5 мм приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Величины минимальных разрушающих нагрузок при испытании на сжатие цилиндрических бетонных образцов, кН (размер диаметра – 100 мм; высота – 200мм)

Анализируя полученные результаты, несложно заметить, что при осесимметричном нагружении влияние сил трения несколько (на 10…15%) ниже, по сравнению с кубическими образцами. Это вполне объяснимо, поскольку выступающие углы кубических образцов создают значительную местную концентрацию напряжений на отдельных угловых зонах контактных поверхностей, что и приводит к отмеченному эффекту.

Таким образом, результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы:

- рекомендуемая стандартная методика определения характеристик прочности бетонов дает существенно завышенные результаты по значениям получаемых прочностных характеристик, что в условиях проектирования и эксплуатации строительных конструкций повышенного уровня ответственности значительно увеличивает риски возникновения аварийных ситуаций;

- предлагаемая методика экспериментального определения характеристик прочности бетонов в условиях гидродинамического режима трения не только позволит повысить объективность получаемых результатов, а, следовательно, снизить существенно риски возникновения аварийных ситуаций, но и просто в испытании, практически малозатратна и может быть эффективно использована в производственных условиях без существенных дополнительных затрат.

 

Литература

1. Гусев Б.В. Подходы к решению задач по оценке теоретической прочности бетона /Б.В. Гусев// Промышленное и гражданское строительство, 2013.-№7.-С.44-46.
2. Баженов Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов //М.:АСВ, 2002.-500с.
3. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон /О.Я. Берг, Е.Н. Щербаков, Г.Н. Писанко// М.: Стройиздат, 1971.-132с.
4. Абрамов Л.М. Об оценке влияния сил трения при определении прочности на сжатие по контрольным образцам /Л.М. Абрамов [и др.]// Бетон и железобетон, 2014.-№1.-С. 6-9.
5. Абрамов Л.М., Галкина М.А. Особенности определения механических характеристик прочности бетона при сжатии// Научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон – взгляд в будущее», том 1, стр. 12-20. Москва 12-16 мая 2014г.
6. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Госстрой СССР, 1989-38с.
7. СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры [текст]. – М: Госстрой РФ, 2004. – с.58
8. Абрамов Л.М. О напряженно – деформированном состоянии элементов узла контакта типа «металл-бетон» при испытаниях на сжатие изотропных бетонных образцов /Л.М. Абрамов, И.Л. Абрамов, М.А. Галкина//М.: изд-во «ПГС», Промышленное и гражданское строительство, 2015. - №8.-С.71-75.

References

1. Gusev B. V. Approaches to solving tasks to assess the theoretical strength of concrete /B. V. Gusev// Industrial and civil engineering, 2013.-№7. p. 44-46.
2. Bazhenov, Y. M. Technology of concrete / Yu. M. Bazhenov //Moscow:ASV, 2002.-500p.
3. Berg, O. Ya., Shcherbakov, E. N., Pisanko G. N. High-strength concrete /A. J. Berg, E. N. Shcherbakov, G. N. Pisanko// M.: Stroiizdat, 1971.-132p.
4. Abramov, L. M. estimation of the effect of friction forces in determining the compressive strength for control samples /L. M. Abramov [et al.]// Concrete and reinforced concrete, 2014 no.1.- 6-9 p.
5. Abramov L. M., Galkin, M. A. Peculiarities of determination of mechanical characteristics strength of concrete in compression// proceedings of the III all-Russian (II International) conference on concrete and reinforced concrete "Concrete and reinforced concrete – glance at future", vol. 1, pp. 12-20. Moscow may 12-16, 2014.
6. GOST 10180-2012. The concretes. Methods for determination of strength to control samples. M: Gosstroy of the USSR, 1989-38p.
7. SP 52-101-2003 concrete and reinforced Concrete structures without prestressing [text]. – M: Gosstroy of the Russian Federation, 2004. – p. 58
8. M. Abramov, On the stress – strain state of elements of the contact type "metal-concrete" when tested on isotropic compression of concrete samples /L. M. Abramov, I. L., Abramov, M. A. Galkina//M.: Izd-vo "ice", in Industrial and civil construction, 2015. - No. 8.-p. 71-75.