РАЗВИТИЕ НАКЛОННЫХ ТРЕЩИН И РАЗРУШЕНИЕ БЕТОНА

DEVELOPMENT OF INCLINED CRACKS AND CONCRETE DEMOLITION

Nurlan Kyzylbaev

master of Technical Sciences, assistant professor, KazGASA,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается развитие наклонных трещин и разрушение бетона в железобетонных элементах при поперечных воздействиях и возникающие в сечениях напряженно-деформированные состояния.

ABSTRACT

This article discusses the development of inclined cracks and the destruction of concrete in the concrete elements during lateral impacts and resulting in sections of the stress-strain states.

Ключевые слова: деформация, напряжение, продольная арматура, наклонные сечения, продольные силы, поперечные силы, состояние.

Keywords: deformation, stress, longitudinal reinforcement, inclined section, longitudinal forces, transverse force, condition.

В качестве условия, определяющего развитие наклонной трещины, будем считать достижение комбинацией двух главных напряжений, s₁ и s₃, либо нормальных и касательных напряжений s_х, s_у и t_ху у вершины наклонной трещины расчетного критерия прочности бетона при плоском напряженном состоянии. Для решения задачи о развитии наклонной трещины необходимо установить распределение нормальных и касательных напряжений в вертикальном сечении, проходящем вблизи вершины наклонной трещины. Как показывают экспериментальные исследования напряженного состояния элемента, образование и развитие наклонной трещины приводит к существенному перераспределению напряжений в вертикальном сечении, проходящем вблизи вершины наклонной трещины. Эпюра нормальных напряжений s_х получает перелом у вершины наклонной трещины, причем основной рост напряжений происходит в бетоне над наклонной трещиной [3]. Вследствие развития неупругих деформаций эпюра напряжений s_х над наклонной трещиной приобретает криволинейное очертание с максимумом у верхней грани, в то время как под наклонной трещиной она остается треугольной (рис. 1).

Рисунок 1. Схема напряженного состояния в опытных балках при образовании и развитии трещин

Эпюра касательных напряжений также видоизменяется, при этом максимум смещается к вершине наклонной трещины. Под наклонной трещиной касательные напряжения быстро уменьшаются к зоне нормальных трещин, сохраняя, однако, некоторую величину в этой зоне, незначительную в элементах без хомутов и более существенную – в элементах с хомутами (рис. 2).

Рисунок 2. Эпюры нормальных и касательных напряжений в вертикальном сечении у вершины наклонной трещины при ее развитии

Теоретически форму эпюры касательных напряжений над наклонной трещиной можно получить, используя общую методику, положенную в предыдущем разделе. При этом будем считать усилие сжатия в бетоне над наклонной трещиной постоянным по длине элемента, т. е. N_b=const и =0. При трапециевидной эпюре напряжений s_х над наклонной трещиной, что достаточно близко соответствует опыту, распределение касательных напряжений получается в виде параболы с максимумом у вершины наклонной трещины. Величина касательных напряжений у вершины наклонной трещины при ее развитии равна предельным значениям t_ху^пр из критерия прочности бетона в условиях плоского напряженного состояния. В процессе развития наклонной трещины напряжения в бетоне над ней нарастает и наступает такой момент, когда они достигают некоторых критических значений, после чего происходит разрушение бетона над наклонной трещиной [2]. Поскольку бетон в зоне действия поперечных сил находится в условиях плоского и напряженного состояния, для оценки прочности бетона используем расчетный критерий прочности при плоском напряженном состоянии. В связи с неравномерным распределением нормальных и касательных напряжений по вертикальному сечению, проходящему через вершину наклонной трещины, критическое состояние может быть достигнуто в различных точках зоны над наклонной трещиной. Общий ход решения задачи должен был состоять в том, что по эпюрам распределения нормальных и касательных напряжений производится сопоставление действующих значений напряжений s_х, s_у и t_ху с предельными значениями из критерия прочности на различных уровнях по высоте зоны бетона над наклонной трещиной, и определяется наиболее опасное место и нагрузка, при которых действующие напряжения совпадают с предельными. Однако такое решение встречает большие трудности, так как установить достаточно точно формулу эпюр и величину напряжений в бетоне над наклонной трещиной в настоящее время вряд ли возможно. Кроме того, следует считаться с возможным перераспределением напряжений в зоне бетона над наклонной трещиной вследствие неупругих деформаций бетона, а также с тем немаловажным обстоятельством, что такая методика приведет к резкому усложнению расчетного аппарата. Поэтому подойдем к решению задачи более простым путем [1]. Рассмотрим две крайние точки в пределах зоны бетона над наклонной трещиной: на уровне верхнего волокна бетона и на уровне вершины наклонной трещины. В верхней точке касательные напряжения равны нулю, поэтому, согласно критерию прочности, критическое состояние наступает при достижении нормальными напряжениями сопротивления бетона R_b. При этом в нижней точке также имеет место критическое состояние, связанное с развитием наклонной трещины [5]. Поскольку в вершине наклонной трещины находится максимум касательных напряжений, критическое состояние в этой точке можно выразить в виде предельной величины касательных напряжений t_ху^пр, полученных из критерия прочности при действующих здесь напряжениях s_х и s_у. Учитывая, что напряжения s_х в вершине наклонной трещины находятся, как правило, в области средних значений между нулем и R_b, для определения напряжений t_ху можно воспользоваться приближенными решениями, принимая значения t_ху^пр, независимыми от напряжений s_х [6]. Таким образом, достижение нормальными напряжениями s_х на верхней грани элемента предельных значений s_х, равных сопротивлению бетона R_b, при наличии предельных значений касательных напряжений t_ху^пр у вершины наклонной трещины характеризует I-ый вид критического состояния при разрушении бетона над наклонной трещиной. При развитии наклонной трещины сопротивление ее развитию, характеризуемое предельными напряжениями t_ху^пр, будет возрастать, если напряжения s_у на ее пути будут увеличиваться. Однако этот рост может происходить до определенного предела, характеризуемого огибающей критерия прочности бетона. В этом случае также наступит критическое состояние в бетоне, даже если нормальные напряжения s_х на верхней грани не достигли предельных напряжений R_b, так как ничто не препятствует распространению наклонной трещины до верхней грани элемента. Таким образом, достижение максимально возможных значений предельных касательных напряжений t_ху^пр у вершины наклонной трещины характеризует 2-ой вид критического состояния при разрушении бетона над наклонной трещиной [4]. Приближенное значение предельных касательных напряжений в этом случае равно 0,5R_b. Следует отметить, что достижение предельными касательными напряжениями огибающей критерия прочности отвечает критическому состояния бетона у вершины наклонной трещины в области «сжатие-сжатие» при сжимающих напряжениях, действующих по площадке, перпендикулярной к траектории наклонной трещины, и равных R_b.

Вывод:

Таким образом, 2-ой вид критического состояния можно рассматривать как достижение главными сжимающими напряжениями у вершины наклонной трещины сопротивления бетона R_b. Обращаясь к характеру разрушения бетона над наклонной трещиной, полученному в экспериментах, можно представить, что разрушение бетона от раздробления описывает 1-ый вид критического состояния, а так называемое разрушение бетона от среза – 2-ой вид критического состояния. 1-ый вид критического состояния соответствует работе элемента по балочной схеме, а 2-ой вид – по распорной. В принципе, можно ожидать достижения критического состояния и в промежуточных точках по высоте зоны бетона над наклонной трещинной, но разница не должна быть слишком большой по сравнению с крайней верхней точкой.

Список литературы:

1. Зайцев А.П., Чуприн В.Д. Особенности напряженного состояния в стержневом железобетонном элементе вблизи сосредоточенной нагрузки, приложенной по площадке. – В кн.: Исследование стержневых и плитных статически неопределимых железобетонных конструкций. – М., 1979.
2. Залесов А.С. Новый метод расчета прочности железобетонных элементов по наклонным сечениям. – В кн.: Расчет и конструирование железобетонных конструкций. – М., 1977.
3. Ильин О.Ф. Образование наклонных трещин. – В кн.: Исследования по бетону и железобетонным конструкциям. – М., Стройиздат, 1974.
4. Маилян Р.Л., Шилов A.B. Нормативные и расчетные сопротивления керамзитофибробетона // Совершенствование расчета, проектирования и изготовления строительных конструкций: Сб. науч. тр. Ростов-на-Дону, 1995 г.
5. Холмянский М.М. Скалывание изгибаемых элементов без поперечной арматуры. – В кн.: Заводская технология сборного железобетона. – М., Стройиздат, 1966.
6. Юшин А.В. Нелинейный анализ двухпролетных железобетонных балок, усиленных композитными материалами по наклонному сечению [Текст] // Доклады 70-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов университета: в 3 ч.; СПбГАСУ. – СПб., 2014. – Ч. 1. – С. 45–50.