Усадка и ползучесть бетона

Слайд34)Сцепление арматуры с бетоном

В железобетонных конструкциях скольжение армату­ры в бетоне под нагрузкой не происходит благодаря сцеплению материалов. Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротивлением выдергиванию или вдавливанию арматурных стержней, заанкерованных в бетоне (рис. 1.29, а).По опытным данным, прочность сцепления зависит от следующих факторов: зацепления в бетоне выступов на поверхности арматуры периодиче­ского профиля (рис. 10, б); сил трения, развивающихся при контакте арматуры с бетоном под влиянием его усад­ки; склеивания арматуры с бетоном, возникающего бла­годаря клеящей способности цементного геля. Наиболь­шее влияние на прочность сцепления оказывает первый фактор: он обеспечивает около 3/4 общего сопротивления скольжению арматуры в бетоне; если арматура гладкая и круглая, сопротивление скольжению уменьшается. Прочность сцепления возрастает с повышением класса бетона, уменьшением водоцементного отношения, а так­же с увеличением возраста бетона. Исследования показали, что распределение напряжений сцепления армату­ры с бетоном по длине заделки стержня неравномерно; наибольшее напряжение сцепления τ _{c max}, не от длины анкеровки стержня l_ап.

(слайд35 формула) Среднее напряжение сцеп­ления определяют как частное от деления усилия в стер­жне N на площадь заделки. (слайд 36 рис.)

Рисунок 2.12 - Сцепление арматуры с бетоном

а — гладкой; б — периодического профиля; в — зависимость напряжений сцепления от диаметра стержня

(2.5)

где и — периметр сечения стержня (для гладкой арматуры при сред­них классах бетона и ≈ 2,5...4 МПа).

При недостаточной заделке к концам стержней при­варивают коротыши или шайбы (по концам стержней из гладкой стали класса А-1 устраивают крюки).

При вдавливании арматурного стержня в бетон проч­ность сцепления больше, чем при его выдергивании вследствие сопротивления окружающего слоя бетона поперечному расширению сжимаемого стержня. С увели­чением диаметра стержня и напряжения в нем a_s проч­ность сцепления при сжатии возрастает, а при растяже­нии уменьшается (рисунок 2.12).Отсюда следует, что для лучшего сцепления арматуры с бетоном при кон­струировании железобетонных элементов диаметр растя­нутых стержней следует ограничивать .(слайд37 рис.)

Рисунок 2.13- Анкер ненапрягаемой арматуры

а — круглых гладких стержней; б — стержней периодического профиля на свободной опоре балки

Усадка железобетона

В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутрен­ней связью, препятствующей усадке бетона. Согласно опытным данным усадка и набухание железобетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и набухание бетона (рис. 12).Деформация стесненной усадки бето­на приводит к появлению в железобетонном элементе на­чальных, внутренне уравновешенных напряжений — рас­тягивающих в бетоне и сжимающих в арматуре. Под влиянием разности деформаций свободной усадки бетон­ного элемента ε_sl и стесненной усадки армированного элемента ε_sl,s (рис. 13) (слайд 38 формулы: 2.6, 2.7,2.8.)

(2.6)

возникают средние растягивающие напряжения в бетоне

(2.7)

(слайд41 рис.2.14)

Рисунок 2.14 - Изменение с течением времени усадки и набухания

1 - бетона; 2 — железобетона; I — набухание в воде; II — усадка на воздухе

(слайд40 рис.2.15)

Рисунок 2.15 - Деформация усадки образцов

а - бетонного; б — железобетонно­го

Наибольшие значения этих напряжений находятся в зо­не контакта с арматурой. Деформации ε_sls являются для арматуры упругими, и в ней возникают сжимающие на­пряжения

σ_s = ε_slsE_s. (2.8)

(слайд39) Уравнение равновесия внутренних усилий элемента, армированного двусторонней симметричной арматурой, имеет следующий вид:

σ_sA_s = σ_btA, (2.9)

где A_s — площадь сечения арматуры; A —площадь сечения эле­мента.

Отсюда

σ_s= σ_bt(A/A_s) = σ_bt/μ₁, (2.10)

где μ₁= A_s/A — коэффициент армирования.

(слайд42) Если подставить в (2.6) деформации, выраженные через напряжения по формулам (2.7), (2.8), (2.10),

σ_bt / E_bt = ε_sl - σ_bt / μ₁E_s,

то значение растягивающих напряжений в бетоне

(2.11)

где α = E_s/E_b — отношение модулей упругости арматуры и бетона.

Следовательно, при усадке железобетона растягива­ющие напряжения в бетоне зависят от деформации сво­бодной усадки бетона ε_sl, коэффициента армирования μ₁ класса бетона. С увеличением содержания арматуры в бетоне растягивающие напряжения σ_bt увеличиваются, и, если они достигают временного сопротивления при растяжении R_bt, то возникают усадочные трещины.

(слайд43) Растягивающие напряжения в бетоне железобетон­ного элемента при деформации стесненной усадки бето­на, армированного односторонней несимметричной ар­матурой, возрастают вследствие внецентренного прило­жения к сечению усилий в арматуре

(2.12)

Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки способствуют более раннему образованию трещин в тех зонах железобетонных элементов, которые испы­тывают растяжение от нагрузки. Однако с появлением трещин влияние усадки уменьшается. В стадии разру­шения усадка не влияет на несущую способность стати­чески определяемой железобетонной конструкции.

В статически неопределимых железобетонных конст­рукциях (арках, рамах и т. п.) лишние связи препятст­вуют усадке железобетона, вызывая появление допол­нительных внутренних усилий. Влияние усадки эквива­лентно понижению температуры на определенное число градусов. Для тяжелого бетона возможно среднее зна­чение ε_sls ≈ 1,5*10^-4, что при коэффициенте линейной температурной деформации α_t = 1*10^-5°С^-1 эквивалент­но понижению температуры на ≈15°С. Для железобе­тона на пористых заполнителях ε_sls ≈2*10^-4.

Для того чтобы уменьшить дополнительные усилия от усадки, железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий большой протяженности делят усадочными швами на блоки.

Ползучесть железобетона

(слайд44) Ползучесть железобетона является следствием пол­зучести бетона. Стальная арматура становится связью, препятствующей свободной ползучести бетона. Стеснен­ная ползучесть в железобетонном элементе под нагруз­кой приводит к перераспределению усилий между арма­турой и бетоном. Этот процесс интенсивно протекает в течение первых нескольких месяцев, а затем в течение длительного времени (более года) постепенно затухает.

В центрально-сжатой железобетонной призме про­дольные деформации арматуры и бетона (рисунок 2.16)благодаря сцеплению материалов одинаковы

(2.13)

(слайд45) Сжимающее напряжениев продольной арматуре

(2.14)

Роль поперечных стержней или хомутов сводится главным образом к предотвращению выпучивания про­дольных сжатых стержней.

Уравнение равновесия внешней нагрузки и внутрен­них усилий в бетоне и продольной арматуре

(2.15)

Отсюда сжимающее напряжение в бетоне

(2.16)

(слайд46) Коэффициент упругопластических деформаций бетона

(2.17)

зависит от времени t и уровня напряжений σ_b/R_b. Следо­вательно, с течением времени в результате уменьшения коэффициента ν при постоянной внешней силе N напря­жение в бетоне согласно формуле (2.16) уменьшается; при этом напряжение в арматуре увеличивается (см. рисунок 2.16). При проценте армирования μ₁ =0,5 % напря­жения в арматуре возрастают через 150 дней более чем в 2,5 раза. С увеличением процента армирования до μ₁ = 2%интенсивность роста напряжений в арматуре снижается. При мгновенной разгрузке бетон и арматура деформируются упруго, однако остаточные пластические деформации бетона препятствуют восстановлению упру­гих деформаций в арматуре. В результате после раз­грузки арматура будет сжата, а бетон — растянут. Если растягивающие напряжения в бетоне после разгрузки превысят временное сопротивление растяжению σ_bt>R_bt, то в бетоне появляются трещины. При повторном загружении эти трещины закрываются.

(слайд49 рис.)

(слайд50) Рисунок 2.16 - Перераспределение напряжений между арматурой и бето­ном сжатой железобетонной призмы вследствие ползучести бетона

а — схема железобетонной призмы под нагрузкой; б — для бетона класса В40; в — то же В15

(слайд51 рис.)

Рисунок 2.17 - Релаксация напряже­ний в бетоне при постоянных напряжениях в арматуре желе­зобетонной призмы

а — схема железобетонной призмы с наложенными связями;

б — ха­рактер изменения реакции связей N с течением бремени

(слайд47) Релаксация напряжений в бетоне железобетонной призмы наблюдается и при постоянных напряжениях в арматуре — в другом эксперименте (рис. 1.33, а). Если в железобетонной призме создать начальные сжима­ющие деформации ε_b⁰ и начальные сжимающие напря­жения в бетоне σ_b⁰ и арматуре σ_s⁰ , а затем ввести связи, сохраняющие постоянной длину призмы (l = const) и препятствующие дальнейшему ее деформированию, то в любой момент времени t после введения связей оказы­вается, что напряжение в бетоне

(2.18)

(слайд48) Напряжения в бетоне уменьшаются с течением времени, так как уменьшается коэффициент ν.

Реакция связей с течением времени при постоянных напряжениях в

ар­матуре уменьшаются:

(2.19)

На работу железобетонных элементов ползучесть бе­тона оказывает различное влияние:

- в коротких сжатых элементах — обеспечивает полное использование прочности бетона и арматуры;

- в гибких сжатых элементах — вызывает увеличение начальных эксцентриситетов, что может снизить их не­сущую способность;

- в изгибаемых элементах — вызывает увеличение про­гибов;

- в предварительно напряженных конструкциях — при­водит к потере предварительного напряжения.

Ползучесть и усадка железобетона протекают одно­временно и совместно влияют на работу конструкции.

Дата добавления: 2014-01-20