С целью получения более полной информации о напряженно-деформированном состоянии коротких железобетонных балок с пролетом среза a/h0=0,5 проведены натурные экспериментальные исследования и выполнен расчет указанных конструкций численным методом конечных элементов по программе «ЛИРА».
Натурные экспериментальные исследования. Опытные образцы коротких балок проектировались прямоугольного сечения с размерами 25х40 см. Бетон принимался класса В 25, продольная арматура класса А III (ms=0,85 %).
Схема и общий вид установки для испытаний показаны на рис. 1. Нагружение балок производилось гидравлическим домкратом ДГ-200 через систему распределительных траверс поэтапно: по 2000 кг до образования исследуемых трещин и далее, до разрушения, по 5000 кг. Схема нагружения показана на рис.1. Определение ширины раскрытия трещин в бетоне производилась с использованием трубки Брюнелля.
Рис. 1. Схема силовой установки испытания образцов-балок: 1 — металлическая рама; 2 — распределительная траверса; 3 — гидродомкрат; 4 — опорные площадки; 5 — жесткий штамп; 6 — испытываемый образец; 7 — катки
По результатам испытаний произведена классификация трещин, определены разрушающие усилия, а также усилия при образовании и развитии трещин.
Выявлено четыре вида характерных трещин: наклонные трещины Т–Г, выделяющие сжатую полосу бетона, вертикальные трещины Т–Р в бетоне растянутой зоны, серия наклонных прерывистых трещин, характерных при раздавливании бетона и наклонные трещины Т- О, расположенные внутри сжатой наклонной полосы.
Опытные образцы коротких железобетонных балок имели следующий характер трещинообразования: одновременно с наклонной Т–Г (при нагрузке 0,7 от разрушающей) образовалась вертикальная трещина Т–Р. В дальнейшем трещина Т–Р практически не развивается, и длина ее к моменту разрушения образца составляет 0,25 общей высоты балки. Наклонная трещина Т — О образуется в средней части балки, в зоне бетона, находящейся между грузовой и опорными площадками (в момент образования acrc=0.05 мм). При дальнейшем росте нагрузки трещина интенсивно развивается к центрам приложения сил, перерастая в серию разветвленных трещин. К моменту разрушения появляются характерные трещины, выделяющие сжатую зону бетона, как с внешней, так и с внутренней стороны (рис. 2).
Рис. 2. Фотография опытного образца балки с a/h0=0,5
По результатам экспериментальных исследований коротких железобетонных балок с пролетом среза a/h0=0,5 поверхность бетона можно разделить на четыре характерные зоны. Первая зона представляет собой наклонную полосу, расположенную между грузовой и опорной площадками, в пределах которой концентрируются главные сжимающие напряжения. Вторая зона представляет собой горизонтальный участок в нижней части балки, в пределах которого концентрируются главные растягивающие напряжения. Третья и четвертая зоны располагаются с внутренней и с внешней стороны сжатого наклонного участка бетона и характеризуются малыми напряжениями [1,2,3].
Численные исследования. Одновременно с натурным экспериментом выполнен расчет указанных конструкций с помощью ППП АП ЖБК. Расчетная схема балок представляет собой множество конечных элементов в виде прямоугольных ячеек размером 2,5´2,5 и шириной 25 см. По причине ограничения количества элементов в расчете задействована лишь половина балки. Действие отброшенной части заменялось наложением горизонтальных связей. Принятая расчетная схема допустима, так как обе части балки работают симметрично относительно линии действия внешней силы. Опорные площадки имитировались приложением вертикальных связей в узлы, соответствующие расчетной модели. Нагружение сосредоточенной силой, действующей на балку, моделировалось распределенной нагрузкой, приложенной в узлы конечных элементов по ширине грузовой площадки.
По результатам расчета определены величина и характер распределения: нормальных напряжений — sx; sy; касательных напряжений — txy и главных напряжений — s1; s2.
Распределение нормальных напряжений sx: максимальные сжимающие напряжения sx располагаются в верхней части балки, максимальные растягивающие напряжения — в нижней части эпюры у нижней грани балки (рис. 3). Характерным в распределении нормальных напряжений является то, что в пролете среза эпюры sx являются двузначными.
Рис. 3. Эпюры напряжений в балке с a/h0=0,5
Распределение нормальных напряжений sy: максимальные напряжения sу располагаются в вертикальном сечении по линии действия нагрузки, при этом, с удалением от верхней и нижней грани, то есть с удалением от линии действия нагрузки, величина действия максимальных напряжений уменьшается. Одновременно происходит увеличение длины эпюр sy в направлении оси X (рис. 3).
Распределение касательных напряжений txy: эпюры имеют максимальные значения в верхней части вертикальных сечений, расположенных ближе к центру передачи нагрузки, и в нижней части в сечениях, расположенных ближе к центру действия реакции (рис. 3).
Распределение главных сжимающих и главных растягивающих напряжений: главные сжимающие напряжения концентрируются между верхней гранью опоры, между осями действия внешней и реактивной нагрузки; главные растягивающие напряжения концентрируются у нижней грани балки, при этом траектория максимальных растягивающих напряжений отклоняется вглубь балки к зоне действия реактивных сил [4,5].
Литература:
1. Ладин, Р. А. Характер трещинообразования коротких железобетонных балок при разрушении по сжатой зоне / Р. А. Ладин, О. В. Снежкина, М. В. Кочеткова // «Молодой учёный». № 4 (63), 2014 C.210–214
2. Баранова, Т. И. Гармонизация методов расчета железобетонных балок с различным пролетом среза / Т. И. Баранова, О. В. Снежкина // Вестник Отделения строительных наук РААСН, -1998. — № 2.- С.41–45с.
3. Скачков, Ю. П. Особенности напряженно-деформированного состояния коротких железобетонных элементов / Ю. П. Скачков, О. В. Снежкина, М. В. Кочеткова, А. В. Корнюхин // Молодой ученый. — № 12(59). — 2013. — с.172–175.
4. Шеин, А. И. Численные исследования работы железобетонных балок / Шеин А. И., Снежкина О. В., Ладин Р. А., Киселев А. А. // Современные проблемы науки и образования. –2014.–№ 4; URL: www.science-education.ru/118–13853
5. Ладин, Р. А. Исследование работы коротких железобетонных балок на основе ППП АП ЖБК/ Р. А. Ладин, А. А. Киселев // Вестник магистратуры. -№ 6(33). — 2014. С. 96–98.
