В данной статье описываются результаты комплексных экспериментальных исследований натурных керамзитобетонных трехшарнирных рам пролетом 21 м [1], используемые в дальнейшем для совершенствования методов расчета и конструирования монолитных карнизных узлов железобетонных П-образных рам [2, 3].

Рамы с опалубочными размерами по серии 1.822-2 были запроектированы под полезную нагрузку 400 кг/м². Опалубочный чертеж и схема армирования полурамы ПРЛ 21-3 показаны на рис. 1 а, б. Элементы рам изготавливались на заводе ЖБИ из керамзитобетона класса В20 по кассетной технологии. Для приготовления бетонной смеси в качестве заполнителей использовался керамзит фракцией 5-20 мм и кварцевый песок с модулем крупности 1,8. Формование образцов производили керамзитобетонной смесью с осадкой конуса 12-14 см. Уплотнялась смесь с помощью навесных и глубинных вибраторов. Армирование керамзитобетонных рам практически не отличалось от армирования рам из тяжелого бетона типа ПР 21-3, серии 1.822-2, за исключением П-образных хомутов в зоне сопряжения ригеля со стойкой, принятых взамен поперечных стержней, но аналогичного диаметра и шага. Всего были изготовлены две партии полурам (по 6 шт.).

а.
б.

Рис. 1. Опалубочный чертеж (а) и схема армирования (б) полурамы ПРЛ 21-3

Опытный фрагмент однопролетного здания состоял из трех рам. Две рамы были соединены в жесткий блок с помощью стальных крестовых связей по ригелю и стойкам, третья (испытываемая) рама связана с блоком стальными линейными связями по ригелю. Фундаменты всех рам принимались типовыми, устанавливались на песчаную подушку и засыпались грунтом.

Первая опытная партия рам, изготовленная для пробных испытаний, испытывалась статической нагрузкой в составе фрагмента здания. Рамы нагружались кирпичами по стальным подвесным платформам, рис. 2. Нагрузка от металлических платформ передавалась на раму через закладные детали и прикладывалась ступенями по 1,2 тс вплоть до разрушения рамы при нагрузке Р_к=10,4 тс, принятой за контрольную испытательную нагрузку по прочности для испытания второй опытной партии рам.

Рис. 2. Общий вид испытания железобетонной рамы нагружением кирпичами по стальным подвесным платформам

Вторая партия рам, также как и первая, испытывалась статической нагрузкой в составе опытного фрагмента здания. Однако при разработке методики испытания были учтены недостатки пробного испытания (значительные трудовые и материальные затраты, недостаточная безопасность условий испытания) и нагружение кирпичами заменили нагрузками от опорных реакций железобетонных нагрузочных балок, рис. 3 а, б. Одним концом балки опирались на неподвижную опору, другим – на нагрузочную платформу. Для обеспечения безопасных условий испытания под металлические платформы устанавливались страховочные опоры с зазором до 7 см. На каждую платформу передавалась опорная реакция от двух балок. Нагружались балки бетонными блоками марки ФБС 24-4.6. Количество блоков для каждой ступени нагрузки определялось исходя из средней массы блока (принятой согласно акту взвешивания Р=1400 кг). Нагрузка от металлических платформ передавалась на раму через закладные детали ступенчато, величина ступени составляла около 10% от контрольной испытательной нагрузки по прочности Р_к=10,4 тс и равнялась 1 тс.

а.
б.

Рис. 3. Общий вид (а) и схема испытания (б) железобетонной рамы нагружением опорными реакциями балок

В процессе испытания рам с помощью тензометров Гугенбергера Т-2, Т-3, Т-4, Т-6 с базой 100 мм фиксировались деформации сжатия бетона (деформации укорочения) и тензометров Т-1, Т-5 с базой 20 мм– растяжения арматуры (деформации удлинения) в местах, обозначенных на рис. 4. Прогибы измерялись прогибомерами системы Аистова П-1¸П-3 с ценой деления 0,01 мм, в коньке рамы и на расстоянии 2 м от конька. Отсчеты по всем приборам производились после приложения каждой ступени нагрузки, и вторично после выдержки рамы под нагрузкой. Момент появления трещин в растянутых зонах бетона определялся визуально, ширина раскрытия трещин оценивалась с помощью лупы, с точностью 0,05 мм.

Рис. 4. Схема расстановки приборов при испытании рам

Картина трещинообразования в ригеле рамы из первой опытной партии и стойках соответствовала ожидаемым расчетным предпосылкам. Первые трещины зарождались в зонах с максимальными изгибающими моментами от действия главных растягивающих напряжений. Трещины, возникающие от действия растягивающих напряжений в растянутой изогнутой арматуре, квалифицируются как трещины раздавливания бетона, которые, по сути, являются трещинами, образующимися в результате развития поперечных деформаций. Ширина раскрытия трещин при условной нормативной нагрузке Р=6 тс (2000 кг/пм) достигала 0,15 мм < 0,2 мм.

Сам вид разрушения сердцевины карнизного узла развивается поэтапно, сначала появляются лучеобразного характера трещины, направленные от центра сгиба растянутой арматуры к внутреннему углу карнизного узла. Факт физического разрушения наступает в результате развития второго этапа разрушения. Он характеризуется образованием наклонной трещины зияющего характера, направленной по косому сечению, расположенному по границе карнизного узла с ригелем либо со стойкой. Трещины направлены к нижней грани ригеля либо колонны.

Таким образом, факт физического разрушения фиксируется по наклонной трещине и является фактом среза наклонной сжатой полосы по диагоналям бетонной полосы. Характерно, что сжатая наклонная полоса имеет трапециевидную форму, основание которой (бóльший размер) находится в растянутой зоне. Сжатие в бетоне возникает от стремления растянутой арматуры выпрямиться. Реакции от распрямления арматуры веерообразно передаются на бетон сжимающими усилиями (напряжениями). Однако клинообразная форма сжатого бетона встречает на пути сопротивление бетонной обоймы, образуемой бетоном колонны и ригеля по границе узла сопряжения. Зоны смятия бетона в коньке и у опорных шарниров практически не имели признаков разрушения, трещины в них отсутствовали. Прогибы в коньке и ригелях нарастали плавно, пропорционально росту усилий. Контрольная величина прогиба при условной нормативной нагрузке не превышала предельной величины – f_к=8,98 см < 9,5 см.

Разрушение рамы произошло в ригеле в зоне его сопряжения со стойкой при нагрузке 10,4 т. Растянутая арматура, попадающая в зону разрушения – течет, одновременно напряжение в сжатой зоне бетона достигают предела прочности на сжатие и срез. Характер разрушения рамы из первой опытной партии представлен на рис. 5.

Рис. 5. Разрушение карнизного узла из первой партии рам, изготовленной для пробных испытаний

Деформации бетона в сжатых зонах сечения ригеля рамы из второй опытной партии нарастали с каждым этапом увеличения нагрузки, рис. 6 а. Максимальные деформации зафиксированы в ригелях, в зоне их сопряжения со стойками, что соответствует характеру распределения напряжений в раме. Деформации растяжения арматуры увеличивались практически пропорционально с ростом нагрузки на раму, рис. 6 б. Однако интенсивность нарастания деформаций увеличивалась на определенных этапах нагружения, что свидетельствовало о моменте возникновения еще не обнаруженных визуально трещин в исследуемых зонах.

Визуально первая трещина была зафиксирована в ригеле правой полурамы, после приложения третьей ступени нагрузки. Трещина возникла в месте сопряжения ригеля со стойкой. На четвертой и пятой ступенях трещинообразование развивалось, перемещаясь от угла к коньку рамы. При условной нормативной нагрузке Р=6 тс (2000 кг/пм) максимальная ширина раскрытия отдельных трещин правой полурамы достигала 0,2 мм; левой полурамы – 0,15 мм. Прогибы также увеличивались равномерно с ростом нагрузки, рис. 7. Прогибы правой и левой полурам отличались незначительно, что свидетельствовало об удовлетворительной работе рамы в целом. При условной нормативной нагрузке Р=6 тс (2000 кг/пм) вертикальное перемещение конька рамы составило 92 мм, при нагрузке Р=11,8 тс (3930 кг/пм) – 260 мм.

а.
б.

Рис. 6. Графики относительных деформаций укорочения бетона в сжатых зонах сечения ригеля (а) и относительных деформаций удлинения арматуры (б)

Разрушение конструкции произошло по наклонному сечению в правом ригеле рамы на расстоянии 7,9 м от конька при нагрузке 11,8 т, рис. 8. Разрушению предшествовала текучесть продольной растянутой арматуры, с последующим раздроблением и срезом бетона сжатой зоны, а также разрывом отдельных продольных и поперечных арматурных стержней.

Рис. 7. Схема перемещения узлов рамы под нагрузкой

Рис. 8. Разрушение правого ригеля рамы по наклонному сечению на расстоянии 7,9 м от конька при нагрузке 11,8 т

В целом по результатам экспериментальных исследований железобетонных трехшарнирных рам сделаны следующие выводы:

• В карнизных узлах железобетонных рам при испытании статической нагрузкой в составе опытных фрагментов здания образуются следующие характерные зоны – зона, в пределах которой концентрируются главные растягивающие напряжения (характеризуется деформациями удлинения) и участок, в пределах которого концентрируются максимальные сжимающие напряжения (характеризуется деформациями укорочения).
• Максимальные деформации бетона зафиксированы в ригелях, в зоне их сопряжения со стойками (в карнизных узлах), что соответствует характеру распределения напряжений в раме.
• Разрушение сердцевины карнизного узла рамы из первой опытной партии развивается поэтапно, сначала появляются лучеобразного характера трещины, направленные от центра сгиба растянутой арматуры к внутреннему углу карнизного узла. Первые трещины квалифицируются как трещины раздавливания бетона, которые, по сути, являются трещинами, образующимися в результате развития поперечных деформаций от действия главных растягивающих напряжений. Факт физического разрушения наступает в результате развития второго этапа разрушения, характеризующегося образованием наклонной трещины зияющего характера, направленной по косому сечению, расположенному по границе карнизного узла с ригелем либо со стойкой. Трещины направлены к нижней грани ригеля либо колонны. Разрушение фиксируется по наклонной трещине и является фактом среза наклонной сжатой полосы по диагоналям бетонной полосы, имеющей трапециевидную форму, основание которой находится в растянутой зоне.
• Разрушение рамы из второй опытной партии произошло по наклонному сечению в правом ригеле рамы на расстоянии 7,9 м от конька. Первые трещины были зафиксированы в ригеле правой полурамы в месте сопряжения ригеля со стойкой. С дальнейшим увеличением нагрузки трещинообразование развивалось, перемещаясь от угла к коньку рамы и выделяя граничную зону, которая по данным физического эксперимента расположена на расстоянии около 2,5 м от наружной грани стойки.

1. Иванов И.А., Гучкин И.С., Демьянова В.С., Тараканов О.В., Чиненков Ю.В., Корнев Н.А. Отчет о производственных испытаниях опытных керамзитобетонных рам пролетом 21 м, имеющих опалубочные размеры по серии 1.822-2 и предназначенных для однопролетных сельскохозяйственных зданий // Пензенский ИСИ, НИИЖБ Госстроя СССР, Омский комбинат строительных конструкций. 1986.
2. Артюшин Д.В., Баркаров П.В. Оценка напряженно-деформированного состояния монолитных карнизных узлов железобетонных П-образных рам // Вестник магистратуры. 2015. №3 (42). С. 26-28.
3. Артюшин Д.В., Баркаров П.В. Расчет и конструирование монолитных карнизных узлов железобетонных П-образных рам // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/52220 (дата обращения: 23.04.2015).

Все статьи автора «Артюшин Дмитрий Викторович»