Легковесные конструкции на основе легких бетонов с оптимизированными деформативными свойствами.

(1)

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет)

Архитектурно-строительный институт Строительные конструкции и сооружения

РАБОТА ПРОВЕРЕНА ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

__________________________ Заведующий кафедрой, к.т.н.

__________________________. доцент

__________________________ _________________М.В.Мишнев

_______________________ 2021г. ___________________ 2021г.

ЛЕГКОВЕСНЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМИ ДЕФОРМАТИВНЫМИ СВОЙСТВАМИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КВАЛИФИКАЦИОННОЙ НАУЧНОЙ РАБОТЕ МАГИСТРА ЮУрГУ–08.04.01.2021.305/078. ПЗ КНР

Руководитель НИР Мишнев М.В

_____________________ 2021 г.

Автор КНР студент группы Лоськов В.Е

_______________________ 2021 г.

Нормоконтролер Мишнев М.В

______________________ 2021 г.

(2)

АННОТАЦИЯ

Лоськов В.Е

Квалификационная научная работа магистра

«Легковесные конструкции на основе легких бетонов с оптимизированными деформативными свойствами». – Челябинск: ЮУрГУ, 2021, 131 с., 88 рис., 52 табл.

В данной работе был произведен теоретический расчет балок разных составов бетонной смеси армированных металлической и стеклокомпозитной арматурой и лабораторный эксперимент. Произведены обработка и анализ результатов исследования. Проведены стравнения полученых деформативных свойств - модуля упругости при сжатии и изгибе бетонов с различными сочетаниями тяжелого и легкого мелкого и крупного заполнителей.

Апробация расчетной модели САПР монолитного железобетонного каркаса.

Оценка экономической эффективности использования легких бетонов в плитах перекрытия на примере монолитного железобетонного каркаса существующего здания.

зм. Лист № докум. Подпись Дата

Лист

АС‒08.04.01.2021.305/078 ПЗ КНР

Разработал Лоськов В.Е

Проверил Мишнев М.В Легковесные конструкции на ^Стадия ^Листов

(3)

Подп. и датаВзам. инв. №Инв. № дубл. Подп. и дата

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ... 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ... 7

1.1 Актуальность темы исследования ... 7

1.2 Обзор литературы ... 7

1.3 Выводы на основании проведенного литературного обзора ... 21

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ... 23

2.1 Материалы для исследования деформативных характеристик легкого бетона ... 23

2.2 Методы для исследования деформативных характеристик легкого бетона 23 2.2.1 Определение кубиковой и призменной прочности ... 23

2.3.2 Определение модуля упругости при сжатии ... 25

2.3.3 Определение модуля упругости при растяжении на изгиб ... 28

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ-КУБИКОВ И ПРИЗМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОСТАВОВ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ. ... 31

3.1 Исходные данные ... 31

3.2 Результаты испытаний образцов-кубиков на сжатие ... 32

3.3 Результаты испытаний образцов-призм на сжатие ... 33

3.3 Результаты испытаний образцов-призм на изгиб ... 39

3.4 Вывод на основе результатов лабораторных исследований ... 45

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ АРМИРОВАННЫХ БАЛОК. ... 47

4.1 Исходные данные ... 47

4.2 Методика испытаний балок ... 49

4.3 Теоретический расчет характеристик образцов-балок ... 52

4.4 Обработка данных лабораторных испытаний ... 70

4.5 Вывод по результатам испытаний ... 79 ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК В ПК ЛИРА.

(4)

5.1 Определение прогиба балок в ПК Лира... 81

5.2 Сравнение расчетных и опытных значений ... 85

5.3 Выводы по главе ... 89

ГЛАВА 6. СРАВНЕНИЕ АРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ЖИЛОГО ДОМА ... 90

6.1 Описание объекта ... 90

6.2 Нагрузки на плиту перекрытия типового этажа ... 92

6.3 Сравнение плит перекрытия типового этажа с разными жесткостями. ... 100

6.4 Сравнение армирования элементов каркаса ... 105

6.4.1 Сравнение армирования плит перекрытия ... 105

6.4.2 Сравнение армирования пилонов ... 110

6.4.3 Сравнение армирования колонн ... 119

6.5 Вывод по общей экономии арматуры ... 124

6.6 Выводы по главе ... 127

7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ... 128

8. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ... 130

(5)

ВВЕДЕНИЕ

Жилищная проблема была и остается одной из важнейших в современной России. Однако ее можно решить путем интенсивного строительства жилых домов. Указ Президента Российской Федерации №600 от 7 мая 2012 года -

основной в сфере жилищного строительства и ставит первоочередным направлением активизацию жилищного строительства и ликвидацию аварийного

жилищного фонда. [1]

Это связано с тем, что разработанные в советский период конструкции жилых зданий, которые несомненно имели свои положительные моменты для того времени, на данный момент не отвечают всем нормам и требованиям формирующимся новой социально-экономической структуры городского населения и не соответствуют образу их жизни. В нынешнее время назревает предпосылка для разработки развернутой системы домов и квартир нового типа, отвечающей всем потребностям и экономическим возможностям жителей, которые несут иные представления об организации их жизни.

Индустрия домостроения в России для решения данных задач освоила в последние 50 лет технологии блочного, панельного, крупноблочного, крупнопанельного, каркасного и монолитного строительства. Все эти технологии прекрасно себя зарекомендовали и постоянно совершенствовались за счет применения инновационных и прогрессивных материалов.

Однако наиболее совершенным является способ создания цельных конструкций из железобетона. Стоить отметить, что монолитно-каркасные здания занимают лидирующие позиции на современном рынке строительства, т.к имеют следующие преимущества:

 Монолитно-каркасные дома имеют высокую скорость возведения.

 Равномерная и незначительная усадка здания.

(6)

 Повышение прочности здания, за счет отсутствия швов, что также увеличивает срок службы возводимого здания.

 Отсутствие необходимости в доставке тяжелых и объемных строительных конструкций на строительную площадку.

 Позволяет возводить здания любой этажности с самыми различными и причудливыми архитектурными формами и свободной планировкой внутри сооружения.

Однако с последними тенденциями поднятия стоимости на металлические изделия в строительной отрасли остро встает вопрос об удешевлении стоимости изготавливаемых конструкций. А монолитно-каркасные здания имеют огромное количество арматурных изделий, что в свою очередь говорит об удорожании единицы выпускаемой продукции. Возникают предпосылки для облегчения конструкций из железобетона, что существенно снизит расход арматуры, используемой в несущих конструкциях.

Облегчение строительных железобетонных конструкций в первую очередь не должно влиять на несущую способность элементов. Добиться положительно результата возможно посредством использования композитных материалов в бетоне, либо использовать более легкие бетоны характеристики которых не уступают тяжелым.

(7)

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Актуальность темы исследования

Легкий бетон является эффективным материалом, который имеет большую перспективу. Легкие бетоны все чаще используются в строительстве.

Строительство из легкого бетона позволяет улучшить тепловые и акустические свойства зданий, значительно снизить их вес, успешно решить проблему снижения стоимости выпускаемой продукции. Использование легкого бетона позволяет:

 снизить затраты на строительство на 10.... 20 %;

 снизить затраты на рабочую силу на строительных площадках до 50 %;

 повысить производительность труда на 20 %.

Перед отраслью строительных материалов задача заключается в повышении эффективности, качества и долговечности изделий, экономии энергии, сырья, снижении потребления металла и веса конструкций и зданий и снижении затрат на рабочую силу. Одним из способов решения этой проблемы является значительное увеличение доли производства и применения конструкций и деталей из легкого бетона с повышенными деформативными свойствами.

1.2 Обзор литературы

Легкий бетон является хорошим теплоизоляционным материалом, обладает достаточной долговечностью, не стоек к истиранию. В целом легкий бетон стоит дороже, чем обычный. Приготовление бетонной смеси, ее транспортировка и укладка требуют значительно больше заботы и внимания, чем обычная бетонная смесь. Однако во многих случаях преимущества легкого бетона превосходят его недостатки и во всем мире сейчас заметна тенденция к более широкому применению легких бетонов, а также к применению их в новых областях.

Сегодня перед строительной отраслью стоит важная задача – уменьшать массу

(8)

занижая несущие способности и другие эксплуатационные свойства возводимых объектов. Решение этой задачи позволит повысить эффективность отрасли, в том числе и в вопросах экономии финансов [2].

Снижение материалоемкости и массы строительных материалов особенно актуально при высотном строительстве, поскольку именно высотное строительство приводит к высокой нагрузке нижних этажей, «удерживающих»

верхние [2].

Один из способов решить важную строительную задачу – разработка и применение новых материалов – высокопрочных легких бетонов, в которых выше относительный показатель прочности на единицу плотности по сравнению с другими, ставшими уже традиционными легкими бетонами.

Высокопрочность бетона напрямую связана с объемной массой материала.

Если под термином «высокопрочные» понимать такие бетоны, в которых прочность материала выше границ нормы, тогда термин должен быть объясним некой «базовой» объемной массой в сухом состоянии. [2]

На западе высокопрочные легкие бетоны получили самое обширное применение. К примеру, одна только Норвегия с 1989 по 1997 годы использовала около 200 тысяч м³ легких бетонов, имеющих класс от LC45/50 до LC60/66. Из высокопрочных легких бетонов возводят даже уникальные объекты, так при возведении Нью–Йоркского международного аэропорта использовался железобетон на керамзитобетоне. Четыре секции 90х60 м возведены с использованием данного материала – керамзитобетона прочностью 410 кгс/см² и плотностью 1850 кг/м³[2].

А в Иллинойском университете применение легкого бетона вместо тяжелого на куполе зала собраний снизило вес всего здания на 6800 тонн.

(9)

Рисунок 1.1 - Купол Иллинойского университета в Массачусетсе

Легкие бетоны активно применяются при возведении высотных зданий не только в США, и в Англии, Австралии, Японии, Голландии. В частности, в Хьюстоне легкобетонные конструкции предварительно напряженные позволили построить здание, высотой 220 м, в Сиднее – 180 м, в Лондоне – 142 м и т.д.

По оценкам экспертов, при использовании легкого бетона себестоимость строительства снижается в 1,5 – 2,5 раза по сравнению с тем, если бы использовался обычный тяжелый бетон того же класса прочности, что и легкий бетон. [2]

Стоит также учитывать, что отдельные архитектурные задумки невозможно реализовать, применяя обычный тяжелый бетон, для этого подходит только высокопрочный легкий бетон. Проиллюстрировать эту мысли можно, если вспомнить находящееся в Дюссельдорфе здание главного офиса пристани.

Именно высокопрочные легкие бетоны позволили на территории старинного порта реки Рейн в зоне причала возвести здание, объемом 35 тысяч м³. При этом в здании два подвальных этажа и пять наземных. Интересен с точки зрения архитектурного исполнения криволинейный висячий фасад, находящийся на южном фронте данного офиса. Его создает монолитная железобетонная

(10)

всего 0,375 м. Искривление фасада составляет 45 м. Данный фасад с одной стороны монолитно соединен с несущей системой здания на всей его высоте, а с другой стороны – с плитами балконов на четырех верхних этажах.

Высокопрочный бетон имеет заполнитель класса LC 35/45, удельный вес которого – 1,35 кг/дм³. Он позволил уменьшить вес криволинейного висячего фасада на 40%. За счет этого сократилась вертикальная нагрузка на балконы.

Рисунок 1.2 - Здание главного офиса пристани. Дюссельдорф

Прочность на сжатие в легких бетонах зависит от плотности, прочности и жесткости строительного раствора. Однако прочность самой цементной матрицы и дробимость заполнителей у высокопрочных легких бетонов должны быть если не идентичные, то близкие. Представлены возможности влияния на такие показатели, как прочность при сжатии и объемная масса материала. К преимуществам высокопрочного легкого бетона можно отнести следующее:

– Высокая продолжительная прочность, которая не меняется при суровых климатических условиях.

(11)

– Высокий уровень сцепления цементного камня и легких заполнителей.

Возникновение пуццоланических реакций между цементным клеем и алюмосиликатными легкими обожжёнными заполнителями. Это обеспечивает большую долговечность эксплуатации материала.

– Низкая влагоотдача высокопрочных легких бетонов приводит к тому, что внутри самого материала происходит процесс, получивший название

«внутренний уход» [2].

Сегодня и в России, и за рубежом все активнее строят здания повышенной этажности, небоскребы. Особенность таких зданий – повышенные сжимающие нагрузки, которые ложатся на несущие конструкции нижних этажей, расположенные вертикально. При строительстве небоскребов и зданий повышенной высотности на грунт также идет высокое давление. [2]

Серьезные нагрузки на несущие конструкции, располагающиеся вертикально, влекут увеличение сечений элементов. А это негативно отражается на планировочно-объемном решении здания. Это провоцирует потребность применять больше арматуры, а это уже влечет за собой увеличение затрат.

Серьезное давление на грунт со стороны высотного здания не редко становится решающим фактором, на который обращают внимание при выборе того или иного типа фундамента или при определении конечной этажности объекта. Это тем более актуально для крупных городов, где большое развитие получили подземные коммуникации, а также для районов, где наблюдаются слабые грунты. Понятно, что если усложнять конструктивные особенности фундамента, это приводит к росту себестоимости всей стройки. [2]

Применение высокопрочных легких бетонов в несущих конструкциях позволяет существенно снижать нагрузку на вертикальные несущие конструкции и на фундамент. Не стоит забывать также, что на сегодняшний день к зданиям и сооружениям предъявляют высокие эстетические требования. Не редко заказчик строительства желает придать зданию уникальный архитектурный облик. Такую возможность предоставляет только монолитное домостроение. В составе высокопрочного легкого бетона, имеющего отменные характеристики,

(12)

подвижная строительная смесь, а это крайне важно во время бетонирования конструкций на стройплощадках. Это уменьшает трудозатраты, направленные на уплотнение смеси. [2]

Легкие бетоны на пористых заполнителях начали использовать в сборных конструкциях перекрытия в 1936г. когда из двухпустотных легкобетонных настилов были выполнены перекрытия трикотажного комбината площадью 3900м²и крытого рынка площадью 3800м² в Тбилиси.

Исследования проведенные ЦНИИЭП жилища, показали, что проблему использования легких бетонов в междуэтажных перекрытиях следует рассматривать в трех основных аспектах:

1. Средство снижения стоимости самого бетона в тех случаях, когда стоимость получения местных пористых заполнителей меньше, чем обычного привозного щебня.

2. как способ уменьшения собственной массы перекрытий и как правило сокращения расхода стали вертикальных конструкций.

3. как путь, позволяющий за счет снижения массы несущей части повысить заводскою готовность элементов перекрытий при одновременном улучшении их эксплуатационных качеств.

Большой опыт комплексного применения легких бетонов накоплен в результате многолетнего научно-технического сотрудничества отдела легкобетонного домостроения ЦНИИЭП жилища с Архитектурно-проектной мастерской им. В.А Веснина и трестом №25 Главсредневолжстрой.

В процессе совместной работы были построены 5 и 9-ти этажные жилые здания, крупно-панельные, в которых все конструкции выполнены из керамзитобетона. Это показало, что в результате технического прогресса и верного учета работы легко бетона создаются предпосылки для увеличения этажности зданий с уменьшением расхода стали и денежных средств на единицу полезной площади.

Проф. М.В Симонов предложил отличать легкие бетоны от тяжелых по пористости использованных в нем заполнителей, объясняя это тем, что граница

(13)

между легкими (плотность до 1850кг/м3) и тяжелыми бетонами достаточно условна, так как высокопрочные бетоны на тяжелых заполнителях могут иметь и более высокие значения объемной массы. Симонов назвал легкими бетоны на заполнителях пористостью более 10%. Свойства конструкционных легких бетонов во многом зависят от свойств пористого заполнителя, отсюда они получили название по заполнителю: керамзитобетон, шлакобетон, туфобетон, пемзобетон итд. [3]

Прочность при сжатии

Большое влияние на свойства легкого бетона оказывает прочность пористых заполнителей при сжатии и растяжении. Поиском методики для изучения этого вопроса занимались многие исследователи: Н.А. Попов, М.З. Симонов, А.В.

Талисман и др. Однако, все эти испытания дают, весьма относительное представление о свойствах материалов. так, как не моделировалась работа зерен в бетоне.

Наиболее характерной особенностью легких бетонов является зависимость их объемной массы от прочности. Причем эта зависимость будет разной при использовании отличных пористых заполнителей. На рисунке 3 показана зависимость объемной массы от прочности, при использовании пористых заполнителей с разными свойствами по результатам исследований Н.А. Попова.

Рисунок 1.3 – Зависимость объемной массы легких бетонов на пористом

(14)

1- прелитобетон на перлитовом щебне и песке с насыпной массой pнас, равной 200-300 кг/м²; 2 – керамзитобетон на керамзитовом гравии (p_нас= 400 кг/ м³) и

дробленом керамзитовом песке (p_нас= 650 кг/ м³); 3- то же, но с заменой половины керамзитового песка уварцевым; 4- то же, на кварцевом песке; 5 – аглопорибетон на аглопоритовом щебне (pнас = 600 кг/ м³) и песке (pнас = 1000 кг/

м³); 6 – керамзитобетон на керамзитовом гравии (pнас = 600 кг/ м³) и кварцевом песке; 7 – аглопорибетон на аглопоритовом щебне (p_нас= 600 кг/ м³) и кварцевом

песке; 8 – шлакопемзобетон на шлакопемзовом щебне (p_нас= 800 кг/ м³) и шлакопемзовом песке (p_нас= 1200 кг/ м³)

Не стоит забывать, что на величину объемной массы оказывает влияние и вид мелкого заполнителя. Применение кварцевого песка уменьшает деформативность керамзитобетона и значительно снижает его стоимость.

Однако стоимость бетона далеко не всегда определяет экономическую эффективность конструкции в целом. А увеличение стоимость бетона в данном случае может компенсировать уменьшением трудоемкости монтажа, а также за счет экономии арматурной стали.

Исследования, проведенные в ЦНИИЭП жилища и во ВНИИ Керамзит, показали, что наиболее эффективно смешивание кварцевого и керамзитного песков в соотношении 1 к 1. За счет улучшения гранулометрического состава мелкого заполнителя удается существенно снизить расход цемента и получить бетон с малой объемной массой и высоким модулем упругости.

Основной показатель, характеризующий конструкционные легкие бетоны – прочность при сжатии. Если прочность тяжелого бетона в основном определяется прочность цементного камня, то прочность легких бетонов зависит также и от прочности легких заполнителей. Наиболее интересно в этом отношении исследования А.И Ваганова, которые показали, что повышение прочности пористого заполнителя повышает прочность легкого бетона только до определенного предела. [3]

(15)

Рисунок 1.4 – Зависимость предела прочности керамзитобетона при сжатии Rб от предела прочности растворной части Rр.ч (по данным А.И. Ваганова) Из приведенных зависимостей следует, что при сравнительно невысоком содержании крупного пористого заполнителя прочность бетона в 2-3 раза меньше прочности растворной части. [3]

Таким образом, прочность бетона может быть связана с прочностью его компонентов и их деформативными характеристиками следующими зависимостями

При (передельная сжимаемость заполнителя больше, чем растворной части) ;

При (передельная сжимаемость заполнителя меньше, чем растворной части) ;

В этих зависимостях α^{з и}αр.ч –характеристики деформативности заполнителя и растворной части.

(1.1)

(1.2)

(16)

где Ез и Ер.ч – модули упругости соответственно крупного заполнителя и растворной части.

Если прочность легкого бетона, определяется по формуле (1), то учитывается возможность разрушения бетона по поверхности, не проходящей через зерна крупного пористого заполнителя. на оновании приведенной зависимости можно сделать ряд выводов:

1. При необходимости повышения прочности бетона за предел легко достижимого уровня целесообразно уменьшить предельную хрупкость зерен пористого щебня или гравия, используя увеличение их плотности и прочности уменьшением размеров, и одновременно снизить объемное содержание крупного заполнителя.

2. Применение пористого песка вместо кварцевого обеспечивает более полное использование прочности крупного заполнителя, уменьшая таким образов влияние его объемного содержания на прочность бетона.

Это объясняется тем, что модуль упругости растворной части на пористом печке ниже, чем на кварцевом на 30-40%.

3. Замена кварцевого песка пористым приводит к снижению предельной прочности бетона.

По данным Ю.Е. Корниловича в легком бетоне сцепление цементного камня с зернами заполнителя выше, чем у тяжелого бетона, что объясняется шероховатой поверхностью заполнителей.

Для легких бетонов с более податливыми гранулами крупного заполнителя характерно менее интенсивное уменьшение модуля деформации при напряжениях, близких к пределу прочности. [3]

(17)

Рисунок 1.5 – Зависимость относительных деформаций σ от напряжений ξ 1-тяжелый бетон Rпр=166 кгс/см² , 2 – керамзитобетон Rпр=172кгс/см² По мнению Симонова М.З, эта особенность легких бетонов свидетельствует о более позднем начале трещинообразования при повышении нагрузки.

Прочность при растяжении

На жесткость изгибаемых элементов оказывает влияние их трещиностойкость, непосредственно связанная прочностью бетона при растяжении и изгибе.

Прочность бетонного образца при изгибе определяется прочностью его растянутой зоны. Однако расчет бетонной балки в предположении ее упругой работы, исходя из прочности бетона при осевом растяжении, обычно показывает значительно меньшую несущую способность, чем в действительности.

Исследования результатов испытаний методом, предложенным Фере, показали, что в растянутой зоне изгибаемых бетонных образцов происходит пластическое перераспределение напряжений. В результате этого перераспределения к моменту разрушения образца в значительной степени используется прочность слоев, удаленных от наиболее растянутой грани. Такое перераспределение обусловлено нелинейным характером зависимости

(18)

Для анализа связи между прочностью бетонных образцов при изгибе и осевом растяжении величину предельной растяжиости бетона ξр можно представить в виде суммарных упругих и пластических относительных деформаций

ξр = ξу +ξд

Отношение пластических деформаций к моменту разрушения к величине предельной растяжимости бетона называют коэффициентом пластичности при растяжениис λр:

Величиной упругих деформаций к моменту разрушения принято считать отношение предела прочности бетона при осевом растяжении к начальному модулю упругости

тогда,

В растянутой зоне последовательно развиваются упругие и пластические деформации. Тогда очертание эпюры напряжений в растянутой зоне к моменту разрушения будет иметь характер графика, приведенного на рисунке 6, так как величина относительных деформаций растяжения в любой точке по высоте элемента пропорциональна ее расстоянию от центральной оси.

(1.4)

(1.5)

(1.6)

(1.7)

(19)

Рисунок 1.6 – Зависимость относительных деформаций от напряжений при последовательном развитии в растянутой зоне упругих и пластических

деформаций

Из условия пропорциональности ординатам, можно заключить, что на расстоянии

от этой оси напряжение будет равно пределу прочности при осевом растяжении

σ = Rp.

А напряжения сжатия в соответсвии с законом Гука могут быть приняты пропорциональными деформациями:

σ_сж = Ес * ξ

(1.8)

(1.9)

(1.10)

(20)

Рисунок 1.7 – Условные эпюры распределения напряжений в бетонной балке при изгибе

а- при последовательном развитии упругих и пластических деформаций в растянутой зоне; б – при одновременном развитии указанных деформаций Начальные модули упругости при растяжении и сжатии практически равны:

Ep = Ec = Eб

Для упрощения расчета конструкций, предельное состояние которых определяется с учетом работы бетона растянутой зоны, в этой зоне, Согласно СП, принимается прямоугольная эпюра напряжений. Поэтому прочность бетона при растяжении по результатам испытаний на изгиб стандартных образцов оценивают исходя из той же частично условной предпосылки.

Анализирую и сопоставляя имеющиеся данные о пределе прочности легких бетонов при растяжении и изгибе, необходимо понимать, каким образом получены те или иные показатели.

Так, прочность на растяжение при изгибе в одних случаях (особенно зарубежных источниках) оценивают исходя из упруго пластичного момента сопротивления:

В других случаях из нормативного момента сопротивления:

(1.11)

(1.12)

(21)

В настоящее время при определенной схеме испытаний:

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Длительный характер работы при изгибе различных видов легкого бетона в настоящее время изучен недостаточно. Поэтому наряду со стандартными испытаниями балок необходимы более глубокие исследования. Уточнение методики расчета изгибаемых конструкций, работа их в стадии, предшествующей образованию трещин, позволит более правильно учитывать свойства и особенности различных видов бетона.

2. Применение в конструкциях междуэтажных перекрытий легких бетонов оптимальной прочности для данного вида пористого заполнителя, как правило, обеспечивает трещиностойкость, равную аналогичным конструкциям из тяжелого бетона или более высокую.

3. Прочность легких бетонов на растяжение при изгибе – важнейший показатель при их применении в конструкциях перекрытий. Этот показатель определяет все основные свойства указанных конструкций:

жесткость, трещиностойкость, сцепление арматуры с бетоном, прочность при скалывании. [3]

1.3 Выводы на основании проведенного литературного обзора

Использование легковесных конструкций и легких бетонов с улучшенными деформативными свойствами имеет большое количество предпосылок, однако

этот вопрос исследован не полностью. В большей степени исследования проводились по использованию легких бетонов в сборных железобетонных конструкциях, поэтому вопрос об использовании таких бетонов в монолитных

конструкциях остается открытым.

Соответственно можно поставить следующие цели и задачи

(1.13)

(22)

1. Повышение эффективности легкобетонных пролетных конструкций путем оптимизации соотношения плотности и деформативных свойств легких бетонов.

Задачи исследования:

1. Проведение сравнительных исследований деформативных свойств - модуля упругости при сжатии и изгибе, коэффициента Пуассона, ползучести при сжатии и изгибе тяжелого и легкого бетонов с различными сочетаниями тяжелого и легкого мелкого и крупного заполнителей

2. Проведение сравнительных исследований расчетных и экспериментальных деформаций изгиба под нагрузкой армированных балок из тяжелого и легкого бетонов с различными сочетаниями тяжелого и легкого (керамзитового и перлитового) мелкого и крупного заполнителей, с применением стальной и стеклопластиковой арматуры 3. Апробация расчетной модели САПР монолитного железобетонного

каркаса при расчете плит перекрытия из легкого бетона различной плотности с учетом рекомендаций, сформированных на основе экспериментальных исследований деформативности.

4. Расчет и оценка экономической эффективности применения легкобетонных перекрытий на примере действующего монолитного железобетонного каркаса. Формирование рекомендаций по расчету и применению легкобетонных перекрытий с оптимизированными деформативными свойствами в монолитных железобетонных каркасах.

Научная новизна:

1. Впервые обосновано применение в монолитных железобетонных каркасах легкобетонных монолитных перекрытий с плотностью менее 1500 кг/м³. 2. Предложен усовершенствованный коэффициент конструктивного качества

бетона с учетом его деформативности, представляющий собой отношение модуля упругости бетона и его плотности. Предлагается рекомендовать легкие бетоны в пролетах при коэффициенте КДК = E/D не менее 10.

(23)

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материалы для исследования деформативных характеристик легкого бетона

Для приготовления бетонной смеси использовались следующие материалы.

 Портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2016. Прочность цемента на сжатие в возрасте 2 суток - 29,9 Мпа. Прочность цемента на сжатие в

возрасте 28 суток – 53,9 МПа

 Щебень для строительных работ фракции 5-20 мм ГОСТ 8267-93

 Песок для строительных работ по ГОСТ 8736-93

 Керамзитовый гравий по ГОСТ 32496-201 ТУ. Зерновой состав 10-20 мм, марка по насыпной плотности М450, марка по прочности П100.

 Песок перлитовый вспученный марки ВИП М75 по ГОСТ 1083-2019.

Группа песка – мелкий. Насыпная плотность не более 5 кг/м ³

 Арматура стальная диаметром 10А400 по ГОСТ 5781-82

 Арматура стеклопластиковая производства ООО «СКМ»

АСК81000/35 ГОСТ 31938-2012

2.2 Методы для исследования деформативных характеристик легкого бетона

2.2.1 Определение кубиковой и призменной прочности

Перед испытанием образцы подвергают визуальному осмотру, устанавливая наличие дефектов в виде трещин, околов ребер, раковин и инородных включений. Образцы, имеющие трещины, околы ребер глубиной более 10мм,

раковины диаметром более 10мм и глубиной более 5 мм, а также следы расслоения бетонной смеси испытанию не подлежат. Линейные размеры

образцов измеряют с погрешность в 1%. [4]

(24)

Перед установкой образца в испытательную машину (см. Рисунок 8) удаляют частицы бетона, оставшиеся от предыдущего испытания н аплите испытательной машины. Нагружение образцов происходит непрерывно с постоянной скоростью нарастания нагрузки до его разрушения, время разрушения образца не более чем

30 с. [4]

Рисунок 2.1 – Установка для испытания образцов-кубов на сжатие

После установки образца на опорную нижнюю плиту машины, верхнюю грань образца совмещаю с верхней опорной плитой так, чтобы их плоскости полностью прилегали одна к другой (см. Рисунок 10). Образец нагружают до

разрушения при постоянном нарастании нагрузки (0,6±0,2)Мпа/с. [4]

Нагрузка, при которой образец-куб разрушился принимают за разрушающую нагрузку.

(25)

Рисунок 2.2 – Схема испытания образцов-кубов на сжатие

1- испытательная машина; 2 -нижняя плита машины; 3 – Испытываемый образец-куб; 4- верхняя плита машины.

После определения кубиковой прочности образцов-кубов, данную прочность переводят в призменную, которая составляет 80% от кубиковой.

2.3.2 Определение модуля упругости при сжатии

Призменную прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона следует определять на образцах-призмах. Образцы изготовляют сериями. Серия должна

состоять из трех образцов. [5]

Перед испытанием образцы следует осмотреть, устранить имеющиеся дефекты, отдельные выступы на гранях снять наждачным камнем, измерить линейные размеры, проверить отклонение формы и размеров. Термометры и индикаторы для измерения деформации устанавливают на образце с помощью прижимных приспособлений (рамок, струбцин, опорных вставок) в соответствии

с фиксируемой базой измерения деформаций. Для крепления индикаторов

(26)

помощью четырех упорных винтов - по два с противоположных сторон образца - или опорных вставок, приклеиваемых на образце (см. рисунок 2.3).На боковых

поверхностях образцов следует разметить центральные линии для установки приборов для испытания деформаций и центрирования образцов по оси

испытательной машины (пресса). [5]

Рисунок 2.3 – Рекомендуемая схема установки приспособлений для крепления индикаторов при измерении продольных и поперечных деформаций

Перед испытанием образец с приборами устанавливают центрально по разметке плиты пресса и проверяют совмещение начального отсчета с делением

шкалы прибора. Начальное усилие обжатия образца, которое в последующем принимают за условный нуль, должно быть не более 2% от ожидаемой разрушающей нагрузки. Значение ожидаемой разрушающей нагрузки при испытании образцов устанавливают по данным на сжатие изготовленных из одного замеса образцов-кубов (см. Таблица 3.2). При центрировании образцов необходимо, чтобы в начале испытания от условного нуля до нагрузки, равной

(27)

(40±5%) отклонения деформаций по каждой грани (образующей) не превышали 15% их среднего арифметического значения. [5]

При несоблюдении этого требования при нагрузке, равной или большей (15±5%) , следует разгрузить образец, сместить его относительно центральной оси разметки плиты пресса в сторону больших деформаций и вновь произвести

его центрирование. [5]

Рисунок 2.4 – Установка для испытания образцов-призм на сжатие

Нагружение образца производится ступенями до 30% нагрузки от ожидаемой разрушающей нагрузки, на каждой ступени образец выдерживается в течении 3-

4 минут.

Показания с приборов заносят в таблицу для дальнейшей их обработки. (см.

таблица 4.3)

Модуль упругости на сжатие вычисляют для каждого образца при уровне нагрузки, составляющей 30% от разрушающей по формуле: