М. Я. РОЗЕНБЕРГ, канд. техн. наук (ЦНИИЭП жилища); П. Ю. ЗАГРОДСКИЙ, инж. (ЦНИИПИмонолит), Прочность легкобетонных элементов монолитных стен при плоском напряженном состоянии
При совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок стены бескаркасных зданий и диафрагм жесткости и каркасом испытывают сложное напряженное состояние, основными компонентами которого являются внецентренное сжатие и сдвиг в плоскости стены. Недостаточная изученность особенностей напряженно-деформированного состояния и характера разрушения конструкций стен, а также отсутствие надежной методики их инженерного расчета обусловили проведение экспериментальных исследований фрагментов стен при совместном действии внецентренного сжатия и сдвига, которые показали, что методика расчета СНиП 2.03.01—84 завышает до 40 % несущую способность по поперечной силе внецентренно-сжатых в своей плоскости элементов стен [1, 2). Это связано с ориентацией формул СНиПа на расчет прочности наклонных сечений стержневых элементов (балок и колонн) .
В практике домостроения в сейсмических районах широко применяются легкие бетоны. С точки зрения прочности и деформативности конструкций их основная особенность в значительно более низком модуле упругости и меньшей пластичности по сравнению с тяжелым бетоном при одинаковой прочности на сжатие. В статически неопределимых системах пониженный модуль упругости одного из элементов, т. е. его повышенная деформативность, приводит к изменению разрушающей нагрузки для совокупной статически неопределимой системы. Стеновая панель с контурным и (или) полевым армированием, воспринимающая внецентренное сжатие и сдвиг в своей плоскости, является статически неопределимой конструкцией. В случае изготовления ее из легкого бетона установка арматуры больше увеличивает ее прочность по поперечной силе, чем для панели из тяжелого бетона.
Это показало сопоставление результатов испытаний [3] элементов стен из керамзитобетона классов В 7,5...В 12,5 и аналогичных элементов из тяжелого бетона [1, 2]. Методика предусматривала загружение стен постоянной вертикальной нагрузкой, приложенной с эксцентриситетом в плоскости стены, и последующее загружение монотонно возрастающей горизонтальной нагрузкой, приложенной на уровне нижнего опорного сечения стены при помощи Г-образ- ной траверсы. Предельная горизонтальная нагрузка неармированных стен из легкого бетона в среднем на 20 % ниже, чем из тяжелого бетона. Для армированных стен из легкого и тяжелого бетонов предельная горизонтальная нагрузка оказалась практически одинаковой. Основной формой разрушения стен явился сдвиг по критической наклонной трещине и части сжатой зоны (рис. 1). Для армированных образов с большим процентом полевого армирования (р.>0,25 %), а также для неармированных образцов, имеющих уровень обжатия, близкий к предельному по внецентренному сжатию, наблюдалось разрушение по горизонтальному сечению.
Учитывая малое число испытаний [3], выполнили сопоставительные расчеты пластин из легкого и тяжелого бетонов при совместном действии внецентренного сжатия и сдвига в их плоскости с помощью программы «РАДУГА» [4], предназначенной для численного моделирования процесса нелинейного деформирования, развития трещин и разрушения бетонных и железобетонных конструкций при плоском напряженном состоянии методом конечных элементов. При этом расчетную модель пластин и схему нагружения приняли аналогично экспериментальным. Вертикальную сжимающую силу прикладывали к верхней грани образца с эксцентриситетом 50 см, т. е. равным 1/3 высоты сечения (рис. 2). Горизонтальную нагрузку прикладывали к двум рядам узлов конечноэлементной сетки расчетной модели, которые соответствовали местам прикрепления нагрузочной траверсы к образцу в испытаниях таким образом, что она не создавала дополнительный момент в сечении над нижней опорной траверсой. Образец закрепляли в местах, соответствующих креплению образца к опорной траверсе. Образцы доводили до разрушения горизонтальной нагрузкой при постоянном значении вертикальной 600 кН. Рассчитываемый образец имел значительное армирование зон нагружения и опирания подобно испытанным. Исследуемую зону образца размером 150X 90 см разбили по высоте на семь рядов прямоугольных конечных элементов по 16 элементов в каждом ряду.
Для образцов с контурным армированием 60A-III варьировали процент распределенной по полю арматуры класса Вр-I, который принимали равным 0; 0,05 и 0,5 %, он был одинаковым в вертикальном и горизонтальном направлениях. Кроме того, рассчитали образец без армирования рабочей зоны.
Все образцы из легкого бетона (после черты) имели образец-близнец из тяжелого бетона (перед чертой):
Одним из основных результатов численных исследований явились значения горизонтальной разрушающей нагрузки (см. таблицу). Для образца из легкого бетона, имеющего характеристики бетона и характер армирования такие же, как образец таблицы, в испытаниях [3] получена разрушающая горизонтальная нагрузка на 12 % больше, чем по программе «РАДУГА». Сравнительный анализ для других образцов показал, что экспериментальная разрушающая нагрузка (за исключением неарми- рованного образца из легкого бетона) превосходит расчетную, при этом разница увеличивается с ростом полевого армирования.
Анализ результатов расчетов свидетельствует о том, что разрушающая нагрузка образцов без полевого армирования из тяжелого бетона на 12... 16 % больше, чем из легкого, а для образцов с полевым армированием — всего на 3...5 %. Таким образом, расчеты подтвердили полученные ранее экспериментальные данные о том, что полевое армирование элементов из легкого бетона в большей степени повышает их несущую способность, что обусловлено меньшей пластичностью легкого бетона, а также тем, что армирование в большей степени увеличивает длину сжатой зоны легкобетонного образца. Кроме того, на стадии перед разрушением напряжения в контурной арматуре образцов из легкого бетона на 15...20 % выше, чем в образцах из тяжелого бетона.
Численные исследования по программе «РАДУГА» выявили три схемы разрушения пластин. Для образцов из легкого и тяжелого бетонов с контурным и полевым армированием 0,5 % разрушение происходит по горизонтальному сечению под верхней нагрузочной траверсой. В этом случае сильное полевое армирование препятствует раскрытию наклонных трещин. Для образцов с контурной арматурой и конструктивным полевым армированием (0,05%) или без него разрушение происходит в результате среза сжатой зоны за вершиной магистральной наклонной трещины. Причем отсутствие полевого армирования увеличивает длину горизонтального участка зоны разрушения над опорной траверсой и угол наклона к горизонтали магистральной наклонной трещины. Неармированный образец из легкого бетона разрушается хрупко по горизонтальному сечению над нижней траверсой.
Результаты экспериментальнотеоретических исследований рекомендуется использовать при расчете и конструировании стен сейсмостойких зданий из монолитног# бетона. Поперечное усилие Qb, воспринимаемое бетоном
Сопоставление результатов экспериментов, численных расчетов по программе «РАДУГА» и указанной методике инженерного расчета с учетом поправочного коэффициента у представлено на рис. 3. Анализ показал, что методика расчета верно учитывает влияние различных факторов на прочность стеновых конструкций по поперечной силе, обеспечивая при этом некоторый запас прочности. Относительное меньшее увеличение прочности сильно армированных образцов, полученное в результате расчетов по программе «РАДУГА», обусловлено особенностями расчетной модели конструкции, что привело к изменению расчетной схемы разрушения. Данная форма разрушения наблюдалась в экспериментах.
Выводы
Прочность неармированных элементов стен из легкого бетона при плоском напряженном состоянии на 12... 16 % меньше, чем аналогичных элементов из тяжелого бетона.
Полевое армирование в большей степени повышает несущую способность плосконапряженных элементов стен из легкого бетона, чем из тяжелого.
Бетон и железобетон, 1992 №11