Свойства бетона при динамическом нагружении

Федеральное агентство по образованию ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РЕФЕРАТ по дисциплине «железобетонные конструкции»

тема: Свойства бетона при динамическом нагружении Челябинск

2015 г.

Аннотация Введение

1. Физико-механические свойства бетона при динамическом нагружении

1.1 Динамическая прочность бетона при сжатии

1.2 Динамическая прочность бетона при растяжении

2. Диаграммы ударных воздействий

Заключение

Литература

Аннотация

Реферат на тему «Свойства бетона при динамическом нагружении» выполнила студентка группы 532 ЗИЭФ ПГС Посвящен исследованиям свойств бетона на основании экспериментов исследователей, учебной литературы научных статей. Основные задачи: изучение свойств материалов.

Исследование напряженно-деформированного состояния несущих железобетонных конструкций зданий и сооружений при действии кратковременных динамических нагрузок дает представление о работе конструкции, что в свою очередь отражается на качестве расчетов при проектировании зданий и сооружений.

Значительное внимание к расчету железобетонных конструкций на действие взрывных и ударных нагрузок вызвано развитием технического и технологического процессов в промышленности. Аварии на промышленных предприятиях сопровождаются крупным материальным ущербом и невосполнимой утратой потери человеческой жизни. Это предъявляет повышенные требования к конструкциям на стадии проектирования, возведения и эксплуатации. Аварийные динамические нагрузки природного и техногенного характера наносят значительные повреждения несущим конструкциям зданий, приводя к угрозе обрушения и создавая опасность для жизни людей.

Решение задач динамического расчета железобетонных конструкций с учетом особенности работы бетона и стали при динамическом нагружении позволяет выполнить проектирование несущих конструкций здания, воспринимающих динамическую нагрузку без обрушения.

1. Физико-механические свойства бетона при динамическом нагружении Для экспериментальных исследований по определению диаграммы де формирования бетона на динамические нагрузки, как правило, используются одноосно нагруженные образцы. Важной особенностью динамических свойств бетона является его чувствительность к скорости деформирования.

Статическая и динамическая прочность бетона может сильно разниться под влиянием различных факторов, включая неоднородность микроструктуры и наличие первоначальных дефектов в бетоне вызывающих более стремительное снижение динамической прочности по отношению к статической прочности. Известно, что водонасыщенность образцов оказывает не однозначное влияние на прочностные качества бетона. Так, например, при динамических испытаниях водонасыщение повышает прочность бетона, а при статических нагрузках снижает ее. С увеличением возраста бетона влияние влажности на его прочность снижается.

Свойства бетона существенно зависят от вида, качества и состава заполнителя. Прочность бетонов, приготовленных на цементе одинакового качества, при постоянном водоцементном отношении, но на разных заполнителях, может различаться в 1,5−2 раза.

С повышением водоцементного отношения (В/Ц) сопротивление бетона удару уменьшается, причем ударная вязкость понижается в большей степени, чем прочность бетона. При изменении В/Ц от 0,5 до 0,7 прочность бетона уменьшается приблизительно на 38%, а ударная вязкость на 60%. С увеличением дефектности структуры бетона по мере повышения В/Ц динамическая прочность бетона снижается более заметно, чем понижается его статическая прочность.

Исследования физико-механических свойств бетона О. Я. Бергом позволили обосновать диаграмму у — е бетона при статическом нагружении (рисунок 1.11). На диаграмме выделены три основные стадии работы: 1 — упрочнение (кривая ОА); 2 — разупрочнение (кривая АВ); 3 — разрушение (кривая ВС).

Рисунок 1 — Диаграмма деформирования бетона Начальная стадия ОА характеризуется упругими деформациями и нарастанием бетона плотности с сохранением его целостности. Н. И. Карпенко показано, что при достижении в бетоне напряжений, равных величине R o crc, происходит образование микроскопических трещин отрыва, что приводит к нарушению сплошности бетона. С увеличением напряжений до уровня R v crc, происходит развитие и слияние микротрещин, следствием этого становится разупрочнение бетона. На этом этапе с появлением пластических деформаций диаграмма у — е принимает более изогнутый вид. С ростом напряжений, величина которых превосходит значение R v crc происходит увеличение пластических деформаций и образование поверхностей разрыва.

1.1 Динамическая прочность бетона при сжатии Картина разрушения образцов на различных скоростях нагрузки имеет небольшие отличия. Процесс разрушения на значительных скоростях протекает с динамическими эффектами с разлетом осколков и звуковой волной. Ю. М. Баженовым и В. С. Удальцовым проведены опыты на 500 бетонных образцах. Образцы нагружали на пневмодинамических установках, минимальное время нагружения составляло 1 мс. Сопротивление бетона динамическому нагржнию оценивалось коэффициентом динамического упрочнения. Получена зависимость изменения предела прочности бетона при сжатии от времени или скорости нагружения. На рисунке 2 представлена зависимость изменения предела прочности бетона при сжатии от времени Рисунок 2 — Зависимость изменения предела прочности бетона при сжатии в зависимости от времени Испытания бетонов с прочностью 175 и 455 кг/см2 на копре с падающим байком проведены Д. Ватштейном. Опыты показали, что при времени нагрузки менее 1 с предел прочности материала возрастал более интенсивно у бетона с меньшей прочностью.

В исследованиях Т. Хатано и Х. Цуцуми определялось поведение бетона при скоростях нагрузки, соответствующих сейсмическому воздействию. Так, если период колебания нагрузки изменялся в пределах 0,06−2 с, то поведение бетона изучалось при временном нагружении 0,03−1 с, то есть равном половине периода колебаний. Полученные результаты показали, что характер разрушения при статическом нагружении и на выбранных скоростях динамической нагрузки одинаков.

Прочность тяжелого бетона М75 в пределах времени испытаний от 0,4 до 4 с изучалась в работе Г. В. Беченевой. Было установлено, что при нагружении за 0,4 с прочность увеличилась по сравнению со статическими 27 испытаниями (при скорости нагружения 3 кг/см2 · с) на 20%. Это соответствует средним значениям коэффициента динамического упрочнения, используемого в практике расчета.

Анализ проведенных экспериментальных исследований, направленных на изучение поведения бетона при динамическом нагружении, позволяет сделать вывод, что при скоростях деформирования еb > 1 происходит резкое нарастание динамической прочности.

1.2 Динамическая прочность бетона при растяжении динамический прочность бетон нагрузка Прочность бетона при растяжении наиболее доступным путем можно определить, раскалывая бетонные цилиндры и кубы. Полученные Ю. М. Баженовым и В. С. Удальцовым результаты на пневмодинамическом прессе на образцах из бетона на гранитном щебне показаны на рисунке 1.13 в виде зависимости коэффициента динамического упрочнения бетона от времени нагружения.

Рисунок 3 — Зависимость коэффициента динамического упрочнения бетона от времени нагружения Результаты экспериментальных исследований, полученные В. Николау, который испытывал тяжелый бетон при нагружении 0,4−70 с, показали, что 28 как при растяжении, так и при других видах напряженного состояния уменьшение времени нагружения ниже некоторой критической величины (1 секунда) приводило к резкому снижению прочности бетона.

Одним из определяющих факторов, влияющих на динамическую прочность бетона, является скорость нарастания нагрузки. На рисунках 1.14, 1.15 приведены диаграммы коэффициента динамического упрочнения в зависимости от скорости нагрузки при сжатии и растяжении.

Рисунок 4 — Диаграмма коэффициента динамического упрочнения в зависимости от скорости нагрузки при сжатии Критерием, выражающим отношение статической прочности к динамической, является коэффициент динамического упрочнения бетона.

Рисунок 5 — Диаграмма коэффициента динамического упрочнения в зависимости от скорости нагрузки при растяжении

2. Диаграммы ударных воздействий Экспериментальные исследования строительных конструкций на действие ударных нагрузок, как правило, проводятся на пневмои гидродинамических прессах, гидропульсаторах и копровых установках, а также установках, основанных на действии взрыва.

Пневматические установки, принцип действия которых основан на работе сжатого воздуха, мало применяемы в виду высокой стоимости и невозможности в большинстве случаев модификации.

Гидродинамические прессы позволяют достигнуть скорости нагружения 25 м/с и более. При этом регулируются время действия нагрузки и ее диаграмма. Копровые установки дают возможность испытывать конструкции нагрузкой от падающего груза. При этом время действия нагрузки незначительно и может регулироваться демпферами. В установках взрывного типа нагрузка создается за счет энергии взрывчатого вещества, благодаря этому достигается высокая скорость нагрузки. Скорость нагружения образца регулируется массой заряда ВВ. Установки такого типа требуют повышенных мер безопасности при проведении экспериментальных исследований. Характерные диаграммы нагрузки, полученные при испытании строительных конструкций на удар, рассмотрены ниже.

При испытании железобетонных балок падающим грузом массой 400 кг в работе скорость удара регулировалась высотой падения груза в диапазоне 600…1200 мм. Характерные диаграммы нагрузки показаны на рисунок 6

Рисунок 6 — Диаграммы нагрузки при испытании железобетонной балки Диаграммы нагрузки, полученные при испытании железобетонных колонн ударом автомобиля массой 1,14 т и скоростью движения 15 м/с, показанных на рисунке 7.

Рисунок 7 — Диаграмма нагрузки при ударе автомобиля В работе A.M. Remennikov, S. Kaewunruen приведены результаты экспериментальных исследований железобетонных колонн, сжатых продольной сжимающей силой и поперечного удара падающим грузом, масса груза 160 кг. Получена диаграмма ударной нагрузки во времени (рисунок 8).

Рисунок 8 — Диаграмма нагружения сжатых железобетонных колонн В результате экспериментальных исследований, проведенных El Tawil, по взаимодействию грузовика с мостовой опорой, получены зависимости нагрузки на мостовые опоры в диапазоне скоростей от 55 до 135 км/ч и двух типах жесткостей опор (рисунок 9).

Рисунок 9 — Диаграммы нагрузки при ударе автомобиля по мостовой опоре Влияние конфигурации ударника на зависимость контактной силы от времени рассмотрено в работе А. В. Забегаева. Экспериментальные диаграммы нагрузки приведены на рисунке 10.

Рисунок 10 — Диаграммы нагружений в зависимости от конфигурации индентора В Работе В. В. Бродского приведены результаты испытаний моделей железобетонных колонн на действие продольной динамической нагрузки. Величина силы варьировалась от 200 до 1000 кН, время действия 60 мс. Получены диаграммы изменения величины импульса и опорной реакции во времени (рисунок 11).

Рисунок 11 — Изменение величины импульса (Д1) и опорной реакции (Д2) во времени Д. Ю. Саркисовым проведены экспериментальные исследования железобетонных балок на копре. Получены диаграммы нагрузки и опорной реакции во времени (рисунок 12)

Рисунок 12 — Диаграммы нагрузки и опорной реакции во времени По результатам экспериментальных исследований железобетонных сжато-изгибаемых балок на удар А. В. Педиковым построены зависимости нагрузки и прогибов во времени, показанные на рисунке 13.

Рисунок 13 — Зависимость нагрузки и прогибов во времени Анализ диаграмм динамических нагрузок, полученных в разнообразных опытах, показал, что пиковое значение реакции конструкции при ударном нагружении выше по сравнению со статическими испытаниями. Опытным путем установлено, что треугольная форма импульса адекватно отражает действие кратковременной динамической нагрузки и может быть использована для имитации ударной нагрузки в расчетах.

Заключение

Проведенный анализ научно-технической литературы доказывает объективную необходимость достижения цели и решения задач, сформулированных во введении реферата.

Оценка прочности и деформативности бетона при совместном действии сжимающих сил и поперечной ударной нагрузки может быть проведена путем численных исследований с последовательным применением расчетных комплексов, позволяющих решать ударно-волновые и квазидинамические задачи.

Расчетные модели могут быть получены по данным опытов, что приводит к необходимости дополнительных исследований по обоснованию физической модели динамического деформирования бетона с учетом факторов физической нелинейности, образования трещин и разрушения.

1. Александрин И. П. Строительный контроль качества бетона / Госстройиздат, 1955.

2. Афанасьева С. А., Белов Н. Н., Копаница Д. Г., Югов Н. Т. Проникание стальных ударников в конструкции из бетона и песчаного грунта // Вестник ТГАСУ. — 2003. — № 1. — С. 5−12.

3. Баженов Ю. М. Бетон при динамическом нагружении. — М.: Стройиздат, 1970. — 272с.

4. Белобров И. К., Пузанков Ю. И. Прочность и деформации сжатоизогнутых железобетонных элементов при однократном кратковременном динамическом нагружении // Поведение бетонов и элементов железобетонных конструкций при воздействии различной длительности. — М.: НИИЖБ, 1980. — С. 168−182.

5. Белобров И. К., Тихонов И. Н. Прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов при однократном динамическом нагружении до разрушения // Сейсмическое строительство / - 1975. — № 2. — С10−16.

6. Майборода В. П., Кравчук А. С., Холин Н. Н. Скоростное деформирование конструкционных материалов. — М.: Машиностроение, 1986. — 261 с.