630

неизбежно появление трещин на слабых участках контакта или зерен заполнителя.

2.Разрушение по матрице и зернам заполнителя (для бетонов на пористых заполнителях, для которых эти участки являются более слабыми по сравнению с контактной зоной).

3.Разрушение по матрице и контактной зоне, трещины огибают зерна заполнителя (характерно для обычных бетонов).

4.Разрушение по матрице, контактной зоне и зернам заполнителя (характерно для высокопрочных бетонов, у которых матрица и заполнитель равнопрочны).

В качестве модели разрушения можно принять модель условной трещины: вне зоны предразрушения бетон является линейно упругим материалом, а в зоне предразрушения напряжения падают линейно при увеличении перемещений; в более сложном варианте зависимость принимают билинейной. Деформа-

ции (перемещения) w1 в момент достижения предела прочности при условии идеально упругого поведения материала равны:

где GF – удельная энергия разрушения материала; Rbt – предел прочности бетона.

Для описания модели необходимо иметь значения трех параметров: предела прочности Rbt, модуля упругости Е и энергии

Основное уравнение, используемое при этом в расчетах с

где w – матрица ширины раскрытия фиктивной трещины, индекс е относится к перемещениям от внешней нагрузки,

101

индекс i – к перемещениям от сил, действующих между границами фиктивной трещины.

Кроме модели фиктивной трещины для анализа разрушения бетона применяют модель пояса трещин и двухпараметрическую модель.

4.1.4. Механика разрушения железобетона

Механизм разрушения железобетона, по сравнению с неармированными и дисперсно-армированными бетонами, имеет существенные отличия. Для железобетонных конструкций можно принять расчетную схему в виде системы блоков, разделенных трещинами и связанных между собой сжатой зоной и растянутой арматурой. Определение усилий в сечении с единичной трещиной в малоармированных изгибаемых конструкциях основывается на следующих предпосылках:

1) конструкция вне зоны с единичной трещиной и до ее образования рассматривается как линейно деформируемая с жесткостью Еblred ;

2)относительная глубина трещины определяется с использованием блочной модели по методике Е.Н. Пересыпкина

при lcrc = 2h0 (линейная механика) в зависимости от коэффициента армирования , изгибающего момента, размеров сечения и

критического коэффициента интенсивности напряжений К1с, который принимается равным максимальному значению;

3)при определении напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов учитывается работа бетона над трещиной, определяемая по экспериментальным соотношениям

S /h0, Mb /Mcrc в зависимости от ;

4) относительная величина сжатой зоны бетона в сечении с трещиной и ширина раскрытия трещины определяются экспериментальными зависимостями: (S /h0 – ), (S /h0 – acrc);

5)напряжения в арматуре и сжатом слое бетона в сечении с трещиной определяется из условия равенства усилий при треугольных эпюрах напряжений в сжатой и растянутой зонах бетона;

6)влияние трещины на жесткость изгибаемых элементов ограничивается участком длиной h от трещины;

7)изгибающий момент и поперечная сила в месте трещины определяются решением системы канонических уравнений метода сил; линейность задачи определения усилий учитывается введением в канонические уравнения единичного перемещения

102

эт , представляющего собой единичный угол поворота элемента в сечении с трещиной.

Напряжения в арматуре с трещиной в сжатом бетоне определяют из условия равновесия (равенства усилий) в этом сечении по известному изгибающему моменту Mb, воспринимаемому растянутым бетоном над трещиной при треугольных эпюрах напряжений в сжатом и растянутом бетоне.

4.1.5. Механика разрушения бетона и железобетона при длительном действии нагрузки

В.Г. Голубевым (ЦНИИС) установлены эмпирические зависимости проницаемости бетона (интенсивности фильтрации воды) от напряженного состояния, фильтрационных характери-

стик бетона, параметров микротрещинообразования Rcrc0 и Rcrcv . Сжимающие напряжения Rsi вызывают понижение фильтрации. В.Г. Голубевым рекомендованы предельные уровни сжимающих

В качестве модели разрушения бетона может быть принято твердое тело с порами кругового очертания, взаимодействующими трещинами и малыми деформациями. Объемное напряженное состояние заменяется плоским, принимается, что материал между порами изотропен, диаметры пор одинаковы и малы по сравнению с размерами тела.

4.1.6. Механика разрушения деревянных конструкций

Древесина является анизотропным материалом, ее свойства (в том числе сопротивление развитию трещин) различны по направлениям. В табл. 4.3 приведены ориентировочные значения критического коэффициента интенсивности напряжений для различных видов древесины при различных направлениях развития трещин в сравнении с некоторыми изотропными материалами.

В изгибаемых деревянных элементах часто решающим является развитие трещины поперечного сдвига. Как и бетон, древесина чувствительна к режиму нагружения, определяющему проч-

103

ностные и деформационные характеристики, а также трещиностойкость.

Таблица 4.3

Значения коэффициента интенсивности напряжений

4.2. Влияние высоких температур на механические свойства строительных материалов

4.2.1. Поведение бетона при воздействии высокой температуры

Бетон представляет собой конгломерат, состоящий из отвердевшего цементного камня, мелкого и крупного минерального камня, а также воды. При повышении температуры вода, адсорбированная в порах бетона, начинает испаряться. Количество водяного пара, образовавшегося из 1 кг бетона, пропорционально его влажности, которая зависит от вида бетона, условий его эксплуатации и изменяется в пределах от 1,5 до 9 %. При этом поглощается 2260 кДж на 1 кг испарившейся воды. Термическое разложение цементного камня наиболее интенсивно протекает

вдиапазоне температур от 330 до 900 °С. При этом выделяется около 14 % воды от массы цементного камня.

Физико-химические процессы в бетоне при высокотемпературном нагреве приводят к изменению его теплофизических и физико-механических свойств (теплопроводности, теплоемкости, плотности и др.) [41–44]. Прочность бетона в процессе нагрева монотонно падает, и в нем появляется способность к деформации ползучести. При нагревании бетонной конструкции проявляется эффект относительно быстрого роста температуры в центре ее сечения в начальный период прогрева (рис. 4.1),

впоследующем скорость роста температуры в этой зоне резко уменьшается, на уровне 100 °С образуется характерная «полка».

Увеличение пористости и растрескивание оказывают двоякое влияние на теплопроводность бетона. С одной стороны, она

104

Рис. 4.1. Зависимость температуры в различных сечениях по толщине бетонной плиты от продолжительности нагрева:

1 – расстояние от обогреваемой поверхности 5 мм; 2 – то же, 20 мм; 3 – то же, 70 мм

уменьшается благодаря появлению дополнительных термических сопротивлений кондуктивной теплопроводности, а с другой, – увеличивается вследствие лучистого переноса теплоты в порах и трещинах. Причем влияние второго фактора усиливается по мере роста температуры.

Прочность бетона на сжатие после пожара и остывания значительно ниже, чем до пожара. В случаях, когда при нагреве структура бетона не была нарушена (температура нагрева не превысила 500 °С), в результате регидратации прочность бетона постепенно восстанавливается (рис. 4.2).

Прочностные свойства бетона. При пожаре железобетонные конструкции в нагруженном состоянии подвергаются быстрому нагреву, который изменяет прочностные свойства бетона. Эти изменения сводятся к следующему. Тяжелый бетон естественной влажности при температуре 90 °С снижает прочность на 21 %. При температуре 200...…400 °С призменная прочность увеличивается на 5…...10 %. Нагревание бетона выше 400 °С вызывает уменьшение призменной прочности. При 600 °С она составляет 65 %, а при 700 °С – 48 % прочности. Прочность тяжелого бетона на растяжение при температуре нагрева до 90 °С снижается на 52 %. Далее, с повышением температуры, прочность увеличивается, однако не достигает первоначального значения, соответствующего нормальной температуре. При нагреве выше 400 °С происходит дальнейшее снижение прочности. Конструкции из

105

Рис. 4.2. Изменение прочности бетона на сжатие (% к исходной) в зависимости от температуры нагрева и выдержки после нагрева: t – время повторной гидратации

бетона хрупко разрушаются по плоскостям, параллельным сжимающей силе. При высоких температурах разрушение происходит в виде пластических деформаций, чаще всего по наклонным под углом 15...…20 ° к вертикальной оси элемента плоскостям.

Снижение прочности тяжелого бетона при нагревании до 100 °С можно объяснить тем, что при этом происходит более глубокое проникновение воды в микротрещины цементного камня, в результате чего увеличивается поверхность слоя адсорбционной воды. Это приводит к уменьшению поверхностной энергии кристаллов цементного камня, вследствие чего облегчается развитие существующих микротрещин при действии на бетон внешних нагрузок. Нарушению структуры бетона способствует также и то, что коэффициент температурного разрушения воды во много раз превосходит коэффициент температурного расширения цементного камня и заполнителя. Это усиливает расклинивающее действие водных пленок, обволакивающих цементный камень и заполнитель. Увеличение прочности бетона при температуре 200…...400 °С объясняется повышением прочности цементного камня за счет уплотнения его структуры вследствие удаления воды, содержащейся в двухкальциевом силикате, а также усилением кристаллизации Са(ОН)2, которая упрочняет цементный камень. При температурах более 400 °С прочность бетона снижается вследствие нарушения структуры затвердевшего портландцемента и его дегидратации. К числу основных причин снижения прочности бетона относят также

106

возникновение по мере повышения температуры дополнительных напряжений, обусловливающих нарушение связей между заполнителем и цементным камнем: последний, обезвоживаясь, дает усадку, в то время как зерна заполнителя расширяются. Более быстрое снижение прочности тяжелого бетона при растяжении, чем при сжатии, объясняется тем, что растягивающие усилия, возникающие на контактах крупного заполнителя и цементного камня из-за разных величин температурных деформаций, складываются с растягивающей внешней силой (при сжатии они компенсируются внешней нагрузкой). При нагреве поверхности бетонных конструкций появляются температурные напряжения между наружными и внутренними слоями бетона, обусловленные неравномерностью температурного поля.

Упругопластические свойства бетона. При нагреве до 100 °С

модуль упругости тяжелого бетона при сжатии и растяжении уменьшается примерно на 30 %, при 500 °С его величина составляет 43 %, а при 700 °С – 18 % начального значения. При нагреве бетона выше 400 °С резко увеличиваются его пластические деформации, причем с ростом напряжений в бетоне пластические деформации увеличиваются более значительно. При нормальной температуре коэффициент упругости бетона при растяжении составляет 50 % коэффициента упругости при сжатии. При температуре 200…...500 °С коэффициент упругости при растяжении составляет соответственно 30...20 % его значения при сжатии. Таким образом, при сжатии упругие свойства нагретого бетона проявляются в большей степени, чем при растяжении.

Температурные деформации бетона. При нагревании темпера-

турные деформации бетона складываются из обратимой деформации – температурного расширения и необратимой деформации – температурной усадки. Температурное расширение зависит в основном от вида заполнителя и влажности бетона. При нагреве до 100…...200 °С происходит расширение цементного камня и заполнителя, которое при более высоких температурах сменяется усадкой. В цементном камне усадка обусловливается дегидратацией. В некоторых заполнителях при нагреве до 200…...600 °С происходит незначительная усадка высыхания, а при нагреве выше 800 °С – усадка от структурных изменений.

Температурная усадка бетона зависит не только от температуры, но и от скорости нагрева, размеров конструкции, начальной влажности бетона, вида вяжущего и заполнителей. Чем больше водоцементное отношение, тем больше температурные

107

деформации бетона. Величина температурной усадки бетона при нагреве до 200 °С может быть принята равной 2,8 10–4 .

4.2.2. Влияние высокой температуры на механические свойства стали

Механические свойства стали разделяют на четыре группы: прочностные свойства, характеризуемые пределом текучести и временным сопротивлением; упругие свойства, характеризуемые модулем упругости; пластические свойства, характеризуемые относительным остаточным удлинением; реологические свойства, характеризуемые параметрами ползучести (релаксации). Если первые три группы свойств не зависят от времени, то последняя предполагает учет фактора времени. При высоких температурах реологические свойства стали проявляются уже через 60 мин.

Прочностные свойства строительных сталей. Предел текуче-

сти строительных сталей с повышением температуры убывает, а временное сопротивление сначала несколько возрастает, достигая максимума при температурах 200...…300 °С, а затем быстро падает. Рекомендуемая во Франции температурная зависимость коэффициентов снижения предела текучести строительных сталей аппроксимируется следующими зависимостями:

Прочностные свойства стальной арматуры. Прочностные ха-

рактеристики арматурных сталей с повышением температуры снижаются. Условный предел текучести арматурной стали класса А-IV при нагреве до 600 °С снижается в среднем на 77 %; временное сопротивление разрыву снижается менее интенсивно, и его снижение при 600 °С составляет 70 %.

Снижение сопротивления арматуры растяжению Rst (или сжатию Rsct ) при кратковременном нагреве учитывается с помощью коэффициента условий работы арматуры при нагреве st :

где Rsn — сопротивление арматуры при нормальной температуре.

108

ратуры до 600 °С наблюдается более заметное его снижение. Модуль упругости сталей 35ГС,

80С, высокопрочной проволоки класса Вр-II диаметром 5 мм при нормальной температуре составляет 2 105 МПа. С повышением температуры до 400 °С модуль упругости арматуры значительно уменьшается. При температуре 350 °С модуль упругости арматуры класса А-V снижается на 9 %, а класса Ат-VI – на 12 %. При 400 °С его величина снижается соответственно на 12 % и 16 %. При температуре 600 °С величина модуля упругости составляет 38...…41 % начального значения. Введение легирующих добавок влияет на изменение модуля упругости. Присадки никеля и кобальта снижают модуль упругости, а хром, вольфрам и углерод его повышают (последний – незначительно).

Температурные деформации стальной арматуры. С повыше-

нием температуры до 500 °С коэффициент температурного расширения арматурных сталей возрастает с (11...…12) 10–6 1/ °С до (13,5...…14,5) 10–6 1/ °С (табл. 4.4), величина его значительно больше, чем у бетона.

109

Таблица 4.4

Значения коэффициента температурного расширения арматурной стали

Между температурными деформациями арматурных сталей и температурой наблюдается нелинейная зависимость, и угол наклона кривой температурных деформаций арматуры к оси абсцисс увеличивается, что указывает на увеличение коэффициента температурных деформаций с повышением температуры. Температурное расширение арматуры зависит от марки стали и значения температуры. Скорость нагрева на температурные деформации стали не влияет. С увеличением степени легирования температурное расширение стали возрастает. Колебания в содержании углерода на величине температурного расширения сказываются незначительно.

4.2.3. Особенности совместной работы бетона и стали в строительных конструкциях при высоких температурах

Сцепление арматуры с бетоном имеет большое практическое значение для надежной совместной их работы в железобетонных конструкциях. При нормальной температуре сцепление гладкой арматуры с бетоном составляет 2,7 МПа, а арматуры периодического профиля – 5,6 МПа. С повышением температуры происходит значительное уменьшение сцепления гладкой арматуры с бетоном. При 100 °С сохраняется около 1/3ѕ первоначального сцепления, а при 450 °С сцепление нарушается полностью. Для горячекатаной арматуры периодического профиля в интервале температур до 200 °С сцепление с бетоном не снижается. При более высоких температурах сцепление уменьшается и при

тура бетона при 450 °С сильно повреждается. Сцепление арматуры периодического профиля с бетоном значительно больше, чем сцепление гладкой арматуры, но при повышении температуры до 350 °С оно снижается. Это можно объяснить следующим образом. При нагревании бетона усадочные напряжения и контактные напряжения от разности температурного расширения стали и бетона создают сложное напряженное состояние. Возникают температурные контактные напряжения. При этом в

110