» » Испытания одноэтажных фрагментов стен

Испытания одноэтажных фрагментов стен

16.04.2016

Проведенные в России и за рубежом испытания одноэтажных фрагментов бетонных и железобетонных стен преследовали цель изучить механизм формирования их прочности, трещиностойкости и деформативности при разрушении по наклонным сечениям при действии горизонтальной нагрузки. Эти характеристики зависят от довольно большого количества факторов. Даже если из их числа выбрать только основные, то и тогда исследователям придется столкнуться с многофакторными зависимостями, изучение которых экспериментальным путем связано с большими техническими трудностями. Понятно, что не всегда они преодолевались одинаково успешно. Это обязывает нас проявлять определенную осторожность при рассмотрении описанных ниже исследований и особенно выводов, к которым пришли их авторы. Заметим, что в ряде случаев эти выводы противоречивы, иногда же они не согласуются с физическим смыслом изучаемого явления.
Тем не менее автор считал необходимым ознакомить читателя и с такими материалами, для того чтобы наглядно продемонстрировать сложность изучаемой проблемы.
К числу основных факторов, определяющих поведение степ при действии горизонтальной нагрузки в их плоскости, следует отнести величину и схему приложения вертикальной нагрузки, геометрические размеры и форму стен, прочность бетона, характер и мощность армирования (контурного и полевого), наличие в стене отверстий, технологических швов и пр., а также характер горизонтальной нагрузки (монотонно-возрастающей, циклической, знакопеременной). Естественно, что в пределах одной какой-либо работы весьма трудно изучить это многообразие факторов, тем более во взаимных сочетаниях. Поэтому в каждом исследовании круг изучаемых задач ограничивался.
Прежде чем перейти к рассмотрению этих работ, заметим, что все они проводились па крупномасштабных моделях (αп = 0,25—0,5) нескольких видов (рис. 3.9).
Испытания одноэтажных фрагментов стен

С целью выявления зависимости между предельным сдвигающим усилием (Qu) и величиной вертикальной нагрузки (N) в ЦНИИЭПжилища были проведены испытания 10 бетонных образцов стен (6 — из тяжелого бетона и 4 — из керамзитобетона) в испытательной установке, показанной на рис. 3. 10. Величина N в этих опытах варьировала от 0,25 Nu до Nu (Nu — разрушающая вертикальная нагрузка для бетонной панели; в данном случае при eо = h/3 и Q = O).
Испытания фрагментов стен из тяжелого бетона одного замеса (Rb — 20 МПа; Rbt = 1,7 МПа) четко продемонстрировали, что с повышением вертикальной нагрузки примерно до 0,7Nu сопротивление панелей перерезывающей силе возрастает, а при дальнейшем увеличении N снижается (табл. 3.3). Этот вывод качественно согласуется с результатами опытов, которые провели F.J. Vecchio, М.P. Collins на квадратных армированных образцах, загружавшихся распределенной нагрузкой по граням (рис. 3.11).
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Испытания одноэтажных фрагментов стен

Разрушение всех бетонных образцов, испытанных ЦНИИЭПжилища при N≥600 кН, начиналось с появления горизонтальной трещины в опорном сечении, а заканчивалось образованием наклонных трещин и срезом сжатой зоны бетона (рис. 3.12). Наблюдения с помощью тензорезbсторных датчиков за деформациями бетона в опорных сечениях панелей показали, что даже при уровнях нагрузки, приближающихся к предельным значениям, форма эпюр деформаций εу близка к треугольнику, расположенному практически в пределах сжатой зоны сечения (рис. 3.13). Что же касается эпюры сдвиговых деформаций, то она распространяется по большей части длины опорного сечения. Ее максимум фиксируется на участке примерно средних значений εу. Заметим, что эти данные в известной мере уникальны, поскольку получение экспериментальных эпюр деформаций бетона в зоне, испещренной трещинами, сопряжено с вполне очевидными трудностями.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Сопоставление экспериментальных значений Qu с соответствующими результатами расчетов по действующим нормам (рис. 3.14) приводит к выводу, что обе рекомендуемые методики определения сопротивления бетонных элементов поперечной силе не применимы для проектирования плоскостных конструкций.
Аналогичная ситуация сложилась и в ряде зарубежных стран. В США, например, узаконенная Кодом методика определения сопротивления стен сдвигу дает явно заниженные результаты по сравнению с многочисленными экспериментальными данными различных авторов (рис. 3.15). He случайно в обзорной работе F. Barda, J.М. Hanison, W. Gorley приходят к заключению, что приемлемых расчетных методов определения прочности низких стен при действии перерезывающей силы пока не существует.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Зависимость, аналогичная показанной на рис. 3.14, была получена ЦНИИЭПжилища и для керамзитобетонных панелей с Rb = 12—18 МПа. Однако при равных отношениях N/Nu значения Qu/Rbt в этом случае оказались на 20—40% ниже, чем для панелей из тяжелого бетона. Таким образом, эти опыты подтвердили ранее высказанное мнение о пониженном сопротивлении легких бетонов действию поперечных сил.
Положительное влияние вертикальной нагрузки в формировании сопротивления бетонных и железобетонных стен сдвигу подтверждают С.М. Alexander, А.С. Heidebrecht, W.К. Tso, Т. Paulay, М. Priestley, A. Synge, R.G. Oesterle, А.Е. Fiorato, J.D. Aristizabal—Ochoa, W.G. Corley и др.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Так, в опытах, вертикальное загружение с интенсивностью 1,3 МПа железобетонной панели высотой 137,2 см, длиной 274,3 см и толщиной 10,2 см привело к увеличению ее сопротивления сдвигу на 26% (табл. 3.4) и росту поглощения энергии на 70%. Правда, при этом, как и следовало ожидать, наблюдалось снижение пластичности конструкции (рис. 3.16). Факт этот отмечался по существу всеми исследователями, проводившими испытания панелей при совместном действии горизонтальных и вертикальных сил, однако большинство из них суммарную оценку этому явлению давало положительную.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Вертикальное обжатие стен при знакопеременном горизонтальном загружении в известной мере блокирует интенсивную потерю жесткости панелей при развитии наклонных (срезывающих) трещин и, в конечном счете, благоприятно сказывается на пластичности их деформирования. Авторы работы усиливают этот вывод, заявляя, что отсутствие вертикальной нагрузки может явиться причиной нежелательного снижения не только жесткости, но и прочности стен, а также и диссипативных свойств. В этой связи уместно обратиться к опытам, которые выполнили А.Е. Cardenais, Н.G. Russell, W.G. Corley с образцами стен, загружавшимися только горизонтальной нагрузкой. Несмотря на то, что все эти образцы были армированы, разрушение их было хрупким, что можно рассматривать как результат отсутствия вертикальной нагрузки.
Важными параметрами, участвующими в формировании сдвиговой прочности и жесткости стен, являются их геометрические размеры и форма поперечного сечения. Таблица 3.4 и рис. 3.16 однозначно указывают па то, что с увеличением геометрической характеристики β, представляющей отношение высоты H к длине h стен, их прочность и жесткость падают. Об этом же свидетельствуют данные работы (рис. 3.17).
Авторы статьи освещают рассматриваемый вопрос с иной позиции. Они отмечают, что при постоянной величине горизонтальной силы уменьшение геометрической характеристики стены β приведет к сокращению длины ее сжатой зоны, вследствие чего снизится вклад изгибного деформирования в суммарное деформирование конструкции. Между тем подавляющее большинство зарубежных исследователей подчеркивают необходимость «подавления» с помощью различных средств сдвигового характера деформирования невысоких стен, считая, что только при превалирующем изгибном деформировании можно обеспечить необходимую пластичность поведения конструкций при сейсмическом воздействии.
Из сказанного следует, что с увеличением длины стен нужно повышать интерес к средствам, препятствующим разрушению стен в результате преобладающего проявления сдвига. К числу таких средств относится вертикальное армирование: как контурное, так и полевое. Правда, о характере проявления этого средства среди исследователей нет единого мнения. Одни (таких большинство) приписывают вертикальным стержням нагельный эффект, другие считают, что они лишь предотвращают чрезмерное раскрытие косых трещин, и, следовательно, в той или иной мере реализуют в них эффект зацепления. Т. Paulay и его соавторы на основании экспериментов с различно армированными панелями пришли к убеждению, что эффективной мерой борьбы с нежелательными сдвиговыми явлениями может служить диагональная полевая арматура. В упомянутых опытах за счет введения ее в состав панелей существенно улучшился характер их деформирования при знакопеременном загружении (рис. 3.18), а рассеивание энергии за цикл увеличилось вдвое.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Для того чтобы закончить рассмотрение вопроса о пластичности деформирования стен, обратимся к результатам оценки вклада в формирование их жесткости и прочности полок горизонтальных сечений панелей, имеющих тавровую (двутавровую) форму.
По мнению авторов работ, уширение концевых участков стен, часто наблюдаемое в реальных зданиях за счет сопряжения стен взаимно перпендикулярных направлений, положительно сказывается на прочности стен и их «живучести», когда сама стена получает тяжелые повреждения. Заметим, что мнение это основано на результатах испытаний панелей с довольно мощными уширениями, которые совместно с перекрытиями играют роль своеобразных рам, опоясывающих относительно тонкие диафрагмы.
Мнение о роли уширений в работе стен-диафрагм неоднозначно. Авторы работы отмечают, что образцы стен двутаврового сечения при циклическом загружении вели себя хуже образцов прямоугольного сечения. Причину этого они усматривают в том, что за счет полок длина сжатой зоны, в пределах которой концентрируется основное сопротивление бетона сдвигу, уменьшается, а свесы полок не в состоянии сопротивляться сдвигу столь же эффективно, как стенка. В итоге происходит активизация сдвигового характера разрушения конструкции, стенка «продавливает» полку, выключая тем самым ее свесы из работы па сдвиг (рис. 3.19). Приведенные выше рассуждения, несомненно, заслуживают не только внимания, но и соответствующей экспериментальной проверки. Пока же приходится констатировать, что вопрос работы стен двутаврового профиля в условиях сложного загружения относится к числу наименее изученных.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Все без исключения авторы, ставившие опыты в направлении участия армирования в формировании прочностных и деформативных характеристик стен, подтверждали полезность их армирования, однако мало кто пытался дифференцировать степень этой полезности в зависимости от вида армирования. Рассмотрение интересующего нас цикла исследований наиболее целесообразно начать с работы. Ее авторы — S.Т. Маu, Т.Т. С. Hsu — в зависимости от мощности вертикального армирования классифицируют стены на три типа: малоармированные, сбалансированные и переармированные.
Если процент вертикального армирования (μs) низок (недоармированные стены), то разрушение конструкции начинается с проявления текучести в растянутой арматуре, после чего увеличивающиеся касательные напряжения достигают предельного сопротивления бетона сдвигу и конструкция разрушается. В случае, если величина μs равна или незначительно превышает предел, соответствующий сбалансированной работе сжатой и растянутой зон конструкции, первым достигает предельных напряжений бетон сжатой зоны, вслед за чем в растянутой арматуре наступает текучесть. В переармированных образцах к моменту разрушения вследствие исчерпания сопротивления бетона срезу напряжения в арматуре не будут достигать σт.
Понятно, что армирование стен сверх сбалансированного предела не увеличивает их несущей способности. Более того, оно отрицательно отражается на характере их деформирования под нагрузкой, о чем свидетельствуют данные, представленные на рис. 3.20.
Для слабо- и оптимально армированных стен характерна очень спокойная зона деформирования после достижения максимума сдвигающего усилия. Ниспадающая ветвь кривой деформации в этих случаях очень пологая, чего нельзя сказать о графике деформирования переармированного образца. После достижения максимума прочности при относительно высоком смещении его несущая способность резко падает. Границы рассмотренных случаев армирования стен авторы работы устанавливают (рис. 3.21) в зависимости от критериев η и ω, определяемых по формулам
Испытания одноэтажных фрагментов стен

где μs — коэффициент вертикального армирования;
Es — модуль упругости стали;
εo = 0,002 — максимальные относительные упругие деформации бетона;
Rb — предел прочности бетона при сжатии.
В работе описаны испытания 7 образцов размером 1905x1905x76 мм с различным горизонтальным и вертикальным армированием (рис. 3.22, табл. 3.5). Разрушение этих образцов начиналось с появления горизонтальной трещины в растянутой зоне опорного сечения.
Испытания одноэтажных фрагментов стен
Испытания одноэтажных фрагментов стен

С увеличением нагрузки такие трещины появлялись выше по растянутой грани образца. С развитием их траектории искривлялись в сторону сжатой зоны опорного сечения. При более высоких уровнях нагрузки образовались наклонные (по выражению авторов — сдвиговые) трещины. Их появление сопровождалось резким нарастанием деформаций арматурных стержней, особенно горизонтальных. В этих последних напряжения достигали σт.
Во всех случаях разрушение образцов было хрупким с небольшим искривлением графика «нагрузка—смещение» (рис. 3.23). Обратим внимание, что все эти образцы были испытаны без вертикальной нагрузки и имели довольно мощное армирование, с которым в практике отечественного монолитного строительства не приходится сталкиваться.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Здесь уместно вернуться к результатам опытов, которые провел W. J. Beekhuis с армированными моделями стен. Он пришел к заключению, что вертикальное полевое армирование существенно влияет на сопротивление стен сдвигу при относительно небольших касательных напряжениях. При больших значениях τxу эффективность вертикального армирования снижается, а разрушение конструкций становится хрупким. Этого мнения придерживаются и японские специалисты.
Аналитическая часть работы по существу свелась к выводу, что как вертикальное, так и горизонтальное армирование существенно увеличивают сопротивление стеновых панелей сдвигу, однако авторы не сделали попытки дифференцированно оценить это влияние.
Если представить данные табл. 3.5 в графическом виде (рис. 3.24), то сразу обращают на себя внимание результаты испытаний образцов SW-11 и SW-12, выпадающие из общей эмпирической зависимости «несущая способность — процент армирования». Отличительной особенностью этих образцов была концентрация вертикальной арматуры у торцевых граней образцов, т. е. часть полевой арматуры была переведена в контурную. За счет этого несущая способность панелей увеличилась на 35—36%, несмотря на то, что обе они разрушились преждевременно за счет нарушения анкеровки вертикальных стержней у граней панелей.
В опытах канадских специалистов введение небольшого количества контурной арматуры повысило несущую способность панелей на 68% и улучшило пластичность их деформирования при циклическом загружении (см. табл. 3.4 и рис. 3.16).
Испытания одноэтажных фрагментов стен

К неожиданному выводу пришли авторы работы. В числе испытанных ими образцов стен (табл. 3.6) два образца (B1—1 и В2—1) существенно отличались по мощности контурного армирования. Тем не менее показатели их несущей способности при срезе (τxy/√Rb) оказались практически одинаковыми, на основании чего был сделан вывод о том, что контурное армирование не влияет на несущую способность стен. Конечно, это заключение находится в прямом противоречии с физической сущностью изучаемого явления, а результаты, послужившие для него основой, объясняются тем, что они были получены при испытаниях явно переармированных образцов. В этом легко убедиться, обратившись к рисунку 3.21.
Более того, чрезмерно большое количество вертикальных стержней (16 в B1—1 и 20 — в В2—1), попарно соединенных хомутами и пределах узких полок образцов, создавали вполне реальные трудности для их качественного бетонирования, что должно было негативно отразиться на сопротивлении бетона срезу.
По мнению Т. Paulay контурное армирование обеспечивает не только увеличение несущей способности стен при действии горизонтальных нагрузок, но, что не менее важно, — способствует развитию изгибных деформации конструкции. Как отмечалось выше, большинством зарубежных исследователей этот аспект расценивается весьма положительно.
В ЦНИИЭПжилища помимо бетонных стеновых панелей были испытаны 3 армированных образца (табл. 3.7). Панель МС-2—1 отличалась от эталонной бетонной (MC-1—3, см. табл. 3.3) наличием очень слабого полевого армирования, мощность которого была вдвое ниже установленного СНиП 2.03.01—84 конструктивного минимума (0,05%).
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Тем не менее наличие горизонтальных и вертикальных стержней по полю панели существенно отразилось на характере трещинообразования. Если в рабочей части панели MC-1—3 фактически образовалась одна наклонная трещина, по которой и произошло разрушение, то в панели МС-2—1 появился ряд почти параллельных наклонных (α=45°) трещин, одна из которых стала критической (рис. 3.25).
Если при очень малом проценте армирования не наблюдалось увеличения несущей способности панелей, то при мощности армирования, соответствовавшей требованиям зарубежных норм (ρq%=ρw%=0,25%), сопротивление панелей сдвигу возросло на 71%. Правда, разрушение образца МС-2—2 произошло хрупко в результате среза сжатой зоны в опорном сечении, чему предшествовал разрыв стержней в критической наклонной трещине.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Изменение ориентации стержней в поле панели МС-2—3 привело к увеличению числа наклонных трещин и ширины их раскрытия. Несущая способность образца при этом снизилась на 7%, что скорее всего объясняется обычным рассевом экспериментальных данных, также как и снижение на 5% несущей способности образца MC-1—3 (см. табл. 3.3).
Возвращаясь к попытке дифференцированной оценки эффективности различных видов армирования стеновых панелей, можно отметить, что практически все исследователи едины во мнении о положительной роли вертикальной полевой арматуры в формировании прочности стен. Это мнение, в частности, подтверждают результаты испытаний панелей В5—4, В6—4 и ВЗ—2 (см. табл. 3.6).
Что же касается горизонтальной полевой арматуры, то тут приходится иметь дело с самой противоречивой информацией. Согласно Коду США и нормам ряда зарубежных стран горизонтальная арматура рассматривается как эффективное «противосдвиговое» средство. Однако это подтверждают далеко не все эксперименты. Так, в опытах два образца с процентом горизонтального армирования 0,63 и 1,38 показали практически одинаковую несущую способность и деформативность. He дало желаемого эффекта горизонтальное армирование поля панелей и в опытах (см. табл. 3.6, образцы В4—3 и В3—2). Причем в этих образцах деформации вертикальных полевых стержней, как правило, существенно опережали деформации горизонтальных стержней (рис. 3.26). В работе также отмечается, что в большинстве горизонтальных стержней при достижении панелями стадии разрушения напряжения не достигали предела текучести.
Испытания одноэтажных фрагментов стен

Анализируя влияние армирования на прочность и деформативность стеновых панелей, хотелось бы получить ответы на такие вопросы:
1. Какой вид вертикального армирования (контурное пли полевое) эффективнее с точки зрения обеспечения прочности и пластичности деформирования стен при одновременном действии вертикальных и горизонтальных сил?
2. С этих же позиций, каким полевым стержням (горизонтальным или вертикальным) следует отдавать предпочтение?
3. Можно ли полностью заменить ортогональное полевое армирование на наклонное?
Эти и другие вопросы закономерно возникают у конструктора, ищущего оптимальное решение конструирования стен монолитных зданий. К сожалению, как мы могли убедиться, накопленная экспериментальная информация пока не позволяет решить эту задачу. В этой связи уместно напомнить, что напряженно-деформированное состояние стеновых панелей зависит от довольно емкого перечня факторов. Изменение их сочетания закономерно будет отражаться на степени эффективности того или иного вида армирования. Поэтому в изучении этого вопроса не следует стремиться к получению однозначных ответов, тем более на базе отдельных экспериментальных результатов. Предпочтение следует отдавать вскрытию соответствующих закономерностей, необходимых для создания обоснованных расчетных методик и разработки принципов оптимального конструирования стен.
В заключение обзора исследований, посвященных изучению работы низких (одноэтажных) степ, коротко остановимся на рассмотрении влияния многократного загружения на их несущую способность. По данным различных исследователей, знакопеременное циклическое загружение панелей снижает их несущую способность от 7 до 20%. В опытах ассоциации портландцемента это снижение не отмечалось.
He вдаваясь в детальное изучение поведения панелей при знакопеременном цикличном загружении, отметим, что конечный результат в таких опытах в значительной мере зависит от уровня повторяемой горизонтальной нагрузки и истории загружения конструкции. Этим, в частности, объясняется неустойчивость приведенного выше цифрового показателя влияния многократного приложения нагрузки на прочность стеновых панелей.