Усадка и ползучесть бетона
|
Сущность, влияния, воздействия на конструкции. Бетон имеет два отличительных свойства — усадку и ползучесть, которые зависят от реологических, процессов, происходящих в нем, а именно усадка во время твердения и ползучесть при нагружении. Влияние ползучести, проявляется больше, если нагрузка действует на бетон, еще не набравший прочности. Оба явления зависят от возраста бетона, вызывают неупругие деформации, а в армированном бетоне - перераспределение напряжений в бетонной и стальной частях сечения. Эти явления имеют много общего с воздействиями температур и аналогичны влиянию охлаждения. Усадка и ползучесть являются относительно сложной проблемой, так как здесь речь идет о многих большей частью нелинейных зависимостях или трудно формируемых зависимостях с многими параметрами. Влияния можно разделить на несколько групп: - характеристики материала, т.е. свойства отдельных составляющих бетона (аемент, заполнители, вода, добавки) и стали, структуры бетонной смеси (в том числе водоцементное отношение); - способ приготовления, укладки и ухода за бетонной смесью (эти факторы будут влиять на параметры бетона, такие, как прочность, модуль упругости и др.); - характеристики сечения (отношение площади сечения арматуры к площади сечения бетона), отношение площади сечения к периметру, симметричность сечения и т.п.; - климатические условия окружающего пространства, которые во время твердения бетона воздействуют на конструкцию, т.е. зависимость от влажности, температуры и класса бетона; - зависимость от возраста бетона, в течение 30 дней твердения бетона происходит около 50% усадки, после одного-двух лет - 85-90%; - ползучесть в зависимости от режима, характера и интенсивности нагружения (нагрузка постоянная, временная, длительная и кратковременная, повторность загружения) в зависимости от темпов и времени строительства, воздействия нагрузок на бетон при разном его состоянии (на бетон разного возраста), начала нагружения. С учетом приведенных зависимостей, ясно, что лабораторные испытания будут сложными, но еще более сложными будут измерения на реальных конструкциях и применение результатов на практике. Существует множество теорий усадки и ползучести бетона, однако для применения наиболее подходящей является теория старения бетона Дишингера (Dischinger). Горизонтальная и вертикальная усадка и ползучесть. Усадка и ползучесть бетона в конструкциях происходят аналогично воздействиям изменений температур в горизонтальном и вертикальном направлениях. В прежних теориях расчета сооружений с учетом горизонтальной усадки принимали соответствующие температурные блоки, подходящую конструктивную систему, опирания, дающие возможность перемещений от температуры, соответствующее армирование, водоцементное отношение, эффективное проведение строительных работ и обеспечение надлежащих гидротермических условий в процессе твердения бетона, особенно по отношению к влажности и температуре. Вертикальная усадка и ползучесть учитывались в исключительных случаях, так как конструкции имели малую высоту и небольшие резервы несущей способности. Положительным свойством усадки и ползучести бетона является то, что они способствуют лучшему распределению нагрузки между арматурой и бетоном для сжатых элементов и их частей. Сейчас при применении бетона для элементов конструкций принимают облегченные сечения, полностью используют прочность материала, проектируют конструкции больших длин и высот, применяют сталебетонные конструкции балок, обетонированные стальные колонны, сборные балки с добетонированием или с монолитными конструкциями, предварительно напряженный бетон, используют различные технологии выполнения бетонных работ. Для верной оценки будущего поведения конструкций надо более подробно познакомиться с этой проблематикой и понять воздействия усадки и ползучести. Для таких конструкций воздействия усадки и ползучести являются длительными временными воздействиями (нагрузками) , действующими одновременно с другими нагрузками. Воздействия усадки и ползучести могут проявиться в следующих видах: - увеличение напряжения растяжения бетона в армированном изгибаемом сечении; снижение несущей способности бетона и передача большей части нагрузки на стальную часть сечения в фазе перед переходом всего сечения в пластическое состояние или перед достижением предела текучести (железобетонные колонны; стальные трубы, заполненные бетоном; сталебетонные балки и др.); - большие деформации, часть которых от усадки и ползучести остаточны, т.е. носят неупругий характер (наиболее часто проявляется в высоких колоннах, в сжатоизгибаемых или растянутых сечениях, имеющих небольшую высоту); - различные укорочения, например, вертикальных конструкций, если они изготовлены из разного материала, имеют разный вид сечения и процент армирования, разную интенсивность нагружения и т.п.; - уменьшение значения предварительного напряжения бетонных конструкций; - передача большей части нагрузки на части более старого бетона при совместной работе различных частей железобетонных конструкций (например, сборных элементов с добетонированием); - несимметричные деформации, например при несимметрично заармированных сечениях и т.п. Инженер должен выяснить когда эти воздействия необходимо учесть в статическом расчете и при проектировании несущих и дополнительных конструкций, а также предусмотреть соответствующие мероприятия при строительстве, а влияние этих воздействий возможно уменьшить до такого уровня, чтобы не принимать их во внимание (например, с помощью температурных, усадочных швов). В инженерной практике эти влияния обычно учитываются в статических расчетах, объединенных для совместной работы конструкциях, предварительно напряженном бетоне, высоких опорах и других конструкциях. Разности вертикальных деформаций при неупругом сжатии вертикальных конструкций могут возникнуть при неодинаково нагруженных опорах, комбинациях стальных конструкций с бетонными, при монолитных конструкциях, комбинированных со сборными, или разных типах опор (колонны, стена жесткости) и т.п. При неодинаковых укорочениях вертикальных конструкций в зависимости от соединений с горизонтальными элементами будут возникать перемещения или внутренние напряжения, как при воздействии разности температур. Поэтому такие системы рассчитывают с учетом не только упругих укорочений, но и остаточных. Для исследования можно предположить следующую последовательность: - определение типов вертикальных конструкций с точки зрения примененного материала, вида, процента армирования, напряженного состояния и т.п.; - принятие определенной последовательности строительства и мероприятий, снижающих неупругие укорочения; - учет режима загружения, увеличения нагрузки, зависимостей старения бетона и т.п.; - определение воздействий на конструкцию, зависимых от упругих и неупругих укорочений от отдельных нагрузок, и проверка конструкции с точки зрения первого предельного состояния; - проверка несущих конструкций с точки зрения второго предельного состояния, т.е. влияния деформаций несущих конструкций на дополнительные, особенно на перегородки. В этом случае, если присоединение дополнительных конструкций не является удовлетворительным решением, то необходимо запроектировать другие решения. Для комбинированных конструктивных систем, например стальных каркасов с жесткими железобетонными ядрами или стенами-диафрагмами, необходимо определить возраст бетона в момент монтажа стальных конструкций и способ дальнейшего нагружения. Для ядра, изготовленного заранее по технологии скользящей опалубки, необходимо учесть еще, что оно будет больше сжато от собственной массы (собственная масса действует на еще незатвердевший бетон), а также то, что дальнейшее загружение будет действовать на достаточно старый бетон. При бетонировании с применением переставной опалубки нагрузка будет действовать на бетон разного возраста. Для неразрезных балок или рамных ригелей, опирающихся на высокие (длинные) опоры с разным обжатием, в местах опирания балок или ригелей возникнут осадки, что при неразрезной конструкции вызовет перераспределение изгибающих моментов и другие значения опорных реакций. Неупругое укорочение сжатых элементов в результате ползучести. Ползучесть бетона проявляется в элементах, нагруженных как нормальными силами, так и изгибающими моментами. Для высотных зданий типичным является неупругое укорочение сжатых элементов, которое имеет наибольшее значение тогда, когда между отдельными вертикальными конструкциями возникнет разница в длине и в результате этого возникнут воздействия на несущие и дополнительные конструкции. Исходной задачей в этом случае является определение неупругих укорочений внецентренно сжатых элементов. Уравнение старения Дишингера для элементов, нагруженных нормальной силой F(t) , имеет следующий вид:  Можно предположить, что в интервале t1-t2 при постоянном напряжении ползучесть будет прямо пропорциональна разнице коэффициентов φ в начале и в конце рассматриваемого интервала. В этом случае следует применять приближенное отношение (CSN 73 1201):   Этот коэффициент учитывает возраст бетона и время действия нагрузки (здесь t1 — возраст бетона, г, в начале исследования; t2 — то же, в конце исследования; δ — коэффициент гидротемпературных условий, зависящий от влажности и температуры окружающей среды, которой конструкция предоставлена (CSN73 1201, п. 195): v=t(С+28)/[28 (С+t )] - отношение прочности бетона при начале загружения к прочности бетона (5.18) соответствующей группы, здесь t — возраст бетона, дн.; С — постоянная величина, зависящая от группы бетона в соответствии с нормами (CSN 73 1201, п. 195).  Решение дифференциального уравнения (5.14) будет зависеть от изменения функции F(t). В высотных зданиях изменение роста нагрузки может быть различным; оно зависит от конструктивной системы, примененных материалов и методов производства работ, темпов и методов строительных и отделочных работ и т/g. Однако преобладает такая последовательность строительных работ, что во времени всегда будет смонтировано несколько этажей несущих конструкций по отношению к возведенным перекрытиям, после определенного времени наступят отделочные работы, прежде всего тяжелые перегородки, перекрытия, изоляционные работы, облицовочные работы, а потом основное оборудование. После окончания строительства действует еще кратковременная нагрузка, которая, однако, с точки зрения неупругих деформаций не имеет значения. При принятом способе работ по устройству перекрытий изменение нормальных сил по высоте приблизительно линейно (рис. 5.10, б). В этом случае результирующие силы сжатия в колоннах i-го перекрытия выражаются формулой  Темпы (скорости) увеличения отдельных сил сжатия будут выражаться формулами, кН/день:  Нормальные силы Fi(t) при обычном времени t (по рис. 5.11) и будут иметь значение   Вполне понятно, что речь идет только о составляющих, которые имеют значения большие 0 (выражения в скобках должны быть ≥ 0) . Упрощая решение, становится очевидным, что на основе выражения (5.22) с применением ЭВМ можно получить практические решения (рис. 5.11), поэтому для зависимости F(t) необходимо принять заменяющую зависимость. Наиболее соответствующей действительности была бы прямая, т.е. линейная зависимость увеличения значения во время строительства, а потом постоянное значение (рис. 5.12). В работе было уравнение (5.14) проинтегрировано для разных изменений F(t) приращений сил или напряжений в арматуре по отношению к значениям σa,o, которые соответствуют напряжениям σa,o без учета ползучести (рис. 5.13).   В конкретном случае задача проектировщика сводится к определению — какие простейшие предпосылки необходимо в наибольшей степени воплотить в отношении к действительному изменению. В соответствии с ними определяют практические приращения напряжений для колонн отдельных этажей. Параметры, которые влияют на приращения напряжения вследствие обжатия, следующие: - изменение нарастания напряжения (например, тремя характеристиками — FK, FD, FZ); - темп увеличения нагрузки (значение T во втором случае); - процент армирования; - условия окружающей среды; - качество (класс) бетона.   Если предположить, что во всех случаях применяется бетон одинакового качества и условия окружающей среды одинаковы, то значение φ∞ будет постоянным. В работе из условия этих предпосылок были разработаны зависимости влияний основных парам. Неупругие укорочения стержней вследствие усадки. Из-за усадки бетона в сталебетонном стержне симметричного сечения возникают в бетонной части сила растяжения, а в стальной части - сила сжатия следующего значения, определяемого по формуле:  Уравнение (5.27), выраженное напряжениями в стальных элементах сечения и процентом армирования, имеет вид  Влияние усадки зависит от условий окружающей среды, качества бетона и процента армирования. Результирующая неупругая осадка верха опоры. Для высотных зданий нас наиболее интересует полное сокращение в верхней точке отдельных вертикальных конструкций, из которых можно определить осадки на более низких уровнях, а также получить относительные осадки опор. Результирующая осадка в верхней точке ΔH будет равняться сумме осадок вертикальных конструкций отдельных этажей:  Определение относительных укорочений отдельных этажей — очень трудная задача. Для определения значения осадки верха здания принимаются следующие идеализированные условия: одинаковая планировка на всех этажах, равномерные темпы строительства, т.е. изменение увеличения нормальных сил Fi(t) соответствует изменению F0(t) и величины достигают своих максимальных значений одновременно, т.е. по окончании строительства. Следующим условием, упрощающим решение, является предположение, что на всех этажах действуют одинаковые условия, т.е. одинаковые качество бетона, гидротермические условия окружающей среды, процент армирования и напряжения сечений (использования несущей способности). В табл. 5.4 для сравнения определены теоретические осадки верха здания высотой 100 м (27 этажей), полученные при условии, что в течение двух лет строительства не предпринималось никаких попыток выравнивания возникающих постоянных укорочений. Для расчетов принимались значения коэффициента гидротермических условий δ = 2,5 и другие значения, соответствующие бетону класса В-1У.  Усадка бетона не зависит от способа нагружения и значение постоянного укорочения от нее равно 2,24 см на 100 м длины, что соответствует охлаждению на 18°С. При определении постоянного укорочения от ползучести было принято предположение, что сечения имеют напряжения σа,о = 0,7σоб (в этом случае остаток в 0,3σоб был предназначен для кратковременной нагрузки) и что имеются три типа изменения F(t). Из значений в табл. 5.4 видны влияния изменений F(t) и соответствующие значения постоянных укорочений. Действительные истинные значения укорочения будут меньше и при ползучести будут тождественны охлаждению максимально на 20°С. Приведенные в таблице значения постоянных укорочений не имеют для самой конструктивной системы большого значения, так как в конструкции могут проявляться только результаты разных укорочений одних вертикальных конструкций относительно других. Для вертикальных конструкций из одинакового материала (монолит, сборный железобетон, сталь) это влияние для зданий можно не учитывать. Влияния ползучести и усадки могут проявиться при различных материалах разных вертикальных конструкций, и именно тогда, когда никакими мероприятиями их влияния не уменьшались. Например, при применении железобетонных ядер и стальных колонн это влияние уменьшается следующим образом. Железобетонное ядро выполняется на всю проектную высоту (тем самым достигается малое укорочение за время строительства) и стальные конструкции монтируются тогда, когда в ядре уже произошла усадка и большая часть ползучести. |
