Модуль деформации бетона при растяжении

Бетонные строительные конструкции постоянно испытывают большие нагрузки. Это необходимо учитывать еще на этапе их планирования. Поэтому технологами была разработана система придания бетону способности упруго деформироваться под воздействием таких факторов, как давление и сила. Величина, характеризующая данный показатель, получила название модуль упругости бетона.

Рассчитывая строительную конструкцию, специалисты с помощью формулы вычисляют соотношение напряжения и модуль деформации бетона B25 или материала другого класса. Для удобства данные, полученные лабораторным путем, занесены в таблицы, которые соответствуют СНиП. Ими всегда можно воспользоваться при проектировании любой конструкции.

Определение упругости и единицы измерения

Значение модуля любого вида бетона определяется согласно действующему СП 52-101-2003. Это нормативный документ, таблицы которого содержат все необходимые коэффициенты для определения упругости материала на м2.

Выполняя специальные расчеты с учетом того, какова деформация используемого материала, специалисты могут точно определить величину запаса прочности сооружения арочного типа, любого перекрытия здания, автомобильного или железнодорожного моста.

В литературе для профессионалов параметр упругости принято обозначать буквой Е. На его величину влияет действующая нагрузка и структура бетона. За единицу измерения взят паскаль, поскольку напряжение, вызванное в опытном образце действующей на него силой, измеряется в паскалях.

На модуль упругости В20 и других видов влияет технология производства, в частности способ твердения: естественный, автоклавный или тепловой обработки. Важную роль играют эксплуатационные характеристики материала.

Поэтому такой показатель, как упругость не одинаковый у одного класса. Например, если рассматривать ячеистые или тяжелые материалы, имеющие одно и то же значение прочности на м2, то величины их модулей будут разные.

Табличные данные помогают определить значение сопротивления и в соответствии с ним выбрать нужный тип бетона для проведения тех или иных видов строительных работ.

Для того чтобы повысить модуль упругости бетона В15, специалисты рекомендуют использовать различные методы его изготовления. Так, при автоклавной обработке появляются более высокие упругие свойства, достигающие цифры 17. Применяя тепловую обработку с использованием атмосферного давления, можно увеличить значение до 20,5. Наибольшая величина модуля достигается при естественном твердении.

Подобным образом можно поднять модуль упругости В25 — самого популярного у строителей. При этом важно помнить, что при увеличении показателя класса материала растет и показатель его сопротивляемости упругим деформациям.

От чего зависит упругость бетона

Главной характеристикой, определяющей прочность бетона, является коэффициент его упругости. Он важен для профессиональных проектировщиков, которые проводят расчеты нагрузочных способностей бетонных конструкций.

В число факторов, воздействующих на величину модуля, входят такие:

наполнитель (его плотность непосредственно отражается на удельном весе бетона; если это гравий или щебень, показатель выше);
класс (так, у В10 величина упругости равна 19, а у В30 она составляет 32,5);
возраст монолита (с увеличением этого показателя возрастает и прочность бетонной структуры).

Фактором воздействия является время, в течение которого материал испытывает нагрузку, и влажность воздуха. Влагосодержание окружающей среды оказывает воздействие на такой показатель, как ползучесть бетона. В этом случае во внимание принимается температура окружающей среды и показатель интенсивности радиоактивного излучения.

В соответствующих таблицах при необходимости всегда можно узнать точные значения для разных видов, например, каким будет модуль упругости B30.

Такая характеристика, как деформация, во многом зависит от наличия металлического каркаса, используемого при армировании строительной конструкции. Металл отличается гораздо меньшей степенью разрушения. Поэтому для сооружений, которые будут регулярно испытывать большие нагрузки, пространственная металлическая решетка необходима.

Существует специальная таблица, разработанная согласно СП. По ней определяется начальный модуль упругости бетона.

Расчет модуля упругости в лабораторных условиях

Алгоритм определения деформации предусматривает экспериментальные исследования в лабораторных условиях с использованием стандартных образцов.

Стандартный образец исследуется с целью установить начальный и приведенный показатель. Проведя пробы, выясняют степень способности материала выдерживать сжатие или растяжение. Если материал не имеет армировочного каркаса, то он не способен к растяжению. С учетом результатов экспериментов строится график, отражающий показатели зависимости прикладываемого воздействия и разрушения опытного образца.

При расчетах учитывается равнозначность показателей упругости материала на растяжение и сжатие.

В ходе лабораторных исследований образец подвергается непрерывной возрастающей нагрузке до полного его разрушения. В диаграмму вносят данные, отражающие воздействие нагрузок на степень деформации опытного образца. На завершающем этапе рассчитывается средний показатель всех исследуемых образцов.

Методика расчета бетонных конструкций содержится в Своде правил 52-101-2003, распространяющихся на все строительные бетонные и железобетонные конструкции.

Источник

При проектировании строительной конструкции стоит задача спрогнозировать ее поведение при заданных нагрузках и внешних условиях. Бетон воспринимает значительные усилия, поэтому важный этап расчета — определение деформаций и прогибов при статическом нагружении.

В расчете железобетонных конструкций по второй группе предельных состояний применяют физическую величину, называемую модулем упругости бетона, или модулем Юнга. Он характеризует свойства твердого вещества в зоне упругих деформаций.

Понятие модуля упругости

Все твердые тела при возрастании нагрузки подвержены деформациям. Причем сначала изменения носят обратимый характер, а их зависимость от приложенных усилий — линейная.

Тело восстанавливает размеры и форму после прекращения внешнего воздействия. Здесь применяется закон Гука, где абсолютное сжатие или удлинение прямо пропорционально приложенной силе с коэффициентом пропорциональности, равным модулю упругости.

С ростом нагрузки тело вступает в фазу необратимых изменений, где деформации носят неупругий пластичный характер. В этой зоне удлинение или сжатие образцов при испытаниях происходят без значительного увеличения внешней силы.

В дальнейшем бетонный образец реагирует на усилия нелинейно — деформации растут без увеличения нагрузки. Это — зона ползучести. Связи внутри материала разрушаются, конструкция теряет прочность.

В рыхлых непрочных смесях присутствует стадия псевдопластических деформаций, когда с уменьшением нагрузки изменения размеров нарастают. Появляются отслоения, трещины и другие деструкции тела бетона.

Последующее увеличение усилий растяжения или сжатия приводят к полному разрушению образца.

Линейная зависимость между напряжением и деформациями в фазе упругости выражается формулой:

σ=E*εпред,

где E — модуль упругости (Па);

εпред — относительная деформация, т.е. отношение абсолютного удлинения к начальному размеру (∆l/l0).

Модуль упругости определяют опытным путем. При испытаниях строят диаграмму зависимости деформаций от усилий, прикладываемых к образцу. Тангенс угла кривизны на участке упругих изменений размеров и есть искомая величина. Значения для разных классов и марок бетона занесены в таблицы.

График зависимости деформаций от напряжений при постепенном загружении

Зная E и действующие усилия, рассчитывают упругие абсолютные деформации бетона в конструкции по формуле:

∆l= σ* l0/EА,

где σ — напряжение, равное отношению внешней силы к площади сжатой или растянутой зоны сечения (P/F).

Чем больше модуль упругости, тем меньшие деформации при нагрузках испытывает материал. Значения E варьируются от 19 до 40 МПа*10-3.

От чего зависит модуль упругости бетона?

Упругие свойства бетона зависят от факторов:

качества и объемного содержания заполнителей;
класса материала;
температуры воздуха и интенсивности радиоактивного излучения;
влажности среды;
времени воздействия нагрузки;
условий твердения смеси;
возраста бетона;
армирования.

Заполнители

Бетон представляет собой конгломерат из двух составляющих — цементного камня и заполнителей. В неоднородной структуре возникает сложное напряженное состояние. Более жесткие частицы воспринимают основную часть нагрузки, а вокруг пор и пустот образуются участки с поперечными растягивающими усилиями.

Крупный заполнитель, обладая высоким модулем Юнга, увеличивает упругие свойства бетона. Мелкие пылеватые частицы, поры и пустоты снижают их.

Класс бетона

Чем выше класс материала, т.е. больше его прочность на сжатие и плотность, тем лучше он сопротивляется деформирующим нагрузкам. Наиболее высоким модулем упругости обладает бетон В60 — 39,5 МПа*10-3, минимальный показатель у композита класса В10- 19 МПа*10-3.

Температура и радиация

Повышение температуры окружающей среды, интенсивности солнечной радиации приводят к уменьшению упругих свойств и росту деформаций. Связано это с увеличением внутренней энергии бетона, изменению траекторий движения молекул в твердом теле, линейному расширению материала, и, как следствию, усилению пластичности.

Разницу не учитывают при колебаниях в пределах 20°С. Большие температурные изменения существенно влияют на деформацию бетонных конструкций. В таблице СП 63.13330.2012 указаны величины модулей упругости в зависимости от температуры.

Влажность

Колебания влажности воздуха приводят к изменению упругих свойств материала. В расчетах применяют коэффициент ползучести φ. Чем больше содержание водяных паров в окружающей среде, тем ниже показатель и соответственно меньше пластические деформации конструкции.

Примечание: Относительную влажность воздуха принимают по СП 131.13330.2012 как среднемесячную влажность самого теплого месяца года в регионе строительства.

Время приложения нагрузки

Модуль упругости зависит от времени действия нагрузки. При мгновенном нагружении конструкции деформации пропорциональны величине внешних сил. При длительных напряжениях величина E уменьшается, изменения развиваются по нелинейной зависимости и суммируются из упругих и пластичных деформаций.

Условия набора прочности

При проведении испытаний замечено, что у бетона естественного твердения модуль упругости выше, чем при обработке материала пропариванием при атмосферном давлении или в автоклавных установках.

Это объясняется тем, что изменение условий набора прочности приводит к образованию большего количества пор и пустот из-за неравномерного температурного расширения объема, ухудшения качества гидратации цементных зерен. Такой бетон обладает более низкими упругими свойствами по сравнению с затвердевшим в нормальных условиях.

Возраст бетона

Свежеуложенный бетон набирает прочность в течение 28 суток. Но даже по истечении этого времени материал при нагрузке обладает одновременно упругими и пластическими свойствами. Наибольшей твердости он достигает примерно через 200-250 суток. Показатель E в этом возрасте максимальный, соответствующий марочной прочности.

Армирование конструкций

Для восприятия растягивающих и сжимающих усилий в железобетон помещают каркасы или сетки из арматуры классов АI, AIII, А500С, Ат800, а также из композитов или древесины.

Применение армирования увеличивает упругость, прочность конструкции на сжатие и на растяжение при изгибе, препятствует образованию усадочных и деформационных трещин.

Способы определения

Модуль упругости бетона определяют:

механическим испытанием образцов;
неразрушающим ультразвуковым методом, основанным на сравнении скорости распространения волн в существующей конструкции и испытанном образце с заданными характеристиками.

Механический способ

Исследование первым методом проводят согласно ГОСТ 24452-80. Изготавливают образцы с сечением в виде квадрата или круга с соотношением высоты к диаметру (ширине), равным 4.

Образцы сериями по три штуки выбуривают, высверливают или выпиливают из готовых изделий, либо набивают формы согласно ГОСТ 10180-78. До начала испытаний призмы или цилиндры выдерживают под влажной тканью.

Для определения модуля упругости бетона используют прессы со специальными базами для измерения деформаций. Они состоят из приборов, расположенных под разными углами к граням образца. Индикаторы крепят к стальным рамкам или приклеенным опорным вставкам.

Если испытания проводят для конструкций, работающих при повышенной влажности или высокой температуре, выполняют специальную подготовку по ГОСТ 24452-80.

Испытания проводят по схеме:

Образцы с индикаторами помещают под пресс, совмещая ось заготовки с центром плиты оборудования. Величину разрушающей нагрузки назначают, исходя из марочной прочности бетона.
Нагрузку увеличивают постепенно, ступенями по 10% от разрушающей. Выдерживают интервалы 4-5 минут.
Доводят усилие до 40-45% от максимального. Если программа не предусматривает другие требования, приборы снимают. Дальнейшее нагружение проводят с постоянной скоростью.
Производят обработку результатов для каждого образца при нагрузке, равной 30% от разрушающей. Все данные заносят в журнал испытаний.

На основе исследований можно судить о начальном модуле упругости бетона. Эта величина характеризует свойства материала при нагрузке, в пределах которой в образцах возникают обратимые изменения. Показатель обозначается как Eb, его значение для каждого класса бетона внесено в таблицы строительных норм и маркировку изделий.

Так, модуль упругости бетона В15 естественного твердения составляет 23, а подвергнутого тепловой обработке 25 МПа*10-3.

Величина модуля упругости бетона для классов В20, В25, В30, В35 и В40 равна 27, 30, 32,5, 34,5 и 36 МПа*10-3. В пропаренных конструкциях она соответствует 24,5, 27, 29, 31 и 32,5 МПа*10-3.

Ультразвуковой способ

Применяется для исследования конструкций без их локального разрушения. При повышенной влажности такой метод определяет модуль упругости с погрешностью 15-75%, так как скорость распространения ультразвуковых колебаний в водной среде возрастает.

Чтобы избежать ошибок при измерениях, разработан метод определения модуля Юнга с учетом влажности бетона. Он основан на опытных испытаниях серий образцов с различной водонасыщенностью.

Нормативные и расчетные значения сопротивления бетона получают, используя корректирующие коэффициенты с учетом условий работы конструкции. Методика расчета описана в СП 63.13330.2012.

( 1 оценка, среднее 5 из 5 )

Источник

При назначении параметров монолитных железобетонных перекрытий следует производить их расчет как с использованием начального модуля упругости бетона (используется при назначении армирования), так и расчет с учетом развития неупругих деформаций в бетоне (для определения максимальных прогибов с учетом длительности действия нагрузки).

Значения начального модуля упругости бетона при сжатии и растяжении принимают в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие согласно табл 6.11 СП 63.13330.2012. и табл 5.4. СП 52-101-2003.

СП 63.13330.2012, п В.22-В-24:

В.22 Жесткостные характеристики конечных элементов на первоначальной стадии расчета конструктивной системы, когда армирование конструкций еще не известно, следует определять по линейным деформационным характеристикам.

В.23 После определения арматуры в плитах перекрытий и покрытий следует произвести дополнительный расчет прогибов этих конструкций, принимая уточненные значения изгибных жесткостных характеристик плит с учетом армирования в двух направлениях.

В.24 Рекомендуется выполнить также дополнительный расчет конструктивной системы для более точной оценки изгибающих моментов в элементах перекрытий, покрытий и фундаментных плитах, а также продольных сил в стенах и колоннах с учетом нелинейных жесткостных характеристик конечных элементов.

Рекомендации по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных конструкций, п. 1.7: усилия в статически неопределимых железобетонных конструкциях от нагрузок и вынужденных деформаций при расчете по предельным состояниям первой и второй групп следует, как правило, определять с учетом неупругих деформаций бетона и арматуры, с учетом в необходимых случаях нелинейности деформаций при кратковременном нагружении и деформаций ползучести, наличия трещин, а также деформированного состояния как отдельных элементов, так и конструкций в целом.

СП 52-103-2007 п.6.2.6: На первой стадии расчета для оценки усилий в элементах конструктивной системы допускается принимать приближенные значения жесткостей элементов, имея в виду, что распределение усилий в элементах конструктивных систем зависит не от величины, а, в основном, от соотношения жесткостей этих элементов. Для более точной оценки распределения усилий в элементах конструктивной системы рекомендуется принимать уточненные значения жесткостей с понижающими коэффициентами. При этом необходимо учитывать существенное снижение жесткостей в изгибаемых плитных элементах (в результате возможного образования трещин) по сравнению с внецентренно сжатыми элементами. В первом приближении рекомендуется принимать модуль упругости материала равным Ев с понижающими коэффициентами: 0,6 — для вертикальных сжатых элементов; 0,3 — для плит перекрытий (покрытий) с учетом длительности действия нагрузки. На последующих стадиях расчета жесткости следует определять согласно п. 6.2.5.

СП 52-103-2007 п.6.2.5: Значения нелинейных жесткостей железобетонных элементов следует устанавливать в зависимости от стадии расчета, требований к расчету и характера напряженно-деформированного состояния элемента. На первой стадии расчета конструктивной системы, характеризуемой тем, что армирование железобетонных элементов неизвестно, нелинейную работу элементов рекомендуется учитывать путем понижения их жесткостей с помощью условных обобщенных коэффициентов. На последующих стадиях расчета конструктивной системы, когда известно армирование железобетонных элементов, в расчет следует вводить уточненные значения жесткостей элементов, определяемые с учетом армирования, образования трещин и развития неупругих деформаций в бетоне и арматуре согласно указаниям действующих нормативных документов по проектированию железобетонных конструкций.

СП 52-103-2007 п.6.2.7: Определение вертикальных перемещений (прогибов) перекрытий и покрытий производят от действия нормативных постоянных и длительных вертикальных нагрузок. При этом на первой стадии расчета рекомендуется принимать пониженные значения жесткостей элементов конструктивной системы, в частности плит перекрытий, поскольку вертикальные перемещения (прогибы) напрямую зависят от деформационных свойств плит. В первом приближении значения понижающих коэффициентов относительно начального модуля упругости бетона с учетом длительности действия нагрузки рекомендуется принимать: для вертикальных несущих элементов — 0,6, а для плит перекрытий (покрытий) — 0,2 при наличии трещин или 0,3 — при отсутствии трещин. На последующих стадиях расчета при известном армировании следует принимать уточненные жесткости плит с учетом армирования, наличия трещин и неупругих деформаций в бетоне и арматуре, определяемые согласно действующим нормативным документам.

СП 52-101-2003 п. 5.1.13:

СП 52-101-2003 п. 5.1.13

СП 52-101-2003 п. 5.1.14: Значения коэффициента ползучести бетона принимают в зависимости от условий окружающей среды (относительной влажности воздуха) и класса бетона. Значения коэффициента ползучести бетона приведены в табл. 5.5.СП 52-101-2003.

СП 52-101-2003, табл. 5.5.

СП 63.13330.2012, п. 8.1.3: Для железобетонных элементов, у которых предельное усилие по прочности оказывается меньше предельного усилия по образованию трещин (пп.8.2.8-8.2.14.), площадь сечения продольной растянутой арматуры должна быть увеличена по сравнению с требуемой из расчета по прочности не менее чем на 15%, или определена из расчета по прочности на действие предельного усилия по образованию трещин.

Таким образом, на первой стадии расчета в первом приближении, когда армирование элементов неизвестно, для расчета прогибов перекрытий применяется модуль упругости, равный от 20% до 30% начального модуля упругости бетона. Для дальнейшего учета работы бетона после образования трещин, значение площади арматуры при необходимости следует увеличить относительно полученного расчетного не менее чем на 15%. На последующих стадиях расчета конструктивной системы, когда уже известно армирование железобетонных элементов, в расчет вводятся уточненные значения модуля упругости, определенного с учетом ползучести бетона, а также с учетом итоговой площади армирования сечения и модуля упругости принятой арматуры.

Источник