Учет воздействия низких температур при расчете конструкций

 

Исследования [7] показали, что физико-механические свойства бетона зависят от температуры первого охлаждения, числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, водонасыщения бетона и его марки по морозостойкости. Степень водонасыщения бетона оказывает наиболее существенное влияние на свойства бетона при замораживании, поэтому ее рекомендуется учитывать в зависимости от режимов воздействия воды и низких температур, которые установлены в СП 63.13330.2012.

Рис. 5.1. Влияние первого охлаждения на относительную прочность при сжатии и модуль упругости бетона с разными марками по морозостойкости:

1 – 50; 2 – 100; 3 – 250; 4 – 300; 5 – 350; 6 – 500; −−−− опытные по работе [1]; − − − − расчетные по формулам (1)

 

При первом охлаждении до температуры —190°С прочность на сжатие и модуль упругости возрастают в 1,4—2 раза (рис. 5.1). Прочность бетона на растяжение при охлаждении увеличивается в 1,2—1,5 раза больше, чем прочность бетона на сжатие. Деформации укорочения сухого бетона с понижением температуры возрастают. В водонасыщенном бетоне они уменьшаются при охлаждении до –10°С и потом заметно возрастают при –45°С, при дальнейшем снижении температуры снова уменьшаются. При попеременном замораживании до температуры –60°С и оттаивании прочность на сжатие и модуль упругости снижаются (рис. 5.2) и появляются остаточные деформации бетона, которые с увеличением числа циклов замораживания и оттаивания и степени водонасьпцения бетона заметна возрастают.

Рис. 5.2. Влияние попеременного замораживания до температуры -60°С и оттаивания на относительную прочность при сжатии бетона с разными марками морозостойкости (обозначения см. по рис. 5.1)

 

Влияние охлаждения на свойства бетона и работу железобетонной конструкции можно разделить на две основные расчетные стадии—первое замораживание до минимальной температуры и длительное попеременное замораживание и оттаивание. Статически определимые конструкции рассчитывают только для второй стадии. Уменьшение прочности и жесткости элементов определяется при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания и оттаивания. В статически неопределимых конструкциях при первом замораживании возникают наибольшие усилия от воздействия низких температур. Усилия в элементах и их жесткости Определяются от совместного действия охлаждения, нагрузки и собственной массы с учетом повышения прочностных и упругопластических свойств бетона и арматуры в условиях низкой температуры.

Рис. 5.3. Влияние низкой температуры на относительную прочность, модуль упругости и коэффициент температурного расширения арматурной стали

1 – Ст3; 2 – Сталь 10; 3 – Сталь 20; 4 – 35ГС; ––––– опытные; – – – – расчетные

 

При попеременном замораживании и оттаивании происходит снижение прочности и жесткости элементов и уменьшение усилий от охлаждения. Усилия в элементах и их жесткости находят только при длительном действии нагрузки с учетом снижения прочностных и упругопластических свойств бетона от попеременного замораживания и оттаивания.

При расчете железобетонных конструкций, предназначенных для работы в условиях низких температур, расчетные сопротивления R_пр и R_прII, дополнительно умножают на коэффициенты условий работы бетона при сжатии т _б.м или т _б.з, а расчетные сопротивления R_пр и R_прII соответственно на коэффициенты условий работы бетона при растяжении т _р.м или т _р.з. Для температур до –60°С:

где α_м, α_з – коэффициенты, зависящие от режима воздействия воды и низкой температуры на конструкцию и проектной марки бетона по морозостойкости (Рис.4.3. табл. 1);

t _б – абсолютная величина расчетной зимней температуры конструкции;

При охлаждении начальный модуль упругости умножают на коэффициент β_б.м, учитывающий увеличение модуля упругости бетона при первом замораживании, или на коэффициент β_б.з, учитывающий его снижение при попеременном замораживании и оттаивании. Для температур до –60°С:

где b_м, b_з – коэффициенты, зависящие от режима воздействия воды и низкой температуры на конструкции и пролетной марки бетона по морозостойкости (см. рис. 5.4. табл. 1).

Рис. 5.4 Таблица 1 и 2 [11]

 

При температурах ниже –60°С коэффициенты m _{б. t} и β_б.м принимаются равными а _м и b _м по рис. 5.4 табл. 1. Коэффициент линейной температурной деформации бетона нормального твердения α_{б t} в зависимости от режима работы конструкции и марки бетона по морозостойкости находят по рис. 5.4 табл. 2.

Деформации ε_t оси элемента при охлаждении бетона определяют до температуры –45°С по формуле:

а ниже –45°С из выражения:

где t₀^T и t^x – начальная и минимальная температуры бетона;

α_{б t 1}, α_{б t 2}, α_{б t 3}, - коэффициенты линейной температурной деформации бетона соответственно для температур выше –10°С, от –10° до –45°С и ниже –45°С (см. рис. 5.4 табл. 2).

Ввиду отсутствия опытных данных изменения упругопластических свойств бетона при охлаждении коэффициент упругости бетона v принимают таким же, как для нормальных температур.

Физико-механические свойства арматурных сталей в основном зависят от величины низкой температуры (рис. 5.3), поэтому расчетные сопротивления арматуры марок Ст3 и 35ГС R _а и R _aII дополнительно умножают на коэффициент условий работы m _ам, который для температуры арматуры от –60 до –130°С находят по формуле:

а ниже –130°С – из выражения:

Модуль упругости арматуры E _a при охлаждении умножают на коэффициент β_а, который для температур ниже –60°С определяют по формуле:

Для стали марок Ст3 и 35ГС k = 0,00025.

Коэффициент температурной деформации сталей уменьшается с понижением температуры (см. рис. 5.3), поэтому для стали марки Ст3 при охлаждении до температуры арматуры t _a его рекомендуется подсчитать по формуле

Приведенные значения коэффициентов условий работы, а также коэффициентов, учитывающих изменение модуля упругости и температурных деформаций бетона и арматуры, были использованы при расчете прочности, деформаций и момента появления трещин в изгибаемых железобетонных элементах при охлаждении до –70 и –145°С.

Заключение

 

Итак, подводя итоги, можно констатировать следующее:

1. основной причиной возникновения трещин в элементах строительных конструкций является температура и влажность материала. Эти факторы, в конечном итоге, практически независимо от технологии возведения и эксплуатации здания, приводят конструкции к разрушению.

2. Наличие свободной влаги в бетоне после его охлаждении способствует упрочнению структуры за счет появления сил смерзания льда с поверхностью цементного камня, что приводит к увеличению его прочности тем большей, чем выше его влажность, но увеличение влажности выше «предельного водонасыщения» вызовет разрушение бетона, а не рост его прочности.

3. С понижением температуры возникает опасность хрупкого разрушения железобетонных конструкций, хладноломкость повышается так и у бетона, так и у стали.

3. физико-механические свойства бетона зависят от температуры первого охлаждения, числа циклов попеременного замораживания и оттаивания, водонасыщения бетона и его марки по морозостойкости.

4. Деформации укорочения сухого бетона с понижением температуры возрастают. В водонасыщенном бетоне они уменьшаются при охлаждении до –10°С и потом заметно возрастают при –45°С, при дальнейшем снижении температуры снова уменьшаются.

5. При попеременном замораживании до температуры –60°С и оттаивании прочность на сжатие и модуль упругости снижаются и появляются остаточные деформации бетона, которые с увеличением числа циклов замораживания и оттаивания и степени водонасьпцения бетона заметна возрастают.

Список использованной литературы

 

1. Александровский C.B. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на температурные и влажностные воздействия с учетом ползучести / C.B. Александровский. – М.: Стройиздат, 1966. – 443 с.

2. Милованов А. Ф. Учет воздействия низких температур при расчете конструкций / А. Ф. Милованов, В. Н. Самойленко // Бетон и железобетон. – 1980. – № 3, С. 25-26.

3. Муха В.И. Основы расчета, конструирования и возведения сооружений в Якутской АССР. В 3-х частях. / В.И. Муха, Ю.Н. Абакумов, E.H. Малков. – Якутск: Якутское книжное издательство, 1976.

Ч.1: Теоретические основы расчета строительных конструкций на температурные воздействия. – 1976. – 248 с.

4. Ч.2: Учет температурного фактора при расчете элементов нулевого цикла и ограждающих конструкций. – 1976. – 219 с.

5. Ч.3: Учет температурного фактора при возведении строительных конструкций. – 1976. – 265 с.

6. Милованов А. Ф. Некоторые вопросы расчета железобетонных конструкций при воздействии температуры и нагрузки. В кн.: Теория железобетона. —М.: Стройиздат, 1972. С. 160-169.

7. Москвин В.М. Бетона для строительства в суровых климатических условиях. / В.М. Москвин, М.М. Капкин, А.Н. Савицкий, В.Н. Ярмаковский. – М.: Стройиздат, 1972. – 208 с.

8. Мулин Н.М. О механических свойствах горячекатаных арматурных сталей при низких температурах. / Н.М. Мулин, В.З. Мешков. // Проблемы прочности. – 1970. - № 8, С. 33.

9. Хомякова И.В. Особенности работы железобетонных конструкций в условиях замораживания и оттаивания: дис. канд. техн. наук: 05.23.01 / Хомякова Ирина Васильевна. – Нерюнгри, 2003. – 138 с.

10. Рекомендации по расчету железобетонных свайных фундаментов, возводимых на вечномерзлых грунтах, с учетом температурных и влажностных воздействий / НИИ бетона и железобетона. – М: Стройиздат, 1981. – 47 с.

11. Свод правил по проектированию и строительству. СП 52-105-2009. Железобетонные конструкции в холодном климате и на вечномерзлых грунтах: Введен 15.04.09. / НИИ бетона и железобетона. – М: ФГУП НИЦ «Строительство», 2009. – 35 с.