5. 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_бt 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_бt1, α_бt2, α_бt3, - 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.