книги из ГПНТБ / Прис Б.В. Моделирование железобетонных конструкций

бетонных и железобетонных конструкций в моделях, основным материалом является уменьшенный в соответствующих масшта­ бах бетонный раствор. Свойства материала, принятого для изго­ товления модели, должны быть идентичны свойствам материала прототипа, что обеспечит точную имитацию напряженно-дефор­

дятся все геометрические детали конструкции прототипа, и если конструкция прототипа очень велика, то часто возможно воспро­ извести все детали в более мелком масштабе.

Если мелкие детали конструкции не могут быть точно воспро­ изведены в модели, то она не воспроизведет полную картину ра­ боты конструкции вплоть до ее разрушения, хотя общий режим будет имитироваться верно.

Модели конструкций из материалов, называемых раствором или микробетоном, подразделяются на две категории — армиро­ ванные и неармированные.

Армированные модели из раствора обычно используются для прогнозирования конструктивного режима вплоть до разруше­ ния, тогда как неармированные модели используются только в диапазоне линейной упругости, за исключением массивных кон­ струкций, для которых они могут использоваться при режимах,

вплоть до разрушения.

В этой главе рассматриваются типичные свойства растворов, обычно используемых для моделей, и приведены данные со ссыл­ кой на результаты, которые были получены путем простых испы­ таний при оценке справедливости экспериментального метода. В заключение приведена ссылка на многочисленные работы по применению таких моделей.

121

7.2.Свойства пескоцементных растворов

Вэтом разделе рассматриваются свойства пескоцементной растворной смеси и показано влияние масштаба на свойства по­ лучаемого материала. Условия подобия требуют, чтобы модель была геометрически подобна прототипу. Это требование должно включать гранулометрию заполнителей, образующих материал модели. Конечно, вполне возможно уменьшить крупный заполни­ тель в разумных пределах, однако что касается мелкого запол­ нителя и цемента, то геометрическое подобие их не имеет смысла.

Рис. 7.I. Кривые гранулометрии.

смесью в полном масштабе принималась такая смесь, в которой максимальный размер заполнителя не превышал 3Д дюйма.

Приведенные результаты относятся к смесям в масштабе

и VsИспытываемые образцы представляли собой цилиндры раз­ мером Ѵг на 3 дюйма, которые выдерживались при стандартных условиях.

На рис. 7.1 приведена гранулометрия использовавшегося

рис. 7.2. и 7.3 представлены кривые прочности двух рассматри­ ваемых смесей при сжатии и растяжении, из которых видно, что при широком диапазоне водоцементного отношения прочностные качества смесей почти совпадают. Важным качеством смеси, помимо прочности, является удобоукладываемость. Для каждого конкретного водоцементного отношения и подвижности отиоше-

122

Рис. 7.2. Изменение прочности на сжатие с водсііементным отношением.

Рис. 7.3. Изменение прочности на растяжение с водоцементным отношением.

123

ние цемента и заполнителя зависит от масштаба смеси. Чем меньше масштаб смеси, тем меньшим должно быть отношение заполнителя и цемента.

На рис. 7.4 приводятся кривые для проектирования смесей различного масштаба при средней подвижности.

Требования подобия

Если в модели используется цементный раствор вышеуказан­ ных типов, то идентичность свойств материалов модели и прото­ типа обеспечивается при следующих коэффициентах масштаба:

(7.1)

Если необходимо изготовить из цементного раствора армирован­ ную модель, то свойства арматуры модели должны быть пден-

Зодоцементное отношение

Рис. 7.4. Кривые расчета смеси для средней удобоукладываемости.

точными со свойствами арматуры прототипа. Это требование легко выполняется при использовании в модели стальной арма­ туры, поскольку свойства стали значительно не изменяются с из­ менением размера испытываемого образца.

В главе 8 при рассмотрении использования гипса в качестве материала для модели отмечаются трудности его применения в

124

армированных моделях из-за недостаточного сцепления гипса с арматурой. Это вызывается расширением гипса в период тверде­ ния и последующего упрочнения. Благодаря относительно высо­ кой усадке, которая имеет место в растворах, эта проблема не существенна в моделях из них и при моделировании может ис­ пользоваться гладкая стальная арматура, имитирующая гладкие стальные стержни в конструкции прототипа.

Следовательно, требования подобия, касающиеся материа­ лов для моделей, могут без затруднения выполняться для неармироваиных, армированных и преднапряженных кон­ струкций, если модель изготовлена из цементно-песчаного раствора.

Одно из главных преимуществ использования материала для модели, такого же, как и в прототипе, заключается в том, что по­ скольку механические свойства двух материалов идентичны, то режим работы конструкции может исследоваться не только в диапазоне упругости, но и вплоть до разрушения. Трещины в мо­ дели, например, будут образовываться аналогично трещинам в прототипе и, следовательно, можно исследовать их образование и развитие.

Поскольку наличие трещин ощутимо влияет на деформации в конструкции, то очень важно при исследовании деформаций

7.3. Свойства пемзоцементных растворов

Пемзоцементные растворы, часто используемые для моделей железобетонных конструкций, впервые были разработаны лабо­ раториями ISMES 3. Главными компонентами раствора являют­ ся отсортированная по размеру пемза и цемент, с небольшим ко­ личеством порошкового известняка и других добавок.

Положительное качество использования пемзоцементного раствора в качестве модельного материала состоит в том, что его модуль упругости может подвергаться изменению в весьма ши­ роких пределах, позволяя легко имитировать свойства основных материалов. Кроме этого, учитывая, что коэффициент Пуассона мал, для соблюдения подобия режимов модели и прототипа может быть получена необходимая прочность на растяжение мо­ дельного материала.

Типичный график напряжение-деформация при сжатии для пемзоцементного раствора показан на рисунке 7.5. Величина модуля упругости может легко изменяться: l< s/< 20, давая воз­ можность широкого выбора коэффициента масштаба напряже­ ния в пределах Sf.

125

В смесях с использованием мелкозернистой пемзы могут иметь место явления усадки, которые вызывают в модели режим, не соответствующий режиму работы конструкции прототипа. Однако, если модель покрывается водонепроницаемой пленкой, усадка, вызываемая испарением жидкости, не имеет места, и кроме того, создается модель, которая может эффективно хра­ ниться в воде вплоть до завершения испытаний.

Величина коэффициента Пуассона для пемзоцементных рас­ творов лежит в пределах от 0,18 до 0,20, т. е. удовлетворяет ус­ ловию равенства коэффициентов Пуассона модели и прототипа.

Деформация

Рис. 7.5. Типичный график напряжение-деформация для пемзоцементного раствора.

Подобие механических свойств бетона и пемзоцементных растворов дает возможность использовать эти растворы для мо­ дельных исследований вплоть до разрушения.

Применение пемзоцементных растворов в армированных мо­ делях из-за трудности получения подходящей арматуры ограни­ чивается более прочными смесями с Sf, находящимся приблизи­ тельно в диапазоне от 1 до 2.

Однако при неармированных моделях можно широко исполь­ зовать большой диапазон коэффициентов масштаба напряже­ ния.

Тяжелые растворы

При решении задач, связанных с влиянием собственного веса конструкции, когда не используются искусственные нагрузки, необходимы смеси высокой плотности. Требуемое соотношение будет

126

надо обращаться очень осторожно. Если модель должна подвер­ гаться динамическим испытаниям, то в ней должно осуществ­ ляться правильное распределение массы, что делает необходи­ мым использование тяжелого модельного материала.

Формование

Пемзоцементные растворы обычно очень легко формуются и полностью заполняют опалубку даже в местах очень малой тол­ щины и для уплотнения смеси не требуется вибрация. Было об­ наружено, что лучшие результаты формования получаются без вибрации из-за неравномерного уплотнения, которое имеет место во время вибрации.

7.4. Применение

Использование моделей из цементных растворов ограничива­ ется исследованием конструкций при действии только статиче­ ских или медленно движущихся систем нагрузок, так как требуемая плотность не может быть достигнута в модельном материале, пока sL не равно 1 (т. е. полномасштабная модель). Если собственный вес не является ограничением, тогда этот ма­ териал может использоваться и для динамических нагрузок. Для статических нагрузок материал из цементных растворов являет­ ся идеальным и весьма успешно используется в моделях кон­ струкций всех типов.

Тяжелые цементные растворы в довольно узких пределах мо­ гут использоваться в моделях для исследования динамических явлений с учетом собственного веса.

Однако, пользуясь этим материалом, невозможно воспроиз­ вести мелкие детали формы конструкции в моделях малого масштаба, поэтому коэффициент масштаба длины для моделей из цементных растворов обычно меньше, чем для моделей из гип­

са (см. главу 8).

Так как после отливки трудно изменить форму модели, этот материал не является идеальным, если она предназначается для исследования влияния незначительных изменений размеров мо­ дели.

Пемзоцементные растворы имеют более широкое применение, чем цементные растворы благодаря тому, что возможны большие изменения коэффициента масштаба напряжения. Это позволяет изготовлять модель по частям, причем при необходимости каждая из них может иметь прочность, отличную от других.

Кроме этого, можно изменять величину коэффициента масш­ таба напряжения для всей модели или ее части путем инъекции цементного теста. Таким образом, на одной модели можно про-

127

/

Г л а в а 8

Гипсовые модели

8.1. Введение

Условия подобия требуют геометрического соответствия меж­ ду конструкциями модели и прототипа. Поэтому при рассмотре­ нии материала для имитации бетона,, выбор, естественно, падает на масштабно-уменьшенную бетонную смесь, образующую рас­ творы типа рассматриваемых в главе 7. Однако эти растворы требуют относительно длительного времени для выдерживания модели и даже незначительное изменение ее формы представля­ ет трудность.

Эти недостатки приводят к рассмотрению в качестве подходя­ щего материала для моделей гипса, так как продолжительность времени его схватывания всего лишь около 10 минут, а прочность быстро возрастает с течением времени. Так, некоторые виды гип­ сов достигают удовлетворительной прочности на сжатие в пре­ делах часа с момента отливки.

К тому же гипс легко обрабатывается после затвердевания, что без особых затруднений позволяет изменять форму модели.

Основным недостатком использования для моделей гипса без добавок является его относительно высокая прочность на растя­

бавок.

Смесь гипса с добавкой диатомитовой земли рассматривает­ ся в разделе 8.6.

Кривая напряжение-деформация при сжатии для гипса во влажном состоянии по форме подобна кривой для бетона с не­ большим отклонением от линейного упругого режима при не­ больших напряжениях.

Однако для гипса в сухом состоянии соответствующая кривая напряжение-деформация практически линейна вплоть до разру­ шения, что свидетельствует о большой хрупкости материала.

Используя эти оба свойства в качестве основы, можно реко­ мендовать применение чистых гипсов или с примесями как для упругих испытаний при относительно небольших нагрузках (неармированные модели), так и для испытаний до разрушения (как армированные, так и неармнрованные модели).