Выгибающее или сжимающее действие мембраны в железобетонных плитах

Мембранное действие выгибания или сжатия (CMA) в железобетонных плитах возникает в результате большой разницы между на растяжение и сжатие прочностью бетона . Растрескивание бетона вызывает миграцию нейтральной оси, сопровождающуюся расширением плиты в плоскости по ее границам. Если эту естественную тенденцию к расширению сдерживать, развитие сводящего действия увеличивает прочность плиты. Термин «выгибание» обычно используется для описания явления выгибания в односторонних перекрытиях, а действие сжимающей мембраны обычно используется для описания явления выгибания в двусторонних перекрытиях.
Фон
[ редактировать ]
Эффект повышения прочности арочного действия в железобетонных перекрытиях был впервые обнаружен в начале прошлого века. [1] Однако так продолжалось до полномасштабных испытаний на разрушающую нагрузку, проведенных Оклстоном. [2] [3] в Старой стоматологической больнице в Йоханнесбурге действительно оценили степень увеличения силы, вызванную выгибанием дуги. В этих испытаниях разрушающие нагрузки в 3–4 раза превышают прогнозируемые теорией линии текучести. [4] были получены.

Подходы к лечению выгибательного действия (CMA)
[ редактировать ]С 1950-х годов было предпринято несколько попыток разработать теории выгибания как одно-, так и двусторонних плит. [5] [6] [7] Один из основных подходов к мембранному действию заключался в том, что благодаря Парку [8] который использовался в качестве основы для многих исследований изгиба плит. Подход Парка был основан на теории жесткой пластиковой пластины и требовал допущения о критическом отклонении половины глубины плиты при разрушении. Подход Пака позже был расширен компанией Park and Gamble. [9] в своем методе прогнозирования реакции пластической нагрузки и деформации латерально закрепленных плит.
В 1971 году Американский институт бетона [10] выпустил специальную публикацию, в которой были представлены новейшие на тот момент исследования по изгибающему и сжимающему действию мембран в железобетонных плитах.
Всесторонний обзор литературы и исследований как жесткопластических, так и упругопластических подходов к арочному изгибу был составлен Брэструпом. [11] и Брэструп и Морли. [12] Лахлу и Уолдрон [13] были одними из первых исследователей, добившихся определенного успеха в моделировании этого явления методом конечных элементов. В 1993 году Куанг и Морли [14] представил подход к пластичности, который включал влияние сжимающего действия мембраны на прочность на сдвиг бетонных плит с поперечной фиксацией.
Подход Соединенного Королевства к CMA при проектировании настила моста
[ редактировать ]В Соединенном Королевстве метод, разработанный Киркпатриком, Ранкином и Лонгом, [15] в 1984 г. и подтверждено испытаниями полномасштабного моста в 1986 г. [16] впервые привело к введению новых правил экономичного проектирования железобетонных балок и плит мостовых настилов в Северной Ирландии . [17] Позднее концепция и метод были включены Агентством автомобильных дорог Соединенного Королевства в британское руководство по проектированию дорог и мостов BD 81/02 «Использование сжимающей мембраны в мостовых настилах». [18] Использование этой методологии CMA обычно приводит к существенной экономии армирования в плите балки и плитах мостового настила при условии соблюдения определенных ограничений и граничных условий.



Киркпатрик, Ранкин и Лонгс [15] Подход к прогнозированию повышенной прочности плит мостового настила на продавливание был основан на уравнении прогнозирования продавливания, полученном Лонгом. [20] для режима сдвига разрушения при продавливании в сочетании с эффективным коэффициентом армирования, который представляет собой усиление силы выгибания. Эффективный коэффициент армирования определялся по максимальному моменту сопротивления арки в жестко закрепленной бетонной плите, который Рэнкин [21] для бетонных плит с боковым закреплением был взят из работы Макдауэлла, Макки и Севина. [22] Теория деформации арочного действия для каменных стен. Для расчета максимального изгибающего момента сопротивления бетонных плит пролетного строения моста, закрепленных в поперечном направлении, использовалась формула Рэнкина. [21] идеализированный критерий упруго-пластического напряжения для бетона, действительный для бетонных цилиндров с прочностью не менее 70 Н/мм. 2 , который он вывел на основе данных Хогнестада, Хэнсона и МакГенри. [23] Коэффициенты предельного параболического напряжения для бетона.Экранизация книги Киркпатрика, Рэнкина и Лонга [15] метод прогнозирования прочности на продавливание для плит пролетного строения мостов, закрепленных в поперечном направлении, приведенный в BD 81/02, [18] резюмируется следующим образом:
Эквивалентная прочность цилиндра бетона, , определяется:
( Уравнение 1 ) |
Величина пластической деформации, , идеализированного упругопластического бетона определяется выражением:
( Уравнение 2 ) |
Безразмерный параметр, , для изгибающего момента сопротивления определяется выражением:
( Уравнение 3 ) |
Чтобы рассматривать плиту как ограниченную, должно быть меньше 0,26. Если превышает 0,26, то плиту настила следует рассматривать как незакрепленную.
Безразмерный коэффициент изгибающего момента, , определяется:
( Уравнение 4 ) |
Эффективный коэффициент армирования, , определяется:
( Уравнение 5 ) |
Прогнозируемая предельная пробивная нагрузка для одного колеса, (N), определяется как:
( Уравнение 6 ) |
где:
- = средняя эффективная глубина растягиваемой арматуры (мм)
- = характеристическая прочность бетонного куба (Н/мм 2 )
- = общая глубина плиты (мм)
- = половина пролета полосы перекрытия с ограничителем (мм)
- = диаметр нагруженной зоны (мм)
- = частичный коэффициент запаса прочности
Дополнительные подробности о создании метода и о том, как действовать в ситуациях с нежестким боковым удержанием, даны Рэнкином. [21] и Рэнкин и Лонг. [24] Лонг и Рэнкин [25] утверждают, что концепции арочного или сжимающего действия мембраны в балочных и плитных настилах мостов также применимы к конструкциям из плоских плит и ячеистого железобетона, где также может быть достигнуто значительное повышение прочности по сравнению с прогнозами проектных норм.
Исследования изгибающего или сжимающего действия мембран продолжались на протяжении многих лет в Королевском университете в Белфасте благодаря работе Niblock, [26] [27] который исследовал влияние CMA на равномерно нагруженные плиты с поперечной фиксацией; Коньки, [28] который исследовал CMA в ячеистых бетонных конструкциях; Раддл, [29] [30] который исследовал выгибание прямоугольных и тавровых балок с боковым защемлением ; Пил-Кросс, [31] который исследовал CMA в строительстве композитных плит перекрытия; Тейлор [32] [33] [34] который исследовал CMA в высокопрочных бетонных плитах мостового настила, и Шаат [35] который исследовал CMA с использованием методов анализа конечных элементов (FEA). Полное руководство по действию сжимающих мембран в бетонных настилах мостов было составлено Тейлором, Ранкином и Клеландом в 2002 году. [36]
Североамериканский подход к CMA при проектировании пролетов мостов
[ редактировать ]В Северной Америке был принят более прагматичный подход, и исследования действия сжимающих мембран в первую очередь возникли благодаря работе Хьюитта и Бэтчелора. [37] и Бэтчелор и Тиссингтон [38] в 1970-е годы. Они провели обширную серию полевых испытаний, которые привели к введению эмпирического метода проектирования в Правила проектирования автомобильных мостов Онтарио в 1979 году. [39] Для этого требовалось минимальное изотропное армирование (0,3%) в плитах настила моста при условии соблюдения определенных граничных условий. В 1990-х годах Муфтий и др. [40] расширил это исследование и показал, что значительное повышение долговечности плит с поперечной фиксацией может быть достигнуто за счет использования плит настила, армированных волокном, без стальной арматуры. Позже Муфтий и Ньюхук [41] адаптировал книгу Хьюитта и Бэтчелора [37] Модель для разработки метода оценки предельной несущей способности плит перекрытия, армированных фиброволокном, с использованием внешних стальных лент для обеспечения бокового закрепления.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Вестергаард, Х.М. и Слейтер, В.А., «Моменты и напряжения в плитах», Труды Американского института бетона, 1921, Vol. 17, стр. 415–538.
- ^ Оклстон, А.Дж., «Испытания нагрузки трехэтажного здания в Йоханнесбурге», Инженер-строитель, 1955, Vol. 33, октябрь, стр. 304–322.
- ^ Оклстон, А.Дж., «Арочное действие в железобетонных плитах», Инженер-строитель, 1958, Том. 36, № 6, стр. 197–201.
- ^ Йохансен, К.В., «Brudlinieteorier», июль Гьеллерупс Форлаг, Копенгаген, 1943, 191 стр. (Теория предела текучести», перевод Ассоциации цемента и бетона, Лондон, 1962).
- ^ Вуд, Р.Х., «Пластическая и упругая конструкция плит и пластин», Темза и Гудзон, Лондон, 1961.
- ^ Кристиансен, К.П., «Влияние мембранных напряжений на предел прочности внутренней панели железобетонной плиты», The Structural Engineer, 1963, Vol. 41, № 8, стр. 261–265.
- ^ Лейбенберг, AC, «Действие арки в бетонных плитах», Бюллетень Национального института строительных исследований, 1966, № 40. Отчет об исследовании CSIR № 234, Претория, Южная Африка.
- ^ Парк, Р., «Предельная прочность прямоугольных бетонных плит при кратковременной равномерной нагрузке с краями, удерживающимися от бокового смещения», Proceedings Instn. Гражданский. Engrs, Том 28, июнь 1964 г., стр. 125–150.
- ^ Парк, Р. и Гэмбл, У.Л., «Железобетонные плиты», Wiley Interscience, Нью-Йорк, 1980, стр. 562–612.
- ^ Американский институт бетона, «Растрескивание, прогиб и предельная нагрузка систем бетонных плит», SP-30, Детройт, 1971, 382 стр.
- ^ Брэструп, М.В., «Эффект купола в железобетонных плитах: жесткопластический анализ», J. Struct. Отделение, Proc Am. Соц. Гражданский. Энгрс, 1980, Том 106, № СТ6, стр. 1237–1253.
- ^ Брэструп, М.В. и Морли, Коннектикут, «Эффект купола в железобетонных плитах: упругопластический анализ», J. Struct. Отделение, Proc Am. Соц. Гражданский. Энгрс, 1980, Том 106, № СТ6, стр. 1255–1262.
- ^ Лахлу, Э.Х. и Уолдрон, П., «Мембранное действие в односторонних пластинчатых полосах», Proc. Инстн. Гражданский. Engrs, Structs & Bldgs, 1992, том 94, ноябрь, стр. 419–428.
- ^ Куанг, Дж. С. и Морли, Коннектикут, «Модель пластичности для продавливания бетонных плит с боковым удержанием и действием сжимающей мембраны», International Journal of Science, Vol. 35, № 5, 1993, стр. 371–385.
- ^ Перейти обратно: а б с Киркпатрик Дж., Рэнкин Г.И.Б. и Лонг А.Е., «Оценка прочности плит настила моста с М-образными балками», The Structural Engineer, Vol. 62B, № 3, сентябрь 1984 г., стр. 60–68.
- ^ Киркпатрик Дж., Рэнкин ГИБ и Лонг А.Э., «Влияние действия сжимающей мембраны на работоспособность балочных и плитных мостовых настилов», The Structural Engineer, Vol. 64B, № 1, март 1986 г., стр. 6–9 и 12.
- ^ Департамент окружающей среды, Северная Ирландия, «Проектирование настилов мостов с М-образными балками», Поправка № 3 к Кодексу проектирования мостов, Штаб-квартира дорожной службы Северной Ирландии, март 1986 г., 11.1–11.5.
- ^ Перейти обратно: а б Агентство автомобильных дорог Соединенного Королевства, «Использование сжимающего мембранного действия в настилах мостов», Руководство по проектированию дорог и мостов, Том. 3, раздел 4, часть 20, БД 81/02, 2002 г.
- ^ Перейти обратно: а б Киркпатрик, Дж., «Аналитическое поле и модельное исследование мостовых настилов с М-образными балками», докторская диссертация, факультет гражданского строительства, Королевский университет Белфаста, 1982, 330 стр.
- ^ Лонг, А.Е., «Двухэтапный подход к прогнозированию прочности плит на продавливание», Журнал Американского института бетона, Труды, Том 72, № 2, февраль 1975 г., стр. 37–45.
- ^ Перейти обратно: а б с Рэнкин, ГИБ, «Разрушение при продавливании и сжимающее действие мембраны в железобетонных плитах», докторская диссертация, факультет гражданского строительства, Королевский университет Белфаста, 1982, 334 стр.
- ^ Макдауэлл. Э.Л., Макки, К.Е. и Севин. E. «Теория арочного действия каменных стен», Журнал структурного отдела, Труды, Американское общество инженеров-строителей, 1956, 82, № ST2, 915-1–915-18.
- ^ Хогнестад, Э., Хэнсон, Н.В. и МакГенри, Д., «Распределение напряжений в бетоне при расчете предельной прочности», Журнал Американского института бетона, Труды, Том 52, № 6, декабрь 1955 г., стр. 455–479.
- ^ Рэнкин, ГИБ и Лонг, А.Е. (1997), «Повышение прочности при выгибании в полосах плит с боковым удержанием», Proc. Инстн. Гражданский. Engrs Structs & Bldgs, 122, ноябрь, стр. 461–467.
- ^ Лонг, А.Е. и Рэнкин, ГИБ, «Реальная прочность и надежность железобетонных конструкций», Материалы конференции по сохранению инженерных конструкций, Институт инженеров-строителей / Королевский институт британских архитекторов, 1989, стр. 47–58.
- ^ Ниблок, Р., «Действие мембраны на сжатие и предельная несущая способность равномерно нагруженных железобетонных плит», докторская диссертация, Королевский университет Белфаста, 1986.
- ^ Рэнкин, ГИБ, Ниблок, Р.А., Скейтс, А.С. и Лонг, А.Е., «Повышение прочности мембраны на сжатие в равномерно нагруженных, латерально закрепленных плитах», The Structural Engineer, Том 69, № 16, 20 августа 1991 г., стр. 287– 295.
- ^ Скейтс, А.С., Разработка метода проектирования систем закрепленных бетонных плит, подвергающихся концентрированным и равномерным нагрузкам, докторская диссертация, Королевский университет Белфаста, 1987.
- ^ Раддл, Мэн, «Арочное действие и предельная несущая способность железобетонных балок», докторская диссертация, Королевский университет Белфаста, февраль 1989 г.
- ^ Раддл М.Е., Рэнкин Г.И.Б. и Лонг А.Е., «Повышение прочности на изгиб и сдвиг в прямоугольных и тавровых балках», Труды Института инженеров-строителей, журнал «Строки и здания», 156, выпуск 1, февраль 2003 г., стр. 63– 74.
- ^ Пил-Кросс, Р.Дж., Рэнкин, ГИБ, Гилберт, С.Г. и Лонг, А.Е., «Действие сжимающей мембраны в композитных плитах перекрытия в Cardington LBTF», Труды Института инженеров-строителей, журнал «Строки и здания», 146, выпуск 2 , май 2001 г., стр. 217–226.
- ^ Тейлор, SE, «Действие сжимающей мембраны в высокопрочных бетонных плитах мостового настила», докторская диссертация, Королевский университет Белфаста, январь 2000 г.
- ^ Тейлор, С.Э., Рэнкин, ГИБ и Клеланд, DJ, (2001) «Арочное действие в высокопрочных бетонных плитах», Труды Института инженеров-строителей, конструкций и зданий, Том 146, выпуск 4, ноябрь 2001 г., стр. 353 –362
- ^ Тейлор С.Э., Рэнкин Б., Клеланд Д.Д. и Киркпатрик Дж., «Эксплуатационная надежность плит мостового настила с выгибанием», Структурный журнал Американского института бетона, Vol. 104, № 1, январь – февраль 2007 г., стр. 39–48.
- ^ Шаат, AJS, «Реальная прочность железобетонных плит с боковым удержанием», докторская диссертация, Королевский университет Белфаста, 2005 г.
- ^ Тейлор, С.Э., Рэнкин, ГИБ и Клеланд, DJ, «Руководство по действию сжимающей мембраны в бетонных настилах мостов», Технический документ 3, Concrete Bridge Development Group, Камберли, Суррей, 2002, 46 стр.
- ^ Перейти обратно: а б Хьюитт, Б.Е. и Бэтчелор, Б. де В., «Сопротивление продавливанию закрепленных плит», J. Struct. отд., учеб. ASCE, Том. 101, № ST9, сентябрь 1975 г., стр 1837–1853.
- ^ Бэтчелор, Б. де В. и Тиссингтон, И. Р., «Прочность на сдвиг двусторонних мостовых плит», J. Struct. отд., учеб. ASCE, Том. 102, № ST12, декабрь 1976 г., стр. 2315–2331.
- ^ Министерство транспорта и связи Онтарио, «Правила проектирования автомобильных мостов Онтарио», 1979, Торонто, Онтарио, Канада.
- ^ Муфтий А.А., Джагер Л.Г., Бахт Б. и Вегнер Л.Д., «Экспериментальное исследование фибробетонных плит настила без внутренней стальной арматуры», Canadian Journal of Civil Engineering, 1993, Vol. 20, № 3, стр. 398–406.
- ^ Муфтий, А.А. и Ньюхук, Дж.П., «Сопротивление продавливанию закрепленных плит мостового настила», ACI Structures Journal, 1998, 8 (3), стр. 375–381.