DETERMINATION OF LATERAL PRESSURE OF LIGHT CONCRETE MIX LAID IN THE FORMWORK ACCORDING WITH EXISTING TECHNIQUES AND INSTALLATION PROCESS MODELING FROM THE POSITION OF OPERATIONAL IMPACTS

Full Text

Боковое давление бетонной смеси на вертикальную поверхность опалубки является основополагающим параметром при выборе опалубочной системы [1-6]. Существует большое количество методик по исследованию бокового давления легкобетонной смеси на опалубку, которые с разных позиций определяют влияние бокового давления с использованием различных критериев воздействия, при этом общепризнанные методики по данному вопросу отсутствуют. В основном давление на опалубку по существующим методикам определяется в зависимости от скорости бетонирования конструкции. В настоящее время за рубежом и в России применяют следующие методики. В Германии используют методику DIN 18218, которая определяет максимальное давление бетонной смеси на опалубку как гидростатическое. Определение давления бетона по диаграммам DIN 18218 действительно в довольно узких условиях [7]: - объёмный вес бетонной смеси 25 кН/м2; - конец схватывания бетона через 5 ч; - температура свежего бетона +15 °С; - уплотнение глубинными вибраторами; - плотная опалубка. Методика CIRIA-REPORT 108 (Великобритания) имеет область применения независимо от консистенции, при этом 5 °С < T < 30 °С [7]. Для коэффициента добавок С2 < 1,0 значение коэффициента температуры Кτ < 1,0 (без ограничений для снижения давления бетона при использовании бетонных наполнителей и температуры свежего бетона +15 °С). Тогда Рmax < 90 кН/м2 для стен. Кроме того, данная методика может применяться независимо от высоты бетонирования. 15 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 Г.Н. Рязанова, А.Ю. Прокопьева Расчёты по методике CIB-FIB-CEB (Франция) [7] учитывают следующие факторы влияния: - высоту бетонирования; - толщину стен d (в мм); - вертикальную скорость свежеприготовленной бетонной смеси; - величину осадки (в мм) по норме Р18-305; - температуру свежеприготовленной бетонной смеси. В методике ACI 347R (США) для расчёта давления свежеприготовленной бетонной смеси различают формы поперечного сечения и диапазоны скорости бетонирования. При этом учитываются: - форма поперечного сечения; - вертикальная скорость; - температура свежеприготовленной бетонной смеси; - высота бетонирования. В качестве предельных значений давления для стен установлены следующие: Рmin=28,74 кН/м2; Рmах=95,8 кН/м2 или Рmах=93,5·h кН/м2. За основу принимается меньшее значение. В России до выхода в свет СНиП III-15-76 зависимость по определению бокового давления бетонной смеси имела вид: при уплотнении бетонной смеси глубинными вибраторами: P=γ·h при h<R, V<0,75 м/ч; Рmax= γ·(0,27V+0,78)·K1·K2 при h>1 м, V>0,5 м/ч, (1) где γ - плотность бетонной смеси, кг/м3; h - высота свежеуложенного слоя бетонной смеси, оказывающего давление на опалубку, м; R - радиус действия глубинного вибратора, м; K1 - коэффициент, учитывающий подвижность бетонной смеси (принимается равным 0,8 для жесткой и малоподвижной смеси с осадкой конуса 0-2 см; 1 - для смесей с осадкой конуса 4-6 см; 1, 2 - для смесей с осадкой конуса 8-12 см); K2 - коэффициент, зависящий от температуры укладываемой бетонной смеси (принимается равным 1,15 для смесей с температурой 5-7 °С; 1 - для смесей с температурой 12-17 °С; 0,85 - для смесей с температурой 28-32 °С; для промежуточных температур значения коэффициента K2 следует принимать по большей величине); при уплотнении бетонной смеси наружными вибраторами: P=γ·h при h<2R1, V<4,5 м/ч; Рmax= γ·(0,27V+0,78)·K1·K2 при h>2 м, V>4,5 м/ч, (2) где R1 - радиус действия наружного вибратора, м. Во всех случаях давление бетонной смеси рекомендуется ограничивать гидростатическим давлением, приближая свойства виброуплотняемой бетонной смеси к свойствам тяжёлой жидкости с соответствующими значениями плотности. Распределение бокового давления по высоте опалубки может быть принято по аналогии с эпюрами гидростатического давления, которые приведены на рис. 1. Такая эпюра удобна для расчётов, хотя даёт несколько завышенные значения Рmax. Результирующая нагрузка равна площади треугольной эпюры и рассчитывается по формуле (3) Фактическое распределение бокового давления определяется в нижней части эпюры криволинейным участком (рис. 1, а). Высота hmax (рис. 1, в), на которой боковое давление имеет наибольшее значение, зависит от скорости бетонирования и быстроты схватывания бетона. Для бетонов на ординарных цементах (портландцемент, шлакопортландцемент и др.) значение , а Р=(0,4-0,5)Рmax. Для удобства использования в практических расчётах такая эпюра заменяется трапециевидной соответствующей площади. При невысоких скоростях бетонирования в нижней части несъёмной опалубки появляются силы сцепления с бетоном конструкции, которые направлены противоположно боковому давлению. С учётом сцепления в нижней части опалубки эпюра бокового давления приобретает вид, показанный на рис. 2. Рис. 1. Распределение давления бетонной смеси по высоте опалубки: а - эпюра давления теоретическая; б - то же упрощенная расчётная; в - то же треугольная расчётная Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 16 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ При этом горизонтальная нагрузка равна 0, если сцепление равно боковому давлению Рбок. Кроме бокового давления бетонной смеси (статической составляющей нагрузки), необходимо учитывать: - динамические воздействия на опалубку от сбрасывания смеси Рдин; - нагрузки от вибрирования бетонной смеси Рвиб. В табл. 1 приведена зависимость горизонтальных динамических нагрузок на вертикальную опалубку от способа подачи бетонной смеси. Расчётную горизонтальную нагрузку следует определять по формуле (4) где - нормативная (i-я горизонтальная нагрузка, Па); Ki- коэффициент перегрузки, значения которого приведены в табл. 2. Действующий в настоящее время СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции» регламентирует нагрузки для расчётов опалубок монолитных конструкций как для наружного, так и для внутреннего вибрационного способа уплотнения. Расчётной формулой для определения максимального бокового давления возможно пользоваться только в узком диапазоне бетонных смесей, в частности СП не оговаривает расчёт нагрузок на опалубку от лёгкой бетонной смеси. В целях упрощения расчётов в последней редакции СП распределение бокового давления бетонной смеси по высоте принято по аналогии с гидростатическим давлением - по треугольной эпюре, без учёта сил трения бетонной смеси об опалубку и толщины бетонируемой конструкции, а также других технологических факторов [8, 9]. Б.Г. Гусев [10], И.С. Файвусович, анализируя опытные данные, доказывают, что необходимо применять уравнения Флорина-Био. Как известно, указанная теория основана на следующих предпосылках: поровая жидкость - сжимаемая, минеральная часть твердой фазы вместе с водно-коллоидными связями (скелетом) подчиняется уравнениям линейной упругости. Объёмные изменения такой среды пропорциональны среднему давлению, а деформации сдвига - сдвигающим напряжениям. Взаимодействие фаз представлено воздействием поровой жидкости на скелет в виде объёмных или массовых сил. Закономерность изменения соотношения фаз Рис. 2. Боковое давление бетонной смеси с учётом сцепления бетона с опалубкой: а - при двухслойном варианте бетонирования; б - при трёхслойном варианте бетонирования Таблица 1 Динамические нагрузки на вертикальную опалубку Способ подачи Нагрузка, Па Спуск по лоткам и хоботам, а также подача непосредственно из бетонопроводов 4000 Выгрузка из бадей объёмом 0,2-0,8 м3 4000 Выгрузка из бадей объёмом 0,8 м3 6000 Таблица 2 Значения коэффициента перегрузки Нагрузка Коэффициент перегрузки Ветровая 1,2 От бокового давления бетонной смеси и от сотрясений при выгрузке бетонной смеси 1,3 17 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 Г.Н. Рязанова, А.Ю. Прокопьева Н.П. Блещик [14] считает, что в первый момент давление воспринимается только водой, находящейся в порах, при этом появляется дополнительный, по сравнению с гидростатическим, напор, который принимают за дополнительное давление поровой воды и называют поровым давлением. Таким образом, была сформулирована теория порового давления, согласно которой давление в скелете грунта - эффективное, давление в воде - поровое (или нейтральное), а их сумма - тотальное давление. По мнению автора, напряжённое состояние во время разрушения грунта, а также возможность изменения его объёма зависят только от эффективных напряжений. При проведении экспериментов по определению бокового давления бетонной смеси было замечено, что фактическое значение давления бетонной смеси несколько ниже расчётного [11, 12]. Характер изменения давления менялся в зависимости от применяемых материалов опалубки, как показано на рис. 3. Уменьшение давления бетонной смеси на опалубку авторы объясняют влиянием сил трения, возникающих между опалубкой и бетонной смесью, и образованием в связи с небольшой толщиной стены сводов в бетонной смеси. В результате значительная часть нагрузки от бетонной смеси передаётся на опалубку как вертикальная составляющая. К аналогичному выводу приходит С.М. Анпилов [7] и предлагает помимо горизонтальной нагрузки на опалубку рассчитывать вертикальную нагрузку, используя зависимость Нв=Nr·Hэ·Lэ·Кт, (6) где Nr - средняя динамическая или статическая нагрузка, действующая на элемент опалубки, Н; Hэ - высота опалубки, м; Lэ - длина палубы опалубки, м; в единице объёма определяется, как в теории Терцаги-Герсеванова [11, 12], законом фильтрации воды через пористый скелет и условиями неразрывности твердой и жидкой фаз. Приходят к выводу, что при укладке бетона литьевой консистенции слоями равной толщины и интервалом времени, пренебрегая изменениями давления по координатам и учитывая только изменение давления по времени, возможно применить метод суммирования. В.М. Сивко отмечает [13], что коэффициент бокового распора растёт с увеличением плотности бетонной смеси и равен 0,2-0,5. Величина коэффициента не зависит от колебаний рабочего органа вибратора. Коэффициент возрастает при увеличении В/Ц отношения, например, для В/Ц=0,42 коэффициент k=0,8-1, т.е. смесь приближается к гидростатической среде. Осевые напряжения по ширине изделия выражены параболой, максимальной в середине формы, у стенок несколько меньше, что автор объясняет влиянием трения смеси о стенки опалубки. В общем случае по своему строению и концентрации дисперсной фазы бетонной смеси идентичны, по мнению Н.П. Блещика [14], связным, особенно водонасыщенным малопрочным грунтам. Поэтому логично рассмотреть используемые в механике грунтов методы оценки физико-механических свойств и уравнения состояния при сдвиге с точки зрения применения их к бетонным смесям. Понятие о двух видах давления в грунтах - в скелете и воде - предложено Терцаги [13] в 1925 г. и описывается уравнением Р=Ргр+Рв, (5) где Р - общее давление в пределах рассматриваемого сечения; Ргр, Рв - давление, воспринимаемое соответственно скелетом грунта и водой. Рис. 3. Характер изменения давления бетонной смеси в зависимости от материала опалубок (по данным И.Г. Совалова, В.Д. Топчий [15]) Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 4 18 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 4. Расчётная схема определения бокового давления в несъёмной опалубке Кт - коэффициент трения бетонной смеси о воспринимающую поверхность опалубки. Американский институт бетона на основе 350 проведенных опытов предлагает величину бокового давления бетонной литьевой консистенции рассчитывать по зависимости Р=W·h, (7) где Р - боковое давление бетонной смеси; W - удельная масса бетона; h - высота слоя жидкости или бетонной массы. Анализ технологических факторов, влияющих на величину бокового давления, исследуется во всех вышеперечисленных методиках. Основными факторами, влияющими на величину бокового давления бетонной смеси на опалубку, А.А. Афанасьев [16] считает: - плотность бетона, толщину слоя, укладываемого за один приём; - структурно-технологические свойства бетона (подвижность, коэффициент раздвижки зёрен крупного заполнителя, плотность заполнителя, водопотребность и водоотдача, сроки схватывания и качество цемента, температурно-влажностный режим твердения); - способ уплотнения бетона, режим виброуплотнения бетона (А; W - амплитуда и частота вибровоздействия), параметры давления при вибронагнетании; - положение вибромеханизма относительно опалубочной системы (глубинное, поверхностное, навесное положение вибратора); - режим загрузки смеси (мелкими порциями, непрерывно, послойно или большими порциями локально), силы трения между опалубкой и свежим бетоном. При разработке DIN 18218 восемнадцать факторов, влияющих на боковое давление бетонной смеси, были классифицированы по степени важности в три группы: 1 - скорость бетонирования, объёмный вес бетона, вид уплотнения, толщина вибрируемого слоя, консистенция бетонной смеси, температура свежего бетона; 2 - время твердения, добавки к бетону, поровое давление, продолжительность вибрации, конструкция опалубки и её жёсткость; 3 - способ укладки бетона, вид и крупность заполнителя, вид и количество цемента, толщина слоя бетонирования, насыщенность конструкции арматурой. Моделирование эксплуатационных воздействий легкобетонной смеси в процессе укладки в опалубку может быть осуществлено расчётно-экспериментальным путём [17]. Для этого предлагается следующая расчётная схема определения бокового давления, представленная на рис. 4. Вывод. В результате экспериментальных исследований и моделирования условий эксплуатации можно получить значение воздействия послойно уложенной легкобетонной смеси определённого состава на стенки опалубки.

About the authors

Galina N. RYAZANOVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anastasia Yu. PROKOPYEVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files