Вплив режиму навантаження і тривалого витримування під навантаженням на несучу здатність сталебетонних балок

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВПЛИВ РЕЖИМУ НАВАНТАЖЕННЯ І ТРИВАЛОГО ВИТРИМУВАННЯ ПІД НАВАНТАЖЕННЯМ НА НЕСУЧУ ЗДАТНІСТЬ СТАЛЕБЕТОННИХ БАЛОК

05.23.01. Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АМЕТОВ ЮРІЙ ГРИГОРОВИЧ

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій

Державного комітету України з будівництва та архітектури

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Голишев Олександр Борисович, головний науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Стороженко Леонід Іванович, професор Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Голоднов Олександр Іванович, провідний науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра залізобетонних та кам'яних конструкцій.

Захист відбудеться “16” XII 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01. у Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій, м. Київ, вул. І. Клименка, 5/2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: м. Київ, вул. І. Клименка, 5/2.

Автореферат розісланий “11” XI 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Ю.С. Слюсаренко

АНОТАЦІЯ

Аметов Ю.Г. Вплив режиму навантаження і тривалого витримування під навантаженням на несучу здатність сталебетонних балок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди.

Дисертація присвячена розробці теоретично обгрунтованого й експериментально перевіреного аналітичного апарату із розрахунку міцності нормальних перерізів сталебетонних згинаних конструкцій при короткотерміновій дії навантаження та довантаження після тривалої витримки під навантаженням. Сформульовані й обгрунтовані вихідні передумови розрахунку, на основі яких розроблено розрахунковий апарат для оцінки міцності нормальних перерізів сталебетонних згинаних конструкцій при короткотерміновому навантаженні і довантажуванні після тривалого витримування під навантаженням. Для усіх стадій роботи сталебетонних згинаних конструкцій розроблено алгоритм розрахунку. Проведено експериментальні дослідження впливу характеру дії навантаження на несучу здатність сталебетонних балок. Виконано експериментальну оцінку впливу геометрії перетину та тривалості випробувань на граничні деформації крайніх стиснутих волокон бетону сталебетонних балок. Складено рекомендації для визначення розрахункових значень міцнісних і деформаційних характеристик матеріалів, які використовуються у розрахунковому апараті. Результати роботи знайшли застосування при проектуванні сталебетонного перекриття машинованого цеху склотарного заводу “Восток-Стекло“ у м. Семіпалатінськ (Казахстан) та рекон-струкції аналогічних цехів ряду заводів в Україні та Молдові.

Ключові слова: сталебетонні балки, режими навантаження, тривале витримування під навантаженням, довантаження, несуча здатність, граничні деформації.

аннотация

Аметов Ю.Г. Влияние режима нагружения и длительного выдерживания под нагрузкой на несущую способность сталебетонных балок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технческих наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения.

Диссертация посвящена разработке теоретически обоснованного и экспериментально проверенного аналитического аппарата по расчету прочности сталебетонных изгибаемых конструкций при кратковременном действии нагрузки и догружении после длительного выдерживания под нагрузкой.

Выполнен анализ экспериментальных и теоретических работ, в которых показано, что характер приложения нагрузки существенно влияет на свойства бетона и несущую способность сжатых и изгибаемых железобетонных конструкций. Рассмотрены существующие методы расчета несущей способности сталежелезобетонных конструкций.

Сформулированы и обоснованы основные исходные предпосылки расчета, на основе которых разработан расчетный аппарат для оценки прочности нормальных сечений сталебетонных изгибаемых конструкций при кратковременном нагружении и догружаемых после длительного выдерживания под нагрузкой. Показано, что аналитический аппарат для расчета прочности догружаемых сталебетонных элементов может быть (с определенной корректировкой) использован и для расчета железобетонных элементов. Аналитически выявлены особенности деформирования сталебетонных конструкций на подходе к разрушению; уточнен критерий исчерпания несущей способности сталебетонных конструкций. Выполнено сопоставление опытной прочности железобетонных изгибаемых элементов, догружаемых после выдерживания под нагрузкой, с теоретической, вычисленной по предлагаемой методике, свидетельствующей о перспективности полученных теоретических решений.

Экспериментально установлено, что влияние характера и длительности кратковременного ступенчатого нагружения на прочность бетона и несущую способность сталебетонных балок не-значительно и соизмеримо с величиной статистического разброса опытных данных. Предельные деформации при кратковременном нагружении практически не зависят от геометрии составных сечений, а являются константой материала. Опыты показали, что характер распределения продольных деформаций по высоте сечений сталебетонных балок, на всех стадиях напряженно-деформированного состояния, близок к линейному. Предварительное выдерживание под нагруз-кой повышает несущую способность сталебетонных балок при последующем их догружении. Причем, с увеличением уровня предварительного нагружения (в исследованном диапазоне его изменения), несущая способность балок увеличивается. При этом, при одинаковой интенсивности длительной нагрузки, несущая способность выше у образцов, находившихся под нагрузкой более длительное время. Анализ экспериментальных данных показал, что причиной повышения несущей способности догружаемых сталебетонных балок является совместное воздействие таких факторов, как увеличение прочности предварительно обжатого бетона и перераспределение напряжений ме-жду бетоном и стальной балкой.

Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований показала, что предлагаемая методика расчета достаточно достоверно оценивает несущую способность сталебетонных балок как при кратковременном действии нагрузки, так и при догружении после длительного выдерживания под нагрузкой.Численный анализ, выполненный с привлечением предлагаемой методики, показывает, что существует граничный уровень нагружения, превышение которого ведет к снижению несущей способности сталебетонных балок при догружении. Даны рекомендации по определению расчетных значений прочностных и деформативных характеристик материалов, используемых в расчетном аппарате. Результаты работы нашли применение при проектировании сталебетонного перекрытия машино-ванного цеха стеклотарного завода “Восток-Стекло“ в г.Семипалатинске (Казахстан) и реконструкции аналогичных цехов ряда заводов в Украине и Молдове.

Ключевые слова: сталебетонные балки, режимы нагружения, длительное выдерживание под нагрузкой, догружение, несущая способность, предельные деформации.

summary

Ametov Yu.G. Impact of loading regime and continuous keeping under loading on bearing capacity of reinforced concrete beams - Copy.

Paper for getting scientific degree of candidate of technical science by profession 05.23.01 - building structures, buildings and structures.

Paper is devoted to the development of analytical device, which is theoretically reasonable and experimentally tested taking into account the strength of reinforced concrete flexible structures at short-term loading performance and additional loading after continuous staying under loading. Input calculation conditions are stated and grounded, based on which the calculation device for evaluation of strength of standard crossings of reinforced concrete flexible structures at short-term loading and additional loading after continuous staying under loading is developed. For all operation stages of reinforced concrete flexible structures the algorithm of calculation is developed. Experimental investigations of loading character impact on bearing capacity of reinforced concrete beams is performed. Experimental evaluation of impact of crossing geometry and testing duration on boundary strains of edge compressed fiber of concrete in reinforced concrete beams is performed. Recommendations for determination of calculated values of strength and strain material properties, which are used in calculation device, are made. Work results were applied at design of reinforced concrete floor of machine shop of glass receptacle plant “Vostok-Steklo“ in Syomipalatynsk city (Kazakhstan) and at reconstructions of analogical shops of a number of plants in Ukraine and Moldova as well.

Key words: reinforced concrete beams, loading regime, continuous staying under loading, additional loading, bearing capacity, boundary strain.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з істотних резервів розвитку будівництва в нашій країні є більш повне й ефективне використання будівельних матеріалів, створення нових економічних і довговічних конструкцій, а також розробка способів посилення існуючих конструкцій при реконструкції діючих підприємств.

Широке застосування в промисловому, транспортному, сільськогосподарському, цивільному будівництві одержали складені (збірно-монолитні і сталезалізобетонні) конструкції. Основною метою сполучення збірного залізобетону з монолітним, сталевих конструкцій із залізобетонними є досягнення більш високих техніко-економічних показників споруд за рахунок використання переваг кожного з компонентів складених конструкцій. Сталезалізобетонні конструкції, відрізняючись від сталевих меншою витратою металу (економія досягає 20-40%), у порівнянні з залізобетонними мають у 1,5...2,5 рази меншу масу.

Незважаючи на очевидну економічну доцільність застосування складених конструкцій при вирішенні цілого ряді практично важливих задач, широке застосування їх стримується рядом факторів. Такими факторами є недостатня вивченість впливу режиму навантаження і тривалого витримування під навантаженням на несучу здатність складених конструкцій, і в першу чергу сталебетонних. Рішення зазначених питань дуже важливе як при проектуванні нових конструкцій, так і при розробці способів посилення існуючих.

Вивчення питання впливу фактора часу прямо зв'язане з проблемами реконструкції існуючих будинків і споруд, коли необхідно з'ясувати, який є залишковий ресурс конструкції і чи необхідно виконувати заходи щодо її посилення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у складі бюджетної теми: “Розвиток методів розрахунку залізобетонних стержневих систем з урахуванням тривалих процесів, сучасних вимог надійності і довговічності” (№ держреєстрації 0195 U 024236).

Мета роботи - розробити теоретично обґрунтований й експериментально перевірений аналітичний апарат з розрахунку міцності нормальних перерізів згинаних сталебетонних конструкцій при короткочасній дії навантаження і довантаженні після тривалого витримування під навантаженням.

Задачі роботи:

експериментально дослідити вплив режимів короткочасного навантаження, а також тривалого витримування під навантаженням на несучу здатність згинаних сталебетонних балок при довантаженні короткочасним навантаженням;

експериментально дослідити вплив геометрії перетинів на несучу здатність згинаних сталебетонних балок;

на основі аналізу теоретичних і експериментальних даних сформульовати основні вихідні передумови і розробити аналітичний апарат для розрахунку міцності нормальних перерізів згинаних сталебетонних конструкцій при короткочасній і тривалої дії навантаження (при довантаженні після витримування під навантаженням);

виконати оцінку точності та надійності запропонованої методики розрахунку.

Об'єкт дослідження. Сталебетонні згинані балки різних форм нормального перерізу при короткочасній і тривалої дії навантаження.

Метод досліджень є експериментально-теоретичним. Він складався з підбору, вивченню й аналізу літературних джерел, на основі якого формулюється мета і задачі роботи; виконання теоретичних і експериментальних досліджень впливу режиму короткочасного навантаження і тривалого витримування під навантаженням на несучу здатність згинаних сталебетонних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

вперше на основі виконаних експериментальних і теоретичних досліджень отримано закономірності впливу режиму короткочасного навантаження і тривалого попереднього витримування під навантаженням на несучу здатність згинаних сталебетонних конструкцій;

експериментально встановлено закономірності впливу геометрії перерізів і тривалості випробувань на несучу здатність і граничну деформацію стиснутих крайніх волокон бетону сталебетонних балок;

сформульовані й обґрунтовані основні вихідні передумови і на їхній основі розроблений розрахунковий апарат для визначення несучої здатності сталебетонних згинаних конструкцій з різною геометрією перерізу при короткочасному навантаженні, і таких, що довантажуються до руйнування після тривалого витримування під навантаженням.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонована методика розрахунку дозволяє більш правильно враховувати дійсну роботу сталебетонних конструкцій при розрахунку за граничними станами першої групи і, отже, підвищити їхню надійність і економічність. Зазначена методика і розроблені практичні рекомендації можуть бути широко використані при посиленні залізобетонних конструкцій будинків і споруд і розробці відповідних нормативних документів. Результати роботи знайшли застосування при проектуванні сталебетонного перекриття машино-ваного цеху склотарного заводу “Восток-Стекло” у м. Семіпалатінськ (Казахстан) та реконструкції аналогічних цехів ряду заводів в Україні та Молдові.

Особистий внесок здобувача складає: експериментальні дослідження впливу геометрії перерізу, режимів короткочасного навантаження і тривалого витримування під навантаженням на несучу здатність згинаних сталебетонних балок; експериментальні дослідження впливу перерахованих факторів на граничну деформацію стиску крайніх волокон бетону сталебетонних балок; розроблений аналітичний апарат для розрахунку міцності нормальних перерізів згинаних сталебетонних балок при короткочасній дії навантаження, а також при навантаженні після тривалого витримування під навантаженням;

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися: на республіканській науково-технічній конференції “Тривалий опір бетонних і залізобетонних конструкцій” (м. Одеса, 1981 р.), на Першій (м. Київ, 1996 р.), Другій (м. Київ, 1999 р.) і Третій (м. Львів, 2003 р.) Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону”; на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (м. Київ,2001 р.).

Публікації. Основні положення і результати роботи наведені в 9 опублікованих роботах і взяті за основу у “Методичних рекомендаціях з розрахунку міцності нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням фактору часу” (НДІБК.-Київ, 1983. - 20 с.).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Робота містить 186 сторінок, з них 94 сторінок основного тексту, 41 рисунок і 22 таблиці, список використаних джерел з 125 найменувань на 13 сторінках і 2 додатки на 16 сторінках.

сталебетонний балка навантаження деформація

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, дана загальна характеристика роботи, показана її наукова новизна та практичне значення.

Перший розділ присвячений аналізу стану питання і постановці задач досліджень. Розглядаються експериментальні і теоретичні роботи з оцінки впливу режиму навантаження і тривалого витримування під навантаженням на міцність бетону і залізобетонних конструкцій.

Питання міцності нормальних перерізів сталезалізобетонних конструкцій розглянуті в роботах М.М. Стрєлецького, Е.Е. Гібшмана, В.П. Васильєва, Л.І. Стороженка, Ф.Е. Клименка, О.Л. Шагіна, А.Я. Барашикова, Е.Д. Чихладзе, Р.С. Санжаровского, В.М. Сурдіна й ін. Існують і нормативні документи, що регламентують відповідний розрахунок. Однак усі наявні пропозиції містять ряд допущень, що спрощують, обмежуючи область застосування тих чи інших розрахункових залежностей.

При побудові аналітичного апарату для оцінки міцності залізобетонних і сталезалізобетонних конструкцій звичайно припускають, що навантаження прикладається “миттєво”. Тим часом, на практиці характер прикладання короткочасного статичного навантаження може бути різним. Дослідженню впливу режиму навантаження на міцність і деформативність бетону присвячена значна кількість досліджень. Результати цих досліджень показують, що характер прикладання навантаження істотно впливає на властивості бетону. Що ж стосується тих робіт, в яких розглянути питання впливу режиму навантаження на несучу здатність залізобетонних конструкцій, то їх виконано вкрай мало.

Більшість будівельних конструкцій піддається спільному впливу тривалих і короткочасних навантажень. Досліди показують, що міцність бетону при довантаженні після тривалого витримування під навантаженням зростає. Так, в експериментальних дослідженнях ОІБІ (І.Є. Прокопович, В.А. Зедгенідзе, В.І. Половець, В.М. Оплачко) і КАДІ (Я.Д. Лівшиць, С.І. Литвяк, Л.І. Сироватко, А.О. Шкуратовській) встановлено, що несуча здатність залізобетонних балок з високими коефіцієнтами армування, довантажених до руйнування після тривалої витримки під навантаженням, більше, ніж балок, випробуваних при короткочасному навантаженні. Аналогічні результати отримані А.Я. Барашиковим (КНУБА) у дослідженнях залізобетонних балок із середніми коефіцієнтами армування при тривалих малоциклових навантаженнях і А.М. Бамбурою (НДІБК) при вивченні трансформації діаграм “напруга-деформація” при тривалій дії навантаження. Відзначений ефект, треба думати, обумовлений як підвищенням міцності бетону, так і перерозподілом внутрішніх зусиль у процесі витримки під навантаженням.

Варто очікувати, що підвищення несучої здатності при довантаженні буде мати місце і для сталезалізобетонних конструкцій, де перерозподіл внутрішніх зусиль повинен виявлятися особливо помітно; однак, будь-які дослідні дані по цьому питанню відсутні.

Правильне врахування зазначеного ефекту дозволить одержувати в ряді випадків більш економічні рішення (сказане в однаковій мірі відноситься як до звичайного залізобетону, так і до сталезалізобетону). На жаль, існуючі нечисленні пропозиції з розрахунку в цій частині або не доведені до числених значень, або не вільні від очевидних недоліків. Стосовно сталезалізобетону такі пропозиції взагалі відсутні.

Очевидно, що аналітичний апарат для оцінки міцності сталезалізобетонних (та й залізобетонних) конструкцій, що довантажуються, повинен враховувати як зміну механічних властивостей бетону під навантаженням, так і перерозподіл внутрішніх зусиль, обумовлений тривалими процесами. Для цієї мети необхідно мати параметри напружено-деформованого стану складеного перетину при тривалій дії навантаження.

У наш час є ряд експериментально обґрунтованих теоретичних рішень і практичних рекомендацій з питань напружено-деформованого стану сталезалізобетонних конструкцій при тривалій дії навантаження (М.М. Стрелецький, Є.Є. Гібшман, В.М. Мастаченко, J. Haensel, H. Profanter і ін.). Однак в основу цих рішень покладений ряд допущень, що знижують точність розрахунку. Представляється доцільним одержати розрахункові залежності на базі більш строгих передумов. При цьому в значній мірі може бути використаний апарат, розроблений стосовно збірно-монолітних конструкцій (О.Б. Голишев і ін.).

В наш час актуальним є питання оцінки технічного стану будівельних конструкцій (як залізобетонних, так і сталезалізобетонних). Вони висвітлені в роботах вітчизняних фахівців (Л.І.Стороженка, Ф.Є. Клименка, О.Л. Шагіна, В.Л. Фоміна, А.Я. Барашикова, В.М. Савицького, Л.М. Фомиці, Б.Г. Гнідця, Й.Й. Лучка, О.О. Петракова, В.С. Шмуклера, Г.А. Молодченка, В.Г.Казачека, О.С. Файвусовича, О.І. Голоднова, О.І. Давиденка й ін.) і здобувають особливу актуальність. Особливу значимість тут має оцінка впливу фактора часу на несучу здатність конструкцій, що дозволяє визначити залишковий ресурс будівельних конструкцій.

На підставі виконаного огляду сформульовані задачі досліджень:

розробити інженерний метод оцінки міцності нормальних перерізів згинаних сталебетонних балок при короткочасній дії навантаження;

одержати теоретичні рішення, що описують напружено-деформований стан таких елементів при тривалій дії навантаження;

розробити методику розрахунку міцності нормальних перерізів згинаних сталебетонних балок, що завантажені довгочасно, при довантаженні їх короткочасним навантаженням;

розробити методику і виконати експериментальні дослідження впливу режиму короткочасного навантаження і тривалості дії навантаження на міцність нормальних перерізів сталебетонних балок;

за результатами обробки експериментальних даних оцінити точність і надійність отриманих теоретичних рішень.

В другому розділі сформульовані й обґрунтовані основні вихідні передумови, приведений розрахунковий апарат для оцінки міцності нормальних перерізів згинаних сталебетонних конструкцій при короткочасному навантаженні, а також таких, що довантажуються після тривалій дії навантаження.

В основу розрахункової методики покладені передумови, що широко використовуються в даний час у НДІБК при розрахунку міцності згинаних збірно-монолитних конструкцій (діаграма “” для бетону приймається у виді діаграми Гука-Прандтля з обмеженою горизонтальною гілкою, використовується гіпотеза лінійного закону розподілу деформацій по висоті перерізу, опір перерізу вважається вичерпаним, якщо фіброві деформації досягають граничних величин -). Крім того, вводяться додаткові передумови, яки формулюються в такий спосіб:

опір бетону стиску при впливі тривалого і короткочасного навантаження при довантаженні приймається рівним: міцності бетону при короткочасній дії навантаження , помножений на коефіцієнт 1, якщо напруги від тривалої частини навантаження не досягають межі тривалого опору ; межі тривалого опору , якщо напруги тільки від тривалої частини навантаження досягають цієї межі;

допускається, що граничні деформації бетону при довантаженні дорівнюють сумі деформацій повзучості і граничних деформацій при короткочасному навантаженні;

допускається, що “миттєвим” пружним деформаціям відповідають тільки лінійні деформації повзучості.

Для сталевої частини переризу за діаграму “” приймається діаграма Гука-Прандтля з обмеженою горизонтальною гілкою.

Відповідно до прийнятих передумов, вичерпання міцності перерізу може наступити при досягненні деформаціями крайніх стиснутих волокон бетону чи крайніх розтягнутих волокон сталі граничних значень (випадки I і II відповідно).

У залежності від міцнісних та деформаційних властивостей бетону і сталі і співвідношення геометричних характеристик складеного перерізу можливі шістнадцять форм рівноваги. Відзначимо, що тут не розглядається випадок, коли міцність перерізу вичерпується при досягненні деформаціями верхнього стиснутого поясу балки граничних значень (як мало реальних у конкретних конструкціях). Висновок розрахункових формул покажемо на прикладі однієї з форм рівноваги першого випадку розрахунку (при досягнені деформаціями крайніх стиснутих волокон бетону граничних значень) (рис.1).

Рис. 1 - До визначення міцності нормального перерізу:

а - розрахунковий переріз; б - епюра напруг і деформацій

Опір перерізу підраховується по формулі

, (1)

де і - відповідно моменти внутрішніх зусиль бетонної і сталевої частин перерізу щодо нейтральної осі напругу сталевій балці.

Висота стиснутої зони бетону визначається з рівняння

, (2)

де , - відповідно рівнодіючі внутрішніх зусиль у бетоні і стали.

У розглянутому випадку

, (3)

. (4)

, (5)

. (6)

З геометричних співвідношень епюри напруг і деформацій можна визначити напругу в нижньому волокні бетонної плити і верхньому поясі сталевої балки

, (7)

. (8)

У формулах (3)-(8)

, (9)

. (10)

Тут , , , , , , і (відносна висота стиснутої зони бетону).

На рис.1,б показано, що нейтральні осі епюр напруг бетону і сталі не збігаються. Це видно з наступних викладень. Якби нейтральні осі збігалися, то коефіцієнт дорівнював би

. (11)

Рівність співвідношень (9) і (11) можлива тільки при, тобто при неврахуванні початкових напруг у сталевій балці.

Вхідний у приведеній вище залежності коефіцієнт являє собою граничне значення коефіцієнта пластичності бетону і визначається по формулі:

. (12)

Аналогічний коефіцієнт використовується у формулах для другого випадку розрахунку. У зазначених формулах і , - відповідно, граничні значення деформацій бетону і сталі. Значення коефіцієнта визначаються за рекомендаціями, розробленим у НДІБК, коефіцієнта - за нормами проектування мостів і труб чи за рекомендаціями М.М. Стрєлецького, А.А. Потапкіна.

Чисельний аналіз, щоправда, показує, що для деяких типів складених перерізів несуча здатність виявляється трохи більшою, ніж навантаження, при якому фіброві деформації бетону досягають граничних. Однак у практичних розрахунках цим, як правило, можна зневажити.

У роботі приведені розрахункові залежності для всіх шістнадцяти форм рівноваги перерізу, умови реалізації тієї чи іншої форми і переходу до інших, а також алгоритм розрахунку несучої здатності згинаних сталебетонних балок при короткочасній дії навантаження. Відзначимо, що розрахункові залежності побудовані таким чином, що можна визначити параметри напружено-деформованого стану перерізу на будь-якій стадії навантаження. Для цього досить покласти, що і . Тоді невідомі величини і визначаються зі спільного рішення системи рівнянь (1) і (2).

При тривалій дії навантаження задача вирішена як у “строгій” постановці (з використанням інтегральних рівнянь повзучості), так і в спрощеній (із заміною вихідних інтегральних рівнянь алгебраїчними).

Як і у випадку розрахунку міцності при короткочасному навантаженні, висновок розрахункових залежностей покажемо на прикладі однієї з форм рівноваги (рис.1). З умови спільності деформацій бетону і сталі на рівні контакту випливає, що

. (13)

Ґрунтуючись на модернізованому варіанті теорії старіння, у якому інтегральне рівняння деформування бетону заміняється алгебраїчним, можна записати

, (14)

де - початковий модуль пружності бетону; , - напруги у нижнім волокні бетонної плити, відповідно, у початковий і розглянутий моменти часу; , - функції повзучості. З врахуванням (14) рівність (13) у напругах прийме вид

. (15)

З геометричних співвідношень епюри напруг (мал.1) можна записати

. (16)

Тоді, підставляючи отримане вираження в (15) і з огляду на, що і з урахуванням напруг, що виникають від усадки бетону, для напруг у верхньому і нижньому поясах сталевої балки одержимо

. (17)

. (18)

У формулах (17) і (18) позначено: - деформації вільної усадки бетону, обумовлені експериментальними даними, а при відсутності останніх - за рекомендаціями НДІБК, НДІЗБ чи ЦНДІБ; і - відповідно усадочні напруги у верхньому і нижньому поясах сталевої балки, викликані дією усадки до моменту завантаження конструкції й взяті чи за експериментальними даними, чи за рекомендаціями для розрахунку збірно-монолитних конструкцій.

Рівняння статики записуються в виді (1) і (2), де і - відповідно рівнодіючі внутрішніх поздовжніх зусиль бетону і стали в момент часу t; і - моменти зазначених зусиль щодо нейтральної осі напруг у балці.

Невідомі і відшукуються зі спільного рішення рівнянь (1) і (2) із залученням виражень (16)-(18) і геометричних співвідношень епюр напруг і деформацій. Параметри напружено-деформованого стану перерізу в момент завантаження ( ) визначаються за зазначеними формулами при , .

Отриманий досить простий у математичному відношенні аналітичний апарат для визначення напружено-деформованого стану нормальних перетинів згинаних сталебетонних елементів при тривалій дії навантаження, який дозволяє розраховувати конструкції в широкому діапазоні зміни міцнисних і деформаційних властивостей складових матеріалів і геометричних характеристик складених перетинів.

Після того, як визначені параметри напружено-деформованого стану в момент часу t (попередній довантаженню), переходимо до визначення міцності перетину елемента, що довантажується. У силу прийнятих передумов тут, як і при рішенні задачі міцності при короткочасній дії навантаження, можуть реалізуватися шістнадцять форм рівноваги. Оскільки послідовність рішення задачі міцності елементів, що довантажуються, для усіх форм зовсім однакова, обмежимося розглядом однієї форми рівноваги (рис. 2), коли напруги в бетоні до моменту часу t не досягають величини тривалого опору, а в нижньому поясі балки утвориться пластична зона.

Нехай форми рівноваги перетину до і після довантаження мають вид, показаний на рис. 2,а і 2,г відповідно. Повні деформації бетону стану в момент часу t до і після довантаження і можна представити у виді

; (19)

, (20)

де і - “миттєві” деформації бетону в момент часу t, до і після довантаження і, відповідно; - деформації повзучості до цього моменту часу. Деформаціям і відповідають деформації сталевої балки і , обумовлені з геометричних співвідношень епюр , показаних на рис. 2, д, е. Віднімаючи з вираження (20) вираження (19), після елементарних перетворень одержимо:

. (21)

З передумови щодо величини граничних деформацій бетону при довантаженні, геометричних співвідношень епюри “фіктивних” деформацій і співвідношення (21) випливає, що коефіцієнт , зв'язуючий висоту ділянки постійних напруг у бетоні з загальною висотою стиснутої зони перетину визначається з формули

, (22)

де - коефіцієнт, що характеризує граничну пластичність бетону і визначається з геометричних залежностей діаграми “”.

Для оцінки міцності перерізу необхідно також мати значення напруг у сталевій балці (у розглянутій формі рівноваги - напруг ). Ці значення можуть бути отримані з формули (26):

. (23)

Величини тут визначаються в результаті розрахунку напружено-деформованого ста-ну перерізу від тривалої дії навантаження; ці ж результати можуть бути використані і для визначення (із залученням геометричних співвідношень епюри ). Деформації виражаються через відомі величини , і невідому відносну висоту стиснутої зони .

З врахуванням сказаного отримані розрахункові залежності для міцності перерізу при довантаження. Розрахунок елемента, що довантажується, виконується в наступному порядку:

розглядається напружено-деформований стан перерізу в момент часу, що передує довантаженню, і визначаються величини і , відповідно по формулах (17) і (18), і по тим же формулам при ;

у залежності від співвідношення величин міцнісних і деформаційних характеристик матеріалів складеного перерізу, його геометричних параметрів визначається випадок розрахунку (де раніш виникнуть граничні деформації, у бетоні чи сталі);

визначається міцність перерізу елемента, що довантажується.

Алгоритм розрахунку, при цьому, аналогічний алгоритму розрахунку міцності переризу при короткочасному навантаженні.

Відзначимо, що в стадії довантаження, а також при короткочасній і тривалій дії навантаження, існують дві нейтральні осі. Тому, форма епюр напруг у стадії довантаження і приймається аналогічній формам епюр напруг при короткочасному навантаженні.

Як і у випадку короткочасної дії навантаження, величина руйнівного моменту визначається по формулі (1). У роботі показано, що доданки в цьому вираженні можуть бути визначені за формулами виду (3), (4), а відносна висота стиснутої зони - з рівняння (2) при .



Зупинимося тепер на значенні коефіцієнта , використовуваного в роботі. Якщо відповідно до прийнятої передумови треба приймати коефіцієнт 1. Якщо = = (тут 1), то з тієї ж передумови, на пе рший погляд, випливає, що варто приймати мінімальне значення . Насправді це не зовсім так. Звернемося до рис.2,а, де показана епюра напруг у бетоні перед довантаженням.

“Пластична” зона з напругами = займає лише частину загальної площі стиснутого бетону. Відповідно до передумови 3, у межах цієї зони напруги при довантаження підвищуватися не можуть. Однак, у межах іншої частини площі стиснутого бетону, відповідно до тієї ж передумови, напруги повинні збільшуватися, досягаючи значень ( 1), і епюра напруг повинна прийняти вид, показаний на рис.2,б. Використання епюри по рис.3,б, істотно ускладнюючий розрахунок, навряд чи виправдане. Раціонально, на наш погляд, прийняти усереднену епюру, показану на рис.3,в, з максимальною ординатою . Значення коефіцієнта повинне лежати в межах і залежати від відношення площі “пластичної” зони до загальної площі стиснутого бетону (тут - значення коефіцієнта 1, - те ж, при 1; ці значення приведені в четвертому розділі).

Пропоноване рішення може бути використано (з визначеними корективами) і при розрахунку залізобетонних елементів. У роботі приведені основні положення розрахунку для залізобетонного елемента з перетином довільної форми з однією віссю симетрії при багаторядному армуванні.

У третьому розділі приведені відомості щодо обсягу основного і допоміжного експериментів, конструкції дослідних зразків і технології їхнього виготовлення, дані щодо міцнісних і деформаційних характеристик бетону і сталі, методика і результати експериментальних досліджень і їхній аналіз.

Було виготовлено дві партії основних зразків - сталебетонних балок. Зразки першої партії призначалися для випробувань при короткочасній дії навантаження, а зразки другої партії - при тривалому, з наступним довантаженням.

Основні дослідні зразки являли собою об'єднані в одне ціле бетонну плиту прямокутного переризу (розміри плити приведені в табл.1) і сталеву балку. Балка мала вид двотавра, складеного з двох швелерів №12 із привареним по всій довжині нижнього пояса металевим листом товщиною 4 мм. Надійна спільна робота бетону і сталі аж до руйнування забезпечувалася твердими кутовими упорами і петлевими анкерами.

Всі основні і допоміжні зразки (стандартні куби і призми), необхідні для визначення міцнісних і деформаційних характеристик бетону, виготовлялися з бетону одного складу.

Призмова міцність бетону плити в 28-добовому віці складала для зразків першої і другої партій 26,5 і 30,0 МПа відповідно; границя текучості сталі 298,6 МПа.

Поставлені у роботі задачі визначили обсяг основного експерименту (табл.1).Попутно ставилася задача вивчення впливу режиму навантаження тривалого витримування під навантаженням на міцність і деформативність бетону (за результатами випробувань допоміжних зразків).

Балки першої партії (серії СБк) випробувалися по чотирьох режимах, що відрізнявся тривалістю витримки на окремих ступінях навантаження і тривалістю всього випробування (від 9 хв. до 8 годин). Режим I - безупинний, умовно миттєвий. Режими II-IV - ступеневи. Тривалість витримки на кожній ступіні навантаження для режимів II і III складала відповідно 10 і 40 хвилин, а для режиму IV на п'ятій і сьомій ступінях навантаження - 240 хв. Навантаження зразків цієї серії до зазначених рівнів і далі, до руйнування, здійснювали по режиму I.

На другому етапі основних досліджень зразки серій СБд завантажувалися навантаженням різної інтенсивності (0,5; 0,75 і 0,9 від руйнівного, визначеного при короткочасному навантаженні балок серій СБк), витримувалися під цим навантаженням визначений час (20, 45 і 120 діб) і потім довантажувалися до руйнування. Навантаження до заданого рівня і довантажене до руйнування здійснювалося по режиму II, прийнятому в короткочасних випробуваннях.

Таблиця 1.

№ партії	Шифр серії	Розміри, мм	Кіл. шт.	Призначення
I	СБк I - IV	200 100	11	Дослідження впливу режиму навантаження
	СБм - а	200 30	3	Дослідження залежності граничних деформацій від геометрії перетину
	СБм - б	200 200	3
II	СБд-А,Б,В	200 100	18	Дослідження впливу тривалої дії навантаження.
	СБк	200 100	2	Визначення несучої здатності в момент завантаження.
	СБу-А,Б,В	200 100	6	Визначення усадочних деформацій і несучої здатності при короткочасній дії навантаження

Зразки випробувалися за схемою однопрогонової вільно обпертої балки, навантаженої в третинах прольоту двома зосередженими силами. Розрахунковий проліт балок складав 210 см.

Дані про несучу здатність основних зразків (середні по серії) приведені в табл.2. Як видно з таблиці, режим короткочасного навантаження(серії СБк I- СБк IV) практично не позначився на несучій здатності балок, що дозволило згодом дати відповідні рекомендації. Граничні деформації бетону, як і очікувалось, помітно залежали від режиму випробування. У той же час геометрія перерізу (серія СБм) практично не відбилася на величині граничних деформацій. Це підтверджує правомірність використання граничних деформацій як константу матеріалу при побудові розрахункового апарата.

Як показали випробування зразків серії СБд, тривале витримування під навантаженням збільшує несучу здатність сталебетонних балок при їх довантаженні. Так, наприклад, у зразків при навантаженні М(t) = 0,5М_u (M_u - несуча здатність балок серії СБк, випробуваних при короткочасній дії навантаження), несуча здатність збільшилася стосовно M_u на 5, 9 і 12%, відповідно, при витримках тривалістю 20, 45 і 120 діб, у зразків при навантаженні М(t) = 0,75М_u - на 8, 12 і 15%, а у зразків з рівнем навантаження М(t) = 0,9М_u - на 10, 12 і 18%. Причому, як це видно з приведених даних, збільшення несучої здатності виявилося тим більшим, чим вище був рівень тривалого навантаження. Однак, можна припустити, що існує якийсь критичний рівень навантаження, перевищення якого приведе до зниження несучої здатності.

Відзначений ефект не можна віднести за рахунок росту міцності бетону в часі: несуча здатність балок серій СБу, на яких велося спостереження за усадкою, виявилася такою же, як і для балок серії СБк. Не спостерігалося в досліді і зміна міцності допоміжних бетонних зразків, випробуваних у різному (57-180 діб) віці. У той же час, тривале перебування під навантаженням бетонних призм помітно (до 16%) підвищило їхню міцність. Відзначена також помітна зміна напруженого стану сталебетонних балок у процесі витримки під навантаженням.

Таблиця 2.

Шифр серії	Тривалість досліду, хв	Несуча здатність кНм	Граничні деформації b,u 105	Шифр серії	Тривалість досліду, доб	Несуча здатність кНм	Граничні деформації b,u(t)105
СБк-I	11	80,00	316	СБд-0,5-А	20	84,96	455
СБк-II	93	81,38	374	СБд-0,5-Б	45	88,44	434
СБк-III	357	81,53	374	СБд-0,5-В	120	90,37	454
СБк-IV	492	83,75	348	СБд-0,75-А	20	87,18	488
СБм-а	90	48,41	320	СБд-0,75-Б	45	90,86	533
СБм-б	94	153,96	392	СБд-0,75-В	120	90,94	571
СБк	92	81,03	375	СБд-0,9-А	20	89,32	519
СБу-А	94	82,21	359	СБд-0,9-Б	45	90,83	550
СБу-Б	94	83,47	358	СБд-0,9-В	120	95,30	587
СБу-В	91	83,48	349

Варто думати, що причиною підвищення несучої здатності сталебетонних балок є спільний вплив таких факторів, як збільшення міцності попередньо обтиснутого бетону і перерозподіл внутрішніх зусиль.

Аналіз результатів випробувань підтвердив прийняту передумову про аддитивність “миттєвіх” граничних деформацій і деформацій повзучості. Сказане в однаковій мірі відноситься як до сталебетонних зразків, так і до бетонних призм.

Спостереження за поздовжніми деформаціями бетону і стали по висоті перетинів балок обох партій підтвердило правомірність використання в аналітичному апараті гіпотези плоских перетинів.

Четвертий розділ присвячений порівнянню дослідних даних з теоретичними й оцінці точності і надійності останніх.

Для оцінки точності пропонованої розрахункової методики проведене порівняння дослідних значень M_u і теоретичних при короткочасній дії навантаження. Для цього використовувалися методики М.М. Стрєлецького, “Посібника з проектування залізобетонних конструкцій із твердою арматурою” і “Методичних рекомендацій з розрахунку збірно-монолитних конструкцій по нормальних перетинах”.

Статистики відношень (=0,95, =0,029, сv=3,0) дозволяють стверджувати, що пропонована методика досить точно оцінює несучу здатність сталебетонних балок при короткочасній дії навантаження. П'ятипроцентне (у середньому) зниження несучої здатності з погляду практики можна вважати несуттєвим. Порівняння статистик зазначених відносин, отриманих для різних розрахункових методик, переконливо свідчать на користь пропонованої.

Відзначимо віжливу, на наш погляд, деталь. Теоретичні рішення, отримані в другому розділі роботи, відносяться, строго кажучи, не до короткочасної, а до “миттєвої” дії навантаження. Тим часом, гарне узгодження обчислених величин несучої здатності з дослідними отримано для всіх серій зразків СБк. Причина тому - відзначений вище (див. розділ 3) дуже слабкий вплив режиму короткочасного навантаження на міцність випробуваних балок. Тому розрахунок міцності нормальних перетинів сталебетонних балок при короткочасної дії навантаження (тривалістю до 8 годин), рекомендується робити без врахування фактора часу.

Результати порівняння обчислених за пропонованою методикою величин несучої здатності при довантаженні після тривалого витримування під навантаженням з дослідною свідчать про їх цілком задовільний збіг. Розподіл відношень близький до нормального. Пропонована методика розрахунку міцності нормальних перетинів сталебетонних балок (як при короткочасному навантаженны, так і при довантаженні) має достатню точність: імовірність помилки, що перевищує 10%, складає 5%.

Значення фібрових деформацій балок у різні моменти часу, обчислені за формулами другого розділу роботи, відрізняються від дослідних на (-20)-(+10)%. Тому значення були підраховані і з залученням дослідних величин деформацій. Виявилося, що підстановка в розрахункові залежності зазначених значень практично не відбилася на величинах теоретичної міцності. Результат цей представляється важливим із практичної точки зору, тому що він свідчить про слабку чутливість розрахункового апарата до неминучих погрішностей у визначенні .

У четвертому розділі дані також рекомендації з визначення міцністних і деформативних характеристик матеріалів, використовуваних при розрахунку. Значення коефіцієнта рекомендується приймати за даними Ю.В.Зайцева з деякими корективами в частині врахування підвищення міцності бетону при малих рівнях довгостроково діючих напруг.

ВИСНОВКИ

1. Сформульовано основні вихідні передумови і розроблений аналітичний апарат для оцінки напружено-деформованного стану нормальних перерізів згинаних сталебетонних конструкцій при тривалій дії навантаження і розрахунку короткочасної і тривалої (при довантаженні після витримування під навантаженням) міцності таких конструкцій.

2. На основі аналізу отриманих теоретичних рішень виявлені закономірності деформування сталебетонних згинаних конструкцій в залежності від співвідношення міцністних і деформативних властивостей бетону і сталі і геометричних характеристик перерізів. Ці закономірності свідчать про те, що можливі три типи діаграм станів таких конструкцій.

3. Встановлено, що тривалість короткочасного завантаження у межах від декількох хвилин до декількох годин не впливає на призмову міцність бетону, тоді як попереднє обтиснення протягом більш тривалого часу (декількох місяців) помітно (до 15%) підвищує його міцність.

4. Дослідження на зразках балках показали, що гранична деформація бетону при будь-якій тривалості випробувань дорівнює сумі граничних деформацій при короткочасному (стандартному режиму випробувань) навантаженні і деформацій повзучості.

5. Вплив характеру і тривалості короткочасного ступеневого навантаження на несучу здатність сталебетонних балок незначне і порівнянно з величиною статистичного розкиду експериментальних даних (c_v=2,32%), тому розрахунок можна робити без врахування фактора часу. Врахування тривалості короткочасного навантаження при розрахунку міцності сталебетонних балок рекомендується робити шляхом введення понижуючого коефіцієнта до модуля пружності бетону, рівного 0,65.

6. Характер розподілу поздовжніх деформацій по висоті перерізу сталебетонних балок на всіх стадіях напружено-деформованого стану близький до лінійного.

7. Попереднє витримування під навантаженням (з рівнем навантаження М(t)0,9М_u) підвищує несучу здатність сталебетонних балок при наступному їх довантаженні. Причому, зі збільшенням рівня попереднього навантаження несуча здатність балок збільшується. При однаковому рівні попереднього навантаження несуча здатність вище у зразків, що знаходилися під навантаженням більш тривалий час.

Причиною підвищення несучої здатності сталебетонних балок, що довантажуються, є спільний вплив таких факторів, як збільшення міцності попередньо обтиснутого бетону і перерозподіл напруг між бетоном і сталевою балкою.

8. Чисельний аналіз, виконаний із залученням пропонованої методики, показав, що існує граничний рівень навантаження, перевищення якого веде до зниження несучої здатності сталебетонних балок при довантаженні. У наших дослідах цей рівень склав 0,85.

9. Статистики відношень теоретичних значень несучої здатності до експериментальних ( =0,94, с_v=3,0-3,3%) показують, що пропонована методика розрахунку досить вірогідно оцінює несучу здатність сталебетонних балок як при короткочасній дії навантаження, так і балок, що довантажуються. Імовірність помилки, що перевищує 15%, складає всього 0,03%.

11. Надійність пропонованої методики розрахунку несучої здатності сталебетонних балок (як при короткочасному навантаженні, так і при довантаженні після тривалої витримки) при вико-ристанні розрахункових характеристик матеріалів задовольняє вимогам до проектування будівельних конструкцій.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. К оценке влияния длительных процессов на несущую способность изгибаемых железобетонных элементов//Изв. Вузов. Строительство и архитектура.- 1982. - № 9. - С. 15-20 (у співавторстві с В.Я. Бачинским). Здобувачу належить розробка основних розрахункових залежностей.

2. Влияние длительных процессов на несущую способность сталебетонных балок // Сбор-ник тезисов. Научно-практические проблемы современного железобетона. Первая всеукраинская научно-техническая конференция. - Киев, 1996. - С. 25-27.

3. Влияние режимов кратковременного нагружения на прочность нормальных сечений сталебетонных изгибаемых конструкций. // Будівельні конструкції, вип. 49. - К.: НаУКМА, 1998. - С. 105-108.

4. Длительная прочность сталебетонных конструкций // Будівельні конструкції, вип. 50.- К. НаУКМА, 1999. - С. 30-35.

5. Теоретическая оценка влияния длительного нагружения на несущую способность сталебетонных конструкций // Будівельні конструкції, вип. 52.- К.: ВД “КМ Аcademia”,2000.- С. 30-35.

6. Расчет прочности нормальных сечений сталебетонных изгибаемых конструкций // Будівельні конструкції, вип. 54.- К.: НаУКМА, 2001. - С. 70-75.

7. Экспериментальные исследования прочности нормальных сечений сталебетонных изгибаемых конструкций // Будівельні конструкції, вип. 57.- К.: ВД “КМ Академия”, 2002. - С. 3-7.

8. Усиление сталежелезобетонных конструкций после длительной эксплуатации // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій, вип. 5. - Львів: Каменяр, 2002. - С. 304-310.

9. К оценке ресурса сталежелезобетонных конструкций после длительной эксплуатации // Сб. научн.тр. “Строительство и техногенная безопасность”, вып. 6. -Симферополь:КАПКС, 2002. - С. 172-175.

10. Методические рекомендации по расчету прочности нормальных сечений железобетонных изгибаемых элементов с учетом фактора времени // НИИСК. - Киев, 1983. - 20 с (у співавторстві с В.Я. Бачинским). Здобувачу належить розробка аналітичного апарату із розрахунку міцності нормальних перерізів залізобетонних згинаних елементів з врахуванням тривалих процесів.

Размещено на Allbest.ru

...