Міцність, жорсткість та тріщиностійкість згинаних залізобетонних елементів при режимних навантаженнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій

УДК 624.072.2+539.37

Спеціальність 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Міцність, жорсткість та тріщиностійкість згинаних залізобетонних елементів при режимних навантаженнях

Гурківський Олександр Борисович

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бамбура Андрій Миколайович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач відділом оцінки надійності будівельних конструкцій "Об'єкту "Укриття".

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Фомін Станіслав Леонідович, професор кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України;

- кандидат технічних наук, доцент Журавський Олександр Дмитрович, доцент кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій Київського національного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа - Національний університет "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України, кафедра "Будівельні конструкції та мости".

Захист відбудеться 22 червня 2004 р. о 1400 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 19 травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.С. Слюсаренко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку будівельної галузі в Україні постає необхідність у раціональному використанні наявних житлових та виробничих площ, їх надійної експлуатації. Доволі часто виникають ситуації, що приводять або викликають необхідність до короткочасного чи тривалого збільшення величини діючого навантаження. Насамперед це пов'язано з аварійними ситуаціями, викликаними зовнішніми впливами, не врахованими при визначенні розрахункових навантажень, помилками при проектуванні, необхідністю проведення реконструкції споруд або їх окремих елементів, зміною схем прикладання навантаження.

Діючі норми досі не містять методів розрахунку здатних достатньо точно оцінити міцність, жорсткість та тріщиностійкість залізобетонних конструкцій при дії вказаних навантажень.

Охоплення єдиним підходом побудови методів розрахунку всього об'єму залізобетонних конструкцій та режимів дії навантажень, з забезпеченням достатньої точності отримуваних результатів можливе при покладенні у його основу передумов, які достатньо точно відображають фізику явища і властивості матеріалів як при короткочасних навантаженнях, так і при тривалих.

У Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій (НДІБК), на основі значної кількості експериментальних і теоретичних досліджень, розроблено методи розрахунку залізобетонних конструкцій з використанням реальних діаграм деформування бетону і арматури при короткочасних навантаженнях.

Продовженням цих робіт є дослідження впливу характеру зміни навантаження у часі (режиму) на міцність, жорсткість та тріщиностійкість залізобетонних конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Результати роботи використані у науково-дослідній роботі "Розробка математичної моделі оцінки стану залізобетонних конструкцій, що експлуатуються", що виконувалась за планом бюджетних тематик Вінницького державного технічного університету у 1999-2000 рр., тема 65-Д-199, № державної реєстрації 0199U003436. Отримані результати використовуються при складанні нових національних норм з розрахунку залізобетонних конструкцій, у рамках роботи, що виконується у НДІБК - договір №С-2-2-03/643 "Розробити ДБН "Бетонні та залізобетонні конструкції (на заміну СНиП 2.03.01-84*)" між НДІБК та Держбудом України від 11.09.2003 р.

Метою дисертаційної роботи є розробка методики розрахунку з визначення міцності, жорсткості та тріщиностійкості згинаних залізобетонних елементів при тривалих режимних навантаженнях з урахуванням реальної діаграми деформування бетону.

Задачі дослідження:

- на основі експериментальних досліджень встановити вплив тривалого навантаження на параметри діаграми деформування бетону та на роботу згинаних залізобетонних елементів;

- на основі експериментальних даних отримати аналітичні залежності визначення параметрів діаграми деформування бетону при тривалій дії навантаження і при наступному короткочасному довантаженні;

- сформулювати основні передумови і розробити аналітичну модель визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів згинаних залізобетонних елементів при тривалій дії навантаження і при наступному короткочасному навантаженні;

- використовуючи отриману модель напружено-деформованого стану, розробити методику розрахунку з визначення міцності, жорсткості та тріщиностійкості згинаних залізобетонних елементів при тривалих режимних навантаженнях та виконати оцінку її точності.

Об'єкт дослідження - згинані залізобетонні елементи, що зазнають тривалої дії навантаження високого рівня з наступним довантаженням.

Предмет дослідження - методика оцінки напружено-деформованого стану нормальних перерізів згинаних залізобетонних елементів, що зазнають тривалої дії навантаження високого рівня, основана на використанні реальних діаграм деформування бетону.

Методи дослідження - експериментальні натурні дослідження за допомогою розроблених методик та теоретичні дослідження, що базуються на методах математичного моделювання деформування твердих тіл.

Автор захищає:

результати експериментальних досліджень згинаних залізобетонних елементів, що зазнають тривалої дії навантаження високого рівня з наступним довантаженням;

залежності з визначення параметрів діаграми деформування бетону при дії тривалих навантажень та наступному короткочасному довантаженні до руйнування;

аналітичний апарат з визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів згинаних залазобетонних елементів при дії тривалого навантаження та наступній короткочасній його зміні;

методику розрахунку з оцінки міцності, жорсткості та тріщиностійкості згинаних залізобетонних елементів при дії тривалого навантаження та наступному короткочасному довантаженні до руйнування.

Наукова новизна одержаних результатів:

встановлені, на основі експериментальних досліджень, закономірності впливу тривалої дії навантаження високого рівня на роботу згинаних залізобетонних елементів;

аналітичні залежності з визначення параметрів діаграми деформування бетону при тривалій дії навантаження та наступному короткочасному довантаженні;

аналітичний апарат з визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів згинаних залізобетонних елементів при дії тривалого навантаження та наступній короткочасній його зміні, що ґрунтується на використанні реальних діаграм деформування бетону;

методика розрахунку з оцінки міцності, жорсткості та тріщиностійкості згинаних залізобетонних елементів при дії тривалого навантаження та наступній короткочасній його зміні, що ґрунтується на використанні реальних діаграм деформування бетону.

Достовірність наукових результатів та положень забезпечується:

співставленням отриманих результатів експериментальних досліджень з результатами, які отримані іншими авторами;

використанням для отримання аналітичних залежностей методів математичної статистики та чітких передумов, що є загальноприйнятими у теорії залізобетону;

перевіркою збіжності отриманих теоретичних результатів з експериментальними даними власних експериментальних досліджень та досліджень інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів:

отримані аналітичні залежності дають можливість визначити параметри діаграм деформування бетону для будь-якого часу дії навантаження та при наступному короткочасному довантаженні, використовуючи в якості вихідних даних початкові характеристики бетону, геометричні характеристики конструкції та умови її експлуатації (рівень навантаження, тривалість його дії, умови середовища);

розроблений аналітичний апарат визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів згинаних залізобетонних елементів дає можливість оцінити міцність та жорсткість перерізів на будь-якій стадії деформування, що може бути використане у програмних комплексах з просторового розрахунку складних систем;

розроблена методика розрахунку дозволяє визначити несучу здатність, прогини та ширину розкриття тріщин залізобетонних елементів, що зазнали тривалої дії навантаження.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на:

другій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону" (Київ, 1999 р.);

конференції творчої молоді "Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций" (Москва, 2002 р.);

науково-технічній конференції "Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ" (Київ, 2003 р.);

третій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону" (Львів, 2003 р.).

В повному обсязі робота розглядалась на семінарі відділу .

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 праць у фахових науково-технічних виданнях, з яких у 6 працях (№№1-3 та 5-7 згідно списку), що повністю відповідають вимогам ВАК України, викладено її основні положення.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 135 найменувань, викладених на 142 сторінках, у тому числі 94 сторінок основного тексту, 42 рисунки та 18 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі приведено обґрунтування актуальності, сформульовані мета та задачі дисертаційної роботи, а також наведені наукові положення, які виносяться на захист, та дані щодо апробації.

Перший розділ присвячений аналізу стану питання та постановці задач досліджень. Розглядаються експериментальні та теоретичні роботи з оцінки впливу режиму короткочасних та тривалих навантажень на міцнісні та деформативні характеристики бетону, роботу згинаних залізобетонних елементів.

Вивченню впливу режиму та тривалості дії навантаження на міцнісні та деформативні характеристики бетону та роботу залізобетонних конструкцій присвячені роботи Александровського С.В., Арутюняна Н.Х., Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Бамбури А.М., Бачинського В.Я., Берга О.Я., Бондаренка В.М., Ватагіна С.С., Войцеховського О.В., Гвоздєва О.О., Голишева О.Б., Гущі Ю.П., Демчини Б.Г., Дорофеєва В.С., Зайцева Ю.В., Зедгенідзе В.А., Карпенка М.І., Кваші В.Г., Клименка Ф.Є., Климова Ю.А., Кокарева О.М., Коркішка О.І., Лазовського Д.Н., Лівшиця Я.Д., Мурашка Л.А., Пічугіна С.Ф., Подобенко Т.М., Погореляка А.П., Прокоповича І.Є., Проценка О.М., Ржаніцина А.Р., Савицького М.В., Узуна І.А., Улицького І.І., Фомиці Л.М., Фоміна С.Л., Цейтліна С.Ю., Шагіна О.Л., Щелкунова В.Г., Щербакова Є.М., Яшина О.В., Яценка Є.А. та інших.

Практично усі залізобетонні конструкції за час експлуатації зазнають впливу навантажень змінних у часі. При чому, найбільш розповсюдженими є малоциклові навантаження. Більшість дослідників відзначали, що основний вплив на міцнісні та деформативні характеристики бетону, як при тривалих, так і короткочасних навантаженнях, проявляється на перших циклах деформування.

В основу більшості методів розрахунку залізобетонних конструкцій при тривалих навантаженнях покладено різні теорії повзучості. Однак, використання теорій повзучості має свої обмеження. Так, рівень навантажень, для яких розроблено достовірні розрахункові апарати на їх основі, обмежується 0,8 від призмової міцності бетону. Очевидно, що для оцінки роботи конструкції при тривалій дії навантаження цього явно не достатньо. Усунути цей недолік можливо шляхом поширення на випадок тривалого деформування методик розрахунку, що основані на використанні повних діаграм деформування матеріалів. Однак, зараз не існує достатньої кількості експериментальних даних, за якими можна визначити трансформацію параметрів діаграми деформування бетону при дії тривалих навантажень.

Значна кількість досліджень була присвячена вивченню впливу на міцність бетону дії тривалих навантажень, як постійних, так і змінних у часі. Експериментально встановлено, що основними чинниками, які впливають на міцність та деформативність бетону при дії тривалих навантажень, є їх рівень та тривалість дії. При цьому, якщо зразки не руйнуються у часі, спостерігається збільшення міцності бетону у порівнянні з незавантаженими зразками. Зміна деформативних характеристик бетону при дії тривалих навантажень не викликає сумніву, але кількісної оцінки такого впливу зроблено не було.

Огляд існуючих експериментальних даних показав, що тривала дія навантаження може як знижувати несучу здатність згинаних залізобетонних елементів, так і значно збільшувати. Збільшення несучої здатності відзначалось у зразків з середнім та великим вмістом арматури. Однозначних пояснень цього факту віднайдено не було, а описання роботи таких елементів зводилось до введення коригуючих коефіцієнтів.

Серед досліджень впливу тривалості дії навантаження на роботу згинаних залізобетонних балок особливу цікавість викликають роботи, де досліджувались елементи із значним рівнем навантаження та вмістом арматури, оскільки саме в таких елементах існує можливість значного перерозподілу зусиль, а отже і більш повної реалізації як міцнісних, так і деформативних характеристик бетону при тривалій дії навантаження у складі перерізу залізобетонного елементу.

Виконаний огляд дозволив сформулювати задачі експериментальних та теоретичних досліджень.

У другому розділі наведено обґрунтування програми експериментальних досліджень, їх об'єм, конструкцію дослідних зразків та технологію їх виготовлення. Також приводяться повні результати експериментальних досліджень і їх аналіз.

Експериментальні дослідження здійснювались на основних зразках - залізобетонних балках розмірами 100х200х2300 мм та бетонних призмах розмірами 100х400х400 мм.

Конструкція балок виключала можливість непружного деформування арматури (вміст арматури становив 3-3,9%) та руйнування по похилим перерізам на будь-якій стадії деформування. Завантаження балок здійснювалось двома зосередженими силами з створенням зони "чистого" згину.

На залізобетонних балках досліджувався вплив на їх роботу рівня тривалого навантаження та робота бетону у складі нормального перерізу балки. Особливістю методики дослідження було те, що рівень початкового завантаження балок визначався у частинах від деформацій, що відповідають вершині діаграми деформування бетону при короткочасному стиску (br). Крім того, паралельно з балками завантажувались призми таким чином, щоб максимально точно відтворити деформування верхнього волокна бетону балки та волокна розташованого на відстані 5 см від верхньої грані. Це дало можливість визначити характер розподілу напружень по висоті перерізу балок на усіх стадіях деформування: від початку прикладання навантаження - до руйнування.

Методикою тривалих досліджень призм передбачалось, насамперед, дослідження деформування бетону, яке б максимально точно повторювало деформування бетону визначеного волокна балки, а також вплив дії тривалих навантажень постійних у часі на параметри діаграм деформування бетону.

У зв'язку з відсутністю експериментальних даних, які б могли слугувати орієнтиром у остаточному призначенні найбільшого початкового навантаження, при якому деформування зразків у часі носило б затухаючий характер, було вирішено розділити всі зразки на дві групи. При чому, остаточний план досліджень другої групи зразків базувався на результатах досліджень першої групи. Призмова міцність бетону зразків кожної групи на час завантаження балок становила 21,5 МПа та 23,8 МПа, вміст арматури в балках становив 3,0% та 3,9%.

У кожній групі, крім основних зразків, були виготовлені допоміжні (куби та призми) для визначення міцнісних та деформативних характеристик бетону на протязі усього часу проведення випробувань.

Загалом, в рамках експериментальних досліджень всього було випробувано 20 залізобетонних балок (12 основних зразків, 8 контрольних), 23 бетонних призми (11 основних зразків, 12 допоміжних) та 30 кубів.

Балки завантажувались до рівня, при якому у стиснутій зоні зразка деформації бетону досягали величин, обумовлених програмою досліджень (див. таблицю 1). Після цього навантаження підтримувалось незмінним на протязі часу, за який швидкість деформування стиснутого бетону або стабілізувалась (зменшилась до величини співставимої із швидкістю деформацій усадки) або різко збільшувалась за короткий проміжок часу. Далі режими різнилися між собою:

розвантаження і випробування короткочасним навантаженням до руйнування - балки БТ1-1-1, БТ1-1-2, БТ2-2-1, БТ2-2-2, БТ2-3-1;

випробування короткочасним навантаженням без розвантаження - балка БТ2-3-2;

довантаження на більш високий рівень, визначений за результатами випробувань балок, що перебували під тривалим навантаженням (максимальний перевищував несучу спроможність незавантаженого зразка на 25%), з витримкою до зменшення швидкості деформування до попереднього значення і подальшим короткочасним випробуванням до руйнування з попереднім розвантаженням - балки БТ1-2-1, БТ1-2-2, БТ1-3-1, або без нього - балки БТ2-1-1, БТ2-1-2, БТ1-3-2.

Максимальна тривалість випробувань для зразків першої групи складала 360 діб, а для зразків другої групи 720 діб.

Дія тривалого навантаження, якщо воно не викликало у часі руйнування балки (дивись табл.2), при наступному довантаженні до руйнування викликала збільшення несучої здатності (mmax(t)) у порівнянні з контрольними зразками (mmax) усіх балок. Величина збільшення склала від 9% до 42%.

деформування залізобетонний тріщиностійкість жорсткість

Таблиця 1

Група	Серія	Марка зразка	Вміст арматури, %	Початкове завантаження по деформаціям
1	1	БТ1-1-1	3,0	br
		БТ1-1-2		1,15br
	2	БТ1-2-1		br
		БТ1-2-2		br
	3	БТ1-3-1		br
		БТ1-3-2		1,35br
2	4	БТ2-1-1	3,9	0,61br
		БТ2-1-2		0,61br
	5	БТ2-2-1		1,15br
		БТ2-2-2		1,15br
	6	БТ2-3-1		1,43br
		БТ2-3-2		1,69br

Таблиця 2

Зразок	Вік на час завантаження, діб	Початкове завантаження	Тривалість дії навантаження, діб	Довантаження до руйнування
				b1 (при m= mmax(t))	mmax(t), МПа	mmax(t) mmax	b1 (при m=mu (t))	mu(t), МПа
		m mmax	b1 bК
БТ1-1-1	44	0,68	1,0	352	773	8,45	1,28	794	8,08
БТ1-1-2	49	0,70	1,15	356	837	8,77	1,33	922	7,37
БТ1-2-1	49	0,70 0,81	1,0	344	835	7,70	1,17	899	6,58
БТ1-2-2	47	0,67 1,01	1,0	396	857	8,87	1,35	871	8,34
БТ1-3-1	45	0,70 1,01	1,0	388	854	9,13	1,39	917	8,18
БТ1-3-2	48	0,85 1,25	1,35	384	889	9,91	1,42	1037	9,48
БТ2-1-1	32	0,56 0,99	0,61	82	*			1248	5,84
БТ2-1-2	32	0,57 0,95	0,61	426	636	8,33	1,09	664	7,90
БТ2-2-1	31	0,85	1,15	749	860	9,82	1,32	920	8,75
БТ2-2-2	31	0,88	1,15	748	865	9,96	1,34	932	8,50
БТ2-3-1	32	0,93	1,43	742	927	8,81	1,15	987	8,03
БТ2-3-2	40	1,00	1,69	7	*			1038	4,86

Примітки. 1. * - зразок зруйновано тривалою дією навантаження.

2. У знаменнику наведено рівень довантаження (розвантаження) зразка.

3. .

Особливо необхідно відзначити балки БТ2-3-1, БТ2-3-2. Оскільки саме на цих балках було визначено граничний рівень тривалого навантаження, при якому балки не руйнувались у часі - 1,43br. Цей рівень відповідає низхідній ділянці діаграми короткочасного деформавання бетону.

Причину, за якою дія навантаження такого рівня не призвела до швидкого руйнування балок, іллюструє залежність між деформаціями та напруженнями бетону, яка побудована за результатами тривалих та короткочасних випробувань призми, що імітувала деформування верхньої грані балки БТ1-1-1. За отриманими даними, напруження у бетоні на верхній грані балки почали зменшуватись від моменту фіксації навантаження і стабілізувались на рівні, що не перевищував міцність бетону при тривалих напруженнях постійних у часі (близько 0,7Rb).

За короткочасних випробувань бетонних призм (до та після тривалої дії навантаження) встановлено, що тривала дія навантаження, якщо вона не приводить до руйнування зразка, головним чином впливає на характеристики деформативності бетону (br та bu зменшуються відповідно до 32% та 69%) і в меншій мірі на його міцність. У проведених дослідах збільшення міцності зразків призм, що перебували під дією тривалого навантаження, не перевищувало 7% у порівнянні з контрольними. У той же час, не було відзначено зменшення міцності зразків, завантажених на рівень близький до вершини діаграми деформування бетону (br), звичайно, якщо вони мали можливість до зниження навантаження за короткий проміжок часу за рахунок перерозподілу напружень у залізобетонному перерізі.

У третьому розділі наведені розрахункові залежності визначення параметрів діаграм деформування бетону при тривалій дії навантаження та при наступному короткочасному довантаженні.

Для описання зміни параметрів діаграми деформування бетону при короткочасному випробуванні після тривалої дії навантаження було оброблено власні експериментальні дані, дані Коркішка О.І., Безбожної М.С. (для бетонів з призмовою міцністю від 18 до 30 МПа), і отримано наступні залежності. Для визначення призмової міцності бетону взято за основу відому формулу В.Г. Щелкунова з доповненням її оператором, що враховує тривалість дії навантаження

, (1)

де - призмова міцність бетону після тривалої дії напружень;

- призмова міцність не завантаженого бетонного зразка у розгляданий момент часу ;

; - дослідні коефіцієнти;

- рівень тривалих напружень;

- тривалість дії напружень.

Початковий модуль пружності бетону (з частковим використанням формули Н.Х. Арутюняна для не завантаженого бетону):

, (2)

де - максимальне значення початкового модуля деформування за відсутності силових деформацій;

- дослідні коефіцієнти;

- повні деформації бетону у розгляданий момент часу.

Значення деформацій, що відповідають вершині діаграми деформування бетону

, (3)

граничні деформації бетону

.(4)

У формулах (3) та (4) a = 18,610-3; b = 2,53; c = -3,89; a1=4,410-3; b1 = 2,48 - дослідні коефіцієнти.

Зв'язок між напруженнями та деформаціями бетону при тривалій дії навантаження прийнято у вигляді діаграми, що описується поліномом п'ятої степені, аналогічним за своїм записом запропонованому А.М.Бамбурою для короткочасної дії навантаження

, (5)

де b(t) - напруження у бетоні у довільний момент часу;

(t) - повні деформації бетону у довільний момент часу;

ai(t) - коефіцієнти поліному, що визначаються в залежності від параметрів діаграми деформування бетону при тривалій дії навантаження;

інші позначення наведено на рисунку 3.

На основі аналізу результатів виконаних експериментальних досліджень і досліджень М.С. Безбожної, для параметрів діаграми бетону при тривалій дії навантаження (дивись рисунок 3) запропоновані наступні залежності:

(6)

(7)

, (8)

(9)

.(10)

Оскільки форма діаграми при низьких рівнях навантаження визначається початковим модулем деформування бетону, тобто, зберігається умовно лінійна залежність між напруженнями і деформаціями, деструктивні процеси у бетоні практично не проявляються. Тому для визначення нахилу висхідної вітки діаграми деформування при тривалій дії навантаження на початковій ділянці (З(t)=tg(t)) було використано розрахунковий апарат модифікованої теорії повзучості бетону.

Залежності (6-10) дають можливість отримати діаграми деформування бетону при тривалій дії навантаження на будь-який момент часу при відомих параметрах початкової діаграми та рівні тривалого навантаження.

Наявність залежностей для визначення параметрів діаграм деформування бетону при короткочасній та тривалій дії навантаження дозволила сформулювати основні передумови визначення напружено-деформованого стану нормального перерізу на усіх етапах його роботи:

- у якості розрахункового приймається переріз, деформації якого дорівнюють середнім по довжині блоку між тріщинами (якщо такі є);

- зв'язок між напруженнями і деформаціями бетону приймається у вигляді діаграм, що описуються залежністю (5);

- зв'язок між напруженнями і деформаціями арматури, що має фізичну площадку текучості, приймається у вигляді ідеалізованої діаграми Прандтля;

- для середніх деформацій бетону і арматури по висоті перерізу вважається справедливою гіпотеза плоских перерізів на усіх етапах роботи;

- робота бетону на розтяг (виникнення напружень у розтягнутому бетоні) не враховується.

Дія короткочасного навантаження викликає появу у нормальному перерізі згинаного залізобетонного елементу напружено-деформованого стану, який обумовлюється міцнісними та деформативними характеристиками бетону та арматури, геометричними характеристиками перерізу.

Рівняння рівноваги внутрішніх та зовнішніх зусиль у нормальному перерізі згинаного залізобетонного елементу матимуть вигляд

(11)

де , - зусилля, що виникає відповідно у стиснутому бетоні та розтягнутій арматурі;

- момент зовнішніх сил відносно осі, що проходить через нейтральну вісь перерізу;

, - момент зусилля, що виникає відповідно у стиснутому бетоні та розтягнутій арматурі відносно тієї ж осі.

Для прямокутного перерізу при короткочасній дії навантаження

(12)

При тривалій дії навантаження для моменту часу t

(13)

У формулах (12), (13) - кривизна перерізу.

Наведені залежності дають можливість визначити параметри напружено-деформованого стану нормального перерізу згинаного залізобетонного елементу при тривалій дії навантаження, в тому числі і розподіл напружень у бетоні по висоті перерізу.

При короткочасному довантаженні зв'язок між напруженнями та деформаціями для бетону перерізу залізобетонного елементу, що зазнав тривалої дії навантаження, запропоновано у вигляді

, (14)

де - параметри діаграми деформування бетону при короткочасному навантаженні, що визначаються за формулами (1-4) для моменту часу ;

- приріст деформацій у бетоні при довантаженні у момент часу ;

- напруження у бетоні викликані навантаженням прикладеним у початковий момент часу, перед початком дії довантаження у момент часу .

Рівняння рівноваги матимуть вигляд

(15)

(16)

Рівняння (12-16) дають можливість виконати оцінку напружено-деформованого стану перерізу на всьому протязі його роботи: від початку прикладання навантаження, при тривалій дії навантаження і довантаженні до руйнування.

У четвертому розділі описано методику, з наведенням алгоритму розрахунку, використання отриманих залежностей для оцінки напружено-деформованого стану нормального перерізу згинаного залізобетонного елементу при тривалій дії навантаження і наступному довантаженні до руйнування та визначенні його міцності, жорсткості та тріщиностійкості.

Критерієм визначення міцності згинаного залізобетонного елементу при короткочасній та тривалій дії навантаження є досягнення деформаціями стиснутого бетону або розтягнутої арматури своїх граничних значень (, ).

При короткочасній дії навантаження несуча здатність елементу визначається як максимальний момент, що може сприйняти зразок - на кривій деформування . При тривалій дії навантаження за несучу здатність елементу приймається таке значення згинаючого моменту, при якому елемент не зруйнується в часі, тобто, рівняння (11) мають розв'язок.

Жорсткість перерізу згинаного елементу на будь-якій стадії деформування визначається за формулою

.(17)

Тріщиностійкість елементу визначається досягненням деформаціями розтягнутого бетону своїх граничних значень , що з певним наближенням можуть бути визначені за відомою формулою

.(18)

Для окремого виду, або складу бетону можна визначити більш точне значення величини , але на сам порядок розрахунку це не вплине.

Ширина розкриття тріщин визначається як накопичення взаємного зміщення між арматурою і бетоном на ділянці між тріщинами

, (19)

де - деформації шару арматури, на рівні якого визначається ширина розкриття тріщин;

- деформації бетону на рівні і-го шару арматури;

- відстань між тріщинами, що визначається за видозміненою формулою діючого СНиП

.(20)

Слід зазначити, що структура розрахунку дозволяє легко застосувати будь-яку більш обґрунтовану залежність з визначення .

Оцінка точності розрахункового апарату виконана шляхом порівняння результатів розрахунків з результатами власних експериментальних досліджень, а також досліджень В.А. Зедгенідзе та М.С. Безбожної. Для несучої здатності та кривизни перерізу при короткочасному довантаженні отримано Cv = 3,4%, = 3,5% та Cv = 4,4%, = 4,6% відповідно.

Виконане порівняння дозволяє стверджувати, що розроблений розрахунковий апарат, як якісно, так і кількісно, достатньо добре відображає модельований процес деформування згинаних залізобетонних елементів при тривалій дії навантаження та наступній короткочасній його зміні.

Розроблений розрахунковий апарат був використаний в рамках проекту стабілізаційних заходів плану SIP для оцінки напружено-деформованого стану посиленого каркасу деаераторної етажерки 4-го енергоблоку Чорнобильської АЕС, який має закритичні дефекти.

Висновки

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення досліджень впливу тривалого навантаження високого рівня та наступного короткочасного довантаження на параметри діаграми деформування бетону та роботу згинаних залізобетонних елементів. Розроблені залежності дають можливість описати роботу бетону у складі нормального перерізу згинаного залізобетонного елементу на всіх стадіях його деформування, виходячи з єдиних розрахункових передумов на основі реальних діаграм деформування бетону.

2. Експериментально встановлено, що тривала дія напружень впливає на основні параметри діаграми деформування бетону при короткочасному стиску в залежності від рівня діючого навантаження та тривалості його дії:

- тривала дія навантаження незначного рівня (0,17br) не викликає значних змін у параметрах діаграми деформування бетону при короткочасному стиску;

- тривала дія навантаження рівня (0,45-0,51)br викликає суттєву зміну деформативних характеристик бетону (br та bu зменшуються відповідно на 12% та 40%) і не призводить до суттєвого збільшення призмової міцності (7%);

- якщо після початку дії навантаження, що за своїм рівнем близьке до призмової міцності бетону, існує можливість його зменшення, то дія такого навантаження не призводить до зниження призмової міцності при наступному короткочасному довантаженні до руйнування, а позначається лише на деформативних характеристиках бетону (br та bu зменшуються відповідно на 32% та 69%).

3. Експериментально встановлено закономірності впливу тривалого навантаження і наступного довантаження до руйнування на зміну напружено-деформованого стану нормального перерізу та несучу здатність згинаного залізобетонного елементу:

- максимальний рівень початкового навантаження на згинаний залізобетонний елемент,при якому він не зруйнується у часі, може складати до 0,93 від його несучої здатності. Необхідною умовою цього є пружне деформування розтягнутої арматури. При цьому, при послідуючих короткочасних випробуваннях, несуча здатність зразків може перевищувати несучу здатність незавантажених зразків у 1,42 рази;

- рівень збільшення несучої здатності балок, при довантаженні після тривалої дії навантаження, залежить як від рівня та тривалості попередньої дії навантаження, так і вмісту армування. Найбільше збільшення було відзначене при рівні тривалого навантаження, що складав 0,67-0,88 від несучої здатності контрольних зразків (1,0br-1,35br);

- збільшення несучої здатності залізобетонних балок, після тривалої дії навантаження, забезпечується як зміною напружено-деформованого стану перерізу на протязі часу під впливом навантаження, так і зміною міцнісних характеристик бетону під впливом тривалої дії напружень.

4. Дані експериментальних досліджень дозволили отримати:

- залежності для визначення параметрів діаграми деформування бетону при тривалій дії навантаження на довільний момент часу та при короткочасному стиску після тривалої дії навантаження;

- залежності для описання напружено-деформованого стану перерізу при тривалій дії навантаження та при наступному довантаженні.

5. На основі отриманих залежностей з визначення параметрів діаграми деформування бетону розроблено аналітичну модель визначення напружено-деформованого стану та методику розрахунку міцності, жорсткості та тріщиностійкості нормальних перерізів згинаних залазобетонних елементів при тривалій дії навантаження та наступній його короткочасній зміні. Розроблений алгоритм розрахунку дає можливість визначити несучу здатність згинаних залізобетонних елементів, а також їх жорсткість та ширину розкриття тріщин на будь-якій стадії деформування. Алгоритм реалізовано у середовищі "Microsoft Excel".

6. Виконаний аналіз точності розрахункового апарату показав достатню як якісну, так і кількісну збіжність результатів розрахунку та експериментальних даних. При визначенні несучої здатності балок при довантаженні після тривалої дії навантаження та відповідаючої їй кривизни, розбіжність між результатами розрахунку та дослідними даними не перевищує 5%.

Публікації

1. Бамбура А.М., Войцеховський О.В., Гурківский О.Б. Результати експериментальних досліджень впливу малоциклового тривалого навантаження високого рівня на роботу залізобетонних балок // Збірник статей "Повзучість в конструкціях", Одеса, 1998 р. (автору належить одержання результатів експериментальних досліджень).

2. Гурківський О.Б. Експериментальні дослідження впливу малоциклового тривалого навантаження високого рівня на роботу згинаних залізобетонних балок// Вісник ВПІ. - 1999. - №2. - с. 24-30.

3. Войцеховський О.В., Гурківський О.Б. Несуча здатність згинаних залізобетонних балок після тривалої дії навантаження// Будівельні конструкції №50. - К.: НДІБК. - 1999. - с. 58-63. (автору належить одержання результатів експериментальних досліджень та їх аналіз).

4. Гурковский А.Б., Безбожная М.С. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов при длительном действии загрузки // Конференция творческой молодежи „Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций: доклады и труды молодых специалистов". - М.: НИИЖБ, Джеймс. - 2002. - С. 105-112. (автору належить одержання результатів частини експериментальних досліджень).

5. Бамбура А.М., Безбожна М.С., Гурківський О.Б. Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану згинаних залізобетонних елементів при тривалій дії навантаження // Будівельні конструкції №57. - К.: НДІБК. - 2002. - с. 21-30. (автору належить одержання частини результатів експериментальних досліджень та їх аналіз).

6. Гурківський О.Б. Напружено-деформований стан згинаних залізобетонних елементів при тривалій дії навантаження // Будівельні конструкції №58. - К.: НДІБК. - 2003. - с. 25-33.

7. Бамбура А.Н., Гурковский А.Б. К построению деформационной теории железобетона стержневых систем на экспериментальной основе.// Будівельні конструкції №59. - К.: НДІБК. - 2003. - с. 121-130. (автору належить одержання розрахункових формул у частині тривалої дії навантаження).

Аннотация

Гурковский А.Б. "Прочность, жесткость и трещиностойкость изгибаемых железобетонных элементов при режимных нагружениях" - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооружения". Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций, Киев, 2004 г.

Диссертация посвящена разработке методики расчета по определению прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов при длительном действии нагрузки и последующем догружении, на основе реальных диаграмм деформирования бетона.

Выполнен анализ экспериментальных и теоретических работ по вопросам режимов приложения нагрузки, влияния длительности загружения на прочность бетона и работу железобетонных конструкций.

Разработана и реализована программа экспериментальных исследований, в ходе которых получены данные о влиянии длительного загружения на параметры диаграммы деформирования бетона как при кратковременном сжатии, так и при длительном действии нагрузки. Установлено, что длительное действие нагрузки значительно влияет на деформативность бетона и в меньшей мере на его прочность. Исследовано влияние длительного действия нагрузки на работу изгибаемых железобетонных элементов. Показано, что для элементов с высоким содержанием арматуры длительное действие нагрузки приводит к увеличению несущей способности. Установлены характер разрушения и трещинообразования как при длительном действии нагрузки, так и кратковременном.

Разработаны аналитические зависимости по определению параметров диаграмм деформирования бетона в зависимости от длительности и уровня действующей нагрузки.

На их основе сформулированы расчетные предпосылки и разработан аналитический аппарат по оценке напряженно-деформированного состояния нормального сечения изгибаемого железобетонного элемента при длительном действии нагрузки и последующем догружении, разработатана методика определения прочности, жесткости и трещиностойкости. Составлен алгоритм расчета.

Выполнена оценка точности расчетного аппарата, путем сравнения результатов расчета и экспериментальных данных. Результаты сравнения подтверждают, что разработанная методика расчета достаточно хорошо отражает моделируемый процесс деформирования изгибаемых железобетонных элементов при рассматриваемом режиме действия нагрузки.

Приведен пример использования разработанной методики, показывающий ее эффективность при решении сложных инженерных задач.

Результаты работы были использованы при расчетах поврежденных элементов каркаса деаэраторной этажерки 4-го энергоблока Чернобыльской АЭС.

Ключевые слова: бетон, диаграмма деформирования, напряженно-деформированное состояние, длительное действие нагрузки, догружение.

Анотація

Гурківський О.Б. "Міцність, жорсткість та тріщиностійкість згинаних залізобетонних елементів при режимних навантаженнях". - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 "Будівельні конструкції, будівлі та споруди". Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій. Київ - 2004 р.

Дисертація присвячена розробці методики визначення міцності, жорсткості та тріщиностійкості згинаних залізобетонних елементів при тривалій дії навантаження і наступному довантаженні до руйнування, на основі реальних діаграм деформування бетону. Проведено експериментальні дослідження впливу тривалого навантаження на параметри діаграми деформування бетону, як при короткочасному стиску, так і при тривалій дії навантаження, дослідження впливу тривалого навантаження на роботу згинаних залізобетонних елементів. Розроблено розрахункові залежності з визначення параметрів діаграм деформування бетону та, на їх основі, методику з оцінки напружено-деформованого стану згинаних залізобетонних елементів та визначення їх міцності, жорсткості та тріщиностійкості. Розроблено алгоритм розрахунку. Виконано оцінку точності розрахункового апарату, наведено приклад розрахунку. Результати були використані при розрахунках пошкоджених елементів каркасу деаераторної етажерки 4-го енергоблоку Чорнобильської АЕС.

Ключові слова: бетон, діаграма деформування, напружено-деформований стан, тривала дія навантаження, довантаження.

Annotation

Gurkivskiy O.B. "Strength, rigidity and crack-resistance of the bending reinforced concrete elements under regime loadings". - Manuscript. Thesis for obtaining a scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 05.23.01 "Building structures, buildings and constructions". The State Research Institute of Building Constructions. Kyiv - 2004.

Thesis is devoted to development of calculation procedure for determination of strength, rigidity and crack-resistance of the bending reinforced concrete elements under long-term action of loading and further additional loading up to failure on the basis of the real concrete strain diagrams. The experimental investigations of long-term loading impact on the concrete strain diagram parameters of both under short-term compression and under long-term loading action; the investigations of long-term loading action on behavior of the bending reinforced concrete elements were performed. The design relations for determination of the concrete strain diagram parameters were developed and on their basis those for assessment of stress-strain state of the bending reinforced concrete elements and for determination of their strength, rigidity and crack-resistance were worked out as well. A calculation algorithm was developed. An evaluation of the calculation procedure accuracy was performed and an example of calculation is provided. The results were used for analysis of the damaged framework elements of the Chernobyl NPP 4th power unit deaerator stack.

Key words: concrete, strain diagram, stress-strain state, long-term action of loading, additional loading.

Размещено на Allbest.ru

...