Напружено-деформований стан стиснутих залізобетонних елементів з високоміцних модифікованих бетонів, в тому числі в умовах нагрівання до 200 градусів

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України (м. Макіївка).

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Левін Віктор Матвійович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри вищої та прикладної математики і інформатики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Молодченко Геннадій Анатолійович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри будівельних конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент Журавський Олександр Дмитрович, Київський національний університет будівництва і архітектури, доцент кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій.

Провідна установа - Одеська державна академія будівництва та архітектури (кафедра залізобетонних та кам'яних конструкцій) Міністерства освіти і науки України (м. Одеса).

Захист відбудеться " 27 " червня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I-й навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.

Автореферат розісланий " 27 " травня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради М.М. Зайченко

1. Загальна характеристика роботи

бетон нагрівання армування

Актуальність теми. Для більшості розвинутих країн характерна стійка тенденція до зростання інвестицій у будівництво висотних будівель з монолітного залізобетону. При цьому до 40% від загальних витрат доводиться на частину несучих конструкцій. Найефективнішим способом зниження маси конструкцій, трудомісткості й вартості їх зведення є застосування сучасних високоміцних бетонів класів В60В100, які мають високі фізико-технічні характеристики. Середня міцність бетонів, застосовуваних у країнах Європи, на 3040%, а в США - вдвічі вище, ніж в Україні. Оптимальним для виробництва таких бетонів є використання комплексних модифікаторів. Ефективним способом підвищення несучої здатності стиснутих елементів є також застосування непрямого армування.

Перспективним є використання високоміцних бетонів для зведення конструкцій, призначених для роботи в умовах дії підвищених температур. Зменшення розмірів поперечних перерізів дозволяє знижувати в конструкціях температурні перепади і, як наслідок, температурні напруження. Дані про вплив підвищених температур, масштабного чинника, непрямого армування на міцність і деформації конструкцій із високоміцних бетонів украй обмежені, що стримує їх застосування як в новому будівництві, так і при реконструкції будівель і споруд.

Розвиток методів розрахунку залізобетонних конструкцій з високоміцного бетону на основі більш повного врахування особливостей формування їх напружено-деформованого стану (НДС), характеристик міцнісних і деформативних властивостей матеріалів є актуальною задачею, вирішення якої дозволить отримати суттєвий економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру за темою дисертації виконані в межах держбюджетної теми "Розробка наукових, технічних та технологічних засад для створення бетонних та залізобетонних конструкційних будівельних виробів з високими фізико-механічними та експлуатаційними властивостями" (держ. реєстр. № 016U002849). Дослідження процесів деформування та руйнування високоміцних модифікованих бетонів виконані також у межах Договору про науково-технічну співпрацю між ДонНАБА й Відділенням будівельних наук Російської Академії архітектури і будівельних наук (м. Москва, Росія).

Метою дослідження є уточнення методики розрахунку міцності й деформацій стиснутих елементів з непрямим армуванням з високоміцного модифікованого бетону на основі більш повного урахування впливу на характеристики міцнісних і деформативних властивостей масштабного чинника, дії підвищених температур.

Задачі досліджень:

- визначити характеристики міцнісних і деформативних властивостей високоміцного бетону на основі модифікаторів серії МБ при стисканні й розтягуванні, у тому числі за умов короткочасного і тривалого нагрівання до +200С;

- встановити експериментальними й теоретичними методами вплив масштабного чинника на деформації усадки, міцність і деформації елементів конструкцій при стисканні;

- визначити показники неоднорідності міцнісних і деформативних властивостей бетону за об'ємом великорозмірних дослідних зразків;

- встановити вплив непрямого армування на міцність і деформації залізобетонних елементів з високоміцного модифікованого бетону при короткочасному стисканні;

- визначити методами математичного моделювання вплив початкової неоднорідності механічних властивостей бетону, непрямого армування на характеристики НДС залізобетонних елементів при позацентровому стисканні, в тому числі в умовах дії підвищених температур;

- уточнити методику „СНиП 2.03.01-84*” в частині розрахунку коротких стиснутих залізобетонних елементів з непрямим армуванням стосовно конструкцій з високоміцного модифікованого бетону, а також розробити пропозиції в частині розрахунку їх деформацій.

Об'єкт дослідження - стиснуті залізобетонні елементи конструкцій з високоміцного модифікованого бетону, в тому числі з непрямим армуванням.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан і міцність на стискання коротких елементів з непрямим армуванням з високоміцного модифікованого бетону, в тому числі в умовах дії підвищених температур.

Методи дослідження:

- методи фізичного й математичного моделювання;

- механічні методи випробування матеріалів навантаженням і вимірювання переміщень.

Наукову новизну одержаних результатів складають:

- експериментальні дані про вплив короткочасного й тривалого нагрівання до +200С на характеристики механічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів класів В60В80;

- експериментальні дані про вплив масштабного чинника на деформації усадки, характеристики міцнісних і деформативних властивостей високоміцного бетону, на показники їх неоднорідності за об'ємом конструкції;

- експериментальні дані про вплив непрямого армування на міцність і деформації залізобетонних елементів з високоміцного модифікованого бетону при навантаженні стисканням;

- експериментальні й теоретичні дані про закономірності зміни НДС залізобетонних елементів конструкцій з високоміцного бетону при навантаженні стисканням, у тому числі з урахуванням масштабного чинника і впливу підвищених температур.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці рекомендацій щодо нормування характеристик, міцнісних і деформативних властивостей високоміцних модифікованих бетонів класів В60В80, у т.ч. дрібнозернистих, а також стосовно умов впливу підвищених до +200С температур; в розвитку методики „СНиП 2.03.01-84*” в частині розрахунку міцності стиснутих елементів з непрямим армуванням з високоміцних модифікованих бетонів, а також пропозицій щодо розрахунку їх деформацій.

Результати досліджень використані:

- при розробці проекту державних норм України ДБН “Бетонні та залізобетонні конструкції” в частині пропозицій щодо нормування характеристик міцнісних і деформативних властивостей високоміцних бетонів класів В60В80, у тому числі для умов дії підвищених температур;

- при варіантному розрахунку несучих конструкцій 24-поверхового монолітного житлового будинку, що зводиться ТОВ “Альтком-Інвестбуд” у м. Донецьку.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані автором самостійно. Особистий внесок автора включає:

- розробку методики випробувань, виготовлення дослідних зразків, проведення експериментальних досліджень;

- виявлення залежності характеристик механічних властивостей високоміцного модифікованого бетону, в тому числі дрібнозернистого, при стисканні й розтягуванні від температури і тривалості нагрівання;

- визначення впливу масштабного чинника на деформації усадки, міцність і деформації бетону при короткочасному стисканні, на показники неоднорідності міцнісних і деформативних властивостей бетону за об'ємом великорозмірних елементів;

- виявлення впливу непрямого армування на міцність і деформації зразків з високоміцного бетону при осьовому стисканні;

- чисельні дослідження НДС залізобетонних елементів при осьовому та позацентровому стисканні з урахуванням неоднорідності механічних властивостей бетону за об'ємом конструкції;

- рекомендації щодо врахування впливу підвищених температур на характеристики міцнісних і деформативних властивостей високоміцних бетонів;

- пропозиції щодо уточнення методики „СНиП 2.03.01-84*” в частині розрахунку міцності стиснутих елементів з непрямим армуванням стосовно конструкцій з високоміцних бетонів, а також розрахунку їх деформацій.

Апробація дисертаційної роботи. Основні результати дисертації доповідалися й обговорювалися на двох міжнародних науково-практичних конференціях “Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології” (м. Макіївка, 2003 р. і 2005 р.); науково-технічній конференції “Будівельна фізика в XXI столітті” (м. Москва, 2006 р.); Другому міжнародному науково-практичному семінарі “Методи підвищення ресурсу міської інженерної інфраструктури” (м. Харків, 2006 р.); Другій міжнародній науково-практичній конференції “Математичні моделі процесів у будівництві” (м. Луганськ, 2007 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації і результати досліджень представлені в трьох наукових статтях, опублікованих у фахових виданнях, включених до переліку ВАК України, та в двох друкованих працях за матеріалами конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури (132 найменування) і додатків. Робота викладена на 165 машинописних сторінках, у тому числі 122 сторінки основного тексту, 45 рисунків, 12 таблиць, 14 сторінок списку використаної літератури, 2 сторінки додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі подана загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практична цінність роботи, наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів і публікації.

У розділі 1 розглянуто сучасний стан питання, визначені основні тенденції в галузі технології бетонів нового покоління з високими фізико-технічними властивостями, наведено огляд експериментальних досліджень міцнісних і деформативних властивостей високоміцних бетонів, аналіз результатів досліджень напружено-деформованого стану конструкцій з урахуванням нерівноважних процесів у бетоні, температурних дій та інших чинників.

У роботах А.М. Бамбури, В.Я. Бачинського, О.Я. Берга, В.С. Булгакова, О.Б. Голишева, О.Є. Десова, Ю.О. Іванова, Я.Д. Лівшиця, Р.О. Мельника, А.Ф. Милованова, В.М. Москвіна, Г.М. Писанки, М.В. Свиридова, В.І. Ситника, О.В. Ушерова-Маршака, В.М. Чеснокова, Є.М. Щербакова та інших подані достатньо повні дані про основні характеристики міцнісних і деформативних властивостей високоміцних бетонів, виготовлених за традиційною технологією з використанням високомарочних цементів і ретельним підбором складових. Встановлені співвідношення призмової та кубикової міцності, ступінь впливу масштабного чинника на міцність зразків-кубів, основні особливості деформування і руйнування.

У дослідженнях В.Г. Батракова, Ф.А. Іссерса, С.С. Капрієлова, М.І. Карпенка, Ю.А. Климова, О.В. Шейнфельда, О.О. Шишкіна, С. Galle, J. Sercombe, W.H. Dilger та ін. розглянуті основні концепції розвитку й характеристики фізико-механічних і реологічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів на основі модифікаторів, у тому числі органо-мінеральних модифікаторів серії МБ. Відзначено, що широке запровадження високоміцних бетонів стримується недостатньою вивченістю їх реологічних і механічних властивостей в умовах нормальної температури і практично повною відсутністю даних про вплив на характеристики їх властивостей масштабного чинника, підвищених температур.

Особливості формування НДС залізобетонних конструкцій в умовах неоднорідної усадки, нерівномірного нагрівання, основні принципи побудови методик розрахунку залізобетонних конструкцій з урахуванням неоднорідності властивостей матеріалів розглянуті в роботах С.В. Александровського, А.Я. Барашикова, Б.Г. Демчини, О.Д. Журавського, М.І. Карпенка, С.Ф. Клованича, В.І. Корсуна, О.П. Кричевського, В.М. Левіна, А.Ф. Милованова, Г.А. Молодченка, С.Л. Фоміна, Е.Д. Чихладзе та ін. Показано, що НДС залізобетонних елементів конструкцій значною мірою визначається неоднорідністю за об'ємом як міцнісних і деформативних властивостей, так і вологісних деформацій бетону. Ймовірна оцінка розрахунковими методами НДС залізобетонних елементів з неоднорідними властивостями ускладнена внаслідок відсутності достатньо розроблених моделей деформування армованого бетону з високими фізико-технічними властивостями.

На підставі аналізу літературних джерел сформульовані мета і задачі дослідження.

У розділі 2 подані склади досліджуваних бетонів, характеристика дослідних зразків, викладені методики проведення експериментальних і теоретичних досліджень, методи обробки отриманих результатів.

Як основні об'єкти експериментальних досліджень прийняті зразки з високоміцних бетонів, у тому числі дрібнозернистого, з органо-мінеральними модифікаторами серії МБ, що містять мікрокремнезем, золу-винесення, суперпластифікатор і регулятор твердіння. Матеріали: цемент М500 ВАТ “Балцем”, пісок кварцовий Краснолиманського кар'єру (Мкр = 1,1), щебінь гранітний Каранського кар'єру фракції 5...20 мм. У дрібнозернистих бетонах як заповнювач використаний кварцовий пісок Просяновського кар'єру (Мкр = 1,9).

Склади бетонів: на гранітному щебені - Ц : П : Щ = 1 : 1,1 : 2,2 при В/Ц = 0,3 з модифікатором МБ 10-01 в кількості 20% від маси цементу (ОК = 21 см); дрібнозернистого - Ц : П = 1 : 1,8 при В/Ц = 0,26 з модифікатором МБ 10-50С в кількості 10% від маси цементу (ОК = 25 см). Перемішування бетонних сумішей - у бетонозмішувачі примусової дії, бетонування - в горизонтальному положенні без вібрації. Витримування зразків у формах до розпалубки - протягом однієї доби.

Програма досліджень включала три групи експериментів:

- дослідження температурних й усадкових деформацій бетонів, характеристик їх міцнісних і деформативних властивостей в умовах осьового стискання і розтягування, в тому числі в діапазоні температур від +20 до +200С;

- дослідження залежності деформацій усадки, характеристик міцнісних і деформативних властивостей модифікованих бетонів від розмірів дослідних зразків, виявлення ступеня неоднорідності механічних властивостей бетону за об'ємом великорозмірних зразків-призм;

- дослідження впливу непрямого армування на міцність і деформації зразків-призм з модифікованого бетону при осьовому стисканні.

Як основні еталонні зразки для визначення характеристик механічних властивостей досліджених бетонів прийняті зразки-призми розмірами 150150600 мм. Додаткові зразки - бетонні призми розмірами 100100400, 250250650 і 300300800 мм, куби з розмірами ребер 100 і 150 мм. Призми розмірами 100100400 мм, призначені для випробувань на осьове розтягування, оснащувалися сталевими оголовниками товщиною 25 мм зі спеціальними анкерами.

Дослідження роботи стиснутих залізобетонних елементів здійснювалося на зразках-призмах розмірами 150150600 мм і 250250650 мм. У зразках перерізом 150150 мм подовжня арматура - 4 10 А-400 (s = 1,4%), непряме армування - сітки з арматури 5 Вр-400 з чарункою 40 мм, крок сіток - 60 і 100 мм (коефіцієнти непрямого армування xy = 2,2 і 1,3% відповідно). В призмах перерізом 250250 мм подовжня арматура - 4 14 А-400 (s = 1,0%), непряме армування - сітками зі стержнів 10 A-400 з розміром чарунки 70 мм, крок сіток - 60 і 100 мм (xy = 5,0 і 3,0% відповідно).

У дослідах швидкість підвищення температури приймалася 1215С/год, температури нагрівання - +90 +150 і +200С, нагрів - короткочасний і тривалий. Тривалість короткочасного нагрівання до початку пресових навантажень при температурах +90 +150 і +200С приймалася відповідно 15, 13 і 12 годин, що на момент руйнування відповідало часу досягнення мінімальної міцності у звичайних важких бетонів при таких самих температурах випробування.

Вік бетону до початку температурних і пресових випробувань - 4060 діб. Кількість зразків на кожну температуру і кожний режим за тривалістю нагрівання - не менше двох.

За наслідками випробувань визначалися: призматична міцність бетону Rb, міцність на розтяг Rbt, початковий модуль пружності Eb, граничні деформації вкорочення при стисненні й подовження при розтягуванні , коефіцієнти пружних el і поперечних b деформацій.

Показники неоднорідності характеристик механічних властивостей дослідженого бетону за об'ємом великорозмірних зразків-призм оцінювалися за результатами випробувань на осьове стискання зразків-елементів розмірами 100100250 (300) мм, випиляних з призми розмірами 300300800 мм.

Навантаження армованих призм здійснювалося етапами до руйнування з виміром подовжніх і поперечних деформацій стосовно бетону й стержнів арматури.

В процесі проведення експериментальних досліджень було випробувано 142 куби й 67 зразків-призм різних розмірів, у тому числі 8 армованих призм і 33 призми в умовах нагрівання.

У розділі 3 наведені результати експериментальних досліджень температурно-усадкових деформацій, характеристик міцнісних і деформативних властивостей високоміцних модифікованих бетонів у діапазоні температур від +20 до +200С.

Модифіковані бетони на гранітному щебені дослідженого складу мають, в середньому, призматичну міцність близько Rb = 70 МПа, міцність на розтяг Rbt = 3,5 МПа, коефіцієнт призмової міцності Кпп 0,85, початковий модуль пружності при стисканні Еb = 3,4104 МПа, початковий модуль пружності при розтягуванні Еbt = 4,0104 МПа, граничну стисливість = 2,510-3, граничну розтяжність = 1,810-4, початковий коефіцієнт поперечної деформації b = 0,18.

У дрібнозернистих модифікованих бетонів дослідженого складу аналогічні характеристики механічних властивостей склали Rb = 60 МПа, Еb = 3,5104 МПа, = 2,2510-3, b = 0,2.

Результати експериментів свідчать про те, що величини деформацій усадки, характеристики міцнісних і деформативних властивостей високоміцних бетонів суттєво залежать від розмірів дослідних зразків, температури та тривалості нагрівання.

Деформації усадки в умовах нормальної температури в подовжньому напрямі еталонних зразків-призм розмірами 150150600 мм з високоміцного модифікованого бетону на гранітному щебені склали, в середньому, 43,510-5, а у зразків розмірами 100100400 мм і 250250650 мм - відповідно 125% і 88% від значень у еталонних призм. Для зразків усіх розмірів деформації усадки в поперечному напрямі в 1,61,8 рази перевищували відповідні значення в подовжньому напрямі.

Температурні деформації подовження модифікованого бетону на гранітному щебені у зразків-призм розмірами 150150600 мм при першому короткочасному нагріванні до +90 +150 і +200С склали відповідно 8210-5, 128,910-5 і 16610-5, при тривалому нагріванні - 43,810-5, 93,910-5 і 129,210-5. Повні температурні деформації вкорочення в охолодженому стані після тривалого нагрівання склали відповідно температурам нагрівання (-13,6)10-5, (-11,0)10-5 і (-6,5)10-5. за період тривалого ізотермічного нагрівання при температурах +90 +150 і +200С виявилися близькими за значеннями і склали відповідно 38,210-5, 35,010-5 і 36,810-5.

Коефіцієнти лінійної температурної деформації bt для модифікованих бетонів при першому короткочасному нагріванні до +200С близькі за величинами і складають (9,211,7)10-6 град-1, при тривалому нагріванні до температур +90 +150 і +200С їх величини знижуються до значень відповідно 6,510-6, 7,210-6 і 7,210-6 град-1.

Короткочасне нагрівання бетону на гранітному щебені до температур +90 +150 і +200С призводить, порівняно з характеристиками при нормальній температурі, до зниження призмової міцності відповідно на 10%, 3% і 4%, початкового модуля пружності бетону - на 21%, 27% і 52%, до збільшення граничної стисливості на 9%, 17% і 34% відповідно.

Тривале нагрівання при тих самих температурах призводить до часткового відновлення міцності бетону порівняно з короткочасним нагріванням до рівнів відповідно 0,95, 1,05 і 0,98 від міцності бетону, що не нагрівався, до зменшення початкового модуля пружності на 25%, 37% і 42% і до збільшення граничної стисливості на 21%, 38% і 75% порівняно з відповідними значеннями характеристик до нагрівання.

Короткочасне нагрівання дрібнозернистого модифікованого бетону до температур +90 +150 і +200С не призводить до зниження міцності (приріст до 5%) порівняно з бетоном у не нагрітому стані, проте зумовлює зниження початкового модуля пружності на 20%, 28% і 33% і збільшення граничної стисливості на 18%, 24% і 27% відповідно.

Значення коефіцієнтів поперечних деформацій b у модифікованого бетону на гранітному щебені при короткочасному нагріванні до +90 +150 і +200С знижуються на 17%, 28% і 72% відповідно й суттєво не залежать від тривалості нагрівання. Ця характеристика у дрібнозернистого модифікованого бетону при тих самих температурах нагрівання знижується відповідно на 17%, 34% і 38%.

Нижній inf /Rb і верхній sup /Rb параметричні рівні процесу мікротріщиноутворення в структурі склали в умовах нормальної температури у модифікованого бетону на гранітному щебені відповідно 0,57 і 0,78, у дрібнозернистого - 0,8 і 0,92, що орієнтовно в 1,5...2 рази перевищує відповідні характеристики для звичайних важких бетонів середньої міцності. Дія підвищених температур, без істотної залежності від тривалості нагрівання, призводить до певного зниження на 7% у бетоні на гранітному щебені й на 15% у дрібнозернистих бетонів нижнього й верхнього параметричних рівнів.

Відзначені особливості зміни властивостей бетонів при впливі підвищених температур обумовлені дією деструктивних і конструктивних факторів у структурі бетону. Найбільш значимі серед деструктивних факторів - структурні напруження в контактній зоні „цементний камінь - заповнювач” - великою мірою проявляються при першому нагріванні в грубозернистих бетонах.

Рекомендовані значення коефіцієнтів умов роботи, температурних деформацій і деформацій усадки для високоміцних модифікованих бетонів стосовно діапазону температур +20 +200С наведені в табл. 1.

Таблиця 1 Значення коефіцієнтів умов роботи й температурних деформацій для модифікованого бетону

Для дослідних зразків із високоміцного бетону на гранітному щебені характерна істотна залежність характеристик міцнісних і деформативних властивостей від їх розмірів. Так, у зразків-призм поперечним перерізом 100100 мм значення міцності на стиск Rb, початкового модуля пружності Eb і граничної стисливості відповідно на 18%, 6% і 21% нижче від відповідних характеристик для еталонних призм перерізом 150150 мм, а у призм перерізом 250250 мм указані характеристики властивостей відповідно на 19%, 6% і 17% вище за аналогічні характеристики у еталонних зразків. Це пояснюється різними умовами влаговидалення та приросту міцності для внутрішніх і зовнішніх шарів бетону.

Вплив масштабного чинника на деформації усадки бетону cs,u(M0) в розрахунках для умов нормальної температури запропоновано враховувати за допомогою функції cs,Mo залежно від модуля відкритої поверхні M0 (:

cs,u(M0) = сs,ucs,Mo , (1)

де сs,u - максимальна величина деформацій усадки зразків бетону

еталонних розмірів (M0 = 30 м-1):

. (2)

Залежність міцності бетону на стиск від об'єму і розмірів конструкцій в розрахунках рекомендується враховувати за допомогою коригувальної функції b,Mo, а значення початкового модуля пружності й граничної стисливості - за формулами (3) (6) залежно від скоректованого значення міцності.

Rb(t, T, M0) = Rbbt(t, T)b,Mo; (3)

Eb(t, T, M0) = Ebb(t, T); (4)

, (5)

де . (6)

Значення коефіцієнту поперечних деформацій бетону знижуються пропорційно температури нагрівання й суттєво не залежать від тривалості її дії. Для визначення величини коефіцієнту запропоновано вираз:

b(t) = 0,19 - 0,0004(t - 20). (7)

Аналітичний опис діаграм “-” високоміцних модифікованих бетонів класів В60В80 з достатньою точністю може бути здійснено залежністю у формі квадратної параболи при задаванні відповідних значень Rb, Eb і .

У розділі 4 наведені результати експериментальних досліджень показників неоднорідності міцнісних і деформативних властивостей за об'ємом великорозмірних зразків, експериментальних і теоретичних досліджень міцності й деформацій залізобетонних елементів із непрямим армуванням при навантаженні центральним і позацентровим стисканням. Неоднорідність міцнісних і деформативних властивостей модифікованого бетону за об'ємом великорозмірних зразків-призм розміром 300300800 мм характеризується збільшенням призмової міцності до 25%, початкового модуля пружності - до 16%, граничної стисливості - до 12% для серединних елементів з внутрішніх об'ємів порівняно зі значеннями для шарів поблизу зовнішніх граней

Отримані експериментальні дані про вплив непрямого армування на міцність і граничні деформації залізобетонних елементів. Встановлена можливість застосування методики „СНиП 2.03.01-84*” до розрахунку міцності елементів з непрямим армуванням з високоміцних бетонів класів В60В80. Запропоновані аналітичні вирази для визначення граничних деформацій елементів залежно від інтенсивності непрямого армування й модифіковані вирази для опису діаграми “-” елементів із непрямим армуванням у вигляді полінома 3-го ступеня:

, (8)

де ; ; а1 = 3; а2 = -3, а3 = 1;

; (9)

Rb,red - приведена призмова міцність за формулою (48) „СНиП 2.03.01-84*”;

- за формулою (51) „СНиП 2.03.01-84*”.

У теоретичних дослідженнях як вихідна прийнята модель неоднорідного залізобетонного елемента зі змінними характеристиками механічних властивостей за об'ємом конструкції. Розрахунки виконані методом скінчених елементів (МСЕ) за допомогою ПК “Ліра 9.4”, а також за допомогою програми “БРУС” зі спрощеною схемою МСЕ для усереднених перерізів по довжині конструкції. У розрахунках як вихідні використані характеристики властивостей бетону й фізичні співвідношення, отримані із експериментальних досліджень. У чисельному експерименті моделювалися умови роботи залізобетонних зразків із непрямим армуванням, а також результати досліджень позацентрово стиснутих великорозмірних елементів у дослідах В.С. Булгакова, В.І. Веретенникова й А.А. Бармотіна та ін. Вплив масштабного чинника враховувався за допомогою функцій (2) (6). Зіставлення результатів розрахунку й досвіду здійснювалося за величинами деформацій граней бетону й конструкції в цілому, а також їх елементів - стержнів подовжньої та поперечної арматури, за величинами руйнувальних навантажень. Результати зіставлення свідчать про їх задовільний збіг.

Урахування масштабного чинника у формі задавання вихідної неоднорідності механічних властивостей бетону згідно з даними дозволяє наблизити розрахункові величини несучої здатності й граничних деформацій стиснутих елементів до дослідних, оцінити розрахунком резерви несучої здатності таких конструкцій.

Порівняльні розрахунки основних несучих конструкцій колон, пілонів і перекриттів 24-поверхового монолітного житлового будинку каркасного типу показують, що заміна бетону класу В25 на бетон В60 дозволяє зменшити товщину й масу перекриттів на 10%, витрати бетону й арматури на зведення колон та пілонів на 35%. Зниження загальної маси несучих конструкцій будинку досягає 22%.

Виконані чисельні дослідження НДС елементів споруд баштового типу - залізобетонної димової труби Н = 120 м, залізобетонної оболонки градирні Н = 150 м при заміні традиційного бетону класу В30 на високоміцний модифікований класу В60. При можливому зниженні маси до 25% за рахунок зменшення товщини стінок у нижніх зонах оболонок споруд важливим чинником є істотне зменшення температурних перепадів і, як наслідок, температурних моментів.

Стосовно оболонки градирні напруження від градієнтів вологості й температури по товщині стінки є основним силовим чинником і перевищують приблизно в 6...9 разів напруження від сумарної дії навантажень від власної ваги та вітру. При розрахунках вертикальних перерізів димових труб основним силовим чинником є температурні моменти. У разі заміни традиційних бетонів класу В30 на високоміцні класу В60 площа горизонтальної арматури в більшій частині перерізів по висоті димової труби встановлюється конструктивно, а не за розрахунком. Економія горизонтальної арматури може становити до 12%.

Висновки

1. Розвинуто методику розрахунку міцності й деформацій стиснутих елементів із непрямим армуванням стосовно конструкцій із високоміцного модифікованого бетону на основі уточнення їх напружено-деформованого стану в частині врахування впливу масштабного чинника, ефективності непрямого армування, дії підвищених температур на характеристики міцнісних і деформативних властивостей бетону.

2. Введення модифікатора МБ 10-01 кількістю 10% від маси цементу М500 дозволяє отримувати бетони при Ц : П : Щ = 1 : 1,1 : 2,2 з такими середніми показниками властивостей: призмова міцність Rb = 70 МПа, початковий модуль пружності при стисненні Eb = 3,4104 МПа, гранична стисливість = 2,510-3, коефіцієнт поперечної деформації - b = 0,18. Середні значення характеристик при розтягуванні: міцності - Rbt 0,06Rb, початкового модуля пружності - Еbt 1,17Еb.

Дрібнозернистий бетон із модифікатором МБ 10-50С кількістю 10% від маси цементу характеризується такими показниками властивостей: Rb = 60 МПа, Eb = 3,5104 МПа, = 2,2510-3, b = 0,2.

3. Величини деформацій усадки, характеристики міцнісних і деформативних властивостей модифікованого бетону мають чітку залежність від об'єму і розмірів дослідних зразків. Лінійні деформації усадки бетону в призмах із розмірами перерізів 100100 мм і 250250 мм складають відповідно 1,25 і 0,88, а призмової міцності - 0,81 і 1,2 від середніх значень відповідних величин у зразків еталонних розмірів 150150600 мм. Середні значення коефіцієнтів призмової міцності для зразків з розміром ребра поперечного перерізу 100 мм складають Кпп = 0,77, для зразків з ребром 150 мм - Кпп = 0,83.

Розроблені аналітичні вирази для врахування залежності деформацій усадки і призмової міцності модифікованих бетонів від масивності зразків, що характеризується модулем відкритої поверхні.

4. Дія підвищених температур справляє менший, порівняно зі звичайними бетонами, вплив на міцність модифікованого бетону (зниження - не більше 10%) і досить значний вплив на характеристики деформативних властивостей: перше короткочасне нагрівання до +90 +150 і +200С призводить до зниження початкового модуля пружності - на 21%, 27% і 52%, до збільшення граничної стисливості в 1,09, 1,17 і 1,34 рази порівняно з відповідними характеристиками для бетону, який не нагрівався.

Тривале нагрівання несуттєво змінює початковий модуль пружності бетону порівняно з короткочасним нагріванням, проте сприяє додатковому збільшенню граничної стисливості до рівнів 1,21, 1,38 і 1,75 відносно відповідних характеристик у бетоні, що не піддавався нагріванню.

Коефіцієнт поперечних деформацій бетону знижується пропорційно температурі нагрівання й істотно не залежить від тривалості її дії.

5. Неоднорідність міцнісних і деформативних властивостей модифікованого бетону за об'ємом великорозмірних зразків-призм, обумовлена різними умовами твердіння й висихання внутрішніх і зовнішніх об'ємів бетону, характеризується на прикладі зразків з ребром поперечного перерізу 300 мм збільшенням до 25% значень міцності Rb, до 16% - початкового модуля пружності Eb, до 12% - граничної стисливості у внутрішніх об'ємах конструкції порівняно зі значеннями в зовнішніх шарах. Урахування вказаної неоднорідності властивостей у розрахункових моделях дозволяє наблизити розрахункові значення міцності та деформацій конструкцій до дослідних і використовувати резерви їх несучої здатності.

6. Введення сітчастого непрямого армування в модифікований бетон до xy = 5% призводить до збільшення приведеної призмової міцності бетону Rb,red в 1,45 рази, граничних деформацій укорочення - в 2,85 рази порівняно з бетоном без непрямого армування.

7. Обґрунтована можливість розширення меж застосування формули (48) „СНиП 2.03.01-84*” в частині оцінки приведеної призмової міцності бетону Rb,red на високоміцні модифіковані бетони класів до В80, розроблені пропозиції побудови інженерної методики розрахунку деформацій елементів із непрямим армуванням при навантаженнях стисканням.

8. Результати досліджень НДС залізобетонних елементів при різних варіантах непрямого армування й позацентрового стискання свідчать про істотний вплив масштабного чинника, обумовленого неоднорідністю деформацій усадки, міцнісних і деформативних властивостей бетону, на міцність і деформації конструкцій. Показана ефективність застосування високоміцних бетонів на прикладах зведення конструкцій, що піддаються впливам температурних і вологісних перепадів.

9. Результати досліджень використані при розробці ДБН „Бетонні та залізобетонні конструкції”, а також при варіантному розрахунку несучих конструкцій 24-поверхового монолітного житлового будинку в м. Донецьку.

Список опублікованих автором робіт за темою дисертації

1. Зайченко Н.М., Корсун А.В. Высокопрочные мелкозернистые бетоны на основе органо-минеральных модификаторов // Вісник ДонНАБА. - Макіївка: ДонНАБА. - Вип. 2005-8(56). - 2005. - С. 172-176.

Особистий внесок: виконання експериментальних досліджень й аналіз результатів.

2. Корсун А.В. Влияние повышенных температур на физико-механические свойства мелкозернистых модифицированных бетонов // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА. - Вип. 38. - 2006. - С. 42-46.

Особистий внесок: виконання експериментальних досліджень й оцінка результатів.

3. Корсун В.И., Стеблянко Л.В., Корсун А.В. Исследование напряженно-деформированного состояния трехсекционной железобетонной градирни // Вісник ДонДАБА. - Макіївка: ДонДАБА. - Вип. 2003-2(39). - 2003. - Т. 2. - С. 113-118.

Особистий внесок: виконання числових досліджень зусиль в елементах оболонки градирні, в тому числі від перепадів температури й вологості.

Список опублікованих робіт, які додатково відображають результати дисертації

4. Корсун В.И., Калмыков Ю.Ю., Корсун А.В., Дмитренко Е.А. Особенности повреждений и опыт ремонта железобетонных оболочек градирен высотой Н=150 м // Вісник ДонНАБА. - Макіївка: ДонНАБА. - Вип. 2005-8(56). - 2005.

Особистий внесок: оцінка впливу ушкоджень на НДС конструкцій залізобетонної оболонки градирні.

5. Корсун В.И., Виноградова Т.Н., Корсун А.В., Дмитренко Е.А. Особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных оболочек градирен // Вісник ДонДАБА. - Макіївка: ДонДАБА. - Вип. 2002-3(34). - 2002. - С. 32.

Анотація

Корсун А.В. Напружено-деформований стан стиснутих залізобетонних елементів з високоміцних модифікованих бетонів, в тому числі в умовах нагрівання до +200С. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Донбаська національна академія будівництва і архітектури. - Макіївка, 2007.

У дисертації наведені результати експериментальних досліджень міцнісних і деформативних властивостей високоміцних модифікованих бетонів при стисненні й розтягуванні, в тому числі в умовах короткочасного і тривалого нагрівання до +200С, залежно від об'єму і розмірів дослідних зразків, інтенсивності поперечного армування. В теоретичній частині досліджень подано результати визначення числовими методами НДС елементів різної масивності при позацентровому стисненні з урахуванням неоднорідності механічних властивостей бетону за об'ємом конструкції. Надані пропозиції щодо уточнення методики норм у частині розрахунку міцності позацентрово стиснутих елементів з непрямим армуванням з високоміцних бетонів, а також пропозиції щодо розрахунку їх деформацій.

Ключові слова: високоміцний бетон, міцність, деформації, нагрівання, непряме армування, масштабний чинник, напружено-деформований стан.

Аннотация

Корсун А.В. Напряженно-деформированное состояние сжатых железобетонных элементов из высокопрочных модифицированных бетонов, в том числе в условиях нагрева до +200С. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. - Макеевка, 2007 г.

Диссертация посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям НДС, прочности и деформаций элементов с косвенным армированием из высокопрочных модифицированных бетонов с учетом неоднородности механических свойств бетона в зависимости от массивности конструкций, развитию нормативной методики в части расчета прочности сжатых элементов с косвенным армированием из высокопрочных бетонов, а также расчета их деформаций

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы, дано обоснование актуальности темы, изложены цель и задачи исследований.

В разделе 1 рассмотрено современное состояние вопроса, изложены основные тенденции в области технологии бетонов нового поколения с высокими эксплуатационными свойствами, представлен обзор экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств высокопрочных бетонов, анализ результатов исследований напряженно-деформированного состояния конструкций с учетом неравновесных процессов в бетоне, температурных воздействий и других факторов.

В разделе 2 представлены составы исследуемых бетонов, характеристика опытных образцов, изложены методики проведения экспериментальных и теоретических исследований, методы обработки полученных результатов. Представлены результаты методического эксперимента по оптимизации составов бетона.

В разделе 3 представлены результаты экспериментальных исследований температурно-усадочных деформаций, характеристик прочностных и деформативных свойств высокопрочных модифицированных мелкозернистых и крупнозернистых бетонов в диапазоне температур от +20 до +200С. Предложены аналитические выражения для учета влияния температуры нагрева и масштабного фактора на характеристики прочностных и деформативных свойств высокопрочного бетона.

В разделе 4 представлены результаты экспериментальных исследований показателей неоднородности прочностных и деформативных свойств бетона по объему крупноразмерных конструкций, результаты испытаний на центральное сжатие элементов с косвенным армированием, результаты теоретических исследований НДС железобетонных элементов различной массивности при центральном и внецентренном сжатии.

Неоднородность прочностных и деформативных свойств модифицированного бетона по объему крупноразмерных образцов-призм размером 300300800 мм характеризуется более высокими значениями призменной прочности, начального модуля упругости, предельной сжимаемости для срединных элементов из внутренних объемов в сравнении со значениями для слоев у наружных граней.

Получены экспериментальные данные о влиянии косвенного армирования на прочность и предельные деформации железобетонных элементов. Обоснована возможность применения методики СНиП 2.03.01-84* к расчету прочности элементов с косвенным армированием из высокопрочных бетонов классов по прочности В60В80. Предложены аналитическое выражение для определения предельных деформаций элементов в зависимости от интенсивности косвенного армирования и модифицированное выражение для описания диаграммы “-” элементов с косвенным армированием.

В теоретической части исследований представлены результаты определения численными методами НДС крупноразмерных элементов при внецентренном сжатии с учетом неоднородности механических свойств бетона. Показана эффективность применения высокопрочных бетонов при возведении конструкций, подвергающихся воздействиям температурных и влажностных перепадов.

Ключевые слова: высокопрочный бетон, прочность, деформации, нагрев, косвенное армирование, масштабный фактор, напряженно-деформированное состояние.

Summary

Korsun A.V. The stress-strain state of compressed reinforced concrete elements from the high-strength modified concretes including the conditions of heating up to +200C. - Manuscript.

The thesis for a candidate degree of technical sciences, speciality 05.23.01 - Building Structures, Buildings and Constructions. - Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. - Makeyevka, 2007.

In dissertation the results of the experimental researches of strength and strain behaviours of the high-strength modified concretes at the compression and tension, including the conditions of the short-term and long-term heating to +200C, depending on the volume and size of development types, intensity of lateral reinforcement are presented. In the theoretical part of the research the results of determination by the numeral methods of stress-strain state of elements of different massiveness at the eccentrical compression taking into account multifocal uptake of mechanical properties of concrete on a volume the constructions are presented. Propositions for specification of method of norms in the part of calculation of durability and deformations of the eccentric compressed elements with the indirect reinforcement from high-strength concretes are made.

Key words: high-strength concrete, strength, deformations, heating, confinement reinforcement, scale factor, stress-strain state

Размещено на Allbest.ru