Міцність та деформації залізобетонних елементів з високоміцного бетону з урахуванням тривалості навантаження і нерівномірного нагрівання до +200 С

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.012.45.044

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Міцність та деформації залізобетонних елементів з високоміцного бетону з урахуванням тривалості навантаження і нерівномірного нагрівання до +200^ОС

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Волков Андрій Сергійович

Макіївка - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі залізобетонних конструкцій Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України (м. Макіївка). високоміцний бетон тріщиностійкість

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Корсун Володимир Іванович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Клименко Євген Володимирович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри будівельних конструкцій;

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

Захист відбудеться "22" жовтня 2010 р. о 13⁰⁰ 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, навчальний корпус №1, зал засідань.

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

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Я. В. Назім

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для даного часу характерна характерною тенденціэю тенденцією в будівельній галузі є інтенсивний розвиток висотного будівництва з монолітного залізобетону із застосуванням сучасних високоякісних бетонів, які мають високі характеристики міцності, морозостійкості і водонепроникності, що забезпечує високу довговічність конструкцій, особливо в складних умовах експлуатації. При виготовленні таких бетонів для зниження витрат потрібно використання звичайних заповнювачів і цементів. Створення таких бетонів досягається підвищенням характеристик цементного каменю шляхом застосування комплексних модифікаторів, які на ринку України представлені переважно імпортною продукцією з високою вартістю. Аналогічний ефект може бути досягнутий шляхом застосування органо-мінеральних добавок (ОМД) на основі мікрокремнезему і золи-вінесення, що містяться у складі частини техногенних відходів промисловості України і, зокрема, Донбасу.

Міцність бетонів, модифікованих ОМД, може досягати 80ч150 МПа, а норми проектування в Україні для конструкцій з таких бетонів знаходяться у стадії розробки. Процеси усадки і повзучості, закономірності деформування при короткочасному і тривалому навантаженні високоміцних бетонів, у тому числі в умовах дії підвищених температур, до цього часу вивчені недостатньо, що ускладнює розрахунки залізобетонних конструкцій з таких бетонів, особливо при високих рівнях навантаження, і є стримуючим чинником для більш широкого їх застосування в сучасному будівництві.

Вивчення характеристик фізико-механічних і реологічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів, закономірностей їхньої зміни в умовах дії підвищених температур з урахуванням масштабного чинника дозволить більш точно оцінювати напружено-деформований стан елементів залізобетонних конструкцій з таких бетонів, підвищити надійність проектування і одержати істотний економічний ефект при зведенні висотних будівель і споруд, що є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру за темою дисертації виконані у межах держбюджетних тем на замовлення Міністерства освіти і науки України: " Розробка наукових, технічних та технологічних засад для створення бетонних та залізобетонних конструкцій, будівельних виробів з високими фізико-механічними та експлуатаційними властивостями" (№ 0106U002949, 2006ч2008рр.); "Комплексне теоретико-експериментальне обґрунтування властивостей високоякісних будівельних матеріалів та розробка ефективних технологій виробництва" (№ 0109U003040, 2009ч2010рр.). Дослідження процесів деформування і руйнування високоміцних модифікованих бетонів виконані також у межах договору про науково-технічну співпрацю між ДонНАБА і Відділенням будівельних наук Російської Академії архітектури і будівельних наук (РААБН, м. Москва, Росія).

Мета дослідження - дослідження характеристик реологічних та фізико-механічних властивостей модифікованих високоміцних бетонів і уточнення методів розрахунку міцності, трищіностійкості і деформацій залізобетонних елементів конструкцій з урахуванням нерівномірного нагрівання до +200⁰С і тривалості навантаження.

Задачі досліджень:

- аналіз і узагальнення даних експериментальних досліджень характеристик реологічних та фізико-механічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів, у тому числі в умовах дії підвищених температур;

- розробка методики і виконання експериментальних досліджень фізико-механічних і реологічних властивостей високоміцного бетону при тривалому осьовому стискуванні в умовах дії підвищених до +200 С⁰ температур з урахуванням масштабного чинника;

- розробка рекомендацій щодо врахування впливу масштабного чинника, рівня тривалого навантаження, температури і тривалості нагрівання на міцність, характеристики реологічних і деформативних властивостей високоміцних бетонів, у тому числі в умовах дії підвищених до +200⁰С температур;

- розробка методики і виконання експериментальних досліджень тріщиностійкості, деформацій і міцності залізобетонних згинних елементів з високоміцного модифікованого бетону в умовах тривалого одностороннього нагрівання до +200⁰С і наступного довантаження;

- виконання теоретичних дослідженнь НДС конструкцій висотних будівель і споруд, визначення показників ефективності застосування високоміцних бетонів для їх зведення;

- впровадження результатів досліджень в практику проектування і зведення конструкцій будівель і споруд з високоміцних бетонів.

Об'єкт дослідження - елементи залізобетонних конструкцій з високоміцного модифікованого бетону, що піддаються тривалому навантаженню і нерівномірному нагріванню до +200⁰С.

Предмет дослідження - характеристики реологічних та фізико-механічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів, показники напружено-деформованого стану залізобетонних елементів, у тому числі в умовах тривалого навантаження і дії підвищених температур.

Методи дослідження :

- метод фізичного моделювання із застосуванням теорії подібності і механічних методів випробування матеріалів навантаженням і вимірювання переміщень;

- методи математичного моделювання.

Наукову новизну одержаних результатів складають:

- дані експериментальних досліджень характеристик деформативних і міцнісних властивостей високоміцного бетону класу В80 при осьовому стиску;

- дані експериментальних досліджень впливу короткочасного і тривалого нагрівання до +200⁰С на характеристики фізико-механічних і реологічних властивостей високоміцного модифікованого бетону в умовах осьового стиску;

- дані експериментальних досліджень деформацій усадки і повзучості високоміцного бетону при осьовому стиску, у тому числі в умовах дії підвищених до +200⁰С температур;

- дані експериментальних досліджень впливу масштабного чинника на характеристики властивостей фізико-механічних і реологічних властивостей високоміцного бетону;

- дані експериментальних і теоретичних досліджень тріщиностійкості, деформацій і міцності залізобетонних згинних елементів конструкцій з високоміцного бетону в умовах одностороннього нагрівання до +200⁰С і тривалого навантаження з урахуванням впливу масштабного чинника;

- дані теоретичних досліджень показників ефективності застосування високоміцних бетонів для зведення висотних будівель і споруд.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці рекомендацій щодо визначення характеристик міцнісних| та деформативних| властивостей, деформацій усадки і повзучості високоміцних модифікованих бетонів класу В80 для діапазону температур +20ч200⁰С; у розвитку методик "СНиП 2.03.01-84*", "СНиП 2.03.04-84" в частині розрахунку міцності згинних залізобетонних елементів з високоміцних модифікованих бетонів, в розробці пропозицій щодо розрахунку їх деформацій, а також рекомендацій щодо врахування масштабного чинника і дії підвищених температур при визначенні деформацій конструкцій досліджуваних бетонах.

Результати досліджень використані:

- при виготовленні на підприємстві ТОВ "ДИСК БЕТОН" елементів конструкцій з високоякісних бетонів з підвищеними міцнісними характеристиками для зведення елементів будівель і споруд;

- при розробці технічних завдань на проектування нових висотних будівель і споруд з монолітного залізобетону, у тому числі при роботі в умовах дії підвищених температур на підприємствах груп компаній "Герц ІНКО" та ДП "Донецький ПромБудНДІпроект" державної корпорації "Укрбуд";

- при розробці національного стандарту України ДСТУ- I Б В. 2.6-ХХ:20ХХ "Конструкції будинків і споруд. Проектування залізобетонних конструкцій. Основні положення. Вогнестійкість (EN 1992-1-2:2004, MOD)" в частині дослідних даних про вплив підвищених температур, масштабного чинника і тривалого навантаження на міцність і характеристики деформативних властивостей бетону.

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

- розробка методик випробувань, виготовлення дослідних зразків, проведення експериментальних досліджень;

- визначення характеристик фізико-механічних властивостей високоміцного модифікованого бетону в умовах осьового стиску, короткочасної і тривалої дії підвищених температур, рівня і тривалості навантаження;

- визначення впливу масштабного чинника на температурні деформації, усадку, повзучість і фізико-механічні властивості характеристик бетону при короткочасному і тривалому навантаженні осьовим стискуванням;

- розробка рекомендацій щодо врахування впливу підвищених температур, рівня тривалого осьового стискування і масштабного чинника на характеристики міцнісних та деформативних властивостей високоміцних бетонів;

- теоретичні дослідження НДС залізобетонних елементів при згині, у тому числі в умовах одностороннього нагрівання з урахуванням неоднорідності механічних і реологічних властивостей бетону за об'ємом конструкції;

- пропозиції щодо уточнення методик "СНиП 2.03.01-84*" і "СНиП 2.03.04-84" в частині розрахунку тріщиностійкості, деформацій і міцності згинних залізобетонних елементів стосовно конструкцій з високоміцних бетонів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і обговорювалися на двох міжнародних науково-практичних конференціях "Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології" (м. Макіївка, 2007 р. і 2009 р.) та на Третьому міжнародному науково-практичному семінарі "Методи підвищення ресурсу міських інженерних інфраструктур" (м. Харків, 2009 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації і результати досліджень представлені в чотирьох наукових статтях, опублікованих в спеціалізованих виданнях, включених до переліку ВАК України, і в трьох друкованих роботах за матеріалами конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (134 найменування) і додатків. Робота викладена на 194 машинописних сторінках, у тому числі 174 сторінок основного тексту, 58 рисунків, 15 таблиць, 15 сторінок списку використаних джерел, п'ять сторінок додатків.

Основний зміст роботи

У вступі представлена загальна характеристика дисертаційної роботи, обгрунтовано актуальнісь теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення результатів, наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів і публікації.

У першому розділі наведені основні результати в сфері дослідження фізико-механічних властивостей високоміцних бетонів на основі ОМД, представлений огляд експериментальних досліджень закономірностей формування мікроструктури бетонів, характеристик міцнісних та деформативних властивостей, а також впливу масштабного чинника на ці характеристики. Виконано аналіз результатів досліджень характеристик НДС згинних та позацентрово стинутих залізобетонних конструкцій в умовах нормальних і підвищених температур, у тому числі для конструкцій з високоміцного бетону.

У роботах В. Г. Батракова, М. Г. Булгакової, М.М. Зайченка, С. С. Каприєлова, Ф.М. Іванова, Ф.А. Іссерса, А.В. Шейнфельда, О.О. Шишкіна та інших авторів отримані досить повні дані про вплив ОМД на формування мікростуктури цементного каменю, які є невід'ємним компонентом сучасних високоякісних бетонів. Досліджено вплив дозування ОМД на характеристики бетонних сумішей, ступінь гідратації в'яжучого і формування мікроструктури цементного каменя модифікованих бетонів.

У роботах В. Г. Батракова, В.М. Вирового, Ф.А. Іссерса, М.М. Зайченка, С. С. Каприєлова, Є.М. Кузнєцова, М.І. Карпенка, Ю.О. Климова, А.В. Корсуна, А.В. Шейнфельда, О.О. Шишкина, C. Galle, J. Sercombe, W.H. Dilger та ін. представлені результати досліджень характеристик фізико-механічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів на основі ОМД, а також деформацій усадки і повзучості при рівнях вантаження до з_l=0,3, у тому числі вплив масштабного чинника на деформації усадки, міцність і деформативність. Відмічено, що повзучість високоміцних модифікованих бетонів недостатньо вивчена для умов тривалого навантаження високих рівнів, що стримує їх більш широке застосування в будівництві.

У роботах В. І. Веретенникова, О.Д. Журавського, В.І. Корсуна, В.А. Косторниченка, О.П. Кричевського, А.Ф. Милованова, К.Д. Некрасова, М.О. Невгеня, В.Д. Передерея, В.М. Самойленка, М.І. Тупова, С.Л. Фоміна та інших дослідників отримані досить повні експериментальні дані щодо впливу підвищених до +200°С температур на основні характеристики міцнісних та деформативних властивостей традиційних важких бетонів середньої міцності, а також на особливості формування НДС залізобетонних конструкцій в умовах нерівномірного нагрівання з урахуванням неоднорідності властивостей матеріалів. Дослідження впливу підвищених до +200°С температур і масштабного чинника на температурно-усадкові деформації і характеристики фізико-механічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів виконані в роботах А.В. Корсуна. Результати досліджень реалізовані у вигляді практичних рекомендацій і аналітичних виразів для врахування впливу вивчених чинників на характеристики міцнісних та деформативних властивостей бетону.

Особливості формування НДС згинних та позаценторово стиснутих елементів з традиційного важкого і високоміцного бетонів, у тому числі в умовах нерівномірного нагрівання, а також методики розрахунку залізобетонних конструкцій з урахуванням неоднорідності властивостей матеріалів розглянуті в роботах С. В. Александровського, А.М. Бамбури, А.Я. Барашикова, П.І. Васильєва, О.О. Гвоздєва, О.Д. Журавського, М.І. Карпенка, Є.В. Клименка, С.Ф. Клованича, А.В. Корсуна, В.І. Корсуна, О.П. Кричевського, А.Ф. Милованова, Г.А. Молодченка, В.І. Мурашова, М.О. Невгеня, В.М. Самойленка, С.Л. Фоміна, О.Л. Шагіна та ін. Показано, що НДС залізобетонних елементів конструкцій значною мірою визначається величинами температури і тривалості нагрівання, ступенем неоднорідності за об'ємом конструкції міцнісних, деформативних і реологічних властивостей бетону. Оцінка НДС залізобетонних елементів з високоміцного бетону з урахуванням масштабного чинника, короткочасної та тривалої дії підвищених температур за допомогою розрахункових методів ускладнена внаслідок недостатньої вивченості впливу названих факторів на характеристики міцнісних та деформативних властивостей бетону.

На підставі аналізу результатів досліджень, наведених в літературних джерелах, сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому розділі представлені склад застосованого високоміцного модифікованого бетону, характеристики дослідних зразків, викладено методики проведення експериментальних і теоретичних досліджень, методи обробки отриманих результатів.

Як основний матеріал для експериментальних досліджень прийнято високоміцний бетон, модифікований за допомогою органомінерального модифікатора (ОММ), представленого у вигляді сухої суміші, яка містить в долях від загальної маси ОММ: мікрокремнезем у складі SicaFume (20%); дрібномелену золошлакову суміш Вуглегірської ТЕС (30%); суперпластифікатор С3 (2%); золу-винесення Зуєвської ТЕС (48%). Матеріали: портландцемент М500 ВАТ "Балцем", пісок кварцовий крупнозернистий Краснополянського кар'єру (М_кр=2ч2,5мм), щебінь гранітний Каранського кар'єру фракції 5ч20 мм і модифікуюча добавка SicaViscocrete 5-600 у вигляді розчину, при цьому їх співвідношення складало - Ц:П:Щ=1:1,1:2,2 при В/Ц=0,28 і В/В=0,21, а ОК=18ч25 см. Перемішування бетонної суміші - в бетонозмішувачі примусової дії, бетонування - в горизонтальному положенні без застосування вібрування. Витримка зразків у формах до розпалубки - протягом однієї доби.

Програма досліджень включала три групи експериментів :

- дослідження впливу розмірів дослідних зразків і умов висихання на температурні і усадкові деформації бетону, характеристики його міцнісних і деформативних властивостей при осьовому стискуванні, у тому числі в умовах короткочасної і тривалої дії підвищених до +200⁰С температур;

- дослідження впливу розмірів дослідних зразків, умов їхнього висихання, рівня тривалого осьового стискування в діапазоні _l=/R_b=0,3ч0,6 і підвищених до +200⁰С температур на деформації повзучості, характеристики міцнісних і деформативних властивостей модифікованих бетонів;

- дослідження впливу рівня попереднього тривалого обтискування на характеристики міцністних і деформативних властивостей бетону при наступному повторному навантаженні осьовим стискуванням;

Як основні еталонні зразки для дослідження характеристик властивостей бетону прийняті зразки-призми розмірами 150х150х600 мм з модулем відкритої поверхні М₀=30 м^-1. Додаткові зразки - бетонні призми розмірами 100100400 мм та 250250650 мм з різними варіантами гідроізоляції і значеннями модуля відкритої поверхні М₀=45м^-1, М₀=16м^-1, М₀=8м^-1 та М₀=0м^-1 (рис. 1), а також зразки-куби з розмірами ребер 100 і 150 мм.| Кількість серій бетонування - 4.

Рис. 1. Розміри, нумерація та схеми гідроізоляції зразків-призм.

За результатами випробувань бетонних зразків-призм визначалися: деформації усадки і повзучості, призмена міцність R_b, початковий модуль пружності E_b, граничні деформації укорочення , коефіцієнти пружних _el і поперечних деформацій бетону.

Міцність і деформації згинних залізобетонних елементів з високоміцного модифікованого бетону в умовах нормальної температури і одностороннього нагрівання до +150С досліджувалися на балках двох типів з розмірами 120х240х2200мм (тип А) і 120х480х2200мм (тип Б) зі значеннями модуля відкритої поверхні М₀=16,6м^-1 і М₀=8,3м^-1 відповідно. Поздовжнє армування для балок типу А представлено чотирма стержнями 12 мм класу А400 по два стержні в розтягнутій і стинутій зонах, а для балок типу Б - вісьмома стержнями 12 мм класу А400 по чотири стержні в розтягнутій і стиснутій зонах (рис. 2).

Випробування залізобетонних балок проводилися в три етапи, що відповідали характерним стадіям роботи конструкцій - стадії виготовлення і набору міцності (етап 1), експлуатації при тривалій дії одностороннього нагрівання до +150⁰С (етап 2) і стадії наступного короткочасного довантаження згинаючим моментом М_х до руйнування (етап 3). Програма випробувань залізобетонних балок наведена в таблиці 1.

У експериментальній частині досліджень випробувано 79 зразків-призм різних розмірів, 3 залізобетонних балки і 142 бетонних куба.

Рис 2. Конструкція (а) і армування (б) дослідних зразків-балок.

Таблиця 1 Характеристика зразків-балок і умов випробування

№ п/п серії	Розміри зразків-балок	Шифр зразків	M0 (м-1)	Вік до моменту навантаження (Т, діб)	Кількість зразків (шт.) :
					Температура нагрівання грані
					200С	1500С
5	1202402200 мм (Тип А)	Б-5.1	16,6	40	1	-
		Б-5.2		72	-	1
	1204802200 мм (Тип Б)	Б-5.3	8,3	80	-	1

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу розмірів дослідних зразків і умов висихання, короткочасного і тривалого нагрівання до +200⁰С на температурно-усадкові деформації, повзучість, характеристики міцнісних та деформативних властивостей високоміцного модифікованого бетону при осьовому стискуванні, а також впливу тривалого попереднього обтискування рівнями з_l=у_l/R_b= 0,3; 0,5 та 0,6 на міцність і деформації бетону, розроблено пропозиції щодо врахування впливу досліджуваних чинників на характеристики реологічних і фізико-механічних властивостей бетону.

Для модифікованого високоміцного бетону дослідженого складу значення призмової міцності склали порядку R_b =75ч85 МПа, коефіцієнта призмової міцності - К_пп 0,85, початкового модуля пружності при стискуванні - Е_b = 40ч4810³ МПа, граничної стисливості - = 2,3ч2,510^-3, початкового коефіцієнта поперечної деформації - _b = 0,17ч0,22.

Відносні деформації усадки бетону в умовах нормальної температури на еталонних зразках-призмах розмірами 150150600 мм (тип 4, М₀=30м^-1) склали в повздовжньому напрямку, в середньому, 3110^-5, а для аналогічних зразків з ізольованими кутовими поверхнями (тип 5, М₀=16м^-1) - 74,2% від значень у еталонних призм. Для зразків з розмірами 100100400 мм (тип 1, М₀=45м^-1) і 250250650мм (тип 6, М₀=16м^-1) - відповідно 115% і 74% від значень у еталонних призм, а для аналогічних зразків з ізольованими кутовими поверхнями (тип 2, М₀=16м^-1, тип 7, М₀=8м^-1) - відповідно 82% і 40,3%. Для повністю ізольованих зразків (тип 3, М₀=0м^-1) аутогенна усадка склала 62% від деформацій аналогічних неізольованих зразків. При цьому відзначається, що деформації усадки для зразків з різними розмірами і однаковими значеннями модуля відкритої поверхні М₀ (тип 3, 5, 6) є приблизно однаковими (рис. 3 а, б).

Рис. 3. Вплив розмірів дослідних зразків і модуля відкритої поверхні на відносні деформації усадки високоміцного модифікованого бетону в умовах нормальної температури: а - для зразків серії 2; б - для зразків серії 3

Відносні деформації температурного розширення бетону для еталонних зразків (М₀=30м^-1) при першому короткочасному нагріванні до температур +90°, +150° і +200°С склали, в середньому, 79·10^-5, 128·10^-5 та 182·10^-5 відповідно, що відповідає значенням коефіцієнта лінійної температурної деформації _bt=10.5·10^-6, _bt=9,5·10^-6 та _bt=9,6·10^-6 (град^-1). Деформації усадки бетону в еталонних зразках за час ізотермічної витримки при тих же температурах випробування склали відповідно 43,4·10^-5, 56·10^-5 та 66·10^-5, а для зразків типу 6 (М₀=16м^-1) при температурах +90° і +150°С - 111% і 118% відповідно від значень для еталонних зразків (рис. 4а). Зворотні температурні деформації бетону для еталонних зразків (М₀=30м^-1) після тривалого нагрівання при температурах +90°, +150° і +200°С склали відповідно 73·10^-5, 128·10^-5 та 141·10^-5, а для зразків типу 6 (М₀=16м^-1) - 78·10^-5 та 112·10^-5 після нагрівання до +90° і +150°С відповідно. Значення _bt при тривалому нагріванні для еталонних зразків склали відповідно _bt=5,5·10^-6, _bt=6,6·10^-6 та _bt=6,3·10^-6 (град^-1), а для зразків типу 6 (М₀=16м^-1) - _bt=5,9·10^-6 та _bt=7,9·10^-6 для температур нагрівання +90° і +150°С відповідно (рис. 4б).

Середні значення граничних величин деформацій повзучості для досліджуваного бетону в умовах нормальної температури при рівнях навантаження з_l=у_l/R_b=0,3 і 0,5 склали: для еталонних зразків (тип 4, М₀=30м^-1) - _сr,3 = 19,2·10^-5 та _сr,3=42,9·10^-5 відповідно, для аналогічних зразків з ізольованими кутовими поверхнями (тип 5, М₀=16м^-1) при з_l=0,5 - 82,9% від відповідних значень у еталонних призм. Для зразків з розмірами 100100400 мм (тип 1, М₀=45м^-1) і 250250650мм (тип 6, М₀=16м^-1) при тих же рівнях навантаження лінійні деформації повзучості склали 111% і 71% від значень для еталонних зразків, а для аналогічних ізольованих зразків (тип 2, тип 7) при з_l=0,5 - 110,2% і 64% відповідно. При цьому відзначається, що деформації повзучості для зразків з різними розмірами та однаковими значеннями М₀ (типи 2, 5 і 7) при рівних рівнях навантаження мають приблизно однакові значення (рис. 5).

Рис. 4. Вплив температури нагрівання на граничне значення деформацій усадки (а) і значення коефіцієнта лінійної температурної деформації (б): 1 - короткочасне нагрівання; 2 - тривале нагрівання.

Для аналітичного опису деформацій повзучості в умовах нормальної температури застосовані відомі співвідношення С. В. Александровського, модифіковані Є.М. Кузнецовим для високоміцних бетонів для досліджуваного діапазону навантажень до рівня з_l =0,6 відмічається задовільна збіжність розрахункових та дослідних значень (рис. 5).

Рис. 5. Поздовжні і поперечні деформації повзучості в умовах нормальної температури при рівнях навантаження _l=/R_b=0,3ч0,6: 1ч7 - нумерація зразків згідно з рис. 1.

Граничні значення деформацій повзучості в умовах нагрівання до +90, +150 і +200С при рівні навантаження з_l=у_l/R_b =0,5 для еталонних зразків (М₀=30м^-1) склали відповідно 150,1·10^-5 , 161,4·10^-5 та 216,5·10^-5, а для зразків з розмірами 250х250х650мм (тип 6, М₀=16м^-1) при температурах +90 і +150С - 85,8% і 85,6% від відповідних значень для еталонних зразків.

Короткочасне нагрівання еталонних зразків-призм до температури +90С призводть до зниження міцності бетону на 4%, а при +150 і +200С до зростання міцності на 2,9% і 8,7% порівняно з характеристиками при нормальній температурі, до зниження початкового модуля пружності бетону на 7%, 18,5% і 24%, до збільшення граничної стисливості на 17%, 25% і 35% відповідно.

Тривале нагрівання еталонних зразків при таких самих температурах випробування зумовило зростання міцності бетону відповідно на 6%, 12% і 14%, зниження початкового модуля пружності на 7,3%, 32,4% і 34,8% і збільшення граничної стисливості на 17%, 35% і 43% порівняно з характеристиками в умовах нормальної температури. Для зразків розмірами 250х250х650мм (тип 6, М₀=16м^-1) при температурах +90 і +150С міцність на стискування склала відповідно 87,1% і 99,8% від міцності еталонних зразків, що не піддавалися нагріванню, при цьому початковий модуль пружності знизився на 23% і 29%, а гранична стисливість збільшилася на 3,5% і 5,5% відповідно.

Змінення характеристик фізико-механичних властивостей високоміцного бетону залежно від температури нагрівання і модуля відкритої поверхні М₀ та рівня попереднього тривалого обтискання наведені у вигляді коефіцієнтів умов роботи в таблицях 2 і 3. Особливості впливу короткочасного та тривалого нагрівання, в тому числі в умовах попереднього обтискання рівня з_l=у_l/R_b=0,5 на діаграми деформування бетону.

Вплив масштабного чинника на граничні значення деформації усадки _cs,u бетону в розрахунках для умов нормальної температури з достатньою точністю описується функцією _cs,Mo, запропонованою А.В. Корсуном залежно від величини модуля відкритої поверхні M₀:

_cs,u(M₀) = _сs,ucs,(Mo); (1)

,(2)

де _сs,u - максимальне значення деформацій усадки на зразках бетону еталонних розмірів (M₀ = 30 м^-1).

Вплив масштабного чинника на деформації повзучості _cr,u(M₀) в розрахунках для умов нормальної температури також може бути описана за допомогою функції _cr,Mo, (2):

_cr,u(M₀) = _сr,uс,(Mo) , (3)

де _сr,u - максимальні значення деформацій повзучості зразків бетону еталонних розмірів (M₀ = 30 м^-1) при відповідних рівнях навантаження (з_l).

Таблиця 2 Коефіцієнти умов роботи і температурних деформацій для модифікованого бетону

Коефіцієнт	M0	при температурі, С:
		+20	+90	+150	+200
	45	0,95	-	-	-
	30	1,00	0,96 / 1,05	1,05 / 1,1	1,08 / 1,12
	16	0,95	- / 0,95	- / 1,0	- / 1,1
	8	0,93	-	-	-
	45	1,05	-	-	-
	30	1,00	0,93 / 0,8	0,82 / 0,7	0,75 / 0,65
	16	0,9	- / 0,75	- / 0,7	- / 0,7
	8	0,87	-	-	-
	45	0,85	-	-	-
	30	0,9	0,85 / 0,9	0,85 / 0,85	0,9 / 0,9
	16	0,85	- / 0,7	- / 0,75	-
	8	0,8	-	-	-
bt106, град-1	30	11,5	9,8 / 5,2	9,7 / 6,5	9,7 / 6,5
	16		- / 5,1	- / 6,8	- / 6,8
-cs106, град-1	30	0,0	0,0 / 5,3	0,5 / 5,6	1,8 / 6,4
	16		- / 6,6	- / 5,7	-_/ 6,5

Примітка: над рискою - короткочасне нагрівання, під рисою - тривале нагрівання.

Таблиця 3 Коефіцієнти умов роботи для модифікованого бетону при повторному навантаженні після тривалого обтискання

Коефіцієнт	M0	при температурі, С:
		+20	+90	+150	+200
	45	1,09 / 0,93	-	-	-
	30	1,04 / 0,98	- / 0,94	- / 0,97	- / 1,18
	16	1,05 / 1,0	- / 0,95	- / 0,9	-
	8	- / 1,03	-	-	-
	45	1,1 / 1,05	-	-	-
	30	1,03/ 0,93	- / 0,95	- / 0,6	- / 0,55
	16	1,07 / 1,05	- / 1,02	- / 0,7	-
	8	- / 0,96	-	-	-
	45	1,25 / 1,7	-	-	-
	30	1 / 1,6	- / 3,3	- / 3,65	- / 3,76
	16	0,55 / 1,45	- / 3,2	- / 2,62	- / 3,7
	8	- / 1,3	-	-	-

Примітка: над рискою - тривале навантаження рівня з_l=0,3, під рисою - те ж, для рівня з_l=0,5; значення г_с наведені відносно величини для рівня з_l=0,3 при температурі +20С.

Вплив масштабного чинника в умовах нагрівання до +200С на величини деформацій температурного розширення, усадки і повзучість для бетону менш значущій, ніж в умовах нормальної температури. Для їх опису з достатнім ступенем точності може бути застосована методика О. П. Кричевського, яка розроблена для бетонів середньої міцності. Для граничних величин температурно-усадкових деформацій найбільша розбіжність розрахункових і дослідних величин складає 17%, а для деформацій повзучості - не більше 8%.

Для модифікованого високоміцного бетону вплив короткочасного і тривалого нагрівання на міцність, початковий модуль пружності і коефіцієнт пружності в граничному стані з урахуванням масштабного чинника пропонується здійснювати за допомогою коефіцієнтів умов роботи, отриманих експериментально, які наведені в таблиці 2 і 3, а також за допомогою співвідношень:

R_b(t,T,з,M₀) = R_bbt(t,T,М₀) _bt,з (4)

E_b(t,T, з M₀) = E_b(М₀)_b(t,T,М₀)_bз (5)

(6)

Врахування впливу попереднього тривалого обтискання в умовах підвищених температур на характеристики міцності, початкового модуля пружності і коефіцієнта пружності бетону в граничному стані у виразах (4)ч(6) пропонується здійснювати функціями _b,, _b та , для яких за базові прийняті відомі співвідношення Л.П. Макаренка, модифікованих для умов дії підвищених температур В. І. Корсуном. Для високоміцного модифікованого бетону вирази для цих функцій можуть бути представлені у наступному вигляді:

; (7)

; (8)

. (9)

_lt = R_b,tem(t, T ,) / R_b,tem(t, T); B_i =1 - A_i; (i = 1, 2). (10)

А_i - функції врахування температури t :

А₁ = 2,710^-7(t - 20)³ - 1,1210^-4(t - 20)² + 1,6610^-2(t - 20) + 2; (11)

А₂ = - 1,22(t - 20)³ + 3,1710^-4(t - 20)² - 0,022(t - 20) + 3,5; (12)

k, n, m - коефіцієнти нелінійності, які для високоміцного модифікованого бетону мають вигляд:

k = 1,9410^-3(t - 20)+0,35; n = 0,6; m = 0,6. (13)

Розрахункові значення по формулах (6)ч(12) характеристик міцнісних та деформативних властивостей бетону достатньо добре відповідають дослідним даним.

У розділі 4 представлені результати експериментальних і теоретичних досліджень впливу тривалого одностороннього нагрівання і масштабного чинника на характеристики НДС згинних залізобетонних елементів конструкцій з високоміцного модифікованого бетону з урахуванням неоднорідності міцнісних та деформативних властивостей матеріалів за об'ємом конструкції, а також результати дослідження НДС конструкцій колон висотних будівель і споруд, розрахунки оболонок димових труб з метою оцінки ефективності застосування високоміцних модифікованих бетонів для їх зведення.

У розрахунках на усіх етапах навантаження визначалися деформації подовження серединної осі _oz, кривизни _х, прогини, величини температурних моментів, напруження в бетоні і арматурі, момент утворення і ширина розкриття тріщин, міцність при наступному зростаючому довантаженні|.

У теоретичній частині досліджень визначення характеристик НДС згинних та позацентрово стиснутих залізобетонних елементів виконувалось за допомогою спеціальної програми на ПЕОМ. У методиці розрахунку враховані основні специфічні властивості залізобетону: фізична нелінійність деформування, нерівноважність процесів, неоднорідність властивостей і робота з тріщинами. При цьому характеристики міцнісних та деформативних властивостей для високоміцного модифікованого бетону приймалися згідно із співвідношеннями (3)ч(12) і даними таблиць 2 і 3. Деформації температурного подовження, усадки і повзучості визначалися для бетону за методикою О.П. Кричевського з урахуванням співвідношень (3).

В експерименталній частині на першому етапі випробувань деформації на рівні серединної осі для балок з М₀=16,6м^-1(Тип А, рис.2) внаслідок усадки бетону склали до початку нагрівання, в середньому, _oz =19,5·10^-5, а для балки з М₀=8,3м^-1.

На другому етапі випробувань при односторонньому нагріванні балок до +150⁰С реактивні згинальні моменти прикладаються до консолей для усунення кривизни повздовжньої вісі в площині нагрівання і склали для балок висотою h=240 мм (М₀=16,6м^-1) і h=480 мм (М₀=8,3м^-1) відповідно 5,94кН·м і 28,92 кН·м. Стабілізація згинальних моментів в процесі тривалого нерівномірного нагрівання спостерігалася для тих же балок на 6-у і 9-у добу відповідно після початку нагрівання. При цьому величини моментів, що стабілізувалис, дорівнювали 3 кН·м і 18,5 кН·м відповідно, що складає 50,5% і 64% від максимальних значень при першому нагріванні. Величина температурного перепаду по бетону у площині теплового потоку для балок типу А і типу Б після тривалого нагрівання склала 92⁰ і 120⁰С відповідно.

Деформації подовження серединної осі _z для зразків-балок Б-5.2 (М₀=16,6м^-1) і Б-5.3 (М₀=8,3м^-1) при першому короткочасному односторонньому нагріванні до +150⁰С склали 91,5·10^-5 і 62,5·10^-5 і при наступній ізотермічній витримці знизилися до рівня 76,5·10^-5 і 56,7·10^-5 відповідно. Моменти утворення тріщин для тих самих балок при односторонньому нагріванні дорівнювали відповідно M_хt=5,15 кН·м і M_хt=24,5 кН·м, що складає 15% і 27,7% від відповідних значень несучої здатності балок, а ширина розкриття тріщин - 0,07мм і 0,04мм відповідно.

На третьому етапі випробувань при довантаженні балок згинальним моментом M_x до руйнування, несуча здатність балки Б-5.1 при +20⁰С склала 35,7кН·м, для балки Б-5.2 в умовах одностороннього нагрівання до +150⁰С - 34,6кН·м, а для балки Б-5.3 з висотою перерізу 480мм (М₀=8,3м^-1) руйннівий момент склав 89,5 кН·м.

Момент утворення тріщин для балки Б-5.1 з М₀=16,6м^-1 при +20⁰С склав 9,5 кН·м. Ширина розкриття тріщин при максимальному значенні згиналього моменту перед руйнуванням склала: для балки Б-5.1 a_cr=0,45мм, для балок Б-5.2 і Б-5.3 при односторонньому нагріванні - відповідно a_cr=0,42мм і a_cr=0,39мм.

Граничне значення кривизни _х при навантаженні балки Б- 5.1 з М₀=16,6м^-1 склало 14,8·10^-3 м^-1, а при нерівномірному нагріванні до +150⁰С кривизна _х збільшилася на 9,1%. Граничне значення кривизни _х для балки Б-5.3. з М₀=8,3м^-1 при довантаженні в умовах одностороннього нагрівання до +150⁰С склало 12,01·10^-3 м^-1, що на 34,4% менше, ніж для балки з М₀=16,6м^-1 при тій же температурі нагрівання.

Граничні значення подовжень серединної вісі на третьому етапі випробувань для балки Б-5.1 при +20⁰С і Б-5.2 при односторонньому нагріванні до +150⁰С склали 170·10^-5 и 148·10^-5 відповідно, а для балки Б-5.3 - 92·10^-5.

Порівняння розрахункових і експериментальних значень за міцностю і деформаціями балок свідчать про їх задовільну збіжність. При цьому середнє відхилення розрахункових подовжень від дослідних складає 8ч15%, а максимальні розбіжності не перевищують 28% у вершині діаграм деформування.

Розроблені пропозиції щодо уточнення нормативних методів розрахунку тріщиностійкості|, деформацій і міцності згинних та позацентрово| стиснутих залізобетонних елементів з високоміцних бетонів, в яких вплив температури і тривалості нагрівання, масштабного чинника, рівня тривалого попереднього обтискання бетону враховано за допомогою коефіцієнтів умов роботи, представлених в таблиці 2 і 3, а також аналітичними виразами (4)ч(13).

Порівняльний розрахунок конструкцій залізобетонних димових труб типових серій заввишки Н|=100м|, 150м| і 250м| у варіантах зведення стовбура з традиційного бетону класу В30 і високоміцного модифікованого класу В80 показав можливість зниження товщини стінок оболонок і власної ваги конструкцій до 28%, витрат бетону - до 30%, зусиль від власної ваги конструкцій в горизонтальних перерізах - до 20%, а температурних моментів в результаті зниження температурного градієнта - до 45%.

Застосування високоміцного модифікованого бетону класу В80 замість звичайного важкого класу В30 на прикладі зведення колон монолітного каркаса 19-поверхової будівлі ТРЦ "Донецьк Сіті" показало можливість зниження власної ваги конструкцій на 33%, зменшення поздовжніх зусиль в колонах на величину до 26%, витрати бетону - до 40%, арматури - до 51%.

висновки

За результатами досліджень формулюються наступні основні висновки:

1. Отримані експериментальні дані про характеристики фізико-механічних| властивостей високоміцного модифікованого бетону класу за міцностю В80 при осьовому стиску в умовах нормальної температури.

2. Підвищені температури до +200С суттєво впливають на значення міцності, початкового модуля пружності, граничної стисливості при осьовому стискуванні, на величини температурно-усадкових деформацій бетону. Короткочасне нагрівання в дослідженому діапазоні температур призводить до зниження міцності високоміцного бетону не більше, ніж на 4%, тривале нагрівання - до практично повного її відновлення і навіть приросту до 14%.

3. Отримані експериментальні дані про характеристики деформацій повзучості високоміцного бетону при рівнях тривалого обтискання з_l= у_l/R_b=0,3; 0,5; 0,6, у тому числі в умовах дії підвищених до +200С температур. Питомі деформації повзучості у високоміцного бетону для досліджуваних режимів навантаження і нагрівання на 18ч40% нижче, ніж у бетонів середньої міцності.

4. Визначена ступінь впливу масштабного чинника на температурно-усадкові деформації, на характеристики міцнісних| та деформативних| властивостей високоміцного бетону. Із збільшенням розмірів дослідних зразків і, відповідно, зі зниженням модуля відкритої поверхні М₀, показники міцності при осьовому стискуванні знижуються до 7%, температурно-усадкові деформації при нормальній температурі знижуються на 18ч62%, а при дії підвищених до +200С температур - зростають на 11ч18%, деформації повзучості в умовах нормальної температури знижуються на 17ч65%, а при підвищених температурах - знижуються на 2ч4%.

5. Розроблені практичні рекомендації щодо врахування температури і тривалості нагрівання, модуля відкритої поверхні, рівня тривалого стискування на величини розрахункових характеристик міцнісних| та деформативних| властивостей при короткочасному і тривалому навантаженнях.

6. Отримані експериментальні дані щодо впливу одностороннього нагрівання і розмірів конструкцій балок на характеристики НДС залізобетонних згинних елементів конструкцій з високоміцного модифікованого бетону. Одностороннє нагрівання до +150С обумовлює зниження згинної жорсткості конструкцій на 10%, зниження міцності балочних згинних елементів на 3%. Температурні моменти в статично невизначних балках з М₀=16,6м^-1 і М₀=8,3м^-1 склали 15% і 27,7% від відповідних величин несучої здатності.

7. Результати теоретичних досліджень характеристик НДС залізобетонних згинних елементів із застосуванням розробленого для ПЕОМ алгоритму з урахуванням виявлених особливостей зміни характеристик фізико-механічних| властивостей високоміцних модифікованих бетонів свідчать про задовільну збіжність розрахункових величин з експериментальними.

8. Визночено показники ефективності застосування високоміцного модифікованого бетону на прикладах зведення конструкцій колон висотних будівель і споруджень оболонок димових труб, що піддаються температурним і силовим впливам.

9. Результати досліджень впроваджені:

при розробці технічних завдань на проектування висотних будівель і споруд, у тому числі, в умовах дії підвищених температур, з монолітного залізобетону на підприємствах групи компаній "Герц ІНКО" і ДП "Донецький ПромБудНДІпроект державної корпорації "Укрбуд".

при виготовленні на підприємстві ТОВ "ДИСК БЕТОН" елементів конструкцій з високоякісних бетонів з підвищеними міцнісними характеристиками для зведення елементів будівель і споруд;

при розробці національного стандарту України ДСТУ- II Б В. 2.6-ХХ:20ХХ "Конструкції будинків і споруд. Проектування залізобетонних конструкцій. Основні положення. Вогнестійкість (EN 1992-1-2:2004, MOD)";

Список опублікованих робіт здобувача по темі дисертації

1. Корсун В.И. Прочность и деформации высокопрочных мелкозернистых модифицированных бетонов в условиях кратковременного нагрева до +200С⁰ / В.И. Корсун, А.В. Корсун, А.С. Волков // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса: ОДАБА. - 2007р. - С. 207-212. (результати і аналіз експериментальних досліджень).

2. Корсун В.И. Деформативные свойства мелкозернистых высокопрочных бетонов с органо-минеральным модификатором на основе минеральных отходов промышленности Донбасса / В.И. Корсун, Н.М. Зайченко, А.С. Волков // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2008. - Т.4, №2. - С.83-91. (результати і аналіз експериментальних досліджень).

3. Корсун В.И. Механические и реологические свойства высокопрочных модифицированных бетонов при осевом сжатии / В.І. Корсун, А.С. Волков // Научно-технический сборник - №86. - Харків: ХНАМГ, 2009. - С. 130-140. (результати і аналіз експериментальних досліджень).

4. Корсун В.И. Оценка эффективности применения высокопрочных бетонов для возведения дымовых труб / В.И. Корсун, А.С. Волков // Вісник ДонНАБА. - 2009. - Вип. 2009-4(78). - С. 60-64. (результати і аналіз теоретичних досліджень).

Список опублікованих робіт, які додатково відображують результати дисертації

5. Корсун В.И. Механические и реологические свойства модифицированных бетонов при осевом сжатии. / / В.И. Корсун, М.М. Зайченко, А.С. Волков // Щоріч. науч.-техн. сб. - Донецьк: Донецький ПромбудНДІпроект, 2008. - №6(11). - С.144-152. (результати і аналіз експериментальних досліджень).

6. Корсун В.І. Исследование механических характеристик высокопрочных бетонов на основе органоминеральных модификаторов / В.И. Корсун, А.В. Корсун, А.С. Волков // Зб. тез доповідей і повідомлень VI Міжнародної наукової конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. - Макіївка.

Анотація

Волков А.С. Міцність та деформації залізобетонних елементів з високоміцного бетону з урахуванням тривалості навантаження та нерівномірного нагрівання до +200⁰С. - 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, 2010.

У дисертації представлені результати експериментальних досліджень характеристик реологічних та фізико-механічних властивостей високоміцних модифікованих бетонів в умовах дії підвищених до +200°С температур і рівнів навантаження до з_l=у_l/R_b=0,6, а також вплив масштабного чинника на ці характеристики. Розроблені рекомендації щодо нормування деформацій усадки і повзучості, а також характеритик фізико-механічних властивостей високоміцних бетонів. Представлені результати експериментальних і теоретичних досліджень впливу масштабного чинника на характеристик НДС залізобетонних згинних елементів в умовах одностороннього нагрівання із застосуванням методики «СНиП», а також з урахуванням неоднорідності механічних і реологій властивостей бетону за об'ємом конструкцій. Доведена ефективність застосування високоміцних бетонів для зведення висотних будівель та споруд.

Ключові слова: високоміцний модифікований бетон, міцність, деформації, тривалість навантаження, нагрівання, усадка, повзучість, масштабний чинник, згин, напружено-деформований стан.

Аннотация

Волков А.С. Прочность и деформации железобетонных элементов из высокопрочного бетона с учетом длительности нагружения и неравномерного нагрева до +200⁰С. - 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, 2010.

Диссертация посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям НДС, прочности и деформациям изгибаемых железобетонных элементов, работающих в условиях одностороннего нагрева, а также влиянию на эти характеристики масштаба конструкций и их модуля открытой поверхности М₀.

...