Робота і розрахунок елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при повторних навантаженнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

УДК 624.012.25:539.43

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОБОТА І РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ КІЛЬЦЕВОГО ПЕРЕРІЗУ ЗІ СТАЛЕФІБРОБЕТОНУ ПРИ ПОВТОРНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

АНДРІЙЧУК ОЛЕКСАНДР

ВАЛЕНТИНОВИЧ

Львів 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Бабич Євгеній Михайлович, завідувач кафедри інженерних конструкцій

Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Бамбура Андрій Миколайович,

завідувач відділу надійності будівельних конструкцій

Державного підприємства «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» (м. Київ)

кандидат технічних наук, доцент Білозір Віталій Володимирович, доцент кафедри будівельних конструкцій Львівського національного аграрного університету (м. Дубляни)

Захист відбудеться «10» червня 2011 року о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.17 у Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Карпінського 6, ІІ навч. корпус, ауд. 212.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий „6 ” травня 2011 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради П.Ф. Холод

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кільцевий поперечний переріз мають різноманітні залізобетонні конструкції, серед яких напірні та безнапірні труби, опори ліній електропередач та інші. Такі конструкції виготовляються в переважній більшості з важкого залізобетону, удосконалення яких вимагає пошуку способів підвищення тріщиностійкості, ударної міцності, морозостійкості та інших характеристик, які в свою чергу залежать від міцності матеріалу на розтяг.

Одним із рішень в цьому напрямку є застосування в конструкціях труб сталефібробетону, який являє собою бетон з додаванням армуючих елементів у вигляді коротких сталевих відрізків довжиною 30 - 50 мм (фібр). Комбінування жорстких волокон (фібр) з матрицею (бетоном) дозволяє локалізувати небезпеку, пов'язану з крихким руйнуванням бетону.

Ефективність застосування сталефібробетону в будівельних конструкціях може досягатися за рахунок зниження трудовитрат на арматурні роботи, суміщення технологічних операцій під час приготування, армування, укладання та ущільнення сталефібробетонної суміші, продовження терміну експлуатації конструкцій і зниження витрат на різні види поточного ремонту.

Не зважаючи на ряд якісних переваг, сталефібробетон є ще порівняно новим та не повністю вивченим матеріалом. Так, практично не досліджена робота елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону. Відомо, що переважна більшість конструкцій піддається дії повторних навантажень - це також стосується і елементів кільцевого перерізу. Повторні змінні навантаження не тільки кількісно, але й якісно змінюють напружено-деформований стан констру-кцій. У процесі повторних навантажень виникають суттєві зміни фізико-механічних властивостей бетону, що безпосередньо відображаються на міцності, деформативності та процесі тріщиноутворення.

З огляду на наведе - дослідження особливостей роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону та удосконалення методів розрахунку є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з планом науково-дослідних робіт кафедри промислового та цивільного будівництва Луцького національного технічного університету.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є встановлення особливостей роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при короткочасних одноразових і повторних навантаженнях, їх оцінка та розробка методики розрахунку елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону.

Для досягнення мети в роботі поставлені такі задачі:

- обґрунтувати можливість та доцільність використання елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону;

- встановити особливості роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону та дослідити напружено-деформований стан при дії одноразо-вих та повторних навантажень;

- дослідити вплив повторних навантажень різних рівнів на роботу елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону;

- на основі експериментальних даних удосконалити методику розрахунку елементів кільцевого перерізу та розробити методику розрахунку елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при повторних навантаженнях.

Об'єктом досліджень є елементи кільцевого перерізу, виготовленні зі сталефібробетону.

Предметом досліджень є напружено-деформований стан, міцність, деформативність і тріщиностійкість сталефібробетонних елементів кільцевого перерізу при одноразових та повторних навантаженнях.

Методи досліджень: аналіз опублікованих наукових праць; експериментальні дослідження роботи елементів кільцевого перерізу, порівняння теоретичних і дослідних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна виконаної дисертаційної роботи полягає в наступному:

- доведено, що елементи кільцевого перерізу виготовленні зі сталефібробетону з відсотком армування 1,5 за показниками міцності та тріщиностійкості перевищують відповідні показники типових залізобетонних елементів кільцевого перерізу і при цьому зменшуються витрати матеріалів;

- отримані нові експериментальні дані роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при дії одноразових та повторних навантажень;

- встановлено, що за руйнівне навантаження в елементах кільцевого перерізу зі сталефібробетону можна приймати навантаження, що відповідає моменту утворення тріщин;

- запропоновано, що визначення зусиль в елементах кільцевого перерізу зі сталефібробетону, а також розрахунок міцності необхідно проводити з урахуванням перерозподілу зусиль.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропонована та запатентована технологія виготовлення сталефібро-бетонних труб кільцевого перерізу може використовуватися в будівельній практиці;

- методику розрахунку елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону рекомендується використати під час проектування конструкцій, до складу яких входять елементи кільцевого перерізу зі сталефібробетону;

- результати дослідження можна використовувати в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автором отримано самостійно. Автор виконав цілеспрямовані експерименти з дослідження роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при короткочасних одноразових і повторних навантаженнях. В опублікованих працях у співавторстві здобувачу належить наступне:

- [1] - проведення експериментальних досліджень роботи елементів кільцевого перерізу при дії одноразових навантажень, обробка даних результатів, проведення економічного порівняння.

- [2] - проведення експериментальних досліджень особливостей роботи елементів кільцевого перерізу при дії повторних навантажень, обробка даних результатів.

- [4] - проведення експериментальних досліджень особливостей роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при дії повторних навантажень різних експлуатаційних рівнів, обробка даних результатів.

- [6] - результати експериментальних досліджень, порівняння

тріщиностійкості типових елементів кільцевого перерізу та елементів зі сталефібробетону.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались і знайшли схвалення на науково-технічних конференціях: на міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні технології і методи розрахунків у будівництві” (м. Луцьк, 2009); міжнародній конференції "Структурообразование, прочность и механика разрушения композиционных строительных материалов и конструкций" (м. Одеса, 2010); міжнародній конференції молодих вчених «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (м. Могильов, 2010); науково-технічних конференціях Луцького національного технічного університету (2007, 2008, 2009, 2010); науково-технічних конференціях Національного університету водного господарства та природокористування (2008, 2009, 2010);

Публікації. Матеріали дисертації викладені у семи статтях, які опубліковані у збірниках наукових праць, що визнані фаховими виданнями, в тому числі три статті опубліковані одноосібно. Отриманий патент на корисну модель «Спосіб виготовлення сталефібробетонних тіл обертання» № 51894 від 10.08.2010.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 159 сторінках, в тому числі містить 124 сторінок основного тексту, з них 11 повних сторінок з рисунками і таблицями, список літератури із 138 джерел на 17 сторінках, 3 додатки на 11 сторінках, 36 таблиць, 64 рисунки.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дослідження роботи елементів кільцевого перерізу при короткочасних одноразових і повторних навантаженнях, сформульовано мету та задачі дослідження, відзначено зв'язок роботи з науковими програмами, викладено суть отриманих результатів, їх наукову новизну, теоретичне і практичне значення.

У першому розділі виконано аналіз існуючих експериментальних та теоретичних досліджень фібробетону та сталефібробетону, як матеріалу для будівельних конструкцій, які виконані Д.С. Аболіньшом, Є.М. Бабичем, А.Я. Барашиковим, В.В. Білозіром, І.В. Волковим, Г.В. Гетун, С.Я Дроби-шинцем, Л.Г Курбатовим, Ф.Н. Рабіновичем, А.В. Сакварелідзе, А.В, Сопіль-няком, О.П. Сунаком, П.О. Сунаком, Р.О Ейзеншідтом та іншими. Наведено приклади застосування сталефібробетону для виготовлення будівельних конструкцій в різноманітних галузях будівництва (водопровідні труби, палі, дорожні плити, бордюри тощо). Відзначено, що досліджень елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону в нашій країні виконано недостатньо.

Враховуючи особливі властивості сталефібробетону, в більшості випадків, його рекомендують використовувати для виготовлення безнапірних труб. Потрібно відмітити, що закордоном такі конструкції вже успішно експлуатуються, почали проводитись досліди в Росії (І.Б. Струговець, М.С. Кузнєцов) на підставі яких доведено, що позитивний вплив дисперсного армування на стадії навантаження бетону починає реалізовуватися після досягнення певної об'ємної концентрації фібр, що обумовлює початкову об'ємно-просторову зв'язність структури.

Встановлено також, що вартість сталефібробетонних труб, виготовлених методом центрифугування та віброформування менша від вартості залізобетонних труб понад 5 %.

З огляду на вищенаведене в дисертаційній роботі сформульовані мета досліджень та задачі для її досягнення.

У другому розділі наведені обсяг та програма експериментальних досліджень, методика дослідження елементів кільцевого перерізу (табл. 1).

Таблиця 1 Об'єм і програма експериментальних досліджень

Характеристика та розміри зразків, мм	Маркування зразків	n	Досліджувані фактори
1	2	3	4
Залізобетонні елементи кільцевого перерізу: Шв=300, Шз=380, l=290, t=40, В25	1ЗБК-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, деформативність бетону при одноразовому короткочасному навантаженні
Сталефібробетонні елементи кільцевого перерізу з м=2,5: Шв=300, Шз=380, l=290, t=40, В25	1СФБК-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, деформативність СФБ при одноразовому короткочасному навантаженні
Залізобетонні елементи кільцевого перерізу: Шв=300, Шз=380, l=290, t=40, В25	1ЗБП-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, деформативність бетону при одноразовому повторному навантаженні з рівнем 0,6
Сталефібробетонні елементи кільцевого перерізу з м=2,5: Шв=300, Шз=380, l=290, t=40, В25	1СФБП-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, деформативність СФБ при одноразовому повторному навантаженні з рівнем 0,6
Залізобетонні елементи кільцевого перерізу: Шв=300, Шз=380, l=200, t=40, В25	2ЗБК-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, напружено-деформований стан при одноразовому короткочасному навантаженні
Сталефібробетонні елементи кільцевого перерізу з м=1,5: Шв=300, Шз=380, l=200, t=40, В25	2СФБК-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, напружено-деформований стан при одноразовому короткочасному навантаженні
Сталефібробетонні елементи кільцевого перерізу з м=1,5: Шв=300, Шз=380, l=200, t=40, В25	2СФБП-0,5-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, напружено-деформований стан при одноразовому повторному навантаженні з рівнем 0,5
Сталефібробетонні елементи кільцевого перерізу з м=1,5: Шв=300, Шз=380, l=200, t=40, В25	2СФБП-0,7-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, напружено-деформований стан при одноразовому повторному навантаженні з рівнем 0,7
Сталефібробетонні елементи кільцевого перерізу з м=1,5: Шв=300, Шз=380, l=200, t=40, В25	2СФБП-0,85-1…3	3	Міцність, тріщиностійкість, напружено-деформований стан при одноразовому повторному навантаженні з рівнем 0,85

Дослідні елементи кільцевого перерізу виготовлялися із дрібнозернистого бетону класу В25. В першій серії відсоток вмісту фібр у сталефібробетонних зразках становив 2,5% від об'єму елемента, а в другій серії - 1,5 %. Причиною зменшення відсотку армування з м = 2,5 до м = 1,5 стало економічне порівняння вартості типових елементів кільцевого перерізу та елементів зі сталефібробетону.

Для визначення механічних і деформаційних характеристик бетону матриці було випробувано необхідну кількість бетонних та СФБ кубів ( 101010 см) на центральний стиск та призм розміром 101060 см на центральний розтяг.

Для виготовлення дослідних зразків із сталефібробетону використано фібри діаметром 0,8 мм та довжиною 50 мм виробництва Українсько-Канадського СП ТОВ «Донбас Ліберті» з м. Харцизьк Донецької області.

Армування зразків із залізобетону виконували зі спіралі з Ш4ВрІ з кроком 60 мм, яка намотувалась на дев'ять поздовжніх стержнів Ш6АІ згідно ГОСТ 6482 - 88. Механічні характеристики арматури визначали відповідно до ГОСТ 12004 - 81. Вимірювання деформацій на арматурних стержнях проводили тензометрами Гугенбергера на базі 20 мм з ціною поділки 0,001 мм.

На рис. 1 показано конструктивну схему дослідних елементів кільцевого перерізу виготовлених із залізобетону та сталефібробетону.

Рис. 1. Конструктивна схема дослідних елементів кільцевого перерізу

Всього було виготовлено 27 елементів кільцевого перерізу: 9 залізобетонних (1ЗБК-1…3, 1ЗБП-1…3, 2ЗБК-1…3) та 18 сталефібробетонних (1СФБК-1…3, 1СФБП-1…3, 2СФБП-0,5-1…3, 2СФБП-0,7-1…3, 2СФБП-0,85--1…3).

Випробування дослідних елементів кільцевого перерізу виконували, виходячи з вимог ГОСТ 6482 - 88, а саме - шляхом прикладання за допомогою металевої траверси зосередженого навантаження в напрямку вертикального діаметру (рис. 2). Нижня частина елемента спиралась на жорстку основу через гумову підкладку. Для цього було використано гідравлічний прес ПСУ -125. Для підвищення точності вимірювання діючого зусилля використовували зразковий протестований динамометр (з точністю 50 Н). Навантаження подавалося гідравлічним домкратом. Загальний вигляд випробування подано на рис. 3.



Рис. 2. Схема випробування безнапірної труби згідно ГОСТ 6482 - 88:

1 - гумовий килим або цементний розчин; 2 - металева траверса;

3 - нерухома основа

Рис. 3. Загальний вигляд випробування елементів кільцевого перерізу:

1 - верхня опорна плита пресу ПСУ-125; 2 - зразковий динамометр; 3 - домкрат; 4 - металева траверса; 5 - дослідний зразок кільцевого перерізу; 6 - гумовий килим; 7 - нижня опорна плита пресу ПСУ-125

Для вимірювання переміщень стінок дослідних зразків використовували індикатори годинникового типу МИГ-1 (ціна поділки 0,01 мм). Ширину розкрит-тя тріщин визначали за допомогою мікроскопа МПБ-3 (ціна поділки 0,02 мм). Для вимірювання деформацій бетону та СФБ на внутрішні та зовнішні поверхні елементів кільцевого перерізу наклеювали тензорезистори з базою 50 мм, показники яких фіксували тензометричним вимірювальним комплексом ВНП-8.

Навантаження до зразків 1ЗБК і 1СФБК прикладалось ступенями через 1 кН, що становило 7-8 % від руйнівного. Зразки 1ЗБП та 1СФБП на протязі 10 циклів навантажувались до рівня з = 0,6 від руйнівного зусилля, а на одинадцятому циклі були довантажені до руйнування. Навантаження до зразків 2ЗБК і 2СФБК прикладалось ступенями через 1 кН, що становило 8 - 12 % від руйнівного. Зразки 2СФБ-0,5, 2СФБ-0,7 і 2СФБ-0,85 на протязі дванадцяти циклів ступеня-ми навантажувались відповідно до рівня з = 0,5, з = 0,7 і з = 0,85 від руйнівного зусилля, а на тринадцятому циклі були довантажені до руйнування.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень елементів кільцевого перерізу виготовлених із залізобетону та сталефібробетону при дії короткочасних одноразових та повторних малоциклових навантажень.

Тріщини в елементах кільцевого перерізу утворюються в напрямку горизонтального діаметра ззовні, та в напрямку вертикального діаметра зсередини - відповідно до переміщень перерізів (рис. 4).

В зразках 1ЗБК-1…3 перші видимі тріщини виникли при навантаженні F = 6…7 кН при цьому виникало відразу чотири тріщини в перерізах із макси-мальними згинальними моментами - зонах 1, 2, 3, 4 (рис. 4, а), а їхня ширина складала acrc= 0,2 … 0,26 мм. Для зразків 1ЗБК-1…3 визначено екперементальне середнє руйнівне навантаження Fu = 11,5 кН, при якому acrc= 2 мм.

В зразках 2ЗБК-1…3 перші тріщини виникли при навантаженні F = 5 кН. Ширина розкриття цих тріщин становила acrc= 0,25 … 0,5 мм. Згідно із критерієм руйнування залізобетонних труб за максимальною шириною розкриття тріщин (умова, при якій acrc= 2 мм) для зразків 2ЗБК-1…3 визначено експериментальне середнє руйнівне навантаження Fu = 8 кН при якому acrc= 2 мм.

Переміщення стінок дослідних залізобетонних елементів в горизонтальному (Дlh) та вертикальному (Дlv) напрямку на ділянці F = 0 …6 кН (для 1ЗБК-1…3) та на ділянці F = 0 …4 кН (для 2ЗБК-1…3) відбувалися лінійно та досягли при максимальному навантаженні даної ділянки (F = 6 кН і F = 4 кН відповідно) значення Дlv,h = 0,09 … 0,13 мм. На ділянці F = 6…7 кН (для 1ЗБК-1…3) та на ділянці F = 4 …5 кН (для 2ЗБК-1…3) переміщення стінок зразків збільшилося нелінійно до значення Дlv,h = 3,92 … 4,86 мм (через процес тріщиноутворення). На наступній ділянці завантаження F = 7 … 11,5 кН (для 1ЗБК-1…3) та на ділянці F = 5 …8 кН (для 2ЗБК-1…3) переміщення стінок даних зразків знову набуло певної лінійної закономірності та при експериментальному середньому руйнівному навантаженні становило Дlv = 8,23…8,89 мм і Дlh = 8,55…9,45 мм.

Середнє руйнівне навантаження для зразків 1СФБК-1…3 склало Fu = 15 кН, а саме для зразка 1СФБК-1 воно становило F = 15,55 кН, для зразка 1СФБК-2 F = 14,2 кН і для зразка 1СФБК-3 F = 15,25 кН. Перші видимі тріщини в елементах 1СФБК-1…3 почали з'являтися при F = 14 кН. Ширина їх розкриття при даному навантаженні становила acrc= 0,15 мм, а при завантаженні F = 15 кН вони розкривалися до acrc= 0,26 мм. Тріщини мали значно виражену плетін-частість, у порівнянні зі зразками 1ЗБК-1…3 і 2ЗБК-1…3 (рис. 5). Подаль-шого збільшення навантаження до F = 16 кН дослідні елементи не сприймали та відбувався процес їхнього руйнування.

Для елементів 2СФБК-1…3 середнє руйнівне навантаження склало Fu = 8,85 кН, а саме для зразка 2СФБК-1 воно становило F = 9,35 кН, для зразка 2СФБК-2 F = 8,04 кН і для зразка 2СФБК-3 F = 9,17 кН. В елементах 2СФБК тріщини почали з'являтися при навантаженні F = 8 кН. Ширина їх розкриття в цей момент становила acrc = 0,05 мм. Дослідні зразки ще сприймали наванта-ження F = 8,85 кН, але подальшого його збільшення до F = 9 кН не витримували та відбувався процес їхнього руйнування.

Збільшення відсотку армування сталевими фібрами з м = 1,5 (2СФБК-1…3) до м = 2,5 (1СФБК-1…3) дає збільшення міцності для елементів кільцевого перерізу при короткочасних одноразових навантаженнях на 17 %.

Переміщення перерізів (Дlh та Дlv) елементів 1СФБК-1…3 та 2СФБК-1…3 на початку навантаження зростали пропорційно до значення F = 7 кН (для 1СФБК-1…3) та до значення F = 5 кН (для 2СФБК-1…3), а потім почалося виникнення пластичних деформацій і пропорційність між F та Дl порушилася. Дlh та Дlv стінок зразків для 1СФБК-1…3 майже однакові, а при навантаженні F = 11 кН - у двох напрямках рівні Дlh,v = 0,65 мм. Так само і для елементів 2СФБК-1…3 Дlh та Дlv стінок зразків дуже збіжні, а при навантаженні F = 2 кН та F = 5 кН у двох напрямках рівні Дlh,v = 0,05 мм та Дlh,v = 0,13 мм, відповідно. Це підтверджує, що в діаметральних горизонтальних і вертикальних перерізах під навантаженням в елементах кільцевого перерізу зі сталефібробетону виникають практично однакові згинальні моменти.

Перші видимі тріщини в зразках 1ЗБП-1…3 виникли на першому циклі при навантаженні F = 6 кН з шириною acrc = 0,15 мм. При максимальному заванта-женні в першому циклі, що становило F = 7 кН (з = 0,6) тріщини розкривалися до acrc= 0,95 … 1,05 мм. При розвантаженні зразків до F = 0 кН залишкова шири-на розкриття тріщин становила в межах acrc= 0,5 … 0, 6 мм. На 5 - 11циклі при максимальному завантаженні (F = 7 кН) acrc= 1,15 … 1,2 мм. Згідно із критерієм руйнування залізобетонних труб за максимальною шириною розкриття тріщин для зразків 1ЗБП-1…3 визначено середнє руйнівне навантаження Fu = 10,5 кН (це відбулося при завантаженні одинадцятого циклу до руйнування). Зразки 1ЗБП-1…3 сприймали ще навантаження до Fu = 13,5…14,5 кН, але при цьому ширина розкриття тріщин вже становила acrc= 3,8… 4,3 мм.

В елементах 1СФБП-1…3 перші видимі тріщини виникли на одинадцятому циклі при навантаженні F = 13,5 кН, а їхня ширина становила acrc = 0,01 мм. При навантаженні F = 14 кН ширина розкриття тріщин вже була acrc = 0,15 … 0,3 мм. При середньому навантаженні F = 14,7 кН зразки переставали чинити опір навантаженню і відбувалося їхнє руйнування.

При повторних навантаженнях жорсткість і тріщиностійкість зразків 1СФБП була суттєво вища, ніж зразків 1ЗБП. Так, в зразках із сталефібробетону на протязі десятикратного навантаження горизонтальні (Дlh) та вертикальні (Дlv) переміщення діаметральних перерізів не змінювалися та були при максима-льному завантаженні циклу (F = 7 кН) рівними Дlh= 0,12 мм та Дlv= 0,14 мм, в той час, як в залізобетонних зразках ці величини постійно (з 1-го по 10-го цикл) збільшувалися - Дlh = 5,2…6,4 мм та Дlv = 4,5…4,6 мм. Крім цього на ступенях навантаження (ДF = 1 кН) середні переміщення перерізів в зразках 1СФБП становили Дlh,v = 0,01…0,02 мм, а в зразках 1ЗБП в межах Дlh,v = 0,1…0,3 мм.

При повторних навантаженнях, рівень яких не перевищує зcyc = 0,6 від руйнівних, на протязі 10-кратного навантаження в зразках із сталефібробетону (1СФБП-1…3) повні та залишкові деформації практично не змінювалися, в той час, як в зразках із залізобетону (1ЗБП-1…3) вони збільшилися на 10 … 25 %.

Середнє руйнівне навантаження для елементів 2СФБП-0,5-1…3 склало Fu = 8,5 кН, а саме, для зразка 2СФБП-0,5-1 воно становило F = 8,35 кН, для зразка 2СФБП-0,5-2 F = 8,2 кН і для зразка 2СФБП-0,5-3 F = 8,95 кН. При навантаженні на циклах максимального зусилля (F = 4 кН) переміщення перерізів зразків були в межах Дlh = 0,08…0,1 мм, а Дlv = 0,09…0,12 мм.

Середнє руйнівне навантаження для елементів 2СФБП-0,7-1…3 склало Fu = 8,45 кН, а саме для зразка 2СФБП-0,7-1 воно становило F = 8,37 кН, для зразка 2СФБП-0,7-2 F = 8,86 кН і для зразка 2СФБП-0,7-3 F = 8,12 кН. При навантаженні на циклах максимального зусилля (F = 5,6 кН) переміщення перерізів зразків були в межах Дlh = 0,12…0,14 мм, а Дlv = 0,14…0,15 мм.

Сталефібробетонні елементи кільцевого перерізу при рівнях повторних навантажень до 0,7Fu працюють практично в пружній стадії (на основі отриманих результатів під час дослідження зразків 2СФБП-0,5 та 2СФБП-0,7).

Під час дослідження елементів 2СФБП-0,85-1…3 середнє руйнівне наван-таження становило Fu = 8,4 кН, а саме: для зразка 2СФБП-0,85-1 воно становило F = 8,27 кН, для зразка 2СФБП-0,85-2 F= 8,57 кН і для зразка 2СФБП-0,85-3 F = 8,36 кН. При навантаженні на циклах (1-ий…12-ий) максимального зусилля (F = 6,8 кН) з кожним циклом переміщення перерізів постійно збільшувалися в проміжку Дlh = 0,23…1,82 мм, а Дlv = 0,27…1,92 мм. сталефібробетонний кільцевий переріз армування

Перша тріщина в елементах 2СФБП-0,85-1…3 утворилася на 7-му циклі при навантаженні F = 6,8 kH. Ширина її становила acrc = 0,05 мм. При розвантаженні елемента на цьому ж циклі вона повністю закрилася. На 9-му, 10-му, 11-му та 12-му циклах при навантаженні F = 6,8 kH максимальна усеред-нена ширина тріщин становила acrc= 0,13 мм, acrc= 0,15 мм, acrc= 0,18 мм і acrc = 0,24 мм, відповідно. На 12-му циклі при розвантаженні елементів тріщини закривалися до acrc = 0,15 мм. На 13-му циклі (руйнівному) тріщини розкрилися до acrc = 0,34 мм при навантаженні F = 6,8 kH, а при навантаженні F = 7,5…8 kH вони розкрилися до acrc = 0,53 мм. Під час завантаження F = 9 kH відбулося руйнування зразків по цих тріщинах.

При повторних навантаженнях з рівнем зcyc = 0,85 від руйнівних, на циклах навантаження можуть виникати тріщини, які спричиняють зниження жорсткості елементів, виникнення суттєвих діаметральних переміщень. На прийнятій базі випробувань при цьому рівні повторних навантажень стабілізації переміщень не зафіксовано. Процес розкриття тріщин в елементах 2СФБП-0,85 подано на рис. 6.

Перші видимі тріщини в зразках зі СФБ в більшості випадків виникали за одну - дві ступені навантаження від руйнівних зусиль, а в зразках із залізобетону при навантаженнях, рівних 0,3…0,4 максимальної несучої здатності перерізу.



Рис. 6. Розвиток процесу тріщиноутворення на циклах в елементах 2СФБП-0,85

Четвертий розділ присвячений теоретичному визначенню міцності елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону та моделюванню їх роботи.

В цілях спрощення статичного розрахунку елементів кільцевого перерізу всі навантаження, що діють (рис. 7, а), приводяться до двох еквівалентних проти-лежно направлених лінійних навантажень F.

Приведення зовнішніх навантажень до двох зосереджених розрахункових сил проводять за допомогою коефіцієнтів, що встановлені нормами.

Розрахункове лінійне еквівалентне навантаження:

F = з [ ( Gг + Gв,вр ) · в + ( Gсв + Gн ) · в1 ]

де з - коефіцієнт, що враховує боковий тиск ґрунту на трубопровід; в і в1 - зведені коефіцієнти, що характеризують рівновагу від вертикальних навантажень;

Gг - рівнодіюча навантаження від вертикального тиску ґрунту:

Gг = k·гг·H·Dз

де k - узагальнений коефіцієнт тиску ґрунту, що враховує умови роботи труби в прорізі, траншеї чи в насипі; гг - об'ємна вага ґрунту; H - глибина закладання труби; Dз - зовнішній діаметр труби;

Gв,вр - рівнодіюча навантаження від транспорту:

Gв,вр = gа·Dз·µ·k

gа - рівномірно розподілений тиск від транспорту, що передається на трубо-провід через ґрунт; µ - динамічний коефіцієнт; k - узагальнений коефіцієнт тиску ґрунту, що враховує умови роботи труби;

Gвв - рівнодіюча навантаження від власної ваги трубопроводу:

гм - об'ємна вага матеріалу з якого виготовлені труби; t - товщина стінки труби; Dв - внутрішній діаметр труби;

Gз - рівнодіюча характеристичного вертикального навантаження від власної ваги рідини, що транспортується:

де гз - об'ємна ваги рідини.

За дії зосередженого приведеного навантаження F в пружній стадії роботи труб виникають наступні згинальні моменти:

- у вертикальних поздовжніх перерізах труби (лотку та шелизі):

M2 = M4 = г1·F·r = 0,318·F·r

- в бокових поздовжніх перерізах:

M1 = M3 = - г2·F·r = - 0,182·F·r

де r - радіус серединної поверхні елемента кільцевого перерізу.

За допомогою вищенаведеного розрахунку можна обчислити значення виникаючих згинальних моментів в січеннях труб в залежності від геометричних параметрів, вихідних умов та умов роботи.

Експериментальні дослідження механічних характеристик сталефібробетону засвідчили, що в цьому композитному матеріалі при стисканні виникають пружно-пластичні деформації, тобто СФБ не є пружним матеріалом. За експериментальними даними коефіцієнт пластичності СФБ знаходиться в межах 0,20…0,50. Особливо пластичні деформації проявляються при високих рівнях навантаження, що може викликати перерозподіл зусиль в перерізах кільцевого елемента. З огляду на це формули (6) і (7) можуть давати наближені значення.

При визначенні міцності елементів кільцевого перерізу за пружної роботи сталефібробетону в стиснутій зоні за умови, що коефіцієнт пружності СФБ в стиснутій зоні рівний 1,0, а в розтягнутій - 0,5, напруження в крайовому стиснутому волокні сталефібробетону визначаться за формулою згідно (розрахункові схеми взяті для розрахунку поперечного перерізу)

де t - товщина стінки труби, а x - висота стиснутої зони (рис. 8, а).

Граничний згинальний момент Mu, який може сприйняти переріз можна визначити як суму моментів внутрішніх зусиль відносно нейтральної лінії:

Висота стиснутої зони сталефібробетону визначається із умови:

(10)

При визначенні міцності елементів кільцевого перерізу за непружної роботи сталефібробетону в стиснутій зоні за умови, що коефіцієнт пружності СФБ в стиснутій та розтягнутій зоні приймається рівним 0,5 , а напруження в стиснутій зоні - рівномірно розподіленими і рівними опору СФБ осьовому стиску Rsfb (рис. 8, в). Граничний згинальний момент в цьому випадку буде:

Висота стиснутої зони сталефібробетону визначається з рівняння:

Для забезпечення нормальної експлуатації трубопроводу необхідно, щоб задовольнялася умова міцності M ? Mu, тобто щоб згинальний момент, що виникає в елементів кільцевого перерізу не перевищував граничного.

В результаті випробування сталефібробетонних зразків визначені лінійні навантаження F, після перевищення яких в зразках виникали тріщини. Ці навантаження вважалися руйнівними (табл. 2). Виконані теоретичні розрахунки міцності поздовжніх перерізів кільцевих елементів без урахування і з урахуванням непружних деформацій в стиснуті зоні сталефібробетону, тобто за формулами (9) і (11). Використовуючи формулу (6), за експериментальними даними визначено коефіцієнт г1. Результати обчислення подані в табл. 2.

Таблиця 2 Експериментальні значення руйнівних навантажень, теоретичні значення міцності нормальних перерізів та розрахункові коефіцієнти

Марка зразків	Сила F, кН	Міцність Mu, кН*м, за формулами	Значення г1 за формулами
		(9)	(11)	(9)	(11)
1СФБК-1	13,47	0,383	0,590	0,158	0,243
1СФБК-2	12,3	0,383	0,590	0,173	0,267
1СФБК-3	13,23	0,383	0,590	0,161	0,248
1СФБП-1	13,17	0,383	0,590	0,162	0,249
1СФБП-2	13,83	0,383	0,590	0,154	0,237
2СФБК-1	8,45	0,236	0,364	0,155	0,240
2СФБК-2	7,27	0,236	0,364	0,180	0,278
2СФБК-3	8,29	0,236	0,364	0,158	0,244
2СФБП-0,5	8	0,236	0,364	0,164	0,253
2СФБП-0,7	7,5	0,236	0,364	0,175	0,270
Середнє значення коефіцієнта г1	0,164	0,253
Середньоквадратичні відхилення у	0,009	0,0143
Коефіцієнт мінливості х, %	5,51	5,53

Аналіз результатів засвідчує, що з урахуванням пластичної роботи СФБ в стиснутій зоні перерізу теоретичне значення міцності суттєво більша, ніж без її врахування. Експерименти також показали, що значення коефіцієнтів г відріз-няються від коефіцієнтів в формулах (6) і (7), що застосовуються для визначення зусиль в пружних матеріалів. Якщо прийняти значення коефіцієнтів г1,2 = 0,25 згідно статистичних даних (табл. 2), то буде врахована непружна робота СФБ, а також перерозподіл зусиль в поздовжніх перерізах. Цим буде досягатися економія матеріалів на виготовлення конструкцій кільцевого перерізу.

Формули (6) і (7) з урахуванням, що г1,2 = 0,25 будуть приведені до формули:

M2,4 = M1,3 = 0,25 · P · r

За допомогою розрахунку в ПК Ліра визначалися числові значення згинальних моментів, що виникають в елементах кільцевого перерізу зі СФБ. Для розрахунків використовувався ПК Ліра 9.4 розробки НДІАСБ, м. Київ. Для моделювання роботи дослідного зразка застосовувалися фізично нелінійними СЕ № 236 і проводилася його тріангуляція виходячи з умови, що розміри одного СЕ становлять 10х10х10 мм. Механічні характеристики сталефібробетону задається з допомогою графіка, що описує залежність напруження-деформації (у - ?).

Навантаження на змодельований елемент прикладається від власної ваги і від дії рівномірно розподіленої сили вздовж осі в напрямку вертикального діаметра.

Розрахунок проводиться з використанням 14-го закону нелінійного дефор-мування. На рис. 9г, д подано значення ізополів згинальних моментів.

За допомогою ПК Ліра 9.4 було змодельовано та прораховано елемент зі СФБ з параметрами, що відповідає зразку типу 2СФБК. Значення моментів в вертикальних та бокових поздовжніх перерізах отримані в наслідок даного розрахунку подано в табл. 3. Для порівняння в табл. 3 подані значення згинальних моментів визначені теоретично згідно формул (6), (7) і формули (13).

Таблиця 3 Значення згинальних моментів в елементі 2СФБК

Сила, F	В вертикальних поздовжніх перерізах	В бокових поздовжніх перерізах	Теоретичне при г =0,25
кН	кН/м	ПК ЛІРА	Теоретичне при г2,4= 0,318	ПК ЛІРА	Теоретичне при г1,3= 0,182
1	5	0,230	0,270	0,199	0,155	0,213
2	10	0,458	0,541	0,398	0,310	0,425
3	15	0,687	0,811	0,596	0,464	0,638
4	20	0,916	1,081	0,794	0,619	0,850
5	25	1,146	1,352	0,995	0,774	1,063
6	30	1,375	1,622	1,193	0,928	1,275
7	35	1,603	1,892	1,392	1,083	1,488
8	40	1,832	2,162	1,589	1,237	1,700
9	45	2,061	2,433	1,796	1,392	1,913

Збіжність значень згинальних моментів отриманих за допомогою ПК ЛІРА та теоретичного розрахунку (6) та (7) знаходиться в межах 18 … 29 %, а теоретичного розрахунку (13) знаходиться в межах 6 … 7 %.

ВИСНОВКИ

1. Сталефібробетон є ефективним композиційним матеріалом для виготовлення будівельних конструкцій різноманітного призначення і втому числі для елементів кільцевого перерізу. Але робота елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону практично не досліджена. Особливо це стосується роботи під дією повторних малоциклових навантажень. Отримані нові експериментальні дані роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при дії короткочасних одноразових та повторних навантажень різних рівнів.

2. Економічно обґрунтовано використання сталефібробетону з відсотком армування м = 1,5 в безнапірних трубах кільцевого перерізу.

3. Експериментально встановлено, що руйнування елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону настає після утворення чотирьох пластичних шарнірів та розділенні кільця на чотири практично недеформівних диска, що знаходяться в граничних станах, що призводить до перерозподілу моментів.

4. Встановлено, що збільшення відсотку армування стальними фібрами з м = 1,5 до м = 2,5 дає приріст по міцності для сталефібробетонних елементів кільцевого перерізу при короткочасних одноразових навантаженнях до 17 %.

5. Експериментально встановлено, що повторні навантаження, рівень яких не перевищує 0,70 від руйнівних, не призводять до зміни деформацій в елементах кільцевого перерізу зі СФБ, а в зразках із залізобетону при рівні повторних навантажень 0,60 від руйнівних деформації збільшилися на 10 … 25 %. В елементах кільцевого перерізу зі СФБ при рівні повторних навантажень 0,85 від руйнівних починаючи з 5 - 7 циклу був відмічений їх приріст.

6. Зафіксовано, що перші видимі тріщини в зразках зі сталефібробетону при одноразових навантаженнях в більшості випадків виникали за одну - дві ступені навантаження від руйнівних зусиль, а в зразках із залізобетону при навантаженнях, рівних 0,3 … 0,4 максимальної несучої здатності перерізу.

7. Описано можливість використання під час розрахунку елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону програмного комплексу ПК Ліра, що працює на основі алгоритмів методу скінченних елементів.

8. Міцність елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону рекомендується визначати з урахуванням непружних деформацій в стиснутій зоні. При визначенні внутрішніх зусиль від приведеного зовнішнього навантаження необхідно у формулах для розрахунку моментів в вертикальних і бокових січеннях використовувати значення коефіцієнтів г1 і г2 рівними 0,25.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Бабич Є.М. Про доцільність використання сталефібробетону для виготовлення безнапірних труб / Є.М. Бабич, О.В. Андрійчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць - Рівне: НУВГП, 2009. - Випуск 18. - С. 119 - 126.

2. Бабич Є.М. Дослідження роботи сталефібробетонних елементів кільцевого перетину при одноразовому і повторному навантаженні / Є.М. Бабич, О.В. Андрійчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць - Рівне: НУВГП, 2009. - Випуск 19. - С. 82 - 90.

3. Андрійчук О.В. Особливості роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при різних відсотках армування / О.В. Андрійчук // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПГАСА. - 2009. - Випуск 12. - С. 44 - 49.

4. Бабич Є.М. Вплив повторних навантажень на роботу сталефібробетонних елементів кільцевого перерізу / Є.М. Бабич, О.В. Андрійчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць - Рівне: НУВГП, 2010. - Випуск 20. - С. 125 - 132.

5. Андрійчук О.В. Методика експериментальних досліджень роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при повторних навантаженнях / О.В. Андрійчук // Наукові нотатки: Збірник наукових праць - Луцьк: ЛНТУ, 2010. - Випуск 28. - С. 24 - 27.

6. Бабич Є.М. Експериментальні дослідження тріщиностійкості сталефібробетонних елементів кільцевого перетину / Є.М. Бабич, О.В. Андрійчук, // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури: Збірник наукових праць - Одеса: ОДАБА, 2010. - Випуск 39. Частина 1. - С. 18 - 23.

7. Андрийчук А.В. Работа элементов кольцевого сечения из сталефибробетона при повторных нагрузках. / А.В. Андрийчук // Новые материалы, оборудование и технологи в промышленности: Материалы международной конференции молодых ученых - Могилев: Белорусско-Российский университет, 2010. - С. 97.

АНОТАЦІЯ

Андрійчук О.С. Робота і розрахунок елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при повторних навантаженнях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01. - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Луцький національний технічний університет, Луцьк 2011.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню особливостей роботи елемен-тів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при короткочасних одноразових і повторних навантаженнях, їх оцінці та розробці методики розрахунку елементів кільцевого перерізу зі СФБ. Досліджено вплив відсотку армування сталевими фібрами на міцність елементів кільцевого перерізу зі СФБ. Зроблено порівняння роботи залізобетонних та СФБ елементів кільцевого перерізу при короткочасних одноразових і повторних навантаженнях із рівнем 0,6 від руйнівного зусилля. Досліджено вплив повторних навантажень різних рівнів на міцність, тріщино-стійкість, напружено-деформативний стан елементів кільцевого перерізу зі СФБ.

Отримано нові експериментальні дані роботи елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону при короткочасних одноразових і повторних навантаженнях.

Запропоновано міцність елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону визначати з урахуванням непружних деформацій в стиснутій зоні.

Описано можливість використання під час розрахунку елементів кільцевого перерізу зі сталефібробетону програмного комплексу ПК Ліра.

Ключові слова: сталеві фібри, сталефібробетон, елементи кільцевого перерізу, повторні навантаження, міцність, тріщиностійкість.

Андрийчук А.В. Работа и расчет элементов кольцевого сечения из сталефибробетона при повторных нагрузках. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - «Строительные конструкции, здания и сооружения». - Луцкий национальный технический университет, Луцк 2011.

Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей работы элементов кольцевого сечения из сталефибробетона при кратковременных одноразовых и повторных нагрузках, их оценке и разработке методики расчета элементов кольцевого сечения из сталефибробетона. Исследовано влияние процента армирования стальными фибрами на прочность элементов кольцевого сечения из сталефибробетона. Сделано сравнение работы типичных (железобе-тонных) и СФБ элементов кольцевого сечения при кратковременных одноразовых и повторных нагрузках с уровнем 0,6 от разрушительного усилия. Исследовано влияние повторных нагрузок разных уровней на прочность, трещиностойкость, напружено-деформативний состояние из сталефиброетона.

Во введении обоснована актуальность темы, цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, подана характеристика диссертации.

Первый раздел посвящен обзору трудов отечественных и зарубежных ученых, в которых изучались прочностные характеристики сталефибробетона в строительных конструкциях, изучалась работа сталефибробетона при повторных нагрузках. Был произведен анализ материалов о железобетонных безнапорных трубах, а именно: расчет, армирование, применение, методы производства.

Во втором разделе разработана методика экспериментальных исследова-ний, определены механические характеристики бетона и СФБ, описана установ-ка для испытания образцов, методика измерения перемещение стенок опытных элементов, а также методика измерения деформаций железобетона та сталефиб-робетона c использованием измерительной тензометрической станции ВНП-8.

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных исследо-ваний работы элементов кольцевого сечения из железобетона та СФБ при кратковременных одноразовых и повторных малоцикловые нагрузках. Приведены результаты экспериментальных исследований работы элементов кольцевого сечения из сталефибробетона при повторных малоцикловые нагрузках эксплуатационных и высоких уровней. Впервые получены результаты работы элементов кольцевого сечения из сталефибробетона при повторных малоцикловые нагрузках эксплуатационных и высоких уровней.

Четвертый раздел посвящен расчету элементов кольцевого сечения. Предложено прочность элементов кольцевого сечения из сталефибробетона определять с учетом непружних деформаций в сжатой зоне, а также перераспре-делением усилий в продольных сечениях кольцевых элементов.

Предложено возможность использования для расчета элементов кольцевого сечения из сталефибробетона ПК Лира что основан на методе конечных элементов

В выводах приводятся основные результаты экспериментальных и теоретических исследований.

Ключевые слова: стальные фибры, сталефибробетон, элементы кольцевого сечения, повторные нагрузки, прочность, трещиностойкость.

Andriychuk O.V. Work and calculation of elements of circular cut from steelfibroconcrete at the repeated loading. it is Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences after speciality 05.23.01 - Building constructions, building and building. - Lutsk national technical university, Lutsk 2011.

Dissertation work is sanctified to research of features of work of elements of circular cut from steelfibroconcrete at the brief non-permanent and repeated loading, their estimation and development of methodology of calculation of elements of circular cut from steelfibro-concrete. Influence to the percent of reinforcement steel fibres is investigational on durability of elements of circular cut from SFC. It is compared the work of reinforce-concrete and steelfibroconcrete of elements of circular cut at the brief non-permanent and repeated loading with a level 0,6 from destructive effort.

Influence of the repeated loading of different levels is investigational on durability, crack durability, tension-deformations state of elements of circular cut from steelfibroconcrete.

These experimental new works of elements of circular cut are got from steelfibroconcrete at the brief non-permanent and repeated loading.

Durability of elements of circular cut is suggested from steelfibroconcrete to determine taking into account not resilient deformations in the compressed zone.

Possibility of the use is described of programmatic complex the PC Lyre during the calculation of elements of circular cut from steelfibroconcrete.

Keywords: steel fibres, steelfibroconcrete, elements of circular cut, repeated loading, crack durability.

Размещено на Allbest.ru

...