Міцність і стійкість позацентрово-стиснутих залізобетонних стержнів при небагаторазових повторних навантаженнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державне підприємство

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій

УДК 624.014

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Міцність і стійкість позацентрово-стиснутих залізобетонних стержнів при небагаторазових повторних навантаженнях

Карапетян Смбат Хачатурович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Донбаському державному технічному університеті (м.Алчевськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Давиденко Олександр Іванович Державне підприємство Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович Київський національний університет будівництва та архітектури Міносвіти України;

Завідувач кафедри залізобетонних та кам`яних конструкцій кандидат технічних наук, доцент Твардовський Ігор Олександрович Одеська державна академія будівництва та архітектури Міносвіти України; доцент кафедри будівельної механіки

Захист відбудеться “25” березня 2009 року о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Державного підприємства Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Мінрегіонбуду України, м. Київ за адресою: 03680, м. Київ, вул. Івана Клименка, 5/2, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного підприємства державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Мінрегіонбуду України, м. Київ.

Автореферат розісланий “ 23 ” лютого 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, с.н.с. Слюсаренко Ю.С.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найбільш перспективних напрямків підвищення ефективності будівництва є удосконалення методів розрахунку залізобетонних конструкцій, які враховують особливості їх роботи в реальних умовах експлуатації.

Залізобетонні конструкції колон резервуарів, вантажних естакад, будівель енергетичного комплексу при експлуатації витримують небагаторазові повторні навантаження природного або технологічного характеру, величини яких можуть перевищувати розрахункове навантаження. При цьому виявляються маловивчені і не відображені в нормах особливості деформування і руйнування елементів конструкцій.

Питання впливу небагаторазових повторних навантажень на міцність і стійкість залізобетонних стиснутих і стиснуто-зігнутих стержнів, на відміну від елементів, що згинаються, представляється недостатньо вивченим. Процес наростання пластичних залишкових деформацій з кожним циклом навантаження внаслідок циклічної повзучості бетону може суттєво вплинути на значення критичних навантажень і прогинів позацентрово стиснутих залізобетонних гнучких стержнів.

Норми проектування не включають питання втрати стійкості залізобетонних конструкцій при повторних навантаженнях, а у рамках оцінки витривалості лише рекомендують зниження характеристик міцності матеріалів (бетону і арматури) залежно від коефіцієнта асиметрії циклів напруження.

Таким чином, вирішення задач, спрямованих на розробку методів розрахунку міцності і стійкості позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при повторних навантаженнях, особливо високонавантажених, є актуальним як з точки зору фізичного обґрунтування впливу указаного фактору, так і для підвищення надійності і безпечної експлуатації залізобетонних конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає актуальним напрямам науково-технічного розвитку будівельній галузі України. Отримані результати використані при складанні нових національних норм розрахунку залізобетонних конструкцій, в рамках роботи, яка виконувалася в НДІБК, - договір між НДІБК і Мінрегіонбудом України від 11.09.03 № С-2-2-03/643 „Розробити ДБН „Бетонні та залізобетонні конструкції” (на заміну СНиП 2.03.01 - 84*)” РК №0103U008522 07.2003 - 12.2005.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - експериментальне і теоретичне дослідження міцності і стійкості позацентрово стиснутих залізобетонних стержнів середньої гнучкості в умовах небагаторазових повторних навантажень.

Поставлена мета досягається вирішенням наступних задач:

- на основі експериментальних досліджень встановити особливості роботи позацентрово стиснутих залізобетонних шарнірно закріплених стояків середньої гнучкості при небагаторазових повторних навантаженнях і виявити вплив рівня і кількості циклів навантажень на несучу здатність і деформативність досліджуваних зразків;

- отримати диференціальні рівняння для знаходження закону деформації бетону з використанням досліджень на позацентрове стиснення стояків на основі розвитку методу Feret і виявити закономірності деформації стиснутого бетону в залізобетонних стояках при небагаторазових повторних навантаженнях; деформативність позацентровий гнучкість залізобетонний

- виявити ступінь впливу небагаторазових повторних навантажень на характеристики міцності і деформативності стиснутого бетону залізобетонних стояків і отримати відповідні залежності вказаних характеристик від кількості циклів навантажень;

- розробити методику розрахунку залізобетонних позацентрово стиснутих стержнів в умовах небагаторазових повторних навантажень;

- у рамках чисельного експерименту розробити математичні моделі для оцінки несучої здатності залізобетонних позацентрово стиснутих стояків з урахуванням особливостей їх роботи при повторних навантаженнях.

Об'єкт дослідження - залізобетонні конструкції в умовах одноразових і небагаторазових повторних навантаженнь.

Предмет дослідження - міцність і стійкість позацентрово-стиснутих залізобетонних стержнів при небагаторазових повторних навантаженнях.

Методи дослідження - експериментальні дослідження із застосуванням кореляційного аналізу отриманих результатів, теоретичні дослідження на основі теорії пластичності, стійкості і міцності залізобетону, методи математичного моделювання з використанням обчислювального комплексу «Ліра Windows».

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше отримані дослідні дані про стійкість і деформативність позацентрово стиснутих елементів при різних рівнях і кількостях циклів навантажень;

- отримані нові залежності деформації стиснутого бетону, прогинів і ексцентриситетів позацентрово стиснутих залізобетонних елементів від кількості циклів повторних навантажень;

- виконано розвиток методу Feret для знаходження закону деформації бетону з використанням досліджень на позацентрове стиснення;

- отримані діаграми деформування бетону залізобетонних позацентрово стиснутих елементів при одноразових і повторних навантаженнях та залежності модуля пружності бетону від кількості циклів навантажень;

- виконано розвиток методики НДІБК для оцінки напружено - деформованого стану нормальних перерізів позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при небагаторазових повторних навантаженнях.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці ефективного методу оцінки несучої здатності і деформативності позацентрово стиснутих залізобетонних стрижнів в умовах небагаторазових повторних навантажень, а розроблені відповідні практичні рекомендації дозволяють виконувати достовірну оцінку міцності і стійкості позацентрово стиснутих елементів в умовах небагаторазових повторних навантажень високого рівня.

Результати наукових досліджень впроваджені:

- у національних нормативних документах (проект ДБН „Бетонні та залізобетонні конструкції” (на заміну СНиП 2.03.01 - 84*));

- у навчальному процесі кафедри «Залізобетонні конструкції» Київського національного університету будівництва і архітектури і кафедри «Будівельні конструкції» Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ) для підготовки спеціалістів і магістрів за фахом «Промислове і цивільне будівництво».

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується великим обсягом експериментальних досліджень, доброю збіжністю результатів експериментальних досліджень з результатами, що отримані за запропонованими методиками.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень залізобетонних позацентрово стиснутих стояків при одноразових і небагаторазових повторних навантаженнях; у виконанні розвитку методу Feret для знаходження закону деформації бетону з використанням досліджень стояків на позацентрове стиснення; у розробці методики НДІБК для розрахунку міцності і стійкості позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при повторних навантаженнях; у створенні математичних моделей для чисельного визначення несучої здатності позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при одноразових і небагаторазово повторних навантаженнях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на міжнародній конференції “Современные строительные конструкции из металла и древесины” (м. Одеса, 1999 р.), на четвертій Всеукраїнській науково-технічній конференції «Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону» (м. Суми, 2005 р.), на науково-технічній конференції «Армування основ при будівництві та реконструкції будівель і споруд» (м. Вінниця, 2007 р.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на кафедрі «Будівельні конструкції» Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ, 2008), на науковому семінарі відділу надійності будівельних конструкцій Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій (м. Київ, 2008).

Публікації. З тематики дисертації опубліковано 5 робіт, з них всі опубліковані у фахових виданнях, що входять в перелік, затверджений ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і шести додатків. Загальний обсяг роботи 167 сторінок, у тому числі 107 сторінок основного тексту, 21 таблиця, 53 рисунка, 125 найменувань літератури на 13 сторінках і 6 додатків на 30 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність розглянутої проблеми, сформульована мета і задачі досліджень, наведена наукова новизна, практичне значення і апробація отриманих результатів.

У першому розділі аналізуються основні напрямки розвитку теоретичних і експериментальних досліджень в області стійкості залізобетонних стрижнів при короткочасних і тривалих навантаженнях, які представлені в роботах А.М. Бамбури, В.Я. Бачинського, Г.Ю. Бельського, О.О. Гвоздева, А.В. Геммерлінга, Р.Х. Каюмова, М.В. Корноухова, В.І. Кретова, А.Л. Морина, Д.М. Пекус-Сахновського, К.Е. Таля, М.К. Снітко, Є.А. Чистякова, К. Бенкерт, С. Маух, М.Д. Холи, А. Хабел і ін.

Наголошується що, незважаючи на значну кількість робіт з проблеми стійкості, питання впливу небагаторазових повторних навантажень високих рівнів на величину критичних навантажень, прогинів і деформацій позацентрово стиснутих залізобетонних елементів середньої і більшої гнучкості залишаються недостатньо вивченими.

Розглянуті і проаналізовані результати експериментальних і теоретичних досліджень бетонних і залізобетонних елементів в умовах небагаторазових повторних навантажень в роботах Є.М. Бабіча, Є.Є. Бабіча, А.Я. Барашикова, О.Я. Берга, Г.В. Беченевої, А.П. Борисюка, О.Б. Голишева, Н.І. Ільчука, О.О. Заречанського, Н.С. Карпухіна, І.Л. Корчинського, Ю.О. Крусь, В.Г. Казачека, А.М. Кокарева, Л.Р. Маїляна, Л.П. Макаренко, Ю.М. Панчука, А.П. Погореляка, Т.М. Подобенко, Л.М. Пухонто, В.В. Руденко, В.В. Симейко, Г.Н. Ставрова, Я.В. Столярова, Т.Л. Чирви, С.К. Яковлєва, О.В. Яшина, J.L. Korszynski, S. Shah, B. Camys і ін. Відмічено, що в більшості експериментальних досліджень розглядається вплив небагаторазових повторних навантажень на несучу здатність позацентрово стиснутих і стиснуто-зігнутих стержнів малої геометричної гнучкості. Дані про роботу залізобетонних стержнів середньої і більшої гнучкості при небагаторазових повторних навантаженнях високих рівнів практично відсутні. Показано, що в технічній літературі пропозиції і рекомендації щодо оцінки несучої здатності зводяться, в основному, до корегування характеристик міцності і деформативності бетону. Наголошується, що з пропонованих методів розрахунку залізобетонних позацентрово стиснутих гнучких стержнів найбільш загальною для урахування впливу режиму навантаження є методика НДІБК, яка при мінімальній кількості дослідних параметрів достатньо повно враховує основні особливості деформації залізобетону. В кінці розділу сформульовані висновки і основні задачі досліджень.

У другому розділі наведені дані про обсяг випробувань, конструкцію експериментальних зразків, технологію їх виготовлення, оснащення і устаткування, фізико-механічні властивості матеріалів, а також методика проведення і основні результати експериментальних досліджень.

Експериментальні дослідження включали основні зразки - залізобетонні стояки, і допоміжні - бетонні куби, призми, арматурні стержні, а також залізобетонні призми, відрізані від кінців випробуваних стояків. Бетонні та арматурні зразки використовувалися для визначення характеристик міцності і деформативності матеріалів, а залізобетонні призми з гнучкістю - для визначення максимальних деформацій армованого бетону при осьовому стиску, уточнення призматичної міцності і початкового модуля пружності.

Стояки були прийняті прямокутного перетину розмірами 120х60мм, гнучкістю , завдовжки 100 см. Армування стояків було прийняте симетричним у вигляді в'язаних каркасів, що складаються з поздовжніх Ш6 A-I і поперечних Ш3 В-I стержнів. Процент армування () призначався таким чином, щоб забезпечити пружну роботу розтягнутої арматури аж до руйнування стояків. Торці стояків були посилені сталевими пластинками.

Всього було виготовлено і випробувано 9 стояків, які залежно від параметрів навантаження були розділені на три серії (С-I, С-II і C-III) по три зразки в кожній. Стояки серії С-I (базові) випробовувалися на одноразове, а серії C-II і C-II на повторну дію навантаження. Верхній рівень навантаження для стояків серії C-II і C-III призначався відносно величини критичного навантаження, отриманого при випробуванні стояків серії С-I і складав 0,82 і 0,88 відповідно. Коефіцієнт асиметрії циклу приймався рівним 0,1. Кількість повторних навантажень для стояків серії C-II (з урахуванням можливої стабілізації деформацій) призначалася =14 циклів, а для серії C-III - до граничного числа циклів при якому настає руйнування ( характеризує довговічність елементу конструкції). Початковий ексцентриситет прикладення навантаження для всіх стояків приймався рівним 10 мм. Всі стояки випробовувалися в м'якому режимі з частотою прикладення навантажень 0,5-0,67 циклів на хвилину.

Центрування стояків по фізичній осі і встановлення початкового ексцентриситету прикладення навантаження виконували за допомогою спеціального пристрою (розробленого в НДІБК) з точністю 0,01мм. Для передачі навантаження на стояки використовувалися кульовий і циліндровий шарніри.

Випробування основних і допоміжних зразків проводили на гідравлічних пресах ГРМ-2А, П-125 і Р-50.

У дослідах вимірювалися величини діючих навантажень, прогини, поздовжні деформації і зусилля тріщиноутворення. Величина навантаження контролювалася силовимірювачем преса. Прогини вимірювалися в середині розрахункової довжини стояків індикаторами з ціною поділки 0,01 мм. Поздовжні деформації вимірювалися індикаторами з ціною поділки 0,001 мм на базі 200 мм. При обробці експериментальних даних враховувалася відмінність між зміщенням реперів, фіксованих приладами, і фактичними фібровими деформаціями.

Відповідно до програми випробувань основних зразків ставилися задачі встановлення особливостей деформації і причини руйнування (втрата стійкості або втрата міцності), а також визначення кількості циклів до руйнування стояків.

В результаті проведених експериментальних досліджень отримані дані про несучу здатність і деформативність позацентрово стиснутих залізобетонних стояків, як при одноразових, так і при небагаторазових повторних навантаженнях високих рівнів.

Результати експериментальних досліджень (середні по серії) наведені в таблиці. 1.

На основі виконаних експериментальних досліджень встановлено, що попередні повторні навантаження до 14 циклів (серія C-II) на несучу здатність і деформативність стояків практично не впливають. Відмічено що, стояки серії C-II при довантаженні (як і стояки серії С-I) вичерпували несучу здатність унаслідок втрати стійкості, що характеризується різким збільшенням прогинів при постійному навантаженні. Даний висновок підтверджується і аналізом залежностей “” и “” наведених в роботі, а також величинами деформацій стиснутих граней і прогинів стояків (табл. 1), які близькі між собою. При цьому максимальні деформації стиснутих граней стояків серій С-I і C-II на 40 і 46% відповідно перевищують , але значно менше граничних для бетону даного класу. Тріщини в бетоні стояків вказаних серій утворювалися після втрати стійкості.

Таблиця 1 - Результати випробувань залізобетонних стояків в умовах одноразових і небагаторазових повторних навантажень

Серія стояка	Клас бетону	Кількість циклів			Деформації, відповідні	Залишкові деформації стиснутої фібри і прогини
C-I	В30	-	7,63	115,5	248,55	118,35	-	-
C-II		14	7,72	113,8	259,46	107,77	52,8	1,54
C-III		139	11,78	100,9	375,58	246,29	151,9	4,85

Примітка: значень залишкових деформацій і прогинів отримані після розвантаження на останньому циклі навантаження, перед руйнуванням стояків.

Для серії C-III встановлено, що повторні навантаження з кількістю циклів до руйнування знижують несучу здатність (на 12,6%). Величини фібрових деформацій стиснутого бетону у момент вичерпання несучої здатності досягали граничних значень , а прогини (середні по серії) складали , що на 54,4% більше в порівнянні з серією С-I. При цьому відповідні напруження в стиснутій арматурі досягали, а в розтягнутій - були далекі від межі текучості. Всі стояки даної серії руйнувалися в процесі повторних навантажень при числі циклів (в середньому по серії) n = 139. Руйнування було крихким і відбувалося в результаті роздроблення бетону стиснутої зони, а утворення перших тріщин відбувалося за декілька циклів до моменту початку втрати несучої здатності стояків.

Відмічено, що наростання деформацій і прогинів стояків серій С-II і C-III з кожним циклом навантаження (рис. 1, 2) відбувалося в основному за рахунок розвитку циклічної повзучості і сприяло зростанню незворотних (залишкових) деформацій і прогинів. Останні приводили до збільшення початкового ексцентриситету прикладення стискуючого навантаження (рис. 3) а, отже, і зовнішнього згинального моменту. Встановлено, що найбільш інтенсивне зростання вказаних вище величин (внаслідок вибору пластичних деформацій) відбувалося на перших 5-10 циклах, після яких зростання поступово стабілізувалося, що свідчить про пружну роботу бетону стояків (настання малоциклової пристосованості). Далі знову відбувалося зростання ексцентриситету і зовнішнього моменту за декілька циклів до руйнування зразків. Залежності наростання прогинів і деформацій стояків, наведені на рис. 1, 2 свідчать про три стадії пружно-пластичного деформування бетону стиснутої зони стояків при небагаторазових повторних навантаженнях, що відзначалося і в дослідах інших дослідників.

Рис. 1. Наростання прогинів стояків C-II-1 і C-III-1 залежно від кількості циклів навантажень: 1 - стояк C-III-1; 2 - стояк C-II-3.



Рис. 2. Наростання фібрових деформацій стояків C-II-1 і C-III-1 залежно від кількості циклів навантажень: 1 - стояк C-III-1; 2 - стояк C-II-3.

Рис. 3. Залежність зміни початкового ексцентриситету стояка C-III-1 від кількості циклів навантажень.

Вибір пластичних деформацій виявляється і в зміщені циклічних кривих по горизонтальній осі (на величину залишкових деформацій) з одночасним зменшенням їх кута нахилу до вказаної осі. Це свідчить про зниження початкового модуля пружності бетону (жорсткості перерізу) стояків і є ознакою початку малоциклової втоми в результаті накопичення мікроушкоджень. Одночасно відбувався перерозподіл зусиль між бетоном і арматурою, а також зменшення висоти стиснутої зони бетону стояків (до 20%) в порівнянні з першим циклом навантаження.

Причиною руйнування стояків серії C-III було вичерпання міцності і деформаційності стиснутого бетону. Таким чином, збільшення кількості циклів навантажень призводить до поступового зближення моменту втрати стійкості і моменту руйнування стояків.

Рис. 4. Діаграми “” стояків серій C-I, C-II і C-III:

C-I-1(2,3) - при одноразовому навантаженні;

C-II-1(2,3) і C-III-1(2,3) - після дії повторних навантажень

Рис. 5. Діаграми “ ” стояків серій C-I, C-II и C-III:

C-I-1(2,3) - при одноразовому навантаженні; C-II-1(2,3) і C-III-1(2,3) - після дії повторних навантажень

У третьому розділі представлений розвиток методу Фере для знаходження закону деформацій бетону з досвіду на позацентрове стиснення і отримані диференціальні рівняння для визначення фібрових напружень. Наведені діаграми деформування для бетону стояків, побудовані за розробленим методом, отримані на їх основі залежності модуля пружності від кількості циклів навантажень. Аналізується вплив небагаторазових повторних навантажень на характеристики міцності і деформативності бетону і залізобетону.

Формули для визначення фібрових напружень з досвіду на позацентрове стиснення отримані у вигляді:

де, , - фіброві напруження в бетоні на - му етапі навантаження - го циклу; , - повні фіброві деформації бетону з урахуванням початкових (до прикладення навантаження) і залишкових деформацій (починаючи з другого циклу); - деформація волокна, що має ординату ; ; - зведена сила стиску , ; і функції, що залежні від і. Значення похідних у формулах (1, 2) визначалися методом кінцевих різниць.

Як вихідні дані даного методу використовувалися експериментальні величини зведеного стискуючого навантаження, фібрових деформацій і середніх деформацій арматури, обчислених в припущенні лінійного розподілу деформацій по висоті перерізу стояків. Даний метод дозволив отримати діаграми неоднорідного стиску бетону, як при одноразових (рис. 6), так і небагаторазових повторних навантаженнях (рис. 7, 8).

Рис. 6. Діаграми деформування “ ” бетону стояків серії C-I.

Рис. 7. Діаграма деформирования “” стояка C-II-1 при повторных навантаженнях: 1 - нагрузка 1-го цикла; 2-14 - нагрузки 2-14-го циклов соответственно; 15 - нагрузка 15-го цикла.

Рис. 8. Діаграма деформування “ ” стояка C-III-1 при повторних навантаженнях з рівнем 0,88:1 - навантаження 1-го циклу; 2, 3, 4, 5, 6, 7 - навантаження 11, 21, 41, 61, 81, 101, 111-го циклів відповідно; 9 - навантаження 121-го (останнього) циклу.

Діаграми при одноразових навантаженнях (рис. 4) дозволили виявити відмінність залежностей “” від кривих стану стояків “” в наявності на них спадаючих ділянок. Величини деформацій, при яких досягалися максимуми кривих “”в середньому по серії C-I склали , що менше (табл. 1).

Аналіз діаграм циклічного деформування стояків серій C-II і C-III при повторних навантаженнях дозволив встановити відмінність у величинах фібрових максимальних напружень першого і подальших циклів при постійному значенні і стабілізацію їх зростання, починаючи з другого циклу (рис. 5, 6). Відмічено, що причиною даного ефекту було збільшення початкових ексцентриситетів, найбільше зростання яких спостерігалося з першого на другий цикл (рис. 3) і перерозподіл зусиль між стиснутим бетоном і розтягнутою арматурою.

Крім того, вказані криві, починаючи з другого циклу, в межах заданих напружень від лінійної залежності незначно відрізняються, тоді як початкові (криві першого циклу) носять явно нелінійний характер.

Порівняння наведених діаграм стояків (серії C-II) з діаграмами, що отримані при одноразовому центральному стиску бетонних призм проектної міцності (рис. 7) свідчать, що напруження у вершинах діаграм циклічного деформування практично не виходять за межі діаграми призм.

Таким чином, діаграма деформування бетону при одноразовому центральному навантаженні є обвідною циклічної діаграми деформування бетону стояків при повторних навантаженнях м'якого режиму.

Рис. 9. Діаграми деформування “ ” бетону стояка при повторних навантаженнях і призм при одноразовому навантаженні: 1 - 15 - стояк C-II-1; 16 - призма міцністю .

Для отримання кількісних і якісних даних впливу повторних навантажень на величину модуля пружності бетону стояків, на основі діаграм “” були побудовані графіки залежностей “” (рис. 10). Характер кривих “” свідчить, що найбільша інтенсивність падіння модуля пружності спостерігається на перших 5-10-ти циклах навантажень.

Рис. 10. Графік залежності “ ” бетону стояків при повторних навантаженнях: 1 - стояк C-III-1; 2 - стояк C-II-1.

Зі збільшенням кількості циклів і стабілізацією зростання деформацій криві асимптотично наближаються до деякої прямої. Для стояків серії C-III на циклах, передуючих руйнуванню зниження модуля пружності бетону досягає до 30%. Таким чином, мінімальну ординату асимптоти кривих “”, яка дорівнює при прийнятих параметрах повторних навантажень (, ), можна вважати межею зниження модуля пружності бетону стояків.

У четвертому розділі представлені основні формули і алгоритм розрахунку для оцінки несучої здатності позацентрово стиснутих стояків при повторних навантаженнях, розроблених на основі методики НДІБК.

У основу розрахункової методики покладено наступні передумови:

- за розрахунковий приймається переріз, деформації якого дорівнюють середнім по довжині блоку між тріщинами (якщо такі існують);

- зв'язок між напруженнями і деформаціями стиснутого бетону і арматурної сталі приймається у вигляді діаграми Прандтля зі змінним модулем пружності залежно від кількості циклів повторних навантажень;

- для середніх деформацій бетону і арматури по висоті розрахункового перерізу вважається справедливою гіпотеза плоских перерізів;

- переріз стержня в межах деформується по стадії I аж до моменту втрати стійкості;

- урахування тріщиноутворення виконується умовним зниженням шляхом множення його на коефіцієнт .

Відповідно до прийнятих передумов стержень в процесі деформації проходить дві ідеалізовані стадії:

- стадія I (умовно пружна) - тріщини в бетоні відсутні, пружно-миттєві деформації і деформації повзучості лінійні, епюра напружень прямолінійна;

- стадія II (умовно пружно - пластична) - в бетоні виникають тріщини і розвиваються пластичні деформації, епюра напружень окреслена ламаною лінією, при чому можливі шість форм рівноваги розрахункового перерізу, деякі з них наведені на рис. 11.

Рис. 11. Форми рівноваги розрахункового перерізу (форми 2, 4 и 6 відрізняються від 1, 3 і 5 наявністю текучості у стиснутій арматурі).

В результаті сумісного розв'язання рівнянь рівноваги внутрішніх і зовнішніх сил перерізу стояка (вони складаються для кожної з вказаних форм рівноваги окремо) і рівняння деформацій з урахуванням прийнятої форми зігнутої осі (у вигляді косинусоїди) отримаємо основне рівняння стану стержня

У критичному стані окрім умови (3) має бути дотримана і умова максимуму цієї функції (екстремальний критерій втрати стійкості)

Критичне навантаження визначається в результаті сумісного розв'язання рівнянь (3) і (4).

Рівняння, що встановлює зв'язок між деформаціями і напруженнями, при розв'язанні задач стійкості використано у вигляді

де і - модуль пружності і напруження в бетоні - го циклу.

У роботі наведені також залежності, які пов'язують зовнішні зусилля з параметрами відповідної епюри, і рівняння для визначення фібрових напружень в бетоні і арматурі, при виведенні яких використані рівняння рівноваги і відповідні розрахункові передумови.

Задача розрахунку полягає у визначенні навантажень, що викликають вичерпання несучої здатності. При цьому, вплив повторних навантажень враховується зниженням значення початкового модуля пружності бетону (і арматури у разі потреби) і збільшенням ексцентриситету прикладення навантаження на основі деформаційних кривих (рис. 3, 8) “ ” і “ ”, які описуються функціями, наведеними в роботі.

Як критерій вичерпання несучої здатності приймається втрата стійкості або руйнування найбільш напруженого перерізу стержня.

Розрахунок - го циклу виконується методом підбору відносно сили , послідовно приймаючи (зменшуючи) величину відносної висоти перерізу і повторюється до тих пір, поки подальша величина навантаження не виявиться меншою попередньої, яка і є розрахунковою критичною.

Одночасно для всіх навантажень, менших критичних, виконується перевірка міцності найбільш напруженого перерізу стержня. При цьому зовнішній момент (де ексцентриситет нормальної сили -го циклу) порівнюється з несучою здатністю перетину (моментом, що сприймається перерізом). Якщо умова міцності не виконується, то несуча здатність вважається вичерпаною.

Основним показником, що дозволяє судити про достовірність прийнятої методики розрахунку, є узгодження дослідних і теоретичних даних, порівняння яких наведені у табл. 2. Так, для стояків, випробуваних із заданою кількістю циклів навантажень, розбіжність обчисленої і дослідної несучої здатності та прогинів складала відповідно 5,62% і 8,94%, а для стояків, випробуваних з числом циклів до руйнування - 11,71% і 13,33% відповідно.

Таблиця 2 - Порівняння дослідних і теоретичних значень несучої здатності експериментальних зразків

Серія стояка	Несуча здатність (кН) і прогини стояків (мм)
	експериментальні	теоретичні за методикою
С-II	113,8	7,72	107,4	0,944	7,03	0,91
С-III	100,9	11,78	89,08	0,883	13,35	1,13

Крім того, в розділі аналізуються залежності “”, побудовані для стояків за результатами обчислень при різних значеннях параметрів і , відповідних одноразовому навантаженню (серія С-I), після 14-ти (серія С-II) і 121-го циклів (серія С-III) повторних навантажень (рис. 12).

Рис. 12. Криві залежності “ ” стояків серій C-I, C-II і C-III: 1 - при одноразовому навантаженні (серія С-I); 2 і 3 - після дії повторних навантажень (відповідно серії C-II і C-III).

Зображені на рис. 12 залежності представляють собою криві стану стояків, які ілюструють зміни несучої спроможності стояків після дії повторних навантажень та переходи з однієї форми рівновагі у другу.

Наголошується, що найбільший вплив на несучу здатність надає зміна ексцентриситету, а найменше - зміна модуля пружності бетону, що свідчить про порівняно слабку чутливість розрахункової методики до змін останнього.

Таким чином, наведена розрахункова методика для оцінки несучої здатності з урахуванням впливу повторних навантажень дозволяє отримувати достатньо точні і стабільні результати. При цьому слід використовувати розрахункові характеристики, отримані на бетонних призмах, оскільки вони забезпечують достатню збіжність з дослідними даними в порівнянні із залізобетонними призмами.

У розділі також викладені результати чисельних досліджень з оцінки несучої здатності залізобетонних позацентрово стиснутих стояків при одноразових і небагаторазових повторних навантаженнях з використанням обчислювального комплексу «Ліра Windows». Наведена оцінка достовірності пропонованих кінцево-елементних моделей. Моделі (стержнева і об'ємна) складалися з фізично і геометрично нелінійних стержневих і об'ємних елементів з використанням базових діаграм деформацій матеріалів при одноразових навантаженнях і трансформованих, таких, що враховують зміну фізико-механічних властивостей бетону (зниження модуля пружності бетону) при повторних навантаженнях. При цьому моделювання збільшення початкового ексцентриситету внаслідок зміни геометрії стояків (викривлення стержня) за рахунок залишкових прогинів виконувалося двома способами: без зміни геометричної схеми стояка (перша модель); завдаванням початкової кривизни осі стояка до прикладення навантаження (друга модель).

Аналіз результатів чисельних досліджень і їх порівняння з дослідними даними (розбіжність до 10%) свідчать про достовірність прийнятих моделей і можливість їх використання для оцінки несучої здатності стояків як при одноразових, так і небагаторазових повторних навантаженнях.



ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Виконані дослідження дозволяють сформулювати основні результати і загальні висновки:

1. Зі збільшенням кількості циклів повторних навантажень, модуль пружності і висота стиснутої зони бетону стояків зменшується (до 30% і 20% відповідно), що у свою чергу призводить до збільшення (до 48,5%) початкового ексцентриситету прикладення зовнішнього навантаження (за рахунок залишкових прогинів), і це необхідно враховувати в розрахунковій методиці оцінки міцності і стійкості залізобетонних стояків.

2. Несуча здатність залізобетонних стояків при одноразовому навантаженні і після 14-ти циклів повторних навантажень характеризується втратою стійкості, а стояків, випробуваних з числом циклів до руйнування - втратою міцності і деформативності найбільш напруженого перерізу. При цьому, чим вище рівень повторних навантажень, тим значніше позначається вплив кількості циклів навантажень .

3. Вплив повторних навантажень з рівнем і числом циклів до 14-ти на несучу здатність і деформативність залізобетонних стояків (в період стабілізації зростання деформацій) незначний, а з рівнем і числом циклів до руйнування призводить до зниження (до 12,6%) несучої здатності і вироблення деформацій стиснутого бетону до граничних значень .

4. Отримані у рамках розвитку методу Feret диференціальні рівняння для знаходження закону деформування бетону з використанням досліджень на позацентрове стиснення, дозволили побудувати діаграми деформування стиснутого і розтягнутого бетону “ ” при одноразовому і повторному навантаженні і на їх основі встановити залежності “”.

5. Результати порівняння параметрів діаграм “” бетону, отриманих при одноразовому позацентровому стисненні залізобетонних стояків і центральному стисненні бетонних призм свідчить про їх практичний збіг, що дозволяє використовувати останні при розрахунку несучої здатності залізобетонних стержневих елементів.

6. Діаграма деформування бетонних призм при центральному одноразовому стисненні є огинаючою циклічних діаграм стану бетону стояків при повторних навантаженнях м'якого режиму. При цьому міцність бетону стояків не перевищує міцність призм більш ніж на 9%, що дозволяє з єдиних позицій оцінити напружено-деформований стан залізобетонного перерізу як при одноразовому, так і при небагаторазовому повторному навантаженні.

7. Розрахунок несучої здатності позацентрово стиснутих залізобетонних стояків при дії повторних навантажень доцільно виконувати з одночасним урахуванням зміни модуля пружності і додаткового ексцентриситету прикладення навантаження від залишкових прогинів. При цьому необхідно використовувати характеристики міцності і деформативності бетонних призм, що забезпечують досить добру збіжність з дослідними даними.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Давиденко А.И., Псюк В.В., Карапетян С.Х. К разработке метода расчета стержневых систем при повторных нагружениях // Сб. научных трудов «Современные строительные конструкции из металла и древесины». - Одесса, ОГАСА, 1999. - С. 29 - 33.. (Здобувачу належить розробка розрахункових рівнянь оцінки несучої здатності конструкцій при повторних навантаженнях).

2. Карапетян С.Х. Методика испытаний железобетонных стоек в условиях циклической наработки // Сб. научных трудов. - Алчевск, ДГМИ - 2000. - С. 220-222.

3. Карапетян С.Х., Давиденко А.И., Иванов А.П., Псюк В.В. результаты экспериментальных исследований влияния немногократно повторных нагружений на несущую способность внецентренно сжатых стоек // Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. - Київ: НДІБК, 2005. - вип. 62 - С. 131 - 136. (Здобувачу належить розробка методики проведення експерименту і аналіз результатів експериментальних досліджень).

4. Карапетян С.Х., Кирьязев П.Н., Псюк, В.В. Численное определение несущей способности железобетонных внецентренно сжатых стоек при однократных и немногократно повторных нагружениях // Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. - Київ, НДІБК, 2007. - вип. 66 -С. 352 -358. (Здобувачу належить розробка методики проведення численного експерименту).

5. Карапетян С.Х. Развитие метода Фере для нахождения закона деформаций бетона из опыта на внецентренное сжатие при однократных и немногократно повторных нагружениях // Сб. научных трудов. - Алчевск, ДонГТУ, 2008. - Вып. 26 - С. 287-296.



АНОТАЦІЯ

Карапетян С.Х. Міцність і стійкість позацентрово-стиснутих залізобетонних стержнів при небагаторазових повторних навантаженнях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, м. Київ, 2009 р.

Дисертація присвячена експериментальному і теоретичному дослідженню роботи позацентрово-стиснутих залізобетонних стержнів при небагаторазових повторних навантаженнях високих рівнів та розробці методів їх розрахунку.

Встановлено, що малоциклові повторні навантаження високих рівнів призводять до збільшення деформацій бетону та прогинів за рахунок залишкового збільшення початкового ексцентриситету прикладення сили, а також до зменшенню висоти стиснутої зони бетону, модуля пружності бетону і несучої здатності стояків.

Отримані диференціальні рівняння для визначення залежності між напруженнями і деформаціями бетону позацентрово-стиснутих залізобетонних стержнів.

Розроблена методика розрахунку позацентрово-стиснутих залізобетонних стержнів в умовах небагаторазових повторних навантажень. Запропоновані математичні кінцево-елементні моделі для оцінки несучої здатності залізобетонних позацентрово стиснутих стояків з урахуванням особливостей їх роботи при повторних навантаженнях.

Ключові слова: залізобетонний стояк, позацентрове стиснення, небагаторазове повторне навантаження, міцність, стійкість, деформативність, кінцево-елементні моделі.



АННОТАЦИЯ

Карапетян С.Х. Прочность и устойчивость внецентренно сжатых железобетонных стержней при немногократно повторных нагружениях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций Министерства регионального развития и строительства Украины, г. Киев, 2009г.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию работы внецентренно сжатых железобетонных стержней средней гибкости при немногократно повторных нагружениях высоких уровней и разработке метода их расчета.

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическое значение работы, дана ее общая характеристика.

В разделе 1 рассмотрено понятие потери устойчивости применительно к железобетонным стержням. Выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований в области устойчивости железобетонных стержней при однократных кратковременных нагружениях. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния малоцикловых нагружений на прочностные и деформативные характеристики бетона и несущую способность внецентренно сжатых и сжато-изогнутых элементов. Рассмотрены предложения по оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов при немногократно повторных нагружениях.

В разделе 2 приведены объем, методика проведения и результаты экспериментальных исследований несущей способности железобетонных внецентренно сжатых стоек при однократном и немногократно повторных нагружениях. Установлено, что при немногократно повторных нагружениях высоких уровней (82 - 88% от критической) происходит увеличение деформаций бетона сжатой зоны (до предельных значений) и прогибов стоек (до 55%), стабилизация роста которых наступает после пяти - десяти циклов. Выявлено, что влияние предварительного циклического нагружения на несущую способность стоек доведенных до разрушения после 14-ти циклов (в период стабилизации роста деформаций) по сравнению с базовыми стойками незначительно. Несущая способность стоек после предельного числа циклов предварительного нагружения по сравнению с базовыми стойками снижается до 12,6%. Установлено, что повторные нагружения способствуют снижению модуля упругости бетона стоек, перераспределению усилий в стойках и увеличению начального эксцентриситета (до 48,5%) за счет остаточных прогибов.

В разделе 3 приведено развитие метода Фере для нахождения закона деформирования бетона из опыта на внецентренное сжатие. Представлены диаграммы деформирования бетона стоек при однократных и повторных нагружениях и полученные на их основе зависимости модуля упругости от количества циклов нагружений. Анализируется влияние немногократно повторных нагружений на прочностные и деформативные характеристики бетона и железобетона. Обосновывается возможность использования диаграммы деформирования бетона при осевом сжатии применительно к оценке прочности и устойчивости при повторном нагружении.

В разделе 4 представлена методика и алгоритм расчета железобетонных внецентренно сжатых стоек при повторных нагружениях. Влияние повторных нагружений учитывается одновременным снижением значения начального модуля упругости бетона (и арматуры в случае необходимости) и увеличением эксцентриситета приложения нагрузки на основе деформационных кривых «» и «», полученных в экспериментальных исследованиях. На основе сопоставления опытных и теоретических результатов показана достоверность методики оценки несущей способности внецентренно сжатых стержней при повторных нагружениях. Приведены нелинейные конечно-элементные модели и результаты численных исследований.

В выводах представлены основные результаты, отражающие научную новизну и решение научно-технической проблемы.

В приложении приведены примеры расчета по разработанной методике.

Результаты исследований использованы: при разработке национальных нормативных документов по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, в учебном процессе кафедры «Металлические и деревянные конструкции» Киевского национального университета строительства и архитектуры (г. Киев) и кафедры «Строительные конструкции» Донбасского государственного технического университета (г. Алчевск).

Ключевые слова: железобетонная стойка, внеценренное сжатие, немногократно повторные нагружения, прочность, устойчивость, деформативность, конечно-элементные модели.



SUMMARY

Karapetyan S. Kh. Strength and stability of eccentrically loaded reinforced-concrete bars under multiple repeated loadings. - The manuscript.

Thesis for a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.23.01 - Building Constructions, Buildings and Structures. The State Research Institute of Building Constructions of Ministry of regional development and construction of Ukraine, Kyiv, 2009.

The dissertation is devoted to experimental and theoretical research of work of eccentrically reinforced-concrete bars at the unmultiple repeated loadings of high levels and development of their calculation method.

It is set that the unmultiple repeated loadings of high levels result to increase the deformations of concrete and bendings due to remaining increase of initial excentricity of force appendix, and also to diminishing of height of the compressed zone of concrete, module of resiliency of concrete and bearing strength of members.

Differential equations are got for determination of dependence between tensions and deformations of concrete of eccentric loaded reinforced-concrete bars.

The developed method of calculation of eccentrically compressed reinforced-concrete bars in conditions of the unmultiple repeated loadings and mathematical finite-element models of estimation of bearing capacity of these bars have been worked out.

Keywords: reinforced-concrete bar, eccentrically loaded, unmultiple repeated loading, strength, deformation, finite-element models.

Размещено на Allbest.ru

...