Вплив короткочасних малоциклових навантажень на напружено-деформований стан і міцність нерозрізних збірно-монолітних залізобетонних балок

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Залізобетонні конструкції широко застосовуються в будівельній практиці. Особливе місце займають статично-невизначені конструкції, оскільки в них найбільш раціонально використовуються бетон і арматура. Перспективним напрямком їх удосконалення є підвищення міцності, жорсткості і тріщиностійкості за рахунок об'єднання збірних елементів при монтажі в статично невизначені конструкції та створення умов їх спільної роботи.

Залізобетонні нерозрізні збірно-монолітні балки використовуються у виробничих та цивільних будівлях, спеціальних інженерних спорудах. На сьогодні їх розрахунок виконується за методикою, розробленою для суцільних нерозрізних балок, і тільки на дію одноразового навантаження. При цьому розрахунок виконують з урахуванням перерозподілу зусиль, вважаючи, що на певних ділянках в граничному стані можуть утворюватись шарніри пластичності. Граничні умови обмежуються досягненням напруженнями в арматурі межі текучості.

Нерозрізні збірно-монолітні залізобетонні балки в складі будівель та споруд можуть піддаватись малоцикловим (повторним) навантаженням, а інколи і перевантаженням, які можуть суттєво вплинути на перерозподіл зусиль з опорних перерізів у прольотні або навпаки. Такий перерозподіл змінює напружено-деформований стан конструкцій, їхню міцність і жорсткість. Ці випадки в чинних нормативних документах не розглядаються. Виходячи знаведеного, дослідження дійсної роботи збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях є актуальними, а удосконалення методики розрахунку таких балок з урахуванням особливостей роботи при повторних навантаженнях є важливим.

Мета і задачі досліджень. Поставлена така мета роботи: встановити особливості роботи збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок при дії повторних (малоциклових) навантажень та розробити методику врахування виявлених особливостей при проектуванні балок.

Для реалізації мети було необхідно вирішити такі задачі:

- встановити особливості роботи збірно-монолітних балок з різними за конструкцією стиками при дії повторних навантажень;

- встановити вплив попереднього напруження арматури стиків балок на їхню роботу;

- удосконалити методику розрахунку збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок з урахуванням роботи бетону при повторних навантаженнях;

- виконати порівняння отриманих експериментальних даних з результатами власних теоретичних досліджень, виконати статистичну оцінку прийнятності запропонованої методики.

1. Область застосування збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок та їхні переваги порівняно з іншими конструкціями балок

Зазначено, що залізобетонні нерозрізні збірно-монолітні балки широко використовуються у виробничих та цивільних будівлях, спеціальних інженерних спорудах, і в більшості випадків піддаються впливу малоциклових повторних тимчасових навантажень. Конструктивні рішення і технологія виготовлення збірно-монолітних балок здебільшого обумовлюється видом застосовуваних стиків.

Наведено критичний огляд опублікованих результатів експериментальних досліджень нерозрізних монолітних та збірно-монолітних балок при короткочасних і повторних навантаженнях. Роботу монолітних нерозрізних балок при одноразовому короткочасному навантаженні вивчали, Абаканов М.С. , Асаад Р., Гнідець Б.Г., Гуща Ю.П., Ікрамов С., Зайцев Л.Н., Кваша В.Г., Кінаш Р.І., Крилов С.М., Маілян Л. Р., Мангушев А.І., та інші. За результатами всіх досліджень зроблені загальні висновки: робота статично невизначених залізобетонних балок до виникнення перших тріщин близько відповідає розрахунку пружної системи; при збільшенні навантаження відбувається перерозподіл зусиль, викликаний нелінійними деформаціями елемента, що виникають внаслідок утворення і розкриття тріщин і пластичних властивостей стиснутого бетону; подальший перерозподіл зусиль відбувається в основному за рахунок пластичних деформацій розтягнутої арматури.

Експериментальні дослідження роботи монолітних розрізних і нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях виконували Бабич Є.М., Бабич В.Є., Барашиков А.Я., Валовий А.І., Гуменюк В.С, Кваша В.Г., Клименко Ф.Є, Кулдашев Х., Мельник І.В., Цепєлєв С.В.,Шевченко Б.Н.,та інші. Авторами зроблено такі висновки: при навантаженні нижче рівня 0,9 зі збільшенням числа циклів зменшується різниця в деформуванні на гілках навантаження і розвантаження, що свідчить про відтиснення долі непружних деформацій, внаслідок чого конструкція починає працювати цілком пружно; короткочасні малоциклові навантаження та перевантаженя сприяють додатковому перерозподілу зусиль, збільшують величину прогинів, ширини розкриття тріщин, деформацій бетону та арматури.

Експериментальними дослідженнями роботи збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок займались Гнідець Б.Г., Другов Л.І., Завадяк П.П., Крилов С.М, Маілян Л.Р., Паршин Л.Ф., Сіль Ган Ранжан, Щеглюк М.Р. та інші. Дослідженнями виявлено, що в нерозрізних збірно-монолітних попередньо напружених балках після замикання стиків спостерігається перерозподіл моментів, зумовлений впливом зовнішніх навантажень та зусиль попереднього напруження; відсутність попереднього напруження стиків не призводить до суттєвого зниження ефекту нерозрізності.

Висвітлено основні положення сучасного стану проектування збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок. Зазначено, що на сьогодні розрахунок нерозрізних збірно-монолітних залізобетонних балок виконується за методикою, розробленою для монолітних нерозрізних балок з урахуванням перерозподілу зусиль, тобто за методом граничної рівноваги. Прогини та ширину розкриття тріщин збірно-монолітних залізобетонних балок визначають згідно з чинними будівельними нормами за формулами будівельної механіки без врахування впливу повторних малоциклових навантажень.

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

2. Обсяг та програма експериментальних досліджень, конструкція дослідних балок та механічні характеристики бетону і арматури

Всього під час проведення екпериментів було випробувано 12 залізобетонних балок з різною конструкцією стиків, 66 кубів і 37 призм на центральний стиск і розтяг за короткочасного й малоциклового навантаження. Для виготовлення зразків використовували важкий бетон класів В20 і В25. Дослідні балки армувались таким чином, щоб у них була можливість перерозподілу зусиль під час завантаження. Для цього виконано розрахунок балок за пружної роботи та враховано теоретично перерозподіл у них зусиль за умови, що згинальні моменти над опорою і в прольотах повинні бути рівними. Стикування арматури виконувалося з накладками. Робоча висота балок = 14,0 см.

Для випробовування двопрольотних збірно-монолітних нерозрізних балок була змонтована спеціальна установка на базі гідравлічного преса. В якості крайніх опор використовували протаровані динамометри, які дали змогу в процесі випробувань вимірювати опорні реакції і розкрити статичну невизначеність балок.

Навантаження балок 1Б-1, 2Б-1 та 3Б-1 здійснювали одноразово короткочасно до руйнування. Зосереджені сили прикладали ступенями в прольотах. Балки 1Б-2, 2Б-2 і 3Б-2 піддавались повторним короткочасним навантаженням, рівень яких складав приблизно 60 % від руйнівного, визначеного шляхом випробовування балок 1Б-1, 2Б-1, 3Б-1, (експлуатаційне навантаження). Навантаження повторювалось десять циклів. Вибір базової кількості повторного навантаження обумовлений тим, що, за даними багатьох дослідників, деформативні процеси в бетоні за прийнятих для цих балок рівнів навантаження стабілізуються на протязі 5 … 10 циклів. Балки 1Б-3, 2Б-3, 3Б-3 на дев'ятому й десятому циклах було довантажено до рівня = 0,8. Балки 1Б-4, 2Б-4, 3Б-4 навантажувались до рівня = 0,8 на сьомому і восьмому циклах, а на дев'ятому і десятому циклах рівень навантаження зменшувався до експлуатаційного, щоб виявити відмінності в роботі елементів до і після перевантажень.

В процесі випробовування балок вимірювались крайні опорні реакції, деформації бетону й арматури, прогини балок, ширина розкриття тріщин за допомогою механічних та електромеханічних приладів. Всі балки були доведені до руйнування. За руйнівне приймали навантаження, коли над середньою опорою і під силами деформації арматури або бетону досягали максимальних значень.

Куби та призми випробовувались у віці 28 діб та на початку і в кінці випробувань основних зразків. Випробування призм на розтягання здійснювалося в спеціальній пружинній установці. Призми для кожної серії залізобетонних елементів випробовувалися в тих самих режимах навантаження-розвантаження, що й балки. Всі зразки випробувались в режимі м'якого навантаження (при заданій амплітуді напружень), що в будівельних конструкціях має місце в більшості випадків.

Визначено механічні характеристики бетону при одноразовому та повторному навантаженні. При одноразовому стисканні призм основного бетону до руйнування їх середня міцність в першій, другій і третій серіях дослідів відповідно склала = 21,1; 24,2 і 27,4 МПа. Параметри діаграми деформування бетону при одноразовому короткочасному стиску до руйнування визначались на основі статистичної обробки експериментальних даних.

Повторні навантаження змінили характер і параметри діаграми деформування бетону. Можна вважати, що на шостому - сьомому циклах відбулася стабілізація процесів деформування бетону.

За результатами випробовувань для арматури діаметром 10 мм установлені такі характеристики: межа текучості = 549,6 МПа; межа міцності = 669,4 МПа; модуль пружності = 1,947·105 МПа; максимальні деформації, які відповідають , = 265,0·10-5, а для арматури діаметром 14 мм: = 525,3 МПа; = 657,2 МПа; = 2,054·105 МПа; = 293,3·10-5.

Для виявлення впливу повторних навантажень на механічні властивості арматури випробовувались зразки на повторне десятикратне розтягання до рівня 0,8. При розтяганні до руйнування межа текучості і міцність практично не змінились.

Попереднє напруження стиків балок третьої серії виконувалося шляхом зворотнього вигину. Величина попереднього напруження надопорної арматури в зоні дії максимального згинального моменту приймалася на рівні (0,7-0,9) і визначалася за виміряними відносними деформаціями. Після виконання попереднього напруження стик замонолічували бетоном і витримували на протязі 6 діб до набрання бетоном достатньої передаточної міцності.

3. Результати досліджень роботи балок

Значення крайніх опорних реакцій балок на низьких рівнях навантаження змінювались відповідно до їх роботи близько до пружної стадії. Незначні відхилення в бік пластичної роботи зумовлені процесами утворення та розвитку тріщин. Суттєвий перерозподіл зусиль розпочинався на останніх ступенях навантаження перед руйнуванням. Відповідно до зміни величини крайніх опорних реакцій змінювались і значення опорних і прольотних моментів. На перших ступенях навантаження опорні моменти значно перевищували прольотні. Суттєве зближення величин опорних та прольотних моментів відбулося на останніх ступенях навантаження перед руйнуванням. Малоциклові навантаження експлуатаційного рівня сприяли стабілізації процесів, що спричиняють перерозподіл зусиль. Довантаження посилило ці процеси, але не вплинуло на розподіл зусиль в балці при зниженні навантаження до попереднього рівня. Попереднє напруження арматури стиків викликало появу початкових згинальних моментів у надопорних перерізах, але не змінило характеру розподілу зусиль в балках від зовнішнього одноразового та малоциклового навантажень експлуатаційного та розрахункового рівнів порівняно з ненапруженими елементами.

Балки зруйнувались по нормальним перерізам під зосередженими силами та над середньою опорою. Вплив похилих тріщин на характер руйнування залежить від типу стика збірних елементів - при стикуванні в точках нульових моментів цей вплив більш відчутний. Повторні навантаження експлуатаційного рівня збільшують міцність балок внаслідок перерозподілу внутрішніх зусиль в структурі бетону та стабілізації напружено-деформованого стану елемента, а довантаження до розрахункового рівня - зменшують. Попереднє напруження арматури стиків зменшує вплив похилих тріщин на характер руйнування зразків.

Величини прогинів балок на першому циклі змінювалися з незначним збільшенням приросту. З другого до останнього циклу збільшувались величини максимальних прогинів при поступовому зменшенні залишкових їх складових та приросту на ступенях. Довантаження зменшило жорсткість балок. Попереднє напруження арматури стиків викликає виникнення початкових прогинів у прольотах балок, чинить позитивний вплив на жорсткість елементів у процесі одноразового та повторних навантажень та не змінює характер збільшення прогинів на циклах навантаження.

Тріщини над опорою і в прольотах ненапружених балок на першому циклі збільшувались по ширині майже прямо пропорційно до навантаження. При цьому величина ширини розкриття тріщин над опорою значно перевищувала в прольотах. Починаючи з другого циклу, величини ширини розкриття тріщин над опорою і в прольотах поволі зростали, залишкові їх складові були практично відсутні, приріст зменшувався. Довантаження балок зменшило тріщиностійкість елементів. На перших ступенях навантаження балок з попередньо напруженими стиками тріщини над опорою були відсутні. Попереднє напруження надопорної арматури суттєво підвищило значення моменту тріщиноутворення в бетоні стику. На наступних ступенях навантаження значення ширини розкриття опорних тріщин почали стрімко наближуватись до прольотних з постійно зростаючим приростом. Повторні навантаження знижують ефект від попереднього напруження.

Величини деформацій опорної арматури та крайніх стиснутих волокон бетону балок з ненапруженими стиками на низьких рівнях навантаження перевищували прольотні значення а на останніх ступенях навантаження вони зблизились. На всіх циклах експлуатаційного рівня матеріали працювали майже пружно. На циклі довантаження проявилися пластичні властивості бетону і зближення величини деформацій арматури.

На перших ступенях навантаження балок з попередньо напруженими стиками величини деформацій прольотної арматури, викликані зовнішнім навантаженням, значно переважали опорні. Коли відбулося утворення перших тріщин над опорою, почалося різке наближення величин деформацій надопорної арматури до прольотних значень.

Повторні навантаження експлуатаційного рівня збільшують повні прогини балок на 15-20%, деформації арматури і бетону - на 10-15%, ширину розкриття тріщин - на 15-20%.

Довантаження понад експлуатаційний рівень збільшують повні прогини балок на 20-30%, деформації арматури і бетону - на 15-25%, ширину розкриття тріщин - на 20-30%.

Попереднє напружування арматури стиків зменшує повні прогини балок при експлуатаційному рівні навантаження на 20-25%, деформації надопорної арматури - на 30-40%, практично не змінює величину деформацій бетону та прольотної арматури, а ширину розкриття тріщин над опорою зменшує в 2-3 рази, майже не змінюючи її в прольотах.

Повторні навантаження зменшують ефект попереднього напруження залежно від кількості циклів та рівня навантаження: при навантаженнях експлуатаційного рівня поступово збільшують ширину розкриття тріщин - до 25%), при перевантаженнях більш суттєво збільшують ширину розкриття тріщин на експлуатаційному рівні - до 40% після циклу довантаження.

4. Аналіз експериментальних досліджень та оцінено їх збіжність з теоретичними даними

Виконано розрахунок балок згідно чинних норм проектування залізобетонних конструкцій. Середнє значення відношень руйнівних моментів, визначених за нормами, до експериментальних величин склало 1,04 (у = 0,10, Cv = 0,10).

Також виконано порівняння експериментальних і теоретичних даних, визначених з використанням деформаційної моделі, прийнявши діаграму деформування бетону, запропоновану В.Я.Бачинським та А.М.Бамбурою.

Визначення внутрішніх зусиль здійснено методом послідовних наближень, приймаючи за вихідне значення s sR і визначаємо відповідне напруження в розтягнутій арматурі. Відповідну деформацію в бетоні b знаходимо за гіпотезою плоских перерізів.

Руйнуючий момент внутрішніх зусиль визначаємо за формулою:

Середнє значення відношень граничних моментів внутрішніх зусиль, теоретично визначених за деформаційною моделлю перерізів, до експериментальних величин склало 1,10 (у = 0,27, Cv = 0,24).

В дисертації наведена методика визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів балок з використанням деформаційної моделі, при цьому механічні характеристики бетону приймалися з урахуванням їхньої зміни внаслідок дії повторних навантажень. Теоретичні значення моментів мають задовільну збіжність з дослідними.

Оскільки в експериментах встановлено, що повторні навантаження впливають на ширину розкриття тріщин, то рекомендується її визначати за формулами норм проектування з введенням додаткового коефіцієнта умов роботи :

.

де - коефіцієнт умов роботи при дії малоциклових навантажень, який вводиться при визначенні ширини розкриття тріщин над опорами збірно-монолітних нерозрізних балок за даної схеми завантаження при розташуванні стика збірних елементів над опорою - 1,15, при розташуванні стика в точках нульових моментів - 1,1; в прольотах - 1,1.

Згідно з чинними нормами проектування залізобетонних конструкцій повний прогин згинальних елементів визначаємо за формулою:

.

При визначенні прогинів балок враховуємо зміну модуля пружнопластичності бетону внаслідок повторних навантажень.

Жорсткість в перерізах, де відсутні тріщини, визначаємо за формулою:

,

де - початковий модуль пружнопластичності бетону.

Мінімальну жорсткість балки в перерізах, де діють максимальні моменти на і-му циклі навантаження, визначимо за формулою:

Згідно результатів статистичної обробки отриманих величин пропонується при визначенні максимальних прогинів таких елементів в формулу вводити наступні коефіцієнти умов роботи: при розташуванні стика збірних елементів над опорою - 1,1; при розташуванні стика в точках нульових моментів - 1,15.

Нижче наводиться зведена таблиця статистичної обробки порівняння експериментальних даних з теоретичними по всім дослідним балкам.

Висновки

арматура збірний нерозрізний балка

Отримані нові експериментальні дані про роботу збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок при одноразових і повторних навантаженнях, які дали можливість удосконалити методику розрахунку, що забезпечує їхнє проектування з повним використанням механічних властивостей матеріалів.

Підтверджено, що перерозподіл зусиль відбувається внаслідок тріщиноутворення в бетоні та виникнення пластичних деформацій в бетоні і арматурі; при повторних навантаженнях експлуатаційного рівня на п'ятому-шостому циклах відбувається стабілізація напружено-деформованого стану нормальних перерізів.

Повторні навантаження експлуатаційного рівня збільшують прогини, деформації арматури і бетону та ширину розкриття тріщин в збірно-монолітних нерозрізних балках на 15-20%, а внаслідок довантажень понад експлуатаційний рівень ці величини можуть збільшуватись до 30%.

Попереднє напруження арматури стиків суттєво зменшує деформації надопорної арматури при експлуатаційному рівні навантаження (до 40%) та ширину розкриття тріщин над опорою (в 2-3 рази), та незначно зменшує величину прогинів (до 25%). Повторні навантаження зменшують ефект попереднього напруження залежно від кількості циклів та рівня навантаження.

Відношення теоретичних величин несучої здатності, деформацій бетону, моментів внутрішніх зусиль, прогинів та ширини розкриття тріщин, в збірно-монолітних нерозрізних балках, обчислених згідно з деформаційною моделлю перерізів, до експериментальних знаходяться в інтервалі [ 0,85; 1,10], що свідчить про їхню задовільну збіжність.

Для підвищення точності обчислення величин прогинів та ширини розкриття тріщин запропоновано вводити в розрахункові формули коефіцієнти умов роботи, які залежать від конструкції залізобетонних елементів - 1,1 та 1,15.

Розроблена методика визначення напружено-деформованого стану може бути використана для розрахунку нерозрізних збірно-монолітних балок, виготовлених з бетонів середньої міцності з використанням арматури зі сталей, які мають фізичну ділянку текучості.

Література

1. Бабич Є.М., Савицький В.В. Дослідження деформування бетону при одноразовому та повторному розтяганні / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць. Випуск 7 - Рівне: РДТУ, 2001 р. - с 95 - 105.

2. Савицький В.В., Бабич Є.М. Методика експериментальних досліджень роботи збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок при одноразовому та повторному навантаженні / Вісник УДУВГП. Випуск 5 (18). Збірник наукових праць. Частина 3. Будівельні конструкції, будівлі та споруди - Рівне: УДУВГП, 2002 р. - с 53 - 60.

3. Савицький В.В. Дослідження деформування важкого бетону при розтяганні / Комунальне господарство міст. Науково-технічний збірник. Випуск 39. Серія: Технічні науки - Київ: Техніка, 2002 р. - с 379 - 383.

4. Савицький В.В. Експериментальні дослідження прогинів та ширини розкриття тріщин у збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балках при дії повторних навантажень / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць. Випуск 9 - Рівне: УДУВГП, 2003 р. - с 302 - 311.

5. Савицький В.В. Експериментальні дослідження роботи збірно-монолітних нерозрізних залізобетонних балок при дії повторних навантажень / Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ. Випуск 58. Збірник наукових праць - Київ: КМ Академія, 2003 р. - с 90 - 96.

6. Савицький В.В., Бабич Є.М. Визначення прогинів нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць. Випуск 10 - Рівне: УДУВГП, 2003 р. - с 220 - 227.

Размещено на Allbest.ru