Міцність та тріщиностійкість залізобетонних балок за похилими перерізами при дії малоциклових навантажень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська державна академія будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Міцність та тріщиностійкість залізобетонних балок за похилими перерізами при дії малоциклових навантажень

Бредньов Артур Михайлович

Одеса - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Заслужений діяч науки та техніки України, доктор технічних наук, професор Дорофєєв Віталій Степанович, завідувач кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій, ректор Одеської державної академії будівництва та архітектури.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Яременко Олександр Федорович, завідувач кафедри будівельної механіки Одеської державної академії будівництва та архітектури;

- кандидат технічних наук, доцент Воскобійник Павло Павлович, доцент кафедри залізобетонних, кам'яних конструкцій та опору матеріалів, Полтавський національний технічний університет ім. Ю. Кондратюка.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент В.М. Карпюк

Анотація

бетон тріщина залізобетонний балка

Бредньов Артур Михайлович. Міцність та тріщиностійкість залізобетонних балок за похилими перерізами при дії малоциклових навантажень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2007.

У дисертації розглядаються експериментальні та теоретичні дослідження роботи технологічно пошкоджених бетонних призм при стиску на дію статичного та малоциклового навантажень, а також залізобетонних балок на згин при дії малоциклового навантаження.

Визначено вплив технологічної пошкодженості на фізико-механічні характеристики бетону.

Встановлена залежність формування технологічної пошкодженості бетону від конструктивних факторів: насичення зразків поперечною та поздовжньою арматурою.

В результаті досліджень проаналізовано характер утворення та розвитку тріщин у технологічно пошкоджених залізобетонних елементах, що зазнають згину при дії малоциклового навантаження, встановлено вплив на величину відносної поперечної сили тріщиноутворення Q_crc /R_bt*b*h_o кількості у балках поперечної та поздовжньої арматури, а також технологічної пошкодженості.

Встановлена залежність величини несучої здатності залізобетонних балок Q_b,exp/R_bt*b*h_o та коефіцієнту ц_b4 від таких факторів, як насиченість зразків поперечною та поздовжньою арматурою, міцності бетону на стиск, відносної довжини проекції похилої тріщини, технологічної пошкодженості бетону. Для розрахунку міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, без поперечного армування при дії малоциклових навантажень запропоновано нову величину коефіцієнту ц_b4, яка залежить від перелічених факторів.

Проведено аналіз експериментальних даних автора та інших дослідників, зокрема, в частині, що стосується малоциклових навантажень.

Ключові слова: бетон, залізобетон, малоциклове навантаження, технологічна пошкодженість бетону, міцність, тріщиностійкість, деформації, похилі перерізи, розрахунок.

Аннотация

Бреднёв Артур Михайлович. Прочность и трещиностойкость железобетонных балок по наклонным сечениям при действии малоцикловых нагрузок. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Одесская государственная академия строительства и архитектуры, Одесса, 2007.

Содержание диссертации

Введение. Во введении обоснована актуальность, цель и задачи исследований, научная новизна, практическое значение работы, дана её общая характеристика.

Раздел 1. Приведен обзор выполненных исследований работы бетонных и железобетонных элементов конструкций при действии малоцикловых нагрузок, процесса твердения бетона, механики образования и развития начальных трещин в его структуре и факторов, влияющих на образование и величину технологической повреждённости бетона. Рассмотрено развитие и совершенствование методов расчёта прочности наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов с момента первых исследований до настоящего времени. Выяснено, что на данном этапе технологическая повреждённость бетона в расчётах прочности железобетонных изгибаемых элементов не учитывается. В этой связи поставлены задачи дальнейшего исследования прочности наклонных сечений железобетонных элементов при действии малоцикловых нагрузок с учётом технологической повреждённости бетона.

Раздел 2. В разделе представлена характеристика экспериментальных образцов - железобетонных балок и бетонных призм. Приведены методики определения их технологической повреждённости, а также методика проведения испытаний. Призмы испытывались на сжатие при действии статической и малоцикловой нагрузок (по 8 призм) с целью определения влияния начальной повреждённости на прочностные и деформативные свойства бетона. Экспериментальные балки испытывались на изгиб двумя сосредоточенными силами, приложенными в третях пролёта, с целью изучения характера образования и развития трещин под нагрузкой, а также разрушения балок в зависимости от их насыщения продольной и поперечной арматурой, технологической повреждённости бетона. Нагружения производились циклами, нагрузка при этом составляла 0,85 от разрушающей, количество циклов принималось равным 12.

Раздел 3. Проведён анализ результатов экспериментальных исследований бетонных призм на сжатие при действии статической и малоцикловых нагрузок. Для более точного изучения влияния технологической повреждённости на физико-механические свойства бетона было выбрано 4 уровня напряжения: при действии статической нагрузки - 6, 12, 18, 24 МПа, при действии малоцикловой нагрузки - 3, 6, 9, 12 циклы. В результате получения экспериментальных данных и построения графиков “напряжения - деформации”, были определены величины деформаций сжатия и растяжения бетона, начального модуля упругости и модуля деформаций бетона для каждого уровня напряжений. В дальнейшем указанные характеристики, а также полученная прочность бетонных призм ставились в зависимость от технологической повреждённости материала, вследствие чего было установлено влияние поврежденности бетона на его прочностные и деформативные свойства.

Раздел 4. Исследован характер образования и развития трещин в железобетонных изгибаемых элементах, а также характер их разрушения. Было установлено, что для балок всех серий первые нормальные трещины возникали в зоне чистого изгиба уже при первых циклах нагружений. До 5 цикла эти трещины развивались по траекториям технологических трещин. Разрушение образцов происходило от раздробления бетона над вершиной наклонной трещины. Проведён анализ влияния степени насыщения балок продольной и поперечной арматурой, технологической повреждённости бетона и прочности образцов на величину относительной поперечной силы трещинообразования. Установлено, что наибольшее влияние на указанную величину оказывают насыщение балок продольной арматурой, а также технологическая повреждённость.

Раздел 5. В результате исследований установлено влияние количества продольной и поперечной арматуры в образцах на формирование технологической повреждённости бетона. Проведён анализ относительной несущей способности балок и коэффициента ц_b4 в зависимости от исследуемых факторов - насыщение образцов поперечной и продольной арматурой, прочности бетона на сжатие, технологической повреждённости материала, относительной длины проекции наклонной трещины. Выявлено, что наиболее стабильное влияние на их величины оказывают прочность бетона и его технологическая повреждённость. В этой связи для расчёта прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов без поперечной арматуры при действии малоцикловых нагрузок предлагается использовать новые переменные значения коэффициента ц_b4, косвенно учитывающего вышеперечисленные факторы.

В разделе также показан сравнительный анализ экспериментальных данных автора и ряда других исследователей, в т.ч. в области исследований малоцикловых нагружений.

В выводах приведены результаты экспериментальных исследований прочностных и деформативных свойств бетона в зависимости от его технологической повреждённости, данные экспериментальных и теоретических исследований прочности и трещиностойкости наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов при действии малоцикловых нагружений в зависимости от исследуемых факторов, представлены предлагаемые значения величины коэффициента ц_b4.

Ключевые слова: бетон, железобетон, малоцикловое нагружение, технологическая повреждённость бетона, прочность, трещиностойкость, деформации, наклонные сечения, расчёт.

Summary

Brednyov Artur Mikhailovich. Strength and stability of crack of reinforced concrete beams on inclined sections under the action of low-cycle loads.- Manuscript.

The thesis for Candidate of Technical Sciences Degree in speciality 05.23.01 - “Building constructions, buildings and structures” - The Odessa State Academy of Building and Architecture, Odessa, 2007.

The thesis deals with the experimental and theoretic research of the work of technologically damaged concrete prisms under compression and the action of static and low-cycle loading, as well as curved reinforced concrete beams under the action of low-cycle loads.

The influence of technological damage on physical and mechanical characteristics of concrete has been defined.

Dependence of concrete technological damage formation on structural factors such as saturation of samples by transverse and longitudinal reinforcement has been determined.

As a result of the research the character of the formation and development of cracks in technologically damaged curved reinforced concrete members under the action of low-cycle loads has been analyzed. The influence of the amount of transverse and longitudinal reinforcement in beams as well as technological damage of concrete on the value of the relative transverse force of crack formation Q_crc / R_bt * b * h_o - has been determined.

Dependence of bearing power value of reinforced concrete beams Q_{b, exp}/R_bt * b * h_o and coefficient ц_b4 on such factors as saturation of samples by transverse and longitudinal reinforcement, concrete compression strength, relative length of an inclined crack projection and technological damage of concrete has been determined. To calculate the strength of inclined sections of curved reinforced concrete members without transverse reinforcement under the action, of low-cycle loads a new value of coefficient ц_b4, which depends on the above-mentioned factors has been proposed.

The analysis of experimental data obtained be the author and other researchers related to low-cycle loads, in particular, has been carried out.

Key words: concrete, reinforced concrete, low-cycle loads, technological damage of concrete, strength, stability of crack, deformations, inclined sections, calculation.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Багато залізобетонних елементів (мости, бункера, підкранові балки, елементи гідротехнічних споруд, елементи конструкцій будівель та споруд у сейсмічних районах, перекриття, на яких встановлено важке обладнання та станки) в період експлуатації зазнають дію малоциклових (малоповторних) навантажень.

В порівнянні з розробленою теорією багатоциклової втомлюваності залізобетонних елементів (Абашидзе А.І., Берг О.Я., Залєсов О.С., Кваша В.Г. та інші), обґрунтованої теорії малоциклової втомлюваності у теперішній час не створено. Окремі експериментальні дослідження (Бабич Є.М., Барашиков А.Я., Дорофєєв В.С., Макаренко Л.П., Погореляк А.П., Руденко В.В. та ін.) показали, що малоциклові навантаження суттєво впливають на міцність бетону, розкриття та закриття тріщин, елементи, що зазнають згину, тощо. Позитивний чи негативний вплив на міцність бетону залежить від рівня навантаження та кількості його повторень.

Вивчення впливу малоциклових навантажень на зміну механічних властивостей бетону та роботу залізобетонних елементів, а також розробка методики їх врахування при проектуванні конструкцій мають поглибити теорію бетону та залізобетону, описати реальний напружено-деформований стан елементів та забезпечити необхідну надійність конструкцій в період їх експлуатації.

Окрім цього, у теперішній час недостатньо досліджене питання розвитку технологічних тріщин при малоцикловому навантаженні. У зв'язку з цим необхідне більш поглиблене експериментальне та теоретичне вивчення характеру розподілу технологічних тріщин та їх росту при малоцикловому навантаженні, а також їх впливу на фізико-механічні властивості бетону та величину деформацій.

Таким чином, дослідження бетонних та залізобетонних конструкцій при дії малоциклових навантажень є актуальною задачею, отримані результати мають представляти теоретичний та практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт кафедри “Залізобетонні та кам'яні конструкції” ОДАБА на 2004-2006 р.р. “Технологічна пошкодженість бетону та її вплив на роботу і розрахунок залізобетонних конструкцій” (держреєстр №0104U000515) та на 2001-2010 р.р. “Дослідження напружено-деформованого стану та розрахунок елементів пошкоджених залізобетонних конструкцій” (№0104U007342).

Мета та задачі дослідження. Основною метою роботи є експериментально-теоретичне обґрунтування впливу технологічної пошкодженості бетону на розвиток тріщин та розрахунок міцності похилих перерізів залізобетонних елементів при дії малоциклових навантажень.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- удосконалити методику оцінки технологічної пошкодженості бетонних та залізобетонних елементів конструкцій;

- встановити вплив технологічної пошкодженості на міцністні та деформативні властивості бетону;

- визначити характер утворення та розвитку тріщин в залізобетонних балках при дії малоциклового навантаження в залежності від насичення зразків поздовжньою та поперечною арматурою;

- встановити вплив насичення зразків поздовжньою та поперечною арматурою на формування технологічної пошкодженості в залізобетонних елементах;

- визначити вплив технологічної пошкодженості бетону на несучу здатність залізобетонних елементів за похилими перерізами при дії малоциклового навантаження; уточнити величину коефіцієнту ц_b4 в залежності від факторів, що досліджуються.

Об'єкт дослідження: бетонні призми та залізобетонні балки.

Предмет дослідження: технологічна пошкодженість бетонних та залізобетонних конструкцій; міцність та тріщиностійкість залізобетонних балок за похилими перерізами при дії малоциклових навантажень з урахуванням технологічної пошкодженості бетону.

Методи дослідження. Визначення технологічної пошкодженості бетонних призм та залізобетонних балок з використанням розчинів таніну (Выровой В.М., Дорофеев В.С., Макарова С.С., Абакумов С.А. Способ выявления трещин в бетонных и железобетонных конструкциях на неорганическом вяжущем. - Полож. реш. № 5008907/33(059304) от 03-07.91). Метод механічного випробування зразків навантаженням з використанням електротензометрії, механічного способу вимірювання переміщень і фотофіксації схем тріщиноутворення та руйнування. Методи статичної обробки експериментальних даних, зіставлення та узагальнення теоретичних та експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримані залежності міцністних та деформативних характеристик бетону при дії статичних та малоциклових навантажень від технологічної пошкодженості бетону;

- встановлено вплив насичення зразків поперечною та поздовжньою арматурою на формування технологічної пошкодженості в залізобетонних елементах;

- встановлені залежності несучої здатності залізобетонних балок за похилими перерізами при дії малоциклового навантаження від технологічної пошкодженості бетону;

- досліджено характер утворення та розвитку тріщин в залізобетонних елементах в залежності від насичення зразків поперечною та поздовжньою арматурою;

- запропоновані нові значення коефіцієнту ц_b4, які змінюються залежно від насичення зразків поздовжньою арматурою, міцності бетону, а також від технологічної пошкодженості бетону.

Практичне значення отриманих результатів: отримані в дисертації результати використовувалися при проектуванні залізобетонних балкових конструкцій житлового комплексу будівель, що знаходиться за адресою: м.Одеса, вул. Затонського на розі Кримського бульвару. Використання коефіцієнтів ц_b4, що пропонуються, дозволило зменшити їх матеріалоємність на 10…12%. Матеріали дисертації також впроваджені в навчальний процес за спеціальністю “Промислове та цивільне будівництво” при виконанні курсових проектів та при підготовці спеціалістів та магістрів.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором отримані наступні результати:

- визначено вплив технологічної пошкодженості на міцністні та деформативні властивості бетону при дії статичних та малоциклових навантажень;

- отримані залежності несучої здатності залізобетонних елементів за похилими перерізами при дії малоциклових навантажень від технологічної пошкодженості;

- отримані диференційовані значення коефіцієнту ц_b4, який залежить від технологічної пошкодженості, насичення зразків поздовжньою арматурою, міцності бетону;

- встановлена залежність формування технологічної пошкодженості від відсотка армування залізобетонних зразків поздовжньою та поперечною арматурою;

- проаналізовані дані, які були отримані д.т.н. Дорофєєвим В.С., к.т.н. Пушкар Н.В. та автором в частині, що стосується впливу міцності бетону та відносної проекції похилої тріщини на величину коефіцієнта ц_b4 та величину відносної несучої здатності бетону, а також дані експериментальних досліджень к.т.н. Ахмада Хамді, к.т.н. А. Хамід Хусейна та автора щодо основних характеристик бетону під впливом малоциклових навантажень.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації доповідалися на науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю від дня народження д.т.н., професора Єременка П.Л. (м. Одеса, 2006 р.), на 14-й науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, будівлі та споруди” - два доклади (м. Рівне, 2006 р.) та на науково-технічних конференціях Одеської державної академії будівництва та архітектури у 2005-2007 рр.

Публікації. За темою дисертації опубліковано сім друкованих праць, зокрема шість - в спеціальних виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел із 133 найменувань та 5 додатків.

Загальний обсяг дисертації складає 174 сторінки, у тому числі: 129 сторінок основного тексту, 55 рисунків, 16 таблиць, 15 сторінок списку використаних джерел, 15 сторінок додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі розкрито сутність та стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, викладені мета та задачі дослідження, наукова новизна і практична цінність роботи, наведені відомості щодо публікацій автора.

У першому розділі проаналізовано праці вітчизняних та зарубіжних вчених, присвячені дослідженням роботи бетонних та залізобетонних конструкцій при дії малоциклових навантажень, процесу твердіння бетону, механіці утворення та розвитку початкових тріщин в його структурі та факторів, що впливають на величину технологічної пошкодженості бетону. Розглянуто розвиток та становлення методів розрахунку міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що зазнають згину, з моменту перших досліджень до теперішнього періоду.

Проблемі малоциклового навантаження залізобетонних елементів присвячені праці відомих вчених: Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Гуссікова О.П. Дорофєєва В.С., Макаренка Л.П., Осідзе В.І., Погореляка А.П., Протопопова В.Б., Руденка В.В. та ін. Дослідженнями цих та інших вчених було встановлено, що малоциклові навантаження суттєво впливають на такі характеристики, як міцність та деформативність бетону, розкриття та закриття тріщин, елементи, що зазнають згину, тощо. Окрім цього, у подальшому в роботі було визначено та використано такі фактори, як кількість циклів навантажень, їх рівень в залежності від руйнуючого навантаження, тощо.

У першому розділі також наведено аналіз робіт Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Вирового В.М., Гладишева Б.М., Гордона С.С., Десова А.С., Дорофєєва В.С., Зайцева Ю.В., Комохова П.Г., Ромаліс Н.Б., Соломатова В.І., Тамуж В.П., Холмянського М.М., Хсу Т.Т. та ін., в яких висвітлюються проблеми неоднорідності бетону, його пошкодженості початковими дефектами, вплив цих дефектів на подальшу роботу матеріалу, деформації, тріщиноутворення та характер руйнування, а також несучу здатність згинальних залізобетонних елементів. Зазначені роботи доводять, що існує можливість управління технологічною пошкодженістю бетону за рахунок зміни кількості та дисперсності наповнювача, а також технології виготовлення матеріалу. Окрім цього, визначена необхідність подальших досліджень впливу конструктивних факторів на формування технологічної пошкодженості.

Третє важливе питання, яке розглядається у першому розділі - розрахунки міцності похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються. Аналіз використаних літературних джерел показав, що методи розрахунку міцності похилих перерізів постійно вдосконалюються шляхом привнесення уточнень за рахунок більш детального дослідження факторів, що впливають на несучу здатність похилих перерізів, а також завдяки новим поглядам на цю проблематику. Разом з тим, визначена доцільність подальших досліджень щодо врахування технологічної пошкодженості в розрахунках міцності похилих перерізів балок, що зазнають згину.

В кінці першого розділу сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі наведено характеристики дослідних зразків, методики визначення технологічної пошкодженості бетону та дослідження напружено-деформованого стану бетону, а також методику проведення випробувань.

Для вивчення впливу технологічної пошкодженості бетону на роботу залізобетонних елементів за похилими перерізами при дії малоциклового навантаження було передбачено виготовлення 4-х серій дослідних зразків.

Серії включали до себе 8 балок з постійним поперечним перерізом 10х15 см та довжиною 120 см. Діаметр робочої арматури було прийнято: для 1-ї серії - 8 мм, для 2-ї - 10 мм., для 3 та 4 серій - 12 мм. У 4-й серії балок було прийнято густе поперечне армування. Зазначений розподіл армування прийнято у зв'язку з необхідністю вивчення впливу відсотка армування на формування технологічної пошкодженості бетону, відносну поперечну силу тріщиноутворення, а також несучу здатність залізобетонних елементів.

Всі балки виготовлені з бетону одного складу, витрати матеріалів на 1 м³ бетону склали: цементу - 320 кг, щебеню - 1200 кг, піску - 600 кг, води - 160 л. Дослідні зразки під час проектування розраховувались за першою групою граничного стану з урахуванням того, щоб руйнування відбулося за похилими перерізами.

Для визначення характеристик бетону основних зразків було виготовлено допоміжні: 16 призм розміром 10х10х40 см та 32 куби з ребром 10 см з бетону вищезгаданого складу.

При дослідженні технологічної пошкодженості бетону увага зверталася на сіть поверхневих тріщин зразків, вік яких досягав 285…315 діб. З метою якісного виявлення початкових тріщин на поверхні, були використані водні розчини таніну. Для визначення коефіцієнтів технологічної пошкодженості на двох протилежних гранях балок були накреслені лінії: в зоні чистого згину - по 4 вертикальні, в зоні спільної дії згинаючого моменту та поперечної сили - по 2 похилих, а також виділені ділянки 15х15 см - в місцях розташування поперечної арматури та на границях з нею - для вивчення впливу конструктивних факторів на формування технологічної пошкодженості бетону. Пошкодженість балок дефектами визначалася вимірюванням курвіметром довжини поверхневих тріщин кожної з зазначених ліній та площі 15х15 см з точністю до 1мм.

Технологічна пошкодженість бетонних призм також визначалася за різними методиками. На двох протилежних гранях призм були проведені лінії по висоті перерізу зразка (4 лінії) та виділялася ділянка 10х10 см.

Коефіцієнти пошкодженості балок та призм визначалися діленням виміряної довжини тріщин на довжину відповідних ліній або на площу (15х15 см - для балок, 10х10 см - для призм).

Середньостатистичні коефіцієнти технологічної пошкодженості балок за похилими (К_29,5), вертикальними (К₁₅) лініями та за площиною 15х15 см (К_пл) наведені у таблиці 1.

Для дослідження напружено-деформованого стану бетону експериментальних зразків, прогинів балок та осідання опор використовувались дротові тензорезистори на паперовій основі з базою 50 мм та опором близьким до 400 Ом, а також індикатори годинникового типу з ціною поділки 0,01 мм.

Залізобетоні балки випробувались на згин як однопрольотні (L₀=1м), шарнірно оперті, завантажені двома зосередженими силами, розташованими в третинах прольоту. Завантаження проводилося циклами (усього - 12) з витримкою на кожному циклі по 10 хвилин. Показання приладів на кожному циклі знімалися двічі - на початку та в кінці витримки, а також ще один раз - при розвантажуванні. Фіксування виникнення та розвитку тріщин здійснювалося за допомогою мікроскопу МПБ - 2.

Таблиця 1. Коефіцієнти технологічної пошкодженості залізобетонних балок

Марка балки	К29,5	К15	Кпл
Б1-1	1,574	1,592	0,787
Б1-2	1,480	1,567	0,761
Б2-1	1,691	1,683	0,876
Б2-2	1,771	1,670	0,920
Б3-1	1,408	1,483	0,823
Б3-2	1,280	1,433	0,775
Б4-1	1,970	2,033	0,944
Б4-2	1,814	2,192	0,959

Бетонні призми випробувалися на статичне та малоциклове навантаження (по 8 зразків). При статичній дії зразки випробувалися ступінчатим навантаженням, при малоцикловій - циклами по 0,85 P_max з витримкою на кожному циклі 10 хвилин. Рівень навантаження прийнято 0,85 від руйнуючою для того, щоб кількість циклів до руйнування знаходилася в діапазоні 10-15 циклів. Усі призми витримали 12 циклів за виключенням однієї, яка зруйнувалася на початку 12 циклу. Для визначення деформацій бетону використовувалися вищезгадані тензорезистори та індикатори годинникового типу з ціною поділки 0,001 мм.

У третьому розділі наведені результати досліджень фізико - механічних характеристик бетону в залежності від технологічної пошкодженості матеріалу, які були встановлені після експериментальних випробувань бетонних призм на статичні та малоциклові навантаження.

З метою більш точного вивчення фізико - механічних характеристик бетону в залежності від технологічної пошкодженості було обрано 4 рівні навантаження при статичній дії: І - при напругах 6 МПа, IІ - 12 МПа, ІІІ - 18 МПа та ІV - 24 МПа, а також 4 рівні напружень при малоцикловому навантаженні: І - на 3 циклі, ІІ - на 6, ІІІ - на 9 та ІV - на 12 циклі.

В результаті отримання експериментальних даних та побудови графіків “напруження-деформації”, були визначені величини деформацій стиску та розтягу бетону, початкового модуля пружності (при статичному навантаженні), модуля деформацій для кожного з вищевказаних рівнів напружень. У подальшому зазначені характеристики, а також отримана міцність бетонних призм ставилися в залежність від коефіцієнтів пошкодженості (К₁₀, К_пл). В результаті аналізу отриманих залежностей було з'ясовано, що для обох коефіцієнтів ці залежності аналогічні, у зв'язку з чим було прийнято рішення залишити коефіцієнт пошкодженості по площі (К_пл).

При статичному навантаженні зі збільшенням технологічної пошкодженості бетону деформації стиску зростають на всіх чотирьох рівнях напружень на 40-60%. Деформації розтягу також значно збільшуються на усіх рівнях напружень (у середньому в 2,5 рази). При дії малоциклових навантажень зі збільшенням початкової пошкодженості бетону деформації стиску зростають на всіх чотирьох рівнях (3, 6, 9, 12 цикли) відповідно у 2,2; 2,3; 2,5; та 1,9 рази. Деформації розтягу також збільшуються у середньому в 4,5 рази.

Початковий модуль пружності бетону при зростанні технологічної пошкодженості змінюється в діапазоні 29%.

Модуль деформацій бетону при зростанні технологічної пошкодженості зменшується: при статичному навантаженні на 31%, 34% та 40% відповідно на ІІ, ІІІ та ІV рівнях напружень, при малоцикловому навантаженні на 48%, 51%, 55% та 40% на І, ІІ, ІІІ та ІV рівнях напружень відповідно.

При зростанні технологічної пошкодженості бетону здійснюється зниження призмової міцності: при статичному навантаженні - на 24%, при малоцикловому - на 25%.

Окрім зазначеного, у третій главі здійснено аналіз експериментальних даних автора та к.т.н. К.Д. Ахмада Хамді (він також випробував бетонні призми на дію малоциклового навантаження (у 1987 р.), але варіював кількість циклів, дисперсність та витрату цементу). В результаті було зроблено висновок щодо ідентичності характеру деяких властивостей бетону при дії малоциклового навантаження, а саме: при зростанні кількості циклів модуль деформацій зменшується (у автора - на 40-55%, у К.Д.А. Хамді на 22-61%), при збільшенні модуля деформацій малоциклова витривалість бетону також збільшується (у автора в 100% випробувань, у К.Д.А. Хамді - у 89%).

Таким чином можна зробити висновок, що технологічна пошкодженість суттєво впливає на міцністні та деформативні характеристики бетону.

У четвертому розділі описано характер утворення та розвитку тріщин в залізобетонних балках, що зазнають згину, а також характер їх руйнування. Здійснено аналіз залежності відносної поперечної сили тріщиноутворення від факторів, що досліджуються.

В ході експериментів було виявлено ідентичність утворення та розвитку тріщин в балках 1, 2 та 3 серій (без поперечної арматури). Так, перші вертикальні тріщини у зразках виникали в зоні чистого згину при першому або другому циклі навантаження. На початкових етапах (1-5 цикли) майже усі тріщини розвивалися за траєкторіями технологічних тріщин на висоту 10-40 мм. При подальшому навантаженні у характері утворення та розвитку тріщин в балках різних серій спостерігалися незначні відмінності, що стосувалися кількості вертикальних тріщин, які з'являлися, їх розміру та характеру розвитку. Похилі тріщини у середній частини перерізу в балках 1-3 серій виникали на 3 - 8 циклах та розвивалися до місця прикладання зосередженої сили та опори.

В балках 4-ї серії перші похилі та вертикальні тріщини з'явилися вже на першому циклі навантаження. Під час усього випробування балок цих серій, особливо з 5 по 11 цикли, кількість та розміри похилих та вертикальних тріщин постійно збільшувались.

Руйнування зразків відбувалося від розроблення бетону стиснутої зони над вершиною похилої тріщини.

В результаті аналізу залежності відносної поперечної сили тріщиноутворення від факторів, що досліджуються, встановлено наступне. За збільшенням в балках поперечної та поздовжньої арматури відносна величина Q_crc /R_bt*b*h_o збільшується відповідно на 46% та на 14%. При зростанні призмової міцності бетону відбувається зменшення відносної поперечної сили тріщиноутворення на 14%.

В ході випробувань було встановлено, що незважаючи на постійну величину “прольоту зрізу”, відносна величина проекції похилої тріщини змінюється, у зв'язку з чим було проаналізовано залежність Q_crc /R_bt*b*h_o від c_о,exp/h_o. При зростанні відносної довжини проекції похилої тріщини на 31% величина Q_crc /R_bt*b*h_o зменшується на 16%.

При зростанні технологічної пошкодженості балок у середньому на 25% спостерігається ідентичний характер зменшення відносної поперечної сили тріщиноутворення для всіх коефіцієнтів пошкодженості у середньому на 16%.

На величину відносної поперечної сили тріщиноутворення аналогічний вплив мають міцність бетону та його технологічна пошкодженість. Для врахування впливу зазначених факторів на відносну поперечну силу утворення похилих тріщин в залізобетонних балках без поперечного армування при дії малоциклових навантажень пропонується використовувати залежність Q_crc /R_bt*b*h_o з коефіцієнтом 0,9.

У п'ятому розділі автором визначається вплив на формування технологічної пошкодженості бетону насичення залізобетонних зразків поздовжньою та поперечною арматурою, а також приведено аналіз несучої здатності балок за похилими перерізами при дії малоциклового навантаження в залежності від факторів, що досліджуються. Також приведено зіставлення даних автора з даними інших дослідників.

У розділі розглядається вплив насичення арматури на коефіцієнти пошкодженості: по площі (К_пл), за похилими перерізами (К_29,5) та по вертикальним лініям (К₁₅).

При зростанні в балках кількості поздовжнього армування К_пл майже не змінюється (збільшується лише на 1,6%), К_29,5 та К₁₅ зменшуються відповідно на 12% та 8%. В зразках з поперечним армуванням усі три коефіцієнта збільшуються відповідно на 19%, 41% та 45%.

Таким чином, насичення залізобетонних елементів поздовжньою та поперечною арматурою впливає на формування технологічної пошкодженості бетону.

В результаті аналізу експериментальних та теоретичних величин несучої здатності балок було визначено, що між ними мають місце розбіжності, які складають у ряді випадків 45-50%. У зв'язку з цим автором проводилися дослідження, направлені на визначення залежності величини несучої здатності балок Q_b,exp/R_bt*b*h_o та коефіцієнту ц_b4 від таких факторів, як насиченні зразків поперечною та поздовжньою арматурою, міцності бетону на стиск, відносної довжини проекції похилої тріщини, технологічної пошкодженості бетону.

При зростанні в балках кількості поперечної арматури спостерігається збільшення як величини Q_b,exp/R_bt*b*h_o (до 55%), так і коефіцієнту ц_b4 (до 41%). При зміні в балках кількості поздовжньої арматури з 0,75 до 1,67% відносна несуча здатність балок збільшується на 3%, величина коефіцієнту ц_b4 зменшується на 3%.

При зростанні призмової міцності бетону на 13% величина Q_b,exp/R_bt*b*h_o знижується на 10%, коефіцієнт ц_b4 збільшується, у середньому, на 13%.

При зміні відносної довжини проекції похилої тріщини на 32% величина Q_b,exp/R_bt*b*h_o зменшується на 12%, коефіцієнт ц_b4 збільшується на 16%.

В результаті аналізу впливу технологічної пошкодженості на зазначені величини було з'ясовано, що за усіма коефіцієнтами початкової пошкодженості (К_пл, К_29,5, К₁₅) спостерігаються ідентичні за характером залежності. Так, при збільшенні технологічної пошкодженості в середньому на 25% відносна несуча здатність балок зменшується, у середньому, на 12%, експериментальна величина коефіцієнту ц_b4 зростає, у середньому, на 16%.

Під час аналізу експериментальних величин відносної поперечної сили тріщиноутворення, несучої здатності залізобетонних балок та величини коефіцієнту ц_b4 було з'ясовано, що з усіх досліджених факторів на них стабільно впливає міцність бетону, довжина відносної проекції похилої тріщини, а також технологічна пошкодженість бетону. З метою зменшення розходження між експериментальними та розрахунковими значеннями несучої здатності балок, шляхом статистичної обробки експериментальних даних, було отримано коефіцієнт ц_b4=2,5 (який є більшим за експериментальні значення коефіцієнту у середньому, на 25%). Він посередньо враховує вплив перелічених факторів на несучу здатність залізобетонних балок без поперечного армування, які були випробувані на дію малоциклових навантажень.

Вплив початкової пошкодженості на несучу здатність балок за похилими перерізами при дії малоциклового навантаження в діапазоні технологічної пошкодженості, що досліджувалася, пропонується описувати залежністю:

ц_b4=10,7(К_пл)²-16,3(К_пл)+8,0?2,5 (1)

В результаті проведеного аналізу експериментальних даних автора та д.т.н. Дорофєєва В.С., к.т.н. Пушкар Н.В., к.т.н. Ахмада Хамді, к.т.н. А. Хамід Хусейна було зроблено висновки щодо залежності відносної несучої здатності бетону та коефіцієнту ц_b4 від деяких вищезазначених факторів. Зокрема, призмова міцність бетону сама по собі не чинить суттєвого впливу на величини Q_b,exp/R_bt*b*h_o та ц_b4, а лише спільно з поздовжньою арматурою - зі збільшенням в балках поздовжньої арматури згадані величини також зростають. Окрім цього, експериментальна величина відносної довжини проекції похилої тріщини (с_o,exp/h₀) на несучу здатність балок при дії малоциклових та статичних навантажень впливає по-різному. При малоцикловому навантаженні зі зростанням с_o,exp/h₀ відносна несуча здатність зразків зменшується, коефіцієнт ц_b4 збільшується. При статичному навантаженні балок, які армовані однаковою кількістю поздовжньою арматури зі збільшенням с_o,exp/h₀ їх відносна несуча здатність та коефіцієнт ц_b4 зменшуються, а при армуванні різною кількістю поздовжньою арматури зі збільшенням відносної довжини проекції похилої тріщини Q_b,exp/R_bt*b*h_o та ц_b4 також зростають.

Загальні висновки

1. У зв'язку зі збільшенням об'ємів будівництва в Україні в останні роки, на перше місце виходить проблема ресурсоємкості будівельних матеріалів. Саме через це тема дисертації, в якій досліджуються економія в'яжучого, а також отримані результати є актуальними за умовами сучасного будівельного виробництва.

2. Проведеними дослідженнями встановлено, що технологічна пошкодженість бетону впливає на розвиток тріщин та розрахунок міцності залізобетонних елементів за похилими перерізами при дії малоциклового навантаження.

3. Встановлено вплив технологічної пошкодженості на величини відносних деформацій стиску та розтягу бетону (зі збільшенням пошкодженості ці фактори зростають в 1,9-6 разів), модуль деформацій бетону (зі збільшенням пошкодженості зростає на 48-52%), призмову міцність (зі збільшенням пошкодженості зменшується на 25%) при різних рівнях статичних напружень та різних циклах малоциклових навантажень.

4. На формування технологічної пошкодженості впливають насичення балок поперечною та поздовжньою арматурою. При зростанні в балках кількості поздовжнього армування коефіцієнт пошкодженості К_пл майже не змінюється (збільшується на 1,6%), К_29,5 та К₁₅ зменшуються відповідно на 12% та 8%. В зразках з поперечним армуванням усі три коефіцієнта збільшуються відповідно на 19%, 41% та 45%.

5. Установлено вплив на величину відносної поперечної сили тріщиноутворення Q_crc/R_bt*b*h_o кількості у залізобетонних елементів поперечної та поздовжньої арматури, міцності бетону, а також його технологічної пошкодженості. При збільшенні в балках поперечної та поздовжньої (від 0,75 до 1,67%) арматури величина Q_crc /R_bt*b*h_o збільшується відповідно на 46% та на 14%.

При зростанні міцності бетону та технологічної пошкодженості зразків спостерігається ідентичний характер зменшення відносної поперечної сили тріщиноутворення у середньому на 15%. Для врахування зазначених факторів на відносну поперечну силу тріщиноутворення в діапазоні досліджень автору можна запропонувати використовувати залежність Q_crc /R_bt*b*h_o з коефіцієнтом 0,9.

6. В результаті аналізу напружено-деформованого стану залізобетонних елементів було встановлено, що на початкових циклах навантаження похилі та нормальні тріщини розвиваються за енергетично вигідним шляхом - траєкторіями технологічних тріщин. У зв'язку з цим зроблено висновок, що, керуючи пошкодженістю, можливо змінювати умови роботи, кінетику росту та, частково, траєкторію тріщин.

7. Експериментальними дослідженнями встановлена залежність величини несучої здатності залізобетонних балок Q_b,exp/R_bt*b*h_o та коефіцієнту ц_b4 від таких факторів, як насиченість зразків поперечною та поздовжньою арматурою, міцності бетону на стиск, відносної довжини проекції похилої тріщини, технологічної пошкодженості бетону. Зокрема, при зростанні в балках кількості поперечної арматури спостерігається збільшення, як величини несучої здатності зразків (до 55%), так і коефіцієнту ц_b4 (до 41%). При зростанні призмової міцності бетону, а також технологічної пошкодженості величина Q_b,exp/R_bt*b*h_o знижується на 10-12%, коефіцієнт ц_b4 збільшується, у середньому, на 13-16%.

8. Встановлено, що на несучу здатність балок без поперечного армування за похилими перерізами при дії малоциклового навантаження в діапазоні досліджень автора, впливають технологічна пошкодженість, міцність бетону та довжина відносної проекції похилої тріщини, у зв'язку з чим пропонується виконувати розрахунки міцності зазначених елементів, використовуючи наступну залежність:

ц_b4=10,7(К_пл)²-16,3(К_пл)+8,0?2,5.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Дорофеев В.С., Бреднёв А.М. К вопросу исследования технологической повреждённости бетона. Вісник ОДАБА, вип. № 10. Одеса, ВМК “Місто майстрів”, 2003 р. - С. 68-73.

2. Бреднёв А.М., Мурашко А.В. Влияние технологической повреждённости на физико-механические характеристики бетона при действии малоцикловых нагружений. Вісник ОДАБА, вип. № 20. Одеса, ВМК “Місто майстрів”, 2005 р. - С. 407-412.

3. Бреднёв А.М. В отношении зависимости технологической повреждённости железобетонных балок от диаметра рабочей арматуры. Збірка студентських наукових праць, присвячених 75-річчю ОДАБА. ОДАБА, 2005 р. - С. 16-19.

4. Бреднёв А.М., Мурашко А.В., Бондаренко А.С. Влияние технологической повреждённости на работу железобетонных изгибаемых элементов при малоцикловом нагружении. Вісник ОДАБА, вип. № 21. Одеса, ВМК “Місто майстрів”, 2006 р. - С. 32-36.

5. Дорофеев В.С., Олейник Н.В., Бреднёв А.М. Влияние количества и качества наполнителя на изменение прогибов железобетонных балок. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наук. праць, вип. № 14. Рівне. УНУВГП, 2006 р. - С. 175-182.

6. Бреднёв А.М., Мурашко А.В. Влияние технологической повреждённости на физико-механические характеристики бетона при статическом и малоцикловом нагружениях. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наук. праць, вип. № 14. Рівне. УНУВГП, 2006 р. - С. 139-144.

7. Бреднёв А.М., Пушкарь Н.В. Характер образования и развития трещин в железобетонных балках при действии малоцикловых нагружений. Вісник ОДАБА, вип. № 25. Одеса, Внешрекламсервис, 2007 р. - С. 42-48.

Размещено на Allbest.ru

...