Результати досліджень роботи бетонних і залізобетонних конструкцій при дії одно- і малоциклових знакозмінних навантаженнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК.624.012

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ РОБОТИ БЕТОННИХ І ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ ПРИ ДІЇ ОДНО- І МАЛОЦИКЛОВИХ ЗНАКОЗМІННИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

Масюк Г. Х., к.т.н., професор (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Наведено узагальнюючі результати досліджень автора та інших авторів, а також пропозиції щодо врахування передісторії малоциклових однозначних та знакозмінних навантажень різних режимів на зміну міцнісних і деформативних характеристик бетону, тріщиностійкості та напружено-деформованого стану залізобетонних елементів в цілому.

міцнісний деформативний залізобетонний навантаження

В процесі експлуатації будівель і споруд велика кількість залізобетонних конструкцій та їх елементів зазнає дії малоциклових знакозмінних навантажень різного рівня, тривалості і циклічності. Знакозмінні навантаження виникають в елементах конструкцій силосів, бункерів, в нерозрізних балках монолітних залізобетонних перекриттів, в попередньо напружених конструкціях, при аварійних ситуаціях будівель, при сейсмічних впливах, при реконструкції існуючих будівель і споруд, тощо.

Режими навантажень визначаються функціональними призначеннями будівель і споруд та характеризуються такими параметрами як:

- тривалість періоду завантаження і розвантаження;

- рівень відносних напружень;

- коефіцієнт асиметрії циклів;

- швидкість зміни напружень і деформацій та інші.

Режими навантажень залежно від характеру зміни напружень, можуть бути постійними або змінними. Змінні навантаження можна розділити на монотонно-змінні, малоциклові і багато циклові.

В природі переважна більшість навантажень має характер малоциклової дії, куди відносять і кліматичні дії. При цьому під дією різного характеру малоциклових навантажень в залізобетонних конструкціях можуть виникати і знакозмінні навантаження, вплив яких на загальну роботу конструкцій вивчено недостатньо.

Дія малоциклових навантажень може спричинити специфічні особливості деформування та руйнування нелінійно деформованих матеріалів і, відповідно, виготовлених із них конструкцій. Частіше за все при малоциклових навантаженнях, особливо при знакозмінних, повторювальні навантаження можуть перевищувати свої нормативні та розрахункові значення. Особливо це відноситься до навантажень природного походження (вітрові, снігові, сейсмічні, тощо). В результаті цього в бетоні залізобетонних елементів такі навантаження можуть спричинити періодичне виникнення напружень високих рівнів, максимальні значення яких перевищують, так звану, „критичну” межу, як вважає багато дослідників, близьку до верхньої границі мікротріщиноутворення, а також межу, що наближається до граничної міцності бетону при однозначному завантаженні. А це, в свою чергу, може привести до крихкого руйнування по нормальному перерізу оптимально армованих згинальних залізобетонних елементів, тобто таких, що були вірно запроектовані відповідно до чинних будівельних норм.

Чинні державні норми проектування не враховують вплив передісторії навантажень на зміну фізико-механічних властивостей матеріалів; несучої здатності, тріщиностійкості і деформативності конструкцій в цілому, особливо при дії знакозмінних навантажень, оскільки дані питання вивчені недостатньо.

Врахування передісторії навантаження дозволяє раціонально проектувати бетонні та залізобетонні конструкції, при досягненні економії матеріалу забезпечити їх міцність, жорсткість, тріщиностійкість і довговічність.

Для забезпечення надійності залізобетонних конструкцій при різних режимах завантажень необхідно знати закономірності зміни міцності і деформативності матеріалів, процесів тріщиноутворення та розвитку тріщин. Багаторазові повторні навантаження, зміна знаку навантажень, їх рівнів в процесі експлуатації конструкцій може привести до наслідків, якісно відмінних від отриманих при розрахунку на постійні навантаження одного знаку максимальної інтенсивності.

Ряд питань впливу циклічних навантажень на несучу здатність, деформативність та тріщиностійкість залізобетонних конструкцій вивчали А. І. Абанідзе, С. В. Александровський, Г. Т. Аубакіров, М. І. Ашібаєв, Є. М. Бабич, В. Я. Багрій, А. Я. Барашиков, О. П. Борисюк, О. С. Залесов, Ю. А. Климов, М. І. Карпенко, О. Н. Кокарев, П. П. Коцебчук, О. П. Крилов, Т. А. Косая, Л. П. Макаренко, Л. Р. Маілян, Г. М. Ставров та інші.

Дослідженням роботи залізобетонних і бетонних елементів під дією знакозмінних навантажень займались Н. М. Бітько, А. В. Гергель, А. Б. Григорчук, В. В. Караван, Л. П. Макаренко, В. Я. Немировський, В. М. Рубель, І. Д. Свиниренко, Г. А. Фенко та інші.

Проблему опору бетону за дії знакозмінних навантажень також вивчали С. В. Александровський, В. Я. Багрій, А. Я. Барашиков, В. В. Блінков, П. І. Васильєв, А. В. Войцеховський, Ю. П. Гуща, А. В. Доценко, М. І. Карпенко, І. Ю. Ларичева, Р. Х. Мирмухамедов, Т. Л. Чирва та інші.

Аналіз опублікованих робіт показав недостатність вивчення даної проблематики, а також те, що науковці не дійшли єдиного висновку щодо впливу малоциклового знакозмінного навантаження на несучу здатність, деформативність та тріщиностійкість залізобетонних елементів залежно від рівня, режиму та інтенсивності навантаження. Метою експериментально-теоретичних досліджень було виявлення міри впливу знакозмінних навантажень різного рівня на несучу здатність, деформативність та тріщиностійкість залізобетонних елементів.

Проаналізовано дані експериментальних досліджень понад 200 випробовуваних зразків з різними параметрами за розмірами, армуванням, а також режимами, рівнями, віком та тривалістю завантажень.

Проведений аналіз експериментальних досліджень автора і даних опублікованих праць інших вчених дав можливість встановити трифакторну кореляційну залежність відносної межі витривалості гс,з,n позацентрово стиснених, позацентрово розтягнених і згинальних елементів при однозначних і знакозмінних циклічних навантаженнях від коефіцієнту асиметрії поперечного навантаження , кількості циклів їх повторення (1 ? n ? ?) і рівня фіксованої стискаючої або розтягуючої осьової сили (основний фактор), яка має вигляд:

(1)

Сумісна дія знакозмінних поперечних і поздовжніх сил знижує майже до 50% несучу здатність залізобетонних елементів порівняно з несучою здатністю при дії сталих поздовжніх та поперечних сил.

Слід відзначити, що при знакозмінному малоцикловому навантаженні різного рівня, в симетрично армованих залізобетонних згинальних елементах у зоні двобічного пластичного шарніра в граничному стані за несучою здатністю (стадіях близьких до руйнування) виникає система перехресних і нормальних тріщин розриву з наявністю мікро- і макроруйнування та тріщин відриву в попередньо стиснутій зоні бетону на обох гранях елемента. Системи тріщин розриву розділяють елемент на окремі блоки. Нормальні тріщини, що починаються від протилежних граней елементу, з'єднуючись, утворюють наскрізні тріщини. Несуча здатність елемента при цьому буде визначатись опором розтріснутого ядра - зони бетону в межах перерізу, охопленого хомутами, що складається з бетонних блоків, утворених системою нормальних та похилих тріщин і зв'язаних між собою поздовжньою та поперечною арматурою. При циклічному навантаженні, з переміною знаку зусиль в бетонному ядрі пластичного шарніра, відбувається взаємне переміщення блоків один відносно одного. Це викликає порушення зчеплення арматури з бетоном та руйнування блоків від роздрібнення бетону. Внаслідок накопичення пошкоджень та збільшення рівня знакозмінного навантаження ядро шарніру втрачає здатність чинити опір діючим зусиллям як єдине ціле від стиску бетону або розриву (текучості) розтягнутої арматури при меншому навантаженні, ніж за дії одноразового статичного навантаження до руйнування.

Слід відмітити і те, що основні зміни деформативних характеристик бетону проходять після перших трьох-п'яти циклів, а при подальшому збільшенні циклів навантажування відбувається незначний ріст деформацій, що свідчить про вибір пластичних деформацій, з наступним накопиченням залишкових деформацій. Перед руйнуванням спостерігається прогресивний ріст повних і залишкових деформацій. Цей фактор свідчить про різке розущільнення бетону перед руйнуванням.

Аналізуючи трифакторну залежність (1) можна констатувати, що вплив постійної стискаючої сили Nc = const на несучу здатність згинального залізобетонного елементу при однозначному і знакозмінному циклічному поперечному навантаженні виявляється в його зміцненні (підвищенні межі витривалості) до 30% при зc = 0,2. За зc = 0,5 це зміцнення зникає, а потім лінійно зменшується до нуля при зc = 1,0. При фіксованій розтягуючій силі Nt в умовах однозначного і знакозмінного поперечного згинання коефіцієнт гс,з,n роботи залізобетонного елементу лінійно знижується від 1 за зt = 0 до 0 за зt = 1. Вказані дані приведені на рисунку 1.

Рис. 1. Залежність гс,з,n від зc (зt), сm, n

Крім того, як показав аналіз експериментальних досліджень бетонних призмових зразків, малоциклове знакозмінне навантаження зменшує механічні характеристики бетону, а саме: модуль пружності та граничне значення коефіцієнта пластичності бетону, що видно з відповідних графіків (рис. 2). Для зручності практичного використання результатів експериментів, побудовані діаграми зміни механічних характеристик бетону залежно від рівня знакозмінного навантаження у відносних координатах.

Апроксимувавши ряд даних, за якими було побудовано діаграму (див. рис. 2), поліноміальною залежністю третього та другого степеню з величиною достовірності апроксимації R2=0,9945, отримали наступні кореляційні залежності зміни модуля пружності та граничного значення коефіцієнта пластичності бетону за дії малоциклового знакозмінного навантаження різного рівня:

Eb0,cyc,mch = Eb0 (0,9983 - 1,5638 з3 + 0,7 з2 - 0,1214 з) (2)

лR,cyc,mch = лR (0,9872 - 1,167 з2 - 0,066 з) (3)

де Eb0,cyc,mch - модифіковане значення модуля пружності бетону внаслідок попередньої дії малоциклового знакозмінного навантаження, МПа;

лR,cyc,mch - модифіковане значення коефіцієнта пластичності бетону внаслідок попередньої дії малоциклового знакозмінного навантаження;

Eb0 - модуль пружності бетону, МПа;

лR - граничне значення коефіцієнта пластичності.

Рис. 2. Зміна механічних характеристик бетону внаслідок попередньої дії малоциклового знакозмінного навантаження: 1- значення Eb0,cyc,mch/ Eb0; 2 - значення лR,cyc,mch/ лR

Знакозмінні навантаження впливають і на зміну міцнісних характеристик бетону, зокрема призової міцності бетону (рис. 3).

Апроксимувавши ряди даних лінійною залежністю з величиною достовірності апроксимації R2=0,97, отримали наступну кореляційну залежність зміни призмової міцності бетону за дії малоциклового знакозмінного навантаження різного рівня:

(4)

де - модифікована призмова міцність бетону внаслідок попередньої дії знакозмінного навантаження із першим напівциклом розтягу, МПа;

- призмова міцність бетону, визначена в момент завантаження конструкції, МПа.

Як бачимо з наведених графіків (рис. 2, рис. 3) дія малоциклових знакозмінних навантажень суттєво впливає на механічні і міцнісні характеристики бетонів і знижує їх порівняно з характеристиками бетонів, отриманих при однозначних статичних випробуваннях.

Рис. 3. Зміна призмової міцності бетону внаслідок попередньої дії малоциклового знакозмінного навантаження

В згинальних залізобетонних елементах малоциклове знакозмінне навантаження також негативно впливає на момент утворення тріщин - зменшує його в три рази залежно від рівня і кількості циклів навантаження; збільшує довжину, кількість і ширину розкриття нормальних тріщин в 1,5 рази, а похилих в 2-2,2 рази; а також збільшує величину прогинів згинальних елементів на 10%-20% порівняно з одноразовим статичним постійним навантаженням.

Проаналізувавши результати власних експериментальних досліджень, а також досліджень інших авторів, слід зазначити, що причиною зміни характеристик бетону є деструкція бетону, а причиною вичерпання несучої здатності перерізів елементів є також деструкція стисненої зони бетону блоків просторового пластичного шарніру при їхньому періодичному розтягненні, зсуву і стисненню.

Література

1. Альтшулер Б. А., Немировский Я. М. Влияние начальных состояний железобетона на деформации и раскрытие трещин в нем // Бетон и железобетон.-1973.-№1.-с.29-31.

2. Барашиков А. Я. Расчеты железобетонных конструкций на действие длительных временных загрузок // Киев: Будівельник,1977.-154с.

3. Валовой А. И. Образование и раскрытие трещин в преднапряженных элементах при повторном нагружении // Бетон и железобетон.-1988.-№12.-с.6-7.

4. Макаренко Л. П. Снижение сопротивления бетона растяжению после длительного сжатия// ФИП, УП конгресс, Нью-Йорк - Москва, май 1974.-9 с.

5. Масюк Г.Х., Караван В.В. Тріщиностійкість і деформативність згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень // Коммунальное хозяйство городов. Научно-технический сборник. Серия: технические науки - Киев. - 2002.- С. 63-68.

Размещено на Allbest.ru