Експериментальні основи прикладної деформаційної теорії залізобетону

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.012:624.046

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ОСНОВИ ПРИКЛАДНОЇ

ДЕФОРМАЦІЙНОЇ ТЕОРІЇ ЗАЛІЗОБЕТОНУ

Спеціальність 05.23.01 - будівельні конструкції,

будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Бамбура Андрій Миколайович

Харків - 2006

АНОТАЦІЯ

Бамбура А.М. Експериментальні основи прикладної деформаційної теорії залізобетону. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України. - Харків, 2006.

У дисертації наведено результати виконаного комплексу експериментально-теоретичних досліджень актуальної науково-технічної проблеми, які дозволили розробити основи прикладної деформаційної теорії залізобетону стрижневих систем, яка базується на реальних діаграмах деформування бетону та арматури при різному напружено-деформованому стані та зовнішніх діях.

Експериментально встановлено закономірності впливу режиму навантаження (одно- і двоосьового стискання, градієнта напружень, повторюваних навантажень високого рівня та тривалої дії навантаження високого рівня) і технологічних факторів на параметри діаграми стискання бетону в широкому діапазоні зміни його міцності та поведінку залізобетонних елементів під навантаженням.

Запропоновано аналітичні залежності для визначення параметрів діаграм деформування бетону при різних режимах навантаження та розроблено на основі деформаційного методу аналітичний апарат для визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів (двотаврового, таврового, прямокутного, трикутного, круглого та кільцевого) звичайних і попередньо напружених згинних і позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при різних режимах навантаження.

Наведено рекомендації щодо нормування параметрів діаграм деформування бетону при різних режимах навантаження для розрахунку залізобетонних елементів за двома групами граничних станів. Розроблено метод “трьох кривизн” для визначення несучої здатності нерозрізних залізобетонних балок та балок на деформівній основі. Наведено результати експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій і елементів об'єкту “Укриття” Чорнобильської АЕС, будівлі вокзалу “Київ-Паса-жирський”, супермаркету “МЕТRО” в м. Харкові та ін.

Ключові слова: бетон, арматура, залізобетонні конструкції, теорія залізобетону, несуча здатність, напружено-деформований стан, напруження, деформації, діаграма “-”, розрахунок.

АННОТАЦИЯ

Бамбура А.Н. Экспериментальные основы прикладной деформационной теории железобетона. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры. - Харьков, 2006.

Диссертация посвящена разработке экспериментальных основ прикладной деформационной теории железобетона, которая базируется на реальных диаграммах деформирования бетона и арматуры при различном напряженно-деформированном состоянии и внешних влияниях.

В рамках работы выполнены обширные экспериментальные исследования влияния различных факторов на параметры диаграммы деформирования бетона и поведения железобетонных элементов под нагрузкой. Получены физические соотношения по учету закономерностей влияния технологических факторов, одно- и двухосного сжатия, градиента напряжений, немногократно повторного нагружения высокого уровня и длительного действия нагрузки на трансформацию параметров диаграммы “” бетона, приведена таблица среднеопытных значений параметров указанной диаграммы для бетонов класса В7,5-В60. Разработана методология и даны рекомендации по нормированию параметров диаграммы для расчета конструкций по двум предельным состояниям.

Выполнено обоснование положенных в основу предлагаемой деформационной теории железобетона основных предпосылок и допущений, разработан аналитический аппарат по оценке напряженно-деформированного состояния нормальных сечений (двутаврового, таврового, прямоугольного, круглого и кольцевого) обычных и преднапряженных изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов при различных режимах нагружения.

Выполнена оценка точности и надежности расчетного аппарата. Даны рекомендации по определению несущей способности, жесткости, трещиностойкости и ширины раскрытия нормальных трещин железобетонных конструкций.

Предложен метод “трех кривизн” для определения несущей способности и деформаций неразрезных железобетонных балок и балок на деформируемом основании.

Приведены результаты исследований остаточной несущей способности конструкций объекта “Укрытие” Чернобыльской АЭС, использованные при разработке проекта их стабилизации. Представлены результаты оценки остаточного ресурса железобетонных конструкций, возведенных в начале прошлого столетия, здания вокзала “Киев-Пассажирский” при реконструкции. На примере предварительно напряженных железобетонных балок пролётом 21, используемых при строительстве супермаркетов “МЕТRО”, показано, что как по действующим СНиП так и по DIN переоценка несущей способности может достигать 30%.

Результаты исследований использованы в нормативных документах, разрабатываемых в НИИСК взамен СНиП 2.03.01-84* “Бетонные и железобетонные конструкции” и ДБН В.1.1 -…-2005 “Строительство в сейсмических районах Украины”.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, бетон, арматура, теория железобетона, несущая способность, напряженно-деформированное состояние, напряжения, деформации, диаграмма “”бетона, расчет, сложное напряженное состояние, градиент напряжений, немногократно повторное нагружение, трещины.

ABSTRACT

Andrii Bambura.Experimental grounds of deformational applied theory of reinforced concrete. - Manuscript.

The thesis presented for the scientific degree of Doctor's of Technical Sciences on a speciality of 05.23.01 - Building Constructions, Building and Structures. The Kharkiv State Technical University of Building and Architecture. Kharkiv, 2006.

The thesis states the results of performed series experimental and theoretical researches that makes possible to develop the grounds of deformational applied theory of reinforced concrete for framed structures and which is based on real concrete and reinforcement deformation diagram under various strain-stress states and external actions.

It was experimentally determine an influence of the technological factors and loading regime (uniaxial and two-axial compression, stress gradient, repeated loads of high level and action of long-term load of high level) for parameters of concrete compression diagram into wide range of it's strength variation and behaviour of reiforced concrete members under loading.

The analytical relations for determination of parameters of the concrete deforming diagrams under different loading regimes were proposed and based on deformational approach an analytical procedure for defining of stress-strain state for normal cross-sections (I-beam, T-section, rectangular, triangular, circular and ring) of ordinary and pre-stressed banding and eccentrically compressed reinforced concrete members for various loading regimes.

The recommendations for standardization of parameters of the concrete deforming diagrams under various loading regimes to calculate reinforced concrete members for two groups of ultimate state are stated. So cold method of “three curvatures” for determination of bearing capacity of the reinforced concrete continuous beams and once on deformable base was developed. The results of experimental and theoretical researches of stress-strain state for the reinforced concrete structures and members of the “Shelter” object of Chernobyl NPP, building of “Kiev-passenger” railway station, building of supermarket “METRO” in Kharkiv city and others are presented.

Key words: concrete, reinforced concrete structures, theory of reinforced concrete, bearing capacity, stress-strain sta te, deformations, “-” diagram, calculation.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Фомін Станіслав Леонідович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій;

доктор технічних наук, професор Клованич Сергій Федорович, Одеський національний морський університет, завідувач кафедри інженерних конструкцій і водних досліджень;

доктор технічних наук, професор Стороженко Леонід Іванович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри металевих і дерев'яних конструкцій.

Провідна установа - Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, кафедра залізобетонних і кам'яних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “16” березня 2006 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 Харківськогодержавного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий “10” лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04, кандидат технічних наук, доцент Крот О.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Немає потреби говорити про ту величезну роль, яку відіграє залізобетон у сучасному будівництві. Обсяг використання залізобетону в світі весь час зростає, і сьогодні за різними оцінкам використання бетону і залізобетону сягає від 2-х до 3-х мільярдів кубічних метрів щорічно, що оцінюється в 200-300 мільярдів доларів США. І навряд чи потрібне обґрунтування тієї тези, що ефективне використання залізобетону в будівельних конструкціях неможливе без розроблення достовірних, надійних і економічних методів розрахунку. Тому питанню розвитку теорії залізобетону завжди приділялась велика увага.

Не випадково останнім часом все гостріше ставиться питання про нову системну постановку і розв'язання задач теорії залізобетону, про побудову загальної теорії залізобетону, яка враховувала б нелінійність і нерівновісність його деформування. Теорії, яка являла б собою систему, що базується на специфічних гіпотезах, які узагальнюють дані експериментальних досліджень, фундаментальні закони механіки твердого тіла, пов'язані з особливостями фізичної моделі об'єкту досліджень та методами будівельної механіки.

Тому розроблення загальної теорії залізобетону є актуальною науково-технічною проблемою, розв'язання якої дозволить одержувати більш ефективні та обгрунтовані проектні рішення в новому будівництві, а також при реконструкції будівель та споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились у рамках Загальносоюзної галузевої комплексної науково-технічної програми 0.55.16.031, № проблеми 0.55.16.031, завдання 01.01: тема № НГ-23: “Провести дослідження бетонів на найбільш поширених видах нових заповнювачів, визначити характеристики для розрахунку конструкцій та розробити пропозиції для проектування”, 1981 р. (№ держ. реєстр. 81048530); № проблеми 0.55.16.031, завдання 01.01.СПв4, 02.01.СПв4, тема № НП-38: “Дослідити несучу здатність залізобетонних стрижневих систем з урахуванням реальної діаграми “-“ бетону з урахуванням піддатливості основи” 1984 р. (№ держ. реєстр. 01.84.0065057), Загальносоюзної науково-технічної програми 0.55.04 (затвердженої постановою Держбуду СРСР від 30.01.86 р.): № проблеми 0.55.04.10.02.05.С, тема № НП-41: “Дані експериментальних досліджень моделі системи “балка - основа” стосовно фундаментно-підвальної частини безкаркасних будівель”, 1986-1988 рр. (№ держ. реєстр. 01.86.0091377) та Держзамовлення № 0.5-0150.1-87, тема № НП-41 “Удосконалення розрахунку несучої здатності і деформативності балочних залізобетонних конструкцій будинків при різних впливах з урахуванням реальних діаграм деформування залізобетону і ґрунту”, 1989-1990 рр. (№ держ. реєстр. 01.8.80. 084151). Дог. С-2-2-03/643. “Розробити ДБН “Бетонні та залізобетонні конструкції” на заміну (СніП 2.03.01 - 84*)” РК № 0103U008522 07.2003 - 12.2005

Метою роботи є розробка основ прикладної деформаційної теорії залізобетону стрижневих систем, яка базується на реальних діаграмах механічного стану бетону і арматури та деформаційному методі при різних видах навантажень, та впровадження її в практику проектування.

Завдання роботи. Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

· розробити методологію та устаткування для експериментальних досліджень повної рівнозваженої діаграми деформування бетону при короткочасному одно- і двоосьовому стисканні, небагатоповторному навантаженні високого рівня та тривалому і змінному навантаженнях;

· знайти апроксимуючі функції експериментальних діаграм деформування бетону та арматури, які б, базуючись на єдиній основі, досить точно враховували вплив основних факторів;

· розробити пропозиції щодо врахування попереднього напруження арматури при визначенні напружено-деформованого стану залізобетонних елементів при звичайному та змішаному армуванні;

· розробити пропозиції щодо розрахункової моделі залізобетону і сформулювати основні передумови і допущення для складання системи рівнянь рівноваги перерізу залізобетонного елемента;

· отримати рекурентні залежності для оцінки напружено-деформованого стану звичайних і попередньо напружених залізобетонних елементів різних перерізів (прямокутного, таврового, двотаврового, кільцевого і круглого) при короткочасній, тривалій та змінній діях навантаження;

· розробити деформаційний метод оцінки напружено-деформованого стану залізобетонного елемента на всіх етапах його деформування;

· розробити апарат для визначення несучої здатності, міцності, жорсткості, тріщиностійкості та ширини розкриття нормальних тріщин згинних та позацентрово стиснутих звичайних і попередньо напружених залізобетонних елементів при короткочасній, тривалій та змінній дії навантаження;

· виконати оцінку точності запропонованого розрахункового апарату;

· дати рекомендації щодо нормування параметрів діаграми деформування бетону і арматури і оцінити надійність розрахункового апарату;

· розробити пропозиції щодо розрахунку статично невизначених залізобетонних стрижневих систем на прикладі нерозрізних балок.

Об`єкт досліджень - бетон, сталева арматура і залізобетонні звичайні і попередньо напружені, згинні і позацентрово стиснуті, статично визначені і статично невизначені стрижневі елементи різного поперечного перерізу, які піддаються короткочасному, тривалому та змінному навантаженню.

Предмет дослідження - діаграма механічного стану бетону та арматури, несуча здатність, деформативність та тріщиностійкість згинних і позацентрово стиснутих статично визначених і статично невизначених стрижневих елементів при короткочасному, тривалому і змінному навантаженнях.

Методи дослідження:

– вивчення та аналіз літературних джерел, формулювання завдань експериментальних і теоретичних досліджень, розроблення робочих програми і методик для розв'язання поставлених задач, виконання запланованих експериментів, оброблення і аналіз результатів, проведення теоретичних досліджень, зіставлення збіжності теоретичних та експериментальних даних, формулювання основних висновків і розроблення рекомендацій щодо впровадження результатів досліджень у практику проектування;

– методи математичного моделювання.

Наукову новизну роботи становлять:

- поставлена і розв'язана наукова проблема із створення методології експериментальних досліджень впливу різних факторів на параметри повних рівнозважених діаграм деформування бетону при короткочасному одно - і двоосьовому напруженому стисканні, тривалій та змінній дії навантаження високого рівня;

- вперше на основі експериментальних досліджень встановлені закономірності впливу режиму навантаження (одно- і двоосьового стискання, градієнта напружень, повторюваних навантажень високого рівня та тривалої дії навантаження високого рівня) і технологічних факторів на параметри діаграми стискання звичайного трикомпонентного бетону в широкому діапазоні змінення його міцності;

- запропоновані аналітичні залежності для визначення параметрів діаграм деформування бетону при різних режимах навантаження та аналітичні залежності для описання повних діаграм деформування “м'якої” і “жорсткої” арматурної сталі;

- виконано обґрунтування гіпотез та допущень і розроблена розрахункова модель усередненого перерізу залізобетонного елемента, які покладені в основу прикладної деформаційної теорії залізобетону;

- розроблено аналітичний апарат з визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів (двотаврового, таврового, прямокутного, трикутного, круглого та кільцевого) звичайних і попередньо напружених згинних і позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при різних режимах навантаження на основі реальних діаграм деформування бетону і арматури;

- запропоновано деформаційний метод для визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів згинних і позацентрово стиснутих залізобетонних елементів;

- розроблено методологію та рекомендації щодо нормування параметрів діаграм деформування бетону при різних режимах навантаження для розрахунку залізобетонних елементів за двома групами граничних станів;

- розроблено метод “трьох кривизн” для визначення несучої здатності нерозрізних залізобетонних балок та балок на пружній основі.

Достовірність наукових результатів роботи обумовлена:

- численними, виконаними на сучасному рівні, експериментальними дослідженнями, їх дублюванням, використанням для аналізу даних інших авторів, застосуванням при проведенні експериментів сучасної вимірювальної апаратури і повірених приладів високого класу точності та використанням для оброблення результатів експериментів апарату математичної статистики;

- використанням для отримання аналітичних залежностей математичної статистики та чітких фізично обґрунтованих передумов, які, як правило, є загальноприйнятими в механіці твердого тіла;

- перевіркою збіжності отриманих теоретичних результатів з даними власних експериментальних досліджень та досліджень інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів. Виконані експеримен-тально-теоретичні дослідження дали змогу розробити основи загальної теорії залізобетону, яка базується на використанні реальних діаграм деформування бетону і арматури та деформаційного методу оцінки напружено-деформованого стану. Вказана теорія дозволяє визначити з досить високою точністю несучу здатність, міцність, деформативність і тріщиностійкість нормальних перерізів (двотаврового, таврового, прямокутного, круглого, кільцевого тощо) звичайних і попередньо напружених стрижневих згинних і позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при короткочасній, тривалій та змінній дії навантаження на будь-якому етапі їхнього існування.

Розроблено рекомендації щодо визначення нормативних та розрахункових значень параметрів діаграм деформування бетону та арматури.

Розроблено рекомендації щодо аналітичної апроксимації діаграм “” бетону і арматури і визначення необхідних коефіцієнтів, що дає змогу реалізувати розроблений деформаційний метод розрахунку залізобетонних конструкцій. залізобетон стрижневий арматура проектування

Результати роботи впроваджені:

· у національних нормативних документах (дог. С-2-2-03/643. “Розробити ДБН “Бетонні та залізобетонні конструкції” на заміну (СніП 2.03.01 - 84*)” РК № 0103U008522 07.2003 - 12.2005), та ДБН В.1.1-...-2005 “Будівництво в сейсмічних районах України” які нині розробляють у НДІБК;

· у рекомендаціях “Методические рекомендации по уточненному расчету железобетонных елементов с учетом полной диаграммы сжатия бетона”, 1987 р.;

· в “Указаниях по расчету и проектированию каркасных и бескаркасных зданий на просадочных грунтах”, 1990 р.;

· при визначенні залишкової несучої здатності стін, ригелів і колон деаераторної етажерки і каркасу західного фрагмента об'єкта “Укриття” зруйнованого 4-го блоку Чорнобильської АЕС при виконанні обґрунтування необхідності виконання стабілізаційних заходів (Дог. №1-307 “Обгрунтування та супровід заходів стабілізації та підвищення надійності будівельних конструкцій об'єкту “Укриття”. РК № 0197U009867 10.1996 - 12.200; К-600. Чорнобильська атомна станція - Блок 4. План здійснення заходів на об'єкті “Укриття”. Першочергові проекти. Пакет А “Цивільне будівництво”. РК № 0199U000413. 07.1998 - 12.2002) та при розрахунках стабілізаційних заходів деаераторної етажерки і каркасу західного фрагмента об'єкта “Укриття” для Робочого проекту на Стабілізацію, договір № SIP-03-2-016 (K 02 03 003 CLN 001 04-WBS A02 34251 - D15.2, КСК, Киев - 2004 та SIP K 02 03 003 CLN 001 04-WBS A02 34251 - D13.2, КСК, Киев - 2004);

· при визначенні залишкової несучої здатності і ресурсу монолітних залізобетонних конструкцій, зведених на початку XX ст., будівлі вокзалу “Київ-Пасажирський” і розробленні рекомендацій щодо їхнього підсилення.

Особистий внесок здобувача містить:

· розроблення і реалізацію на єдиній методичній основі комплексної багаторічної програми експериментальних досліджень діаграм “-” бетону і арматури, а також поведінки залізобетонних елементів під навантаженням;

· розроблення методології та необхідного устаткування для експериментальних досліджень діаграм “-” бетону і арматури, а також поведінки залізобетонних елементів під навантаженням;

· керівництво і безпосередню участь у проведенні експериментально-теоретичних досліджень і аналіз отриманих результатів, узагальнення отриманих різними авторами результатів, розроблення і обґрунтування основних передумов для розробки прикладної теорії залізобетону;

· розроблення аналітичного апарату для визначення параметрів діаграми стискання бетону і арматури та їхньої апроксимації;

· запропонований деформаційний метод розрахунку залізобетонних конструкцій та отримання рекурентних залежностей для визначення напружено-деформованого стану залізобетонних елементів різного нормального перерізу (двотаврового, таврового, прямокутного, круглого, кільцевого і трикутного) на основі використання реальних діаграм деформування бетону і арматури при короткочасній, тривалій та змінній дії навантаження;

· пропозиції щодо розрахунку нерозрізних залізобетонних балок на основі розробленого методу “трьох кривизн”.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і обговорювались більш як на 40 Всесоюзних, республіканських, міжвузівських, відомчих конференціях, нарадах, семінарах і науково-технічних радах, а також міжнародних конференціях, у тому числі:

науково-технічних конференціях інженерно-будівельних інститутів та факультетів: Ростовського (1980), Талліннського (1981), Куйбишевського (1982), Київського (1984), Білгородського (1986, 1987, 1988, 1989), Полтавського (1989); Всесоюзній науково-технічній конференції “Вопросы прочности, деформативности и трещиностойкости железобетона” (Ростов-на-Дону, 1980), Всесоюзній координаційній нараді “Деформирование железобетонных элементов на стадии, близкой к разрушению, при статических и динамических нагружениях” (Алма-Ата, 1982), науково-технічній конференції “Удосконалення методів розрахунку і проектування сучасних видів будівельних конструкцій” (Рівне, 1988), XXIII Міжнародній конференції в області бетону і залізобетону “Волго-Балт-91” (Москва, 1991), XL Всепольській науковій конференції “Problemy naukowo-badawcze budownictwa” (Польща, Криниця, 1994, 1997), XI і XIY національних конференціях з участю зарубіжних представників “SITU BEHAVIOR OF CONSTRUCTION” (Румунія, 1996, 2002), Fifth International Conference on Computation Plasticity Fundamentals and Applications (Іспанія, Барселона, 1997), Другій всеукраїнській науково-технічній конференції "Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження" (Київ, 1999), 2^nd International Conference on the Behavior of Damaged Structures “DAMSTRUC - 2000” (Бразилія, Ріо-де-Жанейро, 2000), 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона "Бетон на рубеже третьего тысячелетия" (Москва, 2001), I, II, III та IV Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону” (Київ-1996, Київ-1999, Львів-2003 та Суми-2005), П'ятій всеукраїнській науково-технічній конференції “Будівництво в сейсмічних районах України” (Ялта, 2004). fip Symposyum “Keep Concrete Attractive”, Budapest-2005, Hungary.

Публікації: Основні положення і результати дисертації викладені більш ніж у 70 публікаціях, у тому числі в монографії “Курс лекцій з основ розрахунку будівельних конструкцій і опору залізобетону”. Результати досліджень з окремих розділів дисертації представлені у 18 науково-технічних звітах з держбюджетної і госпдоговірної тематики, які проходили державну реєстрацію і захист на науково-технічних радах НДІБК і установ замовників (НДІ залізобетону (м. Москва), Держбуд України, Група управління проектом SIP тощо).

Дисертаційна робота виконана за особистою ініціативою автора. З тематики цього, сформульованого автором, напряму захищені кандидатські дисертації аспірантами Журавльовою Н.В., Подобенко Т.М., Давиденко О.І., Ждановим О.Є., Чекановичем М.Г., Гурківським О.Б., які виконані під керівництвом і при наукових консультаціях та безпосередній участі автора. Особистий внесок здобувача в одержаних спільно опублікованих результатах містить постановку мети та завдань дослідження, розроблення устаткування та основних методик їхнього проведення, розроблення теоретичних моделей, якісний аналіз та розроблення алгоритмів розрахунку, участь у плануванні та проведенні експериментальних та теоретичних досліджень, інтерпретацію результатів досліджень, загальне керівництво роботою.

Автор щиро вдячний своїм співавторам у численних публікаціях доктору технічних наук, професору О.Б. Голишеву та доктору технічних наук, професору Ю.І. Немчинову за співробітництво та корисні поради та доктору технічних наук, професору А.Я. Барашикову за консультації на завершальному етапі роботи.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку з 309 найменувань використаних джерел. Робота викладена на 379 сторінках, у тому числі 299 сторінок основного тексту, 48 повних сторінок з рисунками та таблицями, 32 сторінок списку літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність розглянутої проблеми, сформульована мета та визначені завдання досліджень, показана наукова новизна, практичне значення та апробація одержаних результатів.

У першому розділі на підставі огляду та аналізу літературних джерел встановлено таке. На початку свого розвитку теорія залізобетону повністю базувалась на положеннях теорії опору матеріалів, дослідники того часу підійшли до залізобетону з готовим апаратом і застосували його до нового і нетрадиційного комплексного матеріалу шляхом введення декількох спрощуючих передумов. Чіткість вихідних передумов, звичність підходу і відносна простота аналітичного апарату обумовили “класичній теорії” довге життя: навіть в СРСР автомобільно-дорожні мости і деякі інші споруди розраховували таким чином до 1962 року.

Зростаючі потреби практики, накопичення нових експериментальних даних викликали до життя новий метод розрахунку - метод руйнівних зусиль, а пізніше і метод граничних станів. Заснований А. Ф. Лолейтом і розвинутий О.О. Гвоздєвим, В.І. Мурашевим, П.Л. Пастернаком, Я.В. Столяровим, О.Б. Голишевим і багатьма іншими вітчизняними дослідниками, цей метод зіграв дуже важливу роль у подальшому розвитку теорії залізобетону. Тепер на його основі побудовані всі області розрахунку залізобетонних конструкцій, і він закладений в основу норм, які діють сьогодні.

Але така універсалізація методу приховувала у собі і деяку небезпеку. Безпосереднє використання принципу А.Ф. Лолейта, запропонованого спочатку для розрахунку балок з так званим “звичайним” армуванням, при розв'язанні деяких інших задач викликало значні труднощі.

Останнім часом все гостріше ставиться питання про нову системну поста-новку і вирішення задач теорії залізобетону, побудову загальної теорії залізобе-тону, яка враховувала б нелінійність і нерівновісність його деформування.

Успішна побудова такої теорії має дуже велике значення для будівельної науки і практики. Потрібно відзначити, що вже зараз є рішення низки задач, які отримані на такій загальній основі. В цьому напрямі плідно попрацювали такі відомі вчені, як В.М. Байков, В.М. Бондаренко, В.М. Гусаков, О.Б. Голишев, А.Я. Барашиков, В.Я. Бачинський, В.С. Здоренко, М.І. Карпенко, Р.С. Санжаровський, О.Л. Шагін, В.С. Шмуклер, С.Л.Фомін та багато інших. Майбутнє за такими рішеннями.

Між тим, використання “точних” рішень в сьогоднішній практиці наштовхується на серйозні труднощі, які пов'язані з визначенням параметрів нелінійності діаграми стану “-” бетону і арматури. Досі не існує залежності, яка достатньо точно враховувала б та достовірно описувала діаграму стану бетону при короткочасній і тривалій дії навантаження та при різних режимах навантаження. Тому і неможливо виконати нормування параметрів, які характеризують діаграму стану. Таким чином, інженер - проектант не має необхідного директивного матеріалу, який додав би йому змогу назначити параметри нелінійності матеріалів у конкретних розрахунках.

Дослідженню впливу різних факторів на трансформацію діаграм деформування бетону та арматури, на поведінку залізобетонних елементів під навантаженням присвячені роботи Александровського С.В., Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Берга О.Я., Войцеховського О.В., Гвоздєва О.О., Городецького О.С. Гущі Ю.П., Демчини Б.Г., Дорофеєва В.С., Зайцева Ю.В., Зедгенідзе В.О., Карпенко М.І., Кваші В.Г., Клименка Ф.Є., Климова Ю.А., Клованича С.Ф., Козака О.Л., Козачевського А.І., Кокарева О.М., Колчунова В.І., Кричевського О.П., Коркішка О.І., Корсуна В.І., Лазовського Д.Н., Лучка Й.Й., Пічугіна С.Ф., Погореляка А.П., Прокоповича І.Є., Проценка О.М., Ржаніцина А.Р., Савицького М.В., Сахарова О.С., Стороженка Л.І., Узуна І.А., Фомиці Л.М., Фоміна С.Л., Чибірякова В.К., Чихладзе Е.Д., Цейтліна С.Ю., Щелкунова В.Г., Щербакова Є.М., Яременка О.Ф., Яшина О.В., Яценка Є.А., Hognestad E., H. Kupfer, A.D. Ross та багато інших.

Не можна скидати з рахунку й ту обставину, що потрібно мати розумне співвідношення між точністю вхідних даних і трудомісткістю розрахунків. Використання “точних” методів для практичних розрахунків дозволяє зменшити витрати машинного часу порівняно з методом скінченних елементів, особливо при розрахунках складних стрижневих систем.

На основі вивчення стану проблеми сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі наведено обгрунтування програми експериментальних досліджень діаграми “-” бетону при одноразовому центральному дефор-муванні. Для реалізації програми розроблені спеціальне устаткування (рис. 1) та методика експериментальних досліджень, які дозволили не тільки отримувати повні рівнозважені діаграми стиску бетону, але і з достатньою точністю визначати момент руйнування зразків (досягнення деформаціями бетону своїх граничних значень), а також виконувати випробування при різних режимах навантаження. Основні положення методики випробувань уточнювали в процесі постановки спеціального експерименту. При цьому встановлено, що зі збільшенням тривалості випробувань міцність бетону значно зменшується. З метою збереження спадкоємності з дослідами, які виконані раніше, тривалість випробування зразків бетону прийнята в межах 1-1,5 години.

Виконаний аналіз факторів, які мають вплив на параметри діаграми деформування бетону, дозволив встановити, що на вказані параметри тією чи іншою мірою впливає близько 21 фактор, і їх можна розбити на чотири групи. У першу входять фактори, що залежать від фізичних властивостей і вагових співвідношень вихідних матеріалів, розмірів бетонного елемента, методів укладання й обробки бетону, у другу - фактори, які залежать від навколишнього середовища, - температури і вологості, у третю - фактори, які визначають навантаження - його величину, характер напруженого стану в перерізі. В четверту групу входять фактори, які залежать від часу, - віку бетону на час навантаження, терміну дії навантаження тощо.

Аналіз впливу вказаних фактрів на параметри діаграми показав, що фактори першої групи на 90-95% визначають основні властивості бетону. Тому технологічні фактори і були взяті за основу при складані плану експерименту.

Як відомо, результати однофакторних дослідів не завжди дозволяють зробити достовірні висновки. Враховуючи вимоги математичного планування експерименту, в дослідах варіювались такі п'ять факторів: активність (марка) цементу; кількість цементу на кубічний метр розчину; кількість води на кубічний метр розчину; відношення маси піску до маси щебеню; крупність щебеню.

Для складання плану експерименту була взята за основу дрібна репліка п'ятифакторного плану другого порядку зі зміною факторів на трьох рівнях. Згідно з прийнятим планом всього було випробувано понад 500 зразків.

В процесі виконання експерименту встановлено, що на відміну від трикомпонентного бетону, на діаграмах стиску дрібнозернистого бетону і цементного каменю спадна ділянка практично відсутня. Граничні деформації і міцність цементного каменю значно вищі від відповідних характеристик дрібнозернистого і, тим більше, трикомпонентного бетонів, отриманих на його основі при одному й тому ж водоцементному відношенні. В дисертації наведено фізичне обгрунтування цього та інших результатів досліджень.

Виявлено вплив варійованих факторів на параметри мікротріщиноутворення бетону й , отримані за результатами ультразвукових випробувань. При цьому встановлено, що нижня межа мікротріщиноутворення практично не зале-жить від міцності бетону, а верхня зі збільшенням міцності бетону підвищується.

Аналіз опублікованих та наших експериментальних даних дозволив скласти таблицю параметрів діаграми “_b-_b ” (рис. 2) залежно від призмової міцності бетону (табл. 1). Зрозуміло, що незважаючи на те, що при постановці досліджень використовували методи математичного планування експерименту, які передбачають рівномірний розподіл вузлових точок в досліджуваній області, фактичний розподіл параметрів діаграми виявився нерівномірним. Тому перш ніж розробляти рекомендації щодо визначення параметрів діаграми “_b-_b”, потрібно було впевнитись, що отримана сукупність належить генеральній вибірці, на основі якої розроблені чинні норми. Такий аналіз можна виконати на основі порівняння основних параметрів, які регламентують норми, - призмової міцності R_b і модуля пружності E_b. В нормах наведені нормативні і розрахункові значення R_b і E_b, а в експериментах отримано дослідні значення вказаних параметрів. Тому порівняння виконували для середньодослідних величин.

Для цього виконано аналіз експериментальних даних, у процесі якого був визначений фактичний клас бетону для кожної серії зразків (табл. 1).

Аналіз результатів порівняння показав, що середньодослідні значення призмової міцності за нашими даними і підрахованими за даними норм практично збігаються (різниця не перевищує 5%). Таким чином, без спеціального статистичного аналізу можна стверджувати, що різниця в середніх генеральної вибірки і даних наших дослідів практично відсутня.

Отримані нами результати дозволяють встановити функціональні залежності від призмової міцності бетону основних деформаційних параметрів діаграми бетону , (рис. 3) та модуля пружності бетону:

Табл. 1 - Середньодослідні значення параметрів діаграми стиску бетону

Клас бетону	Rb, МПа	Cv, %	Eb 10-2, МПа	Cv, %	105	Cv, %	105	Cv, %	=	Cv, %
10	8.7	9.6	183	8.6	170	4.2	500	2.8	0.35	10.1
12.5	12.1	6.0	224	6.4	171	3.1	486	4.5	0.46	8.5
15	14.5	7.9	257	7.2	173	5.7	471	4.6	0.51	7.6
20	18	4.9	281	3.4	175	5.0	443	6.1	0.57	9.8
25	23.8	6.3	294	4.5	178	4.3	414	4.9	0.62	8.6
30	26.3	5.4	304	5.0	180	2.4	385	3.6	0.66	6.2
35	31.8	4.8	328	5.9	183	7.6	356	7.6	0.7	9.4
40	35.5	4.3	363	4.2	185	8.1	328	6.4	0.73	4.5
45	40.1	6.5	391	6.4	188	3.2	299	5.9	0.76	9.2
50	46.8	7.1	412	5.5	190	5.9	270	5.8	0.79	7.5

Запропоновано апарат для визначення коефіцієнтів полінома (2) для апроксимації діаграми стиску бетону при однократному центральному деформуванні, який досить точно (рис. 4) відбиває закономірності впливу різних факторів на параметри вказаної діаграми. Наведена таблиця коефіцієнтів полінома п'ятого степеня для середньодослідних значень параметрів важкого трикомпонентного бетону.

У третьому розділі наведено дані про параметри неліній-ності повних діаграм деформування бетону в умовах двоосьового стиску, поздовжнього градієнта напружень, небагаторазовому та тривалому навантаженях.

Експериментальні дослідження впливу двоосьового напруженого стану на параметри стиску бетону виконувалися на основі математичного планування експерименту. Основним фактором варіювання, звичайно, була міцність бетону. За середній рівень варіювання був прийнятий клас бетону B30, як такий, що найбільш часто зустрічається в практиці будівництва, за верхній і нижній рівні - відповідно В40 і В20. Другим фактором варіювання був рівень поперечного обтиснення ₌ 0.0, 0.2 і 0.4.

В процесі дослідів, виконаних відповідно до розробленої методики для одноосьового стиску з урахуванням особливостей випробувань на двоосьовий стиск, були отримані повні діаграми деформування бетону при одноосьовому і двоосьовому стиску (рис.5). Зазначені результати дозволили дослідити поводження бетону на висхідній і спадній ділянках діаграм і визначити їхні основні параметри.

Аналіз наших і відомих нам експериментальних даних дозволяє стверджувати, що збільшення відношення _b2/R_b (до певної межі, зрозуміло) позитивно відбивається на міцності бетону. Так, при (_b2/R_b)=0,4 міцність бетону при двоосьовому стиску в наших дослідах на 30-37 % вища, ніж при одноосьовому стиску (_b2/R_b = 0), причому міцність бетону в умовах двоосьового стиску залежить не тільки від рівня поперечного обтиснення, але і від міцності бетону.

Крім впливу двоосьового стиску на міцність, дуже важливо було встановити вплив складного напруженого стану на деформаційні параметри, а саме на _bR і _bu. Тим більше, що таких експериментальних даних у відомій нам літературі практично немає.

З отриманих даних випливає, що деформації , які відповідають максимальним напруженням у напрямку більшого стискаючого зусилля, зі збільшенням відношення _b2/R_b збільшувалися і при _b2/R_b =0,4 на 56 % перевищують деформації, які відповідають одноосьовому стиску. З подальшим збільшенням зазначеного відношення позитивний вплив другої складової напружень (як і у випадку з міцністю бетону) знижується. Слід зазначити, що і деформації в ненавантаженому напрямку _b3 також збільшуються зі збільшенням другої складової напружень _b2 і при _b2/R_b=0,4 перевищували поперечні деформації, що відповідають одноосьовому стиску у 2,3 - 2,4 рази.

Як випливає з проведених дослідів, статистично значимої різниці у величинах граничних деформацій при простому одноосьовому і плоскому напруженому стані у напрямку більших стискаючих напружень не встановлено. Це ще раз підтверджує припущення, що граничні деформації при короткочасному стиску, незалежно від простого або складного напруженого стану, є до деякої міри константою матеріалу.

Встановлено, що якісно діаграми стану при одноосьовому і двоосьовому стиску подібні, що дозволяє поширити розроблену методику апроксимації діаграм деформування бетону при одноосьовому стиску на випадок двоосьового стиску шляхом уведення додаткових залежностей, що відображають вплив двоосьового стиску на параметри діаграми бетону. Аналіз результатів, відомих з літератури та наших дослідів, дозволив отримати рівняння огинної кривої міцності бетону:

Аналогічне рівняння огинної кривої отримано і для деформацій :

Графічне представлення рівняння (3) наведене на рис. 6, з якого видно, що рівняння (3) досить добре відбиває модельований процес.

Як уже зазначалося вище, на міцність бетону при двоосьовому стиску має вплив і клас бетону. Для урахування цього ефекту отримано рівняння:

Рівняння (3)...(5) дозволяють визначати параметри вершини діаграми тільки в області “стиск-стиск”. Однак з позиції теорії та практики проектування залізобетонних конструкцій доцільно мати замкнену криву на площині головних напружень. Для кривої, що задовільно описує отримані результати, а також результати інших дослідників, проведених для кожного з трьох видів двоосьового напруженого стану, запропоновано використати рівняння ланцюгової лінії, що проходить через задані точки А і В (рис. 7), які розташовані на рівнонахиленій осі головних напружень.

Після нескладних перетворень функції гіперболічного косинуса і визначення необхідних постійних отримано співвідношення:

Як випливає з рис. 7, узагальнена залежність (6) досить добре відбиває поводження бетону в умовах рівномірного і нерівномірного напруженого стану ("стиск-стиск", "стиск-розтяг", "розтяг-розтяг").

Таким чином, в узагальненому вигляді діаграма стиску бетону після підстановки отриманих залежностей при плоскому напруженому стані може бути записана:

У літературі наведені різні думки щодо впливу на параметри бетону поздовжнього градієнта напружень (), який характеризує зміну моменту по довжині елемента. Аналіз отриманих результатів досліджень дозволив запропонувати рівняння для врахування впливу поздовжнього градієнта напружень на діаграму стиску бетону:

Для накопичення дослідних даних про характер деформування бетону і залізобетону при небагаторазово повторних навантаженнях високого рівня, на основі яких можна було б розробити досить надійну методику оцінення напру-жено-деформованого стану залізобетонних елементів на всіх стадіях навантажен-ня, виконані комплексні експериментальні дослідження.

Комплекс містив вип-робування як стандартних зразків призм з метою дослідження впливу небагато-разово повторних наванта-жень високого рівня на параметри діаграми “_b-_b” бетону, так і залізобетонних балок з метою вивчення поводження згинних елементів під зазна-ченими впливами.

Відповідно до програми досліджень, основний експеримент містив у собі випробування 25 серій бетонних і 18 серій залізобетонних зразків з бетонів проектних класів В20, В30, В50. Всього було випробувано 231 бетонний зразок та 36 залізобетонних балок. Верхній рівень навантаження призначався залежно від деформацій, що відповідають призмовій міцності бетону _bR, і становив відповідно 0,8; 1,0; 1,2 і 1,4. Коефіцієнти асиметрії циклів "навантаження-розвантаження" (=_min/_max) приймалися такими, що дорівнюють 0; 0,25 і 0,3. Кількість повторних навантажень змінювалося від 1 до 20.

Для зразків з бетону одного класу весь комплекс експериментальних досліджень проводився в такій послідовності:

1. За розробленою методикою виконували випробування бетонних призм на одноосьовий стиск, за результатами якого будували діаграму "_b-_b" і визначали її параметри:.

2. Відповідно до програми повторних навантажень при заданому значенні деформацій, що передують розвантаженню на першому циклі, _b,_un (_b,un = 0,8...1…1,4_bR) балку навантажували таким чином, щоб деформації її найбільш стиснутої фібри дорівнювали зазначеній величині, і фіксували відповідне зусилля , передане на балку (рис.8). Потім балку розвантажували до величини зусилля і фіксували деформації на стиснутій грані (). Навантаження до зусилля і розвантаження до виконували N разів (N - задане число циклів), після чого балку доводили до руйнування.

3. Випробування призм на задану кількість циклів навантаження виконували таким чином, щоб на кожному циклі максимальні і мінімальні деформації призми дорівнювали відповідним деформаціям, виміряним на стиснутій грані балки. Випробування за п.п. 2 і 3 виконували для всіх значень , , n, передбачених програмою експерименту. За результатами виконаних експериментальних досліджень отримані надійні експериментальні дані про вплив на параметри діаграм "_b-_b " бетону небагаторазово повторних навантажень високого рівня. Останнє дозволило розробити пропозиції щодо аналітичного апарату описування ділянок навантаження та розвантаження діаграми "_b-_b " бетону на довільному циклі навантаження. Результати співставлення разрахунків на основі пропозицій автора з даними експерименту наведені на рис. 9.

Аналіз результатів випробувань показав, що огинна діаграма "_b-_b ", тобто крива, проведена через точки, які відповідають верхньому рівню навантаження на кожному циклі, діаграми стиску бетону при повторних навантаженнях близька до діаграми, отриманої при однократному навантаженні. Таким чином, можна стверджувати, що діаграма деформування бетону при небагатоповторних навантаженнях не виходить за межі деякої кривої, що наближається до діаграми деформування, одержаної при однократному навантаженні.

Для дослідження поведінки бетону в часі при постійному зростанні деформацій автором запропонована спе-ціальна методика. Суть цієї методики полягає в тому, що до початку тривалих досліджень кожної групи зразків на допоміжних зразках (призмах) визначали параметри діаграми деформування бетону та несучої здатності залізобетонних балок при короткочасних випробуваннях. На основі отриманих результатів визначали рівень початкового навантаження основних зразків. В наших експериментах ці рівні становили _b1/_bR = 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,15; 1,43; та 1,69, що дозволило досліджувати як “лінійну” повзучість, так і нелінійну і відповідало роботі бетону як на висхідній ділянці (_b1/_bR =0,4; 0,61; 0,7; 0,8; 0,9), так і на спадній ділянці діаграми (_b1/_bR 1,0). Рівні навантаження, які відповідають спадній ділянці діаграми деформування бетону при тривалій його дії, досліджені вперше.

В експериментах деформації в балках заміряли на п'яти рівнях (на відстані 0,0; 2,5; 5,5 та 8,5 см та h від верхньої грані) в зоні чистого згину на базі, яка значно перевищує відстань між нормальними тріщинами. Кожному волокну відповідали випробування однієї серії бетонних призм (щонайменше 3-х). Завантаження призм відбувалось деформаціями у відповідності зі зміною деформацій волокон балки, при цьому динамометрами фіксували навантаження, яке вона сприймає. Всього було випробувано 33 залізобетонних балки та близько 90 бетонних зразків (кубів та призм). Це дозволило визначити зміну напружень у волокнах балки і, відповідно, виявити закономірності трансформування діаграми стиску бетону залежно від початкового рівня навантаження та часу витримки.

При тривалих випробуваннях залізобетонних балок були отримані залежності „m-_b1”, „m-” та „m-f”. Зафіксовані значення m, _b1, та f для моменту, що передує тривалій дії навантаження, після тривалої дії навантаження, після розвантаження та короткочасного випробування до руйнування (вичерпання несучої здатності зразків та моменту їх руйнування).

Отримані результати дозволяють визначати величину зміни деформацій та напружень у стиснутій зоні згинного елемента при різних рівнях тривалого навантаження та трансформацію епюри стиснутої зони в часі. Характерні криві змінидеформацій та напружень стиснутої фібри перерізу внаслідок деформування призми, що імітували деформацію стиснутої фібри перерізу, показані на рис. 10, а „m-_b1” відповідної балки показана на рис. 11.

...