Метод натурних випробувань плит і оболонок

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

УДК 69.059.32:624.012

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОД НАТУРНИХ ВИПРОБУВАНЬ ПЛИТ І ОБОЛОНОК

Спеціальність 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Рамін Аббасі Хафшджані

Харків 2010

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Харківській національній академії міського господарства Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Чупринін Олександр Олексійович, доцент кафедри теоретичної і будівельної механіки Харківської національної академії міського господарства Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович, завідувач кафедрою залізобетонних і кам'яних конструкцій Київського національного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

кандидат технічних наук, доцент Більченко Анатолій Васильович, професор кафедри мостів, конструкцій та будівельної механіки Харківського національного автодорожнього університету Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться « 14 » Червня 2010 р. о _12.00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

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

Автореферат розісланий « 11 » Травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04, кандидат технічних наук, доцент Костюк Т.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Практичні завдання, що виникають на сучасному етапі розвитку будівельної галузі, зумовлюють необхідність постановки та реалізації складних і коштовних натурних випробувань. Експериментальні дослідження, проведені на моделях, в деякій мірі, дозволяють здійснювати вивчення об'єкта. Однак, коло цих досліджень обмежено через неможливість адекватного відображення особливостей деформування конструкцій при статичному навантаженні. Дана обставина обґрунтована основними положеннями теорії подібності і розмірностей. Як наслідок, у значному числі випадків встановлення кількісних, а іноді, і якісних атрибутів, що позначають напружено-деформований стан конструктиву, носить дуже умовний характер. З іншого боку, відсутність надійних комплексних теоретичних моделей, які використовуються для опису "губителя розрахункових теорій" залізобетону, призводить до повсякденної експлуатації недосконалих розрахункових методик емпіричного типу. Таким чином, впровадження конструкцій нових видів, сучасних матеріалів і технологій їх виробництва вимагає проведення натурних експериментів, що представляють, в основному, трудомісткі та коштовні процедури. При цьому, особливий клас завдань, являють собою експерименти, яки реалізуються для екстремальних режимів деформування. До них відносяться випробування на тріщиностійкість, стійкість, втому, руйнування і т.д. Репрезентативність одержуваної інформації, при коректному проведенні цих експериментів, є приводом для побудови високоточних розрахункових моделей, необхідних при проектуванні. До перерахованого слід додати експерименти щодо встановлення рівня безпеки конструкцій, зведених будівель-пам'яток історії та архітектури, споруд, побудованих з порушенням технологій, а також випробувань, що проводяться з метою неруйнівного контролю окремих елементів і систем з них. Наведені аргументи, інтегрально, обґрунтовують актуальність розробки та впровадження нових ефективних, економічних методів натурних випробувань конструкцій. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є частиною держбюджетної науково-дослідної роботи за темою: «Теоретичні та експериментальні дослідження експлуатаційних і міцністних характеристик об'єктів транспортної техніки, стержневих і оболонкових елементів будівельних конструкцій» (№ держреєстрації 0107U000258), яка виконувалась кафедрою теоретичної і будівельної механіки Харківської національної академії міського господарства.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення наукових основ і на їх базі малобюджетного методу натурних досліджень тонкостінних будівельних конструкцій, які зазнають дію вертикальних короткочасних і довготривалих навантажень, у разі їх проведення в лабораторних, натурних і будівельних умовах.

Задачі досліджень:

аналіз існуючих методів натурних випробувань будівельних конструкцій, включаючи виявлення їх особливостей, а також економічної доцільності;

формування принципів і основних наукових положень, які фундують послідовність планування, проведення та обробки результатів експериментальних досліджень конструкцій навантаженням, що стежить;

розробка методу експериментальних випробувань тонкостінних конструкцій, що припускає створення різних режимів і видів короткочасних і довготривалих статичних і малоциклових завантажень;

вибір, адаптація та доопрацювання систем реєстрації вимірювань, у тому числі автоматизованих;

вибір, обґрунтування і оптимізація структури теоретичних моделей, що імітують результати випробувань, проведених методом гідростатичного навантаження. Об'єкт дослідження - плити і пологі оболонки, що випробовують дію короткочасних або довгостроково діючих контрольних або руйнуючих навантажень.

Предмет дослідження - склад, послідовність і особливості експериментального вивчення напружено-деформованого стану об'єкта дослідження при статичному і малоцикловому завантаженні, включаючи етапи розвантаження.

Методи дослідження:

загальні методи експериментальних і теоретичних досліджень: аналіз, аналогія, спостереження, порівняння, вимірювання, синтез;

математичний статистичний аналіз;

математичне моделювання процесу деформування твердого тіла;

чисельні методи будівельної механіки конструкцій, які включають метод скінчених елементів.

Наукова новизна полягає у тому, що:

запропоновано, обґрунтовано та вивчено принципи створення методів експериментальних випробувань, як руйнуючих так і неруйнуючих, натурних будівельних конструкцій при дії на них навантажень різного виду, характеру прикладення, тривалості;

розроблено, досліджено та реалізовано метод експериментального випробування тонкостінних елементів довільних розмірів і форм, що забезпечує наукове обґрунтування поведінки згаданих конструкцій при дії слідкуючого навантаження, яке є статичним або повільно змінюється;

складено, доопрацьовано і адаптовано програмно-апаратний комплекс автоматизованої підсистеми наукових досліджень, що є невід'ємною частиною запропонованого методу випробувань;

побудовані і вирішені рівняння нелінійної (фізично і геометрично) теорії пологих оболонок, що знаходяться під дією навантажень, що стежать (теоретична модель процесу);

на базі розробленого методу та складеної теоретичної моделі, яка апроксимує результати експериментально зафіксованих параметрів, обґрунтована і реалізована логічна послідовність «випробування конструкції - готова до експлуатації система з позитивними параметрами».

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в тому, що запропонований і обґрунтований малобюджетний метод натурних випробувань плит і пологих оболонок дозволяє проводити дослідження будівельних конструкцій в лабораторних, натурних і будівельних умовах при різних типах навантаження. Складовою частиною методу є підсистема автоматизованих наукових досліджень, яка забезпечена відповідним прикладним програмним забезпеченням. Перераховане, в сукупності, зумовлює істотне розширення області застосування методів експериментальних досліджень, і як наслідок, сприяє впровадженню нових конструктивів, матеріалів і цілих систем у будівельну практику.

Особистий внесок здобувача:

виконано критичний огляд і аналіз методів натурних випробувань будівельних конструкцій, встановлені переваги і недоліки існуючих методологій випробувань, а також принципів формування систем навантаження та систем вимірювання. На базі цієї інформації позначені невирішені проблеми та напрямки їх вдосконалення;

розроблено методологію проведення натурних випробувань конструкцій гідростатичним навантаженням, що стежить, та обґрунтовано склад технічного та інформаційного забезпечення експериментів;

побудовано теоретичну модель деформування гнучких пологих оболонок, що враховує фізичну і геометричну нелінійність, а також характер навантаження, що стежить;

проведено тестування запропонованого методу випробувань шляхом постановки і реалізації експериментів на залізобетонних плитах;

здійснено впровадження результатів роботи у будівельний процес.

Апробація результатів дисертації. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень доповідалися на науково-технічних конференціях різного рівня (2006-2009 р.р.): ХХХIII і ХХХIV науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів та співробітників Харківської національної академії міського господарства (Харків: 2006, 2008 р.р.), IX міжнародному симпозіумі "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій" (Львів: 2009 р.); в повному обсязі дисертація доповідалась і була схвалена на семінарі при спеціалізованої докторської раді Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 наукових праць, в тому числі 7 у спеціальних виданнях, рекомендованих ВАК України та 3 в збірках тез доповідей. Одна наукова робота автором написана самостійно. Отримано патент України на корисну модель.

Обсяг дисертації та її структура. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел, додатків; повний обсяг дисертації - 175 сторінок, у тому числі: 146 сторінок основного тексту, 122 рисунка, 63 таблиці, додатки на 7 сторінках, список використаних джерел (136 найменувань).

Автор вважає своїм обов'язком висловити подяку лауреату Державної премії України, доктору технічних наук, професору Шмуклеру Валерію Самуїловичу за обговорення загальної спрямованості роботи та корисні зауваження, висловлені під час її написання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дисертації обґрунтовано актуальність і практичне значення теми у зв'язку з потребами будівельної галузі. Тут також сформульовано мета і задачі дослідження.

У першому розділі розглянуто сучасні методи експериментальних досліджень будівельних конструкцій, орієнтовані на лабораторні, натурні та будівельні випробування. Проаналізовано ефективність, економічна доцільність використовуваних систем навантаження, вимірювання та реєстрації даних. Відзначено, що в розвиток обґрунтувань і побудови практичних засад методів експериментальних досліджень будівельних конструкцій, а також у вивченні властивостей конструкційних матеріалів, і в першу чергу залізобетону, великий внесок внесли багато вчених, зокрема: С.В. Александровский, О.М. Бамбура, Є.М. Бабіч, Р. Бах, А.Я. Барашиков, В.М. Бондаренко, В.С. Дорофєєв, Б.Г. Димчіна, П.І. Васильєв, А.А. Гвоздев, О.Б. Голишев, Дж. Граф, Ю.П. Гуща, А.С. Залесов, М.І. Карпенко, Ю.О. Клімов, С.Ф. Клованич, В.С. Кукунаев, В.М. Левін, А.Ф. Ллолейт, І.Я. Лучковський, Г.А. Молодченко, Ю.І. Немчінов, Н.В. Савицький, А.В. Семко, А.С. Семченков, Л.І. Стороженко, О.М. Тетіор, Г.Х. Хайдуков, В.В. Федоров, С.Л. Фомін, Л.М. Фоміца, В.В. Фурсов, О.Л. Шагін, В.С. Шмуклер, В.В. Шугаєв, О.Ф. Яременко та ін. Завдяки спільним успіхам експериментальних дисциплін і згаданим працям, в обговорюваному розділі науки склалася наступна ситуація. При створенні принципово нових типів конструкцій, впровадженні та виробництві прогресивних систем проводяться лабораторні, натурні і заводські випробування. Наприклад, технологічні процеси виготовлення будівельних конструкцій на будівельних підприємствах передбачають експлуатацію комплексних автоматизованих систем неруйнівного контролю, що включає ультразвукову та радіоізотопну апаратуру, застосування якої можливо тільки у виробничих, лабораторних умовах. Сучасні лабораторні випробування, мають ряд переваг і, зокрема, широкі можливості для вимірювань, передбачувані та стабільні умови зовнішнього середовища та багато іншого. Лабораторне дослідження конструкцій дозволяє розглядати елементи різних типів, при цьому, як правило, з використанням модельних зразків. Однак, для залізобетонних тіл масштабний фактор обумовлює необхідність проведення експериментальних досліджень елементів дійсних розмірів, тобто натурних випробувань. Експерименти в цій області, найчастіше, бувають дуже трудомісткими і коштовними. Разом з тим у більшості випадків, їм немає альтернативи. До певної міри пробіл заповнюється за рахунок теоретичних досліджень в області теорії оболонок і, в першу чергу, завдяки працям В.З. Власова, А.Л. Гольденвейзера, Л. Доннелла, Г. Кірхгофа, Д. Койтера, А. Лява, Дж. Сандерса, С.П. Тимошенко, В. Флюгге та інших вчених. Ці роботи стали фундаментом для створення безлічі унікальних просторових конструкцій. Розширення сформульованих ними основ на фізично і геометрично нелінійні задачі, що містяться в роботах С.О. Амбарцумяна, О.С. Городецького, Я.М. Григоренка, О.О. Іл'юшина, Л.М. Качанова, М.А. Колтунова, А.І. Лур'є, Х.А. Муштарі, В.В. Новожилова, П.М. Огібалова, Г.С. Писаренка, Ю.М. Работнова, О.Р. Ржаніціна, А.П. Філіна, Е. Хог, Ю.М. Шевченка, Ф.Р. Шенлі, К. Чой дозволили перейти до проектування і будівництва ефективних систем обговорюваного типу. Проте, нові конструктивні рішення у сукупності з новими матеріалами, принципами спирання та навантаження вимагають підвищення рівня адекватності розрахункових моделей.

Перелічене зумовило розробку симбіозних моделей, інтегруючих в собі теоретичний і експериментальний підходи. Незважаючи на значну ефективність такої ідеології, відмічено відсутність необхідної кількості прикладних результатів. У зв'язку з чим, проведений аналіз дав можливість формулювання основних завдань цього дослідження.

У другому розділі запропоновано новий метод натурного випробування на вертикальні навантаження плит і пологих оболонок покриттів і перекриттів гідростатичною дією, який реалізує наступні режими: активне навантаження, розвантаження, малоцікловое і довготривале навантаження. При цьому, навантаження в плані випробуваного елемента може мати практично довільній розподіл. Розроблений експериментально-теоретичний метод придатний для встановлення деформованого стану системи, оцінки особливостей поведінки матеріалу (пружне деформування, пластичне деформування, утворення тріщин та ін.), визначення характеру руйнування конструкції і навантажень, йому відповідних. Невід'ємною складовою методу є розроблена теоретична модель у вигляді сформульованої крайової задачі, апроксимуючий розподіл компонентів напружено-деформованого стану у фізично та геометрично нелінійних тонких пологих оболонках довільній гауссової кривизни при навантаженні, що стежить.

Відомо, що створення навантаження власною вагою різноманітних матеріалів, наприклад, штучних вантажів, викликає дискретний закон зміни її рівня, і як наслідок, спотворює дійсну картину деформування. У деяких випадках неможливо підібрати режим навантажування з урахуванням вимог ДБН 2.6-7-95, і це стає перешкодою для визначення характерних станів системи. Даний недолік може бути усунуто, при гідростатичному навантаженні, коли в якості впливу використовується власна вага води. Навантаження, яке плавно змінюється, легко здійснити за рахунок вибору відповідної швидкості подачі води в резервуар. Тоді можливо з будь-якою, наперед заданої точністю, визначити початок процесу тріщиноутворення або рівень інших аномалій, що розвиваються в конструкції і (або) матеріалі. Такий метод випробувань відрізняться універсальністю, він може бути придатним для проведення досліджень тонкостінних конструкцій в різних умовах: лабораторних, натурних і будівельних. Метод придатний також для використання на об'єктах, що будуються без зупинки і затримки виробництва.

Суть його зводиться до наступного. По периметру навантаженої області конструкції, що досліджується, з використанням системи щитів і гідрофобної плівки, створюється резервуар (можливо, що містить ізольовані комірки). До нього приєднуються підвідний (забезпечений запірним клапаном, що підтримує заданий рівень води) і відвідний патрубки, через які здійснюється регулювання висоти стовпа води, власна вага якої реалізує гідростатичне навантаження. У результаті деформування об'єкта рівень води змінюється, що призводить до зміни величини і, можливо, характеру навантаження. Дана обставина є наслідком її фізичної природи. При цьому виникає необхідність оперативної оцінки відповідності відтворюваного навантаження рівномірно розподіленому по області. Тому, основним завданням пропонованого методу є визначення на кожному етапі навантаження та в заданий момент часу величини рівномірно розподіленого навантаження, відповідного створеному («еталонне рішення»). Завдання вирішується на основі експлуатації експериментально-теоретичного підходу, що передбачає автоматичне коректування членів рівнянь, що відповідають навантаженню, системи. Така процедура проводиться відповідно до даних експериментально зафіксованих (на кожному ступені навантаження) прогинів. Розглянемо докладніше архітектуру обговорюваного експериментально-теоретичного методу. Як випливає з викладеного вище величина навантаження регулюється висотою стовпа води. Такий підхід реалізує розподілене по площі навантаження, яке імітує діюче на конструкцію (ДБН В.1.2-2).

Процедура проведення експерименту заснована на розробленій новій установці для натурного випробування конструкцій на дію вертикальних короткочасних і довготривалих навантажень. Установка містить досліджувану конструкцію 1, закріплену на опорах 2, які можуть бути частиною конструкції, щити 3, що створюють резервуар, розташовані по контуру навантаженої області, патрубки, які підводять 4 і відводять 5 воду, водонепроникну плівку 6. Всередині резервуару, при необхідності, розташовуються водонепроникні рухливі щити 7, що розділяють його на ізольовані комірки, заповнені водою 8. Використання плівки для гідроізоляції обумовлено тим, що вона має ряд переваг перед іншими матеріалами. Зокрема, це відносно невисока її вартість, а також вартість робіт по укладанню, довговічність, можливість зварювання полімерних елементів, надійність, висока оборотність, простота здійснення їй різноманітних форм для ізоляції комірок. Такими властивостями володіють багато органічних матеріалів, зокрема: поліетилен, поліпропілен, тіплен. До досліджуваного об'єкта підводяться датчики (прогібомери і тензорезистори), що дозволяють оцінити напружено-деформований стан. Датчики підключені до вимірювальної системи СВІТ-2, перетворюючої їх результати в цифровий вигляд. Одночасно система може обслуговувати до тисячі датчиків. Вона пов'язана з персональною ЕОМ, озброєної спеціальним прикладним програмним забезпеченням. До його складу входять: адаптований і допрацьований комплекс "ПОРТ" (розробка Харківського національного аерокосмічного університету) та програмний комплекс "ЛІРА", що містить процедури вирішення нелінійної задачі деформування пологих оболонок під дією слідкуючого навантаження.

Структурна схема автоматизованої системи наукових досліджень передбачає керуючі зв'язки від вузла, що задає режим навантаження, до системи управління подачі та відведення води. Сигнали від датчиків лінійних переміщень надходять на вхід блоків дистанційного релейного перемикання (БДРП), роботою яких керує блок розподілу (БР). Функціонуюча прикладна програма забезпечує повторення процесів вимірювання, що дозволяє опитати задану групу датчиків та отримати в пам'яті ЕОМ відповідний масив даних. Таким чином, пропонована вимірювальна система не тільки надає користувачеві високий сервіс при зборі та обробці необхідної інформації, але і є основною ланкою керуючої автоматизованої системи випробувань будівельних конструкцій при здійсненні зворотного зв'язку. Її експлуатація обумовлює новий якісний рівень досліджень та породжує ефективні підходи при вивченні об'єкта. Крім того, при проведенні тривалих випробувань необхідно враховувати випаровування води, що компенсується її додаткової подачею в резервуар. Рівень випаровування, залежить від температури і вологості повітря, контрольованих цифровими термометрами і психрометром відповідно. Вони в рамках організації автоматизованої системи збору та обробки інформації замикаються з блоком, що реєструє, який підключено до комп'ютера.

Зняті і оброблені експериментальні дані є частиною вхідної інформації у програмний комплекс «ЛІРА», що фундована методом скінчених елементів, представленим у формі методу переміщень. Після завершення циклу опитування датчиків в режимі «on-line» визначаються величини прогинів, на підставі яких уточнюється величина навантаження в теоретичної моделі. Далі така процедура повторюється до тих пір, поки приріст прогинів в циклі, і як наслідок навантаження, не будуть менше встановленого значення. Потім розглядається наступний щабель навантаження або крок за часом. Застосування подібної схеми передбачає кінцеве число циклів. Проте, в деяких випадках, цей процес прямує до нескінченності. Таку поведінку досліджуваного об'єкта можна пояснити втратою стійкості, викликаної характером навантаження, що стежить. Це явище в тонкостінних конструкціях можна спостерігати при зростанні навантажень і зменшенні жорсткості конструкції. При цьому, необхідно враховувати той факт, що зростання переміщень з часом триває, і збіжність процесу на початковому етапі не гарантує збіжності в подальшому. У зв'язку з чим, при розробці теоретичної моделі проведено аналіз, і на його основі складено алгоритми встановлення факту можливої втрати стійкості, що настає в силу специфіки навантаження. Після визначення величини еквівалентного рівномірно розподіленого навантаження, відповідно заміряним переміщенням і деформаціями, проводиться наступний етап навантаження. У кінці кожного етапу навантаження формується функція переміщень конструкції, представлена в спеціальному вигляді (поверхня відгуку). Згадане спеціальне подання поверхні відгуку обумовлює побудову детерміновано-стохастичної моделі досліджуваного процесу, включаючи процедури планування атрибутів поточної ступені навантаження. Введемо ряд робочих гіпотез і припущень.

Зведення тримірної задачі до двовимірної ґрунтується на гіпотезах Кірхгофа-Лява-Клебша. У роботі використовується підхід Лява-Тимошенко, згідно з яким рівняння рівноваги відносяться до осей з деформованим елементом, при цьому враховуються квадрати поворотів елементів (геометрична нелінійність). Фізична нелінійність деформування матеріалу оболонки враховується шляхом прийняття для його опису моделі О.О. Іл'юшина-І.А. Біргера, адаптованої до залізобетонних конструкцій В.М. Бондаренко і М.І. Карпенко. Для опису реологічних особливостей деформування приймаються основні гіпотези теорії старіння у формі Ю.М. Работнова-П.І. Васильєва. Конкретизація рівнянь стану в рамках гіпотез, закладених в теорії старіння, дозволяє виділити вплив часу в явному вигляді, і оцінити зв'язок з умовами навколишнього середовища. Інтегруючи перераховане і враховуючи особливості та характер деформування об'єкта, поверхня відгуку представляється у вигляді:

, (1)

де - функція розподілу прогинів в пологої оболонці від заданої навантаження ( - координати триортогональної системи); - функція «посилення», яка враховує характер навантаження що стежить ( - вектор фізико-геометричних параметрів); - функція часу (t - час); - функція умов навколишнього середовища (T - температура, Ф - відносна вологість повітря); - функція, що враховує збурювання води (л [м] - довжина хвилі, h_л [м] - її висота).

Таким чином, після кожного ступеня навантаження формується залежність (1) і встановлюється величина рівномірно розподіленого навантаження їй відповідна. Крім того, величина (1) надає можливість проведення повного аналізу деформування системи.

У третьому розділі проведено аналіз і отримано співвідношення, що конкретизують вид функцій, що входять у вираз (1). У зв'язку з чим, спочатку розглядається зв'язок між прогинами пологих оболонок та діючими на них навантаженнями. Складаючи послідовно рівняння рівноваги і спільності деформацій для оболонок, виконаних з неоднорідного матеріалу, враховуючи геометричну нелінійність задачі і характер навантаження, що стежить, отримаємо наступну систему:

 (2)

;

;

;

;

;

;

;

;

випробування плита навантаження гідростатичний

, - бігармонійний і гармонійний оператори; - функція напружень; - питома вага води; - задане навантаження f - постійна, що зв'язує модулі деформацій 1-го і 2-го роду матеріалу оболонки; - кривизни оболонки; h - товщина оболонки; - двовимірний поліном другого порядку, що апроксимує розподіл модуля деформацій 1-го роду матеріалу по поверхні оболонки (-постійні, які уточнюється на кожному кроці ітераційного процесу методом найменших квадратів; H - відстань від рівня дзеркала води до поверхні оболонки; Z - апліката. Рішення системи рівнянь (2), що отримано В.С. Шмуклером методом Бубнова-Гальоркіна для випадку (навантаження, що не стежить), дозволяє отримати залежність між безрозмірними параметрами навантаження і прогину. Її можливі види для оболонок великого прогину наведено на рис. 8. Зокрема, крива 1 відповідає пологим оболонкам позитивної гауссової кривизни, крива 2 - конструкціям, які є граничними між оболонками і пластинами; крива 3 - вспорушенним панелям, а крива 4 - оболонкам негативній гауссової кривизни. Для слідкуючого завантаження рішення задачі (2) побудовано нами з використанням компілятора, що складається з методу послідовних наближень (МПН) та методу скінченних елементів (МСЕ) (рис. 9, тут j - номер ітерації). Аналіз отриманих результатів дозволив простежити трансформації залежності «навантаження-прогин», що виникають у силу особливостей характеру цього навантаження.

Специфіка розглянутого завантаження проявляється також у можливості раптового зростання переміщень. Дана обставина можна врахувати наближено, шляхом введення в розрахунок функцію «посилення». Без звуження спільності міркування, з метою спрощення, розглянемо процедуру її формування для плоскої пластини, деформування якій описується рівнянням Софі Жермен. Нехай пластина, з розміром вздовж осі б рівним а, вздовж осі в - b, шарнірно оперта по краях і навантажена довільнім навантаженням q (x, y). Аналіз проводимо методом порівняння основних атрибутів для рівномірно розподіленого навантаження і слідкуючого: .

Рішення шукається методом Нав'є, із зведенням результатів у табл. 1 (тут D - циліндрична жорсткість пластини, н - коефіцієнт Пуассона її матеріалу).

Табл. 1

Оператор задачи
Прогин
Максімаль-ний прогин

Використовуючи дані табл. 1 можна записати:

. (3)

Отриманий аналітичний вираз для функції «посилення» дозволяє визначити область сталого деформування конструктіву в просторі досліджуваних параметрів. Аналізуючи (3), можна відзначити, що при певних поєднаннях цих параметрів . Це явище характеризує втрату стійкості системи, що виражається в нескінченному зростанні прогинів при будь-якому обуренні. Параметри, що відповідають їй будуть визначаться як критичні. Вони мають місце при n=m=1, що, як наслідок, призводить до рівняння , яке можна перетворити до зручного виду для визначення критичної товщини пластини:

. (4)

Крім того, вираз (3) дозволяє встановити фактори, що впливають на функцію «посилення». Це - товщина пластини, рівень навантаження, величина прольоту; співвідношення сторін пластини. Їх аналіз допускає зручне представлення для :

. (5)

де k₁ - базовий коефіцієнт, який залежить від умов обпирання (для шарнірноопертої пластини k₁=1,022, жесткозащемленної відповідає k₁=1,011, пластині опертої по чотирьох кутах - k₁=1,014); k₂ - коефіцієнт, що враховує рівень навантаження, - відношення заданого навантаження до питомій вазі матеріалу пластини); k₃ - коефіцієнт, який враховує співвідношення величини прольоту l=max(a, b) і її товщини h; k₄ - коефіцієнт, що враховує співвідношення сторін пластини.

Для пологих оболонок функція визначена чисельно. Для чого розглянуто деформування квадратних в плані оболонок (a=b=l) з різною геометрією. У розрахунках варіювалися товщина h (10-30 см) і рівень навантаження в нижній точці q₀=(0.5-2)·q_к (q_к - власна вага конструкції). Зокрема для циліндричної оболонки

,

де - незмінювана частина навантаження, - тиск води, зміна якого обумовлена формою поверхні, а саме ). У даному випадку розкид ординат функції «посилення» знаходяться в діапазоні =1.433-1.848. Для оболонки еліптичного типу

)

).

Для оболонки параболічного типу:

) ).

Вплив тривалості навантаження для випадку простий повзучості враховується, як зазначалося вище, за допомогою теорії старіння. На основі вивчення експериментальних матеріалів, розраховані криві - ізохрони для бетонів різних класів, де кожна відповідає певному моменту часу t. При t=0 діаграми-ізохрони представляють собою звичайні діаграми короткочасного деформування, побудовані на основі співвідношень, запропонованих В.Я. Бачинським та О.М. Бамбурой.

Для довільної точки тіла, в умовах повзучості, встановлюються рівняння стану, які відображають реакцію системи на вплив навантаження і навколишнього середовища:

, (6)

де t - момент часу, в який визначається деформація; ф - момент прикладення навантаження; - міра повзучості:

, (7)

де - параметр, що характеризує умовну вагу бетону ( - частина конструкції (у %), яка контактує з повітрям); - функція, що характеризує процес старіння бетону; - постійні, що визначаються експериментальним шляхом; - коефіцієнт, що дозволяє в явному вигляді виділити час в рівняннях стану, і який для бетонів різних класів дорівнює: В10 - 2.423, В15 - 2.346, В20 - 2.323, В25 - 2.306, В30 - 2.302, В35 - 2.299, В40 - 2.297, В45 - 2.296, В50 - 2.295. запропоновані тут функції побудовані з умови мінімізації кількості апроксимуючих констант, які визначаються із базових стандартних експериментів. Проведений аналіз отриманих залежностей дозволив встановити факт відповідності їх основних фундаментальних законів механіки деформівного твердого тіла. У результаті, функція , що враховує тривалість навантаження буде мати вигляд:

. (8)

На підставі отриманих співвідношень можна також визначити - коефіцієнт, що враховує тривалість проведення експерименту. Графіки є результатами численних досліджень деформування тонкостінних конструкцій проведених з використанням методу скінченних елементів. Вони побудовані на основі розрахованих в роботі ізохрон для бетонів різних класів.

Порядок обліку впливу умов навколишнього середовища на деформування об'єкта реалізовано таким чином. Як зазначалося раніше, при тривалому навантаженні, відбувається процес випаровування води, якій можна описати, використовуючи рівняння фазового переходу Клайперона-Клавіуса:

,

де [м²] - обсяг випаруваної води за час випробувань (t-ф), c=2.3·10^-3 м·доб^-1 - стала, S [м²] - площа вільної поверхні, =2.33·10^-3 МПа - тиск насиченого пару, [МПа] - зовнішній барометричний (атмосферний) тиск, - тиск пару над поверхнею. З урахуванням цього функцію умов навколишнього середовища можна представити:

. (9)

У свою чергу, функцію, що описує вплив збурювання води на деформування об'єкта отримано з урахуванням того, що власні частоти розглянутих пластин і пологих оболонок істотно вище частоти коливань води в резервуарі. Без урахування резонансних явищ, використовуючи рівняння хвилі, що біжить, отримане Я.Г. Пановко, цю функцію можна оцінити наступним чином:

. (10)

Де [м/с] - швидкість розповсюдження хвилі; с [Н/(с²·м³)] - питома маса матеріалу оболонки.

Четвертий розділ містить матеріали верифікації запропонованого методу, що включають експериментальне тестування. Зразок для випробувань був прийнято у вигляді залізобетонної плити перекриття розміром 6х6 м, товщиною 20 см, опертої на чотири кутові колони з перерізом 40х40 см. Матеріал плити - бетон класу В25, нижня і верхня арматура - сітка діаметром 12 А 400 С, з комірками 150х150 мм. Інтегральне розподілене навантаження склало q=10 кН/м², і задавалося шляхом заповнення резервуара водою ступенями по 10 см. Величини максимальних прогинів, заміряних в плиті при триразовому циклі «завантаження-розвантаження». Різниця між чисельними й експериментальними даними (на рисунку - трикутники) не перевищують 7%.

Зіставлення теоретичних та експериментальних величин прогинів в перші тижні дослідження показало, що похибка становить від 5% до 12%. Після двох місяців досліджень ця похибка спадає змінюючись від 3% до 8%. При цьому, функція «посилення», отримана з використанням (5), в ході проведення випробувань коректувалася в інтервалі 2.3-5.1%.

Важливим моментом є той факт, що експериментально зафіксовані прогини є оцінкою «знизу» для теоретичних. Це свідчить про високу точність сформованої моделі.

Аналіз отриманих результатів дозволяє судити про ефективність розробленого методу в цілому.

У п'ятому розділі наведено матеріали впровадження отриманих результатів досліджень, а також проаналізовано особливості запропонованого методу. Впровадження результатів роботи здійснювалося в ЗАТ «Проектний і науково-дослідний інститут «Харківський ПромбудНДІпроект»» і в науково-проектної будівельної фірмі «Дедал». Крім того, метод прийнято до експлуатації в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті. Принципи, покладені в основу запропонованого методу, були реалізовані в ході натурних випробувань покриття розміром 24.0х24.0 м, проведених на одному з промислових підприємств м. Києва.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Основна мета дисертації досягнута шляхом створення методу експериментальних випробувань, як руйнуючих так і неруйнуючих, натурних зразків будівельних конструкцій, що знаходяться під дією навантаження різного виду, характеру та тривалості. Показано, що запропонований малобюджетний метод натурних випробувань плит і оболонок дозволяє проводити дослідження будівельних конструкцій в лабораторних, натурних і будівельних умовах.

2. Метод дозволяє реалізовувати різні режими і види короткочасних і довготривалих статичних і малоциклових завантажень. Він включає, як невід'ємну частину, адаптоване і доопрацьоване технічне та програмне забезпечення, що становлять основу створеної автоматизованої підсистеми наукових досліджень.

3. В основі методу лежить побудована теоретична модель, яка містить детерміновані і стохастичні параметри. Отримана, в рамках її, експериментально-теоретичних шляхом, інформація відображається, в кінцевому підсумку, у функції прогинів (поверхня відгуку), що враховує специфіку навантаження, особливості деформування та вплив зовнішніх умов.

4. Проведено дослідження впливу слідкуючого характеру навантаження на напружено-деформований стан елементів конструкцій. Теоретично обґрунтована функція «посилення», яка враховує специфіку навантаження, і знаходиться в інтервалі 1.0-1.1 для пластин та 1.0-1.9 для пологих оболонок. Перелічене забезпечує можливість здійснення, планування, проведення та обробки результатів експериментальних досліджень конструкцій навантаженням, що стежить.

5. Вивчено трансформація напружено-деформованого стану розглянутих конструкційних систем і встановлені параметри, що відповідають граничним переходам при їх опорі.

6. Проведено верифікацію розробленого методу. Її процедура містить зіставлення отриманих чисельних рішень і експериментальних даних. Представлена інформація свідчить про достатню точність результатів, одержуваних за допомогою запропонованої в роботі моделі. Зокрема, встановлено, що відмінність чисельних значень прогинів від експериментальних становить менш ніж 12%. При цьому, функція «посилення» в ході проведення випробувань коректувалася в інтервалі 2.3-5.1%.

7. Проаналізовано особливості пропонованого методу, обґрунтована його економічна ефективність і практична доцільність. Метод дозволяє істотно (до 50%) скоротити витрати на проведення натурних випробувань тонкостінних конструкцій

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Численная реализация метода конечных элементов в задачах статики и динамики стержневых конструкций: тезисы докладов XXXIII научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ. Часть 2, 17-19 мая 2006 р. / Хар. нац. акад. гор. хоз. - Х.: ХНАГХ, 2006. - 198 с.

2. Чупрынин А.А. Численное моделирование деформирования неоднородных тонкостенных конструкций / А.А. Чупрынин, Р. Аббаси. // Коммунальное хозяйство городов. - 2007. - №76. - С. 63-67.

3. Чупрынин А.А. Деформирование тонкостенных цилиндрических панелей / А.А. Чупрынин, Р. Аббаси, Г.А. Степанова // Коммунальное хозяйство городов. - 2007. - №79. -С. 183-190.

4. Деформирование неоднородных стержневых конструкций: тезисы докладов XXXIV научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ. Часть 2, 12-14 мая 2008 г. / Хар. нац. акад. гор. хоз. -Х.: ХНАГХ, 2008. - 210 с.

5. Расчет тонкостенных цилиндрических панелей: тезисы докладов XXXIV научно-технической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ. Часть 2, 12-14 мая 2008 г. / Хар. нац. акад. гор. хоз. -Х.: ХНАГХ, 2008. - 210 с.

6. Чупрынин А.А. Численное моделирование деформирования неоднородных стержневых конструкций / А.А. Чупрынин, Р. Аббаси // Коммунальное хозяйство городов. - 2008. - №81 - С. 45-49.

7. Аббаси Р. Исследование жесткости железобетонных безбалочных перекрытий / Р. Аббаси // Коммунальное хозяйство городов. - 2009. - №86. -С. 56-63.

8. Пат. №44125 Україна, МПК G 01 M 19/00, G 01 N 3/00, G 01 M 5/00. Пристрій для натурних випробувань плит і оболонок / В.С. Шмуклер, А.А. Чупринін, Р. Аббасі. - № u200901598; заявл. 24.02.09; опубл. 25.09.09, Бюл. №12.

9. Шпачук В.П. Исследование железобетонных элементов конструкций безбалочных перекрытий / В.П. Шпачук, Н.А. Засядько, А.А. Чупрынин, Р. Аббаси. // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій. - 2009. - №8. - С. 570-575.

10. Шмуклер В.С. Экспериментальные исследования железобетонных плит перекрытий / Шмуклер В.С., Чупрынин А.А., Аббаси Р. // Науковий вісник будівництва. - 2009. - №55. - С. 117-124.

11. Шмуклер В.С. Метод натурных испытаний плит и оболочек / Шмуклер В.С., Чупрынин А.А., Аббаси Р. // Коммунальное хозяйство городов. - 2009. - №90. - С 450-474.

АНОТАЦІЇ

Аббасі Р.Х. Метод натурних випробувань плит і оболонок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Харківська національна академія міського господарства, Харків, 2010.

Дисертаційна робота присвячена розробці малобюджетного методу випробувань тонкостінних конструкцій на дію короткочасних, тривалих і малоціклових навантажень, за умови можливості їх проведення в лабораторних, натурних і будівельних умовах. Метод передбачає врахування особливостей деформування розглянутих систем при дії гідростатичного навантаження. Невід'ємною частиною методу є адаптоване і доопрацьоване технічне та програмне забезпечення, що входять до складу підсистеми наукових досліджень. Основу методу складає розроблена експериментально-теоретична модель процесу деформування, що враховує характер навантаження, що стежить, реологічні особливості матеріалів та умови навколишнього середовища. Виконано впровадження результатів роботи в практику наукових досліджень будівельних конструкцій.

Ключові слова: залізобетонні конструкції, системи виміру та навантаження, натурні випробування, перекриття і покриття, експериментальні дослідження.

Аббаси Р.Х. Метод натурных испытаний плит и оболочек. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Харьковская национальная академия городского хозяйства, Харьков, 2010.

Диссертационная работа посвящена разработке метода испытаний тонкостенных строительных конструкций на действие кратковременных, длительных и малоцикловых нагрузок, при условии возможности их проведения в лабораторных, натурных и построечных условиях. Отмечено, что численное исследование свойств железобетонных конструкций не всегда позволяет реально оценить их работу, что в совокупности с невысокой репрезентативностью применяемых теоретических моделей, обуславливает необходимость проведения натурных испытаний, которые представляют собой весьма дорогостоящий и трудоемкий процесс. В связи с чем, предложен и обоснован новый метод натурных испытаний на вертикальные нагрузки плит и оболочек покрытий и перекрытий, реализующий активное нагружение, разгрузку, стационарное, малоцикловое и длительное нагружения. Метод предусматривает учет особенностей деформирования конструкций при действии гидростатического нагружения. Показана особенность, привносимая этим видом воздействия. Неотъемлемой частью метода является программно-аппаратный комплекс автоматизированной системы научных исследований, адаптация и доработка которого выполнена в рамках диссертации.

В работе предложена экспериментально-теоретическая модель деформирования пластин и пологих оболочек. На ее базе проведено исследование следящего характера нагружения на напряженно-деформированное состояние тонкостенных элементов конструкций. Также введена и теоретически обоснована функция «усиления», которая учитывает следящий характер нагружения, реологические особенности материалов, условия окружающей среды и искажение зеркала воды в силу волнообразования. Показаны пути обеспечения расчетного уровня нагружения. Проведена верификация метода путем его экспериментального тестирования. Эксперименты выполнены для случая поперечного изгиба прямоугольных железобетонных плит. Сопоставленные данные свидетельствует о достаточной точности результатов, получаемых с помощью предложенного в работе метода. Результаты диссертационной работы внедрены в ряде научно-исследовательских и учебных организаций при проведении экспериментальных испытаний плит и оболочек.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, системы измерения и нагружения, натурные испытания, перекрытия и покрытия, экспериментальные исследования.

Abbasi R.H. The method of field tests of slabs and shells. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of post graduate engineering science specialty 05.23.01 - building design, building and construction, at Kharkiv National Academy of Civil Engineering, Kharkiv, Ukraine 2010.

The dissertation is devoted to developing low-budget test method of thin-walled structures on short-term action, long and low-cycle loads, subject to the possibility of their holding in the laboratory, full-scale, and its building conditions. The method includes the incorporation of deformation features of the systems under the influence of hydrostatic loading. An integral part of the method is adapted and revised hardware and software that make up the subsystem research. The method is based developed experimental-theoretical model of the deformation process, taking into account the tracking nature of loading, the theological characteristics of materials and environmental conditions. Completed implementation of the work in the practice of scientific research building structures.

Keywords: concrete structures, measurement systems and loading, full-scale tests, floors and coatings, experimental research.

Размещено на Allbest.ru

...