Методи оцінки тріщиностійкості та довговічності залізобетонних елементів конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла

УДК. 539.3.620.0.12

Методи оцінки тріщиностійкості та довговічності залізобетонних елементів конструкцій

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Лучко Йосип Йосипович

Львів 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України.

Захист відбудеться “1” березня 2000 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.226.02 Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5 .

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5 .

Автореферат розісланий “28” грудня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор Г.М. Никифорчин

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасні будівельні конструкційні матеріали й конструкції схильні, як відомо, до крихкого руйнування, тобто до руйнування шляхом поширення дефектів типу тріщин. Процес руйнування в таких матеріалах не проходить миттєво. Від моменту утворення тріщини і до початку її критичного росту минає певний час. Як свідчить практика експлуатації будинків і промислових споруд, нерідко регламентовані умови роботи споруди порушуються через осідання ґрунтів та дію інших природно-кліматичних чинників. Під їх впливом можуть мінятися робоча схема споруди, виникати додаткові навантаження, що супроводжується збільшенням концентрації напружень в елементах і появою та ростом тріщин. Для запобігання аварійного стану конструкції в таких випадках потрібна надійна методика оцінки придатності конструкції до подальшої експлуатації. Відомі на даний час методики не задовольняють потреб інженерної практики. Отже, підвищення економічності і надійності сучасного промислового та цивільного будівництва, з одного боку, призводить до необхідності його експлуатації в умовах, наближених до граничних, а з іншого - вимагає достатньо вивірених методик оцінки деформативності і тріщиностійкості досліджуваної конструкції з метою своєчасного виявлення критичних ситуацій та запобігання руйнуванню. Тому важливою й актуальною науково-технічною проблемою стає розробка надійних методів визначення напружено-деформованого стану (НДС) залізобетонних балкових (ЗБ) елементів конструкцій, а також їх міцності та довговічності зокрема з позицій тріщиностійкості матеріалів.

Значний вклад у розвиток теорії розрахунку та діагностики бетонних і ЗБ конструкцій внесли наукові колективи, які очолюють в Україні доктори наук, професори Андрейків О.Є., Барашиков А.Я., Баженов Ю.М., Бабич Є.М., Бастун В.М., Вахненко П.Ф., Вознесенський В.А., Гнідець Б.Г., Голишев О.Б., Камінський А.О., Клименко Ф.Є., Клімов Ю.А., Ковчик С.Є., Коляков М.Н., Осадчук В.А., Орловський Ю.І., Панасюк В.В., Пічугін С.Ф., Русинко К.М., Савицький М.В., Саницький М.А., Стадник М.М., Шагін О.Л., Чернявський Л.В., Фомиця Л.М., Яременко О.Ф. та інші, в Російській Федерації: Байков В.М., Бондаренко В.М., Васильєв П.І., Гузеєв Є.О., Залєсов А.С., Зайцев Ю.В., Карпенко М.І., Михайлов К.В., Пересипкін Є.М., Пірадов К.А. та інші; в інших країнах: Bazant Z.P., Elices M., Glucklich I., Corley W.G., Helvorsen G.T., Hillerborg A., Ingraffea A., Kudzys A., Kvedaras A., Mindess S., Moritz K., Neville A.M., Peterson P.E., Priganс С., Prokopski G., Russel H., Virlogeux M., Wittmann F.H., Jawor T., Wemer F. та інші.

Проте, незважаючи на досить велику кількість наукових шкіл, які займаються дослідженням бетонних та ЗБ конструкцій, надійних методів оцінки міцності, тріщиностійкості та довговічності таких конструкцій з урахуванням тріщиностійкості неоднорідних матеріалів, що є характерним для бетонних і ЗБ конструкцій, практично ще не розв'язано.

Реферована робота присвячена вирішенню науково-технічної проблеми, суть якої полягає у розробці методів оцінки тріщиностійкості та довговічності ЗБ елементів конструкцій.

Враховуючи наведене, а також на підставі аналізу літературних даних сформульовано мету та основні завдання дисертаційної роботи.

Мета роботи полягає в тому, щоб розробити й обгрунтувати методи оцінки тріщиностійкості та довговічності залізобетонних елементів конструкцій при статичних навантаженнях згином з урахуванням умов зчеплення арматури з бетоном.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі основні комплексні науково-технічні завдання:

- встановити критерії розвитку тріщин у розтягнутій зоні залізобетонних елементів і розробити методи визначення тріщиностійкості та деформативності залізобетонних балкових елементів при короткочасному й довготривалому статичному навантаженні;

- розробити методику розрахунку параметрів тріщиностійкості для балкового залізобетонного елемента з тріщиною при короткочасному згині, враховуючи умови зчеплення стержневої арматури з бетоном;

- опрацювати методику визначення параметрів тріщиноутворення внаслідок повзучості й усадки бетону при довготривалому навантаженні залізобетонних елементів;

- розробити методику визначення дотичних напружень зчеплення між арматурою і бетоном та модель процесу взаємодії стержневої арматури періодичного профілю (листової) і бетону в залізобетонних і сталебетонних лінійних елементах конструкцій;

- розрахувати розкриття тріщин (РТ) та ріст їх довжин при довготривалому навантаженні балкового елемента;

- оптимізувати методику випробувань бетонних зразків з надрізами для визначення характеристик тріщиностійкості, в тому числі й корозійної стійкості арматури і бетону, базальтобетону, базальтошлакобетону;

- розробити з позицій теорії поширення тріщин методи розрахунку ресурсу залізобетонних балкових елементів (з тріщинами та без них) відповідно до вимог будівельних нормативних документів (БНіП 2.03.01-84);

- здійснити апробацію запропонованих методів визначення міцності, тріщиностійкості, деформативності та ресурсу конструкцій шляхом порівняння результатів розрахунків з позицій механіки руйнування та експериментальних даних;

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Роботу виконували в рамках координаційного плану науково-дослідних робіт з проблеми “Будівельна механіка” (1.10.3) у 1986-1990 рр. загальносоюзної науково-технічної проблеми 0.55.01.035 “Розробка та впровадження ефективних конструкцій із фібробетону”; українських програм - "Розробка методів забезпечення довготривалої міцності, корозійної стійкості пресованих з'єднань арматурних стержнів у залізобетонних конструкціях" - ПС.008.93; Розробка ДСТ “Бетони. Методи визначення характеристик тріщиностійкості при статичних навантаженнях" - ІІІ-93-94; "Розробка методів підвищення надійності та корозійної стійкості залізобетонних конструкцій та технології їх ремонту” - ДКНТ 5.52.01/018-92; "Розробка методів для оцінки тріщиностійкості і довговічності конструкційних матеріалів при циклічному і динамічному навантаженнях" - РБ-12/170.

Наукова новизна. 1. На підставі основних положень сучасної механіки руйнування матеріалів запропоновано критерії розвитку тріщин нормального відриву у залізобетонних балкових елементах конструкцій із стержневою та листовою арматурою, з урахуванням зчеплення арматури з бетоном та відшарування бетону від стержнів або арматурного листа.

2. Розроблено модель розвитку тріщин в залізобетонному елементі при довготривалому навантаженні. Відмінність її від традиційної полягає в тому, що в ній за основу взято робочий стан конструкції, а не граничний, розглянуто шляхи переходу його у граничний стан (за рахунок розвитку тріщин як основного носія процесу руйнування).

3. Визначено вплив структурних характеристик залізобетону на тріщиноутворення: при довготривалому згині армованих елементів, що з'єднані обтиснутими гільзами.

4. Розроблено нову методику розрахунку залізобетонних балкових елементів конструкцій відповідно до вимог будівельних нормативних документів, яка враховує характеристики тріщиностійкості бетону.

5. Опрацьовано нову методику контролю за розкриттям та ростом тріщини у залізобетонних балкових елементах при згині.

6. Розроблено нову методику визначення розподілу дотичних напружень зчеплення між арматурою і бетоном у залізобетонних балкових елементах при різних видах навантаження та модель процесу сумісної роботи листової арматури й бетону. Досліджено зчеплення між бетоном та арматурними стержнями, що з'єднані обтиснутими гільзами в залізобетонних балкових елементах, вивчено його впливи на міцність, жорсткість і прогин балок, на розкриття нормальних і похилих тріщин та момент утворення тріщин.

7. Розроблено феноменологічну модель корозійної деградації цементних конгломератів (типу бетону) з урахуванням структури та фізико-хімічної специфіки корозійного руйнування (вилуження, обмінні хімічні реакції, кристалізація солей). Отримано задовільне узгодження розрахунків з експериментальними даними і розроблено методику неруйнівного контролю глибини корозійних пошкоджень бетону в рідких агресивних середовищах.

8. В результаті експериментальних досліджень фізико-механічних властивостей та характеристик тріщиностійкості оптимізовано склади нового виду бетону, базальтобетону, базальтозолошлакобетону та встановлено, що введення грубого базальтового волокна у бетонну суміш суттєво підвищує тріщиностійкість бетону.

9. Запропоновано новий тип з'єднання арматурних стержнів за допомогою опресовування гільз. Проведено комплексні теоретичні та експериментальні дослідження міцності, тріщиностійкості і деформативності балкових (балок, натурних плит перекриття) залізобетонних елементів конструкцій, армованих такими стержнями, при короткочасному та довготривалому навантаженні.

10. Розроблено теоретичні засади та методику визначення НДС залізобетонних балкових елементів конструкцій з тріщинами при короткочасному статичному навантаженні в рамках -моделі. Це дало можливість визначити компоненти напружень у плиті та стінці в балках таврового перерізу, що спричинені дією дотичних напружень.

Достовірність теоретичних і експериментальних результатів, викладених у дисертації, підтверджена результатами експериментальних досліджень на лабораторних зразках та натурних конструкціях, а також порівнянням їх у ряді випадків з літературними даними.

В експериментальних дослідженнях використано методи механічних досліджень матеріалів і конструкцій відповідно до існуючих стандартів: акустичної емісії, металографії, тензометрії, оптичної мікроскопії й ультразвукової дефектографії та статистична обробка результатів досліджень.

Практична цінність. 1. Розроблено комплексний підхід до оцінки тріщиностійкості та довговічності бетонних і залізобетонних балкових конструкцій, який може бути використаний для оцінки міцності будівельних залізобетонних елементів конструкцій. Отримані в роботі залежності можна застосувати при розв'язанні конкретних завдань щодо міцності конструкцій із важких та легких бетонів, слабо і сильно армованих, звичайних і попередньо напружених, із зчепленням арматури з бетоном або без зчеплення.

2. Показано, що введення грубого базальтового волокна і просочення бетону антикорозійним розчином значно підвищують тріщиностійкість бетону.

3. Розроблена методика контролю за ростом тріщини у розтягнутій зоні та її розкриттям на поверхні залізобетонних балкових елементів, що має практичне значення для дистанційного контролю за розвитком тріщин у натурних конструкціях, зменшує трудомісткість лабораторних випробувань.

4. Отримано математичні залежності та співвідношення, які забезпечують можливість визначення ресурсу залізобетонних балкових елементів конструкцій на основі даних про режим навантаження на елемент, геометричні та міцністні характеристики бетону й арматури, тріщиностійкість бетону, умови зчеплення арматури з бетоном, повзучості та усадки бетону.

5. Визначені фізико-механічні характеристики арматурних стержнів, що з'єднані обтиснутими гільзами, та конструкції, армованої такими стержнями. Ці дані становлять основу для проектування конструкцій з таким армуванням та обгрунтовують доцільність їх впровадження у практику будівництва.

6. Розроблено методику неруйнівного контролю глибини корозійних пошкоджень бетону, що дозволяє в інженерній практиці проводити розрахунки надійності та корозійної стійкості бетону й залізобетону, підвищувати ці характеристики, а також застосувати відповідні технології ремонту будівельних конструкцій, прогнозувати ресурс їх подальшої експлуатації.

Результати роботи використані для:

- створення нормативно-технічної документації з визначення характеристик тріщиностійкості бетону при статичному навантаженні (Проект держстандарту України);

- випуску Державного стандарту 29167-91 "Бетоны. Методы определения трещиностойкости (вязкости) разрушения при статической нагрузке". М.:Госстандарт, 1991.-18с.

- розробки та освоєння випуску залізобетонних конструкцій із застосуванням базальтового волокна і шлаків (“Закарпатбуд”, "Львівоблагропромбуд");

- підготовки методик дослідження міцності панелей для стін та перекриття, включаючи розробку стендів для випробування балкових конструкцій (авторське свідоцтво) “Закарпатзалізобетон”;

- розробки нового типу з'єднань арматурних стержнів для залізобетонних балкових конструкцій (“Закарпатзалізобетон”, “Львівзалізобетон”).

Апробація роботи. Результати роботи доповідалися на 36 наукових конференціях, симпозіумах і семінарах, у тому числі на ІІ Всесоюзному науково-технічному семінарі “Некласичні проблеми механіки композиційних матеріалів і конструкцій з них” (Яремча, 1984); ІІ Всесоюзному симпозіумі з механіки руйнування “Тріщиностійкість матеріалів і елементів конструкцій” (Житомир, 1985); ІІ Всесоюзній конференції “Механіка руйнування матеріалів” (Львів, 1987); І, ІІ, ІІІ Міжнародних симпозіумах “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (Ужгород, 1988; Львів-Дубляни, 1996; Мукачеве, 1998); Всесоюзній науково-технічній конференції “Міцність та температурна тріщиностійкість споруд” (Нарва, 1988); Всесоюзній конференції “Прогнозування міцності і деформативності бетону і залізобетону методами механіки руйнування” (Севастополь, 1988); Республіканській науково-технічній конференції “Дослідження роботи і вдосконалення методів розрахунку залізобетонних конструкцій” (Львів, 1989); Республіканській науково-технічній конференції “Вдосконалення залізобетонних конструкцій, які працюють на складні види деформацій, і їх впровадження в будівельну практику” (Полтава, 1989); VIII Всесоюзній науково-практичній конференції “Корозія і захист будівельних конструкцій промислових будинків і споруд” (Донецьк, 1990); VI Всесоюзному симпозіумі “Міцність матеріалів та елементів конструкцій при складному напруженому стані” (Севастополь, 1992); І Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 1993); Міжнародному симпозіумі “Методи дискретних особливостей у задачах математичної фізики” (Харків, 1993); VIII Міжнародній конференції “Механіка руйнування, успіхи та проблеми - МКР-8” (Київ, 1994); Міжнародній конференції-виставці “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів - Корозія-94” (Львів, 1994); Міжнародній конференції, присвяченій 125-й річниці будівельного факультету ДУ “Львівська політехніка” (Львів, 1997); on the 6th International Expertcentrum Conference (Tatras, 1997); on the sixth International Scientific Conference (Kosice, 1997); ІІ Міжнародній конференції "Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій" (Львів, 1999).

Публікації. З проблем, дослідженних у дисертації, опубліковано 70 наукових праць, із яких 50 склали її основу, в тому числі 3 монографії, 7 одноособових та 25 спільних статей у наукових фахових збірниках та журналах, 1 авторське свідоцтво, 3 препринти, підготовлено й видано 5 нормативних і методичних документів.

Особистий внесок здобувача. У монографіях [2, 3] сформульовано основні задачі досліджень, проведено теоретичні роботи й аналіз отриманих результатів, розроблено методику досліджень при довготривалих навантаженнях. В роботах [4, 5, 8, 22, 23, 24, 31, 32, 37, 41, 46, 48, 50] розв'язав задачі, виконав аналітичні дослідження та здійснив реалізацію методик на бетонних та залізобетонних конструкціях. У працях [6, 9, 10, 19, 20, 21, 27, 28, 29, 30, 38, 43, 46] сформульовано задачі досліджень, розроблено інженерну методику розрахунку міцності, тріщиностійкості, деформативності та проведено (спільно) експериментальні дослідження залізобетонних конструкцій. Роботи [33, 34] - постановка й розв'язок задачі, аналіз результатів. Для праць [36, 45] розробив конструкцію стенда, виконав загальні креслення та аналіз руйнівних і неруйнівних методів випробовувань. Публікації [35, 39, 42, 47] - технологія, експерименти, аналіз результатів.

В роботах [7, 11, 25, 26] запропонував модель та розробив метод експериментальних досліджень, модернізував метод вимірювання довжини тріщини.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, одинадцяти розділів і висновків, списку літературних джерел і додатків, в яких представлені документи, що підтверджують результати досліджень. Загальний обсяг дисертації - 368 сторінок машинопису (основний зміст 285, 117 ілюстацій та 38 таблиць). У бібліографії зазначено 372 найменування літературних джерел.

2. Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету і завдання роботи, розглянуто шляхи вирішення поставленої проблеми, викладено суть результатів, з'ясовано їх наукову новизну і практичну цінність, а також вірогідність.

У першому розділі проаналізовано відомі теоретичні й експериментальні дослідження руйнувань конструкційних будівельних матеріалів: бетону, бетонних і залізобетонних конструкцій. Особливу увагу приділено існуючим моделям процесів руйнування, методам визначення тріщиностійкості бетонів, оцінки несучої здатності, тріщиностійкості і деформативності залізобетонних конструкцій з позиції механіки залізобетону та механіки його руйнування. Наведено основні схеми моделювання тріщин у бетоні та схеми випробування бетонних зразків з надрізами. На основі досліджень і аналізу літератуних джерел зроблено висновки, в яких показано переваги та недоліки різних методик та концепцій, обгрунтовано проблему досягнення єдиної методологічної оцінки тріщиностійкості залізобетонних конструкцій із застосуванням методів механіки руйнування до залізобетону. Матеріали цього розділу опубліковано в працях [1, 3, 12].

У другому розділі розроблені та вдосконалені існуючі методики визначення розрахункових параметрів моделей бетону і залізобетону [1, 8, 11, 15, 26, 33, 42, 47, 48, 49, 50]. Викладено розв'язання задачі для залізобетонного в'язкопружного матеріалу, яким є бетон, та залежності, які описують розподіл напружень поблизу вершини тріщини в бетоні. Опрацьовано методику визначення деформаційних характеристик тріщиностійкості бетону (рис. 1, формула 1) при згині. При триточковому згині бетонного зразка практично неможливо точно виміряти розкриття у вершині тріщини, але відносно просто виміряти розкриття тріщини на поверхні зразка V. Згідно із прийнятою схемою (рис. 1), для величини розкриття тріщини біля вершини отримуємо залежність

, (1)

де a - довжина тріщини, а r - коєфіцієнт повороту [1, 42].

Крім цієї методики були використані і відомі методики для визначення характеристик тріщиностійкості бетонів. Викладена методика для вивчення тріщиностійкості бетону за умов складного напруженого стану. При цьому встановлені значення КІС, КІІІС [48].

Маючи характеристики тріщиностійкості бетону, його гранично-рівноважний стан при складному навантаженні визначали за формулою

(2)

Користуючись формулою (1) визначили [47] також довжину зони передруйнування d=ap-a біля вершини тріщини, яка вважається постійною величиною для відповідної марки бетону. На рис. 2 наведені графіки тріщиностійкості для бетонів, армованих базальтовими волокнами. На підставі даних, наведених на рис. 2, можна зробити висновок: введення грубого базальтового волокна в бетонну суміш відчутно підвищує тріщиностійкість бетону, при цьому деформаційний параметр для марки бетону В15 зростає на 15%, для В20 - на 20%, а довжина зони передруйнування в околі вершини тріщини суттєво зменшується.

У третьому розділі проведено моделювання сумісної роботи бетону та арматури й вивчено вплив зчеплення у балкових елементах на їх міцність, тріщиностійкість та деформативність [1, 30, 31, 43]. Розроблено модель процесу взаємодії бетону та арматури в елементах сталебетонних конструкцій при статичних навантаженнях [20, 21] встановлені розрахункові формули для обчислення коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) поперечного зсуву на межі розділу бетон-арматура з порушенням щеплення (наявність дефекту типа тріщини).

Розроблено методику визначення розподілу дотичних напружень між арматурою і бетоном у залізобетонній балці при різних видах навантаження. Балка розглядається як два ізотропні лінійно пружні та однорідні тіла 1 і 2 (рис. 3а) з однаковим модулем пружності Е і коефіцієнтом Пуассона . Перше (нижнє) тіло має висоту h, друге (верхнє) -- висоту H-h. Між ними розміщена арматура, котра моделюється як пружна смуга. При цьому вважаємо, що на контакті першого тіла й арматури (а також другого тіла з арматурою) діють неперервні компоненти напружень y і xy і компоненти переміщень u і v відносно осей X і Y. Оскільки висота арматури набагато менша від розмірів Н і h, то ці умови записують при y=h, тобто наявність армуючого шару відображається тільки у граничних умовах для тіл 1 і 2.

Нижня кромка балки вільна від напружень, на верхню діє розподілене навантаження P(x). На торцях балки нормальні напруження (x) відсутні, а наявність опор обумовлюється наперед невідомими напруженнями xy.

На границі з'єднання першого і другого тіла з арматурою виконуються умови ідеального механічного контакту, де ,, ixy, ix, vi(i=1,2), , sxy, sx,vs -- компоненти напруження, деформації і переміщення в іншій частині балки і відповідно в арматурі.

Розглянуто [1, 31] згин балки рівномірно розподіленим навантаженням (випадок 1) і навантаженням, що викликає чистий згин (випадок 2). Матеріал балок -- бетон, арматурний шар - сталь. Параметри, які характеризують геометричні і механічні властивості, мають такі значення: Н = 400 мм; -- висота арматури - 10, 20, 30 мм, h/H = 0,1; H/l = 0,5; Es/Eb = 10; s = 0,25; b = 0,11; k = 25. Результати обчислень (рис. 4-6) свідчать про значний вплив на величину і характер розподілу дотичних напружень типу навантаження та коефіцієнта армування на межі розділу бетон-арматура.

Досліджено зчеплення бетону з арматурними стержнями, що з'єднані обтиснутими гільзами (рис. 7). Як основний критерій міцності зчеплення [1] з'єднаної арматури з бетоном використано умовне середнє напруження, що дорівнює відношенню руйнуючого навантаження до умовної площі циліндричної поверхні стержня [43] де -- зусилля в перерізі арматури; dm -- середній діаметр арматури; lan -- довжина зміщення і анкерування арматури; -- повнота епюри зчеплення по довжині анкерування.

Були проведені випробування на зчеплення 4-х груп зразків, які відрізняються місцем розташування обойми по довжині частини стержня, що знаходиться у бетоні (рис. 7).

Встановлено, що розкид середніх величин зчеплення (анкерування) в групах зразків сягає 5-6 %. Найбільше анкерування (зчеплення), як і слід було очікувати, зафіксовано у І групі зразків, де обойма перебуває на максимальній віддалі в бетоні від прикладання зовнішнього зусилля, а найменше (до мінус 2%) - зразків ІV групи, де обойма лежить з боку прикладання зовнішнього зусилля. Вивчено вплив зчеплення арматури з бетоном на несучу здатність, величину навантаження тріщиноутворення (розтріскування матеріалу), а також розвиток макротріщин в балках із зчепленням та без зчеплення. Експериментально встановлено, що після вжитих конструктивних заходів (змішане армування, наявність поперечних стержнів арматури в зоні дії значних згинальних моментів) припиняється зародження і розвиток повздовжніх тріщин відколу стиснутої зони [1].

Четвертий розділ містить результати теоретичних та експериментальних досліджень фізико-механічних властивостей арматурних стержнів, що з'єднані обтиснутими гільзами, та їх стиків при статичному навантаженні. Дослідження виконані на наступних балках перекриття армованих стержнями із сталі 20ГС діаметром 10, 12 і 14 мм класу АТIV-АТVІ. В результаті проведених досліджень встановлено залежності розвитку дефектів у з'єднаних стержнях, критеріальні співвідношення зародження дефектів, а також [1, 23], характер руйнування пресованих з'єднань в натурних залізобетонних конструкціях під дією заданих навантажень.

Досліджена ймовірніть утворення дефектів при пресуванні обойми з'єднань арматурних стержнів в залежності від профілю арматури та конфігурації обойми [1, 23]. З'ясовано (рис. 8), що ймовірність руйнування пресованого з'єднання арматурних стержнів при двовісному розтязі залежить від значень коефіцієнта Пуассона матеріалу обойми. Показано, що ймовірність руйнування з'єднання підвищується зі зменшенням коефіцієнта .

У п'ятому розділі розроблено інженерний підхід визначення НДС залізобетонних балок прямокутного і таврового перерізу при короткочасному статичному навантаженні в рамках -моделі Леонова-Панасюка [1, 6, 14, 34, 35, 44].

Таврову балку pозглядаємо як систему двох пружних пластин (рис. 9): однорідної горизонтальної полки 1 довжиною L, товщиною 2h і шириною 2b та однорідної вертикальної 2 (стінки) товщиною d і висотою H.

Нижня кромка балки вільна від напружень, а на верхню (площину полиці) діє розподілене навантаження р(х) симетрично відносно осі у і прикладене по лінії z=0. На торцях балки нормальні напруження =0 відсутні, а наявність опор обумовлюється наперед невідомими дотичними напруженнями .

Визначено компоненти напруження в плиті, спричиненого дією дотичних зусиль. За умови, що до плити прикладені дотичні зусилля (рис. 10), які сприяють виникненню додаткових (до згинальних) напружень. Визначимо їх, припустивши, що плита необмежена. НДС знайдено розклавши, в ряди функцію Ері (). Одержано також розв'язок задачі для балки таврового перерізу з однією тріщиною та отримано інтегральне рівняння, яке описує її НДС. Наведено порівняння теоретичних та експериментальних даних, визначених за різними методиками [1, 2].

У шостому розділі викладено методики розрахунку тріщиностійкості залізобетонних балкових конструкцій [1, 21, 22, 23, 24, 26, 32, 34, 44, 48]. Одна з них базується на математичній теорії тріщин, інша, інженерна - на механіці залізобетону приведена в [1, 19], третя (для шарових конструкцій) - на розв'язку задач теорії пластин та теорії пружності. Експериментально обгрунтовано умови виникнення й розвитку тріщин нормального відриву. Розрахунок утворення нормальних тріщин зроблено для того, щоб: а) запобігти їх зародженню в елементах 1-ї та 2-ї категорій тріщиностійкості; б) з'ясувати необхідність контролю розкриття (2-а і 3-я категорії тріщиностійкості) і закриття тріщин (2-а категорія тріщиностійкості); в) розрахувати деформації - відсутність чи наявність тріщин у розтягненій зоні елементів; г) перевірити появу тріщин у стиснутій зоні перерізу під час попереднього обтиску елемента.

Розроблено нову методику визначення тріщиностійкості залізобетонних балкових елементів на основі пружно-пластичної моделі Леонова-Панасюка. З цією методикою розв'язана задача для визначення навантаження моменту , росту тріщини в балкових залізобетонних армованих елементах (рис. 11):

Таким чином, за формулою (9) визначають величину моменту старту тріщини. Порівняно з існуючими підходами цей підхід відрізняється тим, що тут вводиться у розрахунок довільна зона непружних деформацій біля вершини тріщини-надрізу. На основі цієї методики одержано розрахункові залежності для залізобетонних балкових елементів з урахуванням зчеплення між арматурою і бетоном та без такого врахування. Ці результати наведені у [2, 5, 18].

Для реалізації методики визначення РТ нормального відриву без урахування порушення зчеплення розглянуто залізобетонну балку: Н=0,2м; В=0,1м; висота армованого шару =20 мм; відношення ; Кс=0,7 МН/м; початкове навантаження 0,1МПа; кінцеве навантаження 0,25МПа; крок зміни навантаження 0,01МПа. Отримані результати [34] засвідчують, що маємо достатньо надійні залежності для визначення РТ у залізобетонних зігнутих елементах прямокутного профілю при дії короткочасного статичного навантаження.

Розроблено методику оцінки опору руйнуванню тришарових (чотиришарових) елементів конструкцій з тріщиною в розтягнутому шарі на підставі теорії пластин та гіпотези Кірхгофа-Лява [33, 34]. Отримано систему рівнянь, з якої можна визначити напруження в пластині без розшарування між арматурою і бетоном та напруження з урахуванням розшарування. Досліджено також бетонну плиту, підсилену захисним сталевим листом, як чотиришарову конструкцію [33]. Метод обчислення напруження в плиті представлено сумою напружень чистого згину в суцільній плиті і напружень в околі тріщин - у нескінченній пластині [33].

Експериментальна методика визначення тріщиностійкості - як моменту тріщиноутворення так і розкриття тріщин. У дисертаційній роботі ці величини визначали на вільно опертих залізобетонних балках, до яких прикладені зосереджені сили в третях прольоту [1, 6, 21, 29] та при рівномірно розподіленому навантаженні в залізобетонних плитах [1]. Навантаження прикладали ступенями, рівними 0,05-0,1 від руйнуючого.

Сьомоий розділ присвячений розрахунку граничної рівноваги залізобетонної плити з тріщиною при згині [1, 4, 5, 44, 48].

Розглянемо масивну залізобетонну плиту товщиною H, шириною T, яка згинається моментом M [1, 4, 5, 43, 44, 48]. Матеріал її бетонної матриці вважається однорідним ізотропним та лінійно-пружним. У розтягнутій зоні плита ослаблена плоскою тріщиною довжиною a, яка виходить на поверхню. Розтягнута зона бетону посилена арматурою (низкою сталевих круглих стержнів діаметром DS, які розміщені по довжині плити). Матеріал стержнів вважається пружним, віддаль між стержнями - h1 (рис. 11).

Нехай арматура ортогональна до площини тріщини і перетинає її береги таким чином, що віддаль від стержнів до вершини тріщини становить h. Вважаємо [39, 42], що в зоні контакту арматури і бетону виникають значні сили зчеплення, які перешкоджають зсуву арматури в бетоні під дією зовнішнього навантаження. Середнє значення напруження зчеплення арматури і бетону на одиницю поверхні стержня приймемо . Відшарування бетону від арматури по довжині стержня в місці контакту берегів тріщини і арматури позначимо hr.

Для розв'язання цієї задачі використаємо метод суперпозиції напружених станів, за яким КІН для навантаженої залізобетонної плити з тріщиною KI можна подати сумою КІН для неармованої навантаженої плити з тріщиною KI(M) та ненавантаженої плити з тріщиною КІН KI(а), де в місцях виходу стержнів з бетонної матриці до берегів тріщини прикладено зусилля, еквівалентні силам в арматурних стержнях навантаженої плити, що перешкоджають розкриттю тріщин

. (10)

Приймемо такі умови: нехай h мале настільки, що i . Тепер розглянемо плоску задачу згину неармованої смуги з тріщиною моментом Mo=M/T. КІН KI(M) для цієї задачі обчислюється методом граничної інтерполяції [44] за формулою [4, 5, 7, 12]

Другий доданок формули (10) знайдемо із розв'язку просторової задачі. Для цього потрібно обчислити напруження при x>0 (систему декартових координат 0xyz вводимо так, щоб площина z=0 збігалася з площиною тріщини рис 11).

Користуючись відомими розрахунками (див. літ. в [4]), встановлено вираз (формулу) для обчислення напружень для розглянутої задачі. Тоді КІН знаходимо за формулою

. (12)

Підставивши значення у формулу (12), одержимо

де y - координата по фронту тріщини, в якій визначаємо .

Для оцінки точності методів моделювання впливу стримуючих зусиль стержневої арматури введемо коефіцієнт як відношення КІН у разі запропонованою тут системою зосереджених сил (просторова задача) та відомого моделювання арматури пружним шаром (плоска задача) [1, 4 , 5, 44, 48].

. (14)

Згідно з працею [1] та формулою (13) запишемо

Обчислення при різних y (рис. 12) показали, що значення цієї функції суттєво відрізняються від одиниці вже при , тобто використання плоскої задачі для з'ясування впливу арматури в даному випадку вимагає уточнення методів підрахунку для розглянутих задач.

Досі в літературі не розглядався розподіл напружень на продовженні тріщини під впливом зосереджених зусиль, які виникають в арматурних стержнях, тому варте уваги значення правої частини даного рівняння - КІН від дії цих зусиль. Для оцінки значення у формулі (16) зусилля P запишемо через P0 в арматурних стержнях, прийнявши наближено P0=Pfr, де Pfr - зусилля зчеплення арматури з бетоном, які обчислюються за наближеною інженерною формулою В.М. Бондаренка [44].

, (18)

де - умовне середнє напруження зчеплення; lfr - необхідна довжина зони надійного зчеплення арматури з бетоном; - діаметр арматурного стержня.

Графіки розподілу КІН (рис. 13) вздовж фронту тріщини свідчать, що збільшення віддалі між стержнями викликає зменшення КІН. Крім того, суттєво зростає різниця між мінімальним (посередині між стержнями) та максимальним (навпроти стержня) значеннями зі збільшенням віддалі між стержнями. Таким чином “розмазування” арматури, тобто її моделювання пружною смугою (плоска задача), привело б до збільшення похибки. Згідно з концепцією силового критерію Ірвіна, руйнування почнеться при , тобто на основі формули (10) можна стверджувати, що поблизу вершини тріщини найбільш небезпечною є частина навпроти середини віддалі між стержнями, де в першу чергу виникає гранично рівноважний стан.

Запишемо зусилля P0, які виникають в арматурному стержні на відрізку між берегами тріщини, де відсутні сили зчеплення з бетоном, через його деформацію:

, (19)

де Es - модуль пружності арматури, - значення РТ (її берегів) на рівні арматури; h0 - віддаль між точками прикладання зусиль P0 і

. (20)

де - довжина ділянки відшарування бетону від арматури.

Розкриття тріщини будемо визначати як суперпозицію двох переміщень берегів тріщини на рівні центру ваги арматури

тріщина залізобетонний балковий

, (21)

де - РТ на рівні арматури, встановлюється із розв'язку задачі про згин моментом М неармованої плити з тріщиною; - РТ зумовлене впливом зусиль, які еквівалентні зусиллям в арматурі.

Розрахунки показали [1], що використання цих формул для обчислення дає похибку не більше ніж на 5%. Зауважимо, що із виразу (20) можна знайти довжину ділянки розшарування .

Розглянуто критерій критичного розкриття тріщини (КРТ) та приведено наближений метод визначення РТ в залізобетоні. Умовою початку руйнування є критерій КРТ, що має вигляд

. (22)

Оскільки протилежні береги тріщини плавно змикаються, можна розрахувати значення розкриття вершини тріщиниу бетонній плиті:

Для визначення розкриття берегів тріщини у випадку згину залізобетонної плити використаємо метод еквівалентних напружених станів, який застосовують для розв'язування пружно-пластичних задач. Розглянемо два пружно-пластичних тіла типу бетону з однаковими тріщинами. Перше - бетонна неармована плита, що згинається моментом M; друге - бетонна плита, в якій на берегах тріщини прикладені зусилля, еквівалентні зусиллям в арматурних стержнях, що стримують РТ. Для першого тіла відоме РТ та КІН , для другого - тільки КІН . На основі відомого методу еквівалентних напружених станів розкриття у вершині тріщини для залізобетонної плити з тріщиною можна записати так:

Аналіз формули (24) показує, що при величина суттєво залежить від координати y, досягаючи свого максимуму навпроти середини між стержнями:

Надалі, виходячи з міркувань, що руйнування розвивається у першу чергу в точках найбільшого РТ в її вершині, як характеристику використовуємо .

Встановлено умови та визначено розкриття берегів періодичної системи тріщин у залізобетонній балці. При розв'язанні задачі систему тріщин наближено вважаємо періодичною. В ній віддаль між тріщинами дорівнює S.

Размещено на Allbest.ru