Робота замкнутих залізобетонних рам при повторних малоциклових навантаженнях
Аналіз впливу короткочасних одноразових та малоциклових навантажень на процеси перерозподілу зусиль в елементах рами. Удосконалення методики визначення внутрішніх зусиль елементів замкнутих залізобетонних рам з урахуванням тріщиноутворення в бетоні.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 25.08.2015 |
| Размер файла | 70,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Полтавський Національний технічний університет
імені Юрія Кондратюка
УДК 624.012.25: 539.31: 539.43
Робота замкнутих залізобетонних рам при повторних малоциклових навантаженнях
05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ФІЛІПЧУК СЕРГІЙ ВІКТОРОВИЧ
Полтава 2009
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Бабич Євгеній Михайлович, Національний університет водного господарства та природокористування, завідуючий кафедрою інженерних конструкцій.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович, завідуючий кафедрою залізобетонних і кам'яних конструкцій Київського національного університету будівництва і архітектури, м. Київ;
кандидат технічних наук, доцент Коваль Петро Миколайович, директор Державного дорожнього науково-дослідного інституту імені М.П. Шульгіна, м. Київ.
Захист відбудеться “21” квітня 2009 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд. 218
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24
Автореферат розісланий “___“ березня 2009 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради В.В. Чернявський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Одним із основних шляхів підвищення якості будівництва і ефективності капітальних вкладень є зниження матеріаломісткості залізобетонних будівельних конструкцій - зменшення перерізів елементів і зниження витрати сталі. Особливе місце в будівництві займають статично невизначені залізобетонні конструкції, оскільки в них найбільш раціонально використовуються бетон і арматура. Надання конструкціям статичної невизначеності дозволяє підвищити жорсткість, зменшити переміщення і забезпечити надійність систем.
В сучасних умовах при проектуванні і зведенні будівель та споруд застосовуються різноманітні монолітні залізобетонні рами, в тому числі і замкнуті. Їх використовують для будівництва підземних переходів, вбудованих приміщень на перших поверхах житлових будинків, при будівництві спортивних комплексів, виставкових павільйонів і залів, тунелів для прокладання комунікацій тощо.
Існуюча методика розрахунку статично невизначених конструкцій не в повній мірі враховує зміну механічних характеристик матеріалів, процеси тріщиноутворення, деформації та зміну напружено-деформованого стану елементів рами, особливості перерозподілу зусиль, що відбуваються під дією повторних навантажень.
В сучасних методиках проектування статично невизначених залізобетонних конструкцій вплив малоциклових навантажень на їх роботу практично не враховується. Наразі розробляються нові норми проектування залізобетонних конструкцій, які повинні враховувати останні результати дослідження роботи статично невизначених конструкцій.
Виходячи з наведеного, накопичення експериментальних даних про роботу залізобетонних рам, вивчення напружено-деформованого стану замкнутих залізобетонних рам при дії короткочасних одноразових і малоциклових навантажень та удосконалення методики розрахунку рам є актуальною задачею.
Зв'язок роботи з науковими програмами. Наукові дослідження виконувались згідно з тематикою науково-дослідних робіт кафедри інженерних конструкцій Національного університету водного господарства та природокористування за темами: “Розробка теоретичних основ розрахунку міцності і напружено-деформованого стану залізобетонних рам при повторних навантаженнях” (0104 U 003121), “Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи” (РК 0198 U 002424) та “Дослідження роботи і розробка теоретичних основ розрахунку стиснуто-зігнутих залізобетонних елементів при різних видах навантажень” (0108 U 001017). На основі технічних завдань на вище згадані теми автором виконані випробування замкнутих залізобетонних рам та удосконалено методику визначення зусиль в замкнутих залізобетонних рамах, а також визначення прогинів, ширини розкриття тріщин та перерозподіл зусиль в елементах рам, що зазнають дії малоциклових навантажень.
Мета і задачі дослідження. В дисертаційній роботі поставлено за мету встановити вплив одноразових та малоциклових навантажень на напружено-деформований стан і міцність нормальних перерізів замкнутих залізобетонних рам та удосконалити методику їх розрахунку.
Для досягнення мети в роботі вирішувалися такі задачі:
- встановити вплив різних режимів малоциклових навантажень на напружено - деформований стан елементів рам, переміщення перерізів, ширину розкриття тріщин та встановити характер руйнування рам після дії таких навантажень;
- встановити вплив короткочасних одноразових та малоциклових навантажень на процеси перерозподілу зусиль в елементах рами;
- удосконалити методику визначення внутрішніх зусиль елементів замкнутих залізобетонних рам з урахуванням тріщиноутворення в бетоні;
- виконати порівняння експериментальних даних з теоретичними;
- розробити рекомендації щодо розрахунку замкнутих залізобетонних рам. бетон навантаження малоцикловий рама
Об`єкт дослідження - замкнуті залізобетонні рами, які сприймають короткочасні одноразові та малоциклові навантаження.
Предмет дослідження - напружено-деформований стан, перерозподіл зусиль в елементах рам, міцність замкнутих залізобетонних рам при однократних і малоциклових навантаженнях.
Методи дослідження - теоретичні дослідження, експериментальні дослідження роботи рам за спеціально розробленою методикою, статистичний аналіз теоретичних і експериментальних даних.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
- отримані нові експериментальні дані щодо міцності, деформативності та тріщиностійкості замкнутих залізобетонних рам, які зазнають дії короткочасних одноразових та малоциклових навантажень;
- встановлено характер перерозподілу зусиль в елементах рам, зміну напружено-деформованого стану, переміщень перерізів та ширини розкриття тріщин в елементах рам внаслідок дії малоциклових навантажень;
- удосконалено методику визначення зусиль в замкнутих залізобетонних рамах, а також визначення прогинів та ширини розкриття тріщин в елементах рами, що зазнають дії малоциклових навантажень.
Практичне значення одержаних результатів. Використання розробленої у дисертації методики дає можливість при проектуванні враховувати дійсні зусилля, які виникають в елементах рам, що підвищує раціональність використання матеріалів. Результати досліджень можуть бути використані при проектуванні нових залізобетонних рам і перевірці несучої здатності існуючих рам, які піддаються малоцикловим навантаженням, а також в навчальному процесі. На основі отриманих результатів досліджень розроблені рекомендації щодо розрахунку замкнутих залізобетонних рам.
Методика розрахунку впроваджена при проектуванні монолітних залізобетонних рам по проекту забудови житлових будинків з громадськими приміщеннями на розі вулиць Буковинська та Гетьмана Виговського в м. Рівне.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автором отримано самостійно. В опублікованих працях у співавторстві здобувачу належить наступне:
[1] - аналіз результатів випробовувань рам першої серії, побудова графіків, складання висновків;
[2] - аналіз зміни прогинів ригеля рам другої та третьої серій на циклах навантаження;
[3] - аналіз зміни прогинів ригеля рам першої серії на циклах навантаження;
[4] - визначення внутрішніх зусиль в елементах рами, складання висновків;
[5] - аналіз результатів випробовувань рам другої та третьої серій.
Апробація роботи. Результати досліджень оприлюднені і схвалені на наступних конференціях: сьомому міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (м. Київ, 2007 р.); шостій і сьомій науково-технічних конференціях “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (м. Рівне, 2007, 2008 р.); восьмій науково-технічній конференції “Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація” (м. Кривий Ріг, 2008 р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і студентів Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне, 2006 - 2008 рр.).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 статей, у тому числі 5 із яких у збірниках наукових праць, що є фаховими виданнями та одна із яких опублікована одноосібно.
Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків та списку використаних літературних джерел. Повний обсяг дисертації становить 287 сторінок, які включають 132 сторінки основного тексту, 24 таблиці, 59 ілюстрацій, 134 найменування літературних джерел на 18 сторінках та додатків на 117 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, наведена загальна її характеристика, сформульовані мета та задачі дослідження, зв`язок роботи з науковими програмами, визначена її наукова новизна та практична цінність.
У першому розділі висвітлена область застосування замкнутих залізобетонних рам, існуючі методи їх розрахунку, виконано критичний огляд опублікованих результатів експериментальних досліджень залізобетонних рам.
Не зважаючи на те, що залізобетонні рами мають широке застосування в практиці будівництва, досліджень роботи їх під навантаженням виконано недостатньо, особливо це стосується замкнутих залізобетонних рам при малоциклових навантаженнях.
Ще в 30-их роках минулого сторіччя перерозподіл зусиль та зниження загальної жорсткості залізобетонних елементів рам вивчали вчені В. Х. Гленвіль, Ф. Д. Томас, А. С. Щепотьєв та В.С. Булгаков. В 1954-1955 роках А.Є.Кузьмичов під керівництвом О.О. Гвоздєва і С.М. Крилова досліджував вплив пластичних деформацій бетону стиснутої зони на перерозподіл зусиль в елементах рам. Він виявив, що перерозподіл зусиль можна враховувати наближеним розрахунком за правилами будівельної механіки шляхом введення в розрахунок значення дійсної жорсткості елементів рам.
Відомі досліди з рамами М.М. Калишенко та Л.А. Мурашко при дії змінних в часі навантажень, виконані в 70-ті роки під керівництвом А. Я. Барашикова, але дослідження їх роботи при дії повторних короткочасних навантажень не виконувалися.
Дослідженню перерозподілу зусиль в замкнутих рамах також присвячена робота А.Б. Батурина. В ній автор запропонував методику удосконаленого розрахунку статично невизначених залізобетонних рам.
Останні майже 30 років у нас дослідження роботи рамних конструкцій майже не виконувалися і тільки, починаючи з 2002 року, значні дослідження роботи статично невизначених конструкцій (нерозрізні балки, двохшарнірні рами) при дії повторних малоциклових навантажень виконуються під керівництвом Бабича Є.М. Зокрема, експериментально встановлено, що повторні малоциклові навантаження експлуатаційних рівнів поглиблюють в рамах процеси перерозподілу зусиль, призводять до збільшення в нормальних перерізах елементів рам повних і залишкових деформацій в стиснутому бетоні і розтягнутій арматурі та збільшують прогини ригелів рам і ширини розкриття тріщин.
Дослідженню бетонних та залізобетонних елементів при дії малоциклових повторних навантажень присвятили роботи Є.М. Бабич, А.Я. Барашиков, Ю.П. Гуща, А.С. Залесов, Н. І. Ільчук, Н. І. Карпенко, А. С. Кожухов, Ю.О. Крусь, Є. А. Кузовчиков, А.П. Погореляк, В.В. Руденко, Г. Н. Ставров, В. Н. Тотосов, А.А. Федосєєв, С. К. Яковлєв, А. В. Яшин та інші.
Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень дозволяє зробити такі висновки: існуючі методи визначення зусиль в замкнутих залізобетонних рамах, а також визначення прогинів та ширини розкриття тріщин залізобетонних елементів, що зазнають дії повторних малоциклових навантажень, не відповідає дійсним значенням зусиль, прогинів та ширини розкриття тріщин.
Перший розділ закінчується обґрунтуванням мети та задач досліджень.
У другому розділі висвітлена методика та об`єм експериментальних досліджень. Виконано три серії дослідів, в яких монолітні рами були замкнуті і мали такі розміри в осях: проліт l = 2100 мм; висота h = 900 мм; поперечний переріз ригелів і стійок a Ч b = 10 Ч 16 см. (рис. 1). Ригелі і стійки армовано просторовими каркасами з симетрично розташованими чотирма стержнями 12А500С (Asup = Asp = 1,13см2). Віддаль між осями верхніх і нижніх стержнів складала 120 мм. Верхні стержні у вузлах ригеля заокруглені і заведені в стійки за нижню грань ригеля на 250 мм (двадцять діаметрів). Поперечна арматура в стійках і ригелі виконана у вигляді замкнених зварених рамок із стержнів 4Вр-І, встановлених в першій серії через 80 мм (ригелі і стояки), в другій та третій серіях через - 60 мм (стояки) і 45 мм (ригелі). На торцях стійок в першій серії рам влаштовані закладні деталі із пластин = 8 мм. В зоні чистого згину ригеля поперечні стержні на довжині 380 мм не встановлювались.
Всього було виготовлено 11 залізобетонних рам, 30 бетонних кубів із розміром ребра 15 см та 24 призми розміром 15 Ч 15 Ч 60 см.
В процесі випробувань встановлювалась: міцність рам, напружено - деформований стан при повторному навантаженні, вплив різних режимів навантаження на роботу рам.
При випробуванні призм міцність бетону в віці 28 діб склала: перша серія зразків Rb = 29,16 МПа; друга серія Rb = 22,08 МПа; третя серія Rb = 17,55 МПа.
За результатами випробовувань трьох арматурних стержнів довжиною 40 см в розривній машині УИМ 50 встановлені такі характеристики: межа текучості y = 499,1 МПа; межа міцності u = 559,6 МПа; модуль пружності Es = =1,9125Ч105 МПа; максимальні деформації, які відповідають y, sR = 260,9Ч10-5.
Для випробування замкнутих залізобетонних рам використали гідравлічний прес ПГ - 200, на базі якого була змонтована спеціальна установка (рис. 2).
Випробовування рам виконували за схемою двохшарнірної системи в спеціальній установці, завантажуючи двома зосередженими силами ригель на віддалі 70 см від осі стійок. Для цього на нижню опорну плиту преса вкладалась зварена із двох швелерів № 40 опорна балка, на якій закріплювались шарнірно-нерухома та шарнірно-рухома опори (рис. 3). Зусилля створювали гідравлічним домкратом, а силу вимірювали протарованим кільцевим динамометром та контролювали показники манометрів насосної станції.
Навантаження рам здійснювалося ступенями, величина яких складала 8 - 10% від руйнівного навантаження, яке попередньо підраховувалось теоретично. Після прикладання кожного ступеня навантаження робилися витримки протягом 7 - 10 хвилин, що необхідно для зняття показників приладів, здійснення огляду зовнішніх поверхонь зразків, визначення їхньої поведінки, розвитку та зміни ширини розкриття тріщин тощо.
Під час випробувань деформації матеріалів контролювали наступними вимірювальними приладами: прогини зразка - прогиномірами 6 ПАО - ЛИСИ, ширина розкриття тріщин - мікроскопом МПБ - 3, деформації бетону - індикаторами годинникового типу, деформації арматури - тензометрами Гугенбергера. Всі механічні прилади дублювались електричними тензорезисторами.
Рами 1Р-1К і 1Р-2К навантажували одноразово до руйнування, а рами 1Р-1П і 1Р-2П піддавалися десятикратному навантаженню до рівня 67% від руйнівного (cyc = Fcyc / Fu 0,67 де cyc - відносний рівень повторного навантаження; Fu - руйнівне навантаження, яке визначалося шляхом випробовування рам 1Р-1К і 1Р-2К), а на одинадцятому циклі вони довантажувалися до руйнування. Завантажування та розвантажування рам виконувалося ступенями, величина яких складала ?F?0,1 Fu.
В другій серії дослідів рама 2Р-1К випробовувалась одноразовим навантаженням до руйнування. За її результатами визначався рівень повторних навантажень для наступних рам.
Рама 2Р-1П випробовувалася повторним короткочасним навантаженням, при рівні, що складав cyc 0,63. Кількість циклів повторного навантаження була рівною десяти, а на одинадцятому циклі раму було довантажено до руйнування.
Для рами 2Р-2П рівень повторного навантаження був аналогічний попередній рамі 2Р-1П і склав 63%. Відмінність полягала в кількості циклів повторного навантаження. Для рами 2Р-2П їх кількість була значно більшою і склала двадцять чотири цикли. На наступному напівциклі рама була довантажена до руйнування. Збільшення кількості циклів було виконано з метою більш досконалого дослідження процесів стабілізації в залізобетонних рамах.
Рівень відносного навантаження вибраний таким, щоб найближче імітувати дію навантаження в процесі реальної експлуатації рам (експлуатаційне навантаження).
Рівень навантаження рами 2Р-3П до шостого циклу відповідав попереднім рамам. На сьомому циклі рама була довантажена до рівня 75% від руйнівного навантаження. Цей рівень навантаження витримувався протягом наступних восьми циклів, а на п'ятнадцятому циклі був знову знижений до 63%. Далі раму піддавали навантаженню до вісімнадцятого циклу, а на дев'ятнадцятому напівциклі довантажили до руйнування.
Рами третьої серії випробовували з поступовим збільшенням та зменшенням рівня навантаження рам (рис 4.).
Всі рами були доведені до руйнування. За руйнівне приймали навантаження, коли деформації арматури або бетону досягали граничних значень в перерізах елементів рам.
Рами першої серії розпочинали випробовувати, коли вік бетону складав 87 діб, а другої та третьої відповідно 92 та 85 діб. Після чого вважали, що механічні характеристики бетону в природному стані практично не змінювались.
Третій розділ присвячений аналізу експериментальних досліджень замкнутих залізобетонних рам першої серії.
При однократних навантаженнях рами 1Р-1К перша нормальна тріщина виникла в прольоті при F = 12,5 кН. При F = 15 кН виникла тріщина в правому верхньому вузлі, висота якої становила 5 см, а нові тріщини утворились при F = =20. До навантаження F = 30 кН прогини ригеля, деформації в арматурі і бетоні збільшувалися практично лінійно (рис. 5.). Після навантаження F = 30 кН в рамі 1Р-1К помітно почав спостерігатися перерозподіл зусиль внаслідок тріщиноутворення та виникнення пластичних деформацій в бетоні. В подальшому перерозподіл зусиль в рамі спричинив утворення нових тріщин та виникнення пластичних деформацій в бетоні.
При навантаженні F = 42,5 кН деформації арматури перевищили граничне значення, утворилися пластичні шарніри в прольоті та у вузлах рами і настало руйнування рами в цілому (руйнівне зусилля для 1Р-1К - Fu = 45 кН).
Характер роботи рами 1Р-2К при одноразовому навантаженні був ідентичний роботі рами 1Р-1К.
Повторні навантаження рам виявили особливості зміни напружено-деформованого стану перерізів їх елементів.
В рамі 1Р-1П вже на першому циклі практично відбувся перерозподіл зусиль, а на наступних циклах рама працювала більш пружно. При повторних навантаженнях спостерігалось збільшення повних деформацій бетону і арматури до шостого циклу, їх значення після стабілізації по окремим перерізам збільшилися на 10,7 … 22,4 % на наступних циклах.
На шостому - десятому циклах зміна деформацій в розтягнутій арматурі практично лінійно залежала від величини навантаження, що можна також пояснити стабілізацією процесів тріщиноутворення. Дещо інший характер мали криві деформування бетону стиснутої зони. Після стабілізації його деформацій на п'ятому - шостому циклах навантаження, криві їхньої залежності і при навантаженні і при розвантаженні були обернені до осі деформацій (рис. 5в). Це пояснюється розвитком процесу тріщиноутворення та розвитком пластичних деформацій в бетоні.
Повний прогин ригеля рами 1Р-1П на першому циклі при навантаженні Fcyc = 30 кН склав fcyc = 9,01 мм. На другому циклі повний прогин збільшився на 5,7%, а на сьомому - на 15,1% по відношенню до повного прогину на першому циклі. На наступних циклах повний прогин практично не збільшувався. Збільшення прогинів ригелів рам при повторних навантаженнях в порівнянні з однократним навантаженням в середньому склало 17,5%.
На одинадцятому циклі рама 1Р-1П була довантажена до руйнування (криві 11 на рис. 5). Перевищення навантаження F = 30,0 кН спричинило виникнення нових пластичних деформацій в бетоні та розвиток тріщин. Залежність між деформаціями бетону та арматури від навантаження почала набувати криволінійного характеру. При навантаженні F u = 42,5 кН рама зруйнувалася.
Рама 1Р-2П працювала аналогічно рамі 1Р-1П і зруйнувалася при навантаженні F = 40 кН. Середня різниця між руйнівними навантаженнями рам при однократних (1Р-1К та 1Р-2К) та повторних навантаженнях (1Р-1П та 1Р-2П) склала 5,6%. Тобто це означає, що повторні навантаження при досліджених рівнях практично не вплинули на міцність замкнутих залізобетонних рам.
Узагальнюючи висновки по третьому розділу слід відмітити: малоциклові навантаження суттєво впливають на напружено-деформований стан замкнутих залізобетонних рам. Внаслідок їхньої дії збільшуються повні і залишкові деформації бетону і арматури, прогини та ширина розкриття тріщин в елементах рам, що необхідно враховувати у розрахунках. Стабілізація напружено-деформованого стану замкнутих залізобетонних рам першої серії відбувається до шостого циклу навантаження при рівні навантажень, що не перевищує 0,65 від руйнівних.
У четвертому розділі розглядається робота зразків другої та третьої серій.
Дві перші рами з кожної з серій (2Р-1К та 3Р-1К) навантажувалися однократно до руйнування, а решта рам випробовувалися повторним навантаженням різного рівня та різної кількості циклів.
Випробовування рами 3Р - 1П дало змогу визначити вплив збільшення рівня навантаження на напружено-деформований стан елементів рами. Перші тріщини виникли при F = 10 кН як в прольотах, так і у вузлах рами. При навантаженні на першому циклі до Fcyc = 12,5 кН виникли тріщини в стояках рами.
Характерною особливістю довантаження рам є те, що крива деформування при перевищенні попереднього рівня навантаження змінювала свій напрям викривлення (рис. 6). Так, на сьомому циклі до навантаження Fcyc=12,5 кН крива деформації бетону була обернена до осі деформацій, а при збільшенні навантаження до Fcyc = 17,5 кН стала оберненою до осі навантаження (рис.6). На наступному циклі крива була оберненою до осі навантаження, а при поступовому наближенні до стабілізації викривлялася в протилежну сторону. Цей процес повторювався кожного разу при збільшенні рівня навантаження.
При поступовому збільшенні рівня повторних навантажень від 0,35 до 0,8 від руйнівних на кожних наступних шести циклах заданого навантаження спостерігалася стабілізація напружено-деформованого стану рам.
Збільшення рівня навантажень, після стабілізації роботи рам, призводило до зростання як залишкових (до 66,4%), так і повних (до 55,1%) деформацій бетону та арматури, а також збільшення залишкових та повних прогинів ригелів рам. Це збільшення прогинів ригеля досягло 27,8%. В свою чергу залишкові прогини після повторних навантажень можуть досягати 25% від максимальних значень в циклах навантаження.
Поряд з вимірюванням горизонтальних переміщень в другій та третій серіях рам вимірювалися і вертикальні зміщення вузлів рам. Горизонтальні переміщення при вертикальній дії зовнішнього навантаження виявилися незначними, і ними можна нехтувати. Натомість вертикальні переміщення вузлів рам досягли 83,4% від прогину ригеля, що суттєво впливає на визначення прогину ригелів рам.
В рамі 3Р-1П збільшення навантаження до Fcyc = 27,5 кН відбулося на двадцять третьому циклі, внаслідок чого в прольоті ригеля деформації арматури та бетону перевищили граничні значення і утворився пластичний шарнір. Деформації ж у вузлах рами не перевищили граничні значення і рама надалі працювала за рахунок вузлових перерізів. На тридцять першому циклі навантаження при F = 30 кН рама зруйнувалася.
Рама 3Р-2П випробовувалася в протилежності до рами 3Р-1П, рівні навантаження в ній йшли від більшого до меншого.
На першому циклі рама навантажувалася до Fcyc = 22,5 кН. Виникнення тріщин відбувалося аналогічно попередній рамі. Після того, як відбулася стабілізація, рівень навантаження був зменшений спочатку до Fcyc = 17,5 кН, а через чотири цикли - до Fcyc = 12,5 кН. Стабілізація повних та залишкових деформацій відбулася відразу після зменшення рівня навантаження. Короткочасні деформації, в свою чергу, почали стрімко зменшуватися.
На сімнадцятому циклі раму довантажили до руйнування. При F = 27,5 кН деформації арматури в прольоті перевищили граничні, а деформації бетону наблизилися до них. При збільшенні навантаження деформації у вузлах почали стрімко зростати і при F = 33 кН рама зруйнувалася.
Так, як і в рамах першої серії, характер тріщиноутворення рам другої та третьої серій при однократному і повторному навантаженнях був аналогічний. Кількість тріщин, в свою чергу, при повторному навантаженні також була майже у два рази більше.
Розглядаючи характер руйнування всіх рам, можна підсумувати, що повторні навантаження, які не перевищують 0,65 від руйнівних, суттєво не вплинули на несучу здатність рам (рис.7). У всіх рамах відбулося сколювання бетону в прольоті і руйнування відбулося внаслідок утворення пластичних шарнірів спочатку в прольотах, а потім і у вузлах рам.
У п'ятому розділі удосконалено методику визначення зусиль в замкнутих залізобетонних рамах, а також визначення прогинів та ширини розкриття тріщин залізобетонних елементів, що зазнають дії малоциклових навантажень. Отримані автором експериментальні дані підтвердили, що в замкнутих залізобетонних рамах виникнення тріщин в бетоні при навантаженні суттєво впливають на жорсткість їхніх елементів. Зниження жорсткості може відбутися в два і більше разів, що необхідно враховувати у визначенні внутрішніх зусиль в елементах рам та їхніх переміщень.
Момент інерції поперечного перерізу з тріщинами необхідно визначати відносно центра ваги приведеного перерізу з дотриманням загальноприйнятих правил знаходження геометричних характеристик, тобто за формулою, яка має вигляд:
бs = Es/Eb (Es - модуль пружності арматури).
Експериментальні значення згинальних моментів в середині прольоту ригеля були знайдені за формулою:
Експериментальні значення опорних згинальних моментів знаходилися за умови, що сума прольотних та вузлових моментів залишається незмінною, як в пружній стадії, так і з урахуванням перерозподілу зусиль.
В процесі повторних навантажень відбувалося поглиблення процесу перерозподілу зусиль з кожним наступним циклом навантаження. Так, в рамі 1Р-2П на першому циклі навантаження при Fcyc = 30 кН згинальний момент в прольоті був рівний Msp = 9,42 кНЧм, а у вузлі - Msup = 11,58 кНЧм (рис.8). Тобто відношення прольотного моменту до вузлового Msp,cyc/Msup,cyc складало 0,81.
Вже на третьому циклі навантаження відбулося зближення значень прольотного і вузлового моменту (Msp,cyc/Msup,cyc = 0,95), а на п'ятому циклі вони вирівнялися (Msp,cyc/Msup,cyc = 1,01). До десятого циклу відбулося незначне зростання прольотного моменту і, відповідно, зменшення вузлового, відношення Msp,cyc/Msup,cyc склало 1,04. Тобто, в рамі 1Р-2П на протязі десяти циклів навантаження відбувся перерозподіл зусиль в повній мірі.
Натомість в рамах 1Р-1П та 2Р-1П перерозподіл зусиль на протязі десяти циклів навантаження відбувся не повністю. Можливо це відбулося тому, що на першому циклі навантаження різниця між вузловим та прольотним моментами була більша, ніж в рамі 1Р-2П. Для рами 1Р-1П Msp,cyc/Msup,cyc складало 0,64, а для рами 2Р-1П - 0,59.
Перерозподіл моментів в рамах 2Р-2П, 2Р-3П та 3Р-1П характеризується режимами випробування цих рам. Так, для рам 2Р-3П та 3Р-1П був збільшений рівень навантаження, а для рами 2Р-2П - кількість циклів навантаження. В рамах 2Р-3П та 3Р-1П до п'ятого, а в рамі 2Р-2П до чотирнадцятого циклів навантаження прольотний та вузловий моменти вирівнялися. Надалі, аналогічно рамі 1Р-2П, прольотний момент збільшувався, а вузловий зменшувався.
На сучасному етапі розвитку теорії залізобетону удосконалення розрахунку міцності і деформативності нормальних перерізів залізобетонних елементів в загальному вигляді пропонується виконувати з використанням повних діаграм деформування бетону у вигляді:
При використанні діаграми деформування бетону у вигляді (5) умови рівноваги набувають вигляду:
- для першого випадку:
- для другого випадку:
Використовуючи діаграму бетону у вигляді (6), умови рівноваги набувають вигляду:
- для першого випадку:
- для другого випадку:
Для згинальних елементів рівняння рівноваги зовнішніх і внутрішніх зусиль в нормальному перерізі мають вигляд:
де M1; Mint,1; Mb1 і Ms1 - згинальні моменти відповідно від зовнішнього навантаження, внутрішніх зусиль, зусиль у стиснутому бетоні й арматурі;
Nb1, Ns1 і Nsc1 - рівнодіючі внутрішніх зусиль у стиснутому бетоні, розтягнутій та стиснутій арматурі.
Для ригелів рам першої серії при використанні формули (6) відношення теоретичних значень згинальних моментів до екпериментальних склало Мth/М = =0,96 при середньому квадратичному відхиленні у = 0,15 і коефіцієнті мінливості х = 0,18 (18%). А для формули (5) відповідні значення були майже ідентичними і відношення склало Мth/М = 0,93 при середньому квадратичному відхиленні у = 0,15 і коефіцієнті мінливості х = 0,16 (16%).
Таблиця 1
Порівняння теоретичних значень згинального моменту Мth з експериментальним М в рамах першої серії
|
F, кН |
еbЧ10-5 |
N, кН |
М, кН м |
Теоретичні значення Mth, кН, при використанні формул |
||||
|
Мth |
Мth/ М |
Мth |
Мth/ М |
|||||
|
5 |
10,36 |
2,25 |
1,67 |
1,36 |
0,61 |
1,32 |
0,59 |
|
|
10 |
22,51 |
4,26 |
2,24 |
2,10 |
0,94 |
2,03 |
0,91 |
|
|
15 |
36,74 |
6,80 |
3,40 |
3,35 |
0,99 |
3,24 |
0,95 |
|
|
20 |
56,35 |
9,37 |
4,79 |
5,00 |
1,04 |
4,83 |
1,01 |
|
|
25 |
78,65 |
11,91 |
6,26 |
6,73 |
1,07 |
6,52 |
1,04 |
|
|
30 |
105,2 |
14,39 |
7,88 |
8,60 |
1,09 |
8,36 |
1,06 |
|
|
35 |
136,65 |
15,90 |
10,28 |
10,53 |
1,02 |
10,31 |
1,00 |
|
|
40 |
189,5 |
16,31 |
14,53 |
13,15 |
0,90 |
12,96 |
0,89 |
|
|
Середні відношення |
0,96 |
0,93 |
||||||
|
Серед. квадр. відхилення |
0,15 |
0,15 |
||||||
|
Коефіцієнт мінливості |
0,18 |
0,16 |
Аналізуючи теоретичні значення згинальних моментів в ригелях рам другої та третьої серій, можна сказати, що середнє відношення теоретичних згинальних моментів майже збігалося з відношенням теоретичних значень згинальних моментів в рамах першої серії.
Треба відмітити, що для рам першої та другої серій найбільше розходження теоретичних значень з експериментальними спостерігається на першому ступені навантаження. Це можна пояснити тим, що при навантаженні F = 5 кН в цих рамах розрахунок виконується без урахування тріщиноутворення, фактично ж в структурі бетону мікротріщини присутні. Ці мікротріщини впливають на жорсткість перерізів елементів, що призводить до зміни внутрішніх зусиль.
Також перевірялася несуча здатність і напружено-деформований стан ригелів рам, що піддавалися повторним навантаженням. На першому циклі навантаження всі рами працювали, як і попередні при однократному навантаженні. Тобто, на першому ступені спостерігалася значна розбіжність, а далі експериментальні та теоретичні значення почали збігатися. Так, для рами 2Р-3П при використанні формул (6) та (5) відношення теоретичних значень згинальних моментів до експериментальних відповідно склали 1,01 та 0,98. При цьому середнє квадратичне відхилення було відповідно рівне у = 0,1 та у= 0,09, а коефіцієнт мінливості х= 0,1 (10%) та х= 0,09 (9%).
В роботі підтверджено, що при визначенні прогинів і ширини розкриття тріщин в ригелях рам при дії малоциклових навантажень при рівні навантажень, що не перевищують 60 - 65% від руйнівного, необхідно в розрахункові формули вводити додаткові коефіцієнти умов роботи гcyc. При визначенні прогинів вводити коефіцієнт 1,2, а ширини розкриття тріщин - 1,3. Враховуючи сказане, прогин ригеля та ширину розкриття тріщин в ньому пропонується визначати за формулами:
де гcyc - коефіцієнт умов роботи, який враховує вплив повторних короткочасних навантажень на розвиток прогинів ригеля рам.
- згинальний момент в перерізі x від дії одиничної сили, яка діє по направленню прогину, що відшукується, по довжині елементів;
- кривина елемента в перерізі x від зовнішнього навантаження.
Таблиця 2
Порівняння теоретичних значень несучої здатності рам з експериментальними
|
Марка рам |
Експери-ментальні значення |
Теоретичні значення Мu,th, за методиками |
||||||
|
За нормами проектування СНиП 2.03.01-85* |
За деформаційною моделлю з використанням формул |
|||||||
|
Мu,exp |
Мu,th |
Мu,th |
Мu,th |
|||||
|
1Р-1К |
14,57 |
15,21 |
1,04 |
13,15 |
0,90 |
12,96 |
0,89 |
|
|
1Р-2К |
14,07 |
15,21 |
1,08 |
12,52 |
0,89 |
12,35 |
0,88 |
|
|
1Р-1П |
13,49 |
15,21 |
1,13 |
11,80 |
0,88 |
11,59 |
0,86 |
|
|
1Р-2П |
13,27 |
15,21 |
1,15 |
11,28 |
0,85 |
11,06 |
0,83 |
|
|
2Р-1К |
10,84 |
11,90 |
1,10 |
10,05 |
0,93 |
9,95 |
0,92 |
|
|
2Р-1П |
12,28 |
11,90 |
0,97 |
10,01 |
0,82 |
9,88 |
0,80 |
|
|
2Р-2П |
11,28 |
11,90 |
1,05 |
9,55 |
0,85 |
9,42 |
0,84 |
|
|
2Р-3П |
10,68 |
11,90 |
1,11 |
10,46 |
0,98 |
10,36 |
0,97 |
|
|
3Р-1К |
10,79 |
11,30 |
1,05 |
9,53 |
0,88 |
9,42 |
0,87 |
|
|
3Р-1П |
11,34 |
11,30 |
1,00 |
9,48 |
0,84 |
9,44 |
0,83 |
|
|
3Р-2П |
11,27 |
11,30 |
1,00 |
9,89 |
0,88 |
9,81 |
0,87 |
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Отримані нові результати експериментальних досліджень роботи замкнутих залізобетонних рам при дії короткочасних одноразових і малоциклових навантаженнях, на підставі яких удосконалена методика їхнього розрахунку.
2. Малоциклові навантаження, рівень яких не перевищує 0,65 від руйнівних, суттєво впливають на напружено-деформований стан замкнутих залізобетонних рам. Вони можуть спричинити, порівняно з першим циклом навантаження, збільшення: деформацій бетону і арматури - до 40,6, прогинів ригелів - до 37,7, ширини розкриття тріщин до 41,7%.
3. При малоциклових навантаженнях, які не перевищують 0,65 від руйнівних, стабілізація напружено-деформованого стану відбувається на протязі перших шести циклів.
4. При поступовому збільшенні рівня малоциклових навантажень від 0,35 до 0,8 від руйнівних на кожних наступних шести циклах заданого навантаження спостерігалася стабілізація напружено-деформованого стану рам. При кожному підвищенні рівня навантаження збільшувалися як залишкові (до 66,4%), так і повні (до 55,1%) деформацій бетону та арматури.
5. В замкнутих залізобетонних рамах виникнення тріщин в бетоні при навантаженні суттєво впливають на жорсткість їхніх елементів. Зниження жорсткості може відбутися в два і більше разів, що необхідно враховувати у визначенні внутрішніх зусиль в елементах рам та їхніх переміщень.
6. Момент інерції поперечного перерізу з тріщинами необхідно визначати відносно центра ваги приведеного перерізу з дотриманням загальноприйнятих правил знаходження геометричних характеристик.
7. Малоциклові навантаження сприяють більш повному перерозподілу зусиль між елементами рам. При одноразовому навантаженні перерозподіл складає 7,8%, а при малоциклових навантаженнях 19,3%.
8. При розрахунках прогинів і ширини розкриття тріщин необхідно в розрахункові формули чинних норм вводити додаткові коефіцієнти умов роботи: при розрахунках прогинів - 1,2; при розрахунках ширини розкриття тріщин - 1,3.
9. Для визначення напружено-деформованого стану стиснуто-зігнутих та згинальних залізобетонних елементів можна використовувати деформаційну модель, в якій діаграми бетону описуються рівняннями (5) або (6) і які мають задовільну збіжність з експериментальними даними. Максимальне середнє квадратичне відхилення для всіх серій становить у = =0,17, а коефіцієнт мінливості - х = 0,19 (19%).
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
Бабич Є.М. Вплив повторних навантажень на роботу замкнутих залізобетонних рам / Є.М. Бабич, С.В. Філіпчук // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій: Збірник наукових праць. Львів: Каменяр, 2007. Випуск 7. С. 167 - 172.
Бабич Є.М. Дослідження переміщень замкнутих залізобетонних рам при повторних короткочасних навантаженнях / Є.М. Бабич, С.В. Філіпчук // Ресурсоекономні конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. Рівне: Видавництво НУВГП, 2007. Випуск 15. С. 106 - 113.
Бабич Є.М. Вертикальні переміщення замкнутих залізобетонних рам при дії короткочасних повторних навантажень / Є.М. Бабич, С.В. Філіпчук // Будівельні конструкції: Збірник наукових праць. Київ: НДІБК, 2008. Випуск 70. С. 132 - 142.
Бабич Є.М. Розрахунок замкнутих залізобетонних рам з урахуванням тріщиноутворення в бетоні / Є.М. Бабич, С.В. Філіпчук // Ресурсоекономні конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. Рівне: Видавництво НУВГП, 2008. Випуск 16. Ч.2. С. 28 - 39.
Бабич Е.М. Особенности работы замкнутых железобетонных рам при повторных малоцикловых нагрузках / Е.М. Бабич, С.В. Филипчук // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: Сборник научных трудов. Могилев: ГУ ВПО “Белорусско - Российский университет”, 2008. Ч.3. С. 101 - 102.
Філіпчук С.В. Дослідження тріщиностійкості замкнутих залізобетонних рам при повторних навантаженнях / С.В. Філіпчук // Ресурсоекономні конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. Рівне: Видавництво НУВГП, 2008. Випуск 17. С. 282 - 287.
АНОТАЦІЯ
Філіпчук С.В. Робота замкнутих залізобетонних рам при повторних малоциклових навантаженнях - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - “Будівельні конструкції, будівлі і споруди”. - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 2009.
Дисертація присвячена удосконаленню методики визначення зусиль в замкнутих залізобетонних рамах, перерозподілу зусиль, а також визначення прогинів та ширини розкриття тріщин залізобетонних елементів, що зазнають дії повторних малоциклових навантажень. Експериментально та теоретично досліджена робота замкнутих залізобетонних рам за різних схем та режимів завантаження.
Статистично підтверджено задовільну збіжність між теоретичними даними, отриманими за запропонованою методикою, і експериментальними даними автора. Розроблені рекомендації щодо практичного застосування запропонованої методики розрахунків.
Ключові слова: залізобетонна рама, напружено-деформований стан, перерозподіл зусиль, ширина розкриття тріщин, методика розрахунку.
АННОТАЦИЯ
Филипчук С.В. Работа замкнутых железобетонных рам при повторных малоцикловых нагрузках - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 -“Строительные конструкции, здания и сооружения”. - Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 2009.
Диссертация посвящена усовершенствованию методики определения усилий в замкнутых железобетонных рамах, перераспределению усилий, а также определению прогибов и ширины раскрытия трещин железобетонных элементов, которые поддаются действию малоцикловых нагрузок. Экспериментально и теоретически исследована работа замкнутых железобетонных рам разных схем и режимов загрузки.
Подобные документы
Кінематичний аналіз заданої системи та визначення кількості невідомих методу переміщень. Визначення елементів матриці коефіцієнтів і вектора вільних членів канонічних рівнянь методу переміщень. Побудова епюр внутрішніх зусиль та деформованої схеми рами.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 15.04.2010Кінематичний аналіз заданої системи, визначення кількості невідомих методу сил при розрахунку рами. Визначення коефіцієнтів, вільних членів канонічних рівнянь методу сил, їх перевірка. Побудова епюр внутрішніх зусиль, їх кінематична і статична перевірка.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 08.04.2010Об’ємно-планувальне та конструктивне рішення будівлі. Розрахунок рами: визначення навантажень, результати статичного рами на ЕОМ. Вибір комбінацій зусиль для лівої колони рами. Розрахунок та конструювання колони. Розрахунок та конструювання ферми.
курсовая работа [193,2 K], добавлен 21.11.2008Визначення основних розмірів конструкцій: лоток, прольоти другорядних балок і виліт консолей, поперечні перерізи основних несучих елементів. Розрахунок і конструювання лотока. Визначення навантажень, зусиль у перерізах, міцності конструкційних елементів.
курсовая работа [659,2 K], добавлен 09.10.2009Проектування балкової клітки; визначення товщини настилу. Конструювання головної балки: визначення навантажень зусиль отриманої сталі і підбір перерізу. Розрахунок і конструювання оголовка і бази колони: підбір перерізу елементів за граничною гнучкістю.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 14.02.2013Характеристика бетону і залізобетону. Причини та наслідки пошкодження будівельних залізобетонних конструкцій. Підготовка основи та матеріали для ремонту, обробка стальної арматури та металевих елементів конструкції. Організація праці опоряджувальників.
реферат [2,9 M], добавлен 26.08.2010Визначення постійного навантаження від металевої ферми та елементів прогонової будови. Розрахунок зусиль в елементах металевої ферми від постійного та тимчасового навантаження. Обчислення прикріплення стержнів до вузла головної ферми за допомогою болтів.
курсовая работа [83,4 K], добавлен 09.01.2014Типи жорсткості елементів ферми і балки. Епюра поздовжніх сил у стержнях ферми. Деформована схема рами, статичний розрахунок плоскої рами. Побудова векторів вузлових навантажень. Вузлові переміщення як кінематичні характеристики дискретної моделі.
контрольная работа [544,0 K], добавлен 04.05.2015Вибір геометричної схеми ферми. Вибір розрахункової схеми і збір навантажень. Визначення поздовжніх сил (статичний розрахунок). Підбір поперечних перерізів стиснутих і розтягнутих стержнів. Конструювання вузлів ферми з парних кутиків і замкнутих профілів.
методичка [2,6 M], добавлен 20.01.2011Компонування конструктивної схеми збірного перекриття. Розрахунок багатопустотної плити перекриття по граничним станам І та ІІ групи. Визначення зусиль в ригелі поперечної рами. Розрахунок міцності ригеля по перерізам нормальним до повздовжньої вісі.
курсовая работа [506,2 K], добавлен 18.12.2010
