Напружено-деформований стан статично невизначених двопрольотних залізобетонних балок при довготривалій дії сульфатних розчинів та короткочасного навантаження

Спеціальність 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі залізобетонних та кам'яних конструкцій Придніпровської державної академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент БОРОДІН Олександр Олександрович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор БАРАШИКОВ Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва і архітектури, зав. кафедрою залізобетонних та кам'яних конструкцій;

Кандидат технічних наук, доцент ГОЛОДНОВ Олександр Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри загально-технічних та спеціальних дисциплін.

Провідна установа: Харківський державний університет будівництва та архітектури, кафедра залізобетонних конструкцій, Міністерство освіти і науки України (м. Харків).

Захист відбудеться “ 27 ” грудня 2002 року о “ 13-00 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.085.02 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, к. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, адреса: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.

Автореферат розісланий “ 25 ” листопада 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., проф. Кваша Е.М.

Загальна характеристика роботи

залізобетонний балка тріщиностійкість деформація

Актуальність теми. Підвищення ефективності будівництва в Україні та Ісламській Республіці Іран пов'язано із забезпеченням надійності та довговічності бетонних і залізобетонних конструкцій нульового циклу в агресивних умовах експлуатації. Найчастіше конструкції експлуатуються при дії агресивних сульфатних розчинів з різною концентрацією сульфат-іонів.

Агресивне сульфатне середовище однобічне чи багатобічне впливає на такі залізобетонні конструкції, як ребристі стіни і днища відстійників і резервуарів в енергетичній, хімічній та інших галузях промисловості.

Статично невизначені конструкції володіють цілим рядом позитивних властивостей і знаходять широке застосування як у надземних частинах, так і в елементах нульового циклу будинків і споруд. Аналіз характеру дії середовища на конструкції нульового циклу показує, що вони найчастіше піддані не однобічній, а тристоронній дії сульфатних розчинів.

В даний час у нормативних документах України та Ірану, що регламентують вимоги до проектної документації, відсутні рекомендації для оцінки дії корозійного середовища на міцнісні і деформативні характеристики залізобетонних конструкцій.

Незважаючи на те, що існують розроблені методи і рекомендації з влаштування первинного і вторинного захистів залізобетонних конструкцій, ця тема залишається актуальною задачею розробки і удосконалення методів розрахунку конструкцій з урахуванням довготривалої дії агресивного середовища.

Зв'язок роботи з науковими програми, планами, темами. Робота виконувалась за науково-дослідною темою кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (ПДАБтаА) “Розробка та випровадження інноваційних проектів, трансфер енергоефективних і ресурсозберігаючих технологій при будівництві будівель, споруд і їх елементів”, що виконувалась згідно тематичного плану Міністерства освіти і науки України (№ держреєстрацій 0102U006063); тематичний план кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій на 2001-2005 р., затверджено науково-технічною радою ПДАБтаА 14.02.2001 р. протокол №1.

Мета і задачі дослідження. Розробка методики розрахунку міцності, тріщиностійкості та деформативності статично невизначених залізобетонних балок при короткочасному навантаженні після довготривалої дії водяних сульфатних розчинів.

Для досягнення мети вирішувались такі задачі.

Вивчення напружено-деформованого стану нормальних перерізів двопрольотних балок на всіх стадіях їхньої роботи від утворення і розкриття нормальних тріщин до моменту вичерпання несучої спроможності прольотних і опорних перерізів.

Вивчення впливу довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів на міцність, тріщиностійкість і деформативність двопрольотних залізобетонних балок.

Дослідження розподілу зусиль у двопрольотних залізобетонних балках при короткочасному навантаженні, як при довготривалій тристоронній дії сульфатних розчинів, так і в умовах неагресивного середовища.

Об'єкт дослідження. Статично невизначена двопрольотна залізобетонна балка, що згинається.

Предмет дослідження. Напружено-деформований стан перерізів, нормальних до поздовжньої осі.

Методи дослідження. У роботі використані стандартні методи дослідження деформації бетону стиснутої зони, деформації арматури розтягнутої зони, прогинів та ширини розкриття нормальних тріщин.

Вимірюючи опорні реакції за допомогою опорних кільцевих динамометрів розкриваються статично невизначені двопрольотні балки.

Використані методи чисельного моделювання залізобетонних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів:

результати експериментально-теоретичних досліджень міцності, тріщиностійкості та деформативності двопрольотних балок при короткочасному навантаженні з урахуванням розвитку корозійних процесів;

методика розрахунку несучої здатності, моменту тріщиноутворення і згинальної жорсткості нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів;

методика розрахунку розподілу згинальних моментів у статично невизначених двопрольотних залізобетонних балках при короткочасному навантаженні після довготривалої дії сульфатних розчинів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в удосконаленні алгоритму розрахунку напружено-деформованого стану залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням дії сульфатного розчину і залежностей “???” для бетону і арматури, розробка пропозицій з розрахунку міцності, тріщиностійкості та деформативності нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, після довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів, розробка методики, алгоритмів і програми розрахунку статично невизначених двопрольотних залізобетонних балок.

Пропозиції з розрахунку міцності, тріщиностійкості та деформативності нормальних перерізів залізобетонних елементів можуть бути використані в проектній практиці та при підготовці нормативних документів.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

результати експериментально-теоретичних досліджень розподілу зусиль у двопрольот-них залізобетонних балках, що згинаються, і які піддані тристоронній дії сульфатних розчинів при короткочасному навантаженні;

результати встановлених закономірностей зміни міцності, моменту утворення нормальних тріщин, згинальної жорсткості перерізів, нормальних до поздовжньої осі залізобетонних балок, що згинаються, при довготривалій дії сульфатних розчинів;

результати встановлених закономірностей розподілу згинальних моментів у залізобетонних балках при довготривалій дії сульфатних розчинів.

Апробація результатів дисертації. Результати дослідження доповідалися і обговорювалися на науково-технічних семінарах на кафедрі залізобетонних та кам'яних конструкцій Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (1999-2001); на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Україна Наукова 2001” у системі Інтернет.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в п'ятьох роботах.

Структура і Обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку літератури. Усього в ній 173 сторінки, у тому числі 100 сторінок основного машинописного тексту, 8 таблиць, 46 рисунки, 113 найменувань використаних джерел, 3 додатка на 35 сторінках.

Робота виконана на кафедрі залізобетонних і кам'яних конструкцій Придніпровської державної академії будівництва та архітектури під керівництвом кандидата технічних наук доцента Бородіна О.О. при консультаціях доктора технічних наук професора Савицького М.В, яким автор висловлює глибоку подяку.

основний Зміст роботи

Стан питання. Вплив рідких середовищ, у тому числі і водяних розчинів, на фізико-механічні властивості розчинів і бетонів експериментально вивчались Александровим І.О., Алексєєвим С.М., Бабушким В.І., Вербецьким Г.П., Гузеєвим Є.А., Івановим Ф.М., Москвіним В.М., Савицьким М.В. та ін.; у розробці методів розрахунку статично невизначених залізобетонних конструкцій великий внесок внесли роботи радянських дослідників Александровського С.В., Байкова В.М., Барашикова А.Я., Бліхарського З.Я., Бондаренко В.М., Бондаренко С.В., Бородіна О.О., Гвоздьова А.А., Голишева О.Б., Диховичного А.А., Зайцева Ю.В., Крилова С.М., Кричевського О.П., Милованова А.Ф., Мурашова В.І., Самійленка В.Н., Улицького І.І. та ін. Дослідження статично невизначених конструкцій проводилися при нормальних, підвищених і високих температурах. Особливо слід зазначити великий внесок у цю проблему учених школи Науково-дослідного інституту залізобетону (НДІЗБ).

Статично невизначені залізобетонні конструкції мають підвищену жорсткість і дозволяють при їхньому застосуванні зменшити витрати арматури і бетону. Крім того, у них може виявлятися перерозподіл зусиль, що підвищує опір усієї конструкції у цілому дії зовнішніх сил і впливів, дозволяє більш повно використовувати їхню несучу здатність.

Методи розрахунку і конструювання статично невизначених конструкцій при дії агресивних середовищ практично не розроблені. Розрахунок таких конструкцій з урахуванням їхніх реальних властивостей (тріщиноутворення, наявність непружних деформацій бетону і арматури і т.п.) був і залишається актуальною задачею.

Розрахунок статично невизначених залізобетонних конструкцій при короткочасному навантаженні після довготривалої агресивної дії може виконуватись методами будівельної механіки з урахуванням ряду специфічних властивостей залізобетону. На основі аналізу раніше виконаних досліджень можна припустити, що на напружено-деформований стан статично невизначених залізобетонних конструкцій, що згинаються, при довготривалій агресивній дії будуть впливати:

- зміна згинальної жорсткості по довжині залізобетонної конструкції; відомо, що згинальна жорсткість елемента без тріщин і з тріщинами різна, при цьому величина згинальної жорсткості елементів у перерізах із тріщинами залежить від діючих у них зусиль і агресивності середовища;

- зміна фізико-механічних властивостей бетону в нормальних перерізах залізобетонних елементів після довготривалої корозійної дії, унаслідок чого однорідний поперечний переріз перетвориться в комплексний з змінними по перерізу характеристиками міцності та деформативності.

У цьому експериментально-теоретичному дослідженні розглядаються:

напружено-деформований стан комплексного перерізу після довготривалої тристоронньої дії корозійного середовища з урахуванням залежностей для бетону і арматури;

вплив довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів на величину згинальної жорсткості нормальних перерізів до утворення тріщин у розтягнутій зоні, в експлуатаційній стадії, і в стадіях, близьких до фізичного руйнування прольотних і опорних перерізів;

вплив довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів на міцність, тріщиностійкість і деформативність двопрольотних залізобетонних балок;

деформації крайнього волокна бетону стиснутої зони і арматури розтягнутої зони;

розподіл зусиль у двопрольотних залізобетонних балках, що піддані довготривалій тристоронній дії сульфатних розчинів та короткочасному навантаженню;

прогинів у середині прольотів.

У першому розділі приведено огляд досліджень залізобетонних конструкцій, що згинаються і методик розрахунку напружено-деформованого стану елементів, при дії агресивних середовищ і навантажень, а також огляд досліджень статично невизначених залізобетонних конструкцій.

Для оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних елементів, що згинаються, необхідні уявлення про зміну властивостей бетону в сульфатному середовищі і про функціональний зв'язок між напругами і деформаціями бетону при короткочасному навантаженні.

При дії агресивного середовища на бетон змінюються параметри діаграм деформування бетону (міцність, модуль деформацій, гранична стисненість та ін.), тому необхідно мати залежності для їхнього опису.

Для опису залежності “?b??b” і ії параметрів, використані пропозиції Савицького М.В.

У другому розділі приведена методика експериментальних досліджень двопрольотних залізобетонних балок.

Експериментальні дослідження двопрольотних балок при короткочасному навантаженні без дії агресивного середовища проведені з метою адаптації методики статичного розрахунку таких балок до розрахунку з урахуванням довготривалої дії агресивних сульфатних розчинів.

Для дослідження напружено-деформованого стану прийняті двопрольотні залізобетонні балки довжиною 2300 мм (два прольоти довжиною між опорами 1000 мм) прямокутного поперечного профілю з розмірами bh=60100 мм. Розміри поперечного перерізу балок прийняті з умов більш прискореного прояву результатів корозійних процесів у бетоні стиснутої зони. Поздовжня робоча арматура в прольотах і над середніми опорами прийнята із сталі класу А-III діаметром 10 мм, класу А-I діаметром 6 мм, для поперечних стержнів прийнятий холоднотягнутий дріт класу Вр-I діаметром 3 мм. За умовами контакту із середовищем балки розділені на три групи: тристороння дія водяного розчину сульфату натрію, води і нормально-вологісні умови.

Балки бетонувалися складами №1 і №2, відповідно, 1:2,7:0,5 і 1:2,6:0,8 (пісок+щебінь+ цемент). Водоцементне відношення складало, відповідно, 0,75 і 0,45. Одночасно бетонувалися куби з ребрами 100 мм для визначення міцності бетону на стиск.

У даних дослідженнях приймався розчин з постійною 5% концентрацією сульфату натрію.

Балки випробовувалися у віці 1,5 роки, з одночасним випробуванням бетонних кубів.

Для випробовування балок була розроблена і виготовлена спеціальна установка (рис.1). Основним елементом установки є силова рама. Для виміру опорних реакцій і величин завантаження використовуються тарировані сталеві кільця. Навантаження балок виконувалося гвинтами.

Балки випробовували при короткочасному навантаженні із застосуванням зосереджених сил в середині кожного прольоту. Ступені навантаження до утворення перших тріщин приймалися по 0,1 від очікуваного навантаження утворення тріщин, усі наступні ступені - по 0,2 від очікуваного навантаження вичерпання несучої здатності.

Рис.1. Установка для випробовування: 1- збірна залізобетонна балка; 2,3- балка, відповідно, нижня і верхня силової рамі; 4- стійки силової рами; 5- гвинти для вирівнювання балки; 6- завантажувальні гвинти; 7- тарировані кільця з індикаторами; 8- те ж, для виміру опорних реакцій

У третьому розділі приведені теоретичні дослідження напружено-деформованого стану (НДС) перерізів, нормальних до поздовжньої осі залізобетонних елементів, що згинаються, після довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів з урахуванням залежностей для бетону і арматури.

Для оцінки напружено-деформованого стану нормальні перерізи двопрольотних залізобетонних балок після довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів розглядалися до утворення нормальних тріщин у розтягнутих зонах і при вичерпанні несучої спроможності.

Після довготривалої дії корозійного середовища бетон бічних і нижніх поверхонь балки знеміцнюється, при цьому робоча висота і ширина опорного перерізу зменшується, у прольотах зменшується тільки ширина

Розроблена раніше програма для оцінки напружено-деформованого стану нормальних перерізів елементів, що згинаються, при односторонній корозійній дії в даних дослідженнях удосконалена з урахуванням особливостей довготривалого тристоронньої дії сульфатних розчинів на опорні та прольотні перерізи двопрольотних балок.

Удосконалена методика оцінки НДС була застосована при теоретичних дослідженнях міцності та деформативності елементів, що згинаються.

Для двопрольотної балки (мпр=3,1%, мґпр=0,3%, моп=1,1%, мґоп=3,1%, R(0)=30,45 МПа) величини міцності прольоту і опорного перерізу відповідно, 3,639 кНм і 1,077 кНм. Також розглядалися зміни міцності перерізів при довготривалості t=25 років тристоронньої дії сульфатних розчинів. Величини міцності прольоту і опорного перерізу балки, відповідно, дорівнює 1,496 кНм і 0,574 кНм.

У четвертому розділі представлені результати експериментально-теоретичних досліджень нормальних опорних і прольотних перерізів двопрольотних залізобетонних балок згідно СНиП 2.03.010-84*.

Дані дослідження показали, що після довготривалої дії сульфатних розчинів змінюються величини відносної висоти стиснутої зони о(t) із-за зміни величин b(t), h0(t) і Rb(t).

На рис. 2 показані зміни величин о(t) і оR(t) для досліджуваних балок; після деякого часу дії розчину настає в нормальних перерізах такий стан, коли о(t)>оR(t), тобто перерізи переходять у переармовані (II випадок розрахунку).

При визначенні х(t) прийняте постійне в часі значення внутрішніх зусиль Ns і Nsc; у даних дослідженнях через відсутність рекомендацій про характер і динаміку впливу корозійного середовища на зміни міцності і площі поперечного перерізу поздовжньої арматури.

Рис.2. Зміни теоретичних величин ?(t) при R(0)=30,45 МПа: 1,2 - в прольотному перерізі, відповідно, (?пр=1,1%; мґпр=0,3%) і (?пр=3,1%; мґпр=0,3%); 3 - в опорному перерізі (?=3,1%; мґ=1,1%); 4 - оR(t) для арматури класу A-I; 5 - для арматури класу A- III

Після довготривалої корозійної дії зменшується товщина захисного шару розтягнутої і стиснутої арматури через знеміцнення бетону цього шару.

Розрахункова несуча здатність нормальних перерізів визначається з урахуванням особливостей тристороннього корозійного впливу

Mu(t)=Rb(t)b(t)x(t)[h0(t) - 0,5х(t)]+RscА?s[h0(t) - aґ(t)] (1)

На рис.3 приведена зміна величин Mu(t) у прольотних і опорних перерізах досліджуваних балок з 5% концентрацією сульфату натрію.

Рис.3. Зміна величини Mu(t) в прольотних і опорних перерізах: 1,2- проліт, R(0)=30,45 МПа, відповідно,=1,1%,=0,3% і =3,1%,=0,3%; 3,4 - опора,=3,1%,=1,1%, відповідно, R(0)=13,75 МПа і 30,45 МПа

Розглядалися результати розрахунку міцності перерізу балок за допомогою удосконаленої методики і за методикою СНиП 2.03.01-84*. Результати розрахунку в нормальних умовах експлуатації дали задовільну збіжність (розходження не більш 6%).

Теоретичні значення моментів тріщиноутворення опорних і прольотних нормальних перерізів визначаються за формулою (125) СНиП, однак після довготривалої дії корозійного середовища величина пружно-пластичного моменту опору приведеного перерізу Wpl істотно змінюється; величина моменту утворення нормальних тріщин, переутворюючи формули СНиП, визначається за виразом

Mcrc(t) = Rbt,ser(t)Wpl(t). (2)

До моменту утворення тріщин у розтягнутій зоні перерізу середні дослідні деформації арматури і бетону в прольотних і опорних перерізів у всіх випробуваних балках ростуть, практично, пропорційно росту відповідних згинальних моментів. Після утворення нормальних тріщин у розтягнутих зонах розглянутих перерізів спостерігається незначний перелом у графіках росту деформацій практично у всіх випробуваних балках.

Після довготривалої корозійної дії в дійсних дослідженнях момент інерції і пружний момент опору приведеного перерізу пропонується визначати з урахуванням неоднорідного розподілу модуля пружності Eb(t) у перерізі. Поперечні перерізи розбиваються на елементарні прямокутні ділянки з розмірами сторін і величини Eb(t) у центрі ваги площі кожної ділянки визначається згідно методики викладеної в розділі 1.

Відстань від розтягнутої грані до центра ваги приведеного перерізу і момент інерції приведеного перерізу після довготривалої дії корозійного середовища пропонується визначати за формулами

(3)

(4)

де y0j - відстань від середини кожної j-горизонтальної смужки перерізу висотою до розтягнутої грані перерізу; Ebк(t) - середні значення початкового модуля пружності бетону на рівні арматур; Ebj(t) - середні значення початкового модуля пружності бетону в смужці j; бk - коефіцієнти приведення до бетону площ арматур, відповідно, розтягнутої і стиснутої зон.

Величини пружно-пластичного моменту опору приведеного перерізу обчислювалися по рекомендації СНиП 2.03.01-84*.

Згідно рекомендацій СНиП відношення досліджених моментів утворення тріщин Mcrc,оп до теоретичних Mcrc у прольотних і опорних перерізах двопрольотних балок коливається від 0,97 до 1,38 при середній величині 1,21; при врахуванні деформації усадки з введенням коефіцієнта 0,8 відношення Mcrc,оп/Mcrc у середньому склало величину 1,52 в інтервалі від 1,21 до 1,73.

Згинальна жорсткість у нормальних перерізах без тріщин у розтягнутій зоні Bcrc(t) у даних дослідженнях визначається при наступних передумовах про величину Eb(t):

- при змінній величині Ebj(t) в елементарних ділянках, значення Eb(t) визначається в центрі ваги площі кожної ділянки

(5)

- за середні в поперечному перерізі елемента значенню величини модуля пружності;

- за величиною модуля пружності, що визначається як середнє значення по смузі висотою , розташованої на рівні центра ваги приведеного перерізу.

Дані дослідження показали, що після довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів знижується згинальна жорсткість нормальних перерізів Bcrc(t). Так, при t=0 для прольотних перерізів балки (мпр=3,1%, мґпр=0,3%, моп=1,1%, мґоп=3,1%, R(0)=30,45 МПа) =175,9 кНм2, а для опорного перерізу =199,8 кНм2. При t =10 років, відповідно, Bcrc(t)=153,4 кНм2 і 170,0 кНм2; при t=25 років, відповідно, Bcrc (t)=124,8 кНм2 і 124,3 кНм2.

Згинальна жорсткість нормальних перерізів із тріщинами в розтягнутій зоні з урахуванням довготривалої дії корозійного середовища і пружно-пластичних властивостей бетону і розтягнутої арматури пропонується визначати, перетворюючи формулу (160) СНиП до виразу

(6)

У стадіях, близьких до втрати несучої здатності при короткочасному навантаженні, непружні властивості бетону пропонується оцінювати перемінним коефіцієнтом ?b(t).

У даних дослідженнях змінний коефіцієнт, який характеризує пружно-пластичні властивості стиснутого бетону нb(t), при короткочасному навантаженні змінюється в межах 0,45...0,22.

У п'ятому розділі виконано аналіз результатів експериментально-теоретичних досліджень розподілу зусиль та прогинів у двопрольотних залізобетонних балках.

При теоретичному дослідженні розподілу згинальних моментів по довжині двопрольотних статично невизначених балок при дії зосереджених сил на основі методу сил була складена програма для ПЭВМ мовою “Basic”. При цьому були використані наступні моделі розподілу згинальної жорсткості: балки по довжині розбивалися на 3 ділянки, постійна величина на відповідній ділянці згинальної жорсткості визначалася за значеннями опорного Mon і прольотних Mnp згинальних моментів, довжини цих ділянок відповідали довжині ділянок однозначних епюр згинальних моментів; балки по довжині розбивалися на 7 ділянок, довжини їх залежать від величин опорного і прольотного моментів, а також моментів утворення нормальних тріщин Mcrc в опорному і прольотному перерізах, тобто балки розбивалися на ділянки з тріщинами в розтягнутій зоні і на ділянки, де були відсутні тріщини; балки по довжині розбивалися на 20 ділянок, на кожній ділянці згинальна жорсткість приймалася постійна в залежності від величини моменту на середині ділянка; при визначенні жорсткості враховувалася наявність тріщин у розтягнутій зоні перерізу.

Наприклад, до утворення нормальних тріщин, дослідні значення згинальних моментів при Р=1,8 кН на опорі (=1,1%) і в прольотних (=3,1%), відповідно, рівні 0,460 кН·м і 0,230 кН·м, а теоретичні значення при розбивці на 3 ділянки, відповідно, рівні 0,353 кН·м і 0,274 кН·м; при розбивці на 7 ділянок, відповідно, рівні 0,338 кН·м і 0,281 кН·м; при розбивці на 20 ділянок, відповідно, рівні 0,353 кН·м і 0,274 кН·м. При Р=6,58 кн. дослідні значення згинальних моментів, відповідно, рівні 1,225 кН·м і 1,035 кН·м, а теоретичні значення при розбивці на 3 ділянки, відповідно, рівні 1,039 кН·м і 1,125 кН·м; при розбивці на 7 ділянок, відповідно, рівні 1,051 кН·м і 1,120 кН·м; при розбивці на 20 ділянок, відповідно, рівні 1,085 кН·м і 1,103 кН·м.

При теоретичному визначенні величин прогинів у середині прольоту двопрольотної залізобетонної балки при симетричному завантаженні для одержання аналітичних залежностей використовували наступні моделі розподілу згинальної жорсткості:

- балка по довжині розбивається на три ділянки (рис. 4, а) і вираз для прогину можна записати:

(7)

де ;

- балка по довжині розбивається на сім ділянок з урахуванням наявності тріщин у розтягнутих зонах M>Mcrc, чи їхньої відсутності M?Mcrc (рис. 4, б):

(8)

де Bcrc,np - згинальні жорсткості в прольотних перерізах без тріщин у розтягнутих зонах; ;

- коли кожний проліт балки розбивається на десять рівномірних ділянок.

Рис.4. До визначення прогинів у середині балки при розбивці довжини балки: а) - на три ділянки; б) - на сім ділянок; еп. “М” - епюра згинальних моментів; еп. “В” - епюра згинальних жорсткостей; еп. “” - епюра моментів від одиничної сили

загальні висновки

Проведені експериментально-теоретичні дослідження роботи двопрольотних залізобетонних балок при короткочасному навантаженні після довготривалої тристоронньої дії рідких сульфатних розчинів дозволили зробити наступні основні висновки.

1. Довготривала дія сульфатних розчинів впливає на фізико-механічні властивості бетону, внаслідок чого знижується розрахункова несуча здатність і тріщиностійкість, підвищується деформативність нормальних до поздовжньої осі елемента перерізів.

Після тристоронньої дії корозійного середовища фізико-механічні характеристики бетону змінюються в поперечних перерізах досліджуваних балок нерівномірно. Коефіцієнт нерівномірності в поперечному перерізі за міцністю на осьовий стиск і розтягання змінюється від величини 1,0 до, відповідно 0,42 і 0,16 при довготривалості дії сульфатних розчинів 5% концентрації 25 років. Коефіцієнт нерівномірності розподілу величин початкового модуля пружності змінюється від величини 1,0 до 0,47 при довготривалості дії середовища 25 років.

2. При тристоронній дії сульфатних розчинів на двопрольотні балки прольотні та опорні перерізи знаходяться в різних розрахункових ситуаціях: у прольотних перерізах на стиснуту зону нормального перерізу корозійне середовище впливає практично симетрично на бічні вертикальні поверхні, в опорних перерізах - на стиснуту зону середовище впливає з трьох сторін - на бічні і нижню поверхні.

У процесі довготривалої дії середовища нормальні перерізи балок можуть переходити в переармовані, коли ? > оR.

3. При нагромадженні корозійних ушкоджень відбувається зміна конструктивних факторів (робоча висота і ширина перерізу, відсоток армування), що впливає на напружено-деформований стан нормальних перерізів в умовах довготривалої дії сульфатних розчинів та короткочасному навантаженні.

4. На основі досліджень і рекомендацій проф. Савицького М.В. удосконалена програма оцінки (з урахуванням залежностей “???” для бетону і арматури) напружено-деформованого стану нормальних перерізів елементів, що згинаються, при односторонній дії корозійного середовища з урахуванням особливостей довготривалого тристоронній дії сульфатних розчинів. Програма мовою “Basic” дозволяє досліджувати напружено-деформований стан як до утворення, так після утворення нормальних до поздовжньої осі елемента тріщин у розтягнутих зонах статично невизначених двопрольотних балок.

5. Теоретичні значення моменту утворення тріщин, деформацій розтягнутої арматури і бетону стиснутої зони, згинальної жорсткості перерізів, ширини розкриття нормальних тріщин для балок, що згинаються, в експлуатаційній стадії при короткочасному навантаженні після довготривалої тристоронньої дії корозійного середовища і можна визначити за формулами СНиП 2.03.01-84* з урахуванням зміни фізико-механічних характеристик бетону при корозійній дії.

У стадіях, близьких до руйнування згинальну жорсткість рекомендується визначати з урахуванням коефіцієнту, який характеризує пружно-пластичі властивості стиснутого бетону ? b(t), значення якого дане в роботі.

6. Згинальну жорсткість нормальних перерізів залізобетонних елементів на ділянках без тріщин у розтягнутій зоні Bcrc(t) рекомендується визначати “точним” методом, розбиваючи поперечний переріз елемента на елементарні ділянки з урахуванням нерівномірності розподілу по перерізі модуля пружності та зміни розмірів поперечного переріза через знеміцнення бетону.

Допускається визначати згинальну жорсткість Bcrc(t), визначаючи величину Eb(t) у центрі ваги приведеного перерізу.

7. Згинальну жорсткість нормальних перерізів на ділянках із тріщинами в розтягнутій зоні рекомендується визначати, преутворюючи формулу (160) СНиП 2.03.01-84* і з огляду на дію корозійного середовища. Значення Eb(t) рекомендується визначати по центру ваги стиснутої зони перерізу після визначення відносної висоти стиснутої зони ? за формулою (161) СНиП 2.03.01-84*.

8. Розрахунок зусиль у двопрольотних балках при співвідношенні прольоту до висоти перерізу більш 10 рекомендується визначати методом будівельної механіки з урахуванням ітераційно-крокового способу, приймаючи фактичний розподіл згинальної жорсткості по довжині елемента.

Допускається визначати зусилля, приймаючи згинальну жорсткість нормальних перерізів постійною по довжині характерних ділянок або по довжині однозначної епюри згинальних моментів.

9. Після довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів змінюється розрахункова несуча здатність нормальних перерізів. Рекомендується несучу здатність визначати ітераційним способом, визначаючи при t=0 висоту стиснутої зони перерізу х0 у першому наближенні без урахування дії корозійного середовища. В другому наближенні міцність бетону Rb(t) визначається по центру ваги стиснутої зони перерізу, тобто на відстані 0,5х0 від найбільш стиснутої грані перерізу.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

Бородин А.А., Мохебимогхаддам Б.А. Исследования статически неопределимых железобе6тонных балок при кратковременном нагружении т длительном агрессивном воздействии //Сб. науч. тр.: Строительства. Материаловедение. Машиностроение; Вып. №11 - Дніпропетровськ: ПГАСиА, 2000. - С. 13-19. (Проектування і виготовлення спеціальні установки для дослідів балок і визначення зусиль у статично невизначених залізобетонних конструкцій, що згинаються, з урахуванням пластичної роботи бетону і арматури).

Бородин А.А., Мохебимогхаддам Б.А. Прочность двухпролетных железобетонных балок при длительном действии коррозионной среды Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2001. - №11. - С. 13-19. (Дослід-ження впливу довготривалій тристоронній дії сульфатних розчинів на несучу здатність нормальних перерізів двопрольотних нерозрізних балок).

Бородин А.А., Мохебимогхаддам Б.А. Исследование распределения жесткости и усилий в неразрезных двухпролетных железобетонных балках при длительном коррозионном и кратковременном силовом воздействиях Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2001. - №12. - С. 14-21. (Дослід-ження впливу довготривалій тристоронній дії сульфатних розчинів на згинальну жорсткість нормальних перерізів із тріщинами в розтягнутій зоні і перерізів без тріщин).

Савицкий Н.В., Бородин А.А., Мохебимогхаддам Б.А., Тытюк А.А., Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния сечений, нормальных к продольной оси, изгибаемых железобетонных элементов при длительном трехстороннем воздействии сульфатных растворов и кратковременном нагружении //Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2002. - №8. - С. 31-38. Теоретичні дослідження напружено-деформованого стану нормальних до поздовжньої осі, залізобетонних елементів, що згинаються при довготривалій тристоронньої дії сульфатних розчинів та короткочасному навантаженні з урахуванням залежностей.

Бородин А.А., Тытюк А.А., Мохебимогхаддам Б.А. Оценка прогибов двохпролетних железобетонных балок //Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2002. - №9. - С. 14-17. (Дослідження оцінки прогинів у середині прольоту нерозрізних двопрольотних залізобетонних балки при симетричному навантаженні та різних розподілу зусиль згинальної жорсткості).

АННОТАЦИЯ

Мохебимогхаддам Б.А. Напряженно-деформированное состояние статически неопределимых двухпролетных железобетонных балок при длительном воздействии сульфатных растворов и кратковременном нагружении. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2002.

Работа посвящена изучению напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов после длительного трехстороннего воздействия сульфатных растворов, а также изучению распределения усилий при кратковременном нагружении после воздействия растворов. Действующие в Украине и Иране нормативные документы по проектированию не учитывают воздействие сульфатных растворов на статически неопределимые конструкции.

Экспериментальное исследование выполнено на статически неопределимых двухпролетных железобетонных балок прямоугольного поперечного профиля, хранящихся в 5% водном растворе сульфата натрия, действующего на боковые и нижнюю поверхность при кратковременном воздействии внешней нагрузки. Продольная рабочая арматура принята из стали класса A-III.

В процессе исследования определялись опытные распределение усилий и изгибной жесткости в сечениях на всех стадиях работы конструкции - от начала загружения до стадии, близких к физическому разрушению пролетных и опорных сечений.

При воздействии агрессивной среды на бетон изменяются параметры диаграмм деформирования бетона: прочность, модуль деформаций, предельная сжимаемость и др., поэтому необходимо иметь зависимость для описания диаграммы бетона, в которой в явном виде учитывались бы изменения указанных параметров.

На основании теоретических исследований усовершенствована методика расчета напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов с учетом особенностей длительного трехстороннего воздействия сульфатных растворов.

Для определения распределения прочности бетона на осевое сжатие и растяжение, а также модуля упругости после длительного трехстороннего воздействия сульфатных растворов расчетные нормальные сечения изгибаемого элемента предлагается разбивать на n-участков. В условиях контакта с сульфатными растворами изменение физико-механических характеристик бетона учитывается введением соответствующих коэффициентов условий работы в центре тяжести площади каждого участка.

При длительном трехстороннем воздействии сульфатных растворов физико-механические характеристики бетона изменяются в поперечных сечениях балок неравномерно из-за снижения этих характеристик по глубине фронта взаимодействия коррозионной среды от поверхностей в глубину сечения. Коэффициент неравномерности по прочности на осевое сжатие и растяжение (соотношение прочности при t=0 к средней прочности в сечении после t-воздействия) изменяется от величины 1,0 до, соответственно, 0,42 и 0,16 при длительности воздействия среды 25 лет. Коэффициент неравномерности модуля упругости, соответственно, изменяется от величины 1,0 до 0,47.

Результаты теоретических исследований прочности по методике СНиП 2.03.01-84* показывают, что в следуемых балках после длительного трехстороннего воздействия сульфатных растворов до 25 лет прочность в опорных сечениях балок уменьшается более интенсивно, чем в пролетных. Это объясняется тем, что на бетон сжатой зоны опорного сечения сульфатный раствор воздействует с трех сторон, а в пролетном сечении с двух сторон и, следовательно, в сжатой зоне опорного сечения средняя прочность снижается в большей мере, чем в пролетном сечении. Кроме того, в опорных сечениях после воздействия сульфатного раствора из-за разупрочнения бетона поверхностных слоев, уменьшается ширина и рабочая высота.

Проведены теоретические исследования для расчета изгибной жесткости в нормальных сечениях без трещин и с трещинами, несущей способности с учетом особенностей длительного трехстороннего воздействия сульфатных растворов, а также исследования для расчета прогибов в статически неопределимых двухпролетных железобетонных балках.

При определении несущей способности нормальных сечений применен метод итерации: в первом приближении высота сжатой зоны x1 определяется без учета воздействия растворов при t=0; во втором приближении площадь сжатой зоны bx1 разбивается на квадратные или прямоугольные элементарные участки и при последующей итерации величина принимается среднее по площади сжатой зоны 1-й итерации значение прочности и т.д.

Для оценки напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов, теоретических исследований распределения усилий, расчета изгибной жесткости, расчетной несущей способности и прогибов разработаны программы для ПЭВМ на языке “Basic”.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, статически неопределимые железобетонные балки, длительное трехстороннее воздействие сульфатных растворов, распределение усилий, изгибная жесткость.

АНОТАЦІЯ

Мохебімогхаддам Б.А. Напружено-деформований стан статично невизначених двопрольотних залізобетонних балок при довготривалій дії сульфатних розчинів та короткочасного навантаження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2002.

Робота присвячена вивченню напружено-деформованого стану залізобетонних елементів, що згинаються, після довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів, а також вивченню розподілу зусиль при короткочасному навантаженні після дії розчинів. Діючі в Україні та Ірані нормативні документи не враховують дії сульфатних розчинів на статично невизначені конструкції.

Експериментальні дослідження виконані на статично невизначених двопрольотних залізобетонних балках прямокутного поперечного профілю. Які зберігалися в 5% водному розчині сульфату натрію, який діє на бічні та нижні поверхні балок при короткочасній дії зовнішнього навантаження. Поздовжня робоча арматура прийнята із сталі класу A-III.

У процесі дослідження визначалися дослідний розподіл зусиль і згинальної жорсткості в перерізах на всіх стадіях роботи конструкції - від початку завантаження до стадій, близьких до фізичного руйнування прольотних і опорних перерізів.

На підставі теоретичних досліджень удосконалені методики розрахунку НДС залізобетонних елементів, що згинаються, з урахуванням особливостей довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів.

Проведені теоретичні дослідження для розрахунків згинальної жорсткості у нормальних перерізів без тріщин і з тріщинами, несучої здатності з урахуванням залежностей довготривалої тристоронньої дії сульфатних розчинів, а також дослідження для розрахунків прогинів у статично невизначених двопрольотних залізобетонних балках.

Для оцінки згинальних залізобетонних елементів, теоретичних досліджень розподіл зусиль, розрахунків згинальної жорсткості, розрахункової несучої здатності і прогинів розроблені програми для ПЭВМ мовою “Basic”.

Ключові слова: напружено-деформований стан, статично невизначені залізобетонні балки, довготривалі тристоронні дії сульфатних розчинів, розподіл зусиль, згинальна жорсткість.

SUMMARY

Mohebimoghaddam B.A. Stress-strain state of statically indefinable two-span reinforced concrete beams by long sulphate solutions influence and short-term loading. - Manuscript.

Thesis for Degree of Candidate of Technical Science, speciality 05.23.01 - structure of buildings and constructions. - Pridneprоvsk state academy of Civil Engineering and Architecture. Dnepropetrovsk City, 2002.

The scientific work is devoted to studying of stress-strain state of bending reinforced concrete elements after long three-sided sulphate solutions influence, and also studying of efforts distribution by short-term loading after solutions influence. The normative documents on designing in Ukraine and Iran do not take into account sulphate solutions influence on statically indefinable structures.

The experimental researches is executed on statically indefinable two-span reinforced concrete beams with rectangular cross-sections, kept in 5% water solution of nutria sulphate, influencing on laterals and bottom surfaces by short-term influence of external loading. The longitudinal reinforcement is accepted from steel class A-III.

In process of experimental researches were determined experienced efforts distribution and bending stiffness in sections at all stages of work of structures - from start loading to a physical destruction stage in the spans and over supports sections.

On the basis of theoretical researches the technique of design of stress-strain state of bending reinforced concrete elements is advanced with account of features of long three-sided sulphate solutions influence.

The theoretical researches are carried out for designing of bending stiffness in sections without and with cracks, and serviceability limit with account of features of long three-sided sulphate solutions influence, also for designing of deflections in statically indefinable two-span reinforced concrete beams.

Programs for computer on language "Basic" are developed for a rating of stress-strain state of bending reinforced concrete elements, also for theoretical researches of efforts distribution, design of bending stiffness, serviceability limit and deflections.

Key words: stress-strain state, statically indefinable reinforced concrete beams, long three-sided sulphate solutions influence, efforts distribution, bending stiffness.

Размещено на Allbest.ur