Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

УДК 624.012.4:539.43

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН І МІЦНІСТЬ НЕРОЗРІЗНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОК ПРИ ОДНОРАЗОВИХ ТА ПОВТОРНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Бабич Володимир Євгенійович

Полтава - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування (м. Рівне) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник Кандидат технічних наук, доцент Масюк Григорій Харитонович, Професор кафедри інженерних конструкцій Національного університету водного господарства та природокористування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Яременко Олександр Федорович, Завідувач кафедри будівельної механіки Одеської державної академії будівництва і архітектури;

- кандидат технічних наук, доцент Клименко Євгеній Володимирович, Професор кафедри залізобетонних і кам'яних Конструкцій Полтавського національного Технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Провідна установа - Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра будівельних конструкцій і мостів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “ 14 ” червня 2005 р., о 14.00 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий “11” травня 2005 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Чернявський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Залізобетонні балки входять до складу різноманітних будівель і споруд. Особливе місце займають статично невизначені (нерозрізні) залізобетонні балки, так як у них найбільш раціонально використовуються в роботі їх складові матеріали - бетон і арматура. Поширені нерозрізні залізобетонні балки в конструкціях перекриттів промислових та цивільних будівель, а також в конструкціях багатьох спеціальних споруд. Вони виготовляються з монолітного, збірного та збірно-монолітного залізобетону. На сучасному етапі розвитку будівництва перші набувають переваги над іншими, так як в них немає необхідності при зведенні влаштовувати складні стики.

На перекриття виробничих, громадських, житлових будівель, спеціальних споруд в більшості випадків діють малоциклові повторні тимчасові навантаження. Інколи фактичне навантаження може перевищувати повне розрахункове. Експериментальних досліджень роботи нерозрізних балок при повторних навантаженнях виконано недостатньо. Чинні нормативні документи з проектування статично невизначених залізобетонних конструкцій рекомендують зусилля від дії зовнішніх навантажень визначати за методом граничної рівноваги з використанням граничних умов, які на сьогодні не враховують повних діаграм деформування бетону і арматури, а також не дають можливості визначати напружено-деформований стан балок на будь-якій стадії навантаження.

Виходячи з наведеного, дослідження роботи нерозрізних залізобетонних балок та удосконалення методики їх розрахунку на основі деформаційної моделі є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації були етапами виконання тем: “Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи” (РК 0198 U 002424), “Розробка теоретичних основ розрахунку статично невизначених конструкцій з композиційних матеріалів при різних режимах навантаження” (номер державної реєстрації 0101 U 01892), технічні завдання яких затверджені Міністерством освіти і науки України. Окремі питання вирішувались у відповідності з завданнями комплексної теми кафедри інженерних конструкцій НУВГП: “Дослідження роботи будівельних конструкцій при різних видах навантаження та удосконалення методів їх розрахунків”.

Мета й задачі дослідження. В роботі ставиться за мету розробити методику визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів нерозрізних залізобетонних балок та їхньої міцності при дії короткочасних одноразових та повторних малоциклових навантажень, базуючись на сучасній розрахунковій деформаційній моделі, та підтвердити прийнятність розробленої методики власними експериментальними даними й даними досліджень інших авторів.

Для досягнення мети вирішувались такі задачі:

- отримати нові експериментальні дані про роботу нерозрізних залізобетонних балок при дії короткочасних одноразових і повторних малоциклових навантажень та вивчити характер перерозподілу зусиль і напружено-деформованого стану опорних і прольотних перерізів на усіх стадіях роботи балок;

- обґрунтувати граничні деформаційні умови розрахунку нерозрізних балок за методом граничної рівноваги;

- обґрунтувати передумови та розробити методику визначення напружено-деформованого стану і міцності нормальних перерізів балок на основі деформаційної моделі при одноразових та повторних навантаженнях;

- виконати порівняння отриманих теоретичних даних із результатами власних експериментальних досліджень та даними інших авторів, виконати статистичну оцінку достовірності запропонованих методик.

Об'єкт дослідження - нерозрізні залізобетонні балки.

Предмет дослідження - перерозподіл зусиль, напружено - деформований стан і міцність нерозрізних залізобетонних балок при одноразових й повторних навантаженнях, методики їх визначення.

Методи дослідження - теоретичні дослідження напружено-деформованого стану і міцності нормальних перерізів балок на основі розрахункової деформаційної моделі, експериментальні дослідження роботи нерозрізних балок за спеціально розробленою методикою, статистичний аналіз збіжності теоретичних і експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертації одержані такі основні нові результати:

- нові експериментальні дані про роботу залізобетонних нерозрізних балок, які дали можливість виявити особливості напружено-деформованого стану нормальних перерізів, перерозподілу зусиль, розвитку прогинів та нормальних тріщин при одноразових та повторних малоциклових навантаженнях;

- установлено, що причиною утворення пластичних шарнірів у нормальних перерізах може бути суттєвий розвиток пластичних деформацій у бетоні, коли він працює на низхідній ділянці діаграми деформування;

- вперше обґрунтовані граничні деформаційні умови розрахунку нерозрізних балок за методом граничної рівноваги;

- запропонована методика визначення напружено-деформованого стану і міцності нормальних перерізів та руйнівних навантажень на балки.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертаційній

роботі результати можуть бути використані при проектуванні нерозрізних залізобетонних балок, які піддаються в процесі експлуатації повторним малоцикловим навантаженням. Розроблені блок-схеми дають можливість використовувати обчислювальну техніку.

Матеріали дисертації покладені в основу рекомендацій “Розрахунок нерозрізних залізобетонних балок за методом граничної рівноваги”, включені в кінцеві звіти по держбюджетним темам “Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи” (ОК 0298 U 002192) і “Розробка теоретичних основ розрахунку статично невизначених конструкцій з композиційних матеріалів при різних режимах навантаження” (ОК 0204 U 000941) та використані при виконанні двох кваліфікаційних магістерських робіт і одного дипломного проекту.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що

- експериментально встановлені особливості роботи нерозрізних залізобетонних балок при одноразових і повторних навантаженнях;

- запропоновані нові деформаційні граничні умови розрахунку нерозрізних залізобетонних балок за методом граничної рівноваги;

- розроблена методика визначення напружено-деформованого стану і міцності нормальних перерізів балок на основі розрахункової деформаційної моделі при одноразових і повторних навантаженнях;

- виконана статистична оцінка запропонованої методики шляхом порівняння теоретичних даних з експериментальними даними автора та інших дослідників.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднені й схвалені на наступних конференціях: міжнародній науково-технічній конференції ”Создание и применение высокоэффективних наукоємних ресурсосберегающих технологий, машин и комплексов” (м. Могильов, 2002 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Строительство, реконструкция и восстановление зданий и сооружений городского хозяйства” (м. Харків, 2002 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування” (м. Рівне, 2002 р.); науково-технічній конференції творчої молоді “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” (м. Київ, 2003 р.); науково-технічних конференціях “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (м. Рівне, 2001 і 2003 рр.); п'ятій всеукраїнській науково-технічній конференції “Будівництво в сейсмічних районах України” (м. Ялта, 2004 р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів Національного університету водного господарства та природокористування (м. Рівне, 2000 - 2004 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 наукових праць, із яких 13 статей у фахових виданнях та одні тези доповіді.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 142 найменувань та трьох додатків. Загальний обсяг роботи становить 213 cторінок, зокрема: 114 сторінок основного тексту, 64 рисунків, 46 таблиць.

напружений деформований нерозрізний залізобетонний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі подана загальна характеристика дисертації, обґрунтована актуальність теми, викладені мета та задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність роботи.

У першому розділі висвітлена область застосування нерозрізних залізобетонних балок, існуючі методи їх розрахунку, зроблено критичний огляд опублікованих результатів експериментальних досліджень нерозрізних балок при короткочасних і повторних навантаженнях.

Роботу нерозрізних балок при одноразовому навантаженні вивчали Гвоздев О.О., Гленвіль В., Гнідець Б.Г., Голишев О.Б., Гуща Ю.П., Демчина Б.Г., Зайцев Л.Н., Залесов О.С., Ікрамов С.К., Казінчі Г., Кваша В.Г., Крилов С.М., Макаренко Л.П., Мангушев А.І., Тихий М., Томас Ф., Яременко О.Ф. та інші.

В багатьох випадках під час експлуатації балки піддаються повторним навантаженням, які можуть впливати на їх напружено-деформований стан та механічні характеристики бетону і арматури, але досліджень роботи балок, навіть однопрольотних, при дії повторних навантажень виконано недостатньо. До них можна віднести досліди з однопрольотними балками Барашикова А.Я., Беккієва М.Ю., Валового А.І., Круся Ю.О., Кухнюка О.М., Масюка Г.Х., Панчука Ю.М., Погореляка А.П., Сіль Г.Р., Яковлєва С.К., із двохпрольотними балками - Другова Л.І., Кулдашева К., Маіляна Л.Р., Расторгуєва Б.С., Цепелєва С.В.

Спираючись на теорію граничної рівноваги, розроблену О.О. Гвоздєвим, та результати експериментальних досліджень, були запропоновані рекомендації щодо розрахунку статично невизначених залізобетонних конструкцій, які знайшли своє закріплення в нормативних документах.

Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень дозволяє зробити такі висновки: існуючий метод розрахунку нерозрізних залізобетонних балок за методом граничної рівноваги не відповідає сучасним уявленням про повні діаграми деформування бетону й арматури; в розрахункову схему напружено-деформованого стану нормального перерізу покладена прямокутна епюра напружень в бетоні стиснутої зони, що є умовною; прийнята методика розрахунків не дає можливості визначати напружено-деформований стан поперечного перерізу балок на будь-якій стадії навантаження; в розрахунках залізобетонних балок при дії повторних малоциклових навантажень не враховується зміна механічних характеристик бетону й арматури, які обумовлені дією таких навантажень.

З огляду на вищенаведене в дисертаційній роботі сформульовані мета досліджень та задачі для її досягнення.

Другий розділ присвячений розробці методики визначення напружено-деформованого стану та міцності нерозрізних залізобетонних балок за методом граничної рівноваги з використанням розрахункової деформаційної моделі, яка знаходить застосування на сучасному етапі розробки нормативної бази проектування залізобетонних конструкцій. Деформаційній моделі розрахунку залізобетонних конструкцій значну увагу приділяли Байков В.М., Бамбура А.М., Бачинський В.Я., Дорофеєв В.С., Залесов О.С., Маілян Л.Р., Мухамедієв Т.А., Павліков А.М., Пецольд Н.Т., Роговий С.І., Яременко О.Ф.

В основу деформаційної моделі в дисертації покладені такі положення:

- рівняння рівноваги зовнішніх і внутрішніх зусиль у нормальному перерізі;

- розподілення напружень в бетоні стиснутої зони має криволінійний характер;

- умови деформування перерізу у вигляді лінійного розподілення деформацій по його висоті;

- повні діаграми деформування бетону й арматури;

- до руйнування балок по нормальним перерізам руйнування по похилим не відбувається.

Для описання повної діаграми деформування бетону запропоновано багато формул, які мають дещо різну структуру, але дають задовільну збіжність з експериментальними даними. Для подальших досліджень приймемо діаграму _b - _b, запропоновану В.Я.Бачинським та А.М.Бамбурою, у вигляді

, (1)

де _b - напруження в бетоні; R_b - призмова міцність бетону; _b - деформації бетону, які відповідають напруженню _b; _bR - максимальні деформації бетону, які відповідають R_b; a_k - коефіцієнти поліноміальної залежності. Діаграми деформування арматури описуються комплексом рівнянь, які залежать від значення деформацій на окремих її ділянках (Бамбура А.М.).

За фіксованих значень висоти стиснутої зони бетону x₁ = z₁ і деформацій крайнього стиснутого волокна бетону _b = _b1 рівняння рівноваги зовнішніх і внутрішніх зусиль в нормальному перерізі мають вигляд

(2)

, (3)

де M₁; M_int,1; M_b1 і M_s1 - згинальні моменти відповідно від зовнішнього навантаження, внутрішніх зусиль, зусиль у стиснутому бетоні й арматурі; N_b1, N_s1 і N_sc1 - рівнодіючі внутрішніх зусиль у стиснутому бетоні, розтягнутій та стиснутій арматурі.

Враховуючи прийняті передумови, знайдені формули для визначення внутрішніх зусиль, які виникають в нормальному перерізі балки при одноразовому навантаженні:

_b=

; (4)

; (5)

(6)

Визначення внутрішніх зусиль за наведеними вище формулами здійснюється методом послідовних наближень. Для реалізації вирішення задачі з використанням комп'ютерної техніки розроблена блок-схема та відповідна програма.

Будемо вважати, що може бути декілька причин руйнування поперечного перерізу згинальних елементів: перша - деформації у розтягнутій арматурі зростають суттєво і досягають своїх максимальних значень _sR , а деформації у бетоні менше значень _bu; друга - бетон у стиснутій зоні працює тільки на висхідній ділянці діаграми деформування, його деформації досягають максимальних значень _bR одночасно з досягненням в арматурі деформаціями максимальних значень _sR ; третя - бетон стиснутої зони працює на низхідній ділянці діаграми деформування, його деформації досягають граничних значень _bu, а деформації в арматурі можуть не досягати максимальних значень _sR.

В першому випадку для елементів прямокутного профілю при знайдених _b1(n) і z_1(n) ( n - кількість наближень) граничний момент внутрішніх зусиль M_u можна визначити за формулою

. (7)

За другої і третьої причин приймаємо відповідно _b1 = _bR або _b1 = _bu, при яких висота стиснутої зони, деформації й напруження в арматурі невідомі, але не досягають граничних значень. Граничні моменти, які може сприймати поперечний переріз, визначаться за такими формулами:

при _b1 = _bR

; (8)

при _b1 = _bu

. (9)

Експериментальним шляхом установлено (Бабич Є.М., Беккер В.А., Крусь Ю.О., Макаренко Л.П., Ставров Г.Н., Фенко Г.О.), що повторні навантаження залежно від їх рівня й кількості циклів можуть впливати на механічні характеристики бетону й арматури. Вони можуть спричиняти збільшення або зменшення міцності бетону, змінювати характер діаграми деформування, його початковий модуль пружності, максимальні деформації перед руйнуванням. З цього приводу для визначення напружено-деформованого стану поперечного перерізу балок приймемо, базуючись на залежності (1), модифіковану залежність між напруженнями й деформаціями бетону, для чого в формулу введемо параметри з урахуванням їх зміни в процесі повторних навантажень (формули для визначення параметрів наводяться в дисертації).

Як показали наші дослідження, повторні малоциклові навантаження практично не впливають на міцність і модуль пружності арматури середньої міцності (А-ІІІ, А-ІY), а тому далі механічні характеристики арматури середньої міцності будемо приймати як при одноразовому навантаженні.

Розрахункову схему для поперечного перерізу балки при визначенні напружено-деформованого стану приймемо таку, але деформації і напруження приймаються з урахуванням повторних навантажень. В цьому випадку формула (6) набуває вигляду

(10)

Стосовно існуючої методики розрахунку статично невизначених систем можна зробити такі зауваження. По-перше, обмеження виникнення суттєвих деформацій в арматурі здійснюється умовою граничної міцності поперечного перерізу, при визначенні якої епюра напружень у стиснутій зоні бетону приймається у вигляді прямокутника, яка в дійсності є криволінійною. По-друге, наведені граничні умови не враховують можливість утворення в поперечному перерізі залізобетонних елементів шарніру пластичності внаслідок роботи бетону стиснутої зони на низхідній ділянці діаграми деформування. По-третє, не враховується обмеження деформацій арматури з метою забезпечення необхідної тріщиностійкості залізобетонних елементів. Зважаючи на зазначені зауваження, доцільно в розрахунках статично невизначених конструкцій з урахуванням перерозподілу зусиль ввести граничні деформаційні умови. Для нерозрізних залізобетонних балок граничні умови, які обмежують деформації матеріалів, на основі деформаційної моделі можна записати у такому вигляді:

(11)

, (12)

де M_bu і M_su - згинальні моменти внутрішніх зусиль відповідно в бетоні і арматурі відносно нейтральної лінії при граничних значеннях їх деформацій; _b і _s - деформації відповідно бетону і арматури від зовнішнього навантаження;

Крім граничних умов (11) і (12), необхідно встановити граничні умови, які б забезпечували необхідну тріщиностійкість залізобетонних елементів. Такими умовами для звичайних залізобетонних конструкцій (без попереднього напружування арматури), які гарантують відсутність тріщин у бетоні розтягнутої зони або обмежують їх ширину розкриття, відповідно можна прийняти

,(13)

де _bt,R - максимальні деформації бетону при розтяганні; _s,crc - деформації арматури, які відповідають граничній ширині розкриття тріщин a_crc,u, що встановлюють згідно з нормами проектування.

Виходячи з прийнятих граничних умов, в дисертації наведено приклад визначення руйнівного навантаження на нерозрізну балку. В роботі також наводяться формули і блок - схема для знаходження площі поперечного перерізу поздовжньої робочої арматури.

В третьому розділі наведені обсяг та програма експериментальних досліджень, конструкція дослідних балок та механічні характеристики бетону і арматури. Випробувано три серії нерозрізних двохпрольотних залізобетонних балок довжиною 300 см прямокутного перерізу розміром 1016 см. Для виготовлення балок, кубів з розміром ребра 15 см і призм розміром 151560 см використовували бетон класів В20 і В25. На початок випробувань балок (90…120 діб) призмова міцність бетону першої, другої і третьої серії балок відповідно складала R_b = 18,5; 18,5 і 22,3 МПа. Призми випробовували одноразовим і повторним навантаженням до рівня 0,65R_b (n=10 циклів). За результатами досліджень побудовані діаграми деформування призм як по циклах навантаження, так і при руйнуванні, а також встановлені максимальні _bR і граничні _bu деформації бетону для кожної серії дослідів.

Для поздовжнього армування балок використовували арматурні стержні класу А-ІІІ діаметром 10 і 12мм. Для всіх стержнів за стандартною методикою визначалась межа текучості арматури _y = R_s та модулі пружності E_s. Для першої, другої і третьої серії значення R_s для стержнів діаметром 12мм відповідно склали R_s = 496,6; 434,2 і 615,3МПа, а максимальні деформації, що відповідають R_s, _sR = 248,4*10^-5; 214,5*10^-5 і 312,0*10^-5. Поперечні і похилі стержні виконувались із дроту 4 В_р-І. Для стержнів діаметром 10мм - R_s = 544,6 МПа, _sR = 261,3*10^-5.

Для стержнів другої і третьої серії вивчався вплив повторних навантажень на їх механічні характеристики. Стержні випробовувались на десятикратне повторне навантаження до рівня _s,cyc = 0,73 R_s для другої і _s,cyc = 0,97 R_s для третьої серії дослідів. Результати досліджень свідчать, що межа текучості і модуль пружності арматури після повторного циклічного навантаження практично не змінювались.

Армування балок здійснювали поздовжніми і поперечними (балки першої серії) та поперечними і похилими стержнями (балки другої і третьої серій). Балка першої серії 1Б-1 була заармована, виходячи з умов пружної її роботи, а решта балок армувалась таким чином, щоб у них була можливість перерозподілу зусиль під час навантаження (таблиця). Для цього виконано розрахунок балок за пружної роботи та виконано теоретично перерозподіл в них зусиль, прийнявши умову, що згинальні моменти на опорі і в прольотах мають однакові значення.

Для випробовування двохпрольотних нерозрізних балок на базі гідравлічного преса ПГ-200 змонтована спеціальна установка, яка включала опорну балку (2 зварені швелера №40), на якій розташовувалась середня нерухома опора та шарнірно-рухомі крайні опори. В якості крайніх опор використовували протаровані кільцеві динамометри, які дали змогу в процесі навантажень вимірювати опорні реакції і розкрити статичну невизначеність балок. Балки випробовували як двохпрольотні з навантаженням двома зосередженими силами, які прикладали на віддалі 60см від центра нерухомої опори. Навантаження і розвантаження балок здійснювали ступенями, які були рівними приблизно

(0,08…0,1)*P_u,

де P_u - передбачуване руйнівне навантаження.

Основні характеристики дослідних балок

Серія	Марка	Переріз, b h, см	Робоча висота, h0, см	Площа арматури, см2	Процент армування, %
				Аsup	Аsp	sup	sp
І	1Б-1	1016	14,2	2,26	1,57	1,59	1,10
	1Б-2	1016	14,0	2,26	2,26	1,62	1,62
	1Б-3	1016		2,26	2,26
ІІ	2Б-1	1016	14,0	2,22	2,22	1,56	1,56
	2Б-2	1016
	2Б-3	1016		3,33	3,33	2,37	2,37
ІІІ	3Б-1	1116	14,0	2,34	2,34	1,52	1,52
	3Б-2	1116
	3Б-3	1116
Asup - площа поперечного перерізу арматури на опорі; Asp - те саме, в прольоті.

Балки першої серії (1Б-1, 1Б-2 і 1Б-3) і балки 2Б-1 і 3Б-1 випробовували одноразовим навантаженням до руйнування. Балки 2Б-2 і 3Б-2 піддавались повторним короткочасним навантаженням, рівень яких складав

P_cyc = _cycP_u 0,6P_u,

де _cyc - відносний рівень повторного навантаження; P_cyc - навантаження в циклах (нижній рівень навантаження приймався рівним _cyc = 0).

На балку 2Б-2 навантажування повторювалось десять циклів, а на балку 3Б-2 - шість. Вибір базової кількості повторних навантажень обумовлено тим, що за даними багатьох дослідників деформативні процеси в бетоні за прийнятих рівнів навантаження стабілізуються на протязі 5 - 10 циклів. Балка 2Б-3 на протязі семи циклів і на десятому циклі навантажувалась до рівня _cyc = 0,6, а на восьмому і дев'ятому циклах довантажувалась до рівня _cyc = 0,8. Балка 3Б-3 на протязі семи циклів навантажувалась до _cyc=0,6, а на восьмому довантажувалась до _cyc = 0,8.

В процесі випробовування балок вимірювались опорні реакції, деформації бетону й арматури, прогини балок, ширина розкриття тріщин. Всі балки були доведені до руйнування. За руйнівне приймали навантаження, коли над середньою опорою і в місцях прикладання сил деформації арматури або бетону досягали максимальних або граничних значень.

Результати досліджень роботи балок висвітлені в четвертому розділі. Основною метою досліджень першої серії було вивчення процесу перерозподілу зусиль при одноразовому навантаженні, встановлення причин та характеру руйнування, виходячи з деформаційної моделі. За основні чинники перерозподілу зусиль приймалися процеси утворення та розкриття тріщин, відхилення дослідних значень опорних реакцій та згинальних моментів від значень, що відповідають пружній роботі балок, виникнення суттєвих пластичних деформацій в бетоні і арматурі.

Балка 1Б-1 при навантаженні працювала відповідно до характеру її армування, тобто за пружною стадією. Вона зруйнувалась при Р_u = 48 кН одночасно по нормальним перерізам над опорою і в місці прикладання зосередженої сили. Якщо вважати, що деформації в арматурі зростали пропорційно навантаженню (на останньому ступені навантаження вимірювальні прилади були зняті), то при руйнівній силі деформації в прольотній арматурі досягли б значення _s,sp = 246,5*10^-5, що близько до максимальних (_sR = 220*10^-5), а в опорній - _s,sup = 264,7*10^-5, що перевищило максимальні значення _sR = 190,0*10^-5 ( стержні 12). Аналогічно визначені деформації в крайньому волокні бетону стиснутої зони в прольотах і на опорі, які відповідно склали _b,sp= 93,1*10^-5 і _b,sup = 88,2*10^-5, що також близько до максимальних значень деформацій (_bR = 95,1*10^-5). Отже, балка 1Б-1 зруйнувалася внаслідок утворення опорних і прольотних пластичних шарнірів, коли деформації в бетоні і арматурі майже досягли або перевищували максимальні значення.

Балки 1Б-2 і 1Б-3 працювали за пружною стадією до навантаження Р = 10 кН, після чого в прольотних і опорних нормальних перерізах почали виникати і розвиватись тріщини і розпочинався перерозподіл зусиль. При навантаженні до руйнування в цих балках відбувся перерозподіл зусиль в повній мірі відповідно до їх армування. Так, в балці 1Б-3 при Р = 45 кН експериментальні значення моментів на опорі і в прольотах відповідно склали M_sup = 10,01 і M_sp = 9,65 МПа (за пружної стадії роботи ці моменти складають відповідно 12,10 і 8,57 кН*м). Балки 1Б-2 і 1Б-3 зруйнувалися при навантаженнях відповідно 48,0 і 49,5 кН.

Робота балок 2Б-1 і 3Б1 на перших ступенях навантаження, як і балок першої серії, за характером відповідала пружній стадії, але після Р = 20…25кН відбувався помітний перерозподіл зусиль, а до настання руйнування він реалізувався в повній мірі. Для балки 2Б-1 руйнівне навантаження склало Р_u = 65,0 кН, для балки 3Б-1 - Р_u = 69,9 кН. Балки зруйнувалися внаслідок досягання в бетоні і арматурі деформаціями максимальних значень. Треба зазначити, що в балці 3Б-1 при Р = 65 кН деформації в стиснутому бетоні в прольоті і на опорі перевищували значення _bR = 177*10^-5 і складали відповідно _b,sp= 219,2*10^-5 і _b,sup= 224,1*10^-5, тобто при такому навантаженні бетон працював на низхідній ділянці діаграми деформування.

Особливості роботи нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях вивчали при випробуванні балок другої (2Б-2 і 2Б-3) і третьої (3Б-2 і 3Б-3) серій. Балка 2Б-2 піддавалась десятикратному повторному навантаженню до рівня Р_cyc =0,54Р_u = 35кН (значення Р_u прийнято рівним 65 кН за результатами випробувань балки 2Б-1). Перші тріщини на першому циклі навантаження виникали в опорних перерізах, їх ширина не перевищувала 0,10 мм. При Р_u = 35 кН тріщини розвинулись на висоту 8…9см. Перерозподіл зусиль в балці розпочався вже на першому циклі після утворення тріщин. На другому циклі навантаження згинальні моменти в опорних і прольотних перерізах змінювались у відповідності з пружнопластичною роботою балки. Такий характер роботи балки спостерігався і на десятому циклі навантаження. При навантаженні до руйнування в балці 2Б-2 залежність згинальних моментів від діючого навантаження була наближена до лінійної. В процесі повторних навантажень в балці 2Б-2 при фіксованих значеннях Р_cyc деформації в бетоні і арматурі збільшувались, але їх стабілізація відбулася на п'ятому - шостому циклах. Балка зруйнувалася при Р_u = 62,0 кН, коли в опорному і в прольотних перерізах деформації в бетоні і арматурі перевищили максимальні значення.

При довантаженні балки 2Б-3 на восьмому циклі до Р_cyc = 45кН спостерігалось відхилення роботи балки в бік пружної стадії, але резерви перерозподілу зусиль за рахунок більш інтенсивного тріщиноутворення були проявлені на дев'ятому циклі, коли балка практично на всьому діапазоні працювала з перерозподілом зусиль, тобто довантаження на його характер не вплинуло. Зміна згинальних моментів в опорному і прольотних перерізах на одинадцятому циклі засвідчила про повне перерозподілення зусиль, а зміна самих моментів відбувалась практично лінійно по відношенню до навантаження. Довантаження балки 2Б-3 на восьмому і дев'ятому циклах спричинили збільшення залишкових деформацій в бетоні і арматурі (до 10%). Балка 2Б-3 зруйнувалася при Р_u = 64,0 кН. Після повторних навантажень спостерігалось більш крихке руйнування бетону стиснутої зони.

Балки третьої серії, порівняно з балками другої, армувались стержнями з підвищеною межею текучості ( _y = 615,3 МПа) та виготовлялись з бетону з більшою призмовою міцністю (R_b = 22,3 МПа). Армування опорних перерізів було на 18,8% меншим, а прольотних на 15% більшим порівняно з потрібним армуванням за розрахунку балок як пружних систем.

На циклах навантаження до Р_cyc = 40 кН в балках 3Б-2 і 3Б-3 відбулася стабілізація деформацій бетону і арматури, прогинів, а також процесів тріщиноутворення. Залежність деформацій арматури і бетону від рівня навантаження в циклах наближались до лінійної. Зі збільшенням навантаження відновився процес перерозподілу зусиль і при Р_cyc = 45 кН відношення дослідних опорних моментів до прольотних в балках 3Б-2 і 3Б-3 відповідно складали 1,06 і 1,04. Ці відношення до руйнування балок практично не змінювалось. Наведене свідчить, що внаслідок повторних навантажень процеси перерозподілу зусиль відбуваються в більшій мірі, ніж при одноразовому навантаженні.

В розділі наводиться аналіз впливу повторних навантажень на зміну прогинів балок і ширини розкриття тріщин. Експериментально встановлено, що порівняно з першим циклом після повторних навантажень прогини і ширина розкриття тріщин збільшується в середньому на 15%, а їх стабілізація відбувається на п'ятому - шостому циклах навантаження.

В п'ятому розділі виконано аналіз експериментальних досліджень та їх збіжність с теоретичними даними. Аналізу піддавались результати досліджень автора та С.М. Крилова і А.І. Мангушева; С.В. Цепелєва; С.М.Крилова, Ю.П.Гущі і М.С.Абаканова; С.М. Крилова і С.К. Ікрамова; Маіляна Л.Р.

Отримані автором експериментальні дані підтвердили справедливість формули Маіляна Л.Р. для визначення згинальних моментів з урахуванням перерозподілу зусиль при одноразовому навантаженні. З урахуванням повторних навантажень пропонується формула, яка має вигляд

, (14)

де M_p,pl - згинальний момент, який виникає в перерізах балок при навантаженні Р з урахуванням перерозподілу зусиль; M_u,el і M_u,pl - граничні моменти, визначені відповідно за умови пружної роботи балок і з урахуванням перерозподілу зусиль;

M_p,el - згинальний момент при дії навантаження Р за пружної роботи балки.

Підраховані за формулою (14) теоретичні значення згинальних моментів M_th з урахуванням перерозподілу зусиль задовільно збігаються з експериментальними M_exp. Середнє відношення k_m = M_th / M_exp. для балок другої і третьої серії на всіх циклах навантаження (крім першого) склало k_m = 1,04 при середньоквадратичному відхиленні = 0,137 і коефіцієнті мінливості = 0,132.Виконано порівняння теоретичних P_th і експериментальних P_exp руйнівних навантажень для всіх випробуваних балок. Середнє відношення P_th / P_exp = 1,10 при = 0,089 і = 0,081.Загальна статистична оцінка напружено-деформованого стану та міцності нерозрізних залізобетонних балок виконана для всіх дослідів, наведених в роботі. Кількість подій для оцінки збіжності згинальних моментів складала 706, а руйнівних навантажень - 69. Середнє відношення теоретичних M_th значень згинальних опорних і прольотних моментів до експериментальних M_exp для всієї вибірки даних склало k_m = M_th / M_exp = 0,986. При ймовірності 0,95 довірчий інтервал складає. Таким чином, з імовірністю 0,95 дійсні значення k = M_th / M_exp . знаходяться в інтервалі [0,972; 1,000]. Також виконана статистична оцінка збіжності теоретичних P_th і експериментальних P_exp руйнівних навантажень. Дійсні відношення k= P_th / P_exp з імовірністю 0,95 знаходяться в інтервалі [0,949; 1,021]. Таким чином, фактичне руйнівне навантаження на балку, теоретично визначене за запропонованою методикою, може бути недооціненим до 6% або переоціненим до 3%.

ВИСНОВКИ

Запропонована методика визначення напружено-деформованого стану та міцності нормальних перерізів і в цілому нерозрізних залізобетонних балок на основі сучасної розрахункової деформаційної моделі та отримані нові експериментальні дані про їх роботу при одноразових і повторних навантаженнях, які розвивають теорію розрахунку статично невизначених залізобетонних конструкцій і дають можливість проектувати їх з повним використанням механічних властивостей матеріалів.

Вперше запропоновані науково обгрунтовані нові деформаційні граничні умови розрахунку нерозрізних залізобетонних балок з урахуванням перерозподілу зусиль, які обмежують деформації бетону і арматури з умов забезпечення необхідної їх міцності і тріщиностійкості.

Експериментальні дослідження трьох серій нерозрізних залізобетонних балок виявили нові особливості напружено-деформованого стану нормальних перерізів, перерозподілу зусиль, розвитку тріщин та прогинів при повторних малоциклових навантаженнях. Встановлено, що пластичні шарніри в нормальних перерізах балок можуть виникати не тільки внаслідок суттєвих деформацій в арматурі, а і внаслідок розвитку значних деформацій в стиснутому бетоні, коли він працює на низхідній ділянці повної діаграми деформування.

Встановлено, що при повторних малоциклових навантаженнях експлуатаційного рівня на п'ятому - шостому циклах відбувається стабілізація опорних реакцій, згинальних моментів і в цілому напружено-деформованого стану нормальних перерізів, а також ширини розкриття тріщин і прогинів балок. В стабілізованому стані ширина розкриття тріщин і прогини збільшуються до 15 % порівняно з першим циклом навантаження.

Можливі довантаження балок понад експлуатаційний рівень призводять до збільшення прогинів та ширини розкриття тріщин, але при подальших повторних навантаженнях експлуатаційного рівня відбувається їх стабілізація.

Виконана статистична оцінка теоретичних даних напружено-деформованого стану і міцності нерозрізних залізобетонних балок, обчислених за запропонованими методиками, з експериментальними даними автора та інших дослідників дає можливість твердити про їх задовільну збіжність. Встановлені довірчі інтервали, за яких теоретичні дані співпадають з експериментальними з імовірністю 0,95.

На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень автора та аналізу результатів досліджень інших авторів розроблені рекомендації щодо розрахунку нерозрізних залізобетонних балок з урахуванням сучасного стану розвитку теорії бетону і залізобетону. Рекомендації пропонуються для використання при розробці нормативних документів з проектування статично невизначених залізобетонних конструкцій.

Список опублікованих праць

Статті у фахових виданнях

1. Бабич В.Є. Напружено-деформований стан нерозрізних залізобетонних балок з урахуванням повної діаграми деформування бетону // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХТУБА, 1999.- Випуск 7.- С. 101 - 107.

2. Бабич Є.М., Бабич В.Є. Удосконалення розрахунку нерозрізних залізобетонних балок з використанням деформаційної моделі нормальних перерізів // Таврійський науковий вісник.- Херсон, 1999.- С. 18 - 24 (умови рівноваги зусиль в поперечному перерізі балок та формули для визначення граничних моментів, граничні деформаційні умови, порівняння теоретичних і експериментальних даних).

3.Бабич В.Є. Дослідження напружено-деформованого стану нормальних перерізів нерозрізних залізобетонних балок / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. - Рівне: Видавництво Рівненського державного техн. університету, 2000. - Випуск 5. - С. 121 - 127.

4. Бабич В.Є. Вплив повторних навантажень на ширину розкриття тріщин в нерозрізних залізобетонних балках // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування. - Рівне: УДУВГП, 2002.- Випуск 5(18).- Частина 3.- С. 3 - 10.

5. Бабич В.Є. Вплив повторних навантажень на прогини нерозрізних залізобетонних балок // Коммунальное хозяйство городов: Научно-технический сборник. -Киев: “Техника”, 2002.- Выпуск 39.- С. 50-55.

6. Масюк Г.Х., Бабич В.Є. Експериментальні дослідження перерозподілу зусиль в двохпрольотних нерозрізних залізобетонних балках при повторних навантаженнях // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування: Збірник наукових праць: Технічні науки. Сільськогосподарські науки. - Рівне: Вид-во Рівненського державного центру науково - технічної і економічної інформації, 2002. - Випуск 4 (17). - С. 165 - 173 (результати експериментальних досліджень нерозрізних балок, їх аналіз, графіки залежностей деформацій в бетоні і арматурі від рівня навантаження, спільно сформульовані висновки).

7. Бабич В.Є. Особливості роботи нерозрізних залізобетонних балок, армованих сталлю без площадки текучості, з урахуванням повторних навантажень // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. - Рівне: УДУВГП, 2002.- Випуск 8.- С. 47 - 55.

8. Бабич В.Є. Про граничні умови перерозподілу зусиль в нерозрізних залізобетонних балках // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування: Збірник наукових праць.-Рівне: УДУВГП, 2003.-Випуск 6 (19).- С. 196 - 201.

9. Бабич В.Є. Методика визначення внутрішніх зусиль в нормальних перерізах залізобетонних балок // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник науков. праць. - Рівне: УДУВГП, 2003.- Випуск 9.- С. 147 - 152.

10. Савицький В.В., Бабич В.Є. Визначення прогинів нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. - Рівне: УДУВГП, 2003.-Випуск 10.- С. 220 - 227 (блок-схеми для визначення прогинів нерозрізних балок від дії згинальних моментів та поперечних сил).

11. Бабич В.Є. Особливості роботи нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях // Будівельні конструкції: Збірник наукових праць. - Київ: НДІБК, 2003.- Випуск 58.- С. 8 - 13.

12. Бабич В.Є. Визначення робочої поздовжньої арматури в згинальних залізобетонних елементах з використанням деформаційної моделі перерізів / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. - Рівне: Видавництво Національного університету водного господарства та природокористування, 2004.- Випуск 11.- С. 116 - 123.

13. Масюк Г.Х., Бабич В.Є. Розрахунок міцності нормальних перерізів нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях на основі деформаційної моделі / Будівельні конструкції: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - Київ: НДІБК, 2004.- Випуск 60.- С. 659 - 664 (формули для визначення напружено-деформованого стану поперечних перерізів нерозрізних залізобетонних балок при повторних навантаженнях та їх міцності).

Тези доповіді

14. Бабич В.Е. Экспериментальные исследования работы неразрезных железобетонных балок // Материалы международной научно -технической конференции “Создание и применение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, машин и комплексов”.- Могилев, 2001.- С. 268 - 269.

АНОТАЦІЯ

Бабич В.Є. Напружено-деформований стан і міцність нерозрізних залізобетонних балок при одноразових і повторних 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, 2005.

Дисертація присвячена розробці методики визначення напружено-деформованого стану і міцності нормальних перерізів нерозрізних залізобетонних балок на основі сучасної розрахункової деформаційної моделі та експериментальному дослідженню роботи таких балок при одноразовому і повторному навантаженні, в ній обґрунтовані нові деформаційні граничні умови розрахунку нерозрізних залізобетонних балок з урахуванням перерозподілу зусиль, сформульовані передумови розрахунку

Отримані нові експериментальні дані про перерозподіл зусиль в нерозрізних залізобетонних балках, вплив на їх роботу повторних навантажень. Виявлено, що пластичні шарніри в перерізах балок можуть виникати внаслідок пластичного деформування бетону стиснутої зони, коли він працює на низхідній ділянці діаграми деформування.

Статистично підтверджено задовільну збіжність між теоретичними даними, отриманими за запропонованою методикою, і експериментальними даними автора та інших дослідників. Розроблені рекомендації щодо практичного застосування запропонованої методики розрахунків.

Ключові слова: нерозрізні залізобетонні балки, напружено-деформованого стан, міцність, деформаційна модель, розрахунок.

АННОТАЦИЯ

Бабич В.Е. Напряженно-деформированное состояние и прочность неразрезных железобетонных балок при однократных и повторных нагружениях. - 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, 2005.

Диссертация посвящена разработке методики определения напряженно-деформированного состояния и прочности нормальных сечений железобетонных балок на основе современной расчетной деформационной модели и экспериментальному исследованию работы таких балок при однократных и повторных нагружениях.

Во вступлении обоснована актуальность темы, научная новизна и практическая ценность, приведена общая характеристика диссертации.

В первом разделе рассмотрены конструкции балок и область их применения, выполнен анализ результатов экспериментальных исследований, выявлены преимущества и недостатки существующего метода расчета неразрезных балок по предельному равновесию, сформулированы цель и задачи исследований.

Во втором разделе обоснованы новые деформационные граничные условия расчета неразрезных балок, обоснована необходимость применения в расчетах деформационной модели, которая строится на использовании полных диаграмм деформирования бетона и арматуры. В результате предложена современная методика определения напряженно-деформированного состояния и прочности нормальных сечений железобетонных балок. Особенностью роботы состоит в том, что при решении задач учитываются изменения механических характеристик бетона вследствие повторных нагружений.

Третий раздел посвящен методике проведения экспериментальных исследований, определению механических характеристик бетона и арматуры. Изложены объем и программа экспериментальных исследований, описана установка для испытания балок, методика измерения деформаций, трещин, опорных реакций, прогибов балок.

В четвертом разделе приведен глубокий анализ роботы балок при однократных и повторных нагружениях. Построены графики изменения опорных реакций, экспериментальных значений изгибающих моментов, деформаций бетона сжатой зоны и арматуры, прогибов балок, как при однократных, так и при повторных нагружениях. Установлено влияние повторных нагружений на перераспределение усилий, деформационные процессы. Выявлено, что при повторных нагружениях эксплуатационного уровня происходит увеличение деформаций в бетоне и арматуре, прогибов и ширины раскрытия трещин на протяжении пяти - шести циклов, после чего наступает их стабилизация. Повторные нагружения способствуют более полному перераспределению усилий в балках.

Статистическая оценка сходимости теоретических и экспериментальных данных автора и других исследователей наведены в пятом разделе. Определены доверительные интервалы этой сходимости при вероятности 0,95, которые свидетельствуют об удовлетворительном совпадении теоретических и экспериментальных данных.

Ключевые слова: неразрезные железобетонные балки, напряженно-деформированное состояние, прочность, деформационная модель, расчеты.