Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624. 012.45.046

МІЦНІСТЬ, ДЕФОРМАТИВНІСТЬ І ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ КІЛЬЦЕВОГО ПЕРЕРІЗУ ПРИ ЗНАКОЗМІННОМУ ПОЗАЦЕНТРОВОМУ СТИСНЕННІ І КОРОТКОЧАСНОМУ НАГРІВАННІ ДО 150С

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі і споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тахтай Дмитро Олександрович

Макіївка - 2005



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Веретенников Віталій Іванович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, професор кафедри технології, організації й охорони праці в будівництві

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Барашиков Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій

кандидат технічних наук, доцент Невгень Микола Олександрович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри залізобетонних конструкцій

Провідна установа: Одеська державна академія будівництва і архітектури, кафедра залізобетонних і кам'яних конструкцій, Міністерства освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться “12” травня 2005 р. о 10⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макеевка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус №1, зал засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макеевка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “12” квітня 2005 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Югов



АНОТАЦІЯ

Тахтай Д.О. Міцність, деформативність і тріщиностійкість залізобетонних елементів кільцевого перерізу при знакозмінному позацентровому стисненні і короткочасному нагріванні до 150С. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі і споруди. - Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2005р.

Дисертація присвячена дослідженню впливу підвищених температур і циклічних навантажень на напружено-деформований стан залізобетонних елементів кільцевого перерізу.

Розроблена методика експериментальних досліджень міцності, деформативності і тріщиностійкості залізобетонних елементів кільцевого перерізу, які працюють в умовах циклічних навантажень і підвищених температур. залізобетонний арматура кільцевий переріз

Отримані дослідні дані і розроблені рекомендації з урахування впливу циклічних навантажень і короткочасного нагріву на діаграму деформування бетону при неоднорідному стисненні.

Розроблені рекомендації з розрахунку міцності, деформативності і тріщиностійкості залізобетонних елементів кільцевого перерізу при знакозмінному позацентровому стисненні і короткочасному нагріванні до 150С з використанням діаграми деформування бетону і арматури.

Ключові слова: діаграма деформування бетону, короткочасне нагрівання, напружено-деформований стан, граничні деформації бетону, міцність, тріщиностійкість, багаторядне армування, неоднорідний стиск.



АННОТАЦИЯ

Тахтай Д.А. Прочность, деформативность и трещиностойкость железобетонных элементов кольцевого сечения при знакопеременном внецентренном сжатии и кратковременном нагреве до 150С. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2005.

Диссертация посвящена исследованию влияния повышенных температур и циклических нагрузок на напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов кольцевого сечения.

На основании проведенных экспериментально-теоретических исследований разработаны предложения по уточнению метода расчета прочности железобетонных элементов кольцевого сечения с использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры.

В первом разделе анализируется состояние вопроса и результаты экспериментально-теоретических исследований прочности, трещиностойкости и деформативности внецентренно сжатых железобетонных элементов, которые испытывают сложные режимы нагружения в условиях повышенных температур. Выполнен обзор литературы по описанию влияния на диаграмму деформирования бетона сложных режимов нагружения, по исследованиям влияния повышенных температур и циклических нагружений на прочность и деформативность железобетонных элементов, по методикам расчета прочности, трещиностойкости и деформативности железобетонных элементов кольцевого сечения.

Во втором разделе обоснована методика испытаний бетонных элементов на действие циклического нагружения и повышенных температур, а также железобетонных элементов кольцевого сечения на действие постоянной продольной силы, знакопеременного момента и кратковременного нагружения.

В третьем разделе приведены результаты экспериментально-теоретических исследований влияния циклического нагружения и кратковременного нагрева на диаграмму деформирования неоднородно сжатого бетона. Разработаны рекомендации по теоретическому описанию диаграмм деформирования бетона с учетом уровня циклического нагружения и повышенных температур.

В четвертом разделе приведены экспериментально-теоретические данные по распределению средних деформаций бетона и арматуры в элементах кольцевого сечения при действии постоянной продольной силы, знакопеременных моментов и кратковременного нагревания. Установлена возможность проскальзывания стержней арматуры в элементах с многорядным армированием.

Разработаны рекомендации по расчету прочности, деформативности и трещиностойкости железобетонных элементов кольцевого сечения, эксплуатирующихся при знакопеременном внецентренном сжатии и кратковременном нагреве до 150С, предполагающие использование диаграмм деформирования бетона и арматуры.

Ключевые слова: диаграмма деформирования бетона, кратковременный нагрев, напряженно-деформированное состояние, предельные деформации бетона, прочность, трещиностойкость, многорядное армирование, неоднородное сжатие.



ABSTRACT

Takhtai D.A. Strength, stressability and crack-resistance of reinforced concrete elements of ring section under the conditions of pole-alternating excentric compression and short-term heating up to 150⁰C. - Manuscript.

The thesis for the academic degree of Candidate of Sciences in Technology on speciality 05.23.01 - Civil constructions, buildings and structures. Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makiyivka, 2005.

This dissertation is devoted to investigation into the impact of elevated temperatures and cyclic loadings on strain-and-stress state of reinforced concrete elements of ring section.

Developed has been the method of experimental investigations into strength, stressability and crack-resistance of excentrically compressed reinforced concrete elements of ring section under the conditions of cyclic loadings and elevated temperatures.

Experimental data have been obtained and recommendations have been worked out as to taking into account the impact of cyclic loadings and short-term heating on the diagram of deformation of concrete subjected to heterogeneous compression.

Recommendations have also been elaborated concerning the design of strength, stressability and crack-resistance of reinforced concrete elements of ring section that work under the conditions of pole-alternating excentric compression and short-term heating up to 150⁰C, which implies the application of diagrams of concrete and reinforcement deformation.

Key words: diagram of concrete deformation, short-term heating, strain-and-stress state, ultimate concrete deformations, strength, crack-resistance, multi-row reinforcement, heterogeneous compression.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проведеними раніше дослідженнями встановлено, що найнебезпечнішим періодом експлуатації інженерних споруд (типу димар), які мають кільцевий переріз і піддаються нагріванню, є їх перше розігрівання. Саме тоді значно знижується міцність бетону, а в перетині стін виникають значні температурні моменти через нерівномірне нагрівання. Відомі методики з розрахунку міцності, деформативності і тріщиностійкості споруд розроблені на основі експериментальних досліджень кільцевих елементів, які після короткочасного або тривалого нагрівання піддаються однократному короткочасному навантаженню до руйнації. Водночас, більшість залізобетонних конструкцій та інженерних споруд, що мають у плані кільцевий переріз (димові та вентиляційні труби, опори ЛЕП), працюють в умовах циклічного навантаження згинальним моментом від дії вітрового навантаження, яке постійно змінюється і призводить до зростання непружних деформацій у бетоні, збільшенню напружень стиску в арматурі і появі тріщин по периметру кільця. Поперемінне навантаження - розвантаження бетону призводить до суттєвої зміни його властивостей.

Тим часом, рекомендації нормативних документів із розрахунку міцності, деформацій і тріщиностійкості залізобетонних елементів кільцевого перерізу практично не враховують одночасний вплив температури і циклічного навантаження на їх роботу, що зумовлює актуальність теми, яка обрана для дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру при виконанні розділу “Дослідження та розрахунок конструкцій, що зводяться за допомогою економічних пристосувань і ефективних технологій” держбюджетної теми К-2-03-01 “Дослідження і розробка ресурсозберігаючих технологій у будівництві” (№0102U002849). Замовник - Міністерство освіти і науки України, 2001-2005 р.р.

Метою досліджень є уточнення методики розрахунку міцності, деформативності і тріщиностійкості позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перетину, що працюють при дії малоциклових згинальних моментів і нагріванні зсередини.

Задачі дослідження:

- розробити методику експериментальних досліджень міцності, деформацій і тріщиностійкості залізобетонних елементів кільцевого перерізу при дії постійної осьової стискаючої сили, знакозмінних малоциклових згинальних моментів і нагріванні зсередини до 150С;

- розробити методику досліджень впливу циклічного навантаження на діаграму деформування бетону при нерівномірному стисканні;

- одержати експериментальні дані про міцність, деформативність і тріщиностійкість позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перетину при дії знакозмінних малоциклових навантажень і короткочасного нагрівання до 150С;

- дослідити вплив градіенту напруження, циклічного навантаження і короткочасного нагрівання на діаграму деформування бетону;

- розробити рекомендації з аналітичного опису діаграми - бетону, що піддається циклічній дії стискаючого навантаження, в тому числі в умовах короткочасного нагрівання;

- розробити рекомендації з урахування знакозмінного малоциклового навантаження на міцність, деформативність і тріщиностійкість позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перетину при впливі температур до 150С;

- надати рекомендації з практичного застосування отриманих результатів при розрахунку міцності, деформацій і тріщиностійкості залізобетонних елементів кільцевого перерізу.

Об'єкт дослідження - Позацентрово стиснуті залізобетонні елементи кільцевого перерізу, які працюють при дії постійної повздовжньої сили і знакозмінних моментів.

Предмет досліджень - Міцність, деформативність і тріщиностійкість залізобетонних елементів при малоциклових навантаженнях і короткочасному нагріванні до 150С.

Методи досліджень - Вивчення напружено-деформованого стану (НДС) нормальних перетинів залізобетонних елементів проводилося на зразках-моделях, які були виготовлені і випробувані до руйнації в лабораторних умовах із використанням стандартного устаткування та ряду спеціальних експериментальних установок.

Наукова новизна отриманих результатів:

- методика експериментальних досліджень бетону при малоцикловому стискаючому навантаженні і короткочасному нагріванні;

- методика експериментальних досліджень залізобетонних елементів кільцевого перерізу при дії постійної повздовжньої сили, знакозмінних згинальних моментів і короткочасного нагрівання до 150С;

- дослідні дані про вплив градієнту деформацій при малоцикловому навантаженні на міцність і деформативні характеристики бетону;

- дослідні дані про вплив короткочасного нагрівання і малоциклового навантаження на міцність і деформативні характеристики бетону при стисненні;

- пропозиції з аналітичного опису діаграми - бетону, що піддається малоцикловій дії стискаючого навантаження;

- результати експериментальних досліджень впливу малоциклових навантажень на НДС кільцевих перерізів в стадіях близькой до руйнації та експлуатації;

- пропозиції з урахування знакозмінних малоциклових навантажень і короткочасного нагрівання до 150С при розрахунку міцності, деформацій і тріщиностійкості позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перерізу.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі комплексу експериментально-теоретичних досліджень розроблені практичні рекомендації з уточнення розрахунку міцності, деформацій і тріщиностійкості залізобетонних елементів та інженерних споруд кільцевого перерізу в початковий період експлуатації.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- розроблено методику експериментальних досліджень міцності, деформацій і тріщиностійкості залізобетонних елементів кільцевого перетину при дії постійної осьової стискаючої сили, знакозмінних згинальних моментів і підвищених температур (до 150С);

- розроблено методику дослідження циклічного навантаження на діаграму деформування бетону;

- отримано експериментальні дані про міцність, деформативність і тріщиностійкість позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перетину при першому нагріванні до 150С з урахуванням впливу знакозмінних малоциклових навантажень;

- отримано дослідні дані досліджень малоциклового навантаження при першому (короткочасному) нагріванні на діаграму деформування бетону;

- розроблено пропозиції з аналітичного опису діаграми - неоднорідно стиснутого малоцикловим навантаженням бетону;

- розроблено пропозиції з урахування знакозмінного малоциклового навантаження на міцність, деформативність і тріщиностійкість позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перетину при першому нагріванні до 150С.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень докладались і обговорювались на наукових конференціях Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 2000-2004 р.р.); на міжнародних науково-практичних конференціях “Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології” (м. Макіївка, 2001 р. і 2003 р.); на міжнародній науково-практичній конференції “Будівництво - 2004” (м. Ростов-на-Дону, Росія, 2004 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 статей у наукових збірниках, у тому числі 8 у фахових виданнях, із яких 2 опубліковані без співавторів.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку літератури з 143 найменувань на 16 сторінках, 117 сторінок основного тексту, 27 рисунків і 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі десертаційного дослідження, показані наукова новизна і практичне значення роботи.

У першому розділі розглянуто сучасний стан питання щодо результатів експериментально-теоретичних досліджень впливу підвищених температур і циклічних навантажень на міцність і деформативність позацентрово стиснутих залізобетонних елементів. Зроблено огляд літератури з методик розрахунку залізобетонних елементів кільцевого перерізу з урахуванням впливу підвищених температур і розрахунку залізобетонних конструкцій при малоциклових навантаженнях.

Огляд літературних джерел показав, що вперше метод розрахунку залізобетонних елементів кільцевого перетину при дії підвищеної температури найбільш повно і послідовно поданий у роботах Мурашова В.І.. Розрахунок запропоновано виконувати за двома групами граничних станів: по несучій спроможності і по придатності до нормальної експлуатації. Граничному стану по несучій спроможності горизонтальних перетинів димарів відповідає утворення пластичного шарніра, коли напруження текучості арматури досягає центру ваги розтягнутої зони або цілком використовується міцність стиснутої зони бетону. При цьому епюри напруження бетону стиснутої зони й арматури стиснутої і розтягнутої зон приймаються прямокутними. Бетон розглядається як пружнопластичний матеріал, що враховується введенням у розрахунок коефіцієнта пружності бетону , який залежить від температури нагрівання стінки труби. При визначенні несучої спроможності горизонтальних перетинів напруження в бетоні підсумовуються з напруженнями, що викликані температурним перепадом по товщині стінки кільця.

Подальші експериментальні дослідження, проведені Некрасовим К.Д., Миловановим А.Ф., Туповим І.І., Кричевським О.П., Веретенниковим В.І., Калатуровим А.А., Корсуном В.І., Невгенем М.О., Передереєм В.Д., показали, що підвищені температури значно впливають на фізико-механічні властивості бетону та арматури. Крім того, встановлено, що найнебезпечнішим періодом експлуатації інженерних споруд типу димар є їх перше розігрівання, тому що саме в цей період відбуваються значні зміни у властивостях бетону, в перетині стін виникають значні температурні моменти через нерівномірне нагрівання.

На НДС залізобетонних конструкцій значно впливають температурно-усадочні деформації і деформації повзучості.

Експериментальним дослідженням елементів кільцевого перерізу присвячені роботи Дмитрієва С.О., Баташова В.М., Кудзиса О.П. та ряду інших авторів, а при підвищених температурах - Милованова А.Ф., Зирянова В.С., Кричевського О.П., Веретенникова В.І., Катигроба В.В. Аналіз експериментальних даних досліджень циліндрів при їх односторонньому нагріванні показує, що на напружено-деформований стан нормальних перетинів кільцевих елементів на всіх стадіях роботи впливають температурні зусилля, які викликані нерівномірним нагріванням стінки кільця по її висоті, а також інтенсивним перерозподілом зусиль між бетоном і арматурою, що обумовлено усадкою і повзучістю бетону, і неоднорідністю властивостей бетону. На величину напружень в арматурі впливає різниця коефіцієнтів лінійного розширення арматури та бетону.

Впливу малоциклових навантажень на зміну властивостей бетонних і залізобетонних елементів присвячені роботи Барашикова А.Я., Бабича Є.М., Дорофеєва В.С., Гохфельда Д.А., Дмитрюкової Є.І., Застави М.М., Каравана В.В., Карпенка М.І., Кокарева А.М., Масюка Г.Х., Ставрова Г.М., Шевченка Б.М., Яковлєва С.К., Ящука В.Є. та інших авторів. Малоциклове навантаження характеризується такими параметрами: кількістю циклів навантаження n, рівнем напруження =_b/R_b, коефіцієнтом асиметрії циклу =_min/_max, періодом циклів навантаження. У роботах Барашикова А.Я., Шевченка Б.М., Валового А.І. пропонується спосіб визначення малоциклового втомлення бетону при стисканні за рахунок енергетичних критеріїв міцності, тобто граничний стан виникає тоді, коли сумарна енергія пластичного гистерезису досягає повної енергії руйнації. Роботами Бабича Є.М. встановлено, що основний процес деформування закінчується до 10 циклу навантаження. В залежності від рівня напруження, що викликаний малоцикловими навантаженнями, бетон проходить через три стадії: ущільнення структури, стабілізація і розущільнення. Настання стабілізації залежить від рівня малоциклового навантаження.

Існує декілька методів розрахунку залізобетонних конструкцій при малоциклових впливах. Найбільш поширені з них: метод ймовірності, наведений у роботі Застави М.М., і метод розрахунку залізобетонних конструкцій за повними діаграмами деформування матеріалів, який дозволяє більш точно враховувати особливості роботи бетону та арматури в складі конструкцій й оцінювати їх напружено-деформований стан на всіх стадіях роботи. Для опису діаграм деформування бетону існує чимало пропозицій. Побудову трансформованих діаграм _b-b розглянуто в роботах Залесова А.С. та Мирсаяпова І.Т. Аналітичні залежності для опису діаграм деформування бетону при стаціонарному багаторазово повторюваному циклічному навантаженні отримані ними внаслідок трансформування вихідних діаграм ЄКБ-ФІП при однократному короткочасному навантаженні.

У своїх роботах Карпенко М.І. наводить аналітичне представлення діаграм деформування бетону та арматури для складних режимних навантажень. Автор враховує вплив рівня малоциклового навантаження на міцність і деформативність бетону при стисканні. У роботах Узуна І.О., Чайки В.П., Веретенникова В.І, Катигроба В.В.та Бармотіна О.О.запропоновані аналітичні залежності для опису діаграми _b-b нерівномірно навантаженого бетону.

У другому розділі наведено опис методики експериментальних досліджень бетонних і залізобетонних елементів при малоцикловому навантаженні, в тому числі в умовах впливу підвищених температур.

Дослідними бетонними зразками були призми з прямокутником і ромбом у основі. Прямокутні зразки-призми мали розміри 0.10.10.4 м, 0.150.150.6 м, 0.50.31.4 м. Розміри діагоналей ромбовидних зразків - 0.142 м і 0.212 м. Залізобетонні зразки були прийняті у вигляді коротких стійок-призм і циліндрів. Зразки-призми з розмірами 0.150.150.6 м із прямокутним поперечним перетином армувались просторовими вязаними каркасами з чотирьох повздовжніх стержнів 10 мм класу А-III (_s=1.4%) і хомутами 4 мм Вр-I із кроком 0.15 м. Залізобетонні елементи кільцевого перетину були прийняті у вигляді порожнистих циліндрів із зовнішнім діаметром 0.8 м і товщиною стінки кільця 0.1 м. Циліндри армувались просторовими вязаними каркасами з повздовжніх стержнів 12 мм класу А-ІІІ і поперечних 4 мм класу В-І.

Експериментальні дослідження проводилися на зразках, виготовлених із важкого бетону, який рекомендується для зведення залізобетонних димарів у ковзній і переставній опалубках. Склад бетонної суміші: цемент пластифікований М500 Амвросієвського цементного комбінату - 450 кг/м³; щебінь гранітний фракції 10…20 мм Караньского кар'єру - 1128 кг/м³; пісок кварцовий Ямпольського кар'єру - 630 кг/м³; вода - 180 л/м³.

Зразки-призми були поділені на дві групи. Перша група випробовувалася на дію однократного короткочасного навантаження за стандартною методикою. Другу групу склали зразки, які на першому етапі піддавалися циклічному стискаючому навантаженню різного рівня за трьома схемами (рис. 1), а на другому - доводилися до руйнації позацентрово прикладеним навантаженням.

Циклічне навантаження зразків виконувалось в такій послідовності. Зразки завантажувалися ступінчасто зростаючим навантаженням до заданого рівня деформацій b,max в крайньому найбільш навантаженому волокні, яке дорівнювало (0.2, 0.4, 0.6, 0.8 і 1.0)bR. Після цього проводилося розвантаження зразка і вимірювалися залишкові повздовжні деформації. Наступні цикли навантаження - розвантаження проводилися за прийнятою схемою до досягнення величини зовнішньої стискаючої сили першого етапу випробування. Гранична кількість циклів n призначалася з умови досягнення стабілізації деформацій. Вважалося, що стабілізація настала, якщо приріст деформацій на наступному циклі навантаження b,n+1 складав не більше 1-2% від деформацій попереднього циклу навантаження b,n. Після цього зразки-призми доводилися до руйнації за схемами, що наведені на рис. 1, ступінчасто - зростаючим навантаженням за стандартною методикою. При випробуванні бетонних зразків в умовах підвищених температур вік бетону до моменту навантаження сягав 100 діб. Температура випробувань була прийнята: +90С і +150С. Рівні малоциклового деформування складали (0.2, 0.3 і 0.4)bR. Швидкість зростання температури нагріву дорівнювала 20С/годину.

Випробування циліндрів проводилося при нормальних умовах і при підвищених температурах. При випробуванні циліндрів у нормальних умовах зразки піддавалися однократному короткочасному і циклічному навантаженням. Випробування циліндрів проводилися на гідравлічному пресі ПГ-1000 із застосуванням допоміжного устаткування.

При випробуванні циліндрів на дію однократного короткочасного навантаження циліндри завантажувалися осьовою стискаючою силою N, а потім доводилися до руйнації додаванням згинального моменту. При циклічному навантаженні після досягнення заданої величини повздовжньої сили N зразки піддавалися дії знакозмінного згинального моменту, який сягав (0.60.7)М_max. Домкратами 7 або 8 створювали сили N_д або N_д і зменшували силу N. При цьому дотримувалася необхідна умова N+N_д=const. Гранична кількість циклів n призначалася з умови досягнення стабілізації - припинення приросту ширини розкриття тріщин і деформацій.

Для дослідження впливу короткочасного нагрівання на НДС циліндрів на стадіях утворення тріщин, експлуатації і стадії, близької до руйнації, зразки після навантаження повздовжньою силою піддавалися односторонньому нагріванню зсередини зі швидкістю 20С/годину. При цьому порядок подальшого випробування циліндрів при підвищених температурах залишався таким же, як і при нормальній температурі. Циліндри випробовувалися до руйнації через 10-12 годин від початку нагрівання. Час нагрівання назначався таким чином, щоб до початку випробування до руйнації бетон мав найбільше зниження міцності, а по товщині стінки кільця виникали максимальні температурні моменти.

У третьому розділі наведені результати дослідження стиснутої зони залізобетонних елементів. Проведені дослідження підтвердили, що при циклічному навантаженні основна частина пластичних деформацій бетону вибирається в першому циклі. Для всіх рівнів циклічного навантаження на діаграмах деформування спостерігається ділянка криволінійного розвантаження з опуклістю, що обернена ділянці завантаження. Зі збільшенням кількості циклів ділянка розвантаження поступово випрямляється і наближається до лінійного виду. При циклічному навантаженні в бетоні відбуваються два явища: утворення мікротріщин і ущільнення структури. Під впливом цих чинників на початку діаграми деформування бетону відбувається зниження січного модуля деформацій, а потім його збільшення.

Для однорідно стиснутих зразків, які випробувані при нормальній та підвищеній температурах в залежності від рівня циклічного навантаження і ступеню нагрівання, відбувається приріст міцності. Для температури 20^оС він складає 17%, для температури 90^оС - 13.5%, для 150^оС - 9.5%. Залежність приросту міцності від рівня циклічного навантаження і температури при короткочасному нагріванні можна враховувати коефіцієнтом :

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

де t - температура нагріву (20150С); _{b, pred} - рівні навантаження бетону при циклічному навантаженні (_b=_b/R_b).

Деформації у вершині діаграми за останній цикл навантаження зменшуються в порівнянні з еталонними зразками. Коефіціент , який враховує зміну деформацій у вершині діаграми - бетону залежить від рівня циклічного навантаження і температури нагрівання. Він може визначатися за залежностями:

(7), (8)

(9)

Виявилося, що накопичення пластичних деформацій за період циклічних навантажень можна визначити як різницю між їх повними і пружними значеннями або за отриманою нами залежністю:

(10)



Інтенсивність зниження модуля пружності бетону залежить від рівня циклічного навантаження і сягає 24%.

Значна частина дисертаційних досліджень присвячена вивченню роботи стиснутої зони бетону при циклічному навантаженні конструкції.

Досліди показали, що деформації найбільш навантаженого крайового волокна після циклічного навантаження в усіх випадках були більшими за деформації зразків, які випробувались на дію однократного короткочасного навантаження. Приріст міцності і деформацій залежав від рівня циклічного навантаження і кривизни елемента при першому циклі.

Встановлено, що при однакових схемах і рівнях навантаження зі зменшенням висоти перетину від 0.5 м до 0.1 м співвідношення зростає до 11% (де , - відповідно, величини руйнуючих навантажень зразків після циклічного навантаження і при однократному завантаженні). Найбільший приріст спостерігався у випадку, коли рівень деформацій у крайньому найбільше навантаженому волокні досягав (0.60.65)_bR.

Для опису НДС позацентрово стиснених бетонних елементів, що знаходились під дією циклічного навантаження при нормальній і підвищеній температурах, використовувалися аналітичні вирази з опису діаграми _b-b бетону, що запропоновані Карпенком М.І..

Зв'язок між напруженнями і деформаціями на гілці навантаження для і-го циклу подається у вигляді:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

де - коефіцієнт зміни січного модуля деформації бетону на гілці навантаження циклу, що аналізується; - залишкові деформації попереднього циклу (і-1); - рівень напруження на гілці навантаження; -напруження у вершині діаграми; - рівень напруження у вершині попереднього циклу; - функція впливу попередніх циклів; - номер k, що відповідає (i-1).

Проте, більш зручно використовувати зв'язок між напруженнями і деформаціями через рівень деформацій; при цьому функцію , що запропонована Карпенком М.І., можна записати так:

(16)

де а_n= -165. 74610-1; b_n=649. 26710-1; c_n=-956. 94210-1; d_n=692. 33910-1;

e_n= -241. 36310-1; f_n=3. 244.

(17)

Зіставлення дослідних і теоретичних даних показало, що для всіх зразків, які випробувалися після циклічного навантаження, дослідне значення деформацій, розташування і величина рівнодіючих напружень у бетоні були близькими до теоретичного доти, поки повні деформації крайового волокна (з урахуванням залишкових на кожному етапі) були меншими за граничну стискальність _bR бетону при осьовому стиску. Таким чином, виникла необхідність коригування спадної гілки діаграми деформування бетону з урахуванням передісторії циклічного навантаження.

На спадній ділянці параметри діаграми деформування неоднорідно стиснутого бетону коректувалися відповідно до пропозицій Веретенникова В.І. та Бармотіна О.О.:

(18)

(19)

де a₁=-443. 484; b₁=1. 558; c₁=18. 376; Х_к , м.

За результатами коригування діаграми деформування бетону отримана достатня збіжність дослідних і теоретичних значень при випробуванні за першою та другою схемами навантаження, а при зіставленні третьої схеми збіжність дослідних і теоретичних даних незадовільна.

Аналіз отриманих даних показав, що узагальнюючим параметром для коригування діаграми _b-b бетону є значення кривизни елемента при циклічному позацентровому навантаженні.

(20)

(21)

(22)



де Х_руйн - висота стиснутого бетону на стадії, близькій до руйнації, м10².

Зіставлення дослідних і теоретичних даних з урахуванням усіх коригувань показало їх достатню збіжність.

У четвертому розділі наведено результати експериментально-теоретичних випробувань міцності, деформативності і тріщиностійкості позацентрово стиснених залізобетонних елементів кільцевого перетину.

Експериментальні дослідження показали, що на напружено-деформований стан залізобетонних елементів кільцевого перетину на стадіях утворення тріщин, експлуатації і стадії, близької до руйнації, впливають як навантаження знакозмінним моментом, так і короткочасне нагрівання. Багатофакторність впливу на НДС перетинів на всіх стадіях роботи потребує універсального підходу до вирішення задач міцності, деформативності і тріщиностійкісті. Тому найбільш придатним підходом до вирішення поставлених задач є поширення методики розрахунку залізобетонних перетинів із використанням повних діаграм деформування бетону й арматури на розрахунок елементів кільцевих перетинів, що працюють при постійній повздовжній силі, знакозмінних моментах і нагріванні зсередини.

В основу розрахунку міцності, тріщиностійкості та деформативності покладені такі передумови:

- при записі умов міцності за початковий приймається стан, при якому напруження в бетоні на рівні серединної поверхні кільця дорівнюють нулю;

- розподіл середніх деформацій бетону й арматури між тріщинами по висоті перетину приймається лінійним, тобто для середніх деформацій приймається гіпотеза плоских перетинів;

- деформації в стержнях арматури, що пересічені тріщиною, визначаються за допомогою коефіцієнта Мурашва В.І.:

(23)



де _sm, _s,crc - деформації арматури середні й у перетині з тріщиною, відповідно;

- бетон розтягнутої зони в роботі перетину участі не бере, що пояснюється дією знакозмінних моментів і виникненням тріщин по периметру кільця.

Рівняння рівноваги в нормальному перетині елемента записуються у вигляді:

(24)

(25)

де _b,i, A_b,i - напруження в i-й елементарній ділянці бетону площею A_bi; _s,k, A_s,k - приріст напружень в стиснутому або непересіченому нормальною тріщиною розтягнутому арматурному стержні; _s,j, A_s,j - те ж, для j-го арматурного стержня, що пересічений нормальною тріщиною; M - згинальний момент від зовнішніх сил; N - зовнішня повздовжня сила; N₀, М₀ - умовно еквівалентна повздовжня сила і згинальний момент від змушених деформацій (усадка, повзучість, температурне розширення) при напруженнях в бетоні, які дорівнюють нулю. Повздовжня сила N₀ являє собою рівнодіючу напружень в арматурі та визначається за формулами:

(26) N_0,cs=₀A_s; (27)

N_0,cycle=_0,cycleA_s (28)

(29)

де ₀ - втрати від усадки бетону при нормальних умовах і короткочасному нагріванні (за СН и П 2.03.01-84* і СН и П 2.03.04-84);

_s,t і _b,t - коефіцієнти (за СН и П 2.03.04-84*); t_s - температура арматури;

_0,cyclе - додаткові деформації в арматурі, що викликані розвитком пластичних деформацій в бетоні від циклічного навантаження. Визначаються за формулою:

(30)

де _bn - напруження в бетоні на рівні арматури при дії повздовжньої сили і згинального моменту при першому циклі навантаження.

(31)

(32)

(33)

- коефіцієнт армування; _pl - пластичні деформації, що накопичені за час дії циклічного навантаження, на рівні розташування арматури; ₀ - відносна пружна деформація при дії повздовжньої сили і згинального моменту при першому циклі навантаження с урахуванням передісторії бетону (нагрівання, тривале або циклічне навантаження тощо).

При односторонньому нагріванні в стінці кільця елементу виникають температурні згинальні моменти М_t, які визначаються за СНиП 2.03.04-84. Температурний момент призводить до більш раннього утворення тріщин і, як наслідок, до зниження жорсткості перетину в цілому.

При виконанні розрахунків по міцності, визначенні кривизни повздовжньої осі і ширини розкриття тріщин найбільш складним і маловивченим є питання розрахункового визначення коефіцієнта _s для кожного зі стержнів арматури зразків кільцевого перетину з урахуванням циклічного навантаження і короткочасного нагрівання.

З метою спрощення розрахунків запропоновано значення коефіцієнту _s визначати на характерних по висоті нормального перетину рівнях, а проміжні значення - за інтерполяцією.

Такими рівнями можуть бути ті, для яких з достатнім ступенем точності можна визначити величину _s . Передусім, це рівень, в якому середні деформації сягають величини, що відповідає утворенню тріщини або відбувається повне проковзування арматури.

Відомо, що при утворенні тріщин _s=(0.150.3), а при розрахунку цього коефіцієнту за новими нормами Росії отримано значення _s =0,2. Таким чином, є всі передумови вважати, що при досягненні в розтягнутому стержні деформацій, що дорівнюють , тобто при утворенні тріщин _s=0.2. Проковзуванню арматури в бетоні відповідає другий характерний рівень. Середні деформації в арматурі в цьому випадку близькі до величини R_s,ser/E_s, а _s =1. Межею рівня на рис. 8 є точки 4. Крім рівней з найбільшим і найменшим значеннями визначається також _s при М=(0.65…0.7)М_руйн, рівні 3,6. В тих випадках, коли на характерних рівнях арматурні стержні відсутні, можна вважати, що через них проходять умовні стержні, площа перетину яких дорівнює нулю. Значення коефіцієнта _s для стержнів, що знаходяться між точками 2-3 і 3-4, знаходимо за інтерполяцією.

Циклічне навантаження призводить до додаткового порушення зчеплення арматури з бетоном.

Під дією циклічного навантаження арматура руйнує бетон під виступами і створює умови для переміщення в межах простору а₁-а₃. При виникненні в перетинах елементу зовнішнього згинального моменту арматура деформується, послідовно закриваючи простори а₁, а₂, а₃ і а₄, які утворені при циклічній дії навантаження і передаючи зусилля на бетон.

Таким чином, в арматурі, що розташована на нейтральній вісі перетину коефіцієнт _s = 0. При віддаленні стержнів від нейтральної вісі зростають деформації в арматурі і послідовно закриваються простори а₁…а₃. При цьому нерівномірність деформацій в арматурі буде зростати і найбільшого значення (_s,min) досягне в стержні з деформаціями, які дорівнюють тим, що були в крайньому найбільш навантаженому стержні в кінці циклу, що передує навантаженню до руйнування. Для розрахункового визначення коефіцієнту _s в точці 2 пропонується вираз:

(34)

(35)

де М_crc - момент тріщиноутворення, який визначається з урахуванням М_t..

При подальшому навантаженні деформації по довжині стержня вирівнюються і при повному проковзуванні арматури коефіцієнт _s = 1.

Пропозиції, що розроблені з опису діаграм деформування бетону з урахуванням циклічного навантаження і короткочасного нагрівання, визначенню параметрів початкового стану (N_0t), встановлення співвідношення між середніми деформаціями арматури і в перетині з тріщиною (_s), дозволили запропонувати єдиний підхід до вирішення задач міцності, деформацій і тріщиностійкості залізобетонних елементів кільцевого перерізу.

Порівняння експериментальних даних по міцності з теоретичними, які визначені за формулою (21) при дотриманні умови (20), показало достатню їх збіжність (розбіжність не перевищувала 7%).

Ширина розкриття тріщин визначалась за формулою СНиП 2.03.01-84*:



(36)

(37)

де х, ц_е, з, µ, d - величини, які визначають відстань між тріщинами і нерівномірність деформацій; приймались за СНиП для короткочасного навантаження.

Результати розрахунку l_crc за формулою (37) дають більш близькі значення до експериментальних у всіх випадках, а за формулою (36) тільки при _s = 1 в найбільш розтягнутому стержні.

При вирішенні задач міцності і тріщиностійкості гнучких залізобетонних елементів потрібен розрахунковий апарат для визначення кривизни повздовжньої вісі елементів на всіх стадіях роботи конструкції. Методика розрахунку кривизни повздовжньої вісі, яка ґрунтується на використанні діаграм деформування бетону і арматури, дозволяє безпосередньо використати формулу (38) і тим самим вирішити цю задачу для будь-якої стадії напружено-деформованого стану елементів і конструкцій, що досліджуються:

(38)



ВИСНОВКИ

1. Розроблені уточнення до методики розрахунку міцності, деформативності і тріщиностійкості позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перетину, що працюють при дії малоциклових згинальних моментів і нагріванні зсередини.

2. Розроблена й обґрунтована методика експериментальних досліджень залізобетонних елементів кільцевого перетину при дії постійної повздовжньої сили, знакозмінних згинальних моментів і короткочасного нагрівання.

3. Розроблена методика дослідження поведінки бетону при складних режимах навантаження, що включають неоднорідний стиск і короткочасне нагрівання.

4. Встановлено, що циклічні навантаження суттєво впливають на міцність і деформативність бетону при стисканні. Циклічне навантаження осьовим стискаючим зусиллям до рівня напружень в бетоні, що становлять 0.8R_b, призводить до підвищення міцності до 18% і зниження граничної стискальності до 22%. Рівномірне циклічне навантаження бетону додатково не впливає на перерозподіл навантажень по висоті перетину елемента при його наступному нерівномірному навантаженні.

5. Зміна міцності і деформативності бетону при позацентровому стисненні залежить від рівня навантаження і максимальної кривизни елемента при першому циклі навантаження. Найбільший приріст спостерігався при навантаженні до рівня крайових деформацій, які становлять (0.60.65) _bR. Деформативність найбільш навантаженого крайового волокна зростає з рівнем навантаження до 21%.

6. Короткочасне нагрівання до 150^оС призводить до зниження міцності бетону на стиснення до 27%. Циклічне навантаження до і після короткочасного нагрівання призводить до збільшення міцності до 10% при рівні напруження до _b,tem=0.65R_b,tem і зменшенню граничної стискальності до 25%.

7. Уточнено опис напружено-деформативного стану нерівномірно стиснутого бетону, якого піддано циклічному навантаженню і короткочасному нагріванню, корегуванням міцності, граничної стискальності, кривизни діаграми на початковій ділянці, а також положення спадної гілки діаграми .

8. Отримані експериментальні дані про міцність, деформативність і тріщиностійкість позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перерізу, які працюють в умовах впливу підвищених температур і циклічного навантаження. Встановлено, що ширина розкриття тріщин зросла в 1.8-2 рази, а кривизна повздовжньої вісі в 1.3-1.4 рази.

9. Розроблені рекомендації з урахування знакозмінного малоциклового навантаження на напружено-деформований стан позацентрово стиснутих залізобетонних елементів кільцевого перетину при розрахунку міцності, деформативності і тріщиностійкості з використанням діаграм деформування бетону й арматури.

10. Результати роботи можуть бути використані при встановленні НДС залізобетонних елементів кільцевого перетину з метою розробки інженерних методів розрахунку конструкцій, що піддаються дії складних режимних навантажень і на які впливають підвищені температури.

11. Результати роботи прийняті Державним науково-дослідним інститутом будівельних конструкцій (м. Київ) і Донецьким інститутом “ПромбудНДІпроект” для розробки норм з проектування і розрахунку залізобетонних конструкцій, а також використанні при реконструкції димаря Кураховської ТЕС.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Веретенников В.И., Бармотин А.А., Тахтай Д.А. К уточнению расчета прочности нормальных сечений внецентренно сжатых железобетонных элементов с использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры. //Вісник Дон ДАБА. - Макіївка. - 2000-1(21), С. 192-196.

Особистий внесок: аналіз експериментальних і теоретичних досліджень, висновки

Бармотін О.О., Веретенников В.І., Тахтай Д.О. Про використання закону плоских перерізів при розрахунку міцності залізобетонних елементів за діаграмами деформування матеріалів. // Вісник ДонДАБА. - Макіївка. - 2001-1(26), с. 132-136.

Особистий внесок: результати чисельних досліджень, аналіз результатів, уточнення розрахунку міцності нормальних перерізів, висновки.

Бармотин А.А., Тахтай Д.А., Булавицкий М.С. Влияние геометрических размеров на НДС железобетонных элементов кольцевого сечения. //Вісник ДонДАБА. - Макіївка. - 2001-5(30), с. 223-227.

Особистий внесок: теоретичні дослідження, аналіз досліджень, висновки.

Тахтай Д.А., Бармотин А.А., Веретенников В.И. Влияние циклического нагружения при кратковременном нагреве на тріщиностійкість и деформативность железобетонных элементов кольцевого сечения. //Вісник ДонДАБА. - Макіївка. - 2003-2(39), с. 203-207.

Особистий внесок: розробка методики експериментальних досліджень, результати досліджень, висновки.

Тахтай Д.А. Прочностные и деформативные свойства неравномерно деформированного бетона, предварительно подвергнутого осевому циклическому навантаженню. // Вісник ДонДАБА. - Макіївка. - 2004-2(44), с. 80-85.

Тахтай Д.А., Бармотин А.А., Веретенников В.И. Влияние циклического нагружения на прочность и деформативность неравномерно нагруженного бетона. - “Строительство 2004”, //Материалы юбилейной Международной научно-практической конференции -Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2004, С. 36-37.

Особистий внесок: експериментальні дослідження, результати досліджень, аналіз.

Тахтай Д.А. О методике экспериментально-теоретических исследований влияния циклических нагрузок на напряженно-деформированное состояние железобетонных сооружений. // Вісник ДонДАБА. - Макіївка. - 2004-5(47), С. 105-106.

Тахтай Д.А., Веретенников В.И., Бармотин А.А. Прочность и деформативность бетона при внецентренном циклическом навантаженні //Коммунальное хозяйство городов: Научно-технический сборник. Вып. 60. Серия: Технические науки и архитектура. Изд-во Киев “Техніка”, 2004. - С. 53 - 65.

Особистий внесок: розробка методики експериментальних досліджень, результати досліджень, аналіз експериментальних і теоретичних досліджень, уточнення розрахунку, висновки.

Тахтай Д.А., Веретенников В.И., Бармотин А.А., Долматов А.А. Расчет прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов кольцевого сечения с использованием полных диаграмм деформирования бетона и арматуры. //Вісник ДонДАБА “Проблеми містобудування та архітектури” . - Макіївка. - 2004-6(48), С. 123-128.

Особистий внесок: аналіз результатів експериментальних і теоретичних досліджень, уточнення розрахунку міцності, висновки.

Размещено на Allbest.ru