Размещено на http://www.allbest.ru/

Полтавський Національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МІЦНІСТЬ ТА ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ ПОХИЛИХ ПЕРЕРІЗІВ ЗГИНАЛЬНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПРИ ДІЇ МАЛОЦИКЛОВИХ ЗНАКОЗМІННИХ НАВАНТАЖЕНЬ

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Корнійчук Олександр Іванович

Полтава - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Масюк Григорій Харитонович, Національний університет водного господарства та природокористування, декан факультету будівництва та архітектури

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бамбура Андрій Миколайович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач відділу надійності будівельних конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент Карпюк Василь Михайлович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри опору матеріалів.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При експлуатації велика кількість залізобетонних конструкцій зазнає дії малоциклових повторних та знакозмінних навантажень, які можуть виникати в межах експлуатаційного рівня або перевищувати його. До таких навантажень можна віднести вітрові, технологічні, сейсмічні, температурно-вологісні та інші. Малоциклові знакозмінні навантаження і деформації виникають в елементах конструкцій силосів та бункерів, нерозрізних балках монолітних залізобетонних перекриттів, колонах крайнього ряду промислових будівель, стояках вітрогенераторів, будівлях при аварійних ситуаціях, тощо. Крім того, в попередньо напружених залізобетонних конструкціях під дією експлуатаційного навантаження відбувається зміна знаку напружень у бетоні, спричинена попереднім напруженням арматури та повторними зовнішніми навантаженнями.

Для сучасного народного господарства України гостро постає проблема реконструкції існуючих будівель та споруд, при цьому виникає необхідність у зміні схеми завантаження конструкцій, коли змінюється напружено-деформований стан їх елементів, що також є випадком знакозмінного навантаження.

При проектуванні залізобетонних конструкцій одним з основних є розрахунок на дію поперечних сил. Методи розрахунку міцності та тріщиностійкості похилих перерізів постійно удосконалюються, однак методики розрахунку, які рекомендовані чинними нормами проектування, не дають можливості достатньо повно враховувати численні фактори, які впливають на характер напружено-деформованого стану елементів, обумовлюючи в багатьох випадках перевитрату матеріалів, а інколи недостатню надійність конструкцій. Чинні нормативні документи не враховують вплив передісторії завантаження, оскільки дане питання вивчено недостатньо.

Для забезпечення надійності залізобетонних конструкцій необхідно знати режими навантаження, закономірності зміни міцності, деформативності матеріалів, а також напружено-деформованого стану елементів, процеси тріщиноутворення та розвитку тріщин за дії малоциклового знакозмінного навантаження. Зміна знаку навантаження, його рівня, багаторазове повторення навантажень в процесі експлуатації конструкцій може призвести до наслідків, якісно відмінних від отриманих при розрахунку на постійні навантаження одного знаку максимальної інтенсивності, а саме таким чином проводяться розрахунки згідно діючих норм.

Виходячи з наведеного, накопичення експериментальних даних про роботу згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень, встановлення особливостей напружено-деформованого стану похилих перерізів при зазначених навантаженнях, розробка рекомендацій щодо удосконалення методик їх розрахунку є актуальною задачею.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота є одним з етапів комплексних досліджень, які проводяться на кафедрі інженерних конструкцій Національного університету водного господарства та природокористування за темою «Дослідження роботи та удосконалення методів розрахунків будівельних конструкцій при різних режимах зовнішніх впливів» (номер державної реєстрації 0107 U 004181). Робота входить у перелік досліджень кафедри за темою «Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних та залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи» (РК 0198 U 002424). На основі технічних завдань на вище згадані теми автором виконані експериментальні дослідження, а за їх результатами подано рекомендації щодо врахування впливу малоциклового знакозмінного навантаження та вдосконалені методики розрахунку міцності та тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень.

Мета і задачі досліджень. В дисертаційній роботі ставиться за мету виявити вплив малоциклових знакозмінних навантажень на міцність та тріщиностійкість похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів, вдосконалити методики їх розрахунку з врахуванням зазначених впливів.

Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:

- експериментально встановити вплив малоциклового знакозмінного навантаження різного рівня на міцність похилих перерізів, процеси тріщиноутворення, розвитку та зміни ширини розкриття похилих тріщин залізобетонних елементів, що згинаються;

- дослідити вплив зміни плеча зрізу на міцність та тріщиностійкість залізобетонних елементів, що згинаються, за дії малоциклового знакозмінного навантаження;

- дослідити вплив виду поперечного армування на міцність та тріщиностійкість згинальних залізобетонних елементів за дії малоциклового знакозмінного навантаження;

- вдосконалити методики розрахунку міцності похилих перерізів, утворення та ширини розкриття похилих тріщин згинальних залізобетонних елементів за дії знакозмінних навантажень.

Об`єкт досліджень - робота прямокутних згинальних залізобетонних елементів без попереднього напруження при дії малоциклових знакозмінних навантажень.

Предмет досліджень - міцність та тріщиностійкість похилих перерізів залізобетонних балок при дії малоциклових знакозмінних навантажень.

Методи досліджень - аналіз літературних джерел, експериментальні дослідження бетонних елементів та залізобетонних зразків-балок, теоретичні дослідження, методи математичної статистики при аналізі результатів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

- виявлено, що знакозмінні навантаження різного рівня суттєво впливають на міцність та тріщиностійкість похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються;

- вперше отримано експериментальні дані щодо міцності, а також нові дані щодо деформативності та тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів, які зазнають дії малоциклових знакозмінних навантажень;

- удосконалено методику розрахунку міцності похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів, яка ґрунтується на основі диско-в`язевої моделі залізобетонного елемента, з врахуванням впливу малоциклового знакозмінного навантаження;

- удосконалені існуючі нормативні методики розрахунку на утворення та визначення ширини розкриття похилих тріщин згинальних залізобетонних елементів з врахуванням впливу малоциклового знакозмінного навантаження.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертації результати можуть бути використані при проектуванні згинальних залізобетонних елементів, що під час експлуатації зазнають дії малоциклових знакозмінних навантажень. Використання запропонованих в дисертації вдосконалених методик розрахунку міцності та тріщиностійкості похилих перерізів дає можливість підвищити надійність, довговічність конструкцій та при їх проектуванні раціонально використовувати матеріали.

Матеріали дисертації покладені в основу рекомендацій «Розрахунок міцності та тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень»; використані у кінцевому звіті по темі «Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних та залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи» (РК 0198 U 002424) та в навчальному процесі.

Основні положення дисертаційної роботи були впроваджені в практику проектування у ЗАТ «Рівнеінвестпроект»(м. Рівне) та ТОВ «Левадія» (м. Львів).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автором отримано самостійно. Автор виконав цілеспрямовані експерименти з дослідження роботи похилих перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, за дії малоциклових знакозмінних навантажень. В опублікованих працях у співавторстві здобувачу належить наступне:

- [6] -- розробка методики проведення експерименту;

- [3] -- проведення експериментальних досліджень, обробка даних, побудова графіків деформацій;

- [5] -- проведення експериментальних досліджень, аналіз тріщиностійкості балок;

- [1] -- проведення експериментальних досліджень, обробка та аналіз даних, формулювання висновків;

- [4] -- обробка та систематизація даних експерименту, формулювання висновків;

- [2] -- проведення експериментальних досліджень, обробка даних, аналіз впливу прольоту зрізу та характеру поперечного армування на несучу здатність;

- [7] -- проведення досліджень, побудова діаграм деформування, формулювання загальних висновків.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди» у м. Рівне (протягом 2006-2008 рр.); п`ятій всеукраїнській науково-технічній конференції «Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону» у м. Полтава (2007 р.); сьомому міжнародному симпозіумі «Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій» у м. Київ (2007 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Актуальні проблеми водного господарства та природокористування» у м. Рівне (2007 р.); наукових конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів НУВГП у м. Рівне (2006-2008 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 7 статтях у збірниках наукових праць, що є фаховими виданнями. Розроблені рекомендації по розрахунку міцності та тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та одного додатку. Повний обсяг дисертації становить 191 сторінку, які включають 139 сторінок основного тексту, 14 таблиць, 49 ілюстрацій, 188 найменувань літературних джерел на 24 сторінках та додатку на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, наведена її загальна характеристика, сформульовані мета та задачі досліджень, описаний зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами, а також відмічена її наукова новизна та практична цінність.

Перший розділ присвячений огляду й аналізу праць вітчизняних та зарубіжних вчених, в яких вивчалась робота бетонних і залізобетонних елементів за дії малоциклових повторних та знакозмінних навантажень, а також наукових праць, присвячених проблемі досліджень міцності та тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів.

Є.М. Бабич та Ю.О. Крусь малоцикловим називають навантаження, кількість повторення яких за граничний термін служби складає десятки, сотні, а деколи й тисячі разів. В роботах Є.М. Бабича та А.П. Погореляка встановлений критерій для визначення граничного числа повторних навантажень. Цим критерієм є стабілізація деформацій у бетоні, коли абсолютний приріст деформацій наступного навантаження незначно перевищує абсолютний приріст деформацій попереднього навантаження. Авторами зроблено висновок, що основний процес деформування в бетонних елементах закінчується після перших 10-ти циклів.

Першим хто розпочав дослідження роботи елементів під дією знакозмінного навантаження був В.Я. Немировський, який у 1949 р. досліджував вплив знакозмінного навантаження на тріщиностійкість залізобетонних балок. Починаючи з 1961 р. проблемою опору бетону дії знакозмінного навантаження систематично займався Л.П. Макаренко та його наукова школа: Є.М. Бабич, Н.М. Бітько, А.В. Гергель, В.В. Масліченко, Г.Х. Масюк, В.Н. Рубель, І.Д. Свинаренко, Г.А. Фенко та інші. Крім того, дослідженню бетонних та залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень присвятили свої роботи В.С. Александровський, В.Я. Багрій, А.Я. Барашиков, В.В. Блінков, П.І. Васильєв, А.В. Войцеховський, А.Б. Григорчук, В.В. Караван, Н.І. Карпенко, А.М. Кокарєв, Р.Х. Мирмухамедов, В.А. Ржевський, Т.Л. Чирва та інші.

Питаннями міцності та тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів займалися ряд вчених як у нашій країні, так і за кордоном: М.С. Боришанський, Р. Вальтер, П.Ф. Вахненко, О.О. Гвоздєв, Л.Г. Двоскіна, А.О. Дмитренко, Л.О. Дорошкевич, В.С. Дорофєєв, О.С. Залєсов, О.С. Зорич, Н.І. Карпенко, В.М. Карпюк, Ю.А. Климов, А.П. Кудзис, А.А. Кудрявцев, Л.Л. Кукша, Ф. Леонгардт, Г.М. Мамедов, Е. Мерш, В.П. Митрофанов, В.І. Мурашов, К.Ю. Ніколаєв, П. Ріган, С.А. Тихомиров, М.С. Торяник, М.Н. Убайдулаєв, А.А. Цейтлін, Б.А. Шостак та інші.

Перший розділ закінчується визначенням мети та задач досліджень.

У другому розділі наведений опис дослідних зразків, висвітлена методика та об`єм експериментальних досліджень.

Для досягнення поставленої мети експериментальних досліджень було виготовлено 25 зразків залізобетонних балок (див. табл. 1). Балки армувались двома плоскими зварними каркасами, об'єднаними в просторовий. Поздовжня арматура прийнята діаметром 14 мм класу А500С (армування - подвійне, симетричне), яка була надійно заанкерена по краям балок від проковзування в тілі бетону (м_s= м_s'= 2,23%). Таке поздовжнє армування було прийнято для виключення руйнування балок по нормальним перерізам.

Поперечна арматура дослідних зразків використовувалась трьох видів:

- хомути (поперечні стержні) діаметром 4 мм класу Вр-I з кроком s_w= 75 мм;

- хомути діаметром 3 мм класу Вр-I, s_w=45 мм;

- відгини (похилі стержні) діаметром 5 мм класу Вр-I з кроком s_w,inc =135 мм.

Поперечне армування призначали виходячи із умови рівності коефіцієнту поперечного армування (м_sw = 0,34%).

Всього було виконано три серії дослідних зразків. Зразки першої серії виконували з важкого бетону класу В30, другої - В25 і третьої - В15.

Під час експериментальних досліджень дослідні дані отримували за допомогою механічних та тензометричних приладів (див. рис. 1). Слід зазначити, що тензодатчики були встановлені на арматурі верхньої і нижньої зон зразків та на поперечній арматурі (по 6-8 тензодатчиків з кожної сторони балки), крім того тензодатчики рівномірно наклеювались по висоті нормального та похилого перерізів. В процесі випробувань використовували дротові тензодатчики на паперовій основі марки ПКБ, які підключались до багатоканальної тензометричної системи ВНП-8, що передавала дані з датчиків на персональний комп'ютер.

Для експериментальних досліджень була спеціально розроблена та виготовлена дослідна установка, що дозволяє створювати знакозмінне навантаження в дослідних зразках без зміни їх положення (див. рис. 2). Знакозмінне навантаження створюється за рахунок зміни допоміжних опор на траверсі (поз. 4) та опускання-піднімання рухомих гвинтів із наконечниками (поз. 7) на чотирьох опорах (поз. 5).

Таблиця 1.

Номенклатура дослідних зразків

Марка зразка	Номінальні розміри зразка, мм	Поздовжнє армування	Поперечне армування	Бетон
	b	h	l		вид	?, клас	s, мм
БВ4-6	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
БЗНЦВ4-6/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
БВ4-4,5	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
БЗНЦВ4-4,5/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
БЗНЦВ4-4,5/0,5	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
БВ4-3	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
БЗНЦВ4-3/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
БЗНЦВ4-3/0,5	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В30
Б3-6	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В25
Б3-4,5	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В25
БЗНЦ3-4,5/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В25
БЗНЦ3-4,5/0, 5	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В25
Б3-3	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В25
БЗНЦ3-3/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В25
БЗНЦ4-4,5/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В25
Б5-4,5	100	160	2000	2 ?14 А500С	відгини	?5 Вр-І	135	кл. В25
БЗНЦ5-4,5/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	відгини	?5 Вр-І	135	кл. В25
БЗНЦ5-4,5/0,5_ЗР	100	160	2000	2 ?14 А500С	відгини	?5 Вр-І	135	кл. В25
Б5-3	100	160	2000	2 ?14 А500С	відгини	?5 Вр-І	135	кл. В25
БЗНЦ5-3/0,65_БД	100	160	2000	2 ?14 А500С	відгини	?5 Вр-І	135	кл. В25
БН4-6	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В15
БЗНЦН4-6/0,65	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?4 Вр-І	75	кл. В15
БН3-6	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В15
БЗНЦН3-6/0,5	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В15
БЗНЦН3-6/0,65_БД	100	160	2000	2 ?14 А500С	хомути	?3 Вр-І	45	кл. В15

Фізико-механічні характеристики бетону та арматури, що використовувались у дослідних зразках, визначались за допомогою безпосередніх випробувань зразків-еталонів, що проводились згідно діючих методик (див. табл. 2).

Таблиця 2.

Характеристики бетону та арматури дослідних зразків

Бетон	Арматура
№ серії	стиск	розтяг	Діаметр і клас	Rs, МПа	Es, МПа
	R, МПа	Rb, МПа	еbcR	Rbt, МПа	еbtR
1	36,7	25,9	1,40·10-3	1,60	0,60·10-4	?14 А500С	593	2,0·105
2	33,1	23,3	1,32·10-3	1,45	0,65·10-4	?5 Вр-І	559	1,7·105
3	19,0	11,8	1,19·10-3	1,08	0,69·10-4	?4 Вр-І	595	1,7·105
						?3 Вр-І	605	1,7·105

Зразки випробовували за статичною схемою однопролітної вільно опертої балки, завантаженої двома зосередженими силами (див. рис. 3). Площина дії зовнішнього навантаження проходила через геометричний центр ваги перерізу. В процесі випробувань змінювали проліт зрізу, який становив 600 мм (?4h), 450 мм (?3h) та 300 мм (?2h).

Розрахунковий проліт дослідних зразків становив l₀ = 1800 мм.

На початку експериментів випробовували балки на дію одноразового короткочасного ступеневого навантаження до руйнування (загалом 10 балок), визначивши руйнівне навантаження для заданого прольоту зрізу та виду поперечного армування (див. табл. 3). Надалі 15 балок протягом експерименту зазнавали впливу малоциклового короткочасного знакозмінного навантаження різного рівня відносно руйнівного навантаження (табл. 3). Кількість циклів навантаження зразків n=10. Проте деякі балки руйнувались при довантаженні, тобто на 5-му циклі. Цикл складався з двох напівциклів: «а» - верхня зона стиснута, нижня розтягнута; «б» - нижня зона стиснута, верхня розтягнута.

Загалом, вплив малоциклового короткочасного знакозмінного навантаження на дослідні зразки вивчали змінюючи в процесі експериментальних досліджень наступні параметри:

1) клас бетону дослідних зразків (В30, В25 та В15);

2) характер поперечного армування дослідних зразків

- хомути ?4 мм Вр-I з кроком s_w=75 мм,

- хомути ?3 мм Вр-I з кроком s_w=45 мм,

- відгини ?5 мм Вр-I з кроком s_w,inc=135 мм;

3) проліт зрізу с (600, 450 та 300 мм);

4) рівень знакозмінного навантаження з:

- знакозмінне навантаження рівня 0,65 від руйнівного з довантаженням на п`ятому циклі до рівня 0,8,

- знакозмінне навантаження рівня 0,5 з довантаженням до рівня 0,8 від руйнівного,

- інші рівні завантаження (з=0,65·F_u без довантаження, тощо).

Третій розділ присвячений результатам та аналізу експериментальних досліджень. навантаження тріщиностійкість залізобетонний армування

Прикладання малоциклового знакозмінного навантаження змінює як величину несучої здатності (див. табл. 4), так і характер руйнування дослідних зразків.

Знакозмінне малоциклове навантаження в цілому зменшує несучу здатність дослідних зразків.

При цьому необхідно відмітити наступне:

- для балок, що були виготовлені з бетонів високих класів -- В30 та В25 (1 та 2 серії), зниження несучої здатності складає 2-17%;

- для балок, в яких в якості поперечної арматури використовувались відгини, а також балок, що були виготовлені з бетону низького класу -- В15 (3 серія), зниження несучої здатності складає 16-25%, і крім того, балки такого типу не витримували довантаження до рівня з=0,8·F_u.

Найменшу несучу здатність мали балки, які зазнавали дії знакозмінного навантаження рівня з=0,65/0,8·F_u у порівнянні з дослідними зразками за того ж навантаження менших рівнів.

Основною причиною зниження несучої здатності балок, що зазнавали впливу малоциклового знакозмінного навантаження, є порушення структури бетону в похилому перерізі, його розущільнення та як результат втрата зчеплення арматури з бетоном. Саме тому балки, що зазнавали зазначених впливів, руйнувались миттєво, цей процес мав крихкий характер. В той же час руйнування балок-близнюків, що випробовувались при дії однозначного статичного навантаження, було передбачуваним та мало спокійний характер.

На рис. 4 та 5 наведені графіки деформацій поперечної арматури та бетону похилих перерізів балок першої серії, які в процесі випробування зазнавали дії малоциклового знакозмінного навантаження рівня з=0,65/0,8·F_u, в залежності від прольоту зрізу. Необхідно зазначити, що в базу індикаторів, розташованих в похилих перерізах дослідних зразків, потрапляли 1…2 похилі тріщини, тому сумарні деформації розтягнутого бетону похилих перерізів значно перевищують граничні значення деформацій бетону на розтяг е_btR.

При дії малоциклових знакозмінних навантажень деформації дослідних зразків на різних напівциклах (при зміні знаку навантаження) суттєво відрізняються. Деформації поперечної арматури в напівциклі «б» в 1,5?4 рази більші за відповідні деформації в напівциклі «а». Щодо характеру деформування бетону похилих перерізів, то чіткої тенденції не виявлено. Це пов`язано із складним напружено-деформованим станом в похилому перерізі балки при дії знакозмінних навантажень. Балка розбивається нормальними та похилими тріщинами на окремі блоки, які зв`язані між собою поперечною і поздовжньою арматурою та силами зчеплення між берегами тріщин. Ці в`язі запобігають взаємному переміщенню блоків один відносно одного під дією зовнішнього навантаження.

Залишкові деформації в поперечній арматурі та бетоні похилого перерізу складають 30-53% від загальних. Найбільший їх приріст спостерігається на першому циклі (?28-40%) та при довантаженні на п`ятому циклі. При повторенні циклів навантаження-розвантаження за рахунок зменшення пластичних деформацій процес накопичення залишкових деформацій поступово затухає. До четвертого циклу, а після довантаження до восьмого циклу, в поперечній арматурі та бетоні похилих перерізів відбувається стабілізація деформацій.

При порівнянні графіків деформацій балок з різним прольотом зрізу та при всіх інших однакових параметрах необхідно відмітити, що найбільше збільшення деформацій поперечної арматури при зміні знаку навантаження спостерігається при прольоті зрізу с=450 мм (балка БЗНЦВ4-4,5/0,65) ? в 3,9 рази (на першому циклі).

Таблиця 4.

Несуча здатність дослідних зразків

Проліт зрізу	Назва балок	№ сер.	Попер. арм-ня, ? і крок	Бетон балок	Рівень наванта-ження, з	Несуча здатність
						Q, кН	зниж., %
с = 600 мм	БВ4-6	1	?4, 75 мм	В30	0-1,0	33,70	-
	БЗНЦВ4-6/0,65	1	?4, 75 мм	В30	±0,65/±0,8	29,43	12,7
	БН4-6	3	?4, 75 мм	В15	0-1,0	24,52	-
	БЗНЦН4-6/0,65	3	?4, 75 мм	В15	±0,65/±0,8	19,62 («5-б»)*	20,0
	БН3-6	3	?3, 45 мм	В15	0-1,0	25,51	-
	БЗНЦН3-6/0,5	3	?3, 45 мм	В15	±0,5/±0,8	20,60 («5-б»)*	19,2
	БЗНЦН3-6/0,65_БД	3	?3, 45 мм	В15	±0,65	12,75 («4-б»)*	50,0
с = 450 мм	БВ4-4,5	1	?4, 75 мм	В30	0-1,0	36,54	-
	БЗНЦВ4-4,5/0,65	1	?4, 75 мм	В30	±0,65/±0,8	34,33	6,0
	БЗНЦВ4-4,5/0,5	1	?4, 75 мм	В30	±0,5/±0,8	36,05	1,3
	Б3-4,5	2	?3, 45 мм	В25	0-1,0	39,24	-
	БЗНЦ3-4,5/0,65	2	?3, 45 мм	В25	±0,65/±0,8	36,79	6,2
	БЗНЦ3-4,5/0,5	2	?3, 45 мм	В25	±0,5/±0,8	38,71	1,3
	БЗНЦ4-4,5/0,65	2	?4, 75 мм	В25	±0,65/±0,8	29,04 («5-б»)*	26,0
	Б5-4,5	2	?5,135 мм	В25	0-1,0	44,98	-
	БЗНЦ5-4,5/0,65	2	?5,135 мм	В25	±0,65/±0,8	34,33 («5-б»)*	23,7
	БЗНЦ5-4,5/0,5_ЗР	2	?5,135 мм	В25	±0,5/±0,65 / ±0,8	35,81 («10-а»)*	20,4
с = 300 мм	БВ4-3	1	?4, 75 мм	В30	0-1,0	44,63	-
	БЗНЦВ4-3/0,65	1	?4, 75 мм	В30	±0,5/±0,8	36,79	17,6
	БЗНЦВ4-3/0,5	1	?4, 75 мм	В30	±0,65/±0,8	39,88	10,6
	Б3-3	2	?3, 45 мм	В25	0-1,0	44,14	-
	БЗНЦ3-3/0,65	2	?3, 45 мм	В25	±0,65/±0,8	43,02	2,5
	Б5-3	2	?5,135 мм	В25	0-1,0	52,07	-
	БЗНЦ5-3/0,65_БД	2	?5,135 мм	В25	±0,65	44,14	15,2

Примітка: * - дослідні зразки, що зруйнувались раніше «10-б» напівциклу (в дужках вказано напівцикл, при якому відбулось руйнування).

Проаналізувавши графіки деформацій балок із різним поперечним армуванням можна говорити про те, що для конструкцій, які зазнають дії зазначених навантажень, більш раціональним є використання хомутів меншого діаметра, що за умови однакового коефіцієнту поперечного армування дозволяє досягти меншого кроку хомутів, які об`єднують балку в єдине ціле і запобігають від взаємного переміщення один відносно одного блоків, які утворилися внаслідок перехресних похилих тріщин, навіть коли проходить руйнування бетону в похилих перерізах.

Слід зазначити, що клас бетону, з якого виготовлені дослідні зразки, суттєво впливає на їх роботу при дії малоциклових знакозмінних навантажень. Із зменшенням міцності (класу) бетону в похилих перерізах більш інтенсивніше проходять деструктивні процеси ? в результаті чого різко збільшуються деформації поперечної арматури і знижується несуча здатність балок. Тому в конструкціях, що зазнають дії малоциклових знакозмінних навантажень, необхідно використовувати високоміцні бетони (кл. В30 і вище).

Режим завантаження не впливає на якісну картину напружено-деформованого стану похилих перерізів в процесі випробувань. При навантаженнях менших рівнів в матеріалах проходять аналогічні процеси, про які вже говорилося вище, але при цьому абсолютні деформації матеріалів мають менші значення, ніж при навантаженнях вищих рівнів.

Крім того встановлено, що малоциклове знакозмінне навантаження негативно впливає і на тріщиностійкість похилих перерізів: зменшує поперечну силу, при якій утворюються похилі тріщини, а також збільшує їх кількість, довжину та ширину розкриття. На основі проведених експериментів можна зробити висновок, що якщо за одноразового навантаження процес утворення та розвитку тріщин пов`язаний тільки із зміною напружено-деформованого стану балок, то при дії циклічного знакозмінного навантаження - головним чином із зменшенням жорсткості дослідних зразків.

Четвертий розділ присвячений теоретичним дослідженням міцності та тріщиностійкості згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень.

Розрахунок міцності похилих перерізів.

За фізичну модель залізобетонного елемента прийнята диско-в`язева модель, запропонована О.С. Залєсовим та Ю.А. Климовим (див. рис. 6) і розвинена А.О. Дмитренком. Гранична поперечна сила, яку сприймає система, знаходиться з рівняння рівноваги блоку В₁ на вертикальну вісь (див. рис. 7):

Q_act ? Q_u = Q_b1 + Q_sw + Q_s + F_crc·sin и. (1)

Знакозмінні навантаження суттєво впливають майже на всі внутрішні зусилля, які виникають в розрахунковому перерізі. Це необхідно враховувати при розрахунку міцності похилих перерізів, тому формула (1) набуде вигляду:

. (2)

Поперечна сила, яку сприймає бетон над критичною похилою тріщиною:

, (3)

де щ₁ - коефіцієнт, що враховує збільшення площі епюри дотичних напружень при зменшенні відносного прольоту зрізу, якщо c ? 2•h₀ Ї щ₁ = 0,5;( - коефіцієнт умов роботи бетону).

Висота стиснутої зони бетону над похилою тріщиною:

- =0,6 для елементів, які зазнають знакозмінних навантажень рівня =0,8·F_u (в тому числі і з довантаженням до рівня =0,8·F_u),

- =1,0 для елементів, які зазнають знакозмінних навантажень менших рівнів.

Значення коефіцієнту , а також всіх інших введених коефіцієнтів, прийняті на основі статистичної обробки власних експериментальних даних та даних інших дослідників.

, (5)

де ц_b2 - загальний коефіцієнт, визначається згідно діючих норм і для важкого бетону ц_b2 = 2,0.

Поперечна сила, яку сприймають хомути:

. (6)

Проекція небезпечної похилої тріщини:

якщо , то . (7)

якщо , то . (8)

При цьому , h₀ ? с₀ ? 2·h₀, с₀ ? с.

Величина зусилля зчеплення в похилій тріщині визначається за вдосконаленою формулою В.П. Митрофанова (введений коефіцієнт умов роботи ):

, (9)

де =0,9 для бетонів класу В25 і вище,

=0,7 для бетонів класу В20 - В25,

=0,4 для бетонів класу В15 і нижче;

( - коефіцієнт умов роботи бетону); , m=2.

Поперечна сила, яку сприймає поздовжня арматура («нагельний ефект»):

, (12)

де - коефіцієнт умов роботи, що дорівнює:

- =0,9 для бетонів класу В25 і вище,

- =0,8 для бетонів нижчих класів;

n_s, d_s - кількість і діаметр поздовжніх стержнів;

( - коефіцієнт умов роботи бетону).

Коефіцієнти умов роботи бетону, що враховують зміну міцнісних характеристик бетону при дії малоциклових знакозмінних навантажень, слід визначати за виразами:

Розрахунок на утворення тріщин, похилих до поздовжньої осі елемента

В напівциклі «1-а» розрахунок на виникнення тріщин, похилих до поздовжньої осі елемента, виконується згідно методики діючого СНиП 2.03.01.-84*:

. (14)

При цьому необхідно, щоб виконувалась наступна умова, запропонована О.С. Залесовим, Е.Н. Кодишем та іншими науковцями:

. (15)

Якщо тріщини в напівциклі «1-а» не утворюються, то при зміні знаку навантаження (в напівциклі «1-б») розрахунок на виникнення похилих тріщин слід виконувати за умовами (14)-(15). В протилежному випадку розрахунок необхідно виконувати згідно наступного виразу :

, (16)

де ч_crc - коефіцієнт, що враховує зниження тріщиностійкості згинальних залізобетонних елементів внаслідок дії знакозмінного навантаження:

- ч_crc =0,78 для бетонів класу В15 і нижче,

- ч_crc =0,9 для бетонів вищих класів.

В напівциклі «1-б» умова (15) набуде вигляду:

. (17)

Розрахунок ширини розкриття похилих тріщин

Ширину розкриття похилих тріщин залізобетонних елементів, що згинаються, на першому напівциклі знакозмінного навантаження необхідно визначати за формулами згідно діючих змін до СНиП 2.03.01-84* 1995 року.

Ширину розкриття похилих тріщин в напівциклі «1-б» необхідно визначати за виразом: , (18)

де - ширина похилої тріщини в напівциклі «1-а», визначена згідно діючої методики.

в - коефіцієнт, що враховує збільшення ширини розкриття похилої тріщини при зміні знаку навантаження:

- в =1,5 для балок з прольотом зрізу с ? 2•h,

- в =2,0 для всіх інших прольотів зрізу.

Ширину розкриття похилих тріщин в напівциклах «а» знакозмінного навантаження з урахуванням можливого довантаження зразків, пропонується визначати за таким виразом:

, (19)

де - ширина похилої тріщини в напівциклі «1-а»;

Дa_crc - приріст ширини розкриття тріщин внаслідок дії знакозмінного навантаження:

, (20)

де у_sw,n - напруження в хомутах (або поздовжній розтягнутій арматурі) на даному циклі навантаження, що визначається згідно діючої методики,

d_w - діаметр хомутів (або поздовжньої розтягнутої арматури),

n - кількість циклів знакозмінного навантаження (n ? 10).

Якщо після довантаження балки зазнають навантаження попереднього меншого рівня, то значення приросту Дa_crc, що входить у формулу (19), необхідно визначати за виразом:

, (21)

де у_sw,дов - напруження в хомутах (або поздовжній розтягнутій арматурі) під час довантаження на циклі n_дов,

у_sw,n - напруження в хомутах (або поздовжній розтягнутій арматурі) на даному циклі навантаження.

Ширину розкриття похилих тріщин в напівциклах «б» знакозмінного навантаження необхідно визначати за наступним виразом:

, (22)

де - ширина похилої тріщини в напівциклі «1-б», визначена за формулою (18);

Дa_crc - приріст ширини розкриття тріщин внаслідок дії знакозмінного навантаження, що визначений за формулою (20) або (21).

Запропоновані вдосконалені методики розрахунку дають задовільну збіжність результатів із експериментальними даними.

У п`ятому розділі наведено передумови щодо практичного застосування результатів досліджень та алгоритми розрахунку міцності похилих перерізів, утворення та ширини розкриття похилих тріщин згинальних залізобетонних елементів за дії малоциклових знакозмінних навантажень, а також наведені приклади розрахунку.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. В практиці будівництва під час експлуатації конструкцій та в умовах реконструкції існуючих будівель та споруд досить часто залізобетонні елементи зазнають дії малоциклових знакозмінних навантажень. Методики розрахунку міцності та тріщиностійкості похилих перерізів за діючими нормативними документами не враховують вплив зазначених навантажень на зміну фізико-механічних властивостей бетонів та напружено-деформованого стану похилих перерізів, оскільки дане питання вивчено недостатньо.

2. У дисертаційній роботі проведено узагальнення експериментальних та теоретичних досліджень впливу короткочасного малоциклового знакозмінного навантаження різного рівня на міцність похилих перерізів, а також на утворення, процеси розвитку і зміни ширини розкриття похилих тріщин згинальних залізобетонних елементів.

3. Запропоновано вдосконалення методик розрахунку міцності похилих перерізів, утворення та ширини розкриття похилих тріщин згинальних залізобетонних елементів за дії малоциклових знакозмінних навантажень. Запропоновані методики розрахунку дають задовільну збіжність результатів із експериментальними даними.

4. Встановлено, що малоциклове знакозмінне навантаження знижує міцність похилих перерізів від 5% до 25% в залежності від виду поперечного армування, рівня знакозмінного навантаження та класу бетону дослідних зразків.

5. За однакового відсотку поперечного армування більш раціональним є використання хомутів меншого діаметра, що дозволяє досягти меншого кроку поперечної арматури. Поперечна арматура об`єднує балку в єдине ціле і запобігає від взаємного переміщення один відносно одного блоків, що утворилися внаслідок перехресних похилих тріщин, навіть коли проходить руйнування бетону в похилих перерізах. Проте зменшення кроку хомутів збільшує ширину розкриття похилих тріщин.

6. Довжина прольоту зрізу суттєво впливає на характер тріщиноутворення, форму руйнування та несучу здатність експериментальних зразків. Найбільше збільшення деформацій поперечної арматури та ширини розкриття похилих тріщин за дії на зразки малоциклового знакозмінного навантаження спостерігалось для прольоту зрізу с=450 мм (? 3•h).

7. Встановлено, що стабілізація деформацій поперечної арматури та бетону похилих перерізів дослідних зразків за дії малоциклових знакозмінних навантажень рівня з=0,5…0,65·F_u відбулась до четвертого циклу навантаження, а після довантаження їх на п'ятому циклі до рівня з=0,8·F_u - до восьмого циклу навантаження. Залишкові деформації бетону похилих перерізів та поперечної арматури проявляються на перших циклах навантаження і поступово затухають на подальших циклах за рахунок зменшення пластичних деформацій в матеріалах.

8. Виявлено, що малоциклове знакозмінне навантаження, залежно від рівня навантаження та кількості циклів, зменшує поперечну силу, при якій утворюються похилі тріщини на 10-22%, а також збільшує їх кількість, довжину та ширину розкриття в 1,5-4 рази у порівнянні з одноразовим навантаженням. Процес утворення та розвитку тріщин в дослідних балках стабілізувався до четвертого - п`ятого циклу навантаження, а після довантаження балок на п`ятому циклі - до десятого циклу.

9. Прогини в дослідних зразках за дії малоциклових знакозмінних навантажень рівня з=0,5…0,65·F_u стабілізувались до п`ятого циклу навантаження, а після довантаження їх на п'ятому циклі до рівня з=0,8·F_u - до десятого циклу. При цьому малоциклове знакозмінне навантаження збільшує величину прогинів в 1,1-1,2 рази у порівнянні з одноразовим навантаженням.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Корнійчук О. І. Вплив характеру поперечного армування на роботу похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів під дією малоциклових знакозмінних навантажень / О.І. Корнійчук, Г.Х. Масюк // Вісник НУВГП: збірник наукових праць. - Рівне, 2007. - Випуск 4(40), Ч. 2. - С. 278-284.

2. Корнійчук О.І. Експериментальні дослідження несучої здатності похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень / О.І. Корнійчук, Г.Х. Масюк // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди: збірник наукових праць. - Рівне, 2008. - Вип. 16. Ч. 2. - С. 217-222.

3. Масюк Г.Х. Вплив малоциклових знакозмінних навантажень на деформаційність поперечної арматури і бетону в похилих перерізах / Г.Х. Масюк, О.І. Корнійчук, В.В. Караван // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди: збірник наукових праць. - Рівне, 2007. - Вип. 15. - С. 196-202.

4. Масюк Г.Х. Дослідження ширини розкриття похилих тріщин в залізобетонних балках при дії малоциклових знакозмінних навантажень / Г.Х. Масюк, В.В. Караван, О.І. Корнійчук // Вісник Львівського державного університету: Архітектура і сільськогосподарське будівництво. - Львів: Львів. держагроуніверситет, 2007. - №8. - С.135-142.

5. Масюк Г.Х. Експериментальні дослідження тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень / Г.Х. Масюк, О.І. Корнійчук // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій: збірник наукових праць. - Львів, 2007. - Вип. 7. - С. 289-296.

6. Масюк Г.Х. Задачі та методика експериментальних досліджень міцності та тріщиностійкості похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів, що зазнають впливу малоциклового знакозмінного навантаження / Г.Х. Масюк, О.І. Корнійчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди: збірник наукових праць. - Рівне, 2006. - Вип. 14. - С. 246-252.

7. Масюк Г.Х. Напружено-деформований стан похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів, що зазнають дії малоциклових знакозмінних навантажень / Г.Х. Масюк, О.І. Корнійчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди: збірник наукових праць. - Рівне, 2008. - Вип. 17. - С. 204-211.

АНОТАЦІЯ

Корнійчук О.І. Міцність та тріщиностійкість похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 2009.

Дисертація присвячена вивченню впливу малоциклових знакозмінних навантажень різного рівня на міцність та тріщиностійкість похилих перерізів згинальних залізобетонних елементів залежно від класу бетону дослідних зразків, характеру поперечного армування та прольоту зрізу. Експериментально та теоретично досліджена робота таких елементів за дії знакозмінних навантажень. Запропоновані вдосконалені методики розрахунку міцності похилих перерізів, утворення та ширини розкриття похилих тріщин за дії малоциклових знакозмінних навантажень.

Ключові слова: залізобетон, згинальні елементи, малоциклові знакозмінні навантаження, похилий переріз, міцність, тріщиностійкість.

Корнийчук А.И. Прочность и трещиностойкость наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов при действии малоциклических знакопеременных нагрузок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 2009.

Диссертация посвящена изучению влияния малоциклических знакопеременных нагрузок разного уровня на прочность и трещиностойкость наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов в зависимости от класса бетона испытываемых образцов, характера поперечного армирования и пролета среза. Экспериментально и теоретически изучена работа таких элементов при действии знакопеременных нагрузок. Предложены усовершенствованные методики расчета прочности наклонных сечений, образования и ширины раскрытия наклонных трещин при действии малоциклических знакопеременных нагрузок.

Во введении обоснована актуальность темы, приведена общая характеристика работы, ее научная новизна и практическая ценность.

Первый раздел посвящен обзору и анализу трудов отечественных и зарубежных ученных, в которых изучалась работа бетона и железобетонных элементов при действии малоциклических повторных и знакопеременных нагрузок, а также научных работ, посвященных проблеме прочности и трещиностойкости наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов.

Во втором разделе представлены методика испытаний, конструкции опытных балок и установка для их испытаний. Для решения поставленных задач было изготовлено и испытано 25 железобетонных балок номинальными размерами 100х160х2000 мм.

Балки армировались двумя плоскими сварными каркасами. Продольная арматура принята диаметром 14 мм класса А500С (армирование двойное, симметричное). Поперечная арматура образцов была принята исходя из равенства коэффициента поперечного армирования трёх видов: хомуты диаметром 4 мм Вр-I с шагом s_w= 75 мм; хомуты диаметром 3 мм Вр-I, s_w= 45 мм и отгибы диаметром 5 мм Вр-I, s_w,inc=135 мм. Образцы испытывались как однопролётные свободно опертые балки, загруженные двумя сосредоточенными силами. В процессе испытаний изменяли пролёт среза, который был равен 600 мм (?4h), 450 мм (?3h) и 300 мм (?2h). Также в разделе приведены режимы нагружения образцов. Отдельным пунктом рассмотрены механические характеристики бетона и арматуры исследуемых образцов.

В третьем разделе приведены и проанализированы основные результаты экспериментальных исследований. В разделе рассматривается несущая способность и характер разрушения опытных образцов, приводятся графики деформирования материалов при одноразовом кратковременном и малоциклическом знакопеременном нагружении. Также рассматриваются вопросы образования и развития нормальных и наклонных трещин в образцах.

Четвертый раздел посвящен теоретическим исследованиям прочности и трещиностойкости наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов при действии малоциклических знакопеременных нагрузок. Выполнено сравнение опытных результатов с предложенными усовершенствованными методиками расчета.

В пятом разделе приводятся алгоритмы расчета прочности наклонных сечений, образования и ширины раскрытия наклонных трещин при действии малоциклических знакопеременных нагрузок, а также примеры расчета.

Ключевые слова: железобетон, изгибаемые элементы, малоциклические знакопеременные нагрузки, наклонное сечение, прочность, трещиностойкость.

Korniichuk O. Durability and fracture strength of oblique sections of reinforced-concrete bending elements under the action of the alternating low-cycle loadings. - Manuscript.

Thesis for the Candidate's Degree (Technical Sciences) in speciality 05.23.01 - building structures, buildings and constructions. - Poltava National Technical University named after Yuri Kondratyuk, Poltava, 2009.

The thesis is devoted to study the influence of the alternating low-cycle loadings of different levels on durability and fracture strength of oblique sections of reinforced-concrete bending elements depending the durability of model's concrete, the character of transversal re-enforcement and the cut bay. Experimentally and theoretically was investigated the work of such elements under the action of the alternating loadings. Improved calculation methods of the oblique sections durability, the formation and opening widths of oblique crack under the action of the alternating low-cycle loadings were offered.

Key words: reinforced-concrete, bending elements, alternating low-cycle loadings, oblique section, durability, fracture strength.

Размещено на Allbest.ru