Несуча здатність, жорсткість та деформативність залізобетонних елементів зі змішаним армуванням

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО - ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ, ЖОРСТКІСТЬ ТА ДЕФОРМАТИВНІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ ЗІ ЗМІШАНИМ АРМУВАННЯМ

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій

Міністерства регіонального розвитку та будівництва України

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Бамбура Андрій Миколайович,

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач відділом надійності будівельних конструкцій.

Офіційні опоненти

- доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович, завідувач кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій Київського національного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України;

- кандидат технічних наук, доцент Мельник Ігор Володимирович, доцент кафедри „ Мости та будівельна механіка” Державного університету «Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. І. Клименка, 5/2.

Автореферат розісланий « 7 » червня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 26.833.01, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ю.С. Слюсаренко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Чинні в Україні норми з проектування та розрахунку залізобетонних конструкцій не враховують складний напружено-деформований стан в елементах із змішаним армуванням і, тим більше, зовнішньої арматури підсилення, що вводиться до складу конструкції, коли та вже мала певну історію існування. Тому, чинні норми не дозволяють визначати напружено-деформований стан, несучу здатність та прогини таких конструкцій з достатньою для практики точністю. Ця проблема загострюється тим, що в останній час для посилення залізобетонних конструкцій все частіше використовується неметалеве армування (вуглепластик, базальтопластик та інш.). За відсутності відповідних методів розрахунку, проектування посилення здійснюється, зазвичай, лише на основі набутого досвіду.

В той же час, на протязі останніх 20 років в НДІБК були проведені комплексні експериментально-теоретичні дослідження роботи бетону та залізобетону при різних режимах навантаження, застосуванні різних класів бетону і кількості арматури. На їх основі були розроблені методи розрахунку залізобетонних конструкцій, які базуються на чітких, фізично обумовлених передумовах та використанні повних діаграм деформування матеріалів, які дозволяють з великою точністю оцінювати напружено-деформований стан конструкцій на будь-якій стадії їх роботи.

Продовженням цих робіт є експериментально-теоретичні дослідження, які направленні на створення методів розрахунку конструкцій зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених наклеюванням зовнішнього армування, які основані на використанні повних діаграм деформування матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-дослідних тематик «Проведение экспериментально-теоретических исследований влияния на несущую способность железобетонных элементов, усиленных металлическим листом и композитным материалом, приклеенных клеями заказчика», «Разработать методику определения влияния внешнего армирования, применяемого в растянутой зоне на несущую способность и деформативность железобетонных элементов», № держ. реєстрації 0107U012276, які здійснювались в НДІБК в 2001 - 2003 рр. Отримані результати дисертації були використані при розробці нових національних норм проектування залізобетонних конструкцій, у рамках роботи, що виконувалась в НДІБК - договір між НДІБК і Держбудом України від 11.09.03 № 643 «Розробити ДБН «Бетонні та залізобетонні конструкції» (на заміну СНиП 2.03.01-84*)», номер держ. реєстрації 0103U008522.

Метою роботи є розробка методики визначення несучої здатності, жорсткості та деформативности згинаних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених наклеюванням зовнішнього армування або просочуванням полімерними сумішами.

Задачі дослідження:

1. На основі даних експериментальних досліджень розробити методику розрахунку згинаних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених наклеюванням зовнішнього армування.

2. Експериментально встановити вплив просочування полімерними сумішами на несучу здатність, деформативність, тріщиностійкість та характер руйнування бетонних та залізобетонних елементів.

3. Експериментально дослідити повзучість та зчеплення клею з бетоном.

4. Експериментально визначити вплив зовнішнього армування на несучу здатність та деформативність згинаних залізобетонних елементів при короткочасних і довготривалих навантаженнях.

5. Запропонувати рекомендації щодо підсилення залізобетонних конструкцій наклеюванням зовнішнього армування або просочуванням полімерними сумішами.

Об'єкт дослідження - згинані залізобетонні елементі зі змішаним армуванням, в тому числі підсилені наклеюванням зовнішнього армування.

Предмет дослідження - несуча здатність, деформативність згинаних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених наклеюванням зовнішнього армування, при короткочасних і довготривалих навантаженнях.

Методи дослідження:

- аналіз літературних джерел, формулювання задач експериментальних та теоретичних досліджень, розробка методики для вирішення поставлених задач, виконання запланованого експерименту, обробка і аналіз результатів, проведення теоретичних досліджень, порівняння експериментальних та теоретичних даних, формулювання основних висновків і розробка рекомендацій щодо застосування результатів досліджень у практику проектування;

- методи математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

- на основі експериментальних досліджень виявлені закономірності роботи залізобетонних елементів, підсилених шляхом наклеювання зовнішнього армування та просочених полімерними сумішами;

- отримані аналітичні залежності оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених наклеюванням зовнішнього армування, основані на використанні повних діаграм деформування матеріалів;

- розроблені аналітичні залежності по визначенню прогинів згинаних залізобетонних конструкцій, основаних на апроксимації зігнутої осі згинаних елементів сплайном четвертого ступеня;

- запропонована удосконалена методика розрахунку несучої здатності і деформацій підсилених залізобетонних елементів, основана на використанні повних діаграм деформування матеріалів.

Практичне значення отриманих результатів. Одержані експериментальні дані дозволять визначити область ефективного застосування елементів зі змішаним армуванням та різних методів підсилення або захисту, побудованих на використанні полімерних композицій. Розроблена методика розрахунку дозволяє з достатньою для практики точністю визначити несучу здатність та жорсткість залізобетонних елементів зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених наклеюванням зовнішнього армування на різних стадіях роботи. Результати, отримані за розробленою методикою, можуть бути використані при просторових розрахунках моделей будівель та споруд.

Особистий внесок здобувача:

- проведено аналіз конструктивних рішень та методів розрахунку елементів зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених шляхом наклеювання зовнішнього армування;

- отримано експериментальні дані: про вплив просочування композитними матеріалами на роботу бетонних та залізобетонних елементів; про характер роботи клейових з'єднань металевих і бетонних поверхонь; про роботу залізобетонних згинаних елементів, підсилених наклеюванням зовнішнього армування, при короткочасній та тривалій дії навантаження;

- розроблено залежності з оцінки напружено-деформованого стану елементів із змішаним армуванням, в тому числі підсилених шляхом наклеювання зовнішнього армування, та залежності з визначення прогинів шляхом апроксимації зігнутої осі елемента сплайном 4-го ступеня;

- виконано оцінку точності розрахункового апарату;

- розроблено рекомендації із підсилення згинаних елементів шляхом наклеювання зовнішнього армування.

Апробація результатів. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

- Міжнародній науково-технічній конференції «Будівництво, реконструкція та відновлення будівель і споруд міського господарства” (Харків, 2002 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції „Новейшие технологии диагностики, ремонта и восстановления объектов строительства и транспорта” (Автономна республіка Крим, 2003 р.);

- Науково-технічній конференції „Перспективи розвитку будівельних конструкцій, споруд та їх основ” (Київ, 2003 р.);

- Третій Всеукраїнської науково-технічній конференції «Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону» (м. Львів, 2003 р.).

В повному обсязі робота розглядалась на семінарі відділу надійності будівельних конструкцій НДІБК Міністерства регіонального розвитку та будівництва України.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 5 робіт, із них 5 у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 157 найменувань, викладених на 146 сторінках, у тому числі 100 сторінок основного тексту, 45 рисунків, 23 таблиці, додаток на 2 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі наведено обґрунтування актуальності, сформульовані мета та задачі дисертаційної роботи, а також наведені наукові положення, які виносяться на захист, та дані щодо апробації роботи.

Перший розділ присвячений аналізу стану питання та постановці задач досліджень. Розглядаються експериментальні та теоретичні роботи з розрахунку згинаних елементів із змішаним армуванням, досліджень залізобетонних конструкцій, посилених зовнішнім армуванням, визначення прогинів згинальних залізобетонних елементів.

Питанню вивчення роботи та розрахунку згинальних елементів із змішаним армуванням були присвячені роботи Бабича Є.М., Бамбури А.М., Барашикова А.Я., Бачинського В.Я., Байкова В.М., Байрамукова С.Х., Голишева О.Б., Головина Н.С., Демчини Б.Г., Єфименка В.І., Клованича С.Ф., Корсуна В.І., Левіна В.М., Немировського Я.М., Панчука Ю.М., Семка О.В., Чалкатряна Д.А., Янкелевича М.А. та інш.

Дослідженням залізобетонних конструкцій, посилених зовнішнім армуванням присвячені роботи Аубакірова Г.Т., Барабаша В.М., Веселовського Д.Р., Дорофеєва В.С., Золотова М.С., Ізбаша М.Ю., Кваші В.Г., Клименка Ф.Е., Климпуша М.Д., Лучка Й.Й., Мельника І.В., Молодченка Г.А., Панченка Л.А., Чихладзе Е.Д., Савицького М.В., Синякіна О.Г., Сколибога О.В., Собка Ю.М., Стороженка Л.І., Шагіна О.Л., Шмуклера В.С., Шокарева В.С. та інш.

Представлений огляд засвідчив, що до теперішнього часу не розроблено методів розрахунку конструкцій зі змішаним армуванням, в тому числі підсилених наклеюванням зовнішнього армування, основаних на використанні повних діаграм деформування матеріалів і які б враховували особливості роботи армування (звичайного, попередньо напруженого, зовнішнього). Основною причиною відсутності зазначених методів є недостатня кількість експериментальних досліджень, спрямованих на вивчення роботи таких конструкцій.

Існуючі експериментальні дослідження роботи залізобетонних конструкцій, підсилених шляхом наклеювання зовнішнього армування і просочуванням, присвячені, головним чином, технології виконання робіт з підсилення, вивченню зміни міцністних характеристик матеріалів після просочування та впливу на несучу здатність посилених елементів. Крім того, комплексні рекомендації про доцільність використання для посилення конструкцій зовнішнього армування на клейовому з'єднанні або просочування до цих пір не розроблені.

Також, маловивченим питанням є визначення прогинів згинаних залізобетонних елементів із змішаним армуванням, у тому числі підсилених зовнішнім армуванням.

Виконаний аналіз стану питання дозволив сформулювати задачі даної роботи.

У другому розділі наведено обґрунтування програми експериментальних досліджень, їх об'єм, конструкції дослідних зразків та технологія їх виготовлення. Також приводяться результати випробувань допоміжних зразків та їх аналіз.

У зв'язку з тим, що в НДІБК накопичено достатньо експериментальних даних щодо роботи елементів із змішаним стальним армуванням, що складалось із звичайного та попередньо напруженого, програма експерименту передбачала вирішення наступних задач:

- дослідження впливу зовнішнього армування на несучу здатність та деформативність згинаних залізобетонних елементів при короткочасній та тривалій дії навантаження;

- дослідження впливу просочування полімерними сумішами на несучу здатність, деформативність, тріщиностійкість та характер руйнування бетонних і залізобетонних елементів;

- вивчення сили зчеплення клею з бетоном та повзучість клею.

Рис. 1. Схема розміщення приладів: 1 - дослідний зразок; 2 - траверса; 3 - кільцеві динамометри; 4 - індикатори з ціною поділки 0,001 мм; 5 - індикатори з ціною поділки 0,01 мм; 6 - репери.

Об'єм основних випробувань наведено у таблиці 1.

У експериментах досліджувалась зона чистого згину ненапружених балок прольотом 2100 мм, перерізом 100200 мм.

Для рішення основної задачі - дослідження несучої здатності та деформативності згинаних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при короткочасній та тривалій дії навантаження, були розглянуті три варіанти зовнішнього армування:

- наклеювання на розтягнуту грань балки металевої полоси (L=2000 мм, b=50 мм, =3 мм) - серія БМП;

- наклеювання на розтягнуту грань балки металевої полоси, яку додатково укріплювали з двох сторін за допомогою 4-х анкерів, вклеєних у висвердлені отвори у балці, з кроком 50 мм на відстані 20 мм від торця пластини - серія БМА;

- підсилення балки за допомогою наклеювання в ряд 5-ти полос з базальтопластикової арматури - серія ББП. Крім того, для додаткового укріплення полос, приопорна частина балки обклеювалась просоченим клеєм «Едмок» базальтовим полотном, завширшки 300-350 мм.

Таблиця 1 Характеристики і кількість дослідних зразків

Серія	Вид зразка	Кіл., шт.	Мета досліджень
Вивчення сили зчеплення з бетоном та повзучості клею
ПМКр-I	Призми з металевою полосою	3	Визначення сили зчеплення бетону призми з зовнішнім армуванням
ПМДл-I	Призми з металевою полосою	3	Дослідження повзучості клею при тривалій дії навантаження
Дослідження несучої здатності та деформативности згинальних залізобетонних елементів із зовнішнім армуванням при короткочасній та тривалій дії навантаження
БМП-I	Балки з металевою полосою	2	Дослідження несучої здатності згинальних залізобетонних елементів із зовнішнім армуванням при короткочасній дії навантаження
БМА-I	Балки з металевою полосою та анкерами	3
ББП-I	Балки з базальто-пластиковими полосами	3
ББУ-I	Балки без підсилення	3	Контрольні зразки для короткотривалих навантажень
БМПдл-II	Балки з металевою полосою	2	Дослідження повзучості клею, міцності, жорсткості балок при тривалій дії навантаження
ББУдл-II	Балки без підсилення	2	Контрольні зразки при довготривалих навантаженнях
Дослідження несучої здатності, деформативності, тріщиностійкості та характеру руйну-вання бетонних та згинаних залізобетонних елементів при їх просочуванні «Консолід»
ПБП-1	Призми просочені	3	Визначення модуля пружності, призменної міцності бетону
ВБП-1	Вісімки просочені	6	Визначення міцності бетону при осевому розтязі
БП-II	Балки просочені	3	Визначення міцності, тріщиностійкості згинаних елементів
ББУ-II	Балки без підсилення	4	Контрольні зразки для короткочасних навантажень

Дослідження балок усіх серій відбувалось за 14 діб після підсилення.

Контрольні балки (серія ББУ) досліджувались за один етап. При цьому була визначена середня по серії несуча здатність.

Балки серії БМП, БМА, ББП, БП досліджувались за два етапи. На першому етапі, балки навантажувались зусиллям 0,65…0,7 від середнього руйнівного зусилля, отриманого по контрольній серії. Після цього балки повністю розвантажувались, витримувались без навантаження мінімум 14 діб, потім підсилювались. При цьому фіксувались показання приладів через годину та в подальшому один раз за добу після зняття навантаження, з метою визначення залишкових деформацій.

Балки серії БМПдл після підсилення, а також контрольні без підсилення (ББУ-II), не доводились до руйнування короткочасним навантаженням, а навантажувались до рівня 0,6 від їх несучої здатності та витримувались під дією навантаження впродовж 920 діб. Рівень довготривалого навантаження було визначено з імовірного значення експлуатаційних навантажень на конструкцію після підсилення. Після довготривалого впливу навантаження балки розвантажувались та піддавались короткочасним випробуванням до руйнування.

Виконані випробування допоміжних зразків показали наступне:

- під час випробування бетонних зразків, коефіцієнт варіації не перевищував 5,4%, що свідчить про достатню однорідність отриманих результатів;

- склеювання бетонних зразків клеєм «Едмок» дозволило повністю відновити їх початкові міцнісні характеристики при розтязі. При випробуваннях бетонних зразків - вісімок, які були склеєні після руйнування, повторне руйнування при склеюванні клеєм «Едмок» відбувалось по бетону;

- за час проведення випробувань першої групи зразків, кубікова міцність бетону зросла на 25%, другої групи - на 20%.

У третьому розділі наведені результати випробувань основних зразків - призм та балок.

Визначення впливу просочування полімерною сумішшю на міцнісні та деформативні характеристики бетону проводили на бетонних зразках - призмах та вісімках.

Нанесення суміші «Консолід» на поверхню зразків призвело до зростання призменної міцності на 5,8%, граничного опору на розтяг на 86,5%, початкового модуля пружності бетону на 9,5%.

Нанесення суміші «Консолід» суттєво вплинуло лише на граничний опір бетону при розтязі.

Покриття залізобетонних балок сумішшю «Консолід» збільшило їх несучу здатність лише на 5%. Однак, при цьому було відзначено значне збільшення (на 50%) моменту тріщиноутворення. Головною причиною цього явища, очевидно, є різке (у 2 рази) підвищення граничного розтягнення шарів бетону під покриттям.

З метою вивчення міцності контакту клею з бетоном, проводились дослідження стандартних призм з наклеюваною металевою полосою (L=300 мм, b=100 мм, д=10мм).

Руйнування зразків при короткочасних навантаженнях у всіх випадках відбувалося по контактному шару бетону.

При довготривалих випробуваннях (рівень навантаження складає 0,8 від руйнівного навантаження, отриманого при короткочасних випробовуваннях), руйнування зразків було вкрай нерівномірним: перший зразок був зруйнований за 10 годин після навантаження, другий - за 6 діб, третій - простояв під навантаженням понад 7 місяців. При зменшенні навантаження до рівня 0,4 та 0,6 від руйнівного - зразки не руйнувались більш ніж 3 роки.

Оцінка результатів випробувань основних зразків-балок виконувалась шляхом порівнювання їх несучої здатності до та після підсилення, а також при аналізі характеру руйнування зразків (див. табл. 2.).

Таблиця 2 Дослідні результати визначення несучої здатності балок до та після підсилення

Серія	Вид підсилення	Несуча здатність, кНм	Мu1/Мu	Характер руйнування
		до підсилення Мmax, кНм	після підсилення Мmax1, кНм
ББУ-I	Без підсилення	23,37	-	-	Роздроблення бетону стиснутої зони після початку текучості арматури
БМП	Приклеювання металевої полоси	23,37	20,26	0,87	Сколювання бетону стиснутої зони з відривом елементу підсилення
БМА	Анкерування при-клеєної металевої полоси	23,37	27,98	1,20	Роздроблення бетону стиснутої зони після початку текучості арматури
ББП	Приклеювання базальтових полос	23,37	26,15	1,12	Роздроблення бетону стиснутої зони після початку текучості металевої арматури

Результати досліджень балок наведені у таблиці 3.

Встановлено, що руйнування усіх дослідних балок серій БМА та ББП після їх підсилення відбувалося по нормальним перерізам, внаслідок роздроблення бетону стиснутої зони після початку текучості металевої арматури. При цьому, металева полоса з анкерами та базальтові полоси працювали разом з бетоном до самого руйнування.

В ході дослідження балок серії БМП, металева полоса відходила від поверхні бетону при рівні навантаження рівним 0,8 від руйнівного. Це свідчить про недостатній зв'язок між поверхнею бетону та елементом підсилення.

Згідно з отриманими результатами, введення зовнішнього армування з металевої полоси дозволяє збільшити несучу здатність балок на 20% і більше, але при умові використання для кріплення полос клею та анкерів. При використанні для кріплення полос лише клею, спільність роботи бетону балки та зовнішнього армування не забезпечена.

Балки, підсиленні полосами з базальтопластикової арматури, показали збільшення несучої здатності на 12%, порівняно з контрольними балками. Прогини таких балок зменшились на 11,2%, порівняно з контрольною серією. Дослідами встановлено, що полоси з базальтопластикової арматури працювали спільно з бетоном до руйнування балки.

Рис. 2. Порівняння результатів випробувань контрольної балки серії ББУ з результатами випробувань балок серій БМП (а), БМА (б) та ББП (в)Таблиця 3 Результати короткочасних випробувань основних зразків - балок

Серія	Значення, які відповідають рівню навантаження перед розвантаженням	Значення, що ви-міряні після повного розвантаження зразка (М=0)	Значення, які відповідають несучої здатності зразка (М=Mmax)	Значення, які відповідають початку розвантаження зразка (М=Mu)
		М, кНм	eb1	c--10?, м-1	f, мм	eb1	c--10?, м-1	f, мм	М max, кНм	eb1	c--10?, м-1	f, мм	М u, кНм	eb1	c--10?, м-1	f, мм
I серія
ББУ-I-1 ББУ-I-2 ББУ-I-3	-	-	-	-	-	-	-	-	23,18 23,11 23,81	421,91 324,88 457,03	36,08 29,39 38,86	19,59 17,26 19,35	22,77 21,77 22,51	537,29 583,54 586,04	43,46 44,41 45,97	21,72 21,55 20,78
БМП-I-1 БМП-I-2	0,79 0,77	18,52 18,02	186,62 180,87	19,53 19,12	11,00 11,17	20,89 24,95	2,451 2,612	1,120 1,190	19,85* 20,67*	178,0 186,99	17,77 18,98	9,31 10,07	19,41 20,48	180,04 188,69	17,88 18,99	9,31 10,06
БМА-I-1 БМА-I-2 БМА-I-3	0,77 0,75 0,82	17,89 17,42 19,21	181,41 161,34 179,73	20,44 19,37 20,23	10,56 10,15 10,88	35,31 37,72 22,77	3,262 3,756 2,309	0,895 1,173 0,712	28,73 27,43 27,78	305,77 323,87 304,35	28,07 32,1 28,57	13,72 16,91 15,38	26,21 25,89 24,38	495,67 409,87 373,86	41,04 37,90 33,36	18,41 17,98 16,71
ББП-I-1 ББП-I-2 ББП-I-3	0,76 0,86 0,8	17,77 20,10 18,68	182,88 180,89 182,75	19,28 20,25 19,99	10,1 11,33 10,19	34,06 30,46 22,87	3,139 3,062 2,404	1,312 1,775 1,208	24,59 26,53 27,34	382,5 380,23 402,38	35,01 35,84 37,3	15,79 18,4 18,23	24,02 25,93 24,95	411,88 421,54 491,86	37,41 38,50 43,21	17,8 19,43 19,61
II серія
ББУ-II-1 ББУ-II-2 ББУ-II-3 ББУ-II-4	-	-	-	-	-	-	-	-	29,33 28,94 29,36 32,04	360,66 474,11 360,71 412,98	37,28 42,97 35,24 40,15	21,15 20,85 20,55 20,67	27,94 27,33 28,86 30,34	515,53 556,43 409,48 475,37	47,63 47,57 38,29 43,85	22,58 21,99 21,50 21,56
БП-II-1 БП-II-2 БП-II-3 БП-II-4	0,9 0,85 0,84 0,81	26,80 25,21 25,13 24,13	189,19 190,72 187,78 192,55	23,49 23,77 22,92 22,73	13,79 13,03 12,01 11,90	22,49 35,60 27,88 31,12	3,045 3,623 3,331 3,299	1,209 0,809 1,570 1,270	33,80 30,24 33,86 33,26	295,60 246,49 321,30 341,89	33,47 29,35 36,02 36,36	20,01 16,90 18,44 18,15	30,65 29,96 31,34 31,31	385,97 253,65 398,83 369,33	38,13 30,80 39,46 38,09	21,14 17,98 19,71 19,07

Примітка. * - Наведені значення відповідають моменту відриву металевої полоси підсилення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При довготривалих дослідженнях був прийнятий рівень навантаження 0,6 від руйнівного, що був отриманий при короткочасних дослідженнях.

На протязі дії довготривалого навантаження у зразках не було помічено порушення спільної роботи між нижньою граню балки та елементом підсилення.

При наступних короткочасних випробуваннях до руйнування, несуча здатність балок дорівнювала несучій здатності зразків серії БМП. При цьому, руйнування підсилених балок розпочиналось з порушення спільної роботи балки з металевою полосою.

У четвертому розділі наведено виведення основних рівнянь для оцінки несучої здатності, жорсткості та деформативности залізобетонних конструкцій зі змішаним армуванням, розроблено алгоритм розрахунку та виконано оцінку точності запропонованого розрахункового апарату.

У зв'язку з тим, що у НДІБК отримано і апробовано розрахунковий апарат для оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних елементів при короткочасній та тривалій дії навантаження, що базується на застосуванні повних діаграм деформування матеріалів, є доцільним поширити його використання і для розрахунку залізобетонних елементів із змішаним армуванням, в тому числі посилених наклеюванням зовнішнього армування. Передумови вказаного розрахункового апарату, доповнюються передумовами, обумовленими введенням підсилення:

- розрахунковий переріз з усередненим напружено-деформованим станом;

- гіпотеза про лінійний розподіл деформацій по його висоті;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Розрахунковий переріз згинаного елемента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Діаграма деформування бетону

- зв'язок між напруженнями та деформаціями стиснутого бетону:

, (1)

де Rb - призмова міцність бетону, а_к - коефіцієнти поліному, які визначаються за рекомендаціями НДІБК, _br - деформації, які відповідають вершині діаграми деформування бетону при короткочасному стиску (визначаються за рекомендаціями НДІБК);

- вплив прогресуючого тріщиноутворення на величину зусилля, яке сприймає розтягнутий бетон, враховується шляхом зниження умовних розтягуючих напружень у бетоні за допомогою коефіцієнта 1 (при /_b2/ < / / =1), де - умовні деформації крайньої розтягнутої фібри бетону;

- зв'язок між напруженнями та деформаціями у арматурі в залежності від її виду наведено у таблиці 4:

Таблиця 4 Залежності між напруженнями та деформаціями у арматурі в залежності від її виду

Вид арматури
металева, яка має площадку текучості	канати та арматури, які не мають фізичного границі текучості	склопластикова та базальтопластикова
при , ; (2) при , ; (3) при , (4)	при , ; (5) при , , (6)	при , (7)
при , s = 0 (8)

- наявність арматури підсилення враховується з моменту її вводу у склад перерізу;

- критерії вичерпання несучої здатності:

1) порушення рівноваги між внутрішніми та зовнішніми зусиллями (досягнення максимуму на діаграмі «момент-кривизна (прогин)») - екстремальний критерій;

2) руйнування стиснутого бетону при досягненні фібровими деформаціями граничних значень або розрив всієї растягнутої арматури, внаслідок досягнення в ній граничних деформацій;

- розрахунок виконується по деформаційній моделі, котра враховує приріст не зусиль, а деформацій в перерізі.

Відповідно до прийнятих передумов, напружено-деформований стан перерізу описується системою рівнянь (9, 10):

; (9)

. (10)

Функції F(, ₁) и Ф(, ₁) для довільного моносиметричного перерізу:

; (11)

, (12)

де _b - напруження в бетоні по висоті перерізу елементу;

_si - напруження в i-ому ряді армування;

A_si - площа i -го ряду армування;

z_si - відстань між i-м рядом армування та крайньою стиснутою гранню перерізу. залізобетонний елемент армування полімерний

Для перерізу, наведеного на рис.3:

; (13)

. (14)

де h - ширина перерізу елемента;

E_si - початковий модуль деформування i-го ряду армування;

E_mi - початковий модуль деформування i-го ряду зовнішнього армування;

- висота стиснутої зони;

- приведена кривизна;

при згині N=0, а при позацентровому стиску М = N(x₁- h/2 + e₀), де e₀ - ексцентриситет прикладання зовнішньої сили.

Система нелінійних алгебраїчних рівнянь (13, 14) з двома невідомими розв'язується підбором. При цьому є декілька рішень. Для оцінки напружено-деформованого стану розрахункового перерізу при використанні діаграм деформування матеріалів, що мають низхідну гілку, використовується деформаційний підхід. При цьому підході розв'язок системи рівнянь (13, 14) завжди має єдине рішення. Досвід показує, що при розв'язку вказаних систем рівнянь найбільш раціонально задаватись величинами е_b1, е_b2 або .

При нелінійних розрахунках згинаних елементів, жорсткість на кожному етапі навантаження визначається за формулою:

, (15)

де М_i - згинальний момент, що діє в перетині;

_i - кривизна вигнутої осі в перетині.



Рис. 5. Розрахункова схема балки

Виведення формул для визначення прогинів було виконане на прикладі довільної балки (див. рис. 5), розбитої на n ділянок (формули 16, 17).

; (16)

. (17)

Після введення в формули (16, 17) значення жорсткості (15) та згинального моменту отримуємо наступні залежності:



; (18)

. (19)

Рівняння стану зігнутої осі залізобетонної балки можна отримати, підставивши початкові параметри ₀, у₀, М₀, Q₀ і функцію M_i (q, P). Для визначення початкових параметрів використовуються граничні умови, що залежать від способів закріплення кінців балки.

Відомо, що апроксимація вигнутої осі елемента будь-якою функцією є неточним рішенням. При цьому точність рішення зростає із збільшенням кількості ділянок розбивки. Було виконано чисельне дослідження оцінки похибки розрахунку на основі полінома-апроксимації для стержнів постійної жорсткості. Розглядалися консольні і шарнірно-оперті на кінцях балки при різних видах навантаження. Точні значення прогинів і кутів повороту визначалися по відомих формулах теорії опору матеріалів. Встановлено, що вже при числі ділянок n=8 рішення практично збігається з точним, а кількість ділянок розбиття n=4 дозволяє отримати цілком задовільну точність розрахунку.

Узагальнення отриманих розрахункових залежностей дозволило скласти алгоритм розрахунку несучої здатності та жорсткості підсилених залізобетонних елементів.

Для оцінки точності розрахункового апарату було виконано порівняння результатів розрахунку по запропонованій методиці і результатів виконаних експериментальних досліджень. Порівняння виконувалось по основним параметрам, які характеризують міцність та деформативність зразків, а саме: згинальні моменти, які відповідають несучій здатності зразків і стадії передуючій руйнуванню; кривизні перерізу та прогинам в середині прольоту, які відповідають вказаним згинальним моментам. Для збільшення кількості вибірки, було також розглянуто експериментальні дані досліджень конструкцій із змішаним армуванням, виконаних у НДІБК у 80-х роках минулого століття.

Виконані порівняльні розрахунки показали, що розрахунковий апарат дозволяє з достатньо високою точністю визначати несучу здатність - імовірність помилки, яка перевищує 10%, складає усього 0,1%, імовірність помилки, яка перевищує 15%, при визначенні кривизни складає 8%, а прогинів - 5%.

На рисунку 6 наведено порівняння залежностей, побудованих за запропонованою методикою розрахунку і результатами експериментальних досліджень.

Виконане порівняння показує, що розроблена методика розрахунку достатньо добре описує дослідні результати, як якісно, так і кількісно.



Рис. 6. Криві деформування балки серії БМА, визначені розрахунком та при випробуваннях

Висновки

Результати досліджень дозволяють зробити наступні висновки:

1. Отримані розрахункові залежності для оцінки напружено-деформованого стану нормального перерізу залізобетонних елементів із змішаним армуванням та підсилених зовнішнім армуванням, які базуються на повних діаграмах деформування матеріалів.

2. Запропоновані рівняння для опису зігнутої осі залізобетонного елементу сплайном четвертого ступеню, які використовують у якості вихідних даних результати розрахунку по визначенню напружено-деформованого стану перерізу. Визначено оптимальне число ділянок розбиття осі балки при різних схемах навантаження.

3. В результаті експериментальних досліджень впливу просочування бетоних та залізобетонних зразків полімерними матеріалами на їх міцнісні та деформативні властивості встановлено:

- використання клею «Едмок» для склеювання бетонних зразків-вісімок, зруйнованих при розтязі, дозволяє повністю відновити їх початкову міцність;

- просочування стандартних бетонних зразків (призм, вісімок) сумішшю «Консолід» дозволяє збільшити їх міцність на розтяг до 86%. При цьому, суттєвих змін призмової міцності і початкового модуля пружності не відбувається;

- просочування залізобетонних зразків сумішшю «Консолід» дозволяє збільшити момент тріщиноутворювання до 50%. Збільшення несучої здатності при цьому не відбувається.

4. Внаслідок експериментальних досліджень бетоних зразків-призм з приклеєними металевими полосами встановлено:

- величина дотичних напружень по склеюваній поверхні при короткочасному дослідженні може досягати 0,6 МПа;

- рівень тривалого навантаження, що не призводить до руйнування клейового з'єднання не перевищує 0,8 від рівня короткочасного руйнівного навантаження;

- деформації зсуву по склеюваній поверхні є незначними - 0,06 мм при рівні напруження 0,6 від руйнівного та тривалості дії понад 1000 діб.

5. За результатами експериментальних досліджень залізобетонних балок підсилених зовнішнім армуванням встановлено:

- руйнування балок, підсилених приклеюванням металевої полоси, відбувалось внаслідок відриву захисного шару бетону. При цьому, збільшення несучої здатності підсилених балок не перевищувало 20%;

- підсилення залізобетонних балок полосами з базальтопластикової арматури дозволило підвищити їх несучу здатність, порівнювано з аналогічними непідсиленими залізобетонними балками, на 12%;

- для повного використання міцності металевої полоси необхідно влаштування додаткових анкерів, які забезпечують спільну роботу приклеєного зовнішнього армування з залізобетонним елементом до вичерпання несучої здатності;

- момент тріщиноутворювання в підсилених балках збільшується до 20%, а ширина розкриття тріщин зменшується на 40…55%, порівняно з контрольними залізобетонними балками.

6. Розроблено алгоритм розрахунку для визначення несучої здатності і жорсткості конструкцій зі змішаним армуванням та підсилених конструкцій.

7. На основі виконаних розрахунків та порівняння їх результатів з експериментальними даними показано, що розроблений розрахунковий апарат для оцінки напружено-здеформованого стану згинаних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням достатньо добре як якісно, так і кількісно відображає модельований процес.

8. Виконані експериментально-теоретичні дослідження, їх аналіз, дозволили розробити рекомендації з підсилення залізобетонних конструкцій зовнішнім армуванням з використанням клеєвих композицій, а також по розрахунку вказаних конструкцій та конструкцій зі змішаним армуванням.

Список опублікованих праць

1. Бамбура А.Н. Методика и план экспериментальных исследований усиления железобетонных конструкций путем наклеивания стальных и базальтовых лент / А.Н. Бамбура, Г.С. Андрианова, Е.М. Калинчук^*, А.В. Колесников // Коммунальное хозяйство городов: сб. научн. тр. Серия: технические науки. - К.; Техника, 2002 г. - Вып. 39.- С.68-74.

Здобувачу належить розробка методики и плану експериментальних досліджень.

2. Калинчук^* Е.М. Влияние пропитки «Консолид» на деформативные свойства бетона / Е.М. Калинчук^*, В.А. Колесников // Зб. Будівельні конструкції.- Київ; НДІБК, 2003 г. - Вип.58 -С.52-56.

Здобувачу належить дослідження впливу просочення на деформативні властивості бетону, обробка даних експериментальних досліджень.

3. Бамбура А.Н. Прочность и деформативность железобетонных изгибаемых элементов, усиленных путем наклеивания стальных и базальтовых полос / А.Н. Бамбура, Е.М. Калинчук^* // Строительные материалы и изделия - 2003 г. - №6 - С.26-28.

Здобувачу належить отримання результатів експериментальних досліджень, обробка даних експериментальних досліджень, розробка рекомендацій.

4. Калинчук^* Е.М. Расчет прогибов изгибаемых элементов постоянного сечения по деформационному методу // Зб. Будівельні конструкції. - Київ; НДІБК, 2003 г. - Вип.59 - С.234-238.

5. Перлова Е.М. Результаты экспериментальных исследований железобетонных балок, усиленных наклеиванием базальтовой арматуры // Зб. Науковий вісник будівництва. - Харків; ХДТУБА, 2007 г. - Вип. 42 - С. 56-89.^*Калинчук - прізвище О.М.Перлової в 1997-2004 рр.

Аннотация

Перлова Е.М. “Несущая способность, жесткость и деформативность железобетонных элементов со смешанным армированием” - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - “Строительные конструкции, здания и сооружения”. Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций. Киев, 2008 г.

Диссертация посвящена разработке методики расчета по определению прочности, жесткости и деформативности изгибаемых железобетонных элементов со смешанным армированием, в том числе усиленных путем наклеивания внешнего армирования, на основе реальных диаграмм деформирования бетона и арматуры.

Выполнен анализ экспериментальных и теоретических работ по вопросам смешанного армирования, усиления железобетонных элементов внешним армированием путем наклейки, расчета прогибов изгибаемых элементов.

Разработана и реализована программа экспериментальных исследований, в ходе которых получены данные о влиянии пропитывающих полимерных составов на прочность, деформативность и трещиностойкость бетонных и железобетонных элементов, изучена работа клеевых соединений бетона и металлических пластин, а также работа изгибаемых железобетонных элементов, усиленных внешним армированием, с использованием различных способов его крепления. Исследования выполнялись как при кратковременном, так и при длительном действии нагрузки. Установлено, что пропитывание поверхностей железобетонных и бетонных элементов существенно сказывается лишь на увеличении момента трещинообразования. Установлено, что крепление внешнего металлического армирования на клею без использования дополнительных анкеров является неэффективным. Использование анкеров позволяет увеличить несущую способность усиливаемых конструкций на 20%. Использование для внешнего армирования базальтопластиковой арматуры позволяет незначительно увеличить несущую способность конструкций, однако при этом увеличивается их жесткость и трещиностойкость.

Сформулированы расчетные предпосылки и разработан аналитический аппарат по оценке напряженно-деформированного состояния нормальных сечений изгибаемых железобетонных элемента со смешанным армированием, в том числе усиленных наклеиванием внешнего армирования. Разработаны зависимости для расчета прогибов, основанные на аппроксимации изогнутой оси элемента сплайном четвертой степени. Составлен алгоритм расчета.

Выполнена оценка точности расчетного аппарата, путем сравнения результатов расчета и экспериментальных данных. Результаты сравнения подтверждают, что разработанная методика расчета достаточно хорошо отражает моделируемый процесс.

Анотація

Перлова О.М. “Несуча здатність, жорсткість та деформативність залізобетонних елементів із змішаним армуванням”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій. Київ, 2008 р.

Дисертація присвячена розробці методики розрахунку із визначення міцності, жорсткості та деформативности згинаних залізобетонних елементів із змішаним армуванням, у тому числі посилених наклеюванням зовнішнього армування, на основі реальних діаграм деформування бетону та арматури.

У дисертації виконано комплекс експериментальних досліджень із вивчення роботи бетонних та залізобетонних конструкцій, посилених шляхом наклеювання зовнішнього металевого та базальтопластикового армування або просочуванням полімерними матеріалами.

За отриманими результатами сформульовано розрахункові передумови та розроблено аналітичний апарат з оцінки напружено-деформованого стану нормальних перерізів та визначення прогинів згинаних залізобетонних елементів із змішаним армуванням, складено алгоритм розрахунку, виконано оцінку точності розрахункового апарату.

Annotation

Perlova O.M. “Bearing strength, rigidity and strain of reinforced concrete elements with mixed reinforcement”. - Manuscript.

Thesis for obtaining a scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 05.23.01 “Building structures, buildings and constructions”. The State Research Institute of Building Constructions. Kyiv, 2008.

Thesis is devoted to development of computation method for determination of durability, inflexibility and strain of the bending reinforced concrete elements with mixed reinforcement, including increased by gluing of external reinforcement, on the basis of the real concrete and armature strain diagrams.

The complex of experimental investigations of work of concrete and reinforced concrete constructions increased by gluing of external metal and non- metal reinforcement or impregnation by polymer materials were performed. After the got results computation preconditions are formulated and design relations for estimation of the stress-strain state and determination of bending reinforced concrete elements with mixed reinforcement are developed, the algorithm of computation is made up, estimation of exactness of computations is executed.

Размещено на Allbest.ru