Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міцність та деформативність залізобетонних згинальних елементів за мало циклових навантажень в умовах підвищених температур

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В проектуванні промислових споруд важлива роль відводиться надійності будівельних конструкцій, які працюють в умовах спільної дії навантаження і підвищених температур. Переважна більшість навантажень мають характер малоциклової статичної дії, тому важлива роль в питанні вдосконалення методів розрахунку відводиться вивченню фізико-механічних властивостей матеріалів і своєчасному корегуванню нормативних значень їх міцнісних і деформативних характеристик, а також постійному і поглибленому дослідженню таких навантажень з урахуванням впливу підвищених темпетатур, на дію яких розраховуються будівельні конструкції.

Вплив підвищених температур призводить до зниження міцності, тріщиностійкості і збільшення деформативності конструкцій. Чинні в даний час норми проектування СНиП 2.03.04-84 регламентують врахування впливу підвищених і високих температур на граничні стани залізобетонних конструкцій тільки за короткочасної і тривалої дії навантажень.

Тому удосконалення методів розрахунку залізобетонних конструкцій, що зазнають впливу підвищених температур за малоциклових навантажень, є актуальною задачею у виявленні особливостей роботи бетону за даних факторів впливу, а також має важливе значення для підвищення надійності експлуатації залізобетонних згинальних конструкцій за температурних умов при дії малоциклових моментів.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота є одним із чергових елементів комплексної програми із вдосконалення будівельних конструкцій і методів розрахунку на основі глибокого вивчення їх дійсної роботи і фізико-механічних властивостей матеріалів виконаних кафедрою інженерних конструкцій Національного університету водного господарства та природокористування у відповідності з темою «Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи» (номер держреєстрації РК0198U002424), яка включена в тематичні плани Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. В дисертаційній роботі ставиться за мету експериментально і теоретично вивчити напружено-деформований стан залізобетонних згинальних елементів за одночасної дії малоциклових навантажень та підвищених температур з детальним дослідженням поведінки бетону в таких умовах та розробити методику розрахунку міцності елементів, що зазнають впливів малоциклового навантаження і нагрівання.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- обґрунтувати передумови та удосконалити методику експериментальних досліджень бетону та залізобетонних згинальних елементів, що зазнають впливу підвищених температур за малоциклових навантажень;

- експериментально встановити особливості міцнісних і деформативних властивостей важкого бетону в нагрітому стані за одноразового та малоциклового навантажень;

- дослідним шляхом вивчити особливості напружено-деформованого стану згинальних залізобетонних елементів за одноразового та малоциклового навантажень в умовах підвищених температур

- виконати порівняння отриманих експериментальних даних з результатами теоретичних досліджень при визначенні руйнівних моментів балкових елементів за сумісної дії малоциклових навантажень і короткочасного нагрівання;

- надати рекомендації з практичного уточнення розрахунку згинальних залізобетонних елементів, що зазнають впливу підвищених температур за дії малоциклового навантаження.

Об'єкт дослідження - згинальні залізобетонні елементи, бетонні куби та призми.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан і міцність бетону та згинальних залізобетонних елементів за дії малоциклових навантажень в умовах підвищених температур.

Методи дослідження - аналіз літературних джерел, теоретичні дослідження, експериментальні випробування дослідних балок та статистичний аналіз результатів досліджень, узагальнюючий та порівняний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів:

- нові експериментальні дані щодо міцності і деформативності бетонів стиснутих елементів від короткочасного і малоциклового навантаження в умовах нормальних і підвищених температур;

- удосконалена методика досліджень деформативності бетону при короткочасній і малоцикловій дії навантажень в нагрітому стані;

- отримані залежності, що описують деформативні характеристики важкого бетону в умовах сумісної дії нагрівання і малоциклового навантаження

- запропонована методика досліджень міцності, тріщиностійкості та деформативності згинальних залізобетонних елементів за сумісної дії малоциклових навантажень і підвищених температур;

- вперше проведені експериментальні дослідження напружено-деформованого стану згинальних залізобетонних елементів в умовах одночасної дії малоциклових навантажень і підвищених температур;

- розроблені теоретичні підходи до удосконалення методики розрахунку міцності згинальних залізобетонних елементів за сумісної дії малоциклового навантаження та короткочасного нагрівання.

Практичне значення одержаних результатів:

- експериментально та теоретично підтверджено вплив підвищених температур за малоциклових навантажень на роботу бетонних та залізобетонних конструкцій;

- запропонована методика експериментальних досліджень за малоциклових навантажень в умовах підвищених температур доповнює і розвиває існуючі методи та моделі проектування згинальних залізобетонних елементів;

- отримані в дисертації результати досліджень використані при проектуванні згинальних залізобетонних елементів, що працюють за сумісної дії малоциклових навантажень і підвищених температур.

Основний внесок здобувача:

- розроблені і виготовлені установки для нагрівання бетонних та залізобетонних елементів з вимірюванням деформацій і прогинів при одночасному нагріванні та завантаженні;

- запропонована методика експериментальних досліджень бетону і залізобетонних згинальних елементів за короткочасного та малоциклового навантажень в нагрітому стані;

- отримані результати експериментальних досліджень бетону і

залізобетонних балок за малоциклових навантажень в умовах підвищених температур;

- розроблені рекомендації щодо уточнення розрахунку згинальних залізобетонних елементів за сумісної дії малоциклового навантаження та підвищених температур.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень оприлюднено на міжнародних науково-практичних конференціях із вдосконалення будівельних матеріалів, технологій та методів розрахунку конструкцій в м. Намангані (Узбекистан, 1986 р.), м. Новополоцьку (Білорусія, 1986 р.), м. Харкові (1997 р.), м. Кривий Ріг (1998 р.), на науково-технічних конференціях по ресурсоекономних будівельних матеріалах, конструкціях та вдосконаленню методів їх розрахунку в м.Рівне (1987, 1990, 1993, 1996, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 р.р), а також на науково-технічних конференціях студентсько-викладацького складу НУВГП (1998, 1999, 2000, 2003, 2005, 2007 р.р).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 15 наукових праць, дев'ять з яких у наукових збірниках рекомендованих ВАК України.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку використаних літературних джерел із 148 найменувань на 15 сторінках. Загальний обсяг роботи становить 172 сторінки, зокрема: 135 сторінок основного тексту, 34 рисунки, 27 таблиць.

Основний зміст дисертації

бетон згинальний деформативність

У вступі обґрунтована необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень бетонних зразків і залізобетонних згинальних елементів, що працюють за малоциклових навантажень в умовах підвищених температур, викладена актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, її наукова новизна і практична цінність роботи, наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів і публікації.

У першому розділі висвітлена область застосування залізобетонних конструкцій, які зазнають впливу підвищених температур в реальних умовах експлуатації, проаналізовані результати обстежень ділянок гарячих цехів металургійної промисловості, склоплавильних цехів та котелень теплових електростанцій, наведені спостереження окремих цехів місцевих промислових об'єктів, де залізобетонні конструкції зазнають температурного впливу на ділянках тепловиділення, що викликає значні зміни в характері їх роботи.

Проблемам впливу температур на міцність бетону присвячені роботи Александровського С.В., Альтшулера Б.А., Демчини Б.Г., Заславського І.Н., Кричевського О.П., Милованова А.Ф., Некрасова К.Д., Самойленка В.М., Фігаровського В.В., Фоміна С.Л. та інших дослідників. За результатами проведених досліджень зроблені загальні висновки, що на зміну міцнісних та деформативних властивостей бетону одного складу в умовах нагрівання за короткочасної дії навантажень впливають такі фактори, як: температура нагрівання бетону; швидкість зміни температури; тривалість нагрівання; вік бетону на початок нагрівання та характер випробування в нагрітому і охолодженому станах.

Дослідженням згинальних залізобетонних елементів при рівномірному нагріванні в діапазоні температур 20 - 250⁰С присвячені роботи Гвелесіані Л.О., Докудовського С.І., Заславського І.Н., Калатурова Б.А., Кокарєва О.М.,

Милованова А.Ф., Рижової С.І., Самойленка В.Н., Тупова М.І. та ряду інших авторів. Аналіз експериментальних даних досліджень згинальних елементів при їх односторонньому нагріванні показує, що підвищені температури значно впливають на фізико-механічні властивості бетону. Нагрівання залізобетонних згинальних елементів призводить до зниження їх несучої здатності та збільшення величини прогинів, ширини розкриття тріщин, деформацій бетону і арматури.

Впливу малоциклових навантажень на зміну властивостей бетонних і залізобетонних елементів присвячені роботи Барашикова А.Я., Бабича Є.М., Борисюка О.П., Гвоздєва О.О., Гомона С.С., Дорофеєва В.С., Жука Є.В., Кінаша Р.І., Клименка Ф.Є., Круся Ю.О., Кухнюка О.М., Масюка Г.Х., Макаренка Л.П., Панчука Ю.М., Погореляка А.П., Ставрова Г.М. та інших авторів. Роботи авторів досліджень дозволяють зробити висновок про те, що при малоциклових навантаженнях відбуваються зміни міцнісних і деформативних властивостей складових залізобетонних елементів. Проте, робота згинальних залізобетонних елементів із урахуванням малоциклових навантажень під впливом підвищених температур, що призводить до подальших змін міцності, несучої здатності та деформативних характеристик бетону майже не вивчалась і потребує додаткових експериментально-теоретичних досліджень.

Проведений огляд літературних джерел за темою дисертації свідчить, що основна кількість експериментальних досліджень як в нашій країні так і за кордоном, присвячена випробуванням конструкцій під впливом підвищених температур за короткочасних або тривалих навантажень. Діянням малоциклових навантажень в умовах підвищених температур приділяли недостатньо уваги і лише в останні роки цьому питанню стали надавати належне значення.

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

У другому розділі наведена характеристика дослідних зразків, об'єм і методика випробувань. Для більш глибокого вивчення роботи залізобетонних балок при малоцикловому навантаженні і нагріванні, попередньо було досліджено вплив короткочасного та малоциклового навантажень на механічні характеристики бетонів як в нагрітому, так і в охолодженому станах після нагрівання, а також за нормальних температурно-вологісних умов. Для вивчення особливостей міцнісних та деформативних характеристик важкого бетону, відповідно до мети і задач, проведено 4 серії експериментальних досліджень бетонних і залізобетонних зразків за дії короткочасного та малоциклового навантажень в умовах підвищених температур.

Бетонні куби 1 серії, виготовлені з важкого бетону, мали розміри 100х100х100 мм, призми та куби 2 і 3 серій, теж виготовлені із важкого бетону розмірами 100х100х400 мм і 100х100х100 мм, залізобетонні балки 4 серії, виготовлені з однорідного бетону розмірами 80х120х1400 мм, армовані в розтягнутій зоні - 110А400С, у стиснутій зоні - 16А240С, поперечна арматура - 6 А-.

Всього під час проведення експериментів було випробувано 55 кубів, 66 призм і 12 залізобетонних балок. Загальна кількість випробуваних бетонних і залізобетонних зразків склала 133 штук.

Експериментальні дослідження проводились на зразках, виготовлених із важкого бетону на місцевих заповнювачах, що відповідають вимогам ДСТУ та відповідних ГОСТів.

Склад бетонної суміші: портландцемент М500 ВАТ «Волинь-Цемент» - 370 кг/м³; щебінь гранітний фракції 5…20 мм Клесівського кар'єру - 1340 кг/м³; пісок кварцевий Костопільського кар'єру - 700 кг/м³; вода водопровідна - 200 л/м³.

Випробування дослідних зразків проводили за розробленою методикою досліджень міцнісних та деформативних характеристик бетонних і залізобетонних елементів на традиційних заповнювачах із урахуванням сумісної дії короткочасного навантаження і температур та малоциклового навантаження в умовах підвищених температур. Завантаження дослідних зразків перших трьох серій за одноразового та малоциклового навантажень з доведенням до руйнування здійснювалося на універсальному пресі ПСУ 250. Нагрівання бетонних зразків проводилось як в термопечі заводського виготовлення, так і в окремо виготовлених односекційних термокамерах спеціального призначення. Термокамера удосконаленого зразка проста у виготовленні і досить надійна в експлуатації з використанням у роботі автоматичної системи регулювання температур. Вимірювання температур в декількох термокамерах і термопечах проводилось одночасно за допомогою приладу КСМ2-02 (міст), який забезпечує вимірювання і запис температур в 12 точках кожної камери одночасно.

Для проведення досліджень напружено-деформованого стану згинальних залізобетонних елементів за малоциклових навантажень в умовах підвищених температур, була виготовлена важільно-пружинна установка із застосуванням нагрівальної камери видовженої прямокутної форми з автоматичною підтримкою необхідної температури в камері від 20⁰С до 180⁰С. Для контролю температури на різних ділянках по висоті перерізу балки, були встановлені термопари, деформації в стиснутій зоні бетону вимірювались індикаторами годинникового типу 1МИГ з базою 200 мм, прогини при завантаженні залізобетонної балки фіксувались прогиномірами Максимова. Нагрів проводився зі сторони стиснутої зони.

В дослідних балках вимірювали: деформації бетону в стиснутій зоні залізобетонної балки; прогини при завантаженні, як в точках прикладання навантаження, так і в середині прольоту балки; ширину розкриття-закриття тріщин, що виникли за малоциклових навантажень при короткочасному нагріванні, вимірювали за допомогою мікроскопа МПБ-2 з ціною поділки 0,05 мм через спеціальні отвори бокової стінки камери, які на період досліджень при нагріванні закривались зйомними скляними пластинами в межах середньої ділянки камери, що становила 1/3 довжини дослідного елемента.

Під час роботи над дослідженнями залізобетонних зразків четвертої серії при короткочасному нагріванні за малоциклових навантажень, були випробувані залізобетонні дослідні балки як в нагрітому стані, так і без нагрівання на стаціонарній важільно-пружинній установці універсальної дії.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень впливу температури нагрівання до +300С на міцнісні властивості бетону при одноразовому стиску, подані результати отриманих дослідних значень кубової і призмової міцності бетону за температур 20, 60 і 120С при короткочасному осьовому стиску, викладені теоретичні дослідження структурних напружень бетону за стискуючих навантажень із урахуванням температурного фактору впливу, приводяться дослідження циклічного температурного впливу на міцнісні та деформативні властивості важкого бетону за короткочасного стиску, наведені спостереження щодо усадки і повзучості бетону в процесі нагрівання та за тривалого навантаження після короткочасного нагрівання.

Проведені дослідження зміни міцності бетону при нагріванні зразків до 120, 200 і 300С показали, що підвищені температури впливають на міцнісні властивості бетону як в нагрітому стані, так і в охолодженому після нагрівання. При випробуванні кубів в нагрітому стані, міцність бетону за температури 120С зменшилась на 20%, за температури 200С - на 28% і при нагріванні до 300С - на 36% від початкового значення за температури 20С. В охолодженому стані після нагрівання міцність бетону за температур 120, 200 і 300С зменшилась відповідно на 28%, 26% і 30%. Для бетону, що завантажувався на сороковий день після нагрівання до 120С, міцність бетону зменшилась на 8%, до 200С - на 5%, а за температури 300С збільшилась на 3% у порівнянні з випробуваними контрольними зразками в нагрітому стані.

Визначення кубової і призмової міцності важкого бетону було необхідною частиною кожної серії планових досліджень, які проводились за нормальних температурно-вологісних умов і в нагрітому стані при температурах 60 і 120С.

Аналізуючи отримані значення кубової і призмової міцності бетону зразків 2 серії за температур 20, 60 і 120С, зниження кубової міцності за короткочасного нагрівання до 60С складало 3,5%, для температури 120С - 7%.

Зменшення призмової міцності бетону при температурах 60 і 120С становило відповідно 4% і 11%. Призмову міцність бетону при короткочасному нагріванні за осьового стиску можна визначати за формулою

R_b,t = _bt R_b. (1)

Результати теоретичних досліджень структурних напружень бетону показують вплив фактору підвищеної температури на міцність бетону. З урахуванням дії на бетон зовнішнього середовища, критичне розтягуюче напруження вторинного поля напружень від зовнішнього навантаження залежить також від температурно-вологісного стану матеріалу, а отже на його значення впливають як структурні напруження температурного поля, так і зміна модуля пружності бетону. При стиску великий вплив мають власні структурні напруження від дії температури, так як бетон руйнується від розтягуючих напружень вторинного поля напруження.

Циклічний температурний вплив на міцнісні та деформативні властивості важкого бетону досліджувався за температур 60, 120 і 180С. Дослідні зразки підлягали 10 разовому циклічному нагріванню і охолодженню протягом 10 діб, після чого на 11 циклі нагрівання доводились до руйнування. Призмова міцність бетону в охолодженому стані після 10 циклів за температури 60, 120 і 180С зменшилась відповідно на 10, 13 і 11% в порівнянні з призмовою міцність однорідного бетону за нормальних температурно-вологісних умов. Призмова міцність бетону після циклічного нагрівання в нагрітому стані за аналогічних температур 60, 120 і 180С відрізняється від попередніх величин отриманих при випробуванні в охолодженому стані і становить 7, 9 і 15%. Деформації бетону в нагрітому стані при 60, 120 і 180С після 10 циклів нагрівання, збільшились відповідно в 1,3, 2,0 і 1,7 рази в порівнянні з деформаціями зразків, які не нагрівались.

Доведено, що залежність « - «після короткочасного та циклічного нагрівання бетону за короткочасного осьового стиску призм з постійною швидкістю зростання напружень, внаслідок проявлення пластичних деформацій, є нелінійною з самого початку навантажень. Експериментально-статистичні дослідження напружено-деформованого стану бетону з великою достовірністю показують наявність лінійних кореляційних залежностей між січним модулем поздовжніх деформацій і рівнем напружень. На початковий модуль пружності бетону підвищена температура впливає негативно, найбільше зменшуючи його в нагрітому стані (25…54%) та після охолодження бетону (на 25…47%).

Дослідження підтвердили вплив підвищених температур на усадку і повзучість бетону як в процесі нагрівання, так і за тривалого навантаження після короткочасного нагрівання призм.

У четвертому розділі наведені результати досліджень та проведено аналіз напружено-деформованого стану бетонів, що зазнають сумісної дії підвищеної температури та малоциклових навантажень. Дослідження залежності « - «за сумісної дії температури 120С і малоциклових або короткочасних навантажень проведено на серії призм із важкого бетону за різних верхніх рівнів прикладання небагаторазово-повторних навантажень.

Аналіз отриманих даних показує, що визначальним фактором, який впливає на якісний стан бетону, що зазнає дії підвищеної температури, є верхній рівень _в прикладання малоциклових короткочасних навантажень. За роботи нагрітого бетону, як і ненагрітого, за умови, що верхній рівень прикладання малоциклових навантажень вищий рівня пристосування бетону, накопичення пружно-пластичних деформацій з кожним циклом збільшується і це призводить до руйнування бетону на одному з циклів прикладання малоциклових короткочасних навантажень.

За одержаними дослідними значеннями поздовжніх пружно-пластичних деформацій при стиску на першому, другому, п'ятому та одинадцятому циклах, були визначені числові значення модуля пружно-пластичності для кожного ступеня циклу «завантаження-розвантаження». Результати статистичної обробки дослідних даних підтвердили лінійну залежність «Е_l - » на кожному із циклів «завантаження-розвантаження» та високу ступінь відповідності кореляційних та дослідних значень деформацій. Коефіцієнт варіації r, близький до одиниці, його достовірність r / m_r, більше чотирьох, а коефіцієнт варіації v відповідних кореляційних і дослідних значень не перевищує 15%, що вказує на велику достовірність лінійної залежності «січний модуль деформацій-рівень напружень «.

Виявлені дослідно-кореляційні лінійні залежності (Е - ) відповідають гіперболічним залежностям між деформаціями та напруженнями ( - )

. (2)

Кореляційна лінійна залежність (Е - ) існує для кожного із циклів «завантаження-розвантаження» - відповідно для бетону, що зазнав температурного нагрівання до 120С.

На кожному циклі «завантаження розвантаження» визначались сумарні максимальні відносні поздовжні пружно-пластичні деформації _тах при _тах і «залишкові» пластичні відносні деформації _тіп при _тіп, де _тах - максимальні нормальні напруження при _в для даної серії призм; _тіп - мінімальні нормальні напруження при _н для даної серії.

Експериментально-статистичні дослідження отриманих значень сумарних поздовжніх відносних деформацій стиску бетону за екстремальних напружень циклу показують наявність кореляційних залежностей між сумарними максимальними поздовжніми відносними деформаціями стиску циклу і числом циклів (_тах - N), а також і між залишковими пластичними поздовжніми відносними деформаціями і числом циклів ( _тіп - N):

(3)

(4)

Аналітичне визначення поздовжніх відносних деформацій на будь-якому циклі «завантаження-розвантаження» для рівня напружень в межах _{н в}, за формулами:

_, = _min(N-1) + е_(з) = е_min(N-1)+ у / З'_N (5) е_Nёу = е_maх(N) - е_(з) = е_maх(N) - у / З'_N, (6)

е_{min(N - 1)} = е _min,1 [1 ± ц (N - 2)]; (7)

е_з = у / E'_N = у / E_п(N) (1 ± л_Rbз); (8)

е_maх(N) = е_maх,1 [1 ± ц (N - 1)]; (9)

е_з = у / E'_N = у / E_п(N) (1 - л_Rb з); (10)

_N, - сумарні пружно-пластичні відносні поздовжні деформації при завантаженні на N-му циклі при напруженні ; _N, - сумарні пружнопластичні відносні поздовжні деформації при розвантаженні на N-му циклі за напруження .

За отриманими експериментальними даними міцності бетону, що зазнав сумісної дії підвищених температур та малоциклових навантажень з верхнім рівнем _в, встановлено коефіцієнт умов роботи _сіс в залежності від верхнього рівня навантажень.

У п'ятому розділі наведені експериментальні дослідження напружено-деформованого стану згинальних залізобетонних елементів за одноразового та малоциклового навантажень в умовах одностороннього короткочасного нагрівання.

Випробуванню підлягали залізобетонні балки розмірами 60х120х1400 мм, армовані каркасами з одиничною арматурою зі сталі класу А400С, 10 мм.

Аналізуючи напружено-деформований стан дослідної серії балок, встановлено, що деформування стиснутої зони бетону за дії одноразового та малоциклового навантажень відбувається пружно-пластично і збільшується під впливом температури одностороннього нагрівання. Обробка методами математичної статистики дослідних значень залежності (m_е - М) «модуль деформацій крайнього волокна стиснутої зони бетону - згинаючий момент» показала з високою достовірністю наявність лінійного характеру цих залежностей і високу збіжність дослідних і кореляційних значень.

Малоциклове навантаження при нагрітих до 120єС балок, проводилося в режимі нижнього і верхнього рівнів (з_n - з_t) = 0,3 ч 0,6. Встановлено, що величина верхніх рівнів навантажень впливає на розвиток деформацій стиснутого бетону залізобетонних елементів.

За одержаними значеннями деформацій стиснутої зони бетону балок на першому циклі навантаження, були визначені чисельні значення модуля деформування для кожної ступені навантаження, введеного для аналітичного описання залежностей між деформаціями і відповідним рівнем навантаження

m_е = М /е, (11)

де m_е - модуль деформування стиснутої зони бетону; М - згинаючий момент від зовнішніх навантажень; е - дослідні значення відносних деформацій стиснутої зони.

В загальному виді залежність (m_е - М) можна записати

m_е = m_oёе (1 ± л_е М). (12)

Виявлені дослідно кореляційні лінії залежності відповідають гіперболічній залежності (М - е) і в загальному вигляді її можна записати формулою

е = М / m_oёе (1 ± л_еM). (13)

Обробка методами математичної статистики дослідних значень залежностей (m_е - М) показало високу збіжність дослідних і кореляційних значень.

Встановлено також, що одноразове навантаження і короткочасне нагрівання балок до 120°С призводить до зниження несучої здатності на 18%, а за малоциклового навантаження нагрітих до 120°С балок, несуча здатність знижується на 8ч10%.

Перші нормальні тріщини в дослідних балках за одноразового короткочасного навантаження без нагрівання були зафіксовані в зоні чистого згину при дії зосереджених сил за моменту М = 0,5 кН·м. Процес розвитку нормальних тріщин в дослідних зразках за даних умов відбувався прогнозовано, тобто зі збільшенням навантаження, збільшувалась довжина і ширина існуючих тріщин. Похилі тріщини в кожному елементі серії дослідних зразків за нормальних умов, не виникали.

Під час циклічного навантаження дослідних балок в умовах підвищених температур, перші нормальні тріщини утворились в зоні чистого згину середини прольоту та на ділянках в місцях прикладання навантажень у виді зосереджених сил за моменту М = 0,3 кН·м, що майже на 40% менше моменту тріщиноутворення за нормальних температурно-вологісних умов при одноразовому завантаженні.

За отриманими в процесі досліджень значеннями деформацій залізобетонних балок при завантаженні з доведенням до руйнування, ширина розкриття нормальних тріщин становила: у ненагрітих балках за короткочасного навантаження при М = 4,0 кН·м - 0,4 мм,; у балках, що знаходились під впливом підвищених температур за малоциклових навантажень - 0,54 мм за аналогічного згинального моменту.

Отримані залежності для визначення прогинів середини прольоту балок f на 1-му циклі навантаження з_сус, при рівні навантажень в межах 0,3 ? з ? 0,6.

Для аналітичного описання залежностей між прогинами і відповідним рівнем навантаження балок як в нормальних умовах, так і за короткочасної дії температур, введений модуль прогину m_f на кожному рівні навантаження

т_f = М / f, (14)

де m_f - модуль прогину; М - згинаючий момент від зовнішнього навантаження; f - дослідні значення прогину балки з початку відповідного циклу.

Статична обробка дослідних значень залежностей (m_f - M) «модуль прогину - згинаючий момент» підтвердила передбачення наявності кусково-лінійного характеру цієї залежності на першому циклі завантаження та високу ступінь відповідності їх кореляційних і дослідних значень. В загальному вигляді залежність (m_f - M) можна записати для кожного відрізку поліномом першого ступеня

m_f = m_o,f ·(1 ± л·M). (15)

Згідно залежностей, модуль прогину має дві ділянки. Перша відповідає роботі балки без тріщин, а друга - з тріщинами.

Виявлені дослідно кореляційні кусково-лінійні залежності (m_f - M), відповідають кусково-гіперболічній залежності (М - f), а в загальному вигляді їх можна записати

f = М / m_o,f··(1 ± л_ѓ·M). (16)

Статистична обробка дослідних залежностей (m_f - M) підтвердила кусково-гіперболічну залежність цих взаємозв'язаних значень m_f та М і показала високу точність співпадання дослідних і кореляційних значень.

Дослідні значення прогинів балок в нагрітому стані при верхньому рівні малоциклових навантажень з_в = М / М_р = 0,6 та розвантаженні до нижнього рівня з_н = М / М_р = 0,3 за 10 циклів збільшились на 24% від значень прогинів отриманих за одноразового короткочасного навантаження в нормальних умовах і на 8% стали більшими за одноразового навантаження в нагрітому стані.

При виконанні розрахунків згинальних залізобетонних елементів за міцністю, запропонована удосконалена методика розрахунку з урахуванням зміни механічних характеристик бетону, яка базується на отриманих в розділах 3 і 4 результатах досліджень бетону і в даному розділі досліджень балок при малоциклових навантаженнях та існуючій методиці розрахунку згинальних елементів при одноразовому навантаженні за граничними станами.

У розрахунках нормальних перерізів, розрахунковий опір бетону стиску при малоциклових навантаженнях буде рівним

R_b,cуc = г_b,t·г_cуc·R_b. (17)

Для визначення середнього рівня напружень роботи стиснутої зони бетону

з_b = у_sn / R_b, (18)

при роботі за малоциклових навантажень, встановлено середнє значення напружень стиснутої зони

у_sn = 2/3 у_maх(щ + 0,5), (19)

де у_maх - максимальне напруження стиснутої зони бетону з урахуванням фактору середовища; щ - коефіцієнт повноти епюри стискуючих напружень.

Умови міцності нормальних перерізів залізобетонних згинальних елементів прямокутного переріз з одиничною арматурою, які зазнали негативного впливу підвищених температур зі сторони стиснутої зони бетону та працюють за короткочасної дії малоциклових навантажень, можна записати у вигляді

М ? R_b·г_bt··г_сус·b·x'(h_o - 0,5·x'); (20)

R_s·A_s ? R_b·г_bt··г_сус·b·x', (21)

за умови, якщо о ? о_R. Висоту стиснутої зони x' при о > о_R приймають

x' = о_R··h_o. (22)

Збіжність отриманих значень руйнівних моментів за розрахунковою формулою і експериментальних значень за малоциклових навантажень в умовах підвищених температур, знаходиться в межах допустимого. Отже, врахування знайдених коефіцієнтів умов роботи г_bt, г_сус з урахуванням факторів впливу, є обгрунтованим і дає змогу враховувати зміни в роботі бетонів після впливу малоциклових навантажень і підвищених температур

Висновки

1. В практиці будівництва промислових будівель і споруд з тепловиділенням, де під час експлуатації бетонні і залізобетонні конструкції піддаються нагріву, як правило, вони працюють за змінних рівнів навантажень. Дослідження вітчизняних і зарубіжних дослідників свідчать, що і нагрівання, і малоциклові навантаження впливають на зміну міцнісних характеристик бетону, а також на несучу здатність елементів, що згинаються. Вплив сумісної дії малоциклових навантажень і температур на несучу здатність згинальних залізобетонних елементів практично не вивчався.

2. Розроблені та внесені доповнення до діючої методики експериментальних досліджень бетону та залізобетонних згинальних елементів, що зазнають впливу підвищених температур за одноразового і малоциклового навантажень.

3. Отримані нові експериментальні дані, які підтвердили відмінності роботи бетону за короткочасного та циклічного «нагрівання - охолодження» при одноразовому навантаженні в порівнянні з дослідженнями за нормальних температурно-вологісних умов. Короткочасне нагрівання до 120⁰С призводить до зниження міцності бетону при стисканні на 11%. За циклічного «нагрівання-охолодження» призмова міцність бетону в нагрітому стані зменшується на 9…13%.

4. Дослідження залежності (у_b - е_b) методами математичної статистики при короткочасному стисканні з постійною швидкістю зростання напружень бетону, як в нагрітому стані так і в охолодженому, показало гіперболічний характер цієї залежності, а залежність (E_b - з) в межах 0,2 ? з ? 0,8 є лінійною кореляційною залежністю.

5. Отримані нові експериментальні дані про міцність, деформативність і тріщиностійкість згинальних залізобетонних елементів, які працюють в умовах впливу підвищених температур і малоциклового навантаження. Встановлено, що одноразове навантаження і короткочасне нагрівання балок до 120⁰С призводить до зниження міцності бетону до 18%, а малоциклове навантаження нагрітих до 120⁰С дослідних балок, знижує міцність до 8% при рівнях напружень з= 0,3 ч 0,6 R_b,tem.

6. У залізобетонних балках підвищені температури негативно впливають на момент утворення тріщин, зменшуючи його. Ширина розкриття тріщин нормальних до поздовжньої осі балок в умовах малоциклового навантаження і короткочасного нагрівання збільшилась на 16%.

7. Розвиток прогинів балок за малоциклових навантажень в умовах впливу підвищених температур характеризується їх збільшенням до 24% у порівнянні із одноразовим навантаженням за нормальних температурно-вологісних умов і на 8% більшим за одноразового навантаження в нагрітому стані.

8. Удосконалено методику розрахунку міцності нормальних перерізів згинальних залізобетонних елементів з урахуванням зміни механічних характеристик бетону, що зазнають сумісного впливу малоциклового навантаження і підвищених температур та розроблено рекомендації щодо практичного застосування даної методики.

Список опублікованих праць

1. Зінчук М.С. Експериментальні дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних згинальних елементів за одноразового та малоциклового навантажень в умовах підвищених температур / М.С.Зінчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб.наук. праць, Випуск 11. Рівне, 2004.-С. 164-166. - наведені дані результатів експериментальних досліджень залізобетонних балок за одноразового та малоциклового навантажень в умовах підвищених температур.

Гомон С.С. Практико-аналітичний спосіб визначення відносних поздовжніх деформацій бетону за малоциклового навантаження на будь-якому циклі навантаження-розвантаження / С.С. Гомон, М.С. Зінчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб.наук. праць, Випуск 9. Рівне, 2003. - С. 187-192. - встановлено вплив сумісної дії осьового стиску та нагрівання на деформативність бетону за малоциклового навантаження.

3. Гомон С.С. Міцність та деформативність золошлакобетону за сумісної дії короткочасного навантаження та підвищених температур / С.С. Гомон, М.С.Зінчук // Вісник УДУВГП, частина 3: Зб.наук. праць, випуск 5 (18). - Рівне, 2002.-С. 10-15. - експериментальні дослідження, результати та аналіз досліджень, висновки.

4. Гомон С.С., Прогини та тріщиностійкість балок, що зазнають сумісної дії підвищених температур зі сторони стиснутої зони та малоциклових навантажень / С.С. Гомон, М.С.Зінчук, В.А. Федорчук // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво: Зб.наук. праць, Випуск 26. - Рівне, 2002.-С. 185-190. - наведені дослідні дані прогинів і ширини розкриття тріщин та рекомендації по практичному визначенню тріщиностійкості залізобетонних балок за сумісної дії підвищених температур та навантаження.

5. Гомон С.С. Нагрівальні терморегулюючі та інші пристрої для дослідження бетонних та залізобетонних елементів конструкцій / С.С. Гомон, М.С.Зінчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб.наук. праць, Випуск 6. - Рівне, 2001.-С. 142-147. - розробка експериментальних термокамер для проведення досліджень та пристроїв керування і контролю.

Сафонов Г.Г., Дослідження деформативних властивостей бетону після короткочасного нагрівання та тривалого навантаження / Г.Г. Сафонов, А.А. Колосков, М.С. Зінчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб.наук. праць, Випуск 5. - Рівне, 2000. - С. 270-274. - визначення впливу підвищених температур і тривалого навантаження на усадку бетону, величину модуля пружнопластичності та його міцність.

7. Гомон С.С. Врахування сумісної дії малоциклового навантаження та зовнішнього середовища при розрахунках згинальних залізобетонних елементів / С.С. Гомон, М.С.Зінчук // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво: Зб.наук. праць. Спецвипуск. РДТУ, Рівне, 1999. - С. 179-183. - розробка пропозицій до розрахунку згинальних елементів за сумісної дії малоциклових навантажень та зовнішнього середовища (тривалого зволоження або нагрівання).

8. Гомон С.С. Напружено-деформований стан бетону за малоциклових навантажень з урахуванням фактора середовища / С.С. Гомон, М.С.Зінчук // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб.наук. праць, Випуск 2.-Рівне, 1999.-С. 85-89. - наведені результати досліджень, встановлені аналітичні залежності між малоцикловими навантаженнями та деформаціями за дії тривалого зволоження чи нагрівання до 120⁰С.

9. Сафонов Г.Г. Дослідження деформативних властивостей бетону в процесі короткочасного нагрівання / Г.Г. Сафонов, М.С.Зінчук, В.Б. Чух // Вісник РДТУ: Зб.наук. праць. Випуск «. Частина 3. - Рівне, 1999. - С. 95-97. - наведена методика досліджень з визначенням деформацій усадки і повзучості бетону в умовах підвищених температур.

Размещено на Allbest.ru