ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
КУХНЮК ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ
УДК 624.012
ВПЛИВ МАЛОЦИКЛОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНУ ТА РОБОТУ ЗГИНАЛЬНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ
05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЛЬВІВ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник:
доктор технічних наук, професор БАБИЧ Євгеній Михайлович, Рівненський державний технічний університет,
завідувач кафедри інженерних конструкцій.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор БАРАШИКОВ Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій;
кандидат технічних наук, доцент БАРАБАШ Василь Михайлович, Львівський державний аграрний університет, доцент кафедри будівельних конструкцій.
Провідна установа :
Харківська державна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України (м. Харків), кафедра будівельних конструкцій.
Захист відбудеться “_22_“ _червня 2001р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К35.052.11 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою:
79646, м. Львів, вул.С.Бандери,12, головний корпус, ауд. 226
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету
“Львівська політехніка” за адресою:
79646, м. Львів, вул. Професорська, 1.
Автореферат розісланий “_21_” _Травня_ 2001р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат архітектури, доцент М.В.Бевз
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Раціональне проектування залізобетонних конструкцій постійно викликає необхідність вдосконалення існуючих методів та прийомів розрахунку, що забезпечують достатню відповідність реальній роботі конструкцій. Проведені в останні роки теоретичні та експериментальні дослідження, накопичений досвід проектування конструкцій дає можливість вирішувати нові задачі теорії залізобетону. Це торкається, в першу чергу, врахування реальних механічних властивостей матеріалів, а також вивчення деформацій і деструктивних процесів, які мають місце в залізобетонних конструкціях, що зазнають різноманітних впливів.
Однією з різновидностей силових діянь на залізобетонні конструкції є малоциклові повторні навантаження, які можуть виникати в процесі експлуатації практично всіх конструкцій. Аналіз характеру зовнішніх діянь дозволяє віднеcти до малоциклових такі навантаження як вітрові, cнігові, навантаження, що викликаютьcя землетруcом, від ваги людей, меблів, cкладованих матеріалів тощо.
Тому в останні роки зростаюча увага науково-дослідницьких установ та навчальних закладів приділяється поведінці будівельних матеріалів, елементів і конструкцій, що піддаються дії малоциклових навантажень. Але й до сьогоднішнього дня досконало не вивчено вплив малоциклових навантажень на зміну фізико – механічних характеристик бетону, арматури, на роботу елементів конструкцій, а методика розрахунку залізобетонних елементів з урахуванням передісторії малоциклового навантаження не розроблена.
Зв’язок роботи з науковими програмами. В дисертаційній роботі вирішені окремі задачі, які включались в плани кафедри інженерних конструкцій РДТУ по комплексній темі “Дослідження роботи будівельних конструкцій та удосконалення методів їх розрахунків“, а також в тематику робіт, затверджених Міністерством освіти і науки України, а саме: “Дослідження роботи бетонів і залізобетонних елементів та розробка рекомендацій по розрахунку залізобетонних елементів при малоцикловому навантаженні” (UA 01012661 Р); “Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи” (РК 0198U 002424).
Мета й задачі досліджень. В дисертаційній роботі ставиться за мету встановити вплив малоциклових навантажень на механічні характеристики бетону і роботу згинальних залізобетонних елементів, розробити методику їх розрахунку з урахуванням встановлених впливів.
Для реалізації поставленої мети вирішувались такі задачі:
- експериментально дослідити вплив малоциклового стискання на зміну міцнісних і деформативних властивостей дрібно- і крупнозернистого бетонів;
- знайти математичні моделі, які відображають вплив малоциклового навантаження на зміну механічних характеристик досліджуваних бетонів;
- дослідити зміну напружено–деформованого стану згинальних залізобетонних елементів, ширини розкриття тріщин та прогинів при дії малоциклових навантажень різних режимів;
- розробити методику розрахунку міцності згинальних залізобетонних елементів, ширини розкриття тріщин та їх деформування при дії малоциклових навантажень.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
- отримані нові експериментальні дані, які підтверджують дві стадії роботи бетону при малоцикловому стисненні низьких та середніх рівнів: стадія ущільнення структури (зміцнення); стадія стабілізації;
- знайдені математичні моделі, які дозволяють оцінити і прогнозувати вплив малоциклових навантажень на міцнісні і деформативні характеристики бетону;
- встановлені кількісні значення коефіцієнтів умов роботи бетону за міцністю і за деформативними характеристиками залежно від режиму малоциклового стиснення;
- визначено вплив малоциклових навантажень на зміну напружено – деформованого стану згинальних залізобетонних елементів і характер їх руйнування;
- визначено вплив малоциклових навантажень на зміну ширини розкриття тріщин і прогини згинальних елементів;
- розроблені трансформовані фізичні і математичні моделі для розрахунку міцності нормальних і похилих перерізів згинальних елементів з урахуванням дії малоциклових навантажень.
Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертації результати можуть використовуватись при проектуванні згинальних залізобетонних елементів, які піддаються в процесі експлуатації малоцикловим навантаженням. Використання розробленої в дисертації методики дає можливість при проектуванні враховувати дійсні процеси, які відбуваються в бетоні і арматурі та вцілому в згинальних залізобетонних елементах, що підвищує їх надійність та раціональність використання матеріалів.
Матеріали дисертації використані при розробці рекомендацій “Розрахунок згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових навантажень”, в кінцевому звіті по темі: “Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи” (РК 0198U 002424) та при викладанні дисципліни “Залізобетонні та кам’яні конструкції”.
Особистий внесок здобувача. Особисто автором, в статтях опублікованих в співавторстві, виконано:
праця 1 - визначення коефіцієнтів умов роботи, знаходження математичних моделей.
праця 2 - експериментальні дослідження та обробка їх результатів за методикою планованого експерименту;
праця 3 - експериментальні дослідження, обробка їх результатів, знаходження поліноміального рівняння, що описує поведінку досліджуваних параметрів.
праця 4 - експериментальні дослідження та розробка математичної моделі на основі трифакторного плану Бокса-Бенкіна.
Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації оприлюднені на першій і другій конференціях “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (1997, 1999 рр. М. Рівне), на науково технічних конференціях Рівненського державного технічного університету (1996, 1997, 1998, 1999, 2000 рр.), на засіданні кафедри інженерних конструкцій РДТУ (2001 р.).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в семи працях, в тому числі одна брошура та шість статей в збірниках наукових праць, які є фаховими виданнями.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел із 220 найменувань і додатків. Загальний об’єм роботи складає 241 сторінка, в тому числі 115 основного тексту, 75 таблиць, 49 рисунків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень бетонних зразків і залізобетонних згинальних елементів малоцикловими навантаженнями низьких і середніх рівнів, актуальність роботи, викладені мета, задачі досліджень, її наукова новизна та практична цінність.
У першому розділі проаналізовані праці вітчизняних та зарубіжних вчених, які охоплюють теоретичні та експериментальні дослідження роботи бетонних і залізобетонних елементів при малоциклових навантаженнях, роботу згинальних залізобетонних елементів при тих же видах силових діянь. Проведений аналіз малоциклових повторних навантажень, висвітлюється сучасне розуміння їх природи і фізичної суті.
До перших досліджень впливу повторних статичних навантажень на міцність бетонних зразків відносяться роботи Ван Орнума, Консідера, Де Джолі, Мура і Комерса. Вивченню цього питання присвячені дослідження Є.М.Бабича, А.Я.Барашикова, О.Я.Берга, О.П.Борисюка, С.А.Дмітрієва, І.Л.Корчинського, Ю.О.Круся, Ю.М.Панчука., А.П.Погореляка, В.В.Руденко Г.Н., Ставрова та ін.
На міцнісні та деформативні характеристики бетонних та залізобетонних конструкцій в значній мірі впливає режим навантаження. Режими навантаження бетонних і залізобетонних конструкцій визначаються функціональним призначенням споруди і характеризуються тривалістю періоду навантаження і розвантаження, величиною рівня відносних напружень , коефіцієнта асиметрії циклу , швидкістю зміни приростів деформацій. Як показують результати досліджень Корчинського І.Л., зі зростанням кількості циклів навантаження вплив режиму навантажень на міцність зменшується. Це пояснюється, певно тим, що проблему багатоциклової втомленості можна характеризувати як проблему міцності, а малоциклової втомленості як проблему граничного деформування.
Вплив малоциклових навантажень на міцність та деформативність залізобетонних згинальних елементів досить добре вивчений в роботах Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Гордєєвої Г.Ф., Залесова А.С., Єришева В.А., Клімова Ю.А., Кокарєва А.М., Котова Ю.І., Погореляка А.П., Потапова Т.В., Рибалки А.Н., Яковлєва С.К. Наведені вище роботи дозволяють зробити висновок про те, що при малоциклових навантаженнях відбуваються зміни міцнісних і деформативних властивостей складових залізобетонних елементів. Проте, робота згинальних залізобетонних елементів з врахуванням малоциклових навантажень низьких і середніх рівнів вивчалась недостатньо і потребує додаткових експериментально-теоретичних досліджень.
Аналіз наукових публікацій Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Корчинського І.Л., Погореляка А.П., Стрелецького Н.С., Тихого М., Цепелева С.В. показав, що малоцикловими навантаженнями потрібно вважати навантаження, з кількістю циклів n2х106, проте основні процеси деформування відбуваються лише на перших 10 циклах. При таких видах навантаження спостерігалося в одних випадках зниження несучої здатності елементів (при перевищені верхнього рівня напружень t0,85), а в інших їх збільшення (t0,85).
Проведений огляд робіт, присвячений впливу силових дій на напружено-деформований стан бетонних та залізобетонних елементів, свідчить, що основна кількість експериментальних досліджень, як в Україні так і за кордоном, присвячена випробуванням за короткочасних, довготривалих і багаторазових повторних навантажень. Діянням малоциклових повторних навантажень приділяли недостатньо уваги і лише в останні 10 – 15 років цьому питанню стали надавати належне значення.
У другому розділі наведена характеристика дослідних зразків, об’єм і методика випробувань. Для більш глибокого вивчення роботи балок при малоцикловому навантаженні, попередньо було досліджено вплив такого навантаження на механічні характеристики бетонів. Для вивчення особливостей міцнісних та деформативних характеристик дрібно- і крупнозернистих бетонів проводили паралельні випробування зразків 1 серії з цементно-піщаного дрібнозернистого бетону (ДЗБ) і зразків 2 серії із крупнозернистого бетону (КЗБ). Склади дрібно- і крупнозернистого бетонів підбирали таким чином, щоб бетони мали однакові показники рухливості і легковкладальності та щоб мали близькі значення міцності. Це забезпечило можливість зіставлення, при порівнянні, міцнісних та деформативних характеристик дрібно- та крупнозернистих бетонів.
Бетонні зразки 1 серії, виконані з дрібнозернистого бетону, мали розміри 40х40х160мм, призми 2 серії із крупнозернистого бетону були виготовлені відповідно з розмірами 100х100х400 мм.
Всього під час проведення експериментів було випробувано 53 куба і призм на центральний стиск і розтяг за короткочасного й малоциклового навантаження і відповідно 21 залізобетонну балку (як згинальні елементи). Загальна кількість випробуваних бетонних та залізобетонних зразків склала 74 штук.
Випробування дослідних зразків проводили за методикою планованого експерименту згідно з матрицею трифакторного трирівневого плану Бокса-Бенкіна. Для дослідження були обрані наступні фактори: верхній рівень напружень t, характеристика циклу , кількість циклів n. Вcі зразки випробувались в режимі м’якого навантаження (при заданій амплітуді напружень).
Таблиця 1
Умови планування експерименту для зразків 1 і 2 серій
Фактори | Рівні варіювання | Інтервал варіювання
Натуральний вигляд | Кодований вигляд | -1 | 0 | +1
Верхній рівень напружень, t
Характеристика циклу,
Кількість циклів, n |
X1
X2
X3 |
0,5
0
1 |
0,65
0,3
6 |
0,8
0,6
11 |
0,15
0,30
5
Межі варіювання для t вибирались такі, що відповідають умовам експлуатації, крім того, враховувалось, що верхній рівень мікротріщино-утворення бетону лежить в межах t=0,8-0,85 тому ставилось за мету в дослідах не перевищувати це значення. Виходячи з того, що амплітуда навантажень в реальних конструкціях є величиною змінною, виникла необхідність дослідження впливу асиметрії циклу навантажень - . Стосовно вибраних меж кількості циклів можна зауважити, що більшість дослідників вказують на те, що після десятого циклу практично стабілізуються деформативні процеси при малоциклових навантаженнях, тому особливу увагу було приділено впливу кількості циклів навантажень на проміжку від 1 до 11 циклу.
Навантаження зразків до заданого верхнього рівня і подальше розвантаження виконували ступенями, рівними 10% від очікуваного руйнівного.
Наведена методика експериментальних досліджень залізобетонних згинальних елементів (3 серія зразків) при повторних навантаженнях, конструкція зразків та установок, схеми випробувань та розташування вимірювальних приладів.
Об’єктом досліджень були балки прямокутного перерізу 100х200 мм довжиною 1000 мм з робочою поздовжньою арматурою класу А-ІІІ. За мету ставили експериментально дослідити вплив малоциклового навантаження на несучу здатність та деформативність згинальних елементів. Для цього було виготовлено 21 балку, 6 з яких було випробувано на дію одноразового короткочасного навантаження (середнє руйнівне навантаження склало 680, 825, та 1100 кН відповідно для балок з поздовжньою робочою арматурою діаметрами 10, 12, 14 мм) та 15 балок – на дію малоциклового навантаження.
Випробування дослідних зразків 3 серії проводили за методикою планованого експерименту згідно з матрицею трифакторного трирівневого плану Бокса-Бенкіна (табл.2). Балки випробувались в режимі м’якого навантаження (при заданій амплітуді напружень).
Таблиця 2
Умови планування експерименту для зразків 3 серії
Фактори | Рівні варіювання | Інтервал варіювання
Натуральний вигляд | Кодований вигляд | -1 | 0 | +1
Верхній рівень навантажень, t
Діаметр поздовжнього армування, d (мм)
Кількість циклів, n |
X1
X2
X3
0,5
10
1 |
0,65
12
6 |
0,8
14
11 |
0,15
2
5
Балки виготовляли в металевих формах. Міцнісні та деформативні характеристики бетону балок визначали шляхом випробовування кубиків зі стороною 150 мм та призм розмірами 150х150х600 мм, і 100х100х600 мм.
Випробування зразків балок проводили у віці 120-215 діб за схемою однопролітної шарнірно-опертої балки, завантаженої в середині прольоту зосередженою силою. До потрібного верхнього рівня (за матрицею планування) балки навантажували ступенями, рівними 10% від передбачуваного руйнівного навантаження. Після прикладання необхідного верхнього рівня навантаження, аналогічно проводили ступеневе розвантаження до нижнього рівня, знімаючи відліки на кожному ступені. Витримка на кожному ступені завантаження – розвантаження складала 5 – 10 хв. Всі балки, що випробовувались в режимах малоциклового навантаження, після виконання матриці планування доводились до руйнування.
В дослідних балках вимірювали: деформації бетону по висоті елемента, деформації арматури в середині прольоту, прогини середини прольоту балки, ширину розкриття тріщин, що виникали. Встановлювали процес тріщиноутворення та характер руйнування балок.
Деформації бетону та арматури в необхідних перерізах визначали тензометричним комплексом СИИТ-3. Ширину розкриття – закриття тріщин вимірювали за допомогою мікроскопа МПБ-2 з ціною поділки 0,05 мм та тензометра Аістова.
У третьому розділі наведені результати досліджень міцнісних та деформативних характеристик дрібнозернистого (ДЗБ) та крупнозернистого (КЗБ) бетонів за малоциклових навантажень.
На підставі експериментальних досліджень встановлено, що після циклічних навантажень для обох видів бетону характерне збільшення міцності: до 15% - для зразків із ДЗБ і до 20% - для зразків із КЗБ. Однозначність зміни міцності бетонів в бік збільшення дозволила використати математично-статистичний апарат планованого експерименту для більш докладного вивчення отриманих дослідних даних.
В результаті, були знайдені математичні моделі, що описували вище зазначені тенденції за допомогою коефіцієнту умов роботи бетону , де :
- міцність бетону після малоциклових навантажень;
- міцність бетону при одноразовому стиску до руйнування.
Для ДЗБ коефіцієнт умов роботи склав:
=1,05+0,0275Х1-0,0363Х2+0,0413Х3-0,0038Х12 -
-0,0014Х22+0,0136Х32-0,015Х1Х2+0,015Х1Х3-0,0125Х2Х3, (1)
а для КЗБ склав:
=1,0767+0,03Х1-0,04Х2+0,04Х3+0,0027Х12 +
+0,0077Х22-0,0022Х32-0,0125Х1Х2+0,0125Х1Х3-0,0075Х2Х3 (2)
де Х1=(t-0,65)/0,15 ; Х2=(-0,3)/0,3 ; Х3=(n-6)/5.
Надійність моделей була забезпечена критерієм Фішера і перевірена за допомогою статистичних характеристик.
Для оцінки поциклових змін модуля пружно-пластичності (рис.1) була використана методика Макаренко Л.П. і Фенко Г.О., які статистично обґрунтували, що залежність “напруження – січний модуль деформацій” при стисканні можна прийняти лінійною - . Ця методика дає змогу описати зміну модуля пружності бетону з врахуванням впливу малоциклового стиску. За досліджуваний параметр прийнято відношення модуля пружності бетону Ebo,cyc після визначеного матрицею планування режиму малоциклового навантаження до початкового модуля пружності бетону Ebo на першому циклі навантаження, при цьому значення Ebo,cyc і Ebo визначались при , використовуючи лінійну кореляційну залежність
Рис. 1.Поциклова зміна модуля пружно-пластичності бетону Еb,cyc дослідної призми П-65 на різних стадіях навантаження
між Eb і =b/Rb на кожному циклі. Відповідно досліджуваний параметр для КЗБ склав
kEb=Ebo,cyc/Ebo,1=0,8515-0,0128Х1+0,0195Х2-0,0268Х3+0,0065Х12+
+0,0160Х22+0,0269Х32+0,0008Х1Х2+0,0014Х1Х3+0,0017Х2Х3, (3)
де Х1=(t-0,65)/0,15 ; Х2=(-0,3)/0,3 ; Х3=(n-6)/5
Експериментально доведено, що для бетону на крупному заповнювачі характерно більш суттєве зменшення модуля пружності (до 16%) порівняно з дрібнозернистим бетоном (зменшення до 11%).
За аналогічною схемою планованого експерименту отримані математичні моделі, що описували зміну поперечних і поздовжніх деформацій, коефіцієнту пластичності для обох видів бетонів в межах варійованих факторів. Нижче наводяться математичні вирази цих залежностей для крупнозернистого бетону:
зміна поздовжніх деформацій
=0,7148-0,0566Х1+0,1012Х2-0,0543Х3-0,0028Х12
+0,0251Х22+0,0248Х32-0,0052Х1Х2 +0,0165Х1Х3; (4)
зміна поперечних деформацій
=0,5329-0,0256Х1+0,0789Х2-0,2115Х3-0,03307Х12 -
-0,0335Х22-0,0023Х32-0,0285Х1Х2 +0,00015Х1Х3-0,0694Х2Х3; (5)
зміна коефіцієнта пластичності
=0,8961+0,0381Х1+0,0814Х2+2,013E-05Х3-0,0662Х12-
-0,0612Х22+0,0048Х32+0,0183Х1Х2-0,0752Х1Х3-0,0238Х2Х3, (6)
де Х1=(t-0,65)/0,15 ; Х2=(-0,3)/0,3 ; Х3=(n-6)/5.
Аналіз експериментальних досліджень свідчить про те, що для обох видів бетонів (дрібнозернистого і крупнозернистого), що випробовували циклічними навантаженнями з обмеженим верхнім рівнем напружень (t=0,8), встановлені дві послідовні стадії деформування: 1 стадія – характеризується збільшенням деформаційних процесів (до п’ятого - шостого циклу); 2 стадія, коли відбувається стабілізація приросту деформацій після циклічного випробування, визначеного матрицею планування (до одинадцятого циклу включно).
Величина асиметрії циклів навантаження суттєво впливає практично на всі досліджувані міцнісні і деформативні характеристики бетонів. Встановлено, що найбільш невигідним режимом для дослідних зразків становить значення =0, коли амплітуда між верхнім і нижнім рівнями навантажень циклу була найбільшою.
В більшості випадків, малоциклові навантаження призводять до зменшення кінцевих деформацій бетону (у порівнянні з деформаціями при одноразовому стиску до руйнування): для крупнозернистого бетону це зменшення сягало 53%, а для дрібнозернистого до 36%. Отримані залежності (4) і (5) дають змогу прогнозувати значення поздовжніх і поперечних деформацій для будь яких варіантів сполучень варійованих факторів.
У четвертому розділі наведені результати планованого експерименту та аналіз напружено-деформованого стану згинальних залізобетонних елементів при низьких та середніх рівнях малоциклових навантажень. Підтверджено, що до моменту утворення перших тріщин (t0,3-0,4) спостерігається сумісна робота бетону і робочої поздовжньої арматури, з виникненням тріщин відбувається інтенсивне зростання деформативних процесів і прогинів балок. Значний вплив на характер утворення і розвитку тріщин мав процент поздовжнього армування, з його збільшенням (діаметр поздовжньої арматури 10, 12, 14 мм) спостерігалось суттєве збільшення кінцевих значень проекцій на поздовжню ось елемента найбільш небезпечних похилих тріщин.
Напружено деформований стан залізобетонних балок за малоциклових навантажень низьких та середніх рівнів має свої особливості порівняно з монотонним навантаженням до руйнування. В роботі залізобетонних балок при дії малоциклових навантажень відмічена почергова зміна двох стадій пружно-пластичного деформування. Першій стадії відповідає значний приріст деформацій в бетоні стиснутої зони і проходження перерозподілу внутрішніх зусиль в дослідних зразках. Другій стадії характерна умовна стабілізація процесів і відповідно пружно-пластичних деформацій. Умовна межа переходу між першою та другою стадіями припадає на 5 - 6 цикл навантаження.
Дія малоциклового навантаження, верхній рівень якого не перевищує t=0,8, призводить, в більшості випадків, до збільшення несучої здатності зразків. Отримане збільшення руйнівного навантаження балок, порівняно з одноразовим навантаженням, в першу чергу залежить від верхнього рівня циклічних навантажень t і діаметра поздовжньої арматури (d) - (рис.2).
Рис.2 Вплив поздовжнього армування (а), рівня повторювальних
навантажень (б), кількості циклів (в) на зміну міцності залізобетонних балок
Порівняння характеру руйнування балок при одноразовому стиску та після малоциклових навантажень свідчить, що в стиснутій зоні бетону деформації змінюються в залежності від комбінацій обраних факторів малоциклових випробувань і лише збільшення діаметру поздовжньої робочої арматури залізобетонних балок однозначно призводить до збільшення кінцевих деформацій найбільш стиснутого волокна бетону.
Інтенсивне зменшення висоти стиснутої зони бетону характерне для першого циклу, при подальшому випробуванні, в умовах малоциклового навантаження, було відмічено її стабілізацію. Подальше зменшення стиснутої зони бетону спостерігається лише на руйнуючому циклі.
Суттєвий вплив на зміну деформативних властивостей розтягнутої арматури, після циклічного навантаження, має кількість циклів n. Збільшення кількості циклів призводить до збільшення абсолютних значень деформацій арматури., що свідчить про порушення зчеплення арматури з бетоном.
Значення межі виникнення нормальних тріщин дослідних балок відповідає рівню навантаження t=0,3-0,4; для похилих тріщин - t=0,5-0,6. Зміна ширини розкриття тріщин в розтягнутому бетоні залежить від величини напружень в арматурі.
За методикою планового експерименту були отримані математичні залежності, які описують всі вище описані процеси. Отримані моделі показали добре збігання з експериментальними значеннями, що підтверджується адекватністю цих моделей за критерієм Фішера і статистиками варіаційних рядів.
У п’ятому розділі запропонована методика розрахунку згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових навантажень з урахуванням зміни механічних характеристик бетону, яка базується на отриманих в розділах 3 і 4 математичних моделях роботи бетону і балок при малоциклових навантаженнях та існуючій методиці розрахунку згинальних елементів при одноразовому навантаженні за двома групами граничних станів.
У розрахунках нормальних перерізів розрахунковий опір бетону стиску при малоциклових навантаженнях можна прийняти рівним , а арматури , де - коефіцієнт умов роботи арматури при циклічній її роботі. Оскільки на даний час чітко не встановлено впливу малоциклових навантажень на роботу арматури, приймаємо, що =1,0. З огляду на наведене вище, умови міцності нормального перерізу згинальних елементів прямокутного перерізу з одиночною арматурою можна записати у вигляді:
; (7)
, (8)
де - згинальний момент від розрахункових зовнішніх навантажень;
- коефіцієнт умов роботи бетону згідно з (1).
Збіжність отриманих значень за розрахунковою формулою (7) і експериментальних значень моментів є досить високою, що в свою чергу говорить про достатню надійність розроблених в розділах 3 і 4 математичних моделей. Отже, врахування знайдених коефіцієнтів умов роботи бетону є обґрунтованим і дає змогу враховувати зміни в роботі бетонів після впливу малоциклових навантажень низьких і середніх рівнів.
Для розрахунків міцності похилих перерізів елементів, які піддаються малоцикловому навантаженню, можна трансформувати формули СНіП 2.03.01-84*. Для розрахунку міцності похилої смуги між похилими тріщинами формула набуває вигляду
, (9)
де: ; ; ;
; .
Для забезпечення міцності по похилій тріщині згідно з СНіП повинна виконуватись умова
(10),
значення , враховуючи вплив малоциклових навантажень, пропонується обчислювати за формулою
, (11)
де ; - коефіцієнт умов роботи бетону на розтяг при малоцикловому навантаженні і може бути прийнятим =0,75.
У розділі наведені порівняння теоретичних значень, що були отримані за допомогою (11) і експериментальних, які свідчать також про добре їх збігання.
Для визначення ширини розкриття тріщин та прогинів згинальних елементів використана методика чинних норм, на основі якої отримані трансформовані формули, що враховують зміну механічних характеристик бетону під дією малоциклового навантаження.
Запропоновані формули для визначення міцності, ширини розкриття тріщин і прогинів задовільно збігаються з експериментальними даними і можуть бути використанні в проектній практиці, а також при обстеженні конструкцій, режим експлуатації яких наближений до режимів, використаних при проведенні дослідів.
ВИСНОВКИ
1. У дисертації наведені узагальнення експериментальних і теоретичних досліджень впливу малоциклових навантажень на механічні характеристики бетону і роботу згинальних залізобетонних елементів та нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці методики розрахунку згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових навантажень.
2. Отримані нові експериментальні дані, які підтвердили суттєві відмінності роботи бетону при малоцикловому стиску, порівняно з одноразовим монотонним навантаженням. В бетонах при малоцикловому стиску, коли максимальні напруження не перевищують межу малоциклової втомленості, спостерігається дві характерні стадії роботи: перша стадія характеризується інтенсивним збільшенням деформацій (5-й – 6-й цикли); друга – стабілізацією деформацій.
3. Віднайдені та статистично обґрунтовані математичні моделі, що дозволяють визначати коефіцієнти умов роботи бетонів при малоциклових навантаженнях за міцністю, деформаціями (поздовжнім і поперечним), початковим модулем пружності при будь-яких комбінаціях варійованих факторів (верхній рівень навантажень, асиметрія циклу, кількість циклів навантажень). Малоциклові навантаження сприяють збільшенню міцності бетону (до 20%) та підвищенню їх деформативності (до 15%).
4. Напружено-деформований стан залізобетонних балок при малоциклових навантаженнях відрізняється від випадку одноразового навантаження до руйнування. У процесі циклічних навантажень при t0,8 деформування балок проходить дві стадії: першій відповідає “вибір” пластичних деформацій в бетоні стиснутої зони (до п’ятого – шостого циклу), другій - пружна робота матеріалів (умовна стабілізація).
5. Малоциклові навантаження залізобетонних елементів, залежно від комбінації таких факторів, як верхній рівень t, величина поздовжнього армування, кількість циклів, призводять до збільшення руйнівного навантаження (до 13%).
6. Висота стиснутої зони бетону впродовж циклічних випробувань практично стабілізується після першого навантаження-розвантаження, що підтверджується отриманою поліноміальною залежністю другого порядку.
7. Розвиток прогинів, при малоциклових навантаженнях, характеризується суттєвим їх збільшенням (до 70%) у порівнянні з одноразовим навантаженням і підтверджує наявність двох стадій в роботі залізобетонних балок, що відповідають послідовній зміні напружено-деформованого стану згинальних елементів під час циклічних навантажень низьких і середніх рівнів.
8. Ширина розкриття тріщин в розтягнутому бетоні залежить від величин деформацій поздовжньої арматури. Отримані і статистично підтверджені рівняння, що дають змогу прогнозувати ширину розкриття нормальних і похилих, до поздовжньої осі елемента, тріщин в умовах малоциклового навантаження.
9. Розроблена методика розрахунку міцності нормальних і похилих перерізів, тріщиностійкості і деформацій згинальних елементів з урахуванням зміни механічних характеристик бетону при малоциклових навантаженнях.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Бабич Є.М., Крусь Ю.О., Кухнюк О.М Розрахунок згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових навантажень: Рекомендації. - Рівне: РДТУ, 2001. –31 с.
2. Бабич Є.М., Кухнюк О.М. Деформаційні характеристики бетону при осьовому малоцикловому стиску//Вісник Рівненського державного технічного університету/Збірник наукових праць.-Рівне: Вид-во РДТУ, 1999. – Випуск 2. – Частина 3.- С.21 - 25
3. Бабич Є.М, Кухнюк О.М.,. Вплив малоциклових навантажень на міцність залізобетонних балок//Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. -Рівне, 1999. - Випуск, 3: - С. 178-184
4. Бабич Є.М., Кухнюк О.М. Деформування залізобетонних балок під впливом малоциклових статичних навантажень //Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди/Збірник наукових праць.-Рівне: Вид-во РДТУ, 2000. – Випуск 4. С.101 - 105.
5. Кухнюк О.М. Вплив малоциклових знакосталих статичних навантажень на опір бетону осьовому стиску//Актуальні проблеми водного господарства/Збірник наукових статей.-Рівне: Вид-во УДАВГ, 1997. – Том 3.- С.51 - 53.
6. Кухнюк О.М. Застосування методів математичного планування експерименту для прогнозування міцності бетонів після впливу малоциклових навантажень//Вісник Української державної академії водного господарства/Збірник наукових праць.-Рівне: Вид-во УДАВГ, 1998. – Випуск 1. – Частина 2.- С.136 - 141.
7. Кухнюк О.М. Вплив малоциклових навантажень на опір крупнозернистого бетону осьовому стиску//Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. -Рівне, 1999. - Випуск, 2: - С. 117-121.
АНОТАЦІЇ
Кухнюк О.М. Вплив малоциклових навантажень на механічні характеристики бетону та роботу згинальних залізобетонних елементів – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2001.
У дисертації висвітлені експериментальні і теоретичних дослідження впливу на механічні характеристики бетону і роботу згинальних залізобетонних елементів малоциклових навантажень низьких та середніх рівнів. Запропоновано нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці методики розрахунку згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклових навантажень. Запропонований розрахунковий апарат базується на сучасних положеннях розрахунку міцності, тріщиностійкості і деформацій згинальних залізобетонних елементів при одноразовому навантаженні та отриманих автором коефіцієнтів умов роботи бетону і залізобетонних згинальних елементів при дії малоциклових навантажень.
Ключові слова: бетон, залізобетон, згинальні елементи, малоциклові навантаження, математичне моделювання, напружено-деформативний стан, розрахунок.
Кухнюк О.Н. Влияние малоцикловых нагружений на механические характеристики бетона и работу изгибаемых железобетонных элементов – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2001.
В диссертации приведены экспериментальные и теоретические исследования влияния на механические характеристики бетона и на работу изгибаемых железобетонных элементов малоцикловых нагружений низких и средних уровней. Изложены результаты экспериментальных исследований по сравнению прочностных и деформативных характеристик мелко- и крупнозернистого бетонов после однократного осевого сжатия и после осевых малоцикловых нагружений. Установлено, что после циклических нагружений для обоих видов бетона характерно увеличение прочности: до 15% - для образцов из цементно-песчаного раствора и до 20% - для образцов из бетона на традиционном крупном заполнителе из щебня. Однозначность изменения прочности бетонов в сторону увеличения позволила использовать математически-статистический аппарат планированного эксперимента для более подробного изучения полученных экспериментальных данных.
Для исследуемых бетонов подтверждено наличие линейных зависимостей между Eb і . С помощью методов математического планирования были получены полиномиальные уравнения второй степени, которые описывали изменения прочности, модуля упруго-пластичности Eb, деформаций (продольных pro и поперечных pop), коэффициента пластичности () для каждого вида бетона (1-2 серии). Экспериментально доказано, что для бетона на крупном заполнителе характерно более существенное уменьшение модуля упруго-пластичности (до 16%) сравнительно с мелкозернистым бетоном (уменьшение до 11%).
Используя выше приведенную методику, с помощью полиномиальных уравнений второй степени, были описаны изменения несущей способности изгибаемых элементов, деформации продольной растянутой арматуры, описана динамика уменьшения высоты сжатой зоны бетона, её деформаций, прогибов железобетонных элементов с учетом влияния малоцикловых нагружений. Кроме того, полученные математические модели дают возможность прогнозировать все вышеперечисленные параметры в любой комбинации исследуемых факторов (верхний уровень нагружений, процент продольного армирования, количества циклов нагружений). В работе железобетонных балок было отмечено поочередное изменение двух стадий упруго-пластического деформирования. Первой стадии отвечает значительный прирост деформаций в бетоне сжатой зоны и прохождения перераспределения внутренних усилий в исследуемых образцах. Второй стадии характерна условная стабилизация описанных процессов и соответственно упругопластических деформаций. Условная граница перехода между первой и второй стадиями приходится на 5-6 цикл нагружения.
Основываясь на результаты экспериментально-теоретических исследований, в данной работе было предложено решение научной задачи, которая состоит в разработке методики расчета изгибаемых железобетонных элементов при действии малоцикловых нагружений. Предложенный расчетный аппарат базируется на современных положениях расчета прочности, трещиностойкости и деформаций изгибаемых железобетонных элементов при одноразовом нагружении и полученных автором коэффициентов условий работы бетона, железобетонных изгибаемых элементов при действии малоцикловых нагрузок.
Ключевые слова: бетон, железобетон, изгибаемые элементы, малоцикловые нагружения, напряженно-деформированное состояние, математическое моделирование, расчет.
Kuhnujk O.M.. Influence small cycle of loadings on the mechanical performances of concrete and job of incurvated concrete devices - Manuscript.
Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.01 - building constructions, building and building. State University “ Lviv Polytechnica”, Lviv, 2001.
In a thesis experimental irradiated and analytical investigations of influence on the mechanical performances of concrete and job of incurvated concrete devices small cycle of loadings low and average levels. The new solution of a scientific problem is offered, which one lies in development of a procedure of calculation of incurvated concrete devices at activity small cycle of loadings. The offered settlement kettle is founded on modern standings of strength calculation, strains of incurvated concrete devices at an one-time loading and coefficients, obtained by the writer, of the working conditions of concrete, concrete incurvated devices at activity small cycle of loadings
Keywords: concrete, reinforced concrete incurvated devices, small cycle of a loading, mathematical modelling, tight - strained state, calculation.
Віддруковано з готових оригіналів.
Підписано до друку 16.05.2001 р.
Спосіб друку – різографія. Формат 6090/16.
Тираж 100 прим.
Видавництво Рівненського державного технічного університету,
33000, м. Рівне, вул. Соборна, 11.
