ПОЛТАВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

ПОГРІБНИЙ ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 624.012.4:539.415

МІЦНІСТЬ БЕТОННИХ ТА ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ

ПРИ ЗРІЗІ

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі залізобетонних та кам’яних конструкцій Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Митрофанов Віталій Павлович,

доцент кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Яременко Олександр Федорович,

завідувач кафедри будівельної механіки

Одеської державної академії будівництва і

архітектури

-

Рогоза Микола Єгорович,

доцент кафедри комп’ютерних технологій та інформаційних систем Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Провідна установа - Харківська державна академія міського

господарства

Міністерства освіти і науки України,

м.Харків.

Захист відбудеться “ 6 ” березня 2001 р. о 13 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий “ 1 ” лютого 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Семко О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Бетонні та залізобетонні елементи, що працюють на сприйняття зрізуючих сил, є досить розповсюдженими в практиці і значною мірою визначають витрати бетону й сталі при капітальному будівництві та реконструкції. До них належать шпонкові з’єднання (з’єднання ригелів з колонами й колон з фундаментами, горизонтальні та вертикальні стики стінових панелей, контактні шви збірно-монолітних конструкцій, стики плит оболонок між собою і бортовими елементами, стики плит перекриттів і покриттів), балкові та плитні конструкції в зоні дії поперечних сил, короткі елементи й інші. Тому розроблення вдосконаленої методики розрахунку міцності вказаних елементів має суттєве значення для зниження їх матеріалоємності, енергоємності і вартості.

Тема дисертаційної роботи пов’язана із розв’язанням відомого питання про опір бетону так званому “чистому зрізові”, дослідження якого почалося з 90-их років ХІХ століття. Сутність зазначеного питання полягає в пошуках “найбільш придатного” зразка для визначення вказаної характеристики опору бетону, в якому поверхня руйнування збігається з напруженим станом “чистого зрізу”. Було запропоновано понад 10 різноманітних зразків, але мета залишилася не досягнутою. Відомо близько 20 залежностей для визначення опору бетону зрізові, які відрізняються якісно і кількісно й мають частинний характер.

Використання великого різноманіття зразків для визначення опору бетону зрізові було пов’язано з необхідністю вирішення великого кола практичних задач міцності бетонних та залізобетонних елементів, які руйнуються у формі зрізу. Тому в практичному напрямі питання про опір зрізові зумовлює необхідність розроблення достатньо загальної методики розрахунку міцності бетонних та залізобетонних елементів різної форми, завантаження, складного неоднорідного напруженого стану, об’єднуючою рисою яких є руйнування шляхом зрізу по певній площині.

Вирішення названої задачі проводилося головним чином на основі емпіричного підходу. Але розрахункові залежності, одержані таким шляхом, мають обмежені області застосування, пов’язані з великими витратами матеріалів, праці й енергії, не завжди виявляють усі визначальні фактори міцності і тому не приводять до оптимальних конструктивних рішень.

Якщо приблизно до 80-их років ХХ століття дослідження опору бетону на зріз проводилися досить інтенсивно, то пізніше обсяг досліджень зменшився. Питання про зріз у бетоні залишилося не вирішеним. Таким чином, розроблення єдиної методики розрахунку міцності бетонних та залізобетонних елементів при дії зрізуючих сил залишається актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими планами. Дисертаційна робота виконана в межах комплексної теми “Дослідження і розроблення інженерних методів розрахунку опору руйнуванню й деформуванню бетонних та залізобетонних елементів, які зазнають неоднорідних напружено-деформованих станів при різному характері впливів і середовища” на кафедрі залізобетонних та кам’яних конструкцій Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка (номер реєстрації 0187U098019).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення на основі теорії пластичності бетону й експериментальних досліджень достатньо загальної методики розрахунку міцності бетонних та залізобетонних елементів при зрізі, яка б ураховувала специфіку складного напружено-деформованого стану (НДС) зони руйнування. Для досягнення зазначеної мети поставлені такі задачі:

-

-

-

-

-

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

-

-

-

Розроблення впроваджені:

-

-

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що:

-

-

-

-

-

-

-

Апробація роботи. Основні результати дисертації представлені та схвалені на 35, 37-39, 41, 45, 46 наукових конференціях Полтавського ІБІ (Полтава, 1983, 1985-1987, 1989, 1993, 1994 рр.); 48 науковій конференції Полтавського ТУ (Полтава, 1996 р.); 49, 50, 52 наукових конференціях Полтавського ДТУ імені Юрія Кондратюка (Полтава, 1997, 1998, 2000 рр.); VI Всесоюзній конференції “Експериментальні дослідження інженерних споруд” (м.Новополоцьк, 1986 р.); Х науково-технічному семінарі “Питання надійності будівельних конструкцій” (м.Куйбишев, 1987 р.); ІІ Республіканській науково-технічній конференції “Застосування пластмас у будівництві та міському господарстві” (м.Харків, 1987 р.); Республіканській науково-технічній конференції “Проблеми комплексної забудови Південного берегу Криму” (м.Сімферополь, 1988 р.); науково-практичній конференції “Вдосконалення методів розрахунку та проектування сучасних видів будівельних конструкцій” (м.Рівне, 1988 р.); Республіканській науково-технічній конференції “Вдосконалення залізобетонних конструкцій, які працюють на складні види деформацій та їх упровадження в будівельну практику” (м.Полтава, 1989 р.); зональному семінарі “Підвищення якості, надійності будівництва і реконструкції будівель” (м.Пенза, 1989 р); Всесоюзній конференції “Фізико-хімічні проблеми матеріаловедення і нові технології” (м.Бєлгород, 1991 р.); VII Всесоюзній конференції “Експериментальні дослідження інженерних споруд” (м.Суми, 1991 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Вдосконалення будівельних матеріалів, технологій і методів розрахунку конструкцій у нових економічних умовах” (м.Суми, 1994 р.); конференції “Проблеми теорії і практики залізобетону” (м.Полтава, 1997 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 20 друкованих робіт.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків, у яких подані акти впровадження результатів дисертаційної роботи. Вона викладена на 237 сторінках, у тому числі 109 сторінок основного тексту, та має 23 таблиці, 88 рисунків, список використаних джерел із 183 найменувань, 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтована актуальність виконаних досліджень, їх наукова новизна та практична цінність.

У першому розділі проведено огляд вітчизняних і зарубіжних досліджень з питань опору бетонних та залізобетонних елементів при дії зрізуючих сил.

У дослідженнях міцності зазначених елементів велика увага приділялася питанню про опір бетону “чистому зрізові”. Розв’язання цього питання було спрямовано на пошуки зразка, в якому поверхня руйнування була б суміщена з напруженим станом “чистого зрізу”. Напрям пошуку зумовили відомі дані для пластичних матеріалів, у яких має місце вказана сумісність. Пошуками “найбільш придатного“ зразка для визначення опору бетону зрізові займалися О.О.Гвоздєв, Д.О.Григор’єв, І.Г.Гончаров, С.Н.Іцкович, А.А.Калнайс, Г.Я.Куннос, Б.Я.Лінденберг, М.П.Мягков, О.М.Петров, О.Б.Пірадов, І.А.Рохлін, А.Б.Самарін, Ф.Бах, Б.Бреслер, Н.Грассан, Дютрон, Е.Кокер, Е.Мерш, С.Пістер, Туллі, К.Хагер та інші. Аналіз запропонованих залежностей опору бетону зрізові Rsh у функції від окремих міцнісних характеристик бетону R, Rb, Rbt та їх сполучення показує велику різницю в чисельних значеннях характеристики Rsh, причому майже всі залежності підтверджуються конкретними серіями дослідів, що прямо свідчить про їх частинний характер, який визначається формою використаного зразка та іншими умовами експерименту.

Відповідно до широкого кола експериментальних досліджень, у структурно неоднорідних кам’яних матеріалах, котрі мають різний опір на стиск Rb і розтяг Rbt, явища “чистого зрізу” як випадку ПНС і як форми руйнування не сумісні. Тобто для бетону необхідно відрізняти два трактування поняття “чистого зрізу”, які мають самостійне значення: “чистий зріз” як частинний випадок ПНС, що характеризується дією лише дотичних напружень, та “чистий зріз” як форма руйнування бетонних елементів в умовах складного неоднорідного НДС, що характеризується взаємним зсувом частин елемента. Значення вказаних явищ істотно різняться. Так, “чистий зріз” як випадок ПНС важливий при розробленні теорій міцності, а в практичних задачах зустрічається “чистий зріз” як форма руйнування.

Через різноманітність випадків зрізу як форми руйнування неможливо встановити єдину характеристику міцності бетону на зріз. Отримані лише частинні характеристики міцності для окремих випадків.

Важливим з точки зору практики є питання впливу величини обтиснення на міцність елементів, що руйнуються шляхом зрізу. Результати дослідів В.А.Бондарєва, В.С.Єськова, О.М.Петрова, І.А.Рохліна свідчать про збільшення Rsh на всьому інтервалі напружень обтиснення, які досягають величини Rb. К.П.Вірігін, К.К.Шкербеліс, С.Целгер, Х.Рюш, навпаки, пропонують залежності Rsh = f(у/Rb), які мають спадну гілку при рівнях обтиснення ?/Rb = 0,5.

Зріз як форма руйнування зустрічається в окремих шпонках і в шпонкових з’єднаннях, у коротких консолей, у балках-стінках, у похилому перерізі елементів, що згинаються.

Дослідженням окремих шпонок і шпонкових з’єднань присвячені роботи Г.І.Ашкінадзе, І.Л.Герасимової, Е.Горачека, В.С.Єськова, В.Г.Кваші, П.Н.Коваля, Н.Н.Коровіна, В.І.Лішака, Н.Г.Мартинової, Л.С.Махвіладзе, І.А.Рохліна, О.В.Яшина та інших. За експериментальними даними міцність багатошпонкових з’єднань залежить від міцності бетонних шпонок (геометричних розмірів, виду і класу бетону), армування й величини обтиснення, товщини шва, нерівномірності розподілу зусилля вздовж стику. Граничне навантаження шпонкових з’єднань визначається, як правило, за емпіричними формулами, які не дають можливості враховувати всі зазначені фактори.

Дослідженнями коротких консолей займалися Т.І.Баранова, К.І.Безухов, Г.А.Баженов, М.С.Боришанський, Л.О.Дорошкевич, О.С.Залєсов, О.В.Кудрін, О.П.Павлов, В.І.Скатинський, В.М.Чубріков, Л.І.Шевельова, Л.Кріз, Х.Нідерхофф, С.Ратс та інші. Було доведено, що характер руйнування і міцність консолей залежать в основному від характеристик Rb і Rbt, кількості і класу арматури, прольоту зрізу. Найбільше розповсюдження при розрахунках міцності отримали каркасно-стержнева модель й емпіричні залежності.

Дослідженнями балок-стінок займалися О.С.Залєсов, І.Н.Кедич, В.Н.Сахаров, Б.С.Соколов, О.В.Старчевський, С.О.Тихомиров, К.В.Шлежевичюс, О.Ф.Яременко, О.В.Яшин та інші. Підтверджено, що на характер руйнування і несучу здатність таких елементів впливають проліт зрізу, розміри опорних (вантажних) площадок, армування та міцність бетону.

При розрахунках міцності похилого перерізу залізобетонних балок велике значення має визначення граничного зусилля в бетоні над НПТ – Qb. Цьому питанню присвячені праці Р.Г.Азаряна, Ф.Х.Ахмедзянова, А.А.Бабаяна, М.С.Боришанського, Ю.О.Булая, К.І.Вилкова, П.І.Васильєва, І.Н.Герасимової, Д.О.Григор’єва, О.С.Залєсова, Ю.А.Климова, В.І.Колчунова, О.О.Кудрявцева, В.П.Митрофанова та інших.

Зазначена вище велика різноманітність випадків зрізу як форми руйнування в практиці потребує розроблення єдиної методики розрахунку їх міцності, котра б базувалася на загальній основі. Такою основою може бути теорія пластичності бетону, визначальною рисою якої є відносна простота розрахункового апарату.

Як відомо, теорія пластичності знайшла успішне використання у вигляді методу граничної рівноваги для розрахунку міцності статично невизначених залізобетонних конструкцій – балок, плит, оболонок. У цьому напрямі велике значення мали роботи О.О.Гвоздєва, Ю.П.Гущі, Л.І.Зайцева, Н.І.Карпенка, С.М.Крилова, О.Р.Ржаніцина, Д.Ж.Ернста, М.П.Нільсена, К.В.Йохансена.

Пізніше теорія пластичності бетону почала застосовуватися для визначення граничного навантаження масивних елементів при різних НДС. У цьому аспекті відомі праці О.О.Довженко, В.П.Митрофанова, Ф.Баха, М.В.Браєструпа, Б.К.Енсена, П.Марті, М.П.Нільсена, В.Ф.Чена та інших. Значний вклад у дослідження умови міцності бетону та розроблення розрахункового апарату теорії пластичності внесли роботи О.Я.Берга, О.О.Гвоздєва, Г.О.Генієва, Л.М.Качанова, В.Н.Кисюка, О.О.Лебедєва, Л.К.Лукші, В.П.Митрофанова, Г.О.Писаренка, Г.О.Тюпіна, С.О.Христиановича, О.Л.Шагіна, О.В.Яшина, А.Брандтзаета, Д.Райса, Ф.Ріхарда, А.Феппля та інших.

Успіхи у використанні теорії пластичності зумовили напрям даних досліджень – розроблення методу розрахунку міцності бетонних і залізобетонних елементів при дії зрізуючих сил.

У другому розділі викладені результати теоретичних досліджень міцності бетонних та залізобетонних елементів при зрізі.

Рішення задач міцності отримані за допомогою математичного апарату теорії пластичності бетону. Важливим при застосуванні теорії пластичності є встановлення межі її можливого використання, що потребує розгляду особливостей процесу розвитку граничного стану деформованого твердого тіла (ДТТ) із структурно неоднорідних матеріалів, до яких належить і бетон.

Процес розвитку граничного стану ДТТ при складних неоднорідних НДС приводить до формування граничної макроскопічної структури, так званого кінематичного механізму (КМ). Розвиток КМ зумовлений досягненням граничного стану матеріалу тіла в найбільш напруженій і деформованій області (області руйнування), де локалізуються великі необоротні деформації, за рахунок яких частини тіла, що розділені поверхнею руйнування, набувають можливість взаємного руху. За характером можна виділити два протилежних типи КМ – крихкий та пластичний. При крихкому КМ рівень напружень і деформацій домінує в зоні розтягу, в якій формується макротріщина відриву, раптове розповсюдження якої і призводить до крихкого руйнування. При цьому в стиснутій зоні граничний стан не досягається. Прикладом крихкого КМ є структура бетонної балки в стадії руйнування. Для визначення міцності елементів із крихким КМ найбільш придатною є механіка крихкого руйнування. При пластичному КМ в області руйнування не порушується макроскопічна суцільність ДТТ, і процес деформування в граничному стані відбувається більш поступово (безперервно). Характерною рисою пластичного КМ є одночасність існування граничного стану по всій області руйнування. При крихкому КМ, на відміну від пластичного, неможлива одночасність граничних напружень по всій поверхні руйнування. Вказана поведінка пластичного КМ спричинена достатнім ресурсом пластичних деформацій матеріалів ДТТ, для яких може бути використана діаграма пружно-пластичного або жорстко-пластичного тіла з необмеженим інтервалом плинності.

Пластичні властивості бетону обмежені і залежать від багатьох факторів, із яких найбільше значення мають вид та клас за міцністю бетону, а також характер НДС. Наприклад, при стискуючих середніх напруженнях пластичні властивості значно зростають.

До відомих діаграм “? - е” ?етону з достатньою точністю може бути використана трьохланкова кусково-лінійна апроксимація, яка складається з початкової висхідної ділянки пружньої роботи, горизонтальної ділянки умовно ідеальної пластичності обмеженої довжини при граничних напруженнях та низхідної ланки позаграничних станів. Звичайно перешкодою для застосування умови про ідеальну пластичність до бетону вважається обмеженість довжини ділянки умовної пластичності на апроксимованій діаграмі “? - е” ?етону. Але навіть для матеріалів із великими пластичними властивостями реально використовується також обмежена ділянка інтервалу ідеальної пластичності. Тому при визначенні можливості застосування теорії ідеальної пластичності до бетону постає питання про ресурс пластичних деформацій, необхідний у конкретних задачах міцності для забезпечення одночасності існування граничного стану по всій області руйнування.

Таким чином, якісний критерій застосування теорії пластичності можна сформулювати як можливість існування (протягом хоча б миті) умови пластичності (міцності) по всій області граничного стану бетону, що повністю перетинає тіло, і розвиток якої необхідний для перетворення його в КМ. Справедливість сформульованого критерію можна проілюструвати на прикладах елементів, що мають зовні крихкий характер руйнування, а міцність їх із достатньою точністю визначається за допомогою теорії пластичності.

Так, для зразків Гвоздєва область руйнування має стиснуті зони 2,3,4 у вхідних кутах елемента, які з’єднані між собою розтягнутою зоною 1 (див. табл. 1). Концентрація напружень біля вхідних кутів призводить до прискореного зростання напружень стиску в локальних зонах, у межах яких бетон необоротно деформується, і тільки після цього настає граничний стан у зоні розтягу. Таким чином забезпечується на мить одночасність існування граничного стану по всьому небезпечному перерізу.

При розрахунках міцності елементів використовуються передумови:

1)

2)

3)

4)

Розрахунок міцності проводиться з використанням відомого методу характеристичних ліній у наступній послідовності: а) для елемента, що розглядається, будується поле характеристик; б) параметри напруженого стану, розміри, що визначають геометрію областей пластичності, й граничне навантаження знаходяться з системи рівнянь, яка включає співвідношення на характеристичних лініях та умови рівноваги частини елемента.

Системи рівнянь для визначення невідомих у задачах міцності досить складні, тому отримані чисельні рішення, на базі яких криві міцності були апроксимовані методом найменших квадратів.

У табл. 1 представлені розрахункові схеми (поля характеристик) і залежності для визначення міцності окремих елементів із важкого бетону.

Таблиця 1

Розрахункові схеми та залежності для визначення міцності елементів

№

п/п | Розрахункова схема | Розрахункові залежності

1 | 2 | 3

1 |

Зразок Гвоздєва |

при =0

при 0,5R

при 0,5R < Rb

2 |

Зразок Мерша |

при =0

при 0< Rb

1 | 2 | 3

3 |

Прямокутні бетонні шпонки |

1) зминання l/h < 0,25

при =0

при 0< 0,5R

2) зріз 0,25 = l/h = 0,6

при =0

при 0< 0,5R

3)від переважаючого згину l/h > 0,6

при =0

при 0< 0,5R

4 |

Шпонкове з’єднання |

руйнування по шву

при = 0

при 0< 0,5R

Запропонована методика дозволила вирішити ряд конкретних задач міцності при зрізі і врахувати різноманітні фактори, що впливають на міцність. Наприклад, для зразків Мерша граничне навантаження, напруження на характеристиках ОА і АВ (ОА і АВ) та розміри областей пластичності 1,2,3 (див. табл. 1) залежать від відношення довжини опорних площадок до висоти зразка (l/h) на відміну від зразків Гвоздєва. Для бетонної прямокутної шпонки в залежності від l/h можливі рішення, які відповідають руйнуванню шпонки від зминання, шляхом зрізу, від переважаючого згинання. Визначено оптимальне співвідношення розмірів шпонки l/h = 0,25, при якому її несуча здатність найбільша.

Знайшов розв’язання комплекс питань, пов’язаних із розрахунком міцності багатошпонкових з’єднань, а саме: про міцність окремої шпонки, про вплив ширини шва t та розподіл зусиль між шпонками вздовж стику.

Для моделювання процесу руйнування багатошпонкового стику приймаються такі передумови:

-

-

-

Граничне навантаження багатошпонкового стику підраховується як

(1)

де b – товщина елементів стику, l і lel – довжина стику і довжина ділянки пружної роботи стику, що визначається із залежності

, (2)

враховуючи , , , де Eb, Ab, el – модуль пружності, площа перерізу елементів стику і граничний пружний зсув.

Таким чином, запропонована загальна методика розрахунку дала змогу визначити міцність при різних формах, навантаженнях і НДС у зонах руйнування бетонних та залізобетонних елементів при зрізі.

У третьому розділі викладена методика проведення експериментальних досліджень. Програма експерименту включала: вивчення міцності і деформованого стану зразків Гвоздєва з метою дослідного підтвердження реальності існування в зразках областей пластичності, що передбачені у теоретичних рішеннях задач міцності; окремих прямокутних бетонних шпонок з метою дослідження впливу відношення розмірів шпонки l/h та виду бетону на міцність і форму руйнування зразків; багатошпонкових з’єднань для дослідження нерівномірності розподілу напружень по довжині стику, впливу кількості шпонок та їх армування; завантажених симетрично бетонних клинів з метою перевірки теоретичного рішення, дослідження впливу кута клина та класу бетону на міцність; зрізаних керамзитобетонних клинів – моделей стиснутої зони над НПТ для дослідження впливу кута нахилу тріщини ?, кута навантаження ? = arctg Qb/Nb і класу керамзитобетону.

Дослідження першого типу елементів містить випробування 10 зразків із бетону трьох різних класів.

Другий тип елементів містить 19 зразків (13 із важкого бетону, 6 – керамзитобетону). Навантаження здійснювалося двома силами, симетрично прикладеними до бокових виступів-шпонок. Величини l/h приймалися: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6.

У межах дослідження третього типу елементів випробувано 6 багатошпонкових керамзитобетонних з’єднань з однією, трьома та п’ятьма шпонками без і з поперечною арматурою (2o8 AI на кожну шпонку).

Четвертий тип елементів включає 20 симетричних клинів (10+10). Перша серія виготовлялася із важкого бетону, а друга із керамзитобетону двох класів. У межах серій кут клину змінювався від 15° до 75° через 15°.

П’ятий тип елементів передбачав випробування 2 серій керамзитобетонних зрізаних клинів. У межах серії змінювався кут клина ? (15°, 30°, 45°) і кут навантаження ? при постійному ? від 0° до ? + (0±10)° через 10°. Сила на вершину клина передавалася через спеціальний сталевий башмак.

Шпонки, з’єднання, клини випробувувалися на пресі ПГ-125. Деформації бетону і арматури вимірювалися за допомогою тензорезисторів і реєструючого приладу ЦТМ-5. Для шпонок і шпонкових з’єднань замірювалося взаємне зміщення частин зразка індикаторами годинникового типу.

Четвертий розділ присвячено викладенню результатів експериментів. Досліди підтвердили реальність розподілу напружень і деформацій у відповідних зонах характеристик, що передбачені у теоретичних рішеннях.

Незважаючи на зовні крихкий характер руйнування зразків Гвоздєва, при навантаженнях близьких до граничних, в областях осьового стиску 4 (див. табл. 1) спостерігався розвиток значних пластичних деформацій - y = 30010-5, в областях 2 і 3 деформація стиску складає приблизно 10010-5.

Характер руйнування окремих бетонних прямокутних шпонок суттєво залежить від співвідношення розмірів шпонок l/h. Зразки при l/h = 0,1 і 0,2 руйнувалися від зминання бетону в зоні 1 (АВС) під площадкою навантаження, а при l/h = 0,3 – 0,5 – по цілому бетонному перерізу поблизу площини зрізу. Тензорезистори на бетоні біля нижнього кута з’єднання шпонки зі стояком в зоні 2 показували значні деформації стиску, які підтверджують наявність отриманих у теоретичних рішеннях областей пластичності. При співвідношенні l/h = 0,6 шпонки руйнувалися від зрізу з згинанням.

У багатошпонкових стиках спостерігалася нерівномірність розподілу деформацій по довжині стику, яка врахована в теоретичних рішеннях. Міцність з’єднань суттєво залежить від кількості шпонок та їх армування.

Симетричні бетонні клини руйнувалися пластично біля вершини. Для зразків із важкого бетону деформації в зоні осьового стиску досягали 18010-5, двохосьового – 24010-5 (відповідні значення для керамзитобетонних клинів - 23010-5 та 25010-5).

Із випробувань керамзитобетонних зрізаних клинів видно, що при малих кутах завантаження міцність зразків не залежить від кута клина . При більших із збільшенням міцність зростає. При виконанні умови < +5 пологі ділянки графіків “навантаження – деформація” для стиснутої зони свідчать про розвиток значних пластичних деформацій бетону. При +5 зразки руйнувалися крихко. Отримані результати узгоджуються з відомими даними для важкого бетону В.П.Митрофанова і підтверджують можливість застосування теорії пластичності для рішення задач даного типу.

У п’ятому розділі проводився аналіз збіжності теоретичної міцності з дослідною за величиною . Оброблені дані 227 зразків (у тому числі 70 належить авторові), для яких 1,01, n-1 = 0,132, = 13,1%.

У шостому розділі запропоновані для практичного використання залежності з визначення міцності шпонкових з’єднань і коротких елементів, метод розрахунку міцності елементів по похилій тріщині на сумісну дію поперечної сили та згинаючого моменту. Рекомендовані методи розрахунку прості, достатньо точні та враховують більшу кількість визначальних факторів міцності порівняно з нормативними. Їх впровадження дозволило зменшити витрати арматурної сталі в середньому на 10,5%, оптимізувати конструктивні рішення елементів і отримати значний техніко-економічний ефект.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Відповідно до експериментальних даних у кам’яних матеріалах, що мають різний опір на стиск та розтяг, явища “чистого зрізу” як випадку плоского напруженого стану і як форми руйнування не сумісні та мають самостійне значення. Тому до теперішнього часу не був знайдений бетонний зразок, який руйнується шляхом зрізу в області плоского напруженого стану “чистий зріз”. У практичних задачах важливе значення мають випадки зрізу як форми руйнування. При цьому розрахунок міцності елементів проводиться переважно за емпіричними залежностями, які мають обмежену область застосування, не враховують деякі фактори, що зменшує можливості більш повної оптимізації конструктивних рішень. Необхідна розробка достатньо загальної методики розрахунку міцності бетонних та залізобетонних елементів при зрізі, для чого перспективною вважається теорія пластичності бетону.

2. При складних неоднорідних напружено-деформованих станах зовні крихкий характер руйнування не завжди є свідченням неможливості застосування теорії пластичності до розрахунку міцності бетонних та залізобетонних елементів.

3. Передумова про ідеальну пластичність може бути застосована до бетону, якщо одночасно досягається (навіть на вельми нетривалий час) умова міцності (пластичності) по всій області граничного стану бетону, що повністю перетинає тіло, і розвиток якої необхідний для перетворення його в кінематичний механізм.

4. Запропонована достатньо загальна методика розрахунку міцності бетонних та залізобетонних елементів при зрізі в умовах плоского напруженого стану, яка враховує вплив виду і класу бетону, армування та обтиснення елементів у площині зрізу, форми і розмірів зразків, нерівномірності розподілу зусиль зсуву по довжині багатошпонкового стику. В результаті поглиблюється уявлення про граничний стан, розширюються можливості для оптимізації конструктивних рішень.

5. Отримані рішення задач міцності для запропонованих О.О.Гвоздєвим і Е.Мершем зразків при зрізі (враховуючи дію обтиснення), окремої прямокутної бетонної шпонки за різних умов завантаження, багатошпонкових з’єднань з використанням пружно-пластичної роботи стику з обмеженням величини граничного зсуву.

6. Результати проведених експериментальних досліджень зразків Гвоздєва, окремих шпонок, шпонкових з’єднань, симетричних клинів та клинів, завантажених по грані зрізу стискуючою та зрізуючою силами підтвердили існування областей пластичності, прийнятих в теоретичних рішеннях, а також передбачений розрахунком вплив визначальних факторів.

7. Теоретична міцність бетонних і залізобетонних зразків при дії зрізуючих сил добре погоджується з дослідною, про що свідчать статистичні характеристики 1,01, = 13,1%, які отримані в результаті оброблення даних 227 зразків. Запропоновані розрахункові залежності більш точно описують роботу елементів порівняно із залежностями нормативної методики ( 1,23, = 24,6%).

8. Для практичного використання рекомендуються залежності з розрахунку міцності шпонкових з’єднань, коротких елементів, метод розрахунку міцності залізобетонних елементів по похилій тріщині на сумісну дію поперечної сили і згинаючого моменту. Техніко-економічний ефект досягається за рахунок зниження матеріалоємкості, працеємкості виготовлення і вартості конструкцій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Погребной В.В., Довженко О.А. Расчет прочности железобетонных элементов прямоугольного сечения по наклонной трещине // Проблеми теорії і практики залізобетону: Зб. наук. ст. – Полтава: Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка. – 1997. – С. 404-407.

2. Погрібний В.В., Довженко О.О. До розрахунку міцності шпонкових з’єднань // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. – Вип. 2. – Рівне: Рівн. держ. техн. ун-т.–1999. –– С. 135-140.

3. Погрібний В.В. Міцність зрізаного керамзитобетонного клина як моделі стиснутої зони над похилою тріщиною елементів, що згинаються // Зб. наук. пр. (галузеве машинобудування, будівництво)/Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка.–Вип. 4.–Полтава: ПДТУ ім.Юрія Кондратюка.–1999.–С. 165-171.

4. Погрібний В.В. Урахування нерівномірності розподілу дотичних зусиль при розрахунках міцності багатошпонкових з’єднань // Коммунальное хозяйство городов. – Вып. 19. – К.: “Техніка”. – 1999. – С. 50-54.

5. Погрібний В.В. Міцність бетону при “чистому зрізі” // Науковий вісник будівництва. – Вип. 7. – Харків: ХДТУБА, ХОТВАБУ. – 1999. – С. 57-63.

6. Погребной В.В., Довженко О.А. Учет влияния ширины шва на характер разрушения и прочность многошпоночных стыков // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. – Вып.1/ 2000 (8). – Кременчуг: КГПИ. – 2000.– С.493-495.

7. Митрофанов В.П., Погребной В.В. О прочности некоторых бетонных элементов при срезе // Строительная механика и расчет сооружений. – 1988. – № 2. – С. 64-68.

8. Митрофанов В.П., Погребной В.В. Прочность бетона при совместном действии срезывающих и сжимающих сил // Известия вузов. Строительство и архитектура. – 1988. – № 10. – С. 5-9.

9. Митрофанов В.П., Погребной В.В. Расчет прочности шпоночных соединений // Бетон и железобетон. – 1989. – № 10. – С. 18-19.

10. Митрофанов В.П., Погребной В.В. Повышение точности расчета несущей способности на сдвиг соединений панельных конструкций // Надежность строительных конструкций: Межвузовский сб. научн. тр.– Куйбышев, 1991. – С. 136-137.

11. Митрофанов В.П., Погребной В.В. Применимость теории пластичности к определению предельной нагрузки усеченного клина // Тезисы докладов II Респ. научн. - техн. конф. “Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве”. – Ч.1. – Харьков: ХИИКС. – 1987. – С. 67-68.

12. Митрофанов В.П., Погребной В.В. Прочность сложнонапряженных бетонных и железобетонных элементов и конструкций при срезе // Совершенствование методов расчета и проектирования современных видов строительных конструкций: Тезисы докладов и сообщений научно-практической конференции. – Ровно, 1988. – С. 148-149.

13. Митрофанов В.П., Погребной В.В. К вопросу проектирования стыковых соединений панельных конструкций сейсмостойких легкобетонных зданий // Проблемы комплексной застройки Южного берега Крыма: Материалы конференции. – Симферополь. – 1988. – Том. 1. – С. 236-237.

14. Митрофанов В.П., Погребной В.В., Довженко О.А. Расчет прочности некоторых бетонных элементов при срезе со сжатием вариационным методом // Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в строительную практику: Тезисы докл. Респ. научн.-техн. конф. – Ч.1. – Полтава. – 1989. – С. 132-133.

15. Погребной В.В. К расчету прочности коротких консолей // Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. – Белгород: БТИСК. – Ч.7. – 1991. – С. 77-78

16. Погребной В.В. Экспериментальные исследования сопротивления срезу бетонных и железобетонных элементов // Экспериментальные исследования инженерных сооружений: Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции. – Сумы, 1991. – С. 42-44.

17. Погребной В.В., Довженко О.А. К расчету прочности наклонных сечений изгибаемых железобетонных элементов // Совершенствование строительных материалов, технологий и методов расчета конструкций в новых экономических условиях: Материалы международной научно-практической конференции. – Сумы: ИПП “Мрия” ЛТД, 1994. – С. 145.

18. Митрофанов В.П., Погребной В.В. Сопротивление бетона разрушению при совместном действии срезывающих и сжимающих сил // Деп. во ВНИИИС Госстроя СССР, 1989. – Вып. 1. – № 8764. – 10 с.

19. Погребной В.В. К расчету прочности некоторых бетонных элементов при сложном напряженном состоянии // Деп. во ВНИИНС Госстроя СССР, 1989. – Вып.2. – №9027. – 7с.

20. Погребной В.В. Применимость теории пластичности к определению предельной нагрузки бетонных элементов при срезе // Деп. во ВНИИИС Госстроя СССР, 1989. – Вып. 2. – № 8912. – 18 с.

АНОТАЦІЇ

Погрібний В.В. Міцність бетонних та залізобетонних елементів при зрізі.

Дисертація – рукопис на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди.

Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, м.Полтава, 2001.

Сформульовані умови застосування до бетону теорії пластичності. Розроблена достатньо загальна методика розрахунку міцності бетонних та залізобетонних елементів при зрізі в умовах складного напруженого стану, отримані рішення ряду конкретних задач міцності. Експериментально підтверджено на 70-ти зразках реальність існування областей пластичності, прийнятих у теоретичних рішеннях, досліджено вплив визначальних факторів міцності. Проведено порівняльний аналіз дослідної міцності з теоретичною, отриманою за запропонованою та нормативною методиками. Для практичного використання рекомендуються прості розрахункові залежності з визначення міцності шпонкових з’єднань, коротких елементів та похилого перерізу елементів при згині, які дозволяють оптимізувати конструктивні рішення.

Ключові слова: зріз, міцність, жорстко-пластичне тіло, характеристичні лінії, шпонка, похилий переріз.

Погребной В.В. Прочность бетонных и железобетонных элементов при срезе.

Диссертация – рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения.

Полтавский государственный технический университет имени Юрия Кондратюка, г.Полтава, 2001.

Содержание диссертации. Введение. Обоснована актуальность , научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.

В первом разделе проведен обзор отечественных и зарубежных исследований по вопросу сопротивления разрушению бетонных и железобетонных элементов при действии срезывающих сил. Проанализировано напряженное состояние и характер разрушения образцов, предложенных для определения сопротивления бетона “чистому срезу”. Показана несовместимость для бетона двух самостоятельных явлений “чистого среза” как плоского напряженного состояния и как формы разрушения. Рассмотрены элементы, разрушающиеся в форме среза: шпонки и шпоночные соединения, короткие консоли, балки-стенки, изгибаемые элементы в зоне действия поперечных сил. Проанализированы методы их расчета и факторы, определяющие прочность. Показана перспективность использования теории пластичности бетона как общей основы для разработки единой методики расчета прочности указанных элементов.

Во втором разделе изложены результаты теоретических исследований прочности бетонных и железобетонных элементов при срезе. Обосновано условие применимости теории пластичности к бетону, которое заключается в одновременности достижения предельного состояния по всей области разрушения, полностью пересекающей элемент. Получены решения ряда задач прочности при срезе в условиях плоского напряженного состояния с использованием схемы жестко-пластического тела. В качестве пластического потенциала принимаются условия прочности Баландина-Гениева для тяжелого бетона и Митрофанова для легкого. Предельная нагрузка находится методом характеристических линий теории пластичности. При рассмотрении задач прочности многошпоночных соединений решины вопросы прочности отдельной шпонки, учета влиянии ширины шва и распределения усилий между шпонками вдоль стыка, используя модель упруго-пластической работы стыка с ограничением величины предельного сдвига.

Предложенная достаточно общая методика расчета прочности бетонных и железобетонных элементов при срезе учитывает влияние вида и класса бетона, армирования и обжатия в плоскости среза, формы и размеров элементов, неравномерности распределения усилий сдвига по длине многошпоночного стыка.

В третьем разделе изложена методика проведения экспериментальных исследований. Программа экспериментов включала изучение деформированного состояния и определение предельной нагрузки пяти типов элементов: образцов Гвоздева, отдельных бетонных шпонок, многошпоночных соединений, симметричных бетонных клиньев и усеченных бетонных клиньев – моделей сжатой зоны бетона над опасной наклонной трещиной. Основными целями исследований являлось экспериментальное подтверждение реальности существования в образцах областей пластичности, принятых в теоретических решениях, и изучение влияния определяющих прочность факторов.

Четвертый раздел посвящен изложению результатов экспериментальных исследований. Опытные данные подтвердили реальность распределения напряжений и деформаций в соответствующих зонах пластичности, принятых при решении задач прочности. Несмотря на внешне хрупкий характер разрушения наблюдалось развитие значительных пластичестих деформаций в локальных областях. Подтверждено влияние на прочность образцов вида и класса бетона, соотношения глубины и высоты для отдельных бетонных шпонок, армирования и количества шпонок для многошпоных стыков, угла клина и угла нагружения для усеченных клиньев.