ДОНБАСьКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.012.45

Стеблянко Леонід Володимирович

Міцність НЕСУЧИХ СТІН

ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАШТОВИХ СПОРУД

ПРИ НАЯВНОСТІ ДЕФЕКТІВ І поШКОДЖЕНЬ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі і споруди

Автореферат

дисертації на здобуття ученого ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка -2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Донбаській державній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України на кафедрі залізобетонних конструкцій.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Левін Віктор Матвійович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри залізобетонних конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Чихладзе Елгуджа Давідович, Харківська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри будівельної механіки;

кандидат технічних наук, доцент

Молодченко Генадій Анатолійович, Харківська державна академія міського господарства, завідувач кафедри будівельних конструкцій.

Провідна організація: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра залізобетонних і кам'яних конструкцій.

Захист відбудеться " 27 " квітня 2001 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий " 24 " березня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Югов А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На даний час назріла необхідність виконання великого обсягу робіт з оцінки стану експлуатованих об'єктів, у тому числі - залізобетонних споруд із несучими стінами (баштові копри шахт і рудників, вугільні і гасильні башти коксохімзаводів, грануляційні башти підприємств хімічної промисловості, баштові градирні теплових і атомних електростанцій, споруди міжгалузевого призначення - силоси, димарі й ін.), а також щодо їх ремонту і підсилення. Чимало таких споруд мають істотні дефекти й пошкодження у вигляді дефектних робочих швів бетонування, ділянок бетону зниженої міцності, отворів і ін. У той же час питання урахування такого роду дефектів і пошкоджень у нормах проектування й у науково-технічній літературі належною мірою не розкриті. Зокрема, відсутні відомості по урахуванню специфіки напружено-деформованого стану стін баштових споруд у зоні дефектів і пошкоджень. Разом з цим тільки достовірна оцінка несучої здатності об'єкта дозволяє прийняти правильне рішення про можливість його подальшої експлуатації, характер й обсяг підсилення. Тому розробка методики розрахунку міцності несучих стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами і пошкодженнями, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру виконані в рамках кафедральної держбюджетної теми К-3-2-96 "Експериментальне дослідження і розробка методів розрахунку залізобетонних інженерних споруд з урахуванням температурно-вологісних впливів, включаючи розробку методів їхнього підсилення". У цій роботі автором запропонована методика розрахунку міцності несучих стін залізобетонних баштових споруд із дефектами й пошкодженнями у вигляді дефектних робочих швів бетонування, ділянок із зниженою міцністю бетону, отворів і ін.

Мета досліджень – розробка методики розрахунку міцності несучих стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами та пошкодженнями, що враховує особливості напружено-деформованого стану, фізичних співвідношень в зоні дефектів і пошкоджень, а також режим навантаження.

Задачі досліджень:

1) розвинути математичну модель деформування стін залізобетонної баштової споруди в частині урахування специфіки роботи стін у зоні дефекту й пошкодження;

2) виконати експериментальну перевірку достовірності математичної моделі;

3) установити характер напружено-деформованого стану і руйнування дефектних стін при різноманітних варіантах їхнього навантаження, розмірів і розташування дефекту або пошкодження, а також швидкості зведення;

4) установити залежність несучої здатності залізобетонних стін від швидкості зведення споруди, виду, розмірів і розташування дефекту;

Об'єкт дослідження

несучі стіни залізобетонної баштової споруди, ослаблені дефектами або пошкодженнями.

Предмет дослідження

міцність несучої залізобетонної стіни баштової споруди з дефектами або пошкодженнями.

Методи дослідження

1. Методи математичного моделювання; метод Гальоркіна; дискретно-континуальний метод у формі методу "вихідних рівнянь"; кроковий метод продовження за часом і кроково-ітераційний метод лінеаризації.

2. Фізичне моделювання із застосуванням методів теорії подібності, електротензометрії, механічного методу виміру переміщень, фотографічної фіксації схем тріщиноутворення і руйнування, механічних методів випробування матеріалів навантаженням, ультразвукового імпульсного методу.

3. Порівняння й узагальнення теоретичних і експериментальних даних (перевірка достовірності математичної моделі і вироблення вимог щодо її використання).

Наукова новизна отриманих результатів

- експериментально доведена адекватність розвинутої дискретно-континуальної непружної двоетапної математичної моделі роботи стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами й пошкодженнями;

- удосконалені деформаційні і міцнісні залежності для бетону, які відрізняються: переходом до відносних рівнів напружень і деформацій на висхідній гілці, що забезпечили їхню інваріантність стосовно напрямку променя навантаження; урахуванням впливу напрямку променя навантаження і похідної головної деформації на параметри спадної гілки діаграми короткочасного деформування;

- отримані: гранична крива в площині деформацій з урахуванням спадної гілки діаграми деформування (крива руйнування) і поправка до неї на урахування похідної головної деформації; умова випинання стиснутого арматурного стержня, що перетинає дефект або пошкодження; апроксимація залежності площі "сплеску" ядра релаксації від часу спостереження;

- визначені залежності коефіцієнтів концентрації і повноти епюр напружень у бетоні й арматурі дефектної стіни від розмірів і розташування дефекту, граничного місцевого навантаження від розмірів і розташування дефектів у зоні цього навантаження;

-запропоновано методику розрахунку несучих залізобетонних стін за міцністю, що відрізняється урахуванням місцевого збурення напружено-деформованого стану в зоні дефекту, у тому числі - прості залежності безпосереднього визначення міцності стін при розташуванні дефекту під місцевим навантаженням.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи призначені для виконання перевірочних розрахунків споруд, що обстежуються з метою реконструкції, або при необхідності розв'язання питання про можливість подальшої експлуатації споруди, підданої інтенсивному фізичному зносу, а також паспортизації. Вони дозволяють оцінити несучу здатність залізобетонної стіни з урахуванням дефектів і пошкоджень, визначити можливість і умови їх експлуатації, необхідність виконання робіт із підсилення. Результати роботи використані при оцінці стану ряду промислових об'єктів. Економічний ефект склав понад 100 тис. грн.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи докладались на науково-технічній конференції "50 років Донецькому ПромбудНДІпроекту і розвиток будівельної науки в Донбасі" (м.Донецьк, 1997 р.); на академічних читаннях Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 1998 г.); на другій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону" (м. Київ, 1999 р.).

Особистий внесок пошукувача. Особисто автором отримані такі результати:

-удосконалення дискретно-континуальної непружної двоетапної математичної моделі і доказ її адекватності роботі стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами й пошкодженнями;

-залежності несучої здатності залізобетонної стіни, коефіцієнтів концентрації і повноти епюри приведених напружень від параметрів дефектів;

-методика розрахунку міцності несучих стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами й пошкодженнями.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 друкованих робіт, що відбивають основний її зміст.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох глав, основних висновків, списку використаної літератури (168 найменувань) і додатків. Робота викладена на 162 сторінках, у тому числі 107 сторінок основного тексту, 19 сторінок списку літератури, 24 повних сторінки з малюнками і таблицями, 12 сторінок додатків.

ОСНОВНий ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризовано предмет дослідження - напружено-деформований стан несучих стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами будівництва й експлуатаційних пошкоджень у вигляді дефектних швів бетонування, отворів, ділянок. Сформульовано вимоги до методу визначення міцності таких стін. Показано стан наукової задачі і її значення для сучасної практики будівництва і реконструкції.

У розділі 1 розглянуто сучасний стан питання з розрахунку конструкцій із дефектами й пошкодженнями. Основні причини утворення дефектів і пошкоджень та методи їх усунення досліджені Ю.К. Горшковим, Ф. Перкинсом, Р. Рибицькі, Г. Руффертом, Й.А. Фізделем, Ю.Г. Хаютіним і ін. Урахування дефектів у розрахунку стержневих конструкцій розглянуто С.М. Скоробогатовим (резерв живучості стержневих конструкцій, пошкоджених навантаженням), у розрахунку стін ємнісної частини силосів Г.А. Молодченком (функція зниження несучої здатності по висоті від локального руйнування арматури). У вивчених роботах відсутні дані з розрахунку несучих залізобетонних стін при наявності дефектів і пошкоджень у вигляді наскрізних щілин.

Відповідно до чинних СНиП 2.03.01-84* урахування дефектів і пошкоджень забезпечується зменшенням перерізів, впливом на міцність і деформативні характеристики бетону, на його зчеплення з арматурою, на ексцентриситет поздовжньої сили; Одночасно вплив неодновісного збуреного характеру напруженого стану на міцність конструкцій у зоні дефектів і пошкоджень у них не відбито.

У Eurocode II питання урахування дефектів і пошкоджень у розрахунку не розглядаються.

Загальні питання розрахунку залізобетонних баштових споруд розглядалися багатьма дослідниками; із використанням розрахункової схеми у вигляді просторової системи (оболонка обертання або призматична складка) - Н.В. Колкуновим, О.С. Кубанейшвілі, В.М. Левіним, І.Е. Мілейковським і Г.Б. Мерквіладзе.

Аналогічні питання стосовно до багатоповерхових безкаркасних будівель розглянуті в роботах Г.Р. Бідного, О.С. Городецького, С.Ф. Клованича, В.І. Лишака, Ю.І. Немчинова й ін. Урахування дефектів і пошкоджень у них також не досліджувалось.

Деформативні і міцнісні властивості бетону, арматури і залізобетону вивчалися С.В. Александровським, О.Н. Бамбурою, Z.P.А.Я. Барашиковим, А.Б. Голишевим, М.І. Карпенком, С.Ф. Клованичем, О.П. Кричевським, В.М. Кругловим і О.І. Козачевським, H.B.M.P.Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагіним, О.Ф. Яременком й ін., у цих роботах теорія деформування бетону і залізобетону розроблена достатньо повно, але рішення таких питань, як, наприклад, вид спадної гілки при неодновісному напруженому стані, вплив неоднорідності поля напружень на характер деформаційних співвідношень, особливо - на спадній гілці, потребують додаткових досліджень.

Експериментальними дослідженнями роботи залізобетонних баштових споруд і їхніх фрагментів займалися О.П. Кричевський, В.М. Левін, А.Ф. Милованов, Г.К. Хайдуков і ін. Місцеві стани в зоні дефектів і пошкоджень не розглядалися.

Аналіз літературних даних дозволив зробити висновок про необхідність проведення досліджень для розробки методики розрахунку міцності залізобетонних стін при наявності в них дефектів і пошкоджень, обгрунтувати математичну модель деформування стін і прийняті деформаційні залежності, сформулювати задачу дослідження.

У розділі 2 розглядаються вихідні дані, прийняті при виконанні роботи - конструктивні рішення найбільш поширених баштових споруд із несучими стінами, технологія їх зведення, умови експлуатації, найбільш поширені дефекти і пошкодження стін. Аналіз цих даних і матеріалів обстежень аналізованих споруд показав: кількість дефектів у їхніх стінах достатньо велика і ці дефекти обумовлені, здебільшого, порушеннями вимог технології зведення в рухливій опалубці; конструктивні схеми цих споруд складні і різноманітні; дефекти також характеризуються значною розмаїтістю видів, форм, розмірів, розташуванням. Пошкодження можуть бути двох типів: пошкодження першого типу викликані інтенсивним механічним, термічним, хімічним і т.п. експлуатаційним впливом на бездефектну конструкцію; пошкодження другого типу обумовлені дефектами будівництва, насамперед бетонування, і розвиваються далі під впливом поперемінного заморожування-відтавання, фільтрації води, корозії арматури й ін. Це породжує різноманітні ситуації і не дає можливості забезпечити рішення усіх задач, що виникають при обстеженні, даними спеціально поставлених експериментів. Тому доцільне математичне моделювання процесу деформування несучих стін залізобетонної баштової споруди. У той же час існуючі моделі недостатньо повно враховують такі особливості дефектних стін, як форма дефектів і характер їхніх меж, зміна властивостей матеріалу, високий рівень градієнтів деформацій у зоні дефекту і т.п. Це обумовило вимоги до моделі, що вибирається, необхідність її уточнення й експериментальної верифікації стосовно до задачі розрахунку дефектних стін.

Сформульовано принципи розрахунку несучих стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами або пошкодженнями, які полягають у наступному. Залізобетонні баштові споруди з несучими стінами являють собою складну просторову континуальну систему (складка, оболонка обертання). Дефекти, що збурюють напружено-деформований стан, потребують збільшення кількості ступенів свободи дискретизованої розрахункової схеми, проте, урахування швидкого згасання збурень дозволяє проводити дослідження на концептуальних або фізичних моделях, що імітують роботу обмежених за розмірами фрагментів стін; вибір меж цих фрагментів повинен визначатися рівнем впливу похибок граничних умов на досліджувану зону. Отже, необхідно дворівневе моделювання (загальний стан вивчається на розрахунковій схемі всього об'єкта, зона дефекту - на розрахунковій схемі фрагмента). Геометрія об'єкта змінюється в часі: у процесі зведення росте його висота і можливе утворення дефектів, що можуть бути наскрізними й обумовити особливість роботи арматурних стержнів (втрата стійкості, корозія часткова або повна). Режим зведення визначає перемінний по площі стін вік бетону. Навантаження стін залізобетонної баштової споруди здійснюється в два етапи: на першому вони навантажуються вищерозташованою вагою споруди (спочатку зростаючою і потім постійною) і довгостроково діючими тимчасовими навантаженнями; на другому - довантажуються короткочасним навантаженням потенційно небезпечного рівня з високим рівнем деформацій і їхніх градієнтів.

Характер використовуваних деформаційних співвідношень визначається вищевказаними особливостями.

Для аналізу роботи залізобетонної стіни на першому етапі для бетону прийнята теорія пружно-повзучого тіла у формі, використовуваної Н.Х. Арутюняном і В.Б. Колмановським для об'єктів із віковою неоднорідністю бетону; арматура вважається пружною. Різкий "сплеск" ядра релаксації поблизу часу спостереження виключається спеціальними сингулярними складовими за пропозицією В.М. Левіна, а "спокійна" частина ядра, що залишилася, апроксимується виродженим ядром.

Для другого етапу навантаження стін деформаційні співвідношення приймаються: для стадії до утворення тріщин - у формі деформаційної теорії пластичності бетону і діаграми Прандтля для арматури, після утворення тріщин - у формі теорії деформування залізобетону з тріщинами М.І. Карпенка.

Питання вибору розрахункової конфігурації об'єкта, призначення деформаційних параметрів матеріалів, перерізів бетону й арматури, ступеня дискретизації розрахункової схеми, способу урахування армування (дискретне або розподілене) вирішуються в процесі експериментальної перевірки математичної моделі і її наступного аналізу.

Дані другого розділу дозволяють зробити висновки про неможливість рішення всіх поставлених задач експериментально і необхідність використання математичного моделювання на основі запропонованої В.М. Левіним моделі, що повинна бути адаптована до особливостей досліджуваного об'єкта; модель повинна бути експериментально перевірена при наявності дефектів.

У розділі 3 подані результати адаптації обраної математичної моделі деформування споруди до задачі розрахунку дефектних стін. Для апроксимації "спокійної" частини ядра релаксації виродженим ядром

(1)

відповідні функції часу подані у вигляді сплайнів, для i-ої ділянки:

Tn(t) = ani+bni( t-ti-1)+cni(t-ti-1)2+dni(t-ti-1)3 (2)

Иn(t)=eni+fni(t-ti-1)+gni(t-ti-1)2)+hni(t-ti-1) 3 (3)

де tО[ ti-,ti-1], ani, bni, cni, dni, eni, fni, gni, hni - коефіцієнти сплайна.

Запропонована залежність площі "сплеску" ядра релаксації від часу

(4)

подана на рис.1.

Встановлено необхідність урахування можливості випинання стиснутого арматурного стержня, що перетинає дефект, і визначена деформаційна межа області стійкого опору такого стержня (рис. 2).

Для короткочасного навантаження бетону стіни на стадії до утворення тріщин на основі емпіричних результатів О.М. Бамбури й А.І. Давиденка, А.Я. Барашикова, В.М. Барабаша й А.Д. Журавського, H.B.А.А. Яшина і теоретичних підходів В.М. Круглова й О.І. Козачевського, О.Я. Шагіна, Е.Д. Чихладзе, В.М. Левіна й інших дослідників були отримані деформаційні співвідношення висхідної гілки діаграми деформування за заданим променем простого двохосьового навантаження (у напруженнях і деформаціях, віднесених до їхніх граничних значень на висхідній гілці діаграми). Діаграми у відносних параметрах (рис.3), при різних видах напруженого стану (x=s0/t0, де s0, t0- октаедричні напруження) близькі (у межах 8%) одна до одної.

Спадна гілка діаграми деформування бетону в межах, що враховується в розрахунку прямолінійної ділянки апроксимована виразом (5)

sk=fq (5)

де

fq=1.0+0.2w (6)

w=1.57-0,57 (7)

О[1.0, .3],;

l– координата, що відраховується уздовж другого головного напрямку;

- значення k у момент e= ;

k0 – еталонне значення похідної. Таким чином, 1/w задає подовження спадної гілки (її граничну точку) у просторі деформацій. Вид висхідної і спадної гілок деформування показані на рис. 4. Одночасно побудовані залежності , , , .

Прийнято, що після утворення тріщин деформування стіни описується теорією М.І. Карпенка, адаптованої до особливостей баштових споруд В.М. Левіним. Граничні умови в ній сформульовані роздільно для смуги бетону між тріщинами і для арматури кожного напрямку.

У цьому ж розділі показані результати експериментальної перевірки отриманої математичної моделі. Дані про експериментальні зразки наведені в табл. 1. Навантаження здійснювалося за допомогою спеціально сконструйованих силових установок (рис. 5).

Порівняння результатів розрахунків і експериментів розподілу деформацій, рогів нахилу тріщин (рис. 6), а також навантаження утворення тріщин і руйнуючих навантажень показало, що прийнята математична модель достатньо адекватна процесам деформування і руйнування дефектної стіни (табл. 2).

Табл. 1

Експериментальні зразки фрагментів несучих стін залізобетонних баштових споруд, ослаблених дефектами й пошкодженнями

Номер серії

1 2

Ескізи

№ зразка ld, мм zd, мм Наявність арматури в дефекті № зразка ld , мм zd, мм h0, мм z0, мм b0, мм Наявність арматури в дефекті

1 0 0 – 6 50 25 480 185 300 відсутня

2 180 110 відсутня 7 110 0 400 300 200 збережена

3 250 110 відсутня

4 260 220 відсутня

5 240 110 збережена

Результати досліджень дозволили виконати адаптацію математичної моделі до умов роботи дефектної стіни баштової споруди, зробити висновки про: неоднорідності поля деформацій, необхідний ступінь дискретизації розрахункової схеми, можливості використання прийнятої й адаптованої моделі для аналізу напружено-деформованого стану зазначених стін.

У розділі 4 подані результати чисельного дослідження роботи несучих залізобетонних стін із дефектами. На "дослідних зразках" у вигляді суцільної стіни, із центральним розташуванням дефекту і розташуванням дефекту в рогу прорізу, вивчався вплив режиму навантаження (рис.7), розмірів і розташування дефектів на розподіл напружень у бетоні й арматурі, на діаграму деформування бетону (рис.8), коефіцієнти концентрації і коефіцієнти повноти епюр цих напружень у горизонтальному перерізі (рис.9), навантаження утворення тріщин і руйнуючу (рис.10). Аналіз цих даних дозволив установити таке:

- тривалий характер навантаження стін на першому етапі обумовлює істотні зміни нормальних напружень (у порівнянні з короткочасним завантаженням тим же навантаженням); у вертикальній арматурі вони збільшуються 3-3.5 разів, у бетоні (у горизонтальних перерізах) зменшуються на 10...20%; на другому етапі режим попереднього навантаження на приведені напруження в момент руйнування практично не впливає, а зміна несучої здатності споруди залишається в межах точності розрахунку;

- навантаження утворення тріщин у різних зонах стіни при тривалому навантаженні на першому етапі збільшуються (у порівнянні з короткочасним навантаженням) на 25...35%;

- умовний коефіцієнт концентрації зведених нормальних напружень у горизонтальних перерізах складає: для стіни з центральним розташуванням дефекту 1. 16-1. 56, для стіни з дефектом у розі прорізу 1. 14-1. 84;

- коефіцієнт повноти епюри зведених нормальних напружень у цих же перерізах: для стіни з центральним розташуванням дефекту 0.64-0.85, для стіни з дефектом у розі прорізу 1.14-1.84;

- розрахунок тріщиностійкості стін повинен виконуватися з урахуванням режиму навантаження на першому етапі;

- для стиснутої арматури в дефекті необхідна перевірка можливості випинання стержнів;

- для оперативного виконання розрахунку в зоні місцевого навантаження можуть бути використані результати чисельних експериментів, приклади яких подані на рис. 11.

У розділі 5 наведені рекомендації щодо виконання розрахунку баштової споруди з використанням однієї з трьох розрахункових схем - складчастої системи; консольного стержня; пластини між місцевим навантаженням і дефектом (за наближеними формулами). Ці рекомендації містять дані: про визначення вихідних даних; про вибір розрахункової схеми; про деформаційні і міцнісні моделі матеріалу; про навантаження, у тому числі - режими їхнього прикладання; про методи рішення задач, що виникають при розрахунку.

У додатках наведені акти впровадження, інструкція до використання програми "Прораб-Д".

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. У чинних нормах (СНиП 2.03.01-84*) і в науково-технічній літературі не враховано ряд особливостей напружено-деформованого стану несучих стін у зоні дефекту й пошкодження (концентрація напружень, вплив неоднорідності поля деформацій на деформаційні залежності і граничні умови, а також наявність ділянок стиснутих арматурних стержнів поза бетоном і т.д.).

2. Запропонована методика розрахунку несучих залізобетонних стін баштових споруд, ослаблених дефектами й пошкодженнями, необхідна при оцінці стану існуючих об'єктів, що має велике практичне значення. Ця методика основана на розрахункових схемах у вигляді пластини або пластинчастої системи (загальний випадок) або консольного стержня з уточненим напружено-деформованим станом ослабленого перерізу (при розташуванні дефекту поза зоною місцевих навантажень) загальний випадок реалізовано у програмі "Прораб-Д". Для характерних випадків розташування дефекту або пошкодження під місцевим навантаженням запропоновано визначати міцність простою залежністю, що апроксимує графіки рис. 11.

3. Континуальна двоетапна непружна модель деформування залізобетонної баштової споруди, запропонована В.М. Левіним, доповнена в частині деформаційних співвідношень даними, що забезпечують урахування особливостей роботи стін у зоні дефектів і пошкоджень (залежність спадної гілки діаграми деформування бетону від напрямку променя навантаження і від похідної головної деформації (5)..(7); умова випинання стиснутого арматурного стержня, що перетинає дефект або пошкодження) і можливість застосування крокової і кроково-ітераційної процедур розрахунку (апроксимація ядра повзучості (1)..(4), зображення висхідної гілки діаграми деформування бетону в інваріантному від променя навантаження виді, а також граничної кривої для бетону з урахуванням спадної гілки (рис.4)). Показано, що ця модель забезпечує добру відповідність дослідних і розрахункових даних (у межах 5...16%), а також виконання великої кількості чисельних експериментів із застосуванням крокової і кроково-ітераційної процедур.

4. Встановлено залежності місцевої несучої здатності стіни, коефіцієнтів концентрації і повноти епюр зведених напружень від розташування і розмірів дефекту. Коефіцієнти повноти епюр стискальних зведених напружень у перерізі дефектної стіни складають, у залежності від розмірів і розташування дефекту, 1.16-1.56, для стіни з дефектом у розі прорізу 1.14-1.84; коефіцієнт повноти епюри зведених вертикальних напружень: 0.64-0.85, 0.54-0.83 для тих же розрахункових схем відповідно.

Показано, що при розрахунку необхідно враховувати можливість випинання стиснутих арматурних стержнів, що перетинають дефект або пошкодження, і дані відповідні умови. Виявлено випадки, коли необхідно враховувати дискретний характер розташування стиснутої арматури.

Використання запропонованої методики розрахунку дозволяє уточнити розрахункові значення несучої здатності стіни в порівнянні з розрахунком за СНиП 2.03.84* на величину до 20% і що може бути рекомендоване для практичного використання при реконструкції або посиленні експлуатованих об'єктів.

Результати роботи впроваджені при оцінці технічного стану ряду промислових споруд. Економічний ефект склав понад 100 тис. грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У ТАКИХ РОБОТАХ:

1. Стеблянко Л.В. Анализ напряженно-деформированного состояния в окрестности проема башенного сооружения //Современные проблемы строительства: Сб. статей, Донецкий ПСНИИП, 1997. –С.168-170.

2 Левин В.М., Стеблянко Л.В. Исследование напряжённого состояния стены монолитного железобетонного сооружения с ослаблением //Вестник ДГАСА, вып.98-4(12), Макеевка, ДГАСА, 1998. –С.83-86.

3 Левин В.М., Стеблянко Л.В. Влияние режима возведения на напряжённо-деформированное состояние стены монолитного железобетонного башенного сооружения //Ползучесть в конструкциях: Сб. статей, –Одесса, ОГАСА, 1998. –С.77-78.

4 Левин В.М., Стеблянко Л.В. Физические зависимости железобетона при плоском напряженном состоянии и заданных деформациях //Межведомственный научно-технический сборник “Строительные конструкции” №50, Киев, 1999. –С.139-144.

5 Стеблянко Л.В. Несущая способность железобетонной стены в зоне действия местной нагрузки при наличии дефекта //Вестник ДГАСА, вып.2000-1(21), Макеевка, ДГАСА, 2000. –С.110-112.

6 Стеблянко Л.В. Результаты экспериментальных исследований стен железобетонных башенных сооружений при наличии в них дефектов //Современные проблемы строительства: Сб. статей, Донецкий ПСНИИП, 2000. –С.168-170.

7 Левин В.М., Стеблянко Л.В. Прочность несущих стен железобетонных сооружений при наличии дефектов и повреждений //Вестник ДГАСА, вып.2001-1(27), Макеевка, ДГАСА, 2001. –С.50-55

Особистий внесок автора в цих публікаціях:

У статті [2] виявлена залежність ступеня ослаблення на напружено-деформований стан стіни, у [3] отримані дані про вплив швидкості зведення на рівень перерозподілу напружень із бетону на арматуру, у [4] виконана апроксимація параметрів деформаційної теорії пластичності від відносного рівня деформацій і у статті [7] сформульовані пропозиції щодо модифікації залежності параметрів спадної гілки від напрямку променя навантаження і похідної головної деформації, а також зроблений висновок про інваріантність відносних напружень від відносного рівня деформацій.

АНОТАЦІЯ

Стеблянко Леонід Володимирович. Міцність несучих стін залізобетонних баштових споруд при наявності дефектів та пошкоджень. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового степеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2001.

У роботі вирішена актуальна задача розробки методики розрахунку несучих стін залізобетонних баштових споруд при наявності дефектів і пошкоджень. Визначено розрахункові схеми, обрані й удосконалені моделі деформування бетону, арматури і залізобетону з умовами їх міцності; теоретично вивчена роль режиму навантаження, що включає тривалі і короткочасні стадії у визначенні міцності несучих стін.

Виконано експериментальну перевірку запропонованої математичної моделі деформування баштової споруди. За дослідні зразки прийняті моделі-фрагменти стін, що мають дефекти в зоні місцевого навантаження чи прорізу.

Шляхом чисельного аналізу математичної моделі отримані дані про характер напружено-деформованого стану, залежності зниження несучої здатності дефектних стін від характеристик дефектів (пошкоджень) і швидкості зведення.

Дано рекомендації з розрахунку несучих стін залізобетонних баштових споруд, що мають дефекти або пошкодження. Результати роботи впроваджені при оцінці технічного стану ряду промислових споруд. Економічний ефект склав понад 100 тис. грн.

Ключові слова: моделі деформування бетону, залізобетонні баштові споруди, режим навантаження, повзучість, дефекти, пошкодження, математична модель деформування, несуча здатність.

Аннотация

Стеблянко Леонид Владимирович. Прочность несущих стен железобетонных башенных сооружений при наличии дефектов и повреждений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2001.

Работа посвящена решению задачи расчета прочности железобетонных башенных сооружений, ослабленных дефектами и повреждениями. Сформулированы особенности работы таких стен; причем некоторых из них (дефекты и повреждения) в этой части не исследовались. В тоже время, в зоне дефекта имеет место существенное возмущение полей деформаций, требующее их учета, как при выборе и корректировке существующих моделей деформирования материала и условий прочности, так и при реализации таких этапов расчета, как дискретизация рассчитываемой системы, учет армирования, выбор способов учета неупругих свойств материала, определение размеров фрагмента стены, для которого выполняется расчет и т.п.

Применительно к объектам исследования и методам их расчета развиты модели деформирования бетона и арматуры, и условия их прочности. Установлены условия выпучивания сжатых арматурных стержней пересекающих дефект.

На основе анализа особенностей деформирования стен, рассматриваемых сооружений, ослабленных дефектами и повреждениями, обоснована предложенная ранее математическая модель деформирования железобетонных сооружений.

Выполнена экспериментальная проверка достоверности предложенной модели на опытных образцах, представляющих собой модели-фрагменты несущих стен с расположением дефекта в зоне местных нагрузок и проемов. Эти образцы выполнены из железобетона. Сравнивались теоретические и экспериментальные данные: деформации, характер трещинообразования, величины разрушающих нагрузок. Сопоставление позволило установить, что модель адекватна железобетонной стене, загружаемой как распределенной, так и местной нагрузкой, при этом варьировались как размеры, так и расположение дефекта по отношению к источнику возмущения напряженно-деформированного состояния – проему или местной нагрузке (разница между экспериментальными и теоретическими результатами находится в пределах 5–16%).

Путем численного эксперимента, в процессе которого варьировались степень и характер дискретизации рассчитываемой области, способ описания арматуры в модели (дискретный, дисперсный), размеры выделяемого для расчета фрагмента, установлены условия, при которых анализ модели позволяет получить достаточно достоверные результаты.

Численный анализ процесса загружения математических моделей-фрагментов несущих железобетонных стен с дефектами позволил установить зависимости как местной прочности железобетонной стены с дефектами или повреждениями, так и параметров характеризующих ее напряженно-деформированное состояние, необходимых для расчета сооружения как консольного стержня, от характера и размеров и расположения этих дефектов и повреждений и от скорости возведения сооружения, которая обусловила формирование напряженного состояния на первом этапе. При этом получены простые расчетные формулы для определения местной прочности стен в случае расположения дефекта в зоне местной нагрузки, а также для коэффициентов концентрации и полноты эпюр нормальных напряжений в горизонтальном сечении (для расчета башенного сооружения как консольного стержня); даны также выражения для определения предельных условий в наиболее загруженной части стены. Для случая расположения дефекта под местной нагрузкой рассматривались различные значения относительной ширины дефекта, его расстояния от местной нагрузки, а также степень последующего коррозионного поражения обнаженной арматуры в дефекте (от полной сохранности стержней до их отсутствия в дефекте).

Для расположения дефекта в зоне проема выбрано наиболее опасное место его расположения (у угла проема). Варьировались ширина дефекта, скорости возведения, степень коррозионного повреждения арматуры в дефекте. Установлено, что влияние длительности первого этапа на напряжения в бетоне на прочность стены ограничено по величине, но напряжения в арматуре при этом изменяются существенно.

Разработаны рекомендации по расчету несущих стен железобетонных сооружений, включающие такие вопросы, как выбор расчетных схем (рекомендованы три варианта – пространственные сплошностенчатые системы – складки или оболочки; консольный стержень с уточненной схемой работы ослабленного сечения; участок стены между местной нагрузкой и дефектом, рассчитываемой по простым формулам), выбор моделей деформирования материалов и их параметров, дискретизация расчетных схем, выбор методов расчета неупругих систем для анализа напряженно-деформированного несущих стен при наличии дефектов и повреждений, назначение параметров эпюр нормальных напряжений в горизонтальном сечении ослабленном дефектом или повреждением расчет стен между местной нагрузкой и дефектом по простым формулам.

Ключевые слова: модели деформирования бетона, железобетонные башенные сооружения, режим загружения, ползучесть, дефекты, повреждения, математическая модель деформирования, несущая способность.

Abstract

Steblyanko L.V. The Durability of the bearing walls of reinforced concrete tower having any defects and damages. –Manuscript

The Thesis for Engineering Sciences Candidate's Degree Competition Speciality 05.23.01 – Engineering Structures, Buildings and Constructions. – The Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2001.

In this very work, the actual task of working out the technique of calculation of bearing walls of reinforced concrete tower constructions having defects and damages is solved. Certain calculated schemes are defined, the models of deformation of concrete, armature and reinforced concrete upon the condition of their creep are chosen and improved; the mall mode of operation of the feeding including long stages and the ones of short duration in defending of the creep of bearing walls are also theoretically studied.

The experimental verification of the offered mathematical model of tower construction's deformation is fulfilled. For examples the models – fragments of the walls in which any defect takes place in the zone of local working load or aperture are used.

By means of the numeric analysis of the mathematical model the information about the character of the strained state and the dependence of reducing of bearing capacity of imperfect walls on the characteristics of the defects (damages) and the speed of erecting is got.

The recommendations in accordance with the calculation of bearing walls of reinforced concrete tower constructions having defects or damages are given.

Key words: the models of concrete's deformation, reinforced concrete tower constructions, the models of operation of feeding, defects, damages, the mathematical model of deformation, bearing capacity.