НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ“

ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

СУНАК ПАВЛО ОЛЕГОВИЧ

УДК 624.012.48.089

ОЦІНЮВАННЯ НАДІЙНОСТІ

СТАЛЕФІБРОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ

05.23.01 – Будівельні конструкції будівлі і споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛЬВІВ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислового і цивільного будівництва Луцького державного технічного університету Міністерства освіти і науки Украіни.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних і кам’яних конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дорофєєв Віталій Степанович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри залізобетонних і кам’яних конструкцій;

кандидат технічних наук Білозір В.В., Львівський державний аграрний університет, доцент кафедри будівельних конструкцій .

Провідна установа: Полтавський державний технічний університет ім. Ю. Кондратюка Міністерства освіти і науки України (кафедра конструкцій з металу, дерева і пластмас).

Захист відбудеться 21 червня 2001р. о 1000 год. на засіданні соціалізованої вченої ради К35.052.11 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою:

79646, м.Львів-13, вул. С.Бандери,12 головний корпус.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою:

79646, м.Львів-13, вул. Професорська,1.

Автореферат розісланий 20 травня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат архітектури, доцент М.В.Бевз

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення надійності будівель і споруд – одна з найважливіших проблем будівельної науки. Це зумовлюється двома основними причинами. По-перше, системи надзвичайно поскладнішали (сучасні споруди можуть мати багато елементів із складним характером взаємодії як між собою так і з навколишнім середовищем) і, по-друге, багато будівель і споруд мають особливу цінність у національних і навіть загальнолюдських масштабах (унікальні споруди, великі атомні, теплові та гідроенергетичні станції, мережі найбільших енергосистем тощо), порушення функціонування яких може призвести до великих матеріальних втрат.

За нинішніх умов основними напрямами прогресу у будівництві є пошук найбільш ефективних матеріалів для нового будівництва, ремонту, підсилення або відновлення несучих залізобетонних конструкцій будівель і споруд.

Сучасні наукові досягнення теорії міцності показують, що висока конструктивна ефективність будівельного матеріалу може бути реалізована за рахунок композиту з декількох матеріалів, кожен з яких, маючи свої переваги, надає утвореному на їх основі композитному матеріалові комплекс необхідних властивостей.

Як відомо, основним недоліком найпоширенішого будівельного матеріалу – бетону різних видів та модифікацій є його низька міцність на розтяг, і, як результат, низька тріщиностійкість.

Покращити експлуатаційні властивості бетону можна за рахунок армування його хаотично розташованими короткими відрізками сталевого дроту. Отриманий таким чином композитний матеріал називають сталефібробетоном.

Сталефібробетон з точки зору статистичних досліджень вивчений недостатньо:

§ немає узагальнених статистичних даних про властивості сталефібробетону і його складових частин;

§ практично не досліджена надійність конструкцій, виготовлених з застосуванням сталефібробетону;

§ не розроблені методи розрахунку сталефібробетонних елементів з точки зору їх надійності;

§ не проаналізована та не узагальнена надійність підсилення залізобетонних елементів сталефібробетоном.

Таким чином дослідження статистичних властивостей сталефібробетону та надійності конструкцій, виготовлених з нього, є актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана в рамках досліджень кафедри промислового та цивільного будівництва Луцького державного технічного університету та держбюджетної теми №39-ДБ “Підвищення надійності будівель і споруд” Міносвіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Основна мета роботи – визначити статистичну забезпеченість матеріалів, що використовують для виготовлення сталефібробетону, і запропонувати методи для розрахунку на надійність сталефібробетонних конструкцій, що працюють на розтяг, стиск та згин.

Постановленій меті відповідають такі основні завдання дослідження:

§ на основі експериментальних даних, отриманих різними авторами, проаналізувати і узагальнити статистичні характеристики фізико-механічних властивостей матеріалів: дрібнозернистого бетону, сталевої фібри, сталефібробетону;

§ визначити надійність розрахункового апарату діючих рекомендацій для розрахунку сталефібробетонних конструкцій;

§ запропонувати методи для розрахунку на надійність сталефібробетонних елементів, що працюють на розтяг, стиск та згин;

§ дати пропозиції щодо оцінювання надійності залізобетонних згинальних елементів, підсилених шаром сталефібробетону.

Наукова новизна одержаних результатів:

§ вперше узагальнено статистичні характеристики фізико-механічних властивостей матеріалів: кубикової та призмової міцностей дрібнозернистого бетону, міцності сталефібробетону на стиск, розтяг, його початкового модуля пружності і граничної стискуваності, а також статистичні характеристики фізико-механічних властивостей сталевої фібри;

§ оцінено вплив різних факторів та їхніх сполучень на мінливість властивостей сталефібробетону;

§ розроблено методи визначення параметрів надійності сталефібробетонних елементів за несучою здатністю;

§ встановлено вплив мінливості початкових даних на надійність розрахункових формул і несучої здатності елементів зі сталефібробетону;

§ визначено надійність залізобетонних елементів, підсилених сталефібробетоном.

Достовірність отриманих результатів забезпечується рішенням поставленої задачі з використанням великого масиву наявних експериментально-теоретичних досліджень та використанням апробованих сучасних імовірнісно-статистичних методів аналізу напружено-деформованого стану роботи сталефібробетонних конструкцій і методів розрахунку конструкцій, сучасних нормативних документів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості проектування сталефібробетонних конструкцій з урахуванням заданих показників надійності і довговічності. Співставлення результатів розрахунку за пропонованою методикою з методикою діючих норм показує, що впровадження розрахунку з урахуванням статистичних властивостей матеріалів дозволяє досягти певної економії на стадіях виготовлення і експлуатації сталефібробетонних конструкцій.

Результати роботи використовуються у навчальному процесі та планується впровадити в державні норми з проектування сталефібробетонних конструкцій.

Особистий внесок здобувача. Проведено аналіз і узагальнення фізико-механічних характеристик сталефібробетону. Розроблена методика оцінювання надійності за міцністю сталефібробетонних, комбіновано армованих і підсилених шаром сталефібробетону конструкцій, що працюють на стиск, розтяг та згин.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації оприлюднені на науково-технічних конференціях в ЛДТУ(1998, 1999, 2000 рр, м. Луцьк), РДТУ (1999 р., м. Рівне), на науковому симпозіумі “Сучасні проблеми інженерної механіки” в ЛДТУ (2000 р., м. Луцьк), на науково-практичних конференціях у КНУБА (1999, 2000 рр., м. Київ).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано шість статей у збірниках наукових праць.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку використаних літературних джерел із 118 найменувань і додатків. Загальний об’єм дисертації складає 154 сторінки, в тому числі 134 основного тексту, 24 таблиці, 41 рисунок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть і стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, викладені мета, основні завдання дослідження, наукова новизна та практична цінність.

В першому розділі перераховані основні галузі застосування сталефібробетону. Сталефібробетон доцільно використовувати для тонкостінних конструкцій покриттів, для стінових огороджувальних елементів, для елементів, які працюють в умовах об’ємного напружено-деформованого стану, в попередньо напружених конструкціях з метою підвищення анкерування арматури, в інженерних спорудах (днища резервуарів, водовідвідні лотки тощо), для підлог виробничих будівель, дорожніх та аеродромних покриттів, в палях і фундаментах під технологічне обладнання, в атомних і теплових електростанціях для захисних екранів, хвилерізів та набережних, при підсиленні конструкцій тощо.

Проаналізовані праці вчених, які присвячені експериментальному вивченню роботи сталефібробетонних елементів і конструкцій та дослідженню міцнісних і деформативних характеристик сталефібробетону.

Значний внесок в дослідження сталефібробетону зробили Д.С.Аболіньш, В.В.Білозір, П.І.Васильєв, І.В.Волков, Г.В.Гетун, В.М.Косарєв, О.П.Крічевський, С.О.Крічевський, Б.О.Крилов, А.Н.Куліков, Л.Г.Курбатов, Г.Є.Лагутіна, Є.Ф.Лисенко, Є.І.Митрофанов, А.П.Павлов, С.М.Панарін, Ф.Н.Рабінович, В.Рамачадран, А.В.Сакварелідзе, В.І.Соломін, А.В.Сопільняк, Г.Г.Степанова, О.П.Сунак, Н.Г.Тхань, Р.О.Ейзеншмідт, Батсон, Дж. Бодуен, І.Еджингтон, Ромуальді, Р.Н.Свемі, Д.І.Ханант.

З аналізу випливає, що міцнісні та деформативні характеристики важкого бетону та арматури є і вони систематизовані. Натомість даних про фізико-механічні властивості дрібнозернистого бетону, сталевої фібри і сталефібробетону набагато менше, хоча їх накопичено в достатній кількості і вони можуть бути узагальнені та використані для статистичних досліджень.

В першому розділі розглянуто основні методи оцінювання надійності сталефібробетонних конструкцій. Вони дають можливість впроваджувати у практику проектування, будівництва та експлуатації конструкцій методи теорії ймовірностей, математичної статистики і теорії випадкових процесів.

Значний внесок в розробку методів теорії надійності будівельних конструкцій зробили В.А.Балдін, А.Я.Барашиков, Б.І.Бєляєв, В.В.Болотін, А.П.Буличьов, О.О.Гвоздєв, А.В.Геммерлінг, І.І.Гольденблат, М.М.Застава, В.М.Кєлдиш, В.А.Клєвцов, М.Б.Краковський, А.П.Кудзіс, О.С.Личьов, С.Ф.Пічугін, Д.М.Подольський, В.Д.Райзер, О.Р.Ржаніцин, М.М.Складнєв, Б.І.Снаркіс, В.В.Судаков, Ю.Д.Сухов К.Е.Таль, В.П.Чірков та інші. Вивченню змінюваності навантажень і впливів у часі присвячені роботи А.П.Буличьова, Р.І.Кінаша, В.А.Пашинського, А.В.Перельмутера, В.П.Чіркова та інших.

Надійність сталефібробетонних конструкцій до цього часу практично не розглянута. Отже виникає багато питань як з точки зору надійності самих конструкцій так і з точки зору надійності розрахункових формул.

У другому розділі наведені результати статистичних досліджень фізико-механічних характеристик матеріалів: дрібнозернистого бетону, сталевої фібри, сталефібробетону, а також проаналізовані фактори, які впливають на змінюваність властивостей цих матеріалів.

На основі великого масиву експериментальних даних визначено коефіцієнт варіації призмової міцності бетону, встановлено вплив віку і розмірів зразка на змінюваність міцності і початкового модуля пружності, визначено співвідношення міцності бетону при стисканні і розтяганні. Для фібрової арматури досліджені коефіцієнти варіації межі текучості і початкового модуля пружності. На основі узагальнення дослідних даних наведені коефіцієнти варіації кубикової та призмової міцностей і початкового модуля пружності сталефібробетону.

За результатами точкового оцінювання експериментальних даних на рис.1 побудовано діаграму залежності коефіцієнта варіації призмової міцності сталефібробетону від класу бетону матриці.

Узагальнення наявних експериментальних даних дозволило визначити деформативні властивості сталефібробетону: модуль деформації, та граничну стискуваність.

При дослідженні змінюваності початкового модуля пружності зроблено статистичне оцінювання експериментальних даних початкового модуля пружності сталефібробетону.

Для прикладу на рис.2 наведені результати статистичної оцінки модуля пружності зразків сталефібробетону. При класі бетону матриці В20, діаметрі фібр =0,5 мм, об’ємному відсоткові армування =2%, середньому значенні початкового модуля пружності сталефібробетону =24638,87 МПа коефіцієнт варіації становить VEsfb=10,9%. З рис. 2 видно, що розподіл початкового модуля пружності може бути прийнятий нормальним.

В третьому розділі наведені результати оцінювання надійності за міцністю стиснутих і розтягнутих сталефібробетонних елементів.

Несучу здатність стиснутого елемента визначають за формулою

, (1)

де для дрібнозернистого бетону дорівнює 1; Rsfb – міцність сталефібробетону на стиск, що обчислюється за формулами:

, (2)

, (3)

де Rb – розрахунковий опір бетону матриці на стиск; kп – коефіцієнт, що враховує роботу фібр в перерізі, перпендикулярному до напрямку зовнішньої стискаючої сили ; f – коефіцієнт об’ємного фібрового армування; Rf – розрахунковий опір фібр розтяганню; Asfbc – площа стиснутої зони сталефібробетону, яку для елементів прямокутного, таврового і двотаврового поперечного перерізу визначають за залежністю

. (4)

Оцінку надійності проводили двома методами: методом статистичного моделювання (Монте–Карло) та методом статистичної лінеаризації.

Для оцінки надійності за методом Монте – Карло позацентрово стиснутих елементів, що працюють з малими ексцентриситетами, були використані два способи визначення впливу мінливості міцності і модуля пружності сталефібробетону. У першому випадку випадковими величинами приймали значення Rsfb, Esfb і сталефібробетон вважали однорідним композитним матеріалом. В другому – значення Rsfb та Esfb визначали в залежності від складових характеристик Rb, Rf та R.

Для переходу від рівномірного до нормального розподілу використана залежність

. (5)

В чисельному статистичному експерименті розглянуто прямокутний сталефібробетонний елемент із співвідношенням сторін b : h як 3 : 5, армований фібрами з маловуглецевого дроту (lf = 50 мм, df = 0,5 мм). Значення прийнято рінвим 0,1 м. Оскільки сталефібробетонні елементи частіше виготовляють невеликої довжини, в експерименті не враховано вплив прогину на ексцентриситет поздовжньої сили. Величину прийнято детермінованою і рівною 1. Таким чином до випадкових величин віднесено лише опір сталефібробетону на стиск, який обчислювали, як було зазначено вище, двома способами. Надійність визначали при різних значеннях класів бетону матриці, відсотку фібрового армування і коефіцієнтів варіації випадкових величин. На рис. 3 зображена залежність надійності від відсотку фібрового армування.

Аналогічні залежності отримані для класів бетону матриці В20 та В30.

Розходження результатів оцінки між першим випадком, коли сталефібробетон представлений як однорідний матеріал з міцністю і другим, коли його міцність розглянуто в залежності від складових Rb, Rf, які мають свою власну мінливість, при класі бетону матриці В10, В20 і В30 невелике. Цей висновок дає змогу при відсутності даних про змінюваність фізико-механічних властивостей сталефібробетону обчислити надійність сталефібробетонного стиснутого елементу, розглянувши сталефібробетон не як однорідний матеріал, а в залежності від мінливості властивостей складових компонентів: матриці і сталевих фібр.

Із збільшенням відсотку фібрового армування і класу бетону матриці спостерігається поступове зростання надійності. Більший вплив на підвищення надійності має клас бетону матриці. Так, наприклад, із зміною відсотку фібрового армування від 0,5% до 3,5% за об’ємом при класі бетону матриці В10 надійність зростає в середньому від 0,988799 до 0,989101 у першому випадку, коли сталефібробетон розглядають як однорідний матеріал, і від 0,988809 до 0,989899 у другому, коли сталефібробетон розглядають в залежності від складових компонентів.

Встановлено, що для елементів, що працюють на стискання, характерна найбільша надійність при класі бетону матриці В30 і відсотку фібрового армування 3,5 % за об’ємом і найменша – при класі бетону матриці В10 і відсотку фібрового армування 0,5 % за об’ємом.

Перевірена можливість застосування методу статистичної лінеаризації при розрахунку надійності сталефібробетонних елементів. Для цього наведені розрахунки надійності елементів, що працюють на стискання і розтягання методом статистичної лінеаризації і порівняні з результатами, отриманими методом Монте – Карло. Для реалізації методу лінеаризації при визначенні надійності стиснутих елементів випадковими величинами з нормальними законами розподілу ймовірностей вважали Rsfb, Еsfb. Як детерміновані величини прийняті геометричні характеристики поперечного перерізу елемента, а також початковий ексцентриситет .

Лінеаризуємо функцію міцності Nu(Rsfb, Esfb), розклавши її в ряд Тейлора в точці m середніх випадкових аргументів, , утримуючи при цьому два члени ряду:

, (6)

де– значення похідних функції в точці m.

Середнє значення та дисперсія несучої здатності:

; (7)

. (8)

Оцінка надійності проводиться за формулою

, (9)

де

. (10)

Характеристика безпеки

, (11)

де– середнє значення та дисперсія поздовжньої сили, що діє в перерізі елемента від зовнішнього навантаження; – середнє значення та дисперсія несучої здатності елемента.

В результаті проведених обчислень отримані аналогічні результати як і при розрахунку за методом Монте-Карло. Так, наприклад, із зміною відсотку фібрового армування від 0,5% до 3,5% за об’ємом при класі бетону матриці В10 надійність зростає в середньому від 0,986899 до 0,989011.

Аналогічним способом була перевірена надійність сталефібробетонних елементів, що працюють на розтяг.

У четвертому розділі досліджено надійність за міцністю сталефібробетонних і комбіновано армованих елементів, що працюють на згинання.

В момент втрати несучої здатності згинального елемента виникають граничні деформації. Із збільшенням відсотка фібрового армування і зменшенням діаметра фібр існує тенденція щодо збільшення граничної стискуваності сталефібробетону. Внаслідок недостатньої кількості експериментальних даних про змінюваність граничної стискуваності сталефібробетону в залежності від класу бетону і відсотку армування на першому етапі статистичних досліджень було прийняте рішення визначити граничну стискуваність сталефібробетону за допомогою коефіцієнта, який інтегрально відображає підвищення цієї характеристики сталефібробетону у порівнянні з важким бетоном. В результаті статистичного дослідження усіх наявних даних (рис.4) отримано середнє значення при коефіцієнті варіації %. Нормальність розподілу перевірено обчисленням асиметрії та ексцесу а також за критерієм Пірсона при кількості накладених зв’язків 6 і ступенів свободи 3.

Перевірена надійність двох методів розрахунку міцності згинальних елементів. Перший метод оснований на визначенні граничної висоти стиснутої зони за формулою

. (12)

Для другого методу використана відома формула Б. Г. Скрамтаєва з урахуванням граничної стискуваності сталефібробетону

. (13)

Рівень достовірності вище згаданих методик розрахунку сталефібробетонних елементів визначили, провівши оцінку надійності розрахункових формул (12) і (13).

Розрахунок надійності виконаний за таким алгоритмом:

1.За результатами експериментальних випробувань зразків-близнюків обчислюють середні значення міцності сталефібробетонних балок та їх середньоквадратичні відхилення, тобто величини та.

2.За результатами випробувань зразків матеріалів визначають середні значення та і середньоквадратичні відхилення та міцності сталефібробетону на стиск і на розтяг. Геометричні розміри балок і були прийняті величинами детермінованими.

3.Знаходять значення міцностей сталефібробетону із забезпеченістю 0,9986 за формулами:

, (14)

. (15)

4.Обчислюють несучу здатність та сталефібробетонної балки почергово за першою і за другою з поданих вище методик за формулами (12) і (13).

5. Визначають надійність за формулами:

; (16)

. (17)

Надійність за міцністю дослідних балок вважається достатньою, якщо виконується умова або .

За результатами досліджень виявлено, що другий метод розрахунку при коефіцієнтах варіації для в межах 15...17% (тобто у реальних умовах виробництва) є більш достовірним.

Розглянуто надійність методики розрахунку комбіновано-армованих елементів.

В результаті аналізу залежності деформацій в арматурі від відносної висоти стиснутої зони сталефібробетону отримано формулу для обчислення граничної висоти стиснутої зони сталефібробетону, з урахуванням граничної стискуваності сталефібробетону

. (18)

Ця залежність перевірена при застосуванні методів розрахунку надійності сталефібробетонних елементів, а також при порівнянні теоретичних і експериментальних результатів міцності комбіновано армованих сталефібробетонних балок.

В результаті оцінювання надійності комбіновано армованих згинальних елементів за несучою здатністю нормальних перерізів доведено достовірність прийнятого розрахункового апарату. Для ілюстрації результатів оцінювання надійності методом Монте-Карло на рис.5 подано гістограму розподілу несучої здатності, побудовану на ЕОМ, при кількості статистичних випробувань 30000. Обчислення проводились за формулою (5), в яку підставляли дані, отримані з дослідів Р.О.Ейзеншмідта: =3111,8 Нм, =497,9 Нм. Як видно з рис.5 отримане середнє значення несучої здатності сталефібробетонної балки =3109,4 Нм близьке до дослідного. Якщо за розрахункову величину прийняти =1617,8 Нм, тобто значення згинального моменту на відстані , яке відповідає забезпеченості розрахункових опорів, надійність складає 0,998621.

Отже при заданих мінливостях міцності сталефібробетону надійність сталефібробетонних балок відповідає вимогам діючих норм з умов міцності.

У п’ятому розділі дані пропозиції щодо оцінювання надійності за міцністю згинальних залізобетонних елементів, підсилених шаром сталефібробетону в розтягнутій зоні.

Для розрахунку міцності комплексного перерізу прийнято методику СниП 2.03.01-84. При цьому додатково враховують роботу сталефібробетону в стадії руйнування.

За цією методикою треба порівнювати відносну висоту стиснутої зони в стадії руйнування елемента з його граничною відносною висотою.

Умова міцності для перерізу залізобетонної балки, підсиленої сталефібробетоном, при за таких умов матиме вигляд:

. (18)

На теперішній час значення граничної висоти стиснутої зони залізобетонного елемента, підсиленого шаром сталефібробетону, експериментально не досліджено. Можна передбачити, що за рахунок підвищеної граничної деформативності сталефібробетону у розтягнутій зоні, висота стиснутої зони такого комплексного перерізу буде більшою за залізобетонного елемента, але меншою за сталефібробетонного. У першому наближенні пропонується приймати відносну граничну висоту стиснутої зони комплексного елемента, як середнє між значеннями і :

. (19)

Для перевірки придатності співвідношення (19) зроблено порівняння значень висоти стиснутої зони комплексного перерізу , обчисленої за формулою (19) з дослідним значенням . Аналіз показує, що теоретичні величини відносної висоти стиснутої зони комплексного перерізу, обчислені за (19), близькі до дослідного.

Для перевірки достовірності прийнятої методики розрахунку міцності проведено оцінку надійності згинальних залізобетонних елементів, підсилених сталефібробетоном, методом статистичної лінеаризації. При цьому використовувались наявні експериментальні дані по дослідженню балок. Середні значення міцнісних характеристик матеріалів, їх стандарти і коефіцієнти варіації отримано безпосередньо з дослідів.

Характеристику безпеки визначено за формулою (16) або (17)

В результаті проведених розрахунків встановлено, що надійність згинальних елементів відповідає встановленій нормативними документами.

ВИСНОВКИ

В результаті досліджень отримані такі основні висновки:

1. Найбільш суттєвими факторами, що впливають на змінюваність фізико-механічних властивостей сталефібробетону є вид і активність цементу, склад дрібнозернистого бетону, фізико-механічні властивості, об’єм, діаметр, довжина та характеристика поверхні сталевих фібр; інтенсивність прикладеного навантаження.

2. Встановлено, що при порівнянні бетонів однакових класів для дрібнозернистого бетону характерне дещо менше значення коефіцієнта варіації міцності на стиск ніж для крупнозернистого. За результатами досліджень отримано співвідношення коефіцієнтів варіації міцності бетонів на розтяг і стиск – . Коефіцієнт варіації початкового модуля пружності дрібнозернистого бетону є близьким до коефіцієнта варіації крупнозернистого бетону.

3. Коефіцієнт варіації призмової міцності сталефібробетону лежить в межах 7,2…18,4%; середнє значення VRsfb=12,2% є близьким до середнього значення коефіцієнта варіації призмової міцності дрібнозернистого бетону.

4. Фібровій арматурі як і стержньовій властива набагато менша змінюваність фізико-механічних властивостей у порівнянні з бетоном, яка в середньому становила =3,5%, =7,8%.

5. Аналіз результатів досліджень показав, що розсіювання багатьох параметрів, що визначають фізико-механічні властивості бетону, сталевої фібри і сталефібробетону, в більшості випадків може бути описано нормальним законом розподілу.

6. Встановлено, що при коефіцієнтах варіації вихідних параметрів менших за нормативні надійність позацентрово стиснутих сталефібробетонних елементів перевищує значення 0,9986 тільки при класах бетону матриці В20 і В30. При класі бетону матриці В10 вона є недостатньою.

7. Встановлено, що розтягнуті сталефібробетонні елементи у порівнянні із стиснутими мають значно нижчу надійність – від 0,957573 до 0,999394, залежно від класу бетону матриці і відсотку фібрового армування та мінливості міцнісних характеристик сталефібробетону. При коефіцієнтах варіації вихідних параметрів більших за 12% прийняті розрахункові формули треба використовувати досить обережно, внаслідок того, що надійність розтягнутих сталефібробетонних елементів не відповідає нормам, щодо забезпеченості розрахункових опорів.

8.Статистичні характеристики фізико-механічних властивостей сталефібробетону можуть бути обчислені двома способами. В першому – розглядають як однорідний композитний матеріал. У другому способі параметри сталефібробетону обчислюють в залежності від статистичних властивостей складових частин: матриці і сталевих фібр. Аналіз показав, що обидва способи практично рівноцінні. Таким чином при відсутності даних про змінюваність фізико-механічних властивостей сталефібробетону можна обчислити надійність стиснутих і розтягнутих сталефібробетонних елементів, розглянувши його в залежності від мінливості властивостей складових компонентів: матриці і сталевих фібр.

9.Надійність за міцністю стиснутих і розтягнутих сталефібробетонних елементів зростає із збільшенням класу бетону матриці і відсотку фібрового армування, причому більший вплив на підвищення надійності має клас бетону матриці.

Встановлено, що для оцінювання надійності стиснутих і розтягнутих сталефібробетонних елементів можна застосовувати метод статистичної лінеаризації.

10. Досліджено надійність нормальних перерізів згинальних сталефібробетонних елементів за міцністю, яка була обчислена двома способами. У першому способі використана формула міцності, отримана з рівняння рівноваги сталефібробетонного елемента. Другий спосіб розрахунку виходить з відомої формули Б.Г.Скрамтаєва для згинальних бетонних елементів з урахуванням пластичних деформацій бетону та граничної стискуваності сталефібробетону. За результатами досліджень виявлено, що другий спосіб розрахунку при коефіцієнтах варіації для в межах 15...17% (тобто у реальних умовах виробництва) є більш достовірним.

11. Розглянуто надійність комбіновано армованих згинальних елементів. В результаті проведених розрахунків встановлено, що міцність нормальних перерізів комбіновано армованих сталефібробетонних елементів прямокутного поперечного перерізу з одиночною арматурою має достатню надійність. При розрахунках на надійність можна використовувати статистичні дані, визначені окремо для дрібнозернистого бетону і фібрової арматури. А прийняту методику розрахунку міцності нормальних перерізів комбіновано армованих згинальних елементів можна вважати досить достовірною.

12. Встановлено, що при розрахунку міцності залізобетонних згинальних елементів, підсилених шаром сталефібробетону в розтягнутій зоні, може бути прийнята методика СниП 2.03.01-84. При цьому значення граничної висоти комплексного перерізу може бути визначено як середнє значення між висотою стиснутої зони залізобетонного і сталефібробетонного перерізів.

В результаті оцінювання надійності міцності нормальних перерізів залізобетонних балок, підсилених сталефібробетоном, методом статистичної лінеаризації встановлено, що залізобетонні балки, підсилені сталефібробетоном, при навіть відносно великих коефіцієнтах варіації матеріалів (до 20%), мають достатню надійність.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Барашиков А.Я. Сунак. П.О. Залежності деформацій в арматурі від відносної висоти стиснутої зони сталефібробетону // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наукових праць. – Рівне: РДТУ, 2000. Вип..5. – с.117-121

2. Сунак П.О. Оцінка надійності сталефібробетонних елементів, що працюють на стискання // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наукових праць. – Рівне: РДТУ, 1999. Вип.2. – с.162-166.

3. Сунак П.О. Оцінка надійності сталефібробетонних елементів, що працюють на згинання // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наукових праць. – Рівне: РДТУ, 2000. Вип.4.– с.255-258.

4. Сунак П.О. Оцінка надійності сталефібробетонних елементів, що працюють на згинання, підсилених сталефібробетоном // Науково-практичні проблеми моделювання та прогнозування надзвичайних ситуацій. Зб. наукових статей. – К.: МНС України, КНУБА, 1999. Вип.2.– с.171-175.

5. Сунак П.О.Оцінка надійності сталефібробетонних елементів, що працюють на згинання // Теорія і практика будівництва. Зб. наукових праць. – Львів: Львівська політехніка, 1998. Вип. 360. – с.235-241.

6. Сунак О.П., Сунак П.О. Предел применимости метода статистической линеаризации для оценки надежности сталефибробетонных элементов // Новые конкурентоспособные и прогрессивные технологии, машины и механизмы в условиях современного рынка. Материалы международной научно-технической конференции. – Могилев: ММИ, 2000. – с.355.

Анотація

Сунак П.О. Оцінювання надійності сталефібробетонних 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, 2000.

В дисертації викладені основні теоретичні дослідження щодо статистичної забезпеченості матеріалів – дрібнозернистого бетону, сталевої фібри, сталефібробетону. Визначена надійність розрахункового апарату діючих рекомендацій стосовно розрахунку сталефібробетонних конструкцій. Запропоновані статистичні методи для розрахунку сталефібробетонних елементів, що працюють на розтяг, стиск та згин. В результаті проведених досліджень визначений вплив різних факторів та їхніх сполучень на мінливість властивостей сталефібробетону, а також встановлений вплив мінливості початкових даних на надійність розрахункових формул і несучої здатності елементів зі сталефібробетону. Дані пропозиції щодо оцінювання надійності залізобетонних згинальних елементів, підсилених шаром сталефібробетону.

Ключові слова: дрібнозернистий бетон, сталева фібра, сталефібробетон, надійність, статистична забезпеченість матеріалів, сталефібробетонний елемент, розтяг, стиск, згин.

Аннотация

Сунак П.О. Оценка надежности сталефибробетонных элементов. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2000.

В диссертации изложены основные теоретические исследования по статистической обеспеченности материалов – мелкозернистого бетона, стальной фибры, сталефибробетона. Для сталефибробетона определено влияние фибрового армирования и класса бетона матрицы на изменчивость призменной и кубиковой прочности, исследована изменчивость предельной сжимаемости и начального модуля упругости, получены коэффициенты вариации призменной и кубиковой прочности. Выведен коэффициент перехода от предельной сжимаемости бетона к предельной сжимаемости сталефибробетона. Установлен ряд факторов, которые влияют на изменчивость физико-механических характеристик сталефибробетона. На основе экспериментальных данных исследователей для бетона определен коэффициент вариации призменной прочности, установлено влияние возраста и размеров образца на изменяемость прочности и начального модуля упругости, определены соотношения прочности бетона при сжатии и растяжении. Для фибровой арматуры определены коэффициенты вариации границы текучести и начального модуля упругости. Предложены статистические методы для расчета сталефибробетонных элементов, которые работают на растяжение, сжатие и изгиб. В результате проведенных исследований установлено влияние изменчивости начальных данных на надежность расчетных формул и несущей способности элементов из сталефибробетона. Так для сжатых и растянутых сталефибробетонных элементов определена надежность в зависимости от изменчивости призменной прочности и прочности на растяжение. Проведена оценка надежности сжатых и растянутых сталефибробетонных элементов методом Монте-Карло. Проверена возможность применения метода статистической линеаризации для сталефибробетонных элементов. Для этого приведены расчеты надежности сталефибробетонных элементов, которые работают на сжатие и растяжение, методом статистической линеаризации и сопоставлены с результатами, полученными методом Монте-Карло.

Предложено две методики расчета сталефибробетонных элементов, которые работают на изгиб. Первая методика основана на определении предельной высоты сжатой зоны, вторая на основе формулы Скрамтаева, в которую введен коэффициент перехода от предельной сжимаемости бетона к предельной сжимаемости сталефибробетона. Уровень достоверности выше упомянутых методик расчета сталефибробетонных элементов определен путем оценивания надежности расчетных формул методик расчета.

Получена формула для вычисления предельной высоты сжатой зоны сталефибробетона, при которой напряжения в арматуре достигают предела текучести. Предусмотрена проверка этой зависимости при проведении расчета надежности сталефибробетонных элементов, а также при сравнении теоретических и экспериментальных результатов прочности комбинировано армированных сталефибробетонных балок.

В результате оценивания надежности комбинировано армированных изгибаемых элементов по несущей способности нормальных сечений доказана достоверность принятого расчетного аппарата.

Разработаны алгоритмы оценивания надежности сталефибробетонных и комбинировано армированных элементов.

Определена надежность расчетного аппарата действующих рекомендаций по расчету сталефибробетонных конструкций. Даны предложения по оцениванию надежности железобетонных изгибаемых элементов, усиленных слоем сталефибробетона.

Ключевые слова: мелкозернистый бетон, стальная фибра, сталефибробетон, надежность, статистическая обеспеченность материалов, сталефибробетонный элемент, растяжение, сжатие, сгиб.

Summary

Sunak P.O. Estimation of reliability of steel fibrous concrete elements. – Manuscript.

Thesis for a candidates degree by speciality 05.23.01 – building constructions, buildings and structures. The National University “Lvivska Polytechnika”, Lviv, 2000.

Basic theoretical investigations of statistic provision of materials fine (aggregate) concrete, steel fibre, steel fibrous concrete are set forth. The reliability of calculation method of working recommendations of steel fibrous concrete structures calculation determined. Statistic methods for calculation of steel fibrous concrete elements working under tension, compression and bending are given. As a result of investigations that were carried out influence of different factors and their combinations on changeability of steel fibrous concrete properties was determined . It is also established that changeability of primordial data influences on reliability of calculation for mulae and load – carrying ability of steel fibrous concrete elements. Suggestions as to estimation of reliability of reinforced concrete bending elements reinforced with a steel fibrous concrete layer are given.

Key words: fine (aggrigate) concrete, steel fibre, steel fibrous concrete, reliability, statistic provision of materials, steel fibrous concrete element, tension, compression, bending.