НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ГРИГОРЧУК АНДРІЙ БОРИСОВИЧ

УДК 624.012

ВПЛИВ ЗНАКОЗМІННИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА МІЦНІСТЬ НОРМАЛЬНИХ

ПЕРЕРІЗІВ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ЗГИНАЮТЬСЯ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛЬВІВ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент МАСЮК Григорій Харитонович, Рівненський державний технічний університет, професор кафедри інженерних конструкцій.

Офіційні опоненти - Доктор технічних наук, професор ГНІДЕЦЬ Богдан Григорович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри будівельних конструкційї та мостів;

Кандидат технічних наук, доцент ЖУРАВСЬКИЙ Олександр Дмитрович, Київський національний університет будівництва та архітектури, доцент кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій.

Провідна установа - Полтавський державний технічний університет ім. Ю.Кондратюка, кафедра залізобетонних та кам’яних конструкцій Міністерства освіти і науки України (м.Полтава).

Захист відбудеться “22“ травня 2002р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К35.052.11 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою:

79646, м. Львів, вул.С.Бандери,12, головний корпус, ауд. 226.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79646, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “16” квітня 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат архітектури, доцент М.В.Бевз

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Теорія бетону та залізобетону, як прикладна наука, постійно розвивається. Будівельні норми та правила з проектування конструкцій базуються на певному етапі розвитку теорії їхнього розрахунку та постійно переглядаються з накопиченням нових теоретичних та практичних досліджень. Важливим також є питання максимального використання потенційних можливостей бетону щодо його міцнісних та деформативних характеристик.

Існуючі методи розрахунків залізобетонних конструкцій не в повній мірі враховують дійсну їхню роботу. Тому все більше практичне значення мають питання дослідження розвитку напружено-деформативного стану, деструкції, міцності бетону при малоциклових та багатоциклових знакозмінних зусиллях різної інтенсивності, адже ряд бетонних та залізобетонних конструкцій піддаються вищеназваним режимам завантаження (вітрові, сейсмічні, технологічні, вплив попереднього напруження та ін.). До таких конструкцій можна віднести: підкранові балки, багатопролітні нерозрізні балки перекриття будівель, колони крайнього ряду промислових будівель, опори ЛЕП, захисні оболонки АЕС, стійки потужних вітрогенераторних установок, елементи будівель в аварійних ситуаціях і т.д. Насамперед - при експлуатації конструкцій всі навантаження в тій чи іншій мірі є повторними, а певна їхня частина є знакозмінними з різною асиметрією циклу.

Вплив передісторії навантаження дозволяє більш раціонально проектувати бетонні та залізобетонні конструкції, забезпечуючи необхідну їхню міцність, жорсткість, тріщиностійкість і довговічність, а в окремих випадках дає можливість досягти економії матеріалу.

Діючі нормативні документи не враховують вплив передісторії завантаження на зміну фізико-механічних властивостей бетонів. Також норми не враховують реальну зміну напружено-деформованого стану, тріщиностійкості та міцності елементів, оскільки дане питання як теоретично так і експериментально не достатньо вивчене.

Також, на сучасному етапі досить актуальним є питання реконструкції існуючих споруд, і досить часто виникають ситуації коли необхідно змінити схему завантаження деяких конструкцій, при цьому змінюється напружено-деформований стан елементів конструкцій. Тому можливий випадок знакозмінного навантаження, коли зона, що була довгий час під навантаженням одного знаку, розвантажується, і завантажується навантаженням протилежного знаку. Інколи ми вимушені відмовлятись від експлуатації таких конструкцій, заміняючи їх на інші, що призводить до невиправданих матеріальних та фінансових витрат.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Виконані дослідження є одним із етапів комплексних досліджень, які виконуються на кафедрі інженерних конструкцій Рівненського державного технічного університету за темою “Дослідження роботи залізобетонних конструкцій, що працюють в умовах знакозмінних навантажень”. Робота виконувалась згідно досліджень кафедри за темою “Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних та залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи” (РК 0198U 002424), а також “Розробка теоретичних основ розрахунку статично-невизначених конструкцій з композиційних матеріалів при різних режимах навантажень” (0101 U 01892).

Мета й задачі досліджень. В дисертаційній роботі ставиться за мету встановити вплив одноциклових та малоциклових знакозмінних навантажень на міцність нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, розробити методику їхнього розрахунку з урахуванням встановлених впливів.

Для реалізації поставленої мети вирішувались такі задачі:

-

-

-

- дослідити зміну напружено–деформованого стану залізобетонних елементів при дії одноциклових та малоциклових знакозмінних навантажень різних рівнів;

-

Об’єкт дослідження: напружено-деформований стан залізобетонних згинних елементів при дії знакозмінних навантажень. Предмет дослідження: зміна міцнісних та деформативних характеристик матеріалів залізобетонних елементів в умовах знакозмінних навантажень. Методи дослідження: аналіз літературних джерел, теоретичні дослідження, експериментальні дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертації результати можуть використовуватись при проектуванні згинаних залізобетонних елементів, які піддаються в процесі експлуатації одноцикловим та малоцикловим знакозмінним навантаженням. Використання розробленої у дисертації методики дає можливість при проектуванні враховувати дійсні процеси, які відбуваються в бетоні, що підвищує їх надійність та раціональність використання матеріалів.

Матеріали дисертації використані при розробці рекомендацій “Вплив знакозмінного навантаження на роботу згинаних залізобетонних елементів”, та у кінцевому звіті по темі: “Розробка теоретичних основ розрахунку бетонних і залізобетонних конструкцій на малоциклові впливи” (РК 0198U 002424).

Особистий внесок здобувача. Особисто автором, в статтях опублікованих в співавторстві, виконано:

- стаття: “Задачі та методика експериментальних досліджень міцності та деформативності залізобетонних елементів, що знаходяться під дією знакозмінного навантаження” // Вісник Рівненського державного технічного університету: Збірник наукових праць. – Рівне. - 1999. – Вип. 2. – ч.3. - с. 51-54. – розробка методики проведення експерименту.

- стаття: “Міцність та деформативність залізобетонних елементів, що піддаються дії знакозмінного навантаження” // Збірник матеріалів конференції; ч.1 “Будівництво”.– Львів: в-во нац. університету “Львівська політехніка” – 2001. – С. 29-34.- проведення досліджень, обробка даних, побудова діаграм деформування, формулювання висновків.

- стаття: “Результати досліджень роботи залізобетонних елементів, що працюють в умовах одноциклового знакозмінного навантаження” // Галузеве машинобудування, будівництво. Збірник наукових праць. – Полтава. - 2000. – Вип. 6. – ч.2. –С. 119 - 122. – проведення експериментальних досліджень побудова графіків зміни несучої здатності та деформування, їх аналіз.

- стаття: “Залежність несучої здатності згинальних залізобетонних елементів від рівня одноциклового знакозмінного навантаження” // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць. - Рівне. - 2000. – Вип. 4. - С. 218-222. – проведення експериментальних досліджень, обробка експериментальних даних, побудова діаграм.

- стаття: “Напружено-деформованого стан нормальних перерізів згинальних залізобетонних елементів, що піддаються дії одноциклового знакозмінного навантаження” // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне. - 2001. – Вип. 6. - С. 191-197. – розробка теоретичних основ, побудова діаграм напружень.

- стаття: “Прочность изгибаемых железобетонных элементов при действии длительного знакопеременного нагружения” В сб.: Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке кадров республики Беларусь // Сб. трудов VII международного семинара. – Брест. - 2001. – С. 150-152. – проведення випробувань, обробка даних, побудова залежноостей.

- стаття: “Особливості деформування згинальних залізобетонних елементів при дії малоциклового знакозмінного навантаження” // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне. - 2000. – Вип. 5. - С. 206-211. – проведення експериментальних випробувань, обробка експериментальних даних, їх аналіз.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації доповідались і обговорювались на міжнародній науково-технічній конференції “Нові машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій, сучасні будівельні технології” в м. Полтава (2000 р.), VII міжнародному науково-методичному семінарі “Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке кадров республики Беларусь” в м. Брест (2001 р.), третій науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” в м. Рівне (2001 р.), на ІV науковій конференції “Актуальні проблеми будівництва та інженерії навколишнього середовища” в м. Львів (2001 р.), на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів РДТУ в м. Рівне (1999-2001 рр.)

Публікації. Основні положення дисертації викладені у 8 статтях у збірниках наукових праць, із них 6 у фахових виданнях

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаних джерел із 157 найменувань і двох додатків. Загальний об’єм роботи складає 164 сторінки, у тому числі 109 основного тексту, 12 таблиць, 64 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень роботи залізобетонних згинаних елементів, що працюють в умовах малоциклових знакозмінних навантажень різної інтенсивності, актуальність роботи, викладені мета і задачі досліджень, наукова новизна та практична цінність.

У першому розділі проаналізовані праці вітчизняних та зарубіжних вчених, які охоплюють теоретичні та експериментальні дослідження роботи бетонних і залізобетонних елементів, що працюють в умовах малоциклових знакозмінних навантажень, роботу згинаних залізобетонних елементів при тих же видах силових діянь.

Першим хто розпочав дослідження роботи елементів під дією знакозмінного навантаження був В.Я. Немировський який у 1949р. досліджував вплив знакозмінного навантаження на несучу здатність залізобетонних балок. Надалі, починаючи з 1961р., проблемою опору бетону дії знакозмінного навантаження систематично займався Макаренко Л.П. та його наукова школа: Є.М.Бабич, Г.А.Фенко, І.Д.Свинаренко, В.Н.Рубель, Н.М.Бітько, Г.Х.Масюк, А.В.Гергель, В.В.Масліченко та інші. Вперше ця проблема була винесена проф. Л.П.Макаренко за рекомендацією національної комісії ФІП на VII конгрес цієї міжнародної організації в 1974р. у Нью-Йорку. Після цього різним питанням цієї проблеми присвятили свої дослідження ряд інших авторів. Проблему опору бетону за дії знакозмінних навантажень експериментально вивчали В.В.Блінков, С.В.Александровський, В.Я.Багрій, П.І.Васильєв, А.Я.Барашиков та його наукова школа.

Проведені проф. Л.П.Макаренко експериментально-теоретичні дослідження на базі розробленої ним структурної теорії опору бетону силовому знакозмінному навантаженню показали, що причинами зміни фізико-механічних властивостей бетону при стиску і розтягу у вказаному режимі завантаження є: нелінійні швидкоплинні та тривалі деформації повзучості цементного гелю, складової частини розчину і самого бетону та часткова їх незворотність, перерозподіл зусиль між структурними складовими бетону, власний структурний напружено-деформований стан і деструктивні процеси (утворення і розвиток поздовжніх мікротріщин відриву при стиску та поперечних розвантажувальних мікротріщин розриву по цементному каменю при розвантаженні та наступному розтягу. Внаслідок цього, вказана зміна фізико-механічних властивостей бетону залежить від багатьох факторів, що впливають на повзучість бетону і його структуру: виду, складу і класу бетону, технології його виготовлення, умов навколишнього середовища, виду і режиму попереднього короткочасного або тривалого й наступного короткочасного навантаження, віку бетону з початку його завантаження і тривалості цього навантаження t-, рівня напружень і т.д. Основним із цих факторів, що визначають не лише кількісну, але і якісну зміну напружено-деформованого стану, що розглядаються, є вид силового навантаження та рівень напружень.

Роботі в умовах знакозмінних навантажень залізобетонних елементів, що зазнають згину присвятили свої роботи А.В.Войцеховський, А.М.Кокарєв, Л.П.Макаренко, Р.Х.Мирмухамедов, В.Я.Немировський, Н.В.Рубель, М.С.Торяник, В.П.Чайка,Т.Л.Чирва, та інші. У більшості робіт знакозмінне навантаження створювалось внаслідок попереднього натягування арматури, тобто проходило попереднє обтиснення нижньої зони, яка в подальшому зазнавала розтягу. У роботах А.В.Войцеховського та А.М.Кокарєва поряд із дослідженням впливу знакозмінного навантаження різної інтенсивності на роботу згинаних залізобетонних елементів досліджувались і бетонні призми за тих же режимів навантаження. Дослідники дійшли висновку, що діаграми деформування бетону, отримані в процесі випробувань бетонних та залізобетонних призм при одноцикловому знакозмінному навантаженні, практично співпадають із відповідними діаграмами деформування крайових волокон залізобетонних балок, що дозволяє використовувати діаграми “” осьового навантаження при розрахунку залізобетонних згинаних конструкцій на силові діяння такого типу.

Проведенні за кордоном експериментальні дослідження роботи згинаних залізобетонних елементів, що працюють в умовах знакозмінних навантажень у одному випадку (Шибарський технологічний університет, Японія) вказують на незначний вплив на несучу здатність одноциклового короткочасного знакозмінного навантаження, а в другому випадку (Ілінойський технологічний університет, США) автори стверджують, що зазначене навантаження не впливає на наступну несучу здатність дослідних зразків.

На основі аналізу літературних джерел визначені мета та задачі досліджень.

У другому розділі наведене теоретичне підґрунтя з оцінки напружено-деформованого стану згинаних залізобетонних елементів, що працюють в умовах знакозмінних навантажень

Для аналітичного опису діаграми напружень автором пропонується використати функцію напружень запропоновану Мурашовим В.І. та дещо удосконалену Макаренком Л.П. і Фенком Г.А.:

(1)

Шляхом нескладних математичних перетворень залежність (1) набуває вигляду:

(2)

У залежності (2) використовуються лише механічні властивості бетону: міцність бетону при осьовому стиску, модуль пружності, поздовжня деформація стиску та коефіцієнт пластичності бетону, який є комплексним параметром, що характеризує пружно-пластичні властивості бетону.

Слід зауважити, що нижче запропонована методика базується на наступних припущеннях:

1) зв’язок між напруженнями та деформаціями арматури має лінійний характер:

s=Ess; sc=Essc;

2) у поперечному перерізі справедлива гіпотеза плоских перерізів (гіпотеза Бернуллі);

3) граничні напруження стиску бетону дорівнюють Rb;

4) прийнята лінійна залежність модуля деформацій бетону залежно від рівня напружень (1).

Рис. 1 Схема розподілення деформацій, напружень та зусиль у нормальному перерізі залізобетонної балки прямокутного перерізу з подвійним симетричним армуванням

а)ділянка елементу з тріщиною у розтягнутій зоні; б)поперечний переріз елемента; в)епюра деформацій бетону та арматури; г)схема внутрішніх зусиль.

Рис. 2 Прийняті діаграми “напруження – деформації”

а) для бетону; б) для арматурної сталі (діаграма Прандтля)

Запишемо рівняння рівноваги у нормальному перерізі при фіксованій висоті стиснутої зони:

M1=Msect,1=Mb1+Ms1+M`s1; (3)

Nb1+N`s1=Ns1; (4)

де М1; Мsect,1; Мb1; М’s1 та Мs1 – згинаючі моменти відповідно від зовнішнього навантаження; сумарний згинальний момент від усіх внутрішніх сил відносно нейтральної лінії; згинальні моменти від внутрішніх сил у стиснутому бетоні, стиснутій арматурі та розтягнутій арматурі відносно нейтральної лінії;

Nb1; N’s1 та Ns1 – рівнодіючі внутрішніх зусиль відповідно у стиснутому бетоні, стиснутій арматурі, розтягнутій арматурі.

Знайдемо члени залежностей (3) та (4):

(5)

(6)

Рівнодіюча внутрішніх зусиль у стиснутому бетоні Nb1 та її момент відносно нейтральної лінії можуть бути знайдені із наступних залежностей:

(7)

(8)

Порівнявши площу фігури, описаною функцією (2), із площею прямокутника (ідеальне пластичне деформування бетону, якому відповідає прямокутна епюра напружень), що містить розглядувану діаграму (рис. 2а), можна отримати коефіцієнт повноти епюри напружень стиснутої зони бетону:

(9)

З урахуванням виразу (9) залежності (8) та (7) приймуть наступний вигляд:

(10)

(11)

Підставивши вирази (5), (6), (9), (10), (11) у вирази (3) і (4) та розв’язавши рівняння (3) відносно х за рівнянням (4) знайдемо значення несучої здатності елементу.

За дії знакозмінного навантаження на кожному етапі випробувань напружено-деформований стан залізобетонних балок буде змінюватись, оскільки та зона дослідного зразка, що піддавалась дії тривалих напружень розтягу, на наступному етапі (переміна знаку) піддавалась дії напружень стиску, і навпаки – та зона, яка на початковому етапі піддавалась дії стискаючих напружень, на наступному етапі зазнавала розтягу.

Із використанням прийнятої залежності (2) постає питання знаходження її параметрів при знакозмінному навантаженні. Ця проблема вирішується шляхом випробуванням бетонних призм із того самого класу бетону та при тому ж самому режимі завантаження, в якому знаходились дослідні зразки. Тобто, необхідно випробувати 2 серії бетонних призм, перша серія має моделювати роботу попередньо - стиснутої зони елементу, друга серія – попередньо - розтягнутої зони. Випробування чисто бетонних призм викликане наявністю в залежності (2) характеристик, які описують властивості бетону. Випробувавши зразки призм отримаємо зміну даних характеристик у результаті дії прикладеного навантаження за визначеною схемою.

Для визначення напружено-деформованого стану дослідних зразків, що знаходились під дією тривалого одноциклового знакозмінного навантаження залежність (2) де що трансформується і набуває вигляду:

, (12)

де міцність бетону, що змінюється в залежності від знаку та рівня попереднього знакозмінного навантаження, МПа;

модуль пружності бетону, що змінюється від знаку та рівня попереднього знакозмінного навантаження;

граничне значення коефіцієнта пластичності бетону, що теж залежить від знаку та рівня попереднього знакозмінного навантаження;

b – відносні деформації стиску бетону за даного рівня знакозмінного навантаження.

Аналогічно першому, у другому випадку необхідно знайти зміну характеристик бетону при дії малоциклового знакозмінного навантаження. Ця проблема, як при дії тривалого знакозмінного навантаження - вирішується шляхом випробуванням бетонних призм з того самого класу бетону, та при тих самих режимах завантаження, в яких знаходились дослідні зразки (балки). Для визначення напружено-деформованого стану дослідних зразків, що знаходились під дією малоциклового знакозмінного навантаження рівняння (2) трансформується у наступну залежність:

(13)

де міцність бетону, що змінюється залежно від знаку, рівня та кількості циклів попереднього знакозмінного навантаження, МПа;

початковий модуль пружності бетону, що змінюється від знаку, рівня та кількості циклів попереднього знакозмінного навантаження;

граничне значення коефіцієнта пластичності бетону, що теж залежить від знаку, рівня та кількості циклів попереднього знакозмінного навантаження;

b – відносні деформації стиску бетону за даного рівня (на визначеному циклі) знакозмінного навантаження.

У третьому розділі наведено характеристики матеріалів, зразків, обладнання та методику проведення випробувань.

Об’єктом досліджень були залізобетонні балки з номінальними розмірами 1001501700 мм (рис. 3.), армованих двома плоскими каркасами К1. За робочу застосовували арматуру із сталі класу АІІІ 10 мм яку було розташовано симетрично. Поперечну арматуру прийнято зі сталі класу ВрІ 4 мм із кроком 75 мм на приопорних ділянках та кроком 115 мм у середині прольоту. Проектний склад бетону мав наступні відношення Ц:Щ:П=1:4,65:3,6 при В/Ц=0,65. Для виготовлення дослідних зразків використано щебінь фракції 5…20, пісок середньої крупності.

Рис. 3. Схема армування та поперечний переріз дослідного зразка.

Навантаження елементів виконували в пружинних установках адаптованих до умов проведення випробувань. Дослідні зразки завантажували двома зосередженими силами, що були розташовані в третинах розрахункового прольоту балки. Така схема завантаження дозволяла створити зону “чистого згину” в розрахунковому перерізі та виключити вплив поперечної сили. Розрахункова схема дослідного зразка показано на рис. 4.

Рис. 4 Розрахункова схема дослідного зразка.

Завантаження дослідних зразків виконували до таких рівнів: 0,25Pu; 0,5Pu; 0,75Рu., де Рu – руйнівне навантаження, визначене за результатами випробування контрольних зразків. Номенклатуру дослідних зразків та відповідні їм характеристики навантажень наведено у таблиці 1.

Таблиця 1

Номенклатура дослідних зразків та характеристика навантажень

Марка | К-сть,

шт. | Рівень на- вантаження, | Характеристика навантаження

1 | 2 | 3 | 4

БЗН 0,25 | 2 | 0,25 | Тривале одноциклове знакозмінне навантаження (І серія випробувань)

БЗН 0,5 | 2 | 0,5

БЗН 0,75 | 2 | 0,75

Б 0,25 | 2 | 0,25 | Тривале однозначне статичне навантаження (контрольні зразки І та ІІ серій випробувань)

Б 0,5 | 2 | 0,5

Б 0,75 | 2 | 0,75

Б 1 | 4 | 1 | Зразки еталони випробувані короткочасним навантаженням до руйнування у віці 28 діб (І та ІІ серії)

Б 0 | 2 | 0 | Зразки еталони випробувані короткочасним навантаженням до руйнування у віці 88 діб (І та ІІ серії)

БЗНЦ 0,25 | 2 | 0,25 | Малоциклове знакозмінне навантаження (ІІ серія випробувань)

БЗНЦ 0,5 | 2 | 0,5

БЗНЦ 0,75 | 2 | 0,75

Примітки:

1.БЗН Х– балка, знакозмінне навантаження рівня Х.

2.Б Х – балка з постійним однозначним навантаженням рівня Х.

3.БЗНЦ Х – балка, знакозмінне циклічне навантаження рівня Х.

Деформацію бетону отримували за допомогою індикаторів годинникового типу 1МІГ, та тензорезисторів (тензометрична система СИИТ-3) розташованих по верхній та нижній зонах і по висоті перерізу. Контроль за передачею навантаження на траверсу здійснювали за допомогою динамометра типу ДОСМ-5 із границею вимірювання 5000 кг.

Перша серія включала тривале одноциклове знакозмінне навантаження з тривалістю кожного півциклу – 30 діб, сумарний час навантаження склав 60 діб, вік бетону в момент навантаження складав 30 діб.

Друга серія включала в себе випробовування на дію малоциклового знакозмінного навантаження. Кількість циклів навантаження – 10. Тривалість кожного напівциклу завантаження склала 3 доби, тривалість повного циклу 6 діб, сумарний термін навантаження склав 60 діб, вік бетону в момент навантаження склав 30 діб.

Режими навантажень в графічній формі показано на рис. 5.

Рис. 5 Режими завантаження

а) перша серія випробувань; б) друга серія випробувань.

По кожній серії випробувань поряд із двома балками, що піддавались дії знакозмінного навантаження, досліджували ще по 1 балці на дію знакосталого тривалого (тривалістю 60 діб) навантаження цих самих рівнів.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень дослідних елементів І серії випробувань. На рис. 6 наведено діаграми зміни несучої здатності дослідних зразків залежно від рівня та типу попереднього навантаження. Слід відмітити, що момент руйнування приймали рівним величині, за якої одночасно спостерігали наступні явища: утворення та розкриття (до 2 мм) нормальних тріщин у розрахунковому перерізі; відсутність приросту навантаження за відліками динамометра та значний спад у його показах (до 250 кг.); значний приріст відліків прогиномірів, індикаторів та тензометрів Гугенбергера (особливо тих, що знаходились у розтягнутій зоні).

Слід також відмітити і характер руйнування зразків: візуально процес руйнування контролювати було складно, адже ні виколів бетону, ні різкої втрати несучої здатності не спостерігалось і, як було вище сказано, руйнування контролювалось за приладами – тензометрами Гугенбергера, що були розташовані на розтягнутій арматурі. При наближені до границі несучої здатності (визначеною за контрольними зразками) помічено різке підвищення деформацій розтягнутої арматури, при чому деформації стиснутої арматури залишались на тому ж рівні. Те саме можна сказати і на рахунок зміни деформацій бетону. Що ж до самого руйнування, то, в основному, при втраті зразками несучої здатності спостерігалось різке підвищення деформацій розтягнутої арматури, які перевищували границю вимірювань приладів (це говорить про те, що розтягнута арматура досягла межі текучості). Руйнування зразків відбувалось по розтягнутій арматурі.

Рис. 6 Зміна несучої здатності від рівня та типу попереднього завантаження.

Аналіз дослідної діаграми (рис. 6) вказує на тенденцію із зміни несучої здатності дослідних зразків залежно від рівня попереднього знакозмінного навантаження у порівнянні із попереднім тривалим знакосталим навантаженням. Зміна несучої здатності пояснюється погіршенням механічних характеристик складників елементів, а також погіршенням їхнього стану (утворення та розвиток тріщин, погіршення щеплення арматури з бетоном у наслідок утворення мікротріщин – зниження характеристик міцності цементного каменю і т. д.).

Деформування арматури у процесі випробувань відбувається із постійним приростом залишкових деформацій, які не зникають після зняття навантажень. При випробуванні на дію руйнівного навантаження максимальні деформації розтягу арматури по серії основних зразків у середньому на 15% вищі граничних для даного класу арматури (визначено із випробування арматурних відрізків), тобто тих, при досягненні яких відбувається текучість.

Деформування бетону проходить із утворенням залишкових деформацій після повного циклу знакозмінного навантаження. При випробування на дію руйнівного навантаження максимальні деформації стиску були значно менші граничних для даного класу бетону (визначено із випробування призм). У процесі випробувань відмічено, що знак першого півциклу навантажень суттєво впливає на подальшу роботу бетону даної зони.

Для оцінки напружено-деформованого стану запропонована методика передбачає використання модифікованих значень характеристик бетону їхні значення знайдено шляхом обробки експериментальних даних (випробування проводились Масюком Г.Х. та Гергелем А.В. під керівництвом Макаренка Л.П. у 1979р, дані отримано від авторів експерименту та публікуються за їхньою згодою) випробування бетонних призм у тих самих режимах, у яких працювали досліджувані зразки-балки. Використання модифікованих значень дозволило отримати діаграми (рис. 7) зміни напружено-деформованого стану залізобетонних елементів від попередньої дії знакозмінного навантаження. Залежності за якими знайдено модифіковані значення наведено у розділі 6.

Рис. 7 Діаграми деформування стиснутого бетону дослідних зразків при випробуванні до руйнування після одноциклового тривалого знакозмінного навантаження рівнів =0,25; 0,5; 0,75

Зміни механічних характеристик бетону внаслідок дії знакозмінного навантаження можна пояснити, виходячи із положень структурної теорії. Прийнявши ідеалізовану структурну схему, що наведено на рис. 8, та виділивши одиничний елемент “А” який являє собою комбінацію заповнювача та розчинної складової (матриці), можна сказати, що при дії знакозмінного навантаження власні напруження в матриці мають протилежний знак ніж напруження попереднього навантаження, а в заповнювачі знак не змінився. Тобто, при попередньому розтягу власні напруження в матриці є стискаючими, а в заповнювачі – розтягуючими. При попередньому стиску – навпаки: власні напруження в матриці – розтягуючі, а в заповнювачі – стискаючі. Що пояснюється відмінністю механічних характеристик заповнювача та матриці (гелевої складової).

Рис. 8 Прийнята ідеалізована структурна схема бетону; “А” – одиничний елемент.

Сукупність таких факторів як знак власних силових напружень в матриці після тривалої дії навантаження та відношень міцностей в матриці та в заповнювачі – показують зміну міцності при наступному навантаженні протилежного знаку, порівняно із міцністю при одноразовому завантаженні. Так, наприклад, якщо міцність матриці менше міцності заповнювача (притаманно важким бетонам), то тривалий розтяг викликає зниження міцності бетону при переміні знаку зусиль, так як однозначні власні та силові стискаючі напруження в менш міцному компоненті бетону – матриці додаються, прискорюючи процес руйнування. І чим вищий рівень та тривалість попереднього розтягу (що відповідає роботі верхньої зони досліджуваних згинаних елементів), тим більше дане зниження.

Рис. 9 Епюри структурних нормальних напружень у складових бетону:

а) при тривалому розтягу (півцикл “б” наведених досліджень);

б) власні напруження при розвантаженні до =0; в) напруження при наступному стиску

Слід зауважити, що наведені на рис. 9 епюри структурних нормальних напружень в складових бетону справедливі для одиничного елементу “А”, прийнятої ідеалізованої структурної схеми бетону, що наведено на рис. 8. В одиничному елементі з певним припущенням можна стверджувати, що навантаження прикладені центрально. При певному ускладнені розрахункової моделі в одиничному елементі власні напруження трансформуються відповідно із ексцентриситетом прикладання навантаження.

У п’ятому розділі наведені результати ІІ серії експериментальних випробувань на дію малоциклового знакозмінного навантаження та аналіз напружено-деформованого стану згинаних залізобетонних елементів при зазначеному типі навантаження.

На рис. 10 наведено графік зміни несучої здатності дослідних елементів у наслідок попередньої дії навантаження. Слід зазначити, що критерії руйнування дослідних елементі були прийняті як і у попередньому випадку (розділ 4).

Рис. 10 Зміна несучої здатності дослідних елементів залежно від

рівня та типу попереднього навантаження

Аналіз наведеної на рис. 10 діаграми вказує на явну зміну несучої здатності дослідних елементів залежно від рівня попереднього знакозмінного навантаження, та порівняно із тривалим знакосталим навантаженням тих самих рівнів.

Деформування арматури відбувається із поцикловим приростом залишкових деформацій розтягу після повного циклу знакозмінного навантаження. Максимальні деформації розтягу арматури при випробуванні на дію руйнівного навантаження були значно вищі граничних. Перевищення складає до 40%.

Деформування бетону проходить із постійним поцикловим приростом залишкових деформацій після повного циклу знакозмінного навантаження. Максимальні деформації стиску бетону по всіх зразках були рівні граничним.

Проведений аналіз динаміки зміни стиснутої зони бетону у процесі випробувань на кожному із циклів. Помічено, що на всіх етапах випробувань висота стиснутої зони постійно змінюється, хоча, ці зміни коливаються в межах 5-15%. Слід відмітити, що найбільші коливання у висоті стиснутої зони помітні на півциклі “б”, тобто після переміни знаку навантаження при відносно сталому її значенню за півцикла “а”. Варто відмітити, що висота стиснутої зони на півциклі “а” при тому ж рівні навантаження вище за аналогічне значення на півциклі “б” в середньому на 15%.

Аналогічно першій серії тут теж були знайдені модифіковані значення механічних характеристик бетону, за якими побудовані трансформовані діаграми деформування стиснутого бетону (рис. 12), а також проведено порівняння із еталоном, тобто елементом, що не піддавався дії малоциклового знакозмінного навантаження.

Рис. 11 Діаграми деформування стиснутого бетону дослідних зразків при випробуванні до руйнування після малоциклового знакозмінного навантаження рівнів =0,25; 0,5; 0,75

Криві деформування, що відповідають роботі елементів після дії малоциклового знакозмінного навантаження рівнів =0,25 та =0,5 мають ідентичний характер, а крива, що відповідає рівню =0,75 має відмінних характер, та її обрис наближений до прямої, що говорить про меншу долю пластичних деформацій бетону порівняно із двома попередніми рівнями, та із кривою зразка еталона (зразок-близнюк випробуваний одноразовим навантаженням до руйнування у тому самому віці).

Помічено, що за малоциклового знакозмінного навантаження вплив знаку першого півциклу навантаження до 7-го циклу зникає. До 7-го ж циклу процес приросту залишкових деформацій теж припиняється.

У шостому розділі запропонована методика розрахунку міцності нормальних перерізів згинаних залізобетонних елементів, що знаходяться під дією малоциклового знакозмінного навантаження. Методика ґрунтується на модифікованих значеннях характеристик бетону отриманих із випробування призм.

Для врахування впливу знакозмінного навантаження пропонується використовувати діаграми, що наведені на рис. 12-14, та за залежностями (14)-(21). За попередньої тривалої одноциклової дії знакозмінного навантаження при врахуванні роботи слід враховувати знак та рівень першого півциклу навантажень. За попередньої дії малоциклового знакозмінного навантаження на подальшу роботу конструкцій впливає лише рівень навантажень, так як помічено, що за малоциклової дії знакозмінного навантаження вплив знаку першого півциклу надалі зникає.

Рис. 12 Зміна характеристик бетону при одноцикловому знакозмінному навантаженню з першим півциклом стиску

=Rb(1-0,36+0,652); (14)

=Eb0 (1-0,51+0,362); (15)

=R(1-1,44+1,092); (16)

Рис. 13 Зміна характеристик бетону при одноцикловому знакозмінному навантаженню з першим півциклом розтягу

=Rb(1-0,27); (17)

=Eb0 (1+0,13-0,262+0,43); (18)

=R(1-0,54). (19)

Рис. 14 Зміна механічних характеристик бетону при

малоцикловому знакозмінному навантаженні

Eb0,cyc,mch=Eb0(1-2,39+7,142-6,293); (20)

R,cyc,mch=R(1-3,77+10,932-9,693). (21)

У інженерній практиці для врахування впливу попереднього знакозмінного навантаження пропонується використати табульовані значення коефіцієнту впливу. З його допомогою планується отримати трансформоване значення коефіцієнта повноти епюри напружень, та використовувати їх у звичайних розрахунках, що пропонується СНиП 2.03.01-84*.

Таблиця 2

Зміна коефіцієнта повноти епюри напружень у наслідок попередньої дії знакозмінного навантаження

Серія | Характеристика навантаження | Значення | Коеф. впливу,

із експерименту | за СНиП

2.03.01-84*

І | Однозначне однократне статичне руйнівне навантаження | 0,688 | 0,634 | 1,085

Тривале одноциклове з/з навантаження рівня:

0,25

0,5

0,75 |

0,79

0,81

0,74 |

0,634 |

1,246

1,277

1,167

ІІ | Однозначне однократне статичне руйнівне навантаження | 0,664 | 0,654 | 1,015

Малоциклове знакозмінне наванта-ження рівня:

0,25

0,5

075 |

0,66

0,62

0,55 |

0,654 |

1,01

0,95

0,85

Примітка. Експериментальні значення коефіцієнта повноти епюри напружень отримано за запропонованою методикою.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

АНОТАЦІЇ

Григорчук А.Б. Вплив знакозмінних навантажень на міцність нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2002.

У дисертації висвітлені експериментальні і теоретичних дослідження впливу малоциклових знакозмінних навантажень різного характеру та інтенсивності на міцність нормальних перерізів згинаних залізобетонних елементів. Наведено залежності зміни механічних характеристик бетону в наслідок попередньої дії малоциклового знакозмінного навантаження. Запропоновано нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці методики розрахунку міцності нормальних перерізів згинаних залізобетонних елементів при дії малоциклових знакозмінних навантажень. Запропонований розрахунковий апарат базується на сучасних положеннях розрахунку міцності, згинаних залізобетонних елементів при одноразовому навантаженні та отриманих автором змін механічних характеристик бетону.

Ключові слова: бетон, залізобетон, згинні елементи, малоциклові знакозмінні навантаження, напружено деформативний стан, розрахунок.

Григорчук А.Б. Влияние малоцикловых знакопеременных нагружений на прочность нормальных сечений железобетонных элементов, которые изгибаются. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2002.

В диссертации приведены экспериментальные и теоретические исследования влияния на прочность нормальных сечений малоцикловых знакопеременных нагрузок разного характера и интенсивности, а также работа железобетонных изгибаемых элементов под этим видом силового воздействия. Изложены результаты экспериментальных исследований по сравнению прочностных и деформативных характеристик изгибаемых железобетонных элементов предварительно загруженных знакопеременной малоцикловой и длительной знокопостоянной нагрузкой.

Приведена методика оценки напряжённо - деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов, которые работают в условиях знакопеременных нагрузок.

Анализ экспериментальных данных показал на изменение прочности нормальных сечений предварительно загруженных знакоперенной нагрузкой балок в сравнении с прочностью контрольных образцов. Изменение прочности происходит при 8% разницы в сторону уменьшения группы основных образцов. Установлено, что при одноцикловом длительном знакопеременном нагружении на последующую работу зон элемента оказывает влияние знак первого цикла нагружения. В работе приведены зависимости изменения механических характеристик бетона вследствие предварительного действия одноцикловой знакопеременной нагрузки разного уровня и знака.

Следует отметить, что при малоцикловом (n=10) знакопеременном нагружении к седьмому циклу влияние знака первого полуцикла компенсируется, также отмечено, что к седьмому циклу процессы