ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Мащенко Андрій Миколайович

УДК 624.012.45.042.074-415

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН

ТОНКОСТІННИХ ЕЛЕМЕНТІВ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ

СПОРУД В УМОВАХ ТРИВАЛОГО ДВОвісного

навантаження та НАГРІВу

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка –2002

Дисертація є рукопис.

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

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Корсун Володимир Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри залізобетонних конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Барашиков Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент

Веретенніков Віталій Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри технології будівельного виробництва.

Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра залізобетонних та кам'яних конструкцій.

Захист відбудеться " 27 " червня 2002 р. о 13.00 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, I-й 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 25 травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент Югов А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напружено-деформований стан тонкостінних залізобетонних споруд оболонкового типу – димових труб, градирень, силосів, захисних оболонок АЕС та ін. значною мірою визначається температурними впливами. Температурні перепади викликають появу температурних моментів у меридіональних та кільцевих перерізах, обумовлюють неоднорідність міцнісних та деформативних властивостей бетону по товщині оболонок, тріщиноутворення в залізобетоні і роботу бетону в плоскому напруженому стані. Температурна усадка і термоповзучість бетону обумовлюють перерозподіл напружень між бетоном і арматурою, релаксацію температурних моментів, втрати попереднього напруження в арматурі, що напружується.

Розробка методів розрахунку, що адекватно відбивають складний напружено-деформований стан конструкцій інженерних споруд, закономірності зміни міцнісних та деформативних властивостей бетону в залежності від виду напруженого стану, температури, тривалості нагріву й інших факторів є актуальною задачею, рішення якої дозволить одержати більш ефективні й обґрунтовані проектні рішення як при новому будівництві, так і при реконструкції споруд.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного й прикладного характеру виконані в рамках держбюджетної теми К-2-11-01 "Розробка методів оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних споруд, що мають дефекти і пошкодження та тих, що працюють у складних температурних умовах, і методів їх підсилення, включаючи підсилення сталефібробетоном" (держ. реєстр. № 0102U003284). У цій роботі автором сформульовані пропозиції щодо урахування виду плоского напруженого стану на міри об'ємної та зсувної повзучості бетону в розрахунках елементів залізобетонних споруд, що піддаються впливам підвищених температур.

Ціль досліджень – розвиток методики розрахунку й дослідження напружено-деформованого стану (НДС) елементів залізобетонних інженерних споруд оболонкового типу, що експлуатуються в умовах нерівномірного нагріву до +1500С й тривалого двовісного навантаження.

Задачі досліджень:

1) удосконалити методику іспитів й виконати експериментальні дослідження повзучості бетону при плоских напружених станах “стиск-стиск” та “стиск-розтягнення” в умовах нормальної температури;

2) удосконалити методику іспитів й виконати експериментальні дослідження повзучості бетону в умовах впливу підвищених температур;

3) виконати розробку аналітичних виразів для опису деформацій повзучості бетону в частині врахування залежності характеристик повзучості від виду плоского напруженого стану;

4) виконати уточнення фізичних співвідношень для неоднорідних плосконапружених залізобетонних елементів споруд у частині аналітичного опису деформацій повзучості бетону в умовах плоского напруженого стану;

5) виконати теоретичні дослідження НДС залізобетонних елементів споруд типу залізобетонних оболонок градирень, димових труб, захисної оболонки АЕС та ін. при спільних силових і температурно-вологісних впливах;

6) виконати натурні експериментальні і теоретичні дослідження НДС залізобетонних оболонок витяжних башт градирень №1 та №2 Зуєвської ТЕС при перемінних сезонних кліматичних і технологічних температурно-вологісних впливах.

Об'єкт дослідження - плосконапружені елементи вісесиметрічних залізобетонних інженерних споруд оболонкового типу у формі пластини, позбавленої можливості вигину з площини при нерівномірному нагріванні по товщині.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан залізобетонних елементів споруд при термосилових впливах різної тривалості.

Методи дослідження

1. Методи математичного моделювання.

2. Метод фізичного моделювання з застосуванням методів теорії подоби, механічних методів іспиту матеріалів навантаженням, механічних методів виміру переміщень.

3. Зіставлення й узагальнення теоретичних й експериментальних даних (перевірка вірогідності математичної моделі і вироблення умов по її застосуванню).

Наукову новизну отриманих результатів складають:

·

·

· дані натурних досліджень деформацій залізобетонних оболонок градирень №1 та №2 Зуєвської ТЕС, дані про розподіл температури і вологості по товщині і висоті споруд у різні кліматичні й технологічні періоди експлуатації;

· аналітичні вирази щодо урахування виду плоского напруженого стану і рівня навантаження на характеристики об'ємної та зсувної повзучості бетону;

· результати теоретичних досліджень напружено-деформованого стану елементів залізобетонних споруд, що працюють в умовах плоского напруженого стану при однобічному нагріванні до + 1500С з урахуванням фактора часу.

Практичне значення отриманих результатів складається в розробці експериментально обґрунтованих пропозицій по урахуванню у фізичних співвідношеннях для плосконапружених залізобетонних елементів споруд деформацій повзучості бетону в умовах нерівномірного нагріву до + 0С. Результати досліджень використані при оцінці напружено-деформованого стану залізобетонних оболонок градирень № 1 і №2 Зуєвської ТЕС, градирень №1 і №2 Сімферопольської ТЕЦ, залізобетонної оболонки димової труби Н=120м “ЛПЦ-1700” Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча з урахуванням дійсних умов експлуатації на етапах розробки технічних рішень по їхньому ремонту і підсиленню.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені на трьох науково-технічних конференціях ДонДАБА в 1996-2001роках, на академічних читаннях Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка, 1998 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології” (м. Макіївка, 2001 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Будівництво, реконструкція і відновлення будинків і споруд міського господарства” (м. Харків, 2002 р.).

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- удосконалено методику іспиту і виконано експериментальні дослідження повзучості бетону в умовах плоского напруженого стану;

- виконано систематизацію й аналіз результатів експериментальних і теоретичних досліджень, розроблено аналітичні вирази щодо урахування впливу виду плоского напруженого стану на характеристики повзучості бетону;

- розроблено методики, алгоритми розрахунків, програму розрахунку для ПЕОМ, виконано чисельні дослідження НДС елементів споруд, що наведені в дисертації;

- виконано натурні дослідження розподілу температури й вологості по товщині залізобетонних оболонок градирень №1 і №2 Зуєвської ТЕС, вимір деформацій фрагментів оболонок при зміні технологічних і кліматичних температур експлуатації.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 6 друкованих працях, з яких 5 опубліковані в спеціальних виданнях, затверджених ВАК України, 1 робота – у збірнику праць вчених ДонДАБА.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, основних висновків, списку використаних джерел (177 найменувань) і додатків. Робота викладена на 173 сторінках машинописного тексту, у тому числі 110 сторінок основного тексту, 17 сторінок списку літератури, 47 повних сторінок з малюнками і таблицями, 3 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі розглянуто предмет досліджень - напружено-деформований стан елементів споруд при спільних температурних та силових впливах різної тривалості, сформульовані актуальність, мета і задачі досліджень, наукова новизна роботи, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, структура й обсяг дисертації.

У розділі 1 розглянуто сучасний стан питання в частині експериментальних і теоретичних досліджень НДС тонкостінних вісесиметрічних залізобетонних споруд оболонькового типу (димових труб, градирень, силосів, бункерів, резервуарів та ін.), що піддаються впливам температурних градієнтів у радіальному напрямку. Дослідженню НДС названих споруд присвячені роботи А.М. Баєва, В.В. Белова, П.І. Васильєва, В.І. Веретеннікова, А.Б. Голишева, А.Ф. Жаркова В.В. Кардакова, Ю.А. Климова, В.І. Корсуна, В.А. Косторниченка, О.П. Кричевського, Л.П. Макаренка, А.Ф. Мілованова, Г.А. Молодченка, М.О. Нєвгеня, В.Д. Передерея, С.Л. Фоміна та ін. При вивченні роботи споруд зазначеного типу найбільш ефективним є комплексний підхід, що включає як експериментальні натурні і лабораторні дослідження на зразках-моделях, так і теоретичні дослідження.

Встановлено, що НДС названих споруд у значній мірі визначається особливостями тривалого деформування бетону в умовах температурних впливів. Температурні градієнти викликають по товщині оболонок складний напружений стан, близький до плоского. Неоднорідні по товщині температурно-усадочні деформації і деформації термоповзучості бетону обумовлюють релаксацію температурних моментів і перерозподіл зусиль між бетоном і арматурою. Температурні моменти, що обумовлені градієнтами температури по товщині конструкцій, зростають пропорційно величині температурного перепаду і знижуються зі збільшенням пластичних деформацій у бетоні, а також з утворенням тріщин.

Закономірності деформування бетону при неодновісних напружених станах в умовах короткочасного і тривалого навантаження вивчалися в роботах С.В. Александровського, А.М.Бамбуры, А.Я. Барашикова, О.Я. Берга, О.Д. Журавського, В.М. Завялова, М.І. Карпенка, А.П. Кирилова, Е.А. Когана, О.П. Кричевського, А.Л. Кукуша, Ю.М. Малашкіна, Р.А.Мєльніка, В.І. Петрова, І.Є. Прокоповича, М.В. Прядка, Б. Сабирова, А.Ф. Яременка, Є.А. Яценка, О.В. Яшина, S.K.S.D.J.J.M.I.J. Jordaan, A.D.та ін. Найменш вивченими є області навантаження з розтягуючими напруженнями. Дослідні результати різних авторів мають кількісні розбіжності, а часом і суперечливі, що пояснюється методичними складностями і розходженнями в проведенні дослідів. Для значної частини експериментальних досліджень бетону при плоскому напруженому стані є характерним вимір тільки двох компонентів деформацій у площині навантаження, що ускладнює аналіз і виявлення загальних закономірностей розвитку деформацій відносної зміни об'єму і форми.

Аналіз літературних джерел показує, що в більшості випадків методики розрахункової оцінки повзучості бетону при неодновісних напружених станах будуються на підставі співвідношень узагальненого закону Гука з використанням характеристик повзучості, отриманих з досвідів на осьовий стиск. Відомі пропозиції щодо аналітичного опису залежності характеристик повзучості бетону від виду напруженого стану охоплюють лише область двовісного стиску і мають потребу в розвитку для областей з розтягуючими напруженнями.

Деформації повзучості бетону в умовах підвищених температур досліджувалися в роботах П.І. Васильєва, В.І. Веретеннікова, В.І. Корсуна, О.П. Кричевського, А.Ф. Мілованова, М.О. Невгеня, В.Д. Передерея, М.І. Тупова та ін. Основними факторами, що визначають закономірності розвитку термоповзучості бетону, є температура та тривалість нагріву, рівень навантаження, вік бетону до моменту нагріву і навантаження, тривалість нагріву до навантаження та інші. Найбільш розробленою стосовно до споруд досліджуваного типу є методика розрахункової оцінки деформацій повзучості бетону, що розроблена О.П. Кричевським для умов осьового стиску і побудована на основі теорії старіння з використанням ідеї наведеного часу.

НДС стінок споруд оболонькового типу при вісесиметричному температурному перепаді еквівалентно НДС залізобетонних пластин, позбавлених можливості вигину з площини при нерівномірному нагріві. При цьому реактивні моменти по контуру пластин, що викликають кривизну, рівну по величині і протилежну за знаком вільній кривизні від нерівномірного нагріву, чисельно дорівнюють температурним моментам.

У теоретичних дослідженнях розрахунки елементів споруд виконуються, як правило, на основі роздільного врахування фізичної нелінійності деформування і тривалих процесів у бетоні. Фізичні співвідношення для неоднорідних залізобетонних елементів, що зв'язують внутрішні зусилля і деформації на рівні серединної поверхні оболонки, будуються на основі співвідношень для неоднорідних шаруватих оболонок. Фізичні співвідношення для бетону при неодновісних напружених станах мають потребу в уточненні в частині врахування залежності характеристик механічних і реологічних властивостей бетону від виду плоского напруженого стану.

На основі вивчення стану питання сформульовані основні напрямки і задачі дослідження.

У розділі 2 викладена методика експериментальних досліджень повзучості бетону при плоскому напруженому стані і методика аналізу отриманих результатів. Дослідження виконувалися на зразках-призмах розміром 100ґ100ґ400 мм, виготовлених з важкого бетону класу В складу Ц:П:Щ=1:1,4:2,5. Використовувалися установки важільного типу з комбінованим способом додатка навантаження, при якому більше стискаюче напруження s3, а також розтягуюче напруження s1 прикладалися вертикально уздовж призми за допомогою важільної системи навантаження, а бічне обтиснення s2 – за допомогою мембранної системи гідростатичного стиску.

Деформації зразків вимірялися в трьох напрямках уздовж головних осей. Співвідношення головних напруженнь в умовах двовісного стиску - s2:s3 = 0:-1; -0,5:-1; -1:-1, в умовах “стиску-розтягнення” - s1:s3 =+1:0; +1:-1. Рівні навантаження з найбільшим стискаючим напруженням s3 – у діапазоні від hl33/Rb  до (0,3ё0.6). Вік бетону t0 до моменту навантаження - 10, 12, 20, 47, 150 діб. Для випадків осьового стиску й осьового розтягнення досліджувався вплив нагріву до +1500С на деформації повзучості бетону при рівнях навантаження hl,3=s3/Rb= ,5 і hl,1=s1/Rbt= ,5, вік навантаження - 150 діб.

Аналізовані величини – лінійні компоненти деформацій бетону - e1, e2, e3, коефіцієнти поперечної деформації m, деформації відносної зміни об'єму q та інтенсивності деформацій зсуву gi. Після тривалих іспитів, при наступному повторному короткочасному довантаженні стиском, визначалися механічні характеристики бетону: призмова міцність Rb, модуль пружності Eb, коефіцієнт поперечних деформацій m та гранична стискальність .

У розділі 3 наведені результати експериментальних досліджень повзучості бетону в умовах двовісного стиску і стиску-розтягнення при нормальній температурі, а також в умовах осьового стиску й осьового розтягнення при нагріві до +1500С (рис. 1-3).

а)

б)

Рис.1 Лінійні компоненти відносних деформацій повзучості бетону при двовісному стиску (а) і стиску-розтягненніб) -розрахунок за формулами (1)-(10)

При тривалому деформуванні бетону в якості основних характеристик повзучості бетону приймалися міри об'ємної Сv та зсувної Сg повзучості. Результати експериментальних досліджень свідчать про наявну залежність мір об'ємної Сv та зсувної Сg повзучості від виду плоского напруженого стану. Так, в області стиску з підвищенням рівня бічного обтиснення напруженням s2 до співвідношення s3: s2 = -1:-1 відзначається зниження міри об'ємної повзучості Сv на 50,9%, і міри зсувної повзучості Сg на 53,4% у порівнянні з відповідними характеристиками при осьовому стиску. У випадку осьового розтягнення значення Сv і Сg відповідно на 22,5% і 25% перевищують відповідні величини при осьовому стиску. При чистому зсуві (s1 :3 = 1:-1) міра зсувної повзучості займає проміжне значення між відповідними величинами при осьовому стиску й осьовому розтягненні, а міра об'ємної повзучості трохи відмінна від нуля і характеризує збільшення об'єму бетону внаслідок мікротріщиноутворення в структурі. Вік бетону в момент навантаження не впливає істотно на відзначені закономірності відносних змін питомих деформацій повзучості бетону Сv і Сg у залежності від виду плоского напруженого стану.

Рис.2 Відносна зміна обсягу qc (а), інтенсивності деформацій зсуву gi,c (б), питомих деформацій об'ємної Cv (в) і зсувної Cg (г) повзучості бетону при двохосьовому стиску (серія I; t0=20 діб; hl,3=0.5)

Для зсувних деформацій повзучості бетону властивий більш високий ступінь нелінійності деформування з підвищенням рівня навантаження в порівнянні з деформаціями зміни об'єму.

Значення коефіцієнта поперечних деформацій бетону m, що визначені в припущенні ізотропності властивостей матеріалу, мають при двовісному стиску тенденцію до підвищення з ростом величини бічного обтиснення s2, що пояснюється більш інтенсивним поперечним

Рис.3 Лінійні компоненти відносних деформацій повзучості бетону (а), відносна зміна об'єму qз (б), інтенсивності деформацій зсуву gi,c (в), питомих деформацій об'ємної Cv (г) і зсувної Cg (д) повзучості бетону при осьовому стиску (серія IV t0=150 діб, hl,3=0.2; 0.5)

деформуванням бетону в незавантаженому напрямку внаслідок мікроруйнувань у структурі. Значення коефіцієнтів m у перші 3-5 доби після навантаження трохи зростають (до 20%), а потім знижуються, наближаючись до первісного значення.

Значення коефіцієнта поперечних деформацій бетону m, визначені в припущенні ізотропності властивостей матеріалу, мають при двохосьовому стиску тенденцію до підвищення з ростом величини бічного обтиснення s2, що пояснюється більш інтенсивним поперечним деформуванням бетону в незавантаженому напрямку внаслідок мікроруйнувань у структурі. Значення коефіцієнтів m у перші 3-5 доби після завантаження трохи зростають (до 20%), а потім знижуються, наближаючись до первісного значення.

Тривале попереднє обтиснення призводить при повторних короткочасних навантаженнях стиском до збільшення призьмової міцності бетону, початкового модуля пружності відповідно на 12% і 8%, до зниження граничної стискальності на 14%.

Для опису повзучості бетону при плоскому напруженому стані в якості вихідних прийняті аналітичні вирази у формі співвідношень деформаційної теорії пластичності, що встановлюють зв'язок між компонентами кульових тензорів і тензорів-девіаторів напруженнь і деформацій:

; (1)

; (к = 1, 2, 3), (2)

де s0, e0, E, m - відповідно середнє напруження, середня деформація, початковий модуль пружності, коефіцієнт поперечної деформації бетону;

jv, jg - характеристики об'ємної та зсувної повзучості бетону:

; ; (3)

qi,el, qi,c, gi,el, gi,c - пружні і пластичні складові деформацій відносної зміни об'єму й інтенсивності деформацій зсуву;

Cv і Сg - міри відповідно об'ємній і зсувної повзучості бетону, обумовлені з урахуванням їх залежності від виду плоского напруженого стану і рівня навантаження h=ti/:

; (4)

(5)

У якості еталонної приймається міра простої лінійної повзучості бетону С0=С(t,0=28 діб) при осьовому стиску.

У формулах (1)-(5):

ti – інтенсивність дотичних напружень, - її граничне значення, що обумовлене прийнятою умовою міцності;

A(t0) - функція корекції міри повзучості С0 у залежності від віку навантаження t0, прийнята відповідно до пропозиції І.Є. Прокоповича:

; (6)

f0(s0,ti) - функція виду плоского напруженого стану, що апроксимується виразом:

; (7)

f1(h,t,t0), f2(h,t,t0) - функції нелінійності для об'ємної і зсувної повзучості, побудовані на основі модифікованого представлення О.П. Кричевським відомого вираза В.М. Бондаренка:

; (к = 1, 2) (8)

; ; ; (9)

; . (10)

Для умов підвищених температур функції температурного старіння для бетону приймаються відповідно до пропозицій О.П. Кричевського.

Рис.  Залежність відносних величин мір об'ємної Cv та зсувної Cg повзучості бетону від виду плоского напруженого стану

Зіставлення розрахункових величин деформацій бетону по формулах (1)-(10) з досвідними значеннями свідчить про їхню задовільну збіжність.

У розділі 4 представлені результати чисельних досліджень напружено-деформованого стану тонкостінних елементів вісесиметричних залізобетонних споруд типу димових труб, оболонок градирень, захисної оболонки АЕС та ін., що експлуатуються з температурними градієнтами в радіальному напрямку. Розрахункове визначення параметрів НДС залізобетонних елементів споруд здійснено з застосуванням ПЕОМ за методикою, у якій розрахунок конструкцій до утворення тріщин здійснювався з використанням фізичних співвідношень, побудованих на основі модифікованого В.І. Корсуном варіанта деформаційної теорії пластичності бетону Г.О. Гєнієва. Розрахунок після утворення тріщин здійснювався на основі теорії деформування залізобетону з тріщинами М.І. Карпенка.

Фізичні співвідношення для неоднорідного залізобетонного елемента, що встановлюють залежності між деформаціями і внутрішніми зусиллями на рівні серединної поверхні, приймаються у вигляді:

= ґ + , (11)

де Nx , Mx , eox , Аx – відповідно погонні поздовжня сила і згинальний момент, лінійна деформація і зміна кривизни серединної поверхні в меридіональному напрямку;

Ny , My , eoy , Аy - аналогічні зусилля і деформації в кільцевому напрямку; A1,јC3 - жорсткісні коефіцієнти.

Уточнення фізичних співвідношень (11) виконано в частині опису деформацій повзучості бетону, що входять складовими в елементи вектора-стовпця вільних членів N0x , M0x , N0y , M0y..

Неоднорідність властивостей по товщині враховується поданням залізобетонного елемента у вигляді системи шарів кінцевої товщини (рис. ), розглянутих як плоско напружені диски. Арматура представляється у вигляді окремого шару, що характеризується параметром армування fsi,x(y). Спільність деформацій шарів враховується застосуванням гіпотези про недеформованість нормалей. Час дії навантаження і температури розбивається на окремі інтервали. Розподіл температури по товщині елемента вважається заданим. Механічні характеристики властивостей матеріалів є функціями температури.

Нормальні напруження уздовж осі унаслідок малості не враховуються. Розрахункові величини – температурні моменти Mtx , Mty , деформації серединної поверхні e0x, e0y, напруження в шарах бетону й арматури, зусилля тріщиноутворення і ширина розкриття тріщин.

Тестування розрахункової моделі і методики розрахунку здійснено зіставленням результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними В.В. Кардакова, В.І. Корсуна, В.Д. Передерея.

Як приклади виконані розрахунки елементів залізобетонних споруд – димової труби Н=120м “ЛПЦ-1700” Маріупольського металургійного комбінату, залізобетонних оболонок градирень №1 та №2 Н=55 м Сімферопольської ТЕЦ, градирень №1 та №2 Н=150 м Зуєвської ТЕС, захисної оболонки АЕС.

Температурні моменти в елементах димових труб (рис. ) досягають максимальної величини при першому однобічному нагріванні, при тривалому нагріванні вони релаксують унаслідок неоднорідного розвитку по товщині деформацій усадки і повзучості бетону, при остиганні змінюють знак на протилежний. Додаткові напруження в арматурі меридіонального напрямку, внаслідок усадки і повзучості бетону досягають в основних ярусах бетонування значень порядка 70% від розрахункового опору, а у дефектних ярусах бетонування зі зниженою на 28% міцністю і підвищеною деформативністю бетону – стану плинності, що відповідає дійсному характеру ушкоджень дефектного ярусу у вигляді втрати стійкості і витріщання стержнів вертикальної арматури.

У залізобетонних оболонках градирень напруження від перепаду температури і вологості по товщині є основним силовим фактором, що перевищує по величині відповідні напруження від вітрового навантаження і ваги споруди. Дійсні перепади температури і вологості по товщині оболонок градирень №1 та №2 Зуєвської ТЕС (рис. ) менше розрахованих за кліматичними значеннями температури зовнішнього повітря і проектними значеннями температури внутрішнього пароповітряного середовища через їх додатковий зовнішній підігрів і зволоження оболонок від діючих поблизу інших градирень зрошувального типу. Розрахункові значення згинальних моментів в оболонках розглянутих градирень від дійсних величин температурно-вологісних перепадів не викликають утворення тріщин, що підтверджується результатами натурних досліджень.

Рис.6 Температурні моменти в елементі димової труби при однобічному нагріванні до 700С для ярусу з бетоном проектної міцності; - для ярусу з бетоном зниженої міцності

Розрахункова оцінка НДС елементів захисної оболонки стосовно до Запорізької АЕС виконана з урахуванням історії навантаження для основних етапів зведення й експлуатації споруди (рис. 8, 9). Деформації усадки й повзучості бетону істотно змінюють НДС споруди, обумовлюючи збільшення стискаючих напружень у ненапруженой гнучкій і жорсткій арматурі, а також утрати до 8% напруг попереднього напруження в арматурі, що попередньо напружується. При розрахунковій аварії можливе утворення вертикальних тріщин у бетоні на всю товщину оболонки з забезпеченням міцності і збереженням цілосності внутрішнього листового обшивання. Після розрахункової аварії тріщини затискуються (sbx”-4МПа). У горизонтальних перетинах при розрахунковій аварії тріщини в бетоні з розрахунку не утворюються.

Вірогідність результатів чисельних досліджень по оцінці НДС споруд у значній мірі визначається точністю вихідних даних, що задаються. Наведені на рис. 6-9 результати ілюструють можливості методу розрахунку, що розвивається, і можуть бути скоректовані при врахуванні інших факторів, вивчених поки недостатньо, але маючих суттеве значення для бетону.

Рис. 7 Змінення температури повітря усередині та зовні градирні (б, е, ж), відносної вологості бетону (и, к) та приросту деформацій оболонки у кільцевому eq (в) та меридіональному es (г) напрямках при переході від зимового до літнього періодів експлуатації

Рис. 8 Схема армування кільцевого (а) та меридіонального (б) переризів элементу захисної оболонки

розрахункові періоди експлуатації : АВ –  зведення; ВС – попереднє обтиснення арматурою поз. №№ 6ё9; СD – эксплуатація при стабільному температурному режимі (t0вн=+600С, t0зов=+200С); DЕ – розрахункова аварія (t0вн=1500С; t0зов=+200С, Рнадм=0,5 МПа;) EF – післяаварійний этап (t0вн=200С; t0зов=200С; Рнадм=0 МПа;)

Рис. 9 Змінення характеристик НДС захисної оболонки в розрахункові періоди эксплуатації: а) деформації серединної поверхні; б) крайові напруження у бетоні; в) напруження у попередньо ненапруженій арматурі; г) теж, у попередньо напруженій; д) теж, у жорсткій арматурі та листі обшивці. Розміщення арматурних елементів – згідно з рис. 8

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Виконано розвиток методу розрахункової оцінки напружено-деформованого стану елементів залізобетонних споруд оболонкового типу у часті урахування залежності характеристик повзучості від виду плоского напруженого стану. Стосовно до ПЕОМ розроблено програму розрахункового визначення параметрів напружено-деформованого стану елементів споруд при різних варіантах впливів двовісних навантажень і температурно-вологісних градієнтів.

2. Отримано експериментальні дані щодо особливостей тривимірного розвитку деформацій повзучості бетону в умовах плоского напруженого стану, у тому числі в умовах впливу підвищених температур до 150°С.

3. Розроблено аналітичні вирази, що встановлюють на підставі застосування співвідношень деформаційної теорії пластичності бетону залежності між напруженнями і деформаціями повзучості бетону для довільного виду плоского напруженого стану. При цьому в якості основних використовуються інваріантні характеристики повзучості - міра об'ємної деформації і міра деформації зсуву, що виражаються через міру простої повзучості бетону при одновісному стиску.

4. Отримано дані натурних досліджень залізобетонних оболонок градирен №1 і №2 Зуєвської ТЕС щодо розподілу температури і вологості по товщині та висоті оболонок, а також величин приросту деформацій оболонок у меридіональному і кільцевому напрямках у різні кліматичні і технологічні періоди експлуатації. Отримані дані використані при тестуванні методики розрахунку, що розвивається.

5. Отримано результати чисельних досліджень напружено-деформованого стану елементів залізобетонних інженерних споруд стосовно до залізобетонних димових труб, градирен, захисної оболонки АЕС для режимів тривалих термосилових впливів експлуатаційного рівня і короткочасних зростаючих до руйнування навантажень. Найбільш вагомими факторами, що визначають напружено-деформований стан названих споруд, є температурні впливи, перерозподіл напружень між бетоном і арматурою внаслідок усадки і повзучості бетону, тріщиноутворення.

Результати роботи використані при оцінці НДС залізобетонних елементів димової труби Н=120 м листопрокатного цеху "ЛПЦ-1700" Маріупольського МК, оболонок градирен №1 і №2 Зуєвської ТЕС, градирен №1 і №2 Сімферопольської ТЭЦ на етапі розробки проектних рішень по їхньому ремонту та підсиленню.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

ОПУБЛІКОВАНІ в слідуючих РОБОТАХ:

1. Корсун В.И., Наволоков А.Н., Мащенко А.Н. Анализ аппроксимирующих выражений для описания диаграмм деформирования бетона //Вестник ДонГАСА.  Макеевка: ДонГАСА.  .  вып.95-1(1).  С. .

2. Корсун В.И., Мащенко А.Н. О некоторых особенностях ползучести бетона при объемном сжатии //Вестник ДонГАСА.  Макеевка: ДонГАСА.  .  вып.98-4(12).  С. .

3. Мащенко А.Н. Совершенствование методики экспериментальных исследований ползучести бетона при плоском напряженном состоянии // Вісник ДонДАБА.  Макеевка: ДонГАСА.  .  вып.99-2(16).  С. .

4. Корсун В.И., Мащенко А.Н. Исследование ползучести бетона при плоском напряженном состоянии // Вісник ДонДАБА. – Макеевка: ДонГАСА.  .  вып.2001-4(29).  С. 65-72.

5. Корсун В.И., Мащенко А.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния железобетонных оболочек градирен // Вісник ДонДАБА. – Макеевка: ДонГАСА.  .  вып.2001-5(30).- С. .

6. Корсун В.И., Мащенко А.Н. Оценка напряженно-деформированного состояния плоско напряженных железобетонных элементов сооружений с учетом фактора времени // Коммунальное хозяйство городов. – Харьков: ХГАГХ. – .  вып.39.  С. .

Особистий внесок автора в цих публікаціях:

У статті [1] автором виконано аналіз щодо застосовності діаграм ЄКБ для опису процесу деформування бетону, у [2] виконано обробку експериментальних даних різних авторів для аналізу особливостей тривалого деформування бетону, у [3, 4] викладено результати експериментальних досліджень повзучості бетону, у [5] наведені дані щодо деформацій, розподілу температури і вологості по товщині і висоті оболонок градирен Зуєвської ТЕС, у [6] розроблено аналітичні вирази щодо врахування впливу виду плоского напруженого стану на характеристики повзучості бетону, отримано результати чисельних досліджень НДС елементів димової труби.

АНОТАЦІЯ

Мащенко Андрій Миколайович. Напружено-деформований стан тонкостінних елементів залізобетонних споруд в умовах тривалого двовісного навантаження та нагріву. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня 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, 2002.

Робота присвячена питанням розрахункової оцінки НДС елементів вісесиметричних залізобетонних споруд з температурними градієнтами в радіальному напрямку при тривалих термосилових впливах з урахуванням виду плоского напруженого стану. Виконано експериментальні дослідження повзучості бетону при плоских напружених станах “стиск-стиск” та “стиск-розтягнення” в умовах нормальної та підвищеної до +1500С температури. На основі співвідношень деформаційної теорії пластичності розроблено аналітичні вирази щодо опису повзучості бетону при плоскому напруженому стані, які дозволили удосконалити методику розрахункової оцінки НДС елементів залізобетонних споруд, що працюють в умовах двовісних навантажень й однобічного нагріву в частині врахування впливу виду плоского напруженого стану на характеристики повзучості бетону.

Ключові слова: напружено-деформований стан, залізобетонні елементи інженерних споруд, температурний перепад, фізична нелінійність, повзучість, усадка.

Аннотация

Мащенко Андрей Николаевич. Напряженно-деформированное состояние тонкостенных элементов железобетонных сооружений в условиях длительного двухосного нагружения и нагрева. - 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, 2002.

Работа посвящена вопросам расчетной оценки напряженно-деформированного состояния элементов тонкостенных осесимметричных железобетонных сооружений с температурными градиентами в радиальном направлении при длительных температурно-силовых воздействиях с учетом плоского напряженного состояния.

Выполнены экспериментальные исследования ползучести бетона при плоских напряженных состояниях "сжатие-сжатие" и "сжатие-растяжение" в условиях нормальной и повышенной температуры. Разработаны на основе соотношений деформационной теории пластичности аналитические выражения для описания ползучести бетона при плоском напряженном состоянии. Выполнено уточнение методики расчетной оценки напряженно-деформированного состояния элементов железобетонных сооружений, работающих в условиях двухосного нагружения и одностороннего нагрева до +1500С в части оценки деформаций ползучести бетона при плоском напряженном состоянии.

Получены результаты натурных экспериментальных исследований железобетонных оболочек градирен №1 и №2 Зуевской ТЭС в части распределения температуры, влажности бетона по толщине и высоте оболочек, деформаций участков оболочек в меридиональном и кольцевом направлениях в различные климатические и технологические периоды эксплуатации. Полученные результаты использованы для тестирования развиваемой методики расчета.

Выполнены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных оболочек дымовой трубы, градирни, защитной оболочки АЭС в условиях температурных и силовых воздействий эксплуатационного уровня и кратковременных догружений. Показано, что наиболее значимыми факторами, определяющими напряженно-деформированное состояние названных сооружений, являются температурные воздействия, перераспределение напряжений между бетоном и арматурой вследствие усадки и ползучести бетона, трещинообразование.

Результаты натурных экспериментальных и теоретических исследований использованы при оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных оболочек градирен №1 и №2 Зуевской ТЭС, градирен №1 и №2 Симферопольской ТЭЦ, железобетонной оболочки дымовой трубы Н=120 м “ЛПЦ-1700” Мариупольского мет. комбината с учетом действительных условий эксплуатации на этапе разработки технических решений по их ремонту и усилению.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, железобетонные элементы инженерных сооружений, температурный перепад, физическая нелинейность, ползучесть, усадка.

Abstract

Mashchenko A.N. The stress-strain state of thin-walled elements of ferro-concrete structures in conditions of long time biaxial loading and heating. –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, 2002.

The work is devoted to questions of estimation of stress-strain states of elements ferro-concrete structures with temperature gradients in a radial direction at long termal and force influences in view of the flat intense condition. Тне experimental researches of concrete creep are executed at the flat intense condition "compression - compression" and "compression-tention" in conditions of normal and raised temperatures up to +1500С. The technique of account of such construction is spesified in part of account creep of concrete.

Key words: stress-strain states, ferro-concrete elements of engineering structures, temperature difference, physical nonlinearity, creep, shrinkage.