3
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
„ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
БОЯРЧУК БОГДАН АРКАДІЙОВИЧ
УДК 624.012:69.059
МІЦНІСТЬ, ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ ТА ДЕФОРМАЦІЇ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ ПІДСИЛЕННЯ РОЗТЯГНУТОЇ ЗОНИ
05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЛЬВІВ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті (ЛДТУ) Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент СУНАК Олег Петрович,
Луцький державний технічний університет, завідувач
кафедри промислового та цивільного будівництва.
Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор КІНАШ Роман Іванович,
Національний університет „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри архітектурних
конструкцій (м. Львів).
- кандидат технічних наук, доцент, БІЛОЗІР Віталій Володимирович Львівський державний аграрний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри будівельних конструкцій (м. Львів).
Провідна установа: - Одеська державна академія будівництва і архітектури, кафедра залізобетонних і кам’яних конструкцій Міністерства освіти і науки України (м. Одеса).
Захист відбудеться “ 24 ” _жовтня_ 2003 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.052.11 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79646, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, головний корпус, кімн. 226.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79646, Львів, вул. Професорська, 1.
Автореферат розісланий “23” вересня 2003 року.
Вчений секретар спеціалізованої
ради, кандидат архітектури, професор Г.П. Петришин
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Багаторічна практика показує, що найбільш надійний спосіб здійснення реконструкції, відбудови або модернізації будівель та споруд відбувається тоді, коли використовують реальну залишкову несучу здатність конструкцій. Такі дані отримують на основі експериментального та теоретичного аналізу їх дійсної роботи з уточненням навантажень, властивостей матеріалів, розрахункових схем тощо.
При відновленні залізобетонних конструкцій застосовують численні способи відбудови, ремонту та підсилення.
Існуючі способи підсилення достатньо добре вивчені та з успіхом використовуються на практиці. Нині, для підсилення залізобетонних конструкцій, найбільшої популярності набули способи нарощування стиснутої або розтягнутої зон, як високоефективні та зручні в умовах реконструкції. Спосіб підсилення розтягнутої зони має переваги у тому, що в разі його застосування не потрібно знімати конструкцію підлоги та повністю розвантажувати несучі конструкції перекриття. Крім того, при нарощуванні розтягнутої зони зручно використовувати ефективні сучасні матеріали. До таких матеріалів, насамперед, відносять сталефібробетон і полімербетон.
Використання сучасних матеріалів при підсиленні залізобетонних конструкцій вимагає оцінювання переваг і недоліків способів підсилення, а також адекватних методів розрахунку, які відображають їх реальний напружено-деформований стан на будь-якій стадії експлуатації. На сьогоднішній день, незважаючи на досить великий досвід підсилення, пропозицій щодо урахування специфічних властивостей ефективних підсилювальних матеріалів суттєво не вистачає. Тому першочерговою задачею цієї дисертації можна вважати аналіз роботи та розробку інженерних методів розрахунку підсилених залізобетонних конструкцій з урахуванням властивостей матеріалів у процесі їх роботи, починаючи з найнижчих напружень і до руйнування.
Зважаючи на викладене, є всі підстави віднести пропоновану роботу до актуальних, яка має теоретичне і практичне значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана в рамках досліджень кафедрою промислового та цивільного будівництва Луцького державного технічного університету та держбюджетної теми № 39 - ДБ „Підвищення надійності будівель і споруд” Міносвіти і науки України, номер державної реєстрації 0199U001048 .
Мета і задачі дослідження. Основна мета роботи – визначення ефективності способів підсилення залізобетонних згинальних елементів на основі експериментальних даних про їх напружено-деформований стан на різних етапах навантаження.
Відповідно до мети були поставлені такі задачі:
- дослідити особливості зміни напружено-деформованого стану підсилених елементів зі зміною інтенсивності навантаження до руйнування;
- експериментально визначити вплив основних фізико-механічних характеристик матеріалів підсилення на міцність, тріщиностійкість і деформованість залізобетонних балок, підсилених нарощуванням розтягнутої зони;
- дослідити вплив тріщин, які мали місце перед підсиленням, на механічні властивості підсилених балок;
- уточнити методику розрахунку міцності, тріщиностійкості і деформативності згинальних залізобетонних конструкцій, підсилених різними способами;
- внести рекомендації, щодо розрахунку за другою групою граничних станів залізобетонних підсилених елементів згідно із змінами норм України;
- проаналізувати вплив міцності контактних швів на міцність залізобетонних балок, підсилених різними способами;
- оцінити економічну ефективність кожного з розглядуваних способів підсилення балок.
Наукова новизна одержаних результатів:
- досліджено, проаналізовано та порівняно напружено-деформований стан залізобетонних згинальних елементів, підсилених у розтягнутій зоні шарами сталефібробетону, армованого полімербетону або важкого бетону;
- розглянуто і проаналізовано характер руйнування залізобетонних балок з урахуванням особливостей конструювання та підсилення;
- встановлено закономірності характеру тріщиноутворення і розкриття тріщин в досліджуваних балках залежно від наявності у них початкових тріщин;
- проаналізовано зростання прогинів в балках, підсилених різними матеріалами (сталефібробетоном, армованим полімербетоном, важким бетоном);
- виявлені закономірності впливу властивостей різних матеріалів на міцність контактних швів у розтягнутій зоні балок;
- запропоновано удосконалення методу розрахунку ширини розкриття нормальних тріщин та прогинів підсилених залізобетонних згинальних елементів згідно із чинними Державними будівельними нормами України (ДБНУ).
Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості їх використання при проектуванні залізобетонних конструкцій, які вимагають підсилення у розтягнутій зоні із застосуванням високоефективних сучасних матеріалів таких, як сталефібробетон, полімербетон або їхніх похідних.
Результати роботи використовують у навчальному процесі та планується їх впровадження у державні норми з проектування підсилених залізобетонних конструкцій.
Особистий внесок здобувача:
- проведені експериментальні дослідження, проаналізований і співставлений напружено-деформований стан залізобетонних балок, підсилених у розтягнутій зоні;
- встановлені особливості роботи балок при різних способах підсилення;
- опрацьовані експериментальні дані та на їх основі внесені пропозиції щодо корегування методів розрахунку залізобетонних підсилених елементів з урахуванням сучасних вимог.
Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації доповідались на науково-технічних конференціях ЛДТУ в м. Луцьку (1998, 1999, 2000, 2001, рр), на V міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій” у м. Луцьку (2002 р.), на науково-практичних конференціях КНУБА у м. Києві (2000, 2001 рр.) та на міжнародній науково-технічній конференції у м. Могильов, Республіка Бєларусь (2000 р.).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані у 7 статтях, в тому
числі 6 у наукових фахових виданнях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел та додатків. Обсяг дисертації становить 157 сторінок основного тексту, 40 рисунків, 17 таблиць, список використаних джерел з 119 найменувань на 11 сторінках, три додатки на 10 сторінках.
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.
У першому розділі викладений стан питання та сформульовані задачі досліджень, проаналізовані результати досліджень залізобетонних елементів, підсилених різними способами. Для ілюстрації встановлення технічного стану споруди, який визначає спосіб і матеріали підсилення, наведено результати обстежень, проведених автором на Волині упродовж останніх років. Визначено характер експлуатаційних зношень несучих залізобетонних згинальних елементів та необхідну міру їх підсилення. Після детального аналізу результатів прийнятого рішення використати традиційний спосіб підсилювання елементів нарощуванням розтягнутої зони шаром важкого бетону, армованого стержневою арматурою. Для співставлення у підсилювальному шарі, окрім важкого бетону, вирішили використати сучасні матеріали, які у останні роки широко застосовують при підсиленні залізобетонних конструкцій – сталефібробетон ?@????????????\@?????????@??????????@????????@??????????@??????@????????@?@???????????X@??@??????????@?????@???????@??????@?@????????????????@??????@?????????@????????\@?????@??????@?????????@????????@??????????@??????????????X@?????@???@?????????@??????? вартості підсилювальної конструкції вона зменшується.
Далі в першому розділі наведені фізико-механічні властивості сталефібробетону і полімербетону як підсилюючих матеріалів. У цьому плані проаналізовані роботи дослідників, які вивчали властивості матеріалів конструкцій, підсилених сталефібробетоном: Б.А. Ашимова, В.В. Білозіра, Г.В. Гетун, О.П. Кричевського, С.О. Кричевського, Є.Ф. Лисенко, Ф.І. Рабіновича, О.П. Сунака, Г.К. Хайдукова, А. Hillerborg, P.S. Shah, Y.S. Jeng та інших. Підсиленню конструкцій полімербетонами присвячені роботи С.С. Давидова, Л.В. Захарова, А. Косассбеха, М.Н. Колоколова, М.А. Мощанського, Л.А. Мурашка, В.І. Соломіна, В.В. Потураєва, H.W. Chung, L.M. Lui, M.A. Mansur та інших.
Закінчується перший розділ аналізом існуючих методів розрахунку залізобетонних конструкцій, підсилених шарами сталефібробетону або полімербетону, відмічено недосконалість цих методів та сформульована задача досліджень.
У другому розділі наведена методика експериментальних досліджень залізобетонних згинальних елементів, підсилених нарощуванням розтягнутої зони шарами сталефібробетону, полімербетону або важкого бетону. Результати випробувань підсилених балок було порівняно з даними, отриманими для непідсилених зразків.
Експериментальні балки виготовляли в заводських умовах. На рис.1 наведено конструкцію експериментальних непідсилених балок.
Рис.1. Конструкція експериментальних балок до підсилення: а – опалубочне креслення; б – схема армування; в –стальний каркас; 1 - ш14 ?-ІІІ; 2...4 - ш4 ?р-І
Програма випробувань і обсяг дослідних зразків наведені у табл. 1.
№ серії | Маркуван-
ня балок | Спосіб підсилення і його шифр | Поперечний переріз зразків | Мета випробування
1 | 2 | 3 | 4 | 5
1 |
Б 1 – 1
Б 1 – 2
Б 1 – 3
Б 1 – 4 |
Без підсилення
( базова серія ) |
Визначення міцності, жорсткості і тріщиностійкості короткочасними випробуваннями.
2 |
БС 2 – 1
БС 2 – 2 |
Залізобетонні балки, підсилені сталефібро-бетоном в розтягнутій зоні без поперднього навантаження |
Визначення міцності та прогинів у середині прольоту балки, утворення і розкриття тріщин у підсиленій конструкції, оцінка динаміки росту тріщин.
БСН 2 – 1
БСН 2 – 2 |
Залізобетонні балки, навантажені до рівня 0,6…0,7 від руйнівного з появою тріщин у розтягнутій зоні , а потім підсилені сталефібробетоном у розтягнутій зоні |
3 |
БП 3 – 1
БП З – 2 |
Залізобетонні балки, підсилені полімербетоном у розтягнутій зоні без попереднього навантаження |
Визначення міцності та прогинів у середині прольоту балки, утворення і розкриття тріщин у підсиленій конструкції, оцінка динаміки росту тріщин.
1 | 2 | 3 | 4 | 5
3 |
БПН 3-1
БПН 3-2 |
Залізобетонні балки, навантажені до рівня 0,6…0.7 від руйнівного з появою тріщин у розтягнутій зоні , а потім підсилені полімербетоном у розтягнутій зоні |
Визначення міцності та прогинів у середині прольоту балки, утворення і розкриття тріщин у підсиленій конструкції, оцінка динаміки росту тріщин.
4 |
БТ 4 – 1
БТ 4 – 2 |
Залізобетонні балки, підсилені підведенням додаткової арматури у розтягнутій зоні з нарощуванням важким бетоном без попереднього навантаження |
|
Визначення міцності та прогинів у середині прольоту балки, утворення і розкриття тріщин у підсиленій конструкції, оцінка динаміки росту тріщин.
БТН 4 - 1
БТН 4 - 2
БТ 4 – 2 |
Залізобетонні балки, навантажені до рівня 0,6…0,7 від руйнівного, до появи тріщин в розтягнутій зоні , а потім підсилена підведенням додаткової арматури у розтягнутій зоні з нарощуванням важким бетоном
Для імітації експлуатаційного зношення і відповідного зменшення міцності зразки балок були ослаблені шляхом пропилювання надрізів арматури у зоні чистого згину на 2 мм. Таким чином, робочі перерізи поздовжньої арматури фактично становили 2 o12 А-ІІІ при .
Для приготування суміші основного бетону використовували портландцемент М400, щебінь крупністю зерен 20 мм і річковий пісок з , склад суміші за масою становив 1:1,5:8 при В/Ц = 0,8. Для підсилення шаром сталефібробетону використовували дрібнозернистий бетон та 3% дротяної фібри з відпрацьованих канатів марки ЛК- 0,6х19 зі співвідношенням Перед приготуванням сталефібробетонної суміші для знежирення фібри були витримані у бензині та просушені. Полімербетон підсилення виготовлений з епоксидної смоли ЭД-20 (100 частин), поліефірної смоли МГФ-9 (15 частин), поліетиленполіаміну ПЭПА (15 частин) та суміші піску з портландцементом М500 при П:Ц=3:1 (450 частин).
Для підсилення балок четвертої серії використовували важкий бетон, виготовлений з портландцементу М500, щебеню з максимальним розміром зерен 20мм і піску при співвідношенні складових 1:1,5:6,0 при В/Ц=0,8.
Короткочасні випробування балок проводили на універсальному пресі МС-100 за схемою однопрольотної вільноопертої балки, навантаженої у третинах прольоту. У процесі випробування величину навантаження контролювали взірцевим манометром гідравлічної станції, деформації граней балки та прогини фіксували компаратором з індикаторами ціною поділки 0,002мм та прогиномірами Максимова. Для визначення моменту появи та розвитку тріщин використовували мікроскоп МП-2 з ціною поділки 0,05мм.
Для визначення міцнісних та деформативних характеристик основного бетону експериментальних балок, а також сталефібробетону, полімербетону і важкого бетону підсилення були виготовлені та випробувані зразки кубів розмірами ребра 100мм і призми розмірами 100х100х400мм. Крім того, після виготовлення балок у шарах підсилення (сталефібробетону, полімербетону і важкого бетону) паралельно з руйнівними методами визначали міцність неруйнівним методом за допомогою молотка Кашкарова. Для цього робили 15...20 відбитків у різних місцях підсилення, а потім за тарировочною кривою обчислювали міцність відповідного бетону. За підсумками усіх випробувань встановлювали середні величини фізико-механічних характеристик досліджуваних бетонів.
Для отримання міцнісних і деформованих властивостей арматури за допомогою розривної машини МП-500 було випробувано зразки арматури класів А-ІІІ, Вр-І та сталевих фібр, виготовлених з дроту рубаних відпрацьованих канатів діаметром 1мм.
Для порівняння експериментами було передбачено два випадки навантаження. У першому випадку підсилення виконували без попереднього навантаження. У другому – балки перед підсиленням були навантажені зусиллям у 0,6...0,7 від руйнівного до утворення нормальних тріщин шириною розкриття 0,1...0,3 мм. Після розвантаження вони були підсилені (серії БСН, БПН, БТН див. табл.1).
Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням міцності, тріщиностійкості та деформативності підсилених залізобетонних балок (рис.2).
Проаналізована робота дослідних зразків та визначені основні п’ять етапів зміни їх напружено-деформованого стану. Перший етап характеризується практично пружними деформаціями бетону у стиснутій і розтягнутій зонах. Цей стан триває приблизно до зусиль, які складають 0,3...0,4 від руйнівних для непідсилених балок, тобто практично до появи перших тріщин. Розшарування шарів підсилення з основними балками на цьому етапі зафіксовано. Другий етап роботи триває до рівня 0,6...0,7 від руйнівного для непідсилених зразків, тобто після появи нормальних тріщин.
Рис. 2. Залежність „ згинальні моменти – деформації “ балок на рівні крайнього стиснутого волокна і на рівні розтягнутої грані елемента
На цьому етапі спостерігається розшарування підсилюючого шару від основної конструкції балки. У кінці етапу для деяких балок відшарування досягає 25...30% довжини зони значення. На третьому етапі при навантаженні 0,8...0,9 від руйнівного у непідсилених балок, крім нормальних, з’являються і активно розвиваються похилі тріщини. Розшарування у розтягнутій зоні балок збільшується до 40...50% загальної довжини зчеплення. На четвертому етапі при М > 0,9Мu починається стадія руйнування. У непідсилених балок спостерігається пластичний характер руйнування, оскільки арматура класу А-ІІІ має фізичну межу текучості при малому відсотку армування. В той же час підсилені балки продовжували працювати і зруйнувалися тільки на п’ятому етапі. Розшарування підсилюючого шару досягало 80...90% довжини розтягнутої зони. Балки серій Б, БС і БСН зруйнувалися за нормальними перерізами. При цьому у балках, підсилених шаром сталефібробетону, відрив підсилюючого шару виникає у прольоті та не досягає опор. У балках серій БП, БПН, БТ і БТН на останньому етапі відбулося розшарування біля опор. Ці балки зруйнувалися за похилими перерізами на рухомій опорі.
В балках, підсилених сталефібробетоном, спостерігалося практично одночасне руйнування розтягнутої та стиснутої зон. Підсилюючий шар зруйнувався внаслідок висмикування фібр. Цей спосіб руйнування відбувається при помірному зчепленні бетону з фібрами, що характерно для гладеньких фібр, отриманих з відпрацьованих канатів. Руйнівне розтягувальне напруження у підсилюючому шарі сталефібробетону отримували за формулою
(1)
де , МПа/мм – коефіцієнт зсуву; ?LС, мм – видовження та зсув фібр відносно бетонної матриці.
Коефіцієнт зсуву прийнятий МПа/мм за середніми даними статистичної обробки результатів випробувань, проведених у НДІЗБ (Росія, Москва). Видовження та зсув фібр відносно бетонної матриці за даними приладів (індикаторів і компараторів) у описуваних дослідах становили у середньому мм. Звідси МПа, що практично співпадає з розрахунковими даними міцності сталефібробетону на розтяг. Таким чином, у балках, підсилених сталефібробетоном, була повністю вичерпана несуча здатність як за нормальними, так і за похилими перерізами.
Найбільший приріст несучої здатності виявився у балках, підсилених армованим шаром полімербетону. Але у цьому випадку, як і при підсиленні армованим шаром важкого бетону, поздовжня арматура не досягла межі текучості, тобто не була використана повністю, внаслідок розшарування на опорі та руйнування за похилими перерізами.
Усі способи підсилення збільшують зусилля тріщиноутворення приблизно на однакову величину, у межах 30%, у порівнянні з непідсиленими зразками. Випадають у бік збільшення тільки балки марок БСН (на 74%) і БПН (на 52%), підсилені відповідно шаром сталефібробетону та полімербетону. Це збільшення, швидше за все пов’язане з умовами зчеплення „старого” бетону балки з „новим” бетоном підсилення. Збільшення зчеплення підсилювальної розтягнутої зони балок за рахунок проникнення у початкові тріщини сталефібробетону або полімербетону з його високою склеювальною здатністю, спричинило підвищення тріщиностійкості.
Встановлено, що при однаковому рівні навантаження непідсилені балки показали значно більшу ширину розкриття нормальних тріщин у порівнянні з підсиленими. У той же час у діапазоні експлуатаційних навантажень, підсилені зразки мали приблизно однакову ширину розкриття тріщин, але у два-три рази меншу за непідсилені. При однаковому значенні згинального моменту М=15кНм, що становить (0,65...0,75) Мu, ширина розкриття тріщин мало залежить від способу підсилення (рис.3).
БСН БТН БПН БП БС БТ Б
Рис. 3. Ширина розкриття тріщин, в мм, на розтягнутій грані шару підсилення при моменті 15 кНм
Так, у непідсилених балках ширина розкриття тріщин складає 0,18...0,20мм, у підсилених шаром сталефібробетону, полімербетону та важкого бетону - мм.
Результати експериментальних досліджень прогинів у середині прольоту підсилених і непідсилених зразків наведені на рис. 4.
Рис.4. Середні значення прогинів дослідних залізобетонних балок
Як видно з рис. 4, зростання прогинів до точки перегину, яка свідчить про утворення нормальних тріщин, є пружним. Найбільший рівень нелінійності можна спостерігати у балках підсилених шарами сталефібробетону або полімербетону. Очевидно, це пояснюється роботою між тріщинами розтягнутої зони шарів підсилення, які мають великі пластичні властивості застосованих матеріалів.
Аналіз деформацій, жорсткості та прогинів, отриманих у дослідах, свідчить, що поміж способами підсилення з точки зору деформативності конструкцій виділити найбільш ефективний неможливо. Усі балки при будь-якому із запропонованих способів підсилення у експлуатаційному режимі навантажень, тобто при М/Мu= 0,7...0,8, працюють майже однаково.
У четвертому розділі запропонований розвиток методів розрахунку залізобетонних згинальних елементів, підсилених нарощуванням розтягнутої зони різними матеріалами. У цьому ж розділі наведено порівняння теоретичних і експериментальних результатів.
Для повного аналізу несучої здатності розрахунки міцності дослідних зразків з урахуванням міцнісних та геометричних параметрів, були виконанні як для нормальних так і для похилих перерізів.
При виконанні умови визначення максимального згинального моменту обчислювали за співвідношеннями:
- для балок без підсилення
(2)
де - фактичні значення дослідних міцнісних та геометричних величин балок;
- для елементів, підсилених неармованим шаром сталефібробетону
(3)
де - плече внутрішньої пари сил, тобто відстань між рівнодіючими зусиллями у стиснутому бетоні та повздовжній розтягнутій арматурі;
- для елементів, підсилених армованим шаром полімербетону або важкого бетону
(4)
де - відповідно опір і площа арматури підсилення; - відстань від крайньої стиснутої грані підсиленої балки до центру ваги арматури підсилення (робоча висота підсиленого перерізу).
Руйнуючу поперечну силу визначали за формулою чинних норм
(5)
де (6)
(7)
усі параметри прийняті для непідсилених балок, оскільки руйнування за поперечною силою проходило після розшарування балок на опорі.
Підсилення експлуатованих залізобетонних конструкцій збільшенням висоти поперечного перерізу передбачає забезпечення спільної роботи підсилювальної конструкції із шаром підсилення за усією довжиною.
При порушенні цієї умови, після розшарування основного елемента і шару підсилення у прольоті або на опорі, конструкція працює як непідсилена. Однак, якщо для нормальних перерізів відокремлений шар підсилення зберігає деяку несучу здатність, працюючи з основною (непідсиленою) конструкцією як залізобетонний елемент без зчеплення розтягнутої арматури з бетоном (стягель), то розшарування на опорі призводить до повернення міцності похилих перерізів непідсиленої конструкції.
Міцність контактних швів у даній роботі перевіряли, виходячи з умови
, (8)
де - зсувне зусилля у контактному шві від зовнішнього навантаження
, (9)
де усі позначення наведені на рис. 5;
; (10)
де - середній за довжиною ділянки зсуву розрахунковий опір контактного шва
; (11)
де - розрахункова ширина та довжина поверхні зсуву;
Rbt,m = (Rbt1+ Rbt2) / 2, (12)
де - опори основного бетону і бетону підсилення.
В дисертації детально проаналізовано зміст коефіцієнтів, які містить формула (11), та рекомендовані їх значення, що відповідають результатам проведених експериментів.
Рис.6 наочно показує якісну картину руйнування балок залежно від міцності контакту на опорі. При достатності цієї величини балки зруйнувалися за нормальними перерізами (серії БС і БСН). При недостатній несучій здатності контактних швів на опорі зразки (серії БП, БПН, БТ, БТН) зруйнувалися на опорі за поперечною силою.
Рис.6. Визначення способу руйнування дослідних зразків
Визначення параметрів підсилення за тріщиностійкістю та деформаціями (друга група граничних станів) показало, що підсилені конструкції мають великі резерви.
Перевірку утворення нормальних і похилих тріщин виконували, виходячи з умови
, (13)
де Мr – момент від дії повного навантаження; Мcrc – момент, який сприймає нормальний або похилий переріз при утворені відповідної тріщини.
З точки зору експлуатаційних якостей конструкцій, нормальні тріщини найбільш небезпечні тому, що вони виникають і розвиваються раніше від похилих. Тому основною задачею виявилося визначення моменту тріщиностійкості нормальних перерізів. Для згинальних ненапружених залізобетонних елементів момент тріщиноутворення визначають за формулою
, (14)
де - опір бетону розтяганню, прийнятий за результатами досліджень;
- пружно-пластичний момент опору перерізу відносно крайнього розтягнутого волокна.
Як показали дослідження, для підсилених балок можна використовувати наближені значення
, (15)
де (16)
- додаткова арматура підсилення.
Для елементів, підсилених шаром неармованого сталефібробетону можна використовувати формулу
, (17)
де - опір сталефібробетону на розтяг, отриманий експериментальним шляхом.
Ширину розкриття нормальних тріщин обчислювали з урахуванням пропозицій, які увійшли до чинних нормативних документів України. Згідно з ДБНУ, ширину нормальних тріщин непідсилених і підсилених згинальних елементів визначають за формулою
, (18)
де усі вхідні параметри детально проаналізовані у роботі.
За даними досліджень рекомендовані значення величин, які містяться у залежності (18).
Якщо розтягнута зона підсилена матеріалом, який не має стержневої арматури (наприклад, шаром сталефібробетону), запропоновано замість приймати умовну еквівалентну площу арматури, розподілену у цьому шарі, тобто
, (19)
де - коефіцієнт об’ємного армування сталефібробетону, - висота шару; b – ширина бал
ки.
Підводячи підсумки проведеним експериментально-теоретичним дослідженням, слід визначити, що усі дослідні зразки балок з точки зору тріщиностійкості показали задовільні експлуатаційні якості.
Використана при розрахунках деформацій формула для обчислення кривини підсиленого напруженого залізобетонного згинального елемента з тріщинами прийнята з урахуванням змін до СНиП, встановлених ДБН України
, (20)
де усі вхідні параметри визначені у роботі.
Зведена таблиця 2 результатів порівняння експериментальних даних міцності, тріщиностійкості та деформацій дає змогу переконатися у їх задовільній відповідності з теоретичними значеннями.
Таблиця 2
Порівняння експериментальних і теоретичних результатів
№ | Найменування величини | Одиниця виміру | Умовні позначення | Серії дослідних зразків
Б-1 | БС | БСН | БП | БПН | БТ | БТН
1 | Середня експериментальна руйнуюча сила | кН | 27,0 | 35,0 | 37,5 | 35,75 | 42,25 | 34,0 | 33,2
2 | Відповідний згинальний руйнуючий момент | кНм | 16,2 | 21,0 | 22,5 | 21,45 | 23,35 | 20,4 | 19,95
3 | Теоретична міцність нормальних перерізів | кНм | 15,66 | 18,91 | 18,91 | 21,79 | 21,79 | 21,79 | 21,79
4 | Теоретична міцність похилих перерізів | кН | 34,28 | 38,06 | 38,06 | 34,28 | 34,28 | 34,28 | 34,28
5 | Експериментальні моменти утворення тріщин | кНм | 6,9 | 9,0 | 12,0 | 9,0 | 10,5 | 9,0 | 9,0
6 | Розрахункові моменти утворення тріщин | кНм | 4,74 | 6,79 | 8,83 | 5,78 | 6,65 | 5,78 | 5,78
7 | Експериментальні величини ширини розкриття нормальних тріщин | мм | 0,13 | 0,125 | 0,125 | 0,133 | 0,075 | 0,145 | 0,17
8 | Теоретичні величини ширини розкриття нормальних тріщин | мм | 0,167 | 0,134 | 0,140 | 0,164 | 0,197 | 0,140 | 0,171
9 | Експериментальні прогини | мм | 4,54 | 2,30 | 2,65 | 2,4 | 2,7 | 2,1 | 2,25
10 | Теоретичні прогини | мм | 4,32 | 2,98 | 3,12 | 3,09 | 4,25 | 3,43 | 3,60
Суттєве перебільшення, на 30...40%, розрахункових прогинів в усіх підсилених елементах свідчить про невраховані резерви їх жорсткості, скоріш за все, деформативність підсилених конструкцій, у порівнянні з непідсиленими, у експлуатаційній стадії збільшується за рахунок більш ефективної роботи розтягнутого матеріалу підсилення між тріщинами (особливо сталефібробетону і полімербетону). Крім того, можна припустити, що початкові тріщини, у випадку їх появи перед підсиленням ніби „заліковуються” (зашпаровуються) шаром підсилення, що призводить до спільної роботи усього підсиленого елемента як суцільного аж до початку руйнування контактних швів.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Результати визначення міцнісних та деформаційних властивостей основного бетону дослідних зразків та бетонів підсилення (важкого бетону, сталефібробетону та полімербетону) показали, що встановлені нормами та рекомендаціями характеристики, у своїй більшості, співпадають з отриманими у проведених дослідженнях.
2. Напружено-деформований стан усіх залізобетонних балок, підсилених різними матеріалами, з початку навантаження і до руйнування змінюється практично однаково. Лише на останньому етапі характер руйнування дослідних зразків виявився різним. Непідсилені балки та зразки, підсилені шаром сталефібробетону, зруйнувалися за нормальними перерізами. Згинальні елементи, підсилені шарами армованого полімербетону та важкого бетону, зруйнувалися за похилими перерізами. Це пояснюється розшаруванням шарів підсилення на опорах і значним збільшенням міцності нормальних перерізів і практичною відсутністю збільшення міцності похилих перерізів.
3. За результатами випробувань дослідних залізобетонних балок, несуча здатність їх збільшилася у 1,3...1,6 раза. Найбільше зростання несучої здатності у балках, підсилених армованим шаром полімербетону, найменше – при підсиленні шаром армованого важкого бетону.
4. На експлуатаційній стадії роботи основні конструкцій балок та шари підсилювання працюють спільно. Лише на останніх стадіях напружено-деформованого стану виникає розшарування. Дослідні зразки підсилених балок показали підвищені експлуатаційні якості у порівнянні з непідсиленими. Зусилля тріщиностійкості для усіх балок збільшилося не менше як на 30%, а для балок серії БСН – на 74%, для балок серії БПН – на 52%.
5. Відмічено суттєве зменшення ширини розкриття нормальних тріщин підсилених зразків у порівнянні з непідсиленими. Так, при експлуатаційних навантаженнях, які складають 65...75% від руйнуючих, ширина розкриття тріщин у підсилених балках була у 2...3 раза меншою, ніж у непідсилених.
6. За результатами випробувань виявлено, що прогини підсилених балок зменшилися у 1,3...2 раза у порівнянні з непідсиленими.
7. Використання сучасних матеріалів (сталефібробетону, полімербетону тощо) при підсиленні залізобетонних конструкцій вимагає адекватних методів розрахунку, які б могли відбивати реальний напружено-деформований стан підсилених конструкцій на будь-якій стадії їх експлуатації. Запропоновані у дисертації удосконалення методів розрахунку показали задовільні результати.
8. Порівняння дослідних і теоретичних результатів свідчить про те, що розрахункові значення порівнювальних величин задовільно співпадають з експериментальними.
СПИСОК ОПУЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.Барашиков А.Я., Сунак О.П., Боярчук Б.А. Експериментальні дослідження згинальних залізобетонних елементів, підсилених різними способами // Ресурсо-економні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наук. праць. - Рівне: РДТУ, 2000. - Вип. 5. - С. 294 - 297.
2. Сунак О.П., Боярчук Б.А. Экспериментальные исследования усиленных изгибаемых железобетонных элементов // Новые конкурентноспособные и прогрессивные технологии, машины и механизмы в условиях современного рынка. Материалы международной научно-технической конференции. – Могилев: ММСИ, 2000. – С. 354.
3. Боярчук Б.А. Експериментальні дослідження прогинів згинальних залізобетонних елементів, підсилених різними способами // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі і споруди. Зб. наукових праць. Вип. 8. – Рівне: РДТУ, 2002. – С. 64 - 67.
4. Боярчук Б.А. Характер тріщиноутворення і розкриття тріщин в експериментальних залізобетонних балках, підсилених різними способами // Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій. Зб. наукових праць. Вип. 5. – Львів: Каменяр, 2002. – С. 219 - 223.
5. Боярчук Б.А. Розрахунок міцності контактних швів у розтягнутій зоні підсилених залізобетонних балок // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наукових праць. Вип. 9. – Рівне: УДУВГП, 2003. – С. 168 - 175.
6. Сунак О.П., Боярчук Б.А. Напружено-деформований стан підсилених залізобетонних балок при короткочасному навантаженні // Міжвузівський збірник (за напрямком „Інженерна механіка”). Наукові нотатки. Вип. 11. – Луцьк: ЛДТУ, 2002. – С. 260 - 267.
7. Барашиков А.Я., Боярчук Б.А., Мустафа Блалі. Дослідження надійності розрахункових формул імовірнісної оцінки міцності залізобетонних балок // Вісник Сумського національного аграрного університету. Науково-методичний журнал. Вип. 8. – Суми, 2002. – С. 12 - 20.
Боярчук Богдан Аркадійович. Міцність, тріщиностійкість та деформації залізобетонних конструкцій при різних способах підсилення розтягнутої зони. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – „Будівельні конструкції, будівлі і споруди”. Національний університет „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України. – Львів, 2003.
Для обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи проведені обстеження залізобетонних конструкцій промислових та цивільних будівель, які були у довгостроковій експлуатації. За визначеними характерними дефектами і пошкодженнями залізобетонних згинальних елементів обраний спосіб і матеріали їх підсилення у розтягнутій зоні.
Експериментальні дослідження залізобетонних зразків балок, підсилених шарами неармованого сталефібробетону, армованого полімербетону і армованого важкого бетону, дали можливість порівняти основні якісні параметри елементів підсилення. Виявлено ефективність різних способів підсилення, позитивні та негативні сторони у процесі короткочасних випробувань. Для кожного способу підсилення зроблено кількісну оцінку основних показників конструкції: міцності, тріщиностійкості і деформативності.
Запропоновані способи розрахунку підсилених конструкцій, які враховують фізико-механічні властивості сучасних ефективних матеріалів, нові розробки у рамках Державних будівельних норм України (ДБНУ) та останні досягнення теорії залізобетону.
Ключові слова: бетон, сталефібробетон, полімербетон, залізобетонні балки, підсилення, міцність, тріщиностійкість, деформації, спосіб руйнування і тріщиноутворення, розрахунок.
Боярчук Богдан Аркадиевич. Прочность, трещиностойкость и деформации железобетонных конструкций при различных способах усиления растянутой зоны. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.21.03 – „Строительные конструкции, здания и сооружения”. Национальный университет „Львовская политехника” Министерства образования и науки Украины. – Львов, 2003.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной народно-хозяйственной задачи – изучению эксплуатационных качеств изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных эффективными строительными материалами в растянутой зоне.
С целью анализа дефектов и повреждений железобетонных конструкций эксплуатируемых зданий были проведены широкие обследования элементов перекрытий и покрытий промышленных и гражданских зданий Волынской области. По результатам проведенных обследований выбран предмет и способ экспериментально-теоретических исследований усиливаемых конструкций. Принято решение исследовать железобетонные изгибаемые элементы-балки как наиболее массовый вид конструкций, которые подвергаются изнашиванию в процессе эксплуатации. В связи с недоступностью, в большинстве случаев, для работы по усилению сжатой зоны элемента в исследованиях приняты различные способы усиления растянутой зоны элемента. В качестве усиливающих запроектированы следующие слои: неармированного сталефибробетона, армированного полимербетона, армированного тяжелого бетона. Для сопоставления результатов параллельно испытаны неусиленные железобетонные балки. Проведена экономическая оценка предложенных способов усиления в зависимости от материала и технологии усиления.
Методика экспериментальных исследований включала изготовление новых материалов усиления (сталефибробетона и полимербетона), технологию приготовления бетонных смесей, бетонирования неусиленных и двухслойных усиленных образцов в производственных условиях. До начала испытаний половина опытных усиленных балок была нагружена до уровня 0,6...0,7 от разрушающего до появления начальных трещин шириной раскрытия 0,1...0,3 мм. После этого балки были разгружены, усилены тщательной заделкой образовавшихся трещин и испытаны до разрушения.
Проведенные испытания показали, что прочность усиленных балок увеличилась в 1,3…1,6 раза. Наибольшее увеличение несущей способности отмечено у балок, усиленных армированным слоем полимербетона, наименьшее – при усилении армированным слоем тяжелого бетона. На эксплуатационной стадии работы растянутый слой усиливаемых балок и слой усиления деформировались совместно. Только на последних этапах нагружения возникало расслоение.
Усилие трещинообразования для всех усиленных балок увеличилось не менее, чем на 30 %, а в балках, усиленных слоем сталефибробетона – на 74 %, в балках, усиленных слоем полимербетона – на 52 %.
Отмечено существенное уменьшение ширины раскрытия нормальных трещин при сравнении усиленных и неусиленных образцов. При эксплуатационных изгибающих моментах, которые составляют 65...75 % от разрушающих, ширина раскрытия трещин усиленных балок была в 2…3 раза меньше, чем у неусиленных.
Изменение жесткости и, как следствие, прогибов опытных образцов имело ту же закономерность, что и трещиностойкость. По результатам испытаний установлено, что прогибы усиленных балок уменьшились в 1,3...2 раза по сравнению с неусиленными.
Предложенные автором диссертации усовершенствования методов расчета изгибательных железобетонных элементов при различных способах усиления показали удовлетворительные результаты. Впервые выполнены расчеты усиленных железобетонных конструкций методами, установленными новыми нормами Украины для второй группы предельных состояний. Эти методы расчета нуждались в дополнительных исследованиях, установлении многих параметров, определяющих трещиностойкость, ширину раскрытия трещин и прогибов усиленных балок.
Ключевые слова: бетон, сталефибробетон, полимербетон, железобетонные балки, усиление, прочность, трещиностойкость, деформации, способ разрушение и трещинообразование, расчет.
Boyarchuk Bogdan Arkadiyovych. Strength, crack resistance and deformations of reinforced concrete structures under the different methods of stretched zone strengthening.- Manuscript.
Dissertation for application of scientific degree of the candidate of technical sciences by speciality 05.23.01- “Building structures, buildings and constructions.” National University “Lviv Polytechnics” Ministry of Education and Science of Ukraine.- Lviv, 2003.
Investigations of reinforced concrete structures of industrial and civil buildings after long-term operation have been conducted to ground actuality of subject of the dissertation work. The method and materials of strengthening in the stretched zone have been chosen according to the characteristic defects and damages to reinforced concrete bend elements.
Experimental researches of models of reinforced beams, strengthened by layers of not reinforced steel fibrous concrete, reinforced polymer concrete and reinforced heavy concrete have created a possibility to compare the main qualitative parameters of reinforcement elements. Brought out efficiency of different strenthening methods, positive and negative sides in the process of short-term tests. For every method of strengthening the quantitative estimate of the main coefficients of structures: strength, crack resistance and deformability has been done.
The methods of calculation of the reinforced structures have been suggested, they take into account physicomechanichal properties of modern efficient materials, new developments according to State Building Codes of Ukraine and last achievements of ferroconcrete theory.
Key words: concrete, steel fibrous concrete, polymer concrete, reinforced concrete beams, reinforcement, strength, crack resistance, deformations, the way of destroying and cracking, calculation.
Підписано до друку 22.09.2003 р. Формат 60х90/16
Ум. друк.арк. 1,2. Обл.-вид.арк.. 0,9
Тираж 150. Зам 645
Редакційно-видавничий відділ
Луцького державного університету.
43018, Луцьк-18, вул.. Львівська, 75
Друк-РВВ ЛДТУ
Свідоцтво ДК №351 від 05.03.2001 р.
