КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Цибульник Ігор Олегович

УДК 624.0.12.464.3

ПІДСИЛЕННЯ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ПЛИТ

СТАЛЕФІБРОБЕТОНОМ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури (КНУБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | - доктор технічних наук, професор

БАРАШИКОВ Арнольд Якович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій.

Офіційні опоненти: |

- доктор технічних наук, професор

ШМУКЛЕР Валерій Самуїлович, Харківська державна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій (м.Харків);

- кандидат технічних наук, доцент

КОВАЛЬ Петро Миколайович, Державний дорожній науково-дослідний інститут ім. М.П.Шульгіна Державної служби автомобільних доріг України, директор (м. Київ).

Провідна установа | - Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра будівельних конструкцій та мостів, Міністерство освіти і науки України (м. Львів).

Захист відбудеться “ 15 ” жовтня 2004 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 в Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “ 13 ” вересня 2004 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., с.н.с. |

В.Г.Кобієв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Безпека експлуатації існуючих будівель і споруд, продовження їх терміну служби, відновлення експлуатаційних якостей, уявляє проблему, важливість якої визначена директивами Президента і Кабінету Міністрів України.

За останні роки з’явилися високоміцні матеріали, застосування яких при підсиленні будівельних конструкцій суттєво підвищує ефективність відновлених елементів. Одним з таких матеріалів є сталефібробетон. Сталефібробетон характеризується низкою унікальних властивостей: високою міцністю на розтяг, тріщиностійкістю, водонепроникністю, корозійною стійкістю тощо. Однією з найбільш ефективних галузей застосування сталефібробетону є використання його при ремонтах і реконструкціях. Нанесення тонкого шару сталефібробетону на пошкоджені поверхні залізобетонних конструкцій створює великі переваги при ремонтах і реконструкціях. У цьому випадку відпадає необхідність виконання опалубочних робіт, спрощується процес укладки бетону, зведення риштувань, що призводить до зменшення вартості будівельних робіт.

Найбільш перспективними об’єктами підсилення за допомогою тонкого шару сталефібробетону уявляються плоскі та об’ємні залізобетонні тонкостінні конструкції. При такому використанні матеріалу підсилення сталеві фібри проникають у тріщини, раковини, каверни та інші пошкодження підсилюваної конструкції та ніби зашпаровують дефекти. З’являється конструкція з новими властивостями, складена з блоків підсилюваного елемента, об’єднаного сталефібробетоном. Це дозволяє відновити експлуатаційні якості навіть практично повністю зруйнованих тонкостінних залізобетонних конструкцій.

Однак широке застосування сталефібробетону при підсиленнях суттєво стримується слабою вивченістю властивостей тонкостінних залізобетонних конструкцій, підсилених тонким шаром сталефібробетону. Практично відсутні рекомендації з розрахунку таких конструкцій, особливо, у разі сильного пошкодження підсилюваного елемента. З наукової точки зору важливою проблемою є визначення характеру зміни напружено-деформованого стану отриманих двошарових елементів від початку навантаження і до руйнування.

Викладене вище свідчить про те, що вивчення характеру роботи плоских тонкостінних залізобетонних елементів (плит), підсилених таким ефективним матеріалом як сталефібробетон є актуальною задачею, яка становить науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетної тематики кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій КНУБА на 1996-2005 р. "Дослідження залізобетонних конструкцій при складних впливах" (проблема ОЦ.031.055.16 Ц), розділ ІІІ "Експериментально-теоретичні дослідження залізобетонних конструкцій", номер держ.реєстрації 0197U005390. Автором проведені експериментальні і теоретичні дослідження двохосно попередньо-напружених плит, підсилених сталефібробетоном після їхнього руйнування, при дії рівномірно розподіленого поперечного навантаження.

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи є визначення впливу на міцність, тріщиностійкість і деформативність двохосно попередньо-напружених залізобетонних плит, що практично зазнали руйнування, підсилюючого шару сталефібробетону. Для досягнення поставленої мети були вирішені такі задачі:

-

-

-

-

Об'єкт дослідження – залізобетонні плити, підсилені після руйнування шаром сталефібробетону.

Предмет дослідження – міцність, тріщиностійкість і прогини залізобетонних плит, підсилених сталефібробетоном після руйнування, при дії поперечного навантаження.

Методи дослідження – експериментально-теоретичні дослідження зразків-плит, навантажених поперечним рівномірно діючим навантаженням.

Наукова новизна одержаних результатів:

- доведена і науково обгрунтонава можливість відновлення 65...85% несучої здатності та 40...60% тріщиностійкості практично зруйнованих залізобетонних плит після підсилення шаром сталефібробетону;

- встановлений і проаналізований характер руйнування підсилених плит від дії поперечного рівномірного навантаження;

- встановлені та проаналізовані закономірності утворення та розкриття тріщин, розвитку прогинів підсилених плит від початку навантаження і до руйнування;

- запропоновані рекомендації щодо розрахунку залізобетонних плит з урахуванням особливостей роботи стиснутої зони, поділеної на блоки (конструктивна нелінійність).

Практичне значення одержаних результатів:

-

-

Особистий внесок здобувача:

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи представлені й обговорені на наукових семінарах кафедри залізобетонних конструкцій КНУБА (1999-2002 р.), а також на науково-практичних конференціях КНУБА (1999-2004 р.), на науково-технічнії конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, 2001 р., 2003 р.), VI-й Міжнародній науковій конференції "Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля" (Львів, 2001 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (Київ, 2001 р.), V-му Міжнародному симпозіумі “Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій” (Луцьк, 2002 р.), V-й Всеукраїнській науково-технічній конференції “Будівництво в сейсмічних районах України” (Ялта, 2004 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 наукових праць, у тому числі 6 у науконих фахових виданнях, включених в перелік ВАК України.

Структура дисертації.

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатка. Обсяг дисертації становить 110 сторінок, в тому числі 100 сторінок основного тексту, 35 рисунків, 13 таблиць, список використаних джерел з 100 найменувань на 10 сторінках, один додаток на двох сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано вибір та актуальність теми дисертації, мета, задачі і методичні основи досліджень, наукова новизна та практичне значення роботи; викладені основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі викладено стан питання і сформульовані задачі досліджень, проаналізовані дослідження ефективності підсилення залізобетонних конструкцій сучасним високоміцним матеріалом – сталефібробетоном. Для цього були узагальнені результати проведених до цього часу досліджень балок і плит, підсилених шаром сталефібробетону. Розглянуті переваги та економічна доцільність підсилення плоских елементів сталефібробетоном.

Вивчення роботи підсилених залізобетонних конструкцій, у тому числі і таким ефективним матеріалом як залізобетон, займалося багато науковців, зокрема А.Я.Барашиков, В.М.Бондаренко, С.В.Бондаренко, Б.А.Боярчук, Г.В.Гетун, О.Б.Голишев, Р.О.Ейзеншміт, О.Д.Журавський, П.М.Коваль, О.П.Кричевський, С.О. Кричевський, П.І.Кривошеєв, А.И.Мальганов, Г.А.Молодченко, Й.П.Новотарський, Р.С.Санжаровський, П.О.Сунак, О.Л.Шагін, В.С.Шмуклер та інші. Дослідження показали, що як альтернативний традиційним на сьогоднішній день матеріалом підсилення (армованим розчином, бетоном, полімербетоном, полімером тощо) при ремонтах та реконструкціях може широко запроваджуватися сталефібробетон. Завдяки високій щільності бетонної матриці, сталефібробетон має добрі показники стійкості структури матеріалу. Ці параметри зберігаються також і при впливі агресивних середовищ на сталефібробетон. Сталефібробетон, якісно нанесений та ущільнений, може виявити унікальні властивості: граничну розтягуваність у 5...10 разів вищу, ніж у бетону; роботу матеріалу без тріщин, або з малою шириною розкриття у стадії експлуатації; високу питому енергію руйнування, яка вища ніж у бетону у 10...20 разів тощо.

До основних проблем підсилення відносяться питання вибору конструктивних рішень підсилення сталефібробетоном тонкостінних конструкцій та розрахунку підсилених багатошарових конструкцій.

Основною метою пропонованої роботи є визначення можливості відновлення несучої здатності залізобетонних плит, які мають суттєві ушкодження і дефекти. Для реконструкції таких плит прийняте рішення про їх підсилення шаром сталефібробетону у розтягнутій зоні.

У другому розділі викладено зміст і методика експериментальних досліджень підсилених залізобетонних плит і матеріалів, з яких виготовлені дослідні зразки.

Програма досліджень полягала у двох етапах випробувань. На першому етапі О.Д.Журавським і С.А.Лисюком у КНУБА були випробувані плити без підсилення сталефібробетоном (серія І). На другому етапі ці плити зміцнювали шаром сталефібробетону в розтягнутій зоні, а потім знову випробовували поперечним навантаженням (серія ІІ). Об’єм експериментальних досліджень плит серій І та ІІ відображено в табл. 1. Підсилені сталефібробетоном плити були випробувані у віці 150 діб.

Експериментальні дослідження на обох етапах (серія І та ІІ) виконували на дослідних плитах розміром 80080075 мм, які були на 1-му етапі армовані попередньо напруженою арматурою 12А-V, розташованою у двох напрямках.

На рис. 1 показана конструкція дослідних плит та схема їхнього армування. Арматурні стержні в плитах уздовж осі x встановлювали по середині перерізу, а в напрямку осі y - перпендикулярно стержням уздовж осі x у шахматному порядку - вище та нижче цих стержнів. Уздовж осей x та y в усіх плитах було встановлено по 9 стержнів 12А-V з кроком 89 мм. Для забезпечення анкерування арматури в бетоні та запобігання місцевих руйнувань в торцях елемента встановлювали спіралі 20 мм довжиною 50 мм з арматурного дроту 4Вр-I, а також П-подібні арматурні сітки з дроту 4Вр-I по периметру зразка (див. рис. 1). Крім попередньо-напружених плит для визначення усадочних деформацій була виготовлена залізобетонна плита без попереднього напруження (див. табл. 1).

При випробуваннях як на першому, так і на другому етапах до плит прикладали рівномірно-розподілене навантаження у вигляді 16-ти зосереджених сил.

Прийнята методика випробувань реалізує розрахункову схему, яка найчастіше зустрічається у реальних конструкціях.

Таблиця 1

Об’єм експериментальних досліджень плит

Но-мер

се-рії | Шифр зразка | Кіль-кість зраз-ків,

шт. | Кількість арматурних

стержнів за віссю | Фактичні рівні по-переднього напру-ження в арматурі

за віссю | Фактичні рівні напру-жень в бетоні на стадії попереднього обтиску за віссю

х | у | х | у | х | у

I | ПН-0,7/0,0 | 2 | 9 | 6 | 0,73 | 0 | 0,67 | 0

ПН-0,7/0,3 | 2 | 9 | 6 | 0,73 | 0,46 | 0,67 | 0,28

ПН-0,7/0,7 | 2 | 9 | 9 | 0,73 | 0,73 | 0,67 | 0,67

ПН-0,0/0,0 | 1 | 9 | 9 | 0 | 0 | 0 | 0

ІI | ПН-0,7/0,0-ПФ | 2 | 9 | 6 | 0 | 0 | 0 | 0

ПН-0,7/0,3-ПФ | 2 | 9 | 6 | 0 | 0 | 0 | 0

ПН-0,7/0,7-ПФ | 2 | 9 | 9 | 0 | 0 | 0 | 0

ПН-0,0/0,0-ПФ | 1 | 9 | 9 | 0 | 0 | 0 | 0

При випробуваннях підсилених плит їх роботу з початку навантаження до руйнування можна поділити на 3 стадії. Це – стадія пружної роботи до появи перших тріщин, стадія експлуатації, тобто роботи з тріщинами, та стадія руйнування. Порівнюючи результати випробувань, проведених на першому і другому етапах можна переконатися у тому, що характер роботи на зазначених етапах для підсилених плит співпадає з характером роботи таких непідсилених зразків, що не мали попереднього обтиску. Звідси можна зробити висновок, що попереднє напруження було втрачено за результатами випробувань вже на першому етапі.

Тріщини, які з’явилися на нижніх поверхнях плит і ширина яких в момент руйнування становила 1...2 мм, сприяли суттєвому послабленню значення попередньо напруженої арматури з бетоном і розділенню плити на окремі блоки. Ці блоки виявилися зв’язаними між собою лише арматурними стержнями та силою тертя між берегами тріщин. Після підсилення шаром сталефібробетону утворилася двошарова плита, яка складається із тонкого шару сталефібробетону товщиною 20 мм та окремих армованих бетонних блоків, з’єднаних арматурою. У процесі підсилення тріщини у плиті були зашпаровані дрібнозернистим бетоном, з якого у подальшому був зроблений сталефібробетон для підсилення. Це зашпарування, разом із силою тертя у деякому ступені повернуло частину первісної жорсткості плит серії І. Зазначені блоки потім правили за стиснуту зону у підсилених плитах серії ІІ. Водночас у нових двошарових конструкціях плит попереднє напруження було втрачено.

В процесі навантаження, при невеликих рівнях зусиль, усі підсилені зразки працювали пружно, про що свідчить лінійний характер залежностей між навантаженням і прогинами дослідних плит. Перші тріщини на розтягнутих гранях усіх підсилених плит з’явилися практично при однаковому рівні навантаження, яке складало 0,3...0,35 від руйнуючого. Далі тріщини на нижніх поверхнях плит розвивалися як у одношарових залізобетонних, тобто „по конверту”. Але, починаючи з інтенсивності зусиль, які дорівнювали 0.6...0,7 від руйнуючих, картина тріщиноутворення змінюється і стає різною для різних типів дослідних зразків плит.

Результати експериментальних випробувань свідчать про те, що зруйновані плоскі плити, незалежно від того, були вони попередньо напруженими, або ні, можуть бути використані повторно при їх підсиленні шаром ефективного матеріалу, таким, яким є сталефібробетон.

У третьому розділі викладені результати експериментально-теоретичних досліджень міцності та тріщиностійкості підсилених плит.

Після зашпарування тріщин у зруйнованих плитах серії І (марки ПН у табл. 1) і подальшого підсилення шаром сталефібробетону товщиною 20 мм через 150 діб вони знову були випробувані поперечним навантаженням за тією же самою схемою, що і плити серії І. Результати випробування навантаженням цих плит (названих серією ІІ, марки ПН...ПФ) наведені у табл. 2.

Таблиця 2

Дослідні значення сил тріщиноутворення та руйнуючих сил плит, підсилених сталефібробетоном (серія ІІ)

Марки

плит | Дослідні значення сил тріщиноутворення кН | Дослідні значення руйнуючих сил , кН

одного зразка | середнє | одного зразка | середнє

ПН-0,0/0,0-ПФ-1 | 75,3 | 75,3 | 225,5 | 225,5 | 0,333

ПН-0,7/0,0-ПФ-1 | 81,3 | 78,4 | 260,3 | 253,2 | 0,310

ПН-0,0/0,0-ПФ-2 | 75,5 | 247,1

ПН-0,7/0,3-ПФ-1 | 84,2 | 85,6 | 270,0 | 274,0 | 0,312

ПН-0,7/0,3-ПФ-2 | 87,0 | 278,0

ПН-0,7/0,7-ПФ-1 | 99,0 | 101,2 | 291,2 | 293,3 | 0,345

ПН-0,7/0,7-ПФ-2 | 103,4 | 295,4

Перше, що впадає в око при погляді на табл. 2 – це досить високий рівень відновлення міцності та тріщиностійкості зруйнованих конструкцій серії І після підсилення (серія ІІ) за допомогою шару сталефібробетону. Для більш наочного порівняння у табл. 3 наведені експериментальні значення тріщиностійкості та міцності підсилених зразків серії ІІ (марка ПН...ПФ) у порівнянні з непідсиленими зразками серії І (марка ПН...).

Як видно з табл. 3 міцність після підсилення відновилася від 85,4 до 62,4%. Найбільше відновлення сталося для ненапружених конструкцій.

У той же час, тріщиностійкість плит була відновлена лише на 30...40%, виключаючи ненапружені плити. Тут тріщиностійкість підсилених зразків досягла майже 60% непідсилених. Це легко пояснити тим, що в усіх підсилених плитах відносна тріщиностійкість не перевищувала 35% їхньої міцності, тобто зрівнялась з тріщиностійкістю звичайних ненапружених плит. Однакова відносна тріщиностійкість усіх підсилених плит ще раз доказує зникнення попереднього напруження.

Зменшення тріщиностійкості підсилених плит у порівнянні з ненапруженими непідсиленими (марка ПН-0,0/0,0) можна пояснити тим, що після нанесення тонкого шару сталефібробетону в місцях первісних тріщин, отриманих за результатами першого етапу випробувань, зберігаються концентратори напружень для шару підсилення. При цьому, в підсилених плитах тріщини у розтягнутому сталефібробетоні з’явились практично у тих же місцях, де вони були до підсилення.

Повертаючись до аналізу зміни міцності за результатами відновлення залізобетонних плит треба відзначити особливості їх роботи.

Таблиця 3

Показники тріщиностійкості та міцності підсилених плит серії ІІ відносно непідсилених серії І

№

п/п | Середні відносні значення тріщиностійкості / | Середні відносні значення міцності /

1 | 0,595 | 0,854

2 | 0,395 | 0,639

3 | 0,322 | 0,637

4 | 0,303 | 0,624

Примітка: Індексами І і ІІ позначені відповідні величини, отримані за результатами випробувань зразків серії І та серії ІІ (табл. 2).

Відносно високий, більше 85%, рівень відновлення експлуатаційного ресурсу необтиснутих плит марки ПН-0,0/0,0 після підсилення можна пояснити декількома чинниками. По-перше, навіть суцільні ненапружені вільно оперті плити з незакріпленими кутами показали відносно низьку міцність, яка близька до міцності простої балки. По-друге, треба врахувати, що наявні тріщини після руйнування за результатами випробувань на першому етапі перед підсиленням були відносно невеликої ширини розкриття, десь 0,7...0,8 мм. Звідси їх менший вплив як концентраторів напружень на шар підсилення. Нарешті, не можна не відзначити відносно велику міцність на розтяг сталефібробетонного шару підсилення. Це сприяло відносно пізньому розвитку нормальних тріщин за рахунок розриву та висмикування фібр.

Досліди встановили, що, незважаючи на втрату попереднього напруження після першого етапу випробувань, підсилені плити у процесі навантаження повторювали напружено-деформований стан непідсилених плит. І тільки плити з нерівномірним обтиском (марки ПН-0,7/0,3-ПФ і ПН-0,7/0,0-ПФ) показали дещо іншу схему руйнування (рис. 2). Однак і тут можна встановити ознаки продавлювання за різними схемами. Все це свідчить про те, що такі плити мають деяку “пам’ять” про картину наявних тріщин перед підсиленням, тобто володіють деякою “спадковістю” напружено-деформованого стану. Взагалі треба відмітити, що “чисте” продавлювання не було встановлено для жодної з плит. Це свідчить про те, що такі плити суміщують у собі елементи, які одночасно працюють на згин та поперечну силу.

За результатами проведених випробувань встановлені фізичні особливості змінювання напружено-деформованого стану залізобетонних плит, підсилених шаром сталефібробетону:

1. Утворення тіла продавлювання може бути наслідком руйнування не тільки за похилими перерізами, а також через дію згинаючого момента. Це спричиняє зминання плити під жорстким штампом та руйнування стиснутої зони.

2. Руйнування відбувається різними способами (рис. 2) в залежності від схем розташування тріщин, отриманих при руйнуванні плит на першому етапі. Плити, які не мали попереднього обтиску зруйнувалися як гнучкі від дії згинаючого момента з утворенням пластичними шарнірами пластичного “конверта” на нижній грані (рис. 2). Тут не спостерігалося продавлювання або руйнування за похилими перерізами. Тріщини у підсилюючому шарі з підвищенням навантаження утворюються практично за схемою непідсилених плит. Вони розвиваються з нижньої грані до арматури, а потім перетинають арматуру і досягають верхньої грані плити. При цьому, як і у “класичних” схемах, при навантаженнях близьких до руйнівних на верхніх поверхнях з’являються тріщини вписаного кола з відокремлюванням кутів. На відміну від руйнування на першому етапі тріщини у підсилюючому шарі ширші за розкриттям і виразніші за розташуванням.

3. Руйнування плит з однобічним обтиском починає розвиватися як при продавлюванні, а, точніше, як при місцевому зрізі двох протилежних граней плити, паралельних напрямку обтиску (по осі х). Це особливо виразно видно у разі повної відсутності обтиску з другого боку (по осі у). Але після появи пластичних шарнірів уздовж граней під зовнішніми силами плита перетворюється у балку і руйнується за пластичними шарнірами посередині прольоту (див. рис. 2, г).

4. Послідовність руйнування за похилими перерізами така (див. рис. 2, д): утворення та розвиток нормальних і похилих тріщин у розтягнутій зоні; відкол лещадок у плиті по кутах штампа; початок утворення тріщин у кутових зонах; роздріблення стиснутої зони у похилих перерізах; відокремлення тіла продавлювання та згин поздовжньої арматури. Продавлювання відбувається несиметрично, у одному з кутів за суміжними гранями під кутом приблизно 50о, що

Повторює форму продавлювання зразків серії І. Такий кут характерний для так званого “утрудненого” (стисненого) продавлювання при невеликій відстані між штампом і опорою.

В усіх випадках процес руйнування має крихкий миттєвий характер типу удару. Це свідчить про те, що усі дослідні зразки руйнуються як бетонні після подолання опору підсилюючого шару сталефібробетону.

Під час проведення експерименту зафіксовано підвищену деформативність як стиснутої, так і розтягнутої зон дослідних зразків-плит. Так, при утворенні тріщини на стиснутій грані деформації досягли b=(140...170)10-5, а на розтягнутій грані - bt=(25...27)10-5.

Значну деформативність стиснутої зони можна пояснити наявністю початкових тріщин, хоча і зашпарованих при виконанні підсилення. Така підвищена деформативність, яку можна назвати конструктивною нелінійністю, дає підставу для застосування у розрахунках прямокутної епюри напружень у стиснутій зоні (рис. 3).

Момент утворення тріщин пропонується визначати за формулою

, (1)

де - міцність сталефібробетону у параметричній точці 1, тобто при появі перших тріщин;

- площа розтягнутої зони сталефібробетону, яку визначають за деформаціями b і fbt,1;

, (2)

h; - див. рис. 3.

Якщо деформації невідомі, момент утворення тріщин можна визначити за формулами чинних норм з урахуванням тріщин у стиснутій зоні

, (3)

де , (4)

(5)

(6)

m і – параметри, визначені нормами.

При руйнуванні внаслідок згину, міцність підсилених плит визначають за формулою

, (7)

де ; (8)

- гранична розтягуваність бетону;

- деформація сталефібробетону у параметричній точці 3, визначеною за дослідною діаграмою , яка в нашому випадку дорівнює у середньому =45010-5.

Досліди показали, що для плит, які мали значні дефекти перед підсиленням, при руйнуванні внаслідок продавлювання, в розрахунках слід враховувати лише дві складові

; (9)

, (10)

де - міцність сталефібробетону у параметричній точці 3, тобто перед руйнуванням;

- середнє арифметичне між периметрами верхньої та нижньої основ піраміди продавлювання в межах шару підсилення ;

0,7 – емпіричний коефіцієнт;

та , (11)

де ; (12)

, (13)

с – довжина горизонтальної проекції похилої тріщини;

і - кути повороту блоків залізобетонного елемента після та перед руйнуванням за похилим перерізом.

Величини кутів повороту були визначені за співвідношеннями, отриманими Ю.А.Клімовим, з урахуванням наявних дослідних даних.

Результати розрахунку за формулами (1)...(13) показали достатню точність при порівнянні з експериментальними даними.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень прогинів плит та їх розрахунку за допомогою ПК ЛИРА-Windows.

В результаті випробувань плит серії І отримані графіки прогинів у центрі плит з урахуванням деформування (просадок) опор (рис. 4). Графіки прогинів плит „близнюків” мають майже однакові значення з невеликими відхиленнями в межах 1...2% на останніх ступенях навантаження. На перших ступенях завантаження співвідношення між навантаженням Ptot та прогином fо має лінійний характер, який триває до моменту появи перших тріщин. В момент появи тріщин на графіках “Ptot-fо” утворюються характерні злами. Зусилля тріщиноутворення плит серії І на рис. 4 відповідають значенням, які були виявлені візуально. Так, для плити без попереднього напруження ПН-0,0/0,0 сумарне навантаження, при якому виникли тріщини Pcrc=126,4 кН, для одновісно напружених плит ПН-0,7/0,0 – Pcrc=198,4 кН, для двовісно напружених плит ПН-0,7/0,3 та ПН-0,7/0,7 – відповідно Pcrc=265,6 кН та Pcrc=334,4 кН.

Для плит з попередньо напруженою арматурою ПН-0,7/0,3 та ПН-0,7/0,7 характерного зламу на графіку Ptot-fо” не було, а ділянки графіків в момент тріщинотворення мають плавне закруглення (див. рис. 4). Це свідчить про характер руйнування таких плит, яке відбулось не від згинаючого моменту, а внаслідок продавлювання.

Прогини підсилених плит (серія ІІ) визначаються за аналогічною методикою, що і для плит серії І. Графіки прогинів у центрі плит серії ІІ з урахуванням деформування (просадок) опор приведений на рис. 4

На відміну від плит серії І в плитах серії ІІ графіки прогинів не мають характерних зламів, які б свідчили про виникнення тріщин. Однак в усіх графіках залежності “Ptot-fо” для плит серії ІІ були виявлені характерні злами в протилежному напрямку, тобто „впадини” в кривих залежності “Ptot-fо”. Такі „впадини” виникають після появи тріщин, які зафіксовані візуально при навантаженнях, що приведені в табл. 2. Це говорить про те, що мікротріщини, які виникають в розтягнутому шарі сталефібробетону, не розкриваються інтенсивно, як у звичайному бетоні, а стримуються стальною фіброю. Після зростання тріщин на усю товщину шару сталефібробетону, тобто руйнування бетонної матриці, розтягуючи зусилля сприймає тільки фібра. У цей момент графіки прогинів починають частково зростати, що і обумовлює виникнення „впадин” в кривих залежності “Ptot-fо” (див. рис. 4).

Співставлення прогинів плит при випробуванні непідсилених плит (етап І) з результатами випробувань підсилених плит (етап ІІ) показали (див. рис. 4), що жорсткість конструкцій різко зменшується. При цьому, конструкція деформується нелінійно з самого початку навантаження. На другому етапі експериментів це обумовлено фізичною, геометричною і конструктивною нелінійністю двошарової системи, про що було детально сказано у розділі 3.

З огляду на графіки прогинів з рис. 4 стає очевидним, що розрахунок прогинів таких двошарових плит за формулами теорії пружності неможливий навіть на перших ступенях навантаження. Це пояснюється тим, що наявність тріщин як у стиснутій, так і розтягнутій зонах змінює характер їх роботи, що перестає відповідати положенням теорії пружності.

У той же час, наявність тріщин, скоріш за усе, значно зменшує вплив крутних моментів у плиті і тим самим збільшує прогини. Суттєве зменшення впливу крутних моментів дає підставу для нехтування у розрахунках цими моментами. У такому разі можна вважати плиту балочною, гадаючи, що у кожному напрямку плита несе половину навантаження. Звідси прогини у центрі плити від рівномірно діючого навантаження можуть бути визначені за формулою

, (14)

де В – жорсткість по В.І.Мурашову на одиницю ширини плити.

Таким чином, задача розрахунку прогинів зводиться до визначення жорсткості балочного елемента на відповідному етапі навантаження.

Проаналізувавши результати досліджень, було вирішено оцінити прогини підсилених плит, грунтуючись на відомих співвідношеннях з урахуванням встановлених у дослідах параметрах.

Жорсткість підсиленого залізобетонного перерізу при згині відносно розтягнутої зони у нашому випадку можна записати

, (15)

де - модуль деформацій сталефібробетону на розтяг при відповідному рівні навантаження, який можна визначити за формулою

; (16)

- коефіцієнт пружнопластичності сталефібробетону;

- площа поперечного перерізу підсилюючого шару сталефібробетону

; (17)

- зведена корисна висота поперечного перерізу

; (18)

- зведена величина плеча внутрішньої пари сил

; (19)

- зведена величина висоти стиснутої зони;

- коефіцієнт, подібний коефіцієнту В.І.Мурашова , але у сталефібробетоні; зважаючи на те, що у розтягнутій зоні з самих менших ступенів навантаження з’явилися тріщини, вирішили прийняти =1.

Висоту стиснутої зони визначають із співвідношення

. (20)

Розрахунок проводили для рівня навантаження Ptot=180 кН (q=0,367 Н/мм2), що для різних серій складає 0,6...0,8 від руйнуючого. Цей рівень навантаження для залізобетонних конструкцій вважається експлуатаційним.

Коефіцієнт пружнопластичності був знайдений з графіка "напруження-деформації" за тангенсом кута нахилу січного модуля пружності, тобто

. (21)

Для теоретичного розрахунку прогинів плит використаний програмний комплекс ЛИРА-Windows, який дозволяє виконувати розрахунки стержневих та плитних конструкцій з урахуванням фізичної та геометричної нелінійності. Розрахункову модель плит без підсилення сталефібробетоном (серія І) складають з 100 скінченних прямокутних елементів оболонки (тип СЕ-241) та 121 вузлів.

Плиту-оболонку розглядають як біматеріальну систему з ізотропними фізично нелінійними матеріалами. При призначенні нелінійної жорсткості елементів була використана експоненційна залежність між напруженнями та деформаціями для бетону та арматури.

Для розрахунку плит, підсилених сталефібробетоном (серія ІІ), використовувались така ж розрахункова схема, як і для плит серії ІІ з використанням двошарових прямокутних скінченних елементів (тип СЕ-71). Попередній обтиск був відсутній.

В результаті розрахунку отримані графіки прогинів плит, які показані на рис. 4. Порівняльний аналіз експериментальних та теоретичних графіків прогинів плит серії І та ІІ засвідчує добре співпадання результатів. Максимальні відхилення становили: 35% - для плити марки ПН-0,7/0,7-ПФ; 21% - для плити марки ПН-0,7/0,3-ПФ; 27% - для плити марки ПН-0,7/0,0-ПФ. В основному максимальні відхилення були зафіксовані при навантаженнях, при яких була зруйнована бетонна матриця і зусилля розтягу сприймались тільки стальною фіброю. Цей момент не достатньо точно враховується у обчислювальному комплексі ЛИРА-Windows. Однак при навантаженнях, що відповідають експлуатаційним, максимальні відхилення між експериментальними та теоретичними значеннями становили 5...10% (рис. 4). Це дає можливість використання ПК ЛИРА-Windows при розрахунку плит з попередньо напруженою арматурою у двох напрямках, а також плит, підсилених шаром сталефібробетону.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проведені експериментально-теоретичні дослідження підсилених залізобетонних плит підтвердила основну ідею роботи: практично повністю зруйновані плоскі конструкції можна ефективно підсилювати за допомогою тонкого шару високоміцного матеріалу такого як сталефібробетон.

2. Експериментальні випробування підсилених плит поперечним навантаженням продемонстрували їх достатньо високі експлуатаційні якості. Міцність підсилених плит досягала 65...85% від міцності суцільних попередньо напружених, випробуваних на першому етапі досліджень. Тріщиностійкість відновилася трохи меншою, але теж була достатньою і складала 40...60% від суцільних плит. Прогини при експлуатаційних рівнях навантаження знаходилися в межах допустимих.

3. Аналіз характеру руйнування підсилених плит дозволив встановити, що спосіб їх руйнування сильно залежить від форми руйнування плит на першому етапі (серія І), тобто до підсилення. Таким чином, знання характеру руйнування плит перед виконанням підсилення дає змогу прогнозувати роботу конструкції при подальшій експлуатації.

4. Досліди показали три можливі схеми руйнування підсилених плит. Перша реалізує руйнування плити як згинального елемента, який працює у двох напрямках за схемою „конверта”. Такий спосіб руйнування характерний для плит, які не мали попереднього напруження. Друга схема визначалася як руйнування балочного елемента після продавлювання двох протилежних сторін. Так зруйнувалися плити, обтиснуті на першому етапі у одному напрямку. І, нарешті, плити, які раніше були напружені у двох напрямках, зруйнувалися третім способом – продавлюванням або місцевим зрізом за контуром плити.

5. Після руйнування плити на першому етапі досліджень верхня частина її перед підсиленням уявляла низку бетонних блоків, з’єднаних за допомогою арматури та тертям між берегами тріщин. Після підсилення і зашпаруванням усіх тріщин стиснута зона працювала як єдина система. Однак міцність її була зменшена за рахунок наявності концентраторів напружень, якими були первісні тріщини. Запропоновані співвідношення враховують особливості роботи стиснутої зони плити як при розрахунках міцності, так і тріщиностійкості.

6. В усіх випадках короткочасним поперечним навантаженням плит в їх роботі можна відмітити три етапи. На першому етапі, який триває до появи перших тріщин, конструкція деформується пружно. Другий етап роботи триває від появи тріщин до їх збільшення по висоті до поздовжньої арматури. Третій етап, який, як правило, найдовший і є основним експлуатаційним етапом, він характеризується наростанням пластичних деформацій у бетоні стиснутої зони. Тривалість кожного з етапів залежить від рівня руйнування стиснутої зони бетону перед підсиленням.

7. Деформативність підсилених плит була відносно невеликою і також залежила від історії формування зразка. Найбільшою вона була у плитах, які до підсилення не були обтиснуті попередньо напруженою арматурою. Найменші деформації показали плити, які до підсилення і руйнування після першого етапу випробувань мали досить великий обтиск з обох боків. Але різниця між деформативністю усіх підсилених плит була меншою, ніж у непідсилених. Це свідчить про втрату впливу ефекта попереднього напруження. Взагалі ж прогини підсилених плит знаходилися у межах при експлуатаційних рівнях навантаження, тобто відповідали експлуатаційним вимогам чинних норм.

8. Порівняння дослідних і розрахункових результатів усіх параметрів (міцності, тріщиностійкості та деформацій) свідчить про те, що запропоновані у роботі методи розрахунку достатньо точно відповідають вимогам проектування підсилених конструкцій плит.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

В роботах [1, 2, 3, 4, 6, 7] дисертантом виконані експериментальні дослідження, обробка даних, побудова графіків.

Цибульник Ігор Олегович. Підсилення залізобетонних плит сталефібробетоном.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.- Київ, 2004.

Наведені результати експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану залізобетонних плит до та після підсилення сталефібробетоном, завантажених рівномірно розподіленим навантаженням. Опирання плит шарнірне за контуром. Плити армовані ненапруженою та попередньо напруженою арматурою, розташованою в одному та двох напрямках. Запропоновані залежності для визначення міцності, тріщиностійкості та прогинів плит, підсилених шаром сталефібробетону у розтягнутій зоні. При цьому враховується схема руйнування плит до підсилення.

Ключові слова: залізобетонні плити; сталефібробетон; підсилення плит; міцність плит; тріщиностійкість плит; прогини плит.

Цибульник Игорь Олегович. Усиление железобетонных плит сталефибробетоном.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - “Строительные конструкции, здания и сооружения”. Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины.- Киев, 2004.

Во введении обоснован выбор и актуальность темы диссертации, цель, задачи и методичесткие основы исследований, научная новизна и практическое значение работы.

В первом разделе изложено состояние вопроса и сформулированы задачи исследований, проанализированы исследования эффективности усиления железобетонных конструкций современным высокопрочностным материалом – сталефбробетоном. Для этого были обобщены результаты проведенных до этого времени исследований балок и плит, усиленных слоем сталефибробетона. Рассмотрены преимущества и экономическая целесообразность усиления плоских элементов сталефибробетоном.

Во втором разделе изложено содержание и методика експериментальных исследований усиленных железобетонных плит и материалов, из которых изготовлены опытные образци.

Программа исследований состояла из двух этапов. На первом этапе были испытаны плиты без усиления сталефибробетоном (серия І). Опирание плит шарнирное по контуру. Плиты серии І армированы ненапрягаемой и предварительно напряженной арматурой, размещенной в одном и двух направлениях. На втором этапе плиты усиливались слоем сталефибробетона в растянутой зоне и снова подвергались загружению поперечной нагрузкой (серия ІІ).

Экспериментальные исследования на двух этапах (серия І и ІІ) выполнялись на опытных плитах размером 80080075 мм, которые были на 1-му этапе армированы предварительно напряженной арматурой 12А-V, размещенной в двух направлениях.

В третьем разделе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния железобетонных плит до и после усиления сталефибробетоном, загруженных равномерно распределенной нагрузкой.

Экспериментально установлен весьма сложный характер работы железобетонных плит под действием поперечной нагрузки. В процессе нагружения можно выделить три этапа работы плиты. На первом этапе, при уровне нагрузки в пределах 0,3…0,4 от разрушающей, развитие трещин происходит так же, как в неармированных плитах. Второй этап соответствует работе плит при эксплуатационной нагрузке. Развитие трещин здесь имеет различную конфигурацию и зависит от уровня и соотношения напряжений обжатия по осям х и у. На третьем этапе плиты разрушаются. Форма разрушения на этом этапе также зависит от наличия обжатия, его уровня и соотношения по взаимно перпендикулярным осям.

Предложены зависимости для определения прочности, трещиностойкости, усиленных сталефибробетоном. При этом учитывается схема трещинообразования и разрушения перед усилением.

Суммируя результаты опытов, можно выделить три вида разрушения железобетонных плит: по нормальным сечениям от действия изгибающего момента, по наклонным сечениям от действия поперечной силы и