КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Байда Денис Миколайович

УДК 624.072.2; 624.012.45; 624.046

ЗАЛИШКОВА НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОК

ПІСЛЯ ЇХ ЧАСТКОВОГО РУЙНУВАННЯ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент

Войцехівський Олександр Владиславович,

Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України,

доцент кафедри “Промислове та цивільне будівництво”.

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, старший науковий співробітник Голоднов Олександр Іванович, провідний співробітник Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури (м. Київ).

Провідна установа – Одеська державна академія будівництва і архітектури,

кафедра залізобетонних і кам’яних конструкцій, Міністерство освіти і науки країни (м. Одеса).

Захист відбудеться 10 червня 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ – 37, Повітрофлотський проспект, 31.

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

Автореферат розісланий 5 травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., с.н.с. В. Г. Кобієв

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Складні економічні умови в Україні протягом останнього десятиріччя зумовили зростання частки фізичного зношення основних виробничих фондів та житлового фонду. На початок нового сторіччя зношеність основних фондів в Україні оцінювалась близько 45 % при загальній вартості біля 850 млрд. грн. У зв’язку з цим проблематика реконструкції, модернізації, методів підсилення набуває з кожним роком усе більшої актуальності.

Однією з таких проблем є проблема удосконалення методів розрахункової оцінки несучої здатності залізобетонних елементів, які експлуатуються. Особливо гостро ця проблема стоїть для балочних конструкцій, які в процесі експлуатації сприймали навантаження близькі до руйнівних, тобто на момент обстеження знаходяться у непрацездатному або у аварійному технічному стані. В елементах цих конструкцій виявляють такі пошкодження як: випирання стиснутої арматури, роздроблення бетону, викришування великого заповнювача в стиснутій зоні, критичні значення деформацій та розкриття тріщин. На практиці розрахунок підсилення таких елементів виконують на повне діюче навантаження, оскільки вважають їх повністю зруйнованими.

Створення розрахункового апарату, який би дозволяв оцінювати залишкову несучу здатність залізобетонних балочних елементів, що знаходяться у непрацездатному або аварійному стані, дозволило б ці конструкції на практиці розглядати як частково зруйновані. Це не тільки створює можливість практично враховувати залишковий ресурс цих конструкцій при підсиленні, а також обґрунтовано визначати доцільність підсилення та ефективно вирішувати організаційні питання, що виникають під час проведення робіт із відновлення та підсилення частково зруйнованих конструкцій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у складі таких держбюджетних тем: “Розробка математичної моделі оцінки стану залізобетонних конструкцій, що експлуатуються” (державний реєстраційний № 0199U003436); “Розробка інженерних методів розрахунку підсилення залізобетонних конструкцій, що експлуатувались на стадіях близьких до руйнування, з видачею рекомендацій до нормативних документів” (державний реєстраційний № 0102U002273). У зазначених темах автору належить розробка розрахункового апарату з визначення напружено-деформованого стану (НДС) нормальних перерізів залізобетонних балочних елементів, що зазнали дії руйнівних навантажень.

Мета роботи – розробити на експериментальній основі аналітичний апарат з оцінки залишкової несучої здатності залізобетонних балок після їх часткового руйнування.

Задачі дослідження:

1. Сформулювати характерні ознаки та дати визначення залізобетонних балочних конструкцій, які в процесі експлуатації зазнали часткового руйнування. На основі попередніх експериментальних досліджень підтвердити доцільність урахування залишкової несучої здатності таких конструкцій.

2. На підставі експериментальних досліджень бетонних призм та залізобетонних балок виявити закономірності деформування стиснутого бетону в залізобетонних конструкціях, що в процесі тривалого або короткочасного навантаження зазнавали часткового руйнування, а після розвантаження та короткочасного повторного довантаження доводились до повного фізичного руйнування. Отримати закономірності розподілення деформацій по висоті нормального перерізу залізобетонного балочного елемента на всіх зазначених вище стадіях роботи.

3. Описати процес руйнування бетону стиснутої зони залізобетонних балочних елементів в залежності від класу бетону, відсотку армування та режиму навантаження. Означити характерні етапи цього процесу.

4. Розробити розрахунковий апарат з оцінювання НДС нормальних перерізів експлуатованих залізобетонних елементів, який би дозволяв визначати їх залишкову несучу здатність.

5. Виконати оцінку достовірності запропонованого розрахункового апарату.

Об’єкт дослідження. Залізобетонні балки, які внаслідок короткочасної або тривалої дії навантаження зазнали часткового руйнування.

Предмет дослідження. Залишкова несуча здатність залізобетонних балок, які внаслідок короткочасної або тривалої дії навантаження зазнали часткового руйнування.

Методи дослідження. Аналіз літературних джерел використовували при формулюванні мети та задач роботи. Експериментальні методи застосовували для дослідження деформування бетону в стандартних зразках та залізобетонних балках у тому числі на стадії руйнування. Для аналізу результатів експериментальних досліджень використовували диференціальний метод Фере. При обробці експериментальних даних, моделюванні деформування залізобетонних балок, визначенні збіжності теоретичних та експериментальних даних використовували математичні методи. Для реалізації запропонованих алгоритмів розрахунку на ПЕОМ застосовували методи програмування.

Наукова новизна одержаних результатів:

- визначено поняття частково зруйнованої залізобетонної конструкції, що експлуатується;

- розроблено методику експериментальних досліджень частково зруйнованих залізобетонних балок, що дозволяє проводити дослідження з умовно-постійною швидкістю деформування;

- дані пропозиції щодо визначення меж характерних ділянок деформування бетону в процесі руйнування;

- виявлені закономірностей деформування стиснутого бетону в залізобетонних балках, що в процесі тривалого або короткочасного навантаження зазнавали часткового руйнування, а після розвантаження та короткочасного повторного довантаження доводились до повного фізичного руйнування;

- створено розрахунковий апарат з оцінки НДС експлуатованих конструкцій, які зазнали часткового руйнування.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі результати дозволяють оцінювати реальну залишкову несучу здатність таких залізобетонних конструкцій, які раніше вважалися зруйнованими. Це дає можливість на практиці враховувати у розрахунках підсилення залишковий ресурс цих конструкцій, а тому отримувати більш економічні та досконалі конструктивні рішення. Достовірні знання про залишковий ресурс частково зруйнованих балочних елементів також дозволяють визначати доцільність підсилення, ефективніше вирішувати організаційні питання, що виникають під час проведення робіт із відновлення та підсилення зазначених конструкцій.

Впровадження результатів досліджень. Результати роботи впроваджені при: обстеженні та підсиленні несучих конструкцій будівлі спортзалу БМП-648 (м. Козятин); обстеженні та реконструкції споруди усереднювача хімічнозабруднених стоків Одеського припортового заводу. Результати роботи використовуються у навчальному процесі Вінницького національного технічного університету, а також планується їх впровадити в рекомендації з оцінки технічного стану та підсилення експлуатованих залізобетонних конструкцій.

Особистий внесок здобувача складає: визначення поняття частково зруйнованої залізобетонної конструкції, що експлуатується; розробка методики та одержання результатів експериментальних досліджень деформування залізобетонних балок та бетонних елементів під час дії руйнівних навантажень; одержання експериментальних даних про процеси руйнування бетону в стандартних призмах та в стиснутій зоні залізобетонних балок; виявлення закономірностей деформування стиснутого бетону в залізобетонних балках, що в процесі тривалого або короткочасного навантаження зазнавали часткового руйнування, а після розвантаження та короткочасного довантаження доводились до повного руйнування; розробка методик та алгоритмів визначення НДС нормальних перерізів залізобетонних елементів, які при короткочасному або тривалому навантаженні зазнають часткового руйнування; розробка методики оцінювання залишкової несучої здатності залізобетонних балочних елементів, що в процесі дії тривалого навантаження зазнали часткового руйнування.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися: на міжнародній науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди (м. Рівне, 1999 р.)”; на Всеукраїнській науково-практичній конференції “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (м. Київ, 2001 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Будівництво в сейсмічних районах України” (м. Ялта, 2004 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Математичні моделі процесів у будівництві” (м. Луганськ, 2004 р.); на науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу Вінницького національного технічного університету (2000...2004рр.).

Дисертація в цілому доповідалась на кафедрі залізобетонних та кам’яних конструкцій Київського національного університету будівництва і архітектури та на науковому семінарі кафедри промислового і цивільного будівництва Вінницького національного технічного університету.

Публікації. Основні положення та результати роботи опубліковані в 6-и роботах.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів та висновків. Робота містить 189 сторінок, з них 114 сторінок основного тексту, 81 рисунок і 22 таблиці, список використаних джерел із 104 найменувань на 12 сторінках та додатки на 4 сторінках.

Основний Зміст Роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми. Дана загальна характеристика роботи, показана її наукова новизна та практичне значення.

Перший розділ присвячений формулюванню основних визначень, аналізу стану питання, аналізу результатів попередніх експериментальних досліджень та постановці, на цій основі, задач подальших досліджень.

У пропонованій дисертаційній роботі під залишковою несучою здатністю розуміється максимальний згинальний момент, який може витримати залізобетонний переріз балочної конструкції, що тривалий час експлуатувалася, у разі її повторного навантаження.

Частково зруйнованими пропонується вважати залізобетонні балочні конструкції (як статично визначені, так і нерозрізні), в яких в процесі експлуатації виникла ситуація, за якої не виконуються вимоги діючих норм і державних стандартів в частині розрахунку за граничними станами першої групи. Можливість використання таких конструкцій для подальшої експлуатації після проведення підсилення реалізується якщо виконуються такі умови: 1) після часткового зняття зовнішнього навантаження процес збільшення прогинів та деформацій зупинився; 2) існуючий стан конструкцій не загрожує життєдіяльності людей, які будуть проводити роботи з підсилення; 3) загальний вигляд конструкцій та будівлі в цілому дозволяє вважати можливим їх експлуатацію після підсилення.

Повністю зруйнованими пропонується вважати такі залізобетонні елементи, які за своїм фізичним станом суперечать самій суті визначення залізобетону. Тобто, коли існує хоча б одна із ознак: 1) повне руйнування бетону стиснутої зони; 2) повне руйнування робочої розтягнутої арматури; 3) відсутність сумісної роботи бетону з арматурою.

Розрахункову оцінку залишкової несучої здатності виконують в рамках діючих норм
СНиП 2.03.01-84* із застосуванням рекомендацій Харківського “Промстройниипроекту”. Цей розрахунок базується на використанні низки емпіричних коефіцієнтів, які по суті є додатковими коефіцієнтами запасу. Така методика унеможливлює оцінку залишкової несучої здатності залізобетонних конструкцій, які знаходяться у непрацездатному або у аварійному технічному стані, оскільки в цих випадках додаткові коефіцієнти дорівнюють нулю. Поряд з цим найзначнішим недоліком розрахунку за методом граничних станів, який закладений в
СНиП 2.03.01-84* є неможливість врахування передісторії роботи конструкції. Тобто визначена залишкова несуча здатність не дає уявлення про процеси та причини, які привели до стану конструкції в якому вона знаходиться на час обстеження, а лише розглядається експертами як підтвердження і обґрунтування, визначеного за результатами візуального обстеження, технічного стану цієї конструкції.

Усунути недоліки нормативної методики можливо завдяки використанню для оцінки залишкової несучої здатності експлуатованих конструкцій розрахункового апарату, побудованого на основі деформаційної моделі із застосуванням наближених до реальних діаграм деформування матеріалів. Розвитку таких розрахункових методів та моделей деформування бетону при режимних навантаженнях присвячені роботи В.Н. Байкова, А.М. Бамбури, П.І. Васильєва,
В.Я. Бачинського, О.Я. Берга, В.М. Бондаренка, О.А. Гвоздєва, О.Б. Голишева, Ю.П. Гущі,
Ю.В. Зайцева, Н.І. Карпенко, Л.Л. Лємиша, Т. А. Мухамедієва, І.А. Узуна, В. П. Чайки,
А.Я. Яшина та ін. У цих роботах авторами пропонуються різні за складністю функціональні залежності для опису діаграми бетону, яка складається з догірної та додільної ділянок деформування. І всі вони єдині у тому, що ця крива має граничні значення відносних деформацій на стиск – ?b,u. Обмеження додільної гілки викликано тим, що використання таких діаграм не планувалося для розгляду стадії руйнування залізобетонних елементів, а перш за все призначалося для визначення НДС і несучої здатності на стадії проектування конструкцій. У зв’язку з цим для створення розрахункового апарату з оцінки залишкової несучої здатності нормальних перерізів частково зруйнованих балочних елементів необхідно дослідження деформування бетону при стиску в стандартних зразках та стиснутій зоні залізобетонних балок при деформаціях, що перевищують граничні значення еb,u.

Для опису НДС нормальних перерізів на стадії руйнування у якості такої моделі доцільно використати варіант Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій (НДІБК), в якому НДС описують для усередненого перерізу по довжині залізобетонного блока між тріщинами (В. Я. Бачинський, А. М. Бамбура та ін.). Для розгляду предмету пропонованої роботи такий підхід є найбільш прийнятним, оскільки у відповідності до результатів досліджень
О.Я. Берга, мікроруйнування бетону накопичуються у певному об’ємі, який в кінцевому випадку і руйнується. У зв’язку з цим усі подальші теоретичні та експериментальні дослідження виконували в рамках моделі усередненого перерізу.

Для підтвердження доцільності урахування залишкової несучої здатності частково зруйнованих елементів були проведені попередні експериментальні дослідження, які складались з 4-х серій балок. випробування балок виконували в установках, в яких зусилля передавали за допомогою механічної передачі через жорсткі елементи. Це дозволяло контролювати процес деформування зразків і їх навантаження виконувати ступенями за деформаціями. Балки випробовували у короткочасному та тривалому режимах навантаження до початку руйнування, яке характеризувалось інтенсивним тріщиноутворенням в стиснутій зоні одночасно із зменшенням навантаження на балки. На цьому етапі процес навантаження за деформаціями припиняли, що дозволяло балкам в жорстких установках частково саморозвантажуватись. При цьому в усіх балках в стиснутій зоні утворювалась система тріщин, яку називають ліщадкою. Після затухання процесу зростання деформацій в стиснутій зоні балки повторно навантажували. Таким чином визначали їх залишкову несучу здатність після часткового руйнування. Не зважаючи на значні пошкодження стиснутої зони балок їх залишкова несуча здатність становила від 75 до 90 відсотків від початкового значення. Врахування таких величин при підсиленні може бути економічно доцільним. Це обумовило доцільність проведення подальших досліджень.

У другому розділі викладена методика та наведені результати експериментальних досліджень деформування залізобетонних балок під час дії руйнівних навантажень.

Було заплановано проведення короткочасних та тривалих досліджень деформування бетонних призм та залізобетонних балок на стадії руйнування (табл. 1), а також допоміжних випробувань – бетонних кубів та призм, зразків арматури. Факторами варіювання вибрали міцність бетону та відсоток армування балок ?s. Зразки виготовляли з різних класів бетону ? В20, В35, В55. Тривалі дослідження виконували на балках з великим відсотком армування з бетону класу В35. Всього було випробувано в рамках основних випробувань 22 балки та 16 призм.

У якості дослідних зразків були прийняті залізобетонні балки прямокутного перерізу розмірами 225?120Ч2300 мм та бетонні призми розмірами 100?100Ч400 мм. Поздовжнє робоче армування балок виконували стрижнями з прокату класу А500С діаметром 14 та 20 мм. Випробування балок виконували за схемою вільно обпертої по двом сторонам балки, навантаженої в третинах прольоту зосередженими силами. Розрахунковий проліт балок дорівнював 2200 мм. В процесі випробувань вимірювали зусилля, яке передавалось на зразки, поздовжні деформації, прогини балок. Поперечне армування балок виконували на приопорних ділянках у кількості, що виключала можливість їх руйнування за похилими перерізами.

Балки та призми короткочасно випробували у спеціальній установці типу гвинтового пресу з умовно-постійною швидкістю деформування зразків. Це дозволило провести випробування всіх зразків відповідно до рекомендацій НДІБК (В.Я. Бачинський, А. М. Бамбура та ін.) у єдиному режимі на всіх етапах від початку до повного руйнування.

Головною метою короткочасних досліджень було дослідити деформування стиснутого бетону в балках та призмах при деформаціях, які перевищують граничні значення ?b,u, що приймали за рекомендаціями НДІБК. Процес руйнування стиснутого бетону в балках відбувається при досягненні цих величин. Наша пропозиція полягає у тому, що вважаємо це не моментом руйнування залізобетонних балок а тільки початком їх руйнування. Тому в процесі випробувань деформування призм не обмежували точкою з координатою ?b,u а виконували до тих пір, поки напруження в бетоні за показниками силовимірювача практично не дорівнювали нулю . Для забезпечення можливості вимірювання поздовжніх деформацій призм в умовах інтенсивного утворення тріщин і розколювання зразка репери, до яких кріпилися індикатори, спеціальним чином анкерували у бетоні зразка.

Таблиця 1

Обсяг експериментальних досліджень основних зразків

Клас бетону | Шифр серії | Кіл.

шт. | мs, % | Режим дії навантаження | Зразки

В20 | П1 | 3– | Короткочасні випробування | Призми

Б1-1 | 2 | 1,14 | Короткочасні випробування до руйнування – розвантаження – навантаження до повного руйнування | Балки

Б1-2 | 2 | 2,33

В35 | П2 | 3– | Короткочасні випробування | Призми

Б2-1 | 2 | 1,14 | Короткочасні випробування до руйнування – розвантаження – навантаження до повного руйнування | Балки

Б2-3 | 2 | 3,47

Тривалі дослідження

БТ2-3-1,

БТ2-3-2,

БТ2-3-3 | 6 | 3,47 | Тривалі випробовування – короткочасні випробування до руйнування – розвантаження – навантаження до повного руйнування | Балки

ПТ2-1,

ПТ2-2 | 4– | Моделювання деформування визначених волокон балок БТ2-3-1 та БТ2-3-3а – короткочасні випробовування | Призми

Б2у-3 | 2 | 3,47 | Короткочасні випробування до руйнування (усадочні балки) | Балки

П2у | 3– | Короткочасні випробування | Призми

В55 | П3 | 3– | Короткочасні випробування | Призми

Б3-1 | 2 | 1,14 | Короткочасні випробування до руйнування – розвантаження – навантаження до повного руйнування | Балки

Б3-2 | 2 | 2,33

Б3-3 | 2 | 3,47

Випробування балок виконували у такій послідовності: 1) балки навантажували ступенями за деформаціям; 2) після досягнення на стиснутій грані балок граничних значень деформацій ?b,u починався процес руйнування стиснутої зони, при цьому випробування продовжували до тих пір поки в стиснутій зоні не утворювалася система тріщин ? ліщадка; 3) в цей момент балки розвантажували і знову повторно навантажували до повного руйнування. При повторному навантаженні визначали залишкову несучу здатність залізобетонних елементів, які були частково зруйновані на першому етапі навантаження.

Тривале випробування балок виконували в пружинних установках протягом 130 діб. Особливість тривалих досліджень полягала у тому, що рівень тривалого навантаження переармованих балок задавали досягнутими при початковому навантаженні значеннями відносних деформацій на стиснутій грані ?1,ф. Ці значення дорівнювали або перевищували величину деформацій ?bR,ф, яка відповідає вершині діаграми “?bЇеb” деформування бетону при короткочасному навантаженні у віці ?. Рівень навантаження балок за деформаціями складав ?1,ф = (0,99...1,42)еbR,ф. Тобто в балках вже на початку тривалого випробовування деформування бетону в частині стиснутої зони відбувалося за додільною гілкою діаграми “уbЇеb” бетону. Рівень тривалого навантаження балок ml по відношенню до несучої здатності mmax, що була визначена за результатами випробування зразків серії Б2-3, склав ml = (0,75…0,94)mmax. Тут m = M/(bh02) – приведений момент. Високий рівень тривалого навантаження балок дозволив простежити за процесами руйнування стиснутої зони бетону у часі. Після закінчення тривалого випробування всі балки були розвантажені та далі випробувані у порядку, в якому виконували короткочасні випробування балок. Таким чином було визначено залишкову несучу здатність тривало навантажених балок та вивчено вплив тривалого навантаження на несучу здатність залізобетонних балок з великим відсотком армування. Для підтвердження результатів досліджень процесів деформування бетону в стиснутій зоні тривалонавантажених балок
А. М. Бамбури, О. В. Войцехівського, О. Б. Гурковського виконували випробовування зразків призм, деформування яких у часі повторювало деформування окремих волокон балок (див. табл. 1).

Реалізація розробленої методики дозволила отримати експериментальні дані про деформування балок і призм під дією руйнівних та близьких до них за рівнем навантажень.

На рис. 1 представлені середньодослідні діаграми деформування бетонів за результатами випробувань призм. Як видно з цього рисунку для бетонів класу В20 та В35 вдалося отримати залежності деформування на додільній гілці бетону при деформаціях, які перевищували граничні значення ?b,u.

На рис. 2 представлені характерні діаграми “ приведений моментЇвідносні деформації на стиснутій е1 та розтягнутій ?2 гранях” на прикладі балок Б1-1 та Б1-2. За цими діаграмами можна зробити висновок, що залишкова несуча здатність mres частково зруйнованих балок, визначена повторним навантаженням, практично дорівнює значенням приведеного моменту mu,exp, досягнутих на кінець першого етапу випробування. Середнє значення відношень mres /mu,exp дорівнює 0,97, а мінімальне значення цих відношень – 0,89. Це підтверджує факт поступового вичерпання міцності залізобетонних балок при руйнуванні.

Рис. 1. Середньодослідні діаграми деформування бетону “?bЇеb”

Рис. 2. Діаграми “mЇе1” та “mЇе2” балок Б1-1 і Б1-2

Під час тривалих досліджень в найбільш навантажених балках спостерігали розвиток тріщин в стиснутій зоні. Тобто протягом тривалої дії навантаження відбувалось їх часткове руйнування. На рис. 3 наведені характерні криві “момент?кривизна” для окремих балок. Для однієї балки БТ2-3-3 рівень навантаження ml = 0,94mmax виявився руйнівним. Всі інші балки витримали тривале навантаження протягом випробувань. Після закінчення тривалих випробувань балки випробовували повторним короткочасним навантаження до руйнування. Залишкова несуча здатність усіх балок після тривалої дії навантаження, не зважаючи на наявність суттєвих пошкоджень в окремих балках, перевищила показник несучої здатності контрольних балок.

При проведенні експериментальних досліджень на усіх етапах навантаження перевіряли виконання гіпотези плоских перерізів. Для цього для кожної балки на різних етапах будували криві розподілу деформацій по висоті усередненого перерізу. В усіх балках розподіл деформацій на різних етапах випробування був близький до лінійного. Це дозволяє при побудові розрахункового апарату скористатися гіпотезою плоских перерізів

Рис. 3. Діаграми “mЇч” балок, отримані в рамках тривалих досліджень

Третій розділ присвячений аналізу результатів експериментальних досліджень. В цьому розділі наведено: аналіз процесів руйнування бетону в призмах і стиснутій зоні балок при короткочасному та тривалому навантаженнях; побудовані за результатами короткочасних випробувань балок діаграми неоднорідного стиску бетону та виконано їх порівняння з діаграмами, отриманими на призмах; дані пропозиції з описання деформування бетону в стиснутій зоні балочних елементів при короткочасному та тривалому навантаженнях на стадії руйнування, які є розвитком існуючих моделей.

На основі використання результатів робіт О.Я. Берга, Ю.А. Зайцева запропоновані основні етапи процесу руйнування бетону в призмах та стиснутій зоні балок.

Для побудови розрахункового апарату необхідно було з’ясувати можливість використання діаграм “?bЇеb” бетону, отриманих на призмах. Для цього за результатами випробування балок будували за допомогою диференціального методу Фере діаграми неоднорідного стиску бетону. Як видно з рис. 4 на прикладі балок Б1-1 та Б1-2 діаграми неоднорідного стиску бетону ідентичні експериментальній діаграмі деформування бетону в призмах. На цьому рисунку також наведена теоретична діаграма деформування бетону, побудована за рекомендаціями НДІБК. Додільна гілка цієї діаграми обмежуються точкою, де деформації становлять граничні значення ?b,u. Як видно з рис. 4 для описання деформування бетону на стадії руйнування стиснутої зони необхідно прийняти рішення про продовження додільної гілки нормативної діаграми.

Рис. 4. Діаграми “?bЇеb” бетону класу В20:

в балках Б1-1 та Б1-2; в призмах П1; за рекомендаціями НДІБК – “Реком.”

З цією метою у дисертації зроблені пропозиції з продовження діаграми деформування бетону при короткочасному навантаженні (рис. 5). Зокрема, для стиску описання діаграми “?bЇеb” рекомендується прийняти таким:

- на ділянці відносних деформацій від 0 до еb’ (див. рис. 5) криву “уbЇеb” будують у відповідності до пропозицій НДІБК за залежністю

; (1)

- на ділянці від еb’ до пропонується прийняти лінійну залежність

, (2)

де . (3)

Координати точки А (див. рис. 5), величини , tg ц знаходять, вирішуючи систему рівнянь

, (4)

де , – функція, яку приймають у вигляді (1), та її перша похідна; ?b,u, b,u – значення граничних деформацій бетону та відповідних їм напружень, які приймають за рекомендаціями НДІБК.

Для описання деформування бетону в стиснутій зоні тривалонавантажених балок перевіряли модель, запропоновану фахівцями НДІБК А. М. Бамбурою та О. Б. Гурковським. Відповідно цій моделі описання деформування бетону в стиснутій зоні здійснюють діаграмами-ізохронами, які описують аналогічною діаграмі короткочасного деформування бетону залежністю – поліном п’ятого степеня (рис. 6)

. (5)

Параметри залежності (5) визначають за пропозиціями А. М. Бамбури та
О. Б. Гурковського в залежності від терміну дії тривалого навантаження t та рівня початкового деформування балки .

Співставлення експериментальних кривих з теоретичними, які розраховували за пропозиціями фахівців НДІБК, показало, що в межах додільної гілки діаграм-ізохрон ця модель потребує уточнення. Тому було запропоновано у розвиток цієї моделі скорегувати пропозиції авторів залежністю

, (6)

де еbu,ф*, еbR,ф – параметри діаграми деформування бетону при короткочасному навантаженні у віці ? (див. рис. 6), які відповідають початку тривалого навантаження (t = 0).

Використання залежності (6) дозволяє прийняти додільну гілку діаграм-ізохрон у вигляді кривої 2 на рис. 6. замість кривої 3. Пропозиція розраховувати граничні деформації за (6) означає прийняття передумові, що деформування бетону на стадії руйнування як при короткочасному, так і при тривалому навантаженні відбувається ідентично.

Четвертий розділ присвячений розробці розрахункового апарату з оцінки НДС нормальних перерізів балок, які зазнали часткового руйнування. Для цього були використані основні робочі передумови методики уточнених розрахунків НДС нормальних перерізів НДІБК:

- як розрахунковий переріз приймають нормальний переріз, деформації в якому дорівнюють середнім значенням по довжині залізобетонного блока між тріщинами;

- для середніх деформацій стиснутого бетону та розтягнутої арматури по висоті перерізу вважають справедливою гіпотезу плоских перерізів;

- зв’язок між напруженнями та деформаціями бетону при стиску приймають у вигляді діаграм (діаграм-ізохрон) наближених до реальних, які описують в залежності від режиму дії навантаження залежностями (1), (2) або (6);

- зв’язок між напруженнями та деформаціями арматури приймають у вигляді кусочно-лінійних діаграм за рекомендаціями НДІБК.

- вплив прогресуючого тріщиноутворення на величину зусилля, яке сприймає бетон в розтягнутій зоні, враховують зменшенням умовних напружень розтягу в бетоні за допомогою коефіцієнту ?bt.

Окрім розглянутих вище на основі аналізу процесів руйнування дослідних зразків сформульовані додаткові передумови:

- критерієм початку стадії руйнування стиснутої зони бетону балочного залізобетонного елементу в умовах короткочасного режиму навантаження вважають досягнення в найбільш стиснутому волокні бетону в нормальному перерізі значень відносних деформацій ?1 = еb,u. У разі тривалого навантаження критерієм початку руйнування стиснутого бетону в балках є досягнення відносними деформаціями величини е1(t) = еb,max(t) (див. рис. 6);

- критерієм повного руйнування стиснутої зони бетону при короткочасному навантаженні вважають досягнення в найбільш стиснутому волокні бетону нормального перерізу відносних деформацій ?1 = еb,u*. У випадку тривалого навантаження критерієм повного руйнування балки вважають досягнення в найбільш стиснутому волокні відносних деформацій ?1(t) = еb,u*(t) (див. рис. 6).

Оскільки при короткочасному навантаженні деформування бетону описують декількома залежностями (1) та (2) тому розглянемо випадок оцінки НДС нормальних перерізів при короткочасному навантаженні, як найбільш загальний з методологічної точки зору. Згідно з прийнятими передумовами встановимо для розгляду НДС нормального перерізу балочного елемента розрахункову схему, представлену на рис. 7.

Рис. 7. Напружено-деформований стан нормального перерізу:

а – схема поперечного перерізу; б – епюра напружень; в – епюра деформацій;

1 – частина перерізу, в якій для деформацій бетону ?b виконується умова ;

2 – частина перерізу, в якій ; 3 – частина перерізу, в якій ;

Відповідно рис. 7 рівняння НДС записуємо у вигляді

(7)

(8)

(9)

де ?(b,s),(i,j) – відносні деформації і-го волокна (ділянки) бетону або j-го ряду арматури залізобетонного елемента; z(b,s),(i,j) – координата і-го волокна бетону або j-го ряду арматури відносно нижньої грані перерізу; n – кількість рядів арматури в нормальному перерізі. У рівнянні (9) верхні знаки (“+” та “-”) приймають коли розраховують відносні деформації бетону і навпаки – нижні знаки (“-” та “+”) приймають у випадку розрахунку відносних деформацій арматури.

Під час визначення НДС нормального перерізу найбільшу математичну складність представляє визначення зусилля, яке сприймає бетон Nb та його відстані zb відносно розтягнутої грані (див. рис. 7). Для випадку, який зображений на рис. 7 можна записати

, (10)

. (11)

Формули (10) та (11) в алгебраїчній формі можна записати для будь-якого перерізу [1]. Відстань зусилля Nb до розтягнутої грані визначають за формулою

. (12)

В дисертації наведений розв’язок формул (10) та (11) для випадку прямокутного перерізу. На основі зроблених пропозицій були розроблені алгоритми розрахунку НДС нормальних перерізів при короткочасному та тривалому режимах дії навантаження, які були реалізовані на ПЕОМ. Ці алгоритми дозволяють чисельно знаходити розв’язок системи рівнянь (7)?(9) та, шляхом крокового розрахунку, отримувати залежності “момент?кривизна” деформування нормальних перерізів залізобетонних балок на всіх етапах їх роботи від початку до повного руйнування.

В результаті проведених розрахунків за розробленими алгоритмами були побудовані теоретичні криві “mЇч” для всіх балок, випробуваних в рамках короткочасних та тривалих досліджень.

В рамках короткочасних досліджень відповідність теоретичних діаграм “mЇч” експериментальним з’ясовували співставленням теоретичних та експериментальних значень в точках з несучою здатністю mmax та залишковою несучою здатністю mres дослідних балок. Помилка обчислення для характерних точок не перевищує 18 %. Ця похибка в основному обґрунтовується нехтуванням додаткового ресурсу слабоармованих залізобетонних балок. Такий спосіб в практичних розрахунках можна допускати. Середнє значення відношень та складають 0,95 та 0,93 при коефіцієнтах варіації цих відношень відповідно 7,2 % та 7,7 %.

При тривалому навантаженні відповідність теоретичних діаграм “mЇч” експериментальним з’ясовували співставленням теоретичних та експериментальних значень приведеного моменту ml в різні моменти часу t дії тривалого навантаження. Максимальний розкид даних не перевищував 10 %. Середнє значення відношень дорівнює 1,05 при коефіцієнті варіації 2,9 %.

В роботі додатково запропонована методика розрахунку, що дозволяє визначати залишкову несучу здатність залізобетонних балок, які короткочасно довантажуються після дії тривалого навантаження. Ця методика дозволяє з достатньою точністю для практичних розрахунків отримувати залежність “mЇч” деформування нормальних перерізів балок, що розвантажуються або довантажуються після тривалого навантаження. Зокрема, пропонується сумарну кривизну у нормальному перерізі після короткочасного довантаження в момент часу ?2 після тривалого навантаження розраховувати за формулою (рис. 8)

, (13)

Рис. 8. Побудова залежності “mЇч” на ділянці, яка відповідає короткочасному довантаженню балки після дії тривалого навантаження:

1 – крива короткочасного деформування балки в початковий момент часу ?;

2 – умовна крива короткочасного деформування балки після дії тривалого навантаження

У формулі (13) значення кривизн ?ф та ?(t) знаходять за розробленими методиками оцінки НДС при короткочасному та тривалому режимах навантаження. визначення величини ?ф2 виконують за методикою при короткочасному навантаженні (крива 2 на рис. 8) з врахуванням додаткових передумов.

1. Приймають діаграми деформування арматури, умовно вилучаючи з них ділянку, яка відповідає деформуванню арматурної сталі протягом тривалого навантаження.

2. межу міцності бетону на стиск приймають з урахуванням збільшення міцності бетону в процесі тривалого навантаження за пропозицією А. М. Коркішко.

Оцінка достовірності запропонованої методики показує про її достатню точність для використання у практичних розрахунках. Похибка складає до 6 %. Середнє значення відношень дорівнює 0,97 при коефіцієнті варіації 2,0 %.

У п’ятому розділі розглянуті декілька прикладів розрахунків залізобетонних конструкцій за розробленими методиками.

Розглянуто приклад оцінки залишкової несучої здатності залізобетонної ребристої плити, яка зазнала часткового руйнування. Використання результатів роботи дозволило значно зменшити витрати на її підсилення. Вартість підсилення склала 37,4 % від вартості варіанта повної заміни конструкції.

Для визначення раціональної області використання розрахункового апарату при короткочасному навантаженні розглянуто приклад з визначення несучої здатності статично невизначеної балки з абсолютно пружного матеріалу з залізобетонними вставками. Ефективність розрахункового апарату склала при розрахунку на силовий фактор (рівномірно розподілене навантаження) 5 %, відповідно на деформаційний фактор (осадку опори) 72 %. Отже найбільш раціонально пропоновану методику використовувати для розрахунку статично невизначених конструкцій на деформаційні впливи.

висновки

1. Розроблено розрахунковий апарат з визначення НДС нормальних перерізів залізобетонних балочних конструкцій, які зазнали часткового руйнування. Розрахунковий апарат дозволяє оцінювати залишкову несучу здатність таких конструкцій при короткочасному та тривалому навантаженнях.

2. Сформульовані характерні ознаки та дане визначення залізобетонних конструкцій, як таких, що протягом експлуатації зазнали часткового руйнування. Ці конструкції мають певний залишковий ресурс, який можна враховувати у розрахунках їх підсилення.

3. На підставі експериментальних досліджень бетонних призм та залізобетонних балок виявлені закономірності деформування стиснутого бетону в залізобетонних конструкціях, що в процесі тривалого або короткочасного навантаження зазнавали часткового руйнування, а після розвантаження та короткочасного повторного довантаження доводились до повного фізичного руйнування.

4. Для бетонів класів В20 та В35 отримані експериментально отримано залежності “?bЇеb” бетону на додільній гілці від початку руйнування, коли відносні деформації становлять
?b = еb,u, до повного фізичного руйнування бетону, коли напруження на додільній гілці становлять значення менше ніж 10 % від Rb.

5. за даними короткочасних випробувань залізобетонних балок отримані аналітичні діаграми неоднорідного стиску бетону за відносних деформацій на додільній гілці, які перевищують граничні значення еb,u. Аналітичні діаграми ідентичні експериментальним діаграмам “уbЇеb” бетону, які отримували на призмах.

6. запропоновані залежності, за якими описують діаграми деформування бетону під час стиску після досягнення в бетоні граничних деформацій ?b,u до повного фізичного руйнування бетону, коли напруження в бетоні приймають рівними нулю. Це дозволяє з достатньою точністю розраховувати залежності “момент?кривизна” для нормальних перерізів балок на стадії руйнування.

7. Запропонована залежність для розрахунку граничних деформацій бетону в стиснутій зоні тривалонавантажених залізобетонних балок. Ця пропозиція ґрунтується на передумові, що деформування бетону на стадії руйнування як при короткочасному навантаженні, так і при тривалому навантаженні відбувається ідентично.

Виявлено межу початку руйнування бетону в стиснутій зоні балок у відповідності до розрахункових діаграм-ізохрон. Цю межу встановлюють за значеннями відносних деформацій на стиснутій грані: на початку дії тривалого навантаження ?1,ф = еbR; в процесі тривалого деформування ?1,t = еb,max(t).

8. На основі аналізу проведених експериментальних досліджень в рамках розробленого розрахункового апарату, як передумови, сформульовані критерії початку руйнівних процесів в стиснутій зоні бетону та повного руйнування залізобетонних балочних елементів при короткочасному та тривалому навантаженнях. Це дозволяє за результатами розрахунку чітко відокремлювати залізобетонні конструкції, що зазнали часткового руйнування від конструкцій, що не зазнають руйнування.

9. Оцінка достовірності розробленого розрахункового апарату свідчить про те, що розроблені методики достатньо точно відображають модельовані процеси деформування нормальних перерізів та можуть бути рекомендовані для оцінювання залишкової несучої здатності залізобетонних балочних елементів при тривалих та короткочасних навантаженнях.

Публікації

1. Войцеховський О.В., Байда Д.М. Визначення зусиль в стиснутій зоні бетону в перерізах позацентрово стиснутих та зігнутих залізобетонних елементів у загальній постановці // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне, 2000. – Випуск 4. – С. 127?134.

2. Войцехівський О.В., Байда Д.М. Оцінка залишкової несучої здатності залізо-бетонної плити під час розробки проекту реконструкції будівлі спортзалу в м. Козятин // Будівельні конструкції. – 2001. – Випуск 54. – С. 164?167.

3. Свердлов В.Д., Войцехівський О.В., Байда Д.М. До описання деформування бетону в стиснутій зоні балочних залізобетонних елементів на стадії руйнування // Вісник ВПІ. – 2001. – №2. – С. 29?35.

4. Байда Д.М. Методика експериментальних досліджень деформування залізо-бетонних балок під час дії руйнівних навантажень // Вісник ВПІ. – 2003. – №3. – с. 19-25.

5. Войцехівський О.В., Байда Д.М. Процес руйнування бетону стиснутої зони залізо-бетонних балочних елементів // Будівельні конструкції. – 2004. – Випуск 60. – С. 575?581.

6. Байда Д.М. Моделювання процесу деформування залізобетонних балочних елементів під час руйнування // Збірник наукових праць Луганського національного аграрного університету: технічні науки (будівництво). – 2004. – №40(52). – С. 80?88.

У публікації [1] автором отримані формули. В роботах [2, 3] дисертантом отримані формули, виконані розрахунки та побудовані графіки. У роботі [5] автору належить аналіз результатів власних експериментальних досліджень.

Анотація

Байда Д. М. Залишкова несуча здатність залізобетонних балок після їх часткового руйнування. – 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, 2005.

В дисертації розв’язується задача створення методики розрахунку залишкової несучої здатності залізобетонних балок, які протягом експлуатації зазнали дії руйнівних навантажень. При обстеженні технічний стан таких балок визнають непрацездатним або аварійним і на практиці вважають зруйнованими. У дисертації пропонується їх вважати частково зруйнованими, тобто такими, що мають залишкову несучу здатність, врахування якої при підсиленні може бути економічно доцільним.

Для оцінки залишкової несучої здатності частково зруйнованих балочних елементів необхідно математично моделювати процес їх руйнування. У роботі на експериментальній основі запропонована методика оцінки напружено-деформованого стану нормальних перерізів балочних елементів при руйнуванні стиснутої зони бетону.