НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ДРОБИШИНЕЦЬ СЕРГІЙ ЯРОСЛАВОВИЧ

УДК 624.012.24:539.43

ВПЛИВ ПОВТОРНИХ МАЛОЦИКЛОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА МЕХАНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕФІБРОБЕТОНУ ТА РОБОТУ ЗГИНАЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА ЙОГО ОСНОВІ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛЬВІВ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: – доктор технічних наук, професор

Бабич Євгеній Михайлович,

Національний університет водного

господарства та природокористування,

завідувач кафедри “Інженерні конструкції”.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор

Стороженко Леонід Іванович,

Полтавський національний технічний

університет імені Юрія Кондратюка,

професор кафедри “Конструкції з металу, дерева і пластмас”;

– кандидат технічних наук, доцент

Білозір Віталій Володимирович,

Львівський державний аграрний університет,

доцент кафедри “Будівельні конструкції”.

Провідна установа: – Київський національний університет будівництва і архітектури,

кафедра “Залізобетонні і кам’яні конструкції”,

Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 9 ” червня 2006 р., о 1000 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.17 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79646, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, головний корпус, ауд. 226.

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

Автореферат розісланий “ 6 ” травня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Холод П.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток капітального будівництва в нашій країні тісно пов’язаний із підвищенням ефективності будівельного виробництва, зниженням вартості і працемісткості технологічних процесів, економного використання матеріальних та енергетичних ресурсів. Одними із перспективних конструкційних матеріалів є дисперсно армовані матеріали, зокрема сталефібробетон, для виготовлення якого використовують стальні фібри. Починаючи з 80-х років минулого століття цікавість до використання фібробетону зростає, що можна пояснити прагненням суттєво підвищити міцність бетонних матеріалів і конструкцій на його основі на стиск, особливо розтяг, їх тріщиностійкість, отримати ефективні конструкції, які б відповідали більш високим експлуатаційним вимогам.

Раніше показано, що ефективність застосування сталефібробетону в будівельних конструкціях може досягатися за рахунок зниження трудовитрат на арматурні роботи, суміщення технологічних операцій на приготування, армування, укладання та ущільнення сталефібробетонної суміші, продовження терміну експлуатації конструкцій і зниження витрат на різні види поточного ремонту.

Сталефібробетон є ще порівняно новим та не повністю вивченим матеріалом. Так, практично не досліджена робота сталефібробетонних конструкцій при малоциклових повторних навантаженнях, які в більшості випадків в процесі експлуатації діють на них. З огляду на наведене, дослідження особливостей роботи сталефібробетонних конструкцій при повторних навантаженнях є завданням актуальним на даний час та перспективним на майбутнє.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до плану науково-дослідних робіт кафедри промислового та цивільного будівництва Луцького державного технічного університету. Окремі питання досліджувались за темою “Розробка теоретичних основ розрахунку статично-невизначених конструкцій з композиційних матеріалів при різних режимах навантажень” (0101 U 001892), яка включена в плани науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України і виконувалась в Національному університеті водного господарства і природокористування. За цією темою автором досліджені особливості роботи сталефібробетону при повторному стисненні та розтяганні.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є встановлення особливостей роботи сталефібробетонних елементів при повторному малоцикловому стисненні і розтяганні, їх оцінка та розробка методики розрахунку сталефібробетонних (СФБ) і сталефіброзалізобетонних (СФЗБ) згинальних елементів при повторних навантаженнях. Для досягнення мети в роботі до вирішення поставлені такі задачі:

- встановити залежності між напруженнями і деформаціями в сталефібробетоні при одноразовому та повторному стисканні і розтяганні;

- дослідити вплив повторних малоциклових навантажень на зміну міцнісних і деформаційних властивостей сталефібробетону та отримати відповідні аналітичні залежності;

- встановити особливості роботи сталефібробетонних і сталефіброзалізобетонних згинальних елементів при одноразових та повторних малоциклових навантаженнях;

- розробити методику розрахунку сталефіброзалізобетонних та сталефібробетонних елементів за двома групами граничних станів з урахуванням повторних навантажень, використовуючи сучасну розрахункову деформаційну модель.

Об’єктом досліджень є сталефібробетонні елементи, що працюють на стиснення та розтяг, та сталефібробетонні і сталефіброзалізобетонні елементи, що працюють на згин.

Предметом досліджень є міцність та деформативність сталефібробетонних елементів при одноразовому та повторному малоцикловому стисненні і розтяганні, напружено-деформований стан згинальних сталефібробетонних і сталефіброзалізобетонних елементів, їх міцність, деформативність та тріщиностійкість при повторних малоциклових навантаженнях.

Методи досліджень: аналіз опублікованих наукових праць; використання методу планованого експерименту при дослідженні зміни механічних характеристик сталефібробетону при повторних навантаженнях; експериментальні дослідження роботи згинальних елементів за спеціально розробленою програмою; використання деформаційної моделі перерізів при аналізі напружено-деформованого стану згинальних елементів; використання загальноприйнятих методів розрахунку згинальних елементів за деформаціями та тріщиностійкості; використання методів математичної статистики при обґрунтуванні запропонованих математичних моделей

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна виконаної дисертаційної роботи полягає в наступному:

- запропоновані залежності між напруженнями і деформаціями в сталефібробетоні при одноразових і повторних навантаженнях;

- отримані нові експериментальні дані роботи сталефібробетону при дії одноразових та повторних малоциклових навантажень стискання і розтягання та запропоновані математичні моделі для врахування впливу таких навантажень на міцнісні і деформаційні його характеристики;

- отримані нові експериментальні дані про роботу сталефібробетонних та сталефіброзалізо-бетонних згинальних елементів при повторних малоциклових навантаженнях;

- вперше запропонована методика розрахунку сталефібробетонних і сталефіброзалізобетонних згинальних елементів при одноразових та повторних навантаженнях з урахуванням дії на них повторних малоциклових навантажень на основі сучасної розрахункової деформаційної моделі;

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані математичні моделі можуть бути використані при визначенні механічних характеристик сталефібробетону при дії повторних малоциклових навантажень, а розроблена методика розрахунку згинальних сталефіброзалізобетонних елементів – при проектуванні балок і плит, які виготовляються на його основі і піддаються повторним малоцикловим навантаженням. Окремі питання дисертаційної роботи включені в програму спецкурсу “Сталефібробетонні конструкції”, який викладається на кафедрі промислового і цивільного будівництва Луцького державного технічного університету. Деякі результати дисертаційної роботи було враховано підприємством ТзОВ “ЛАД Бетон” при проектуванні та виготовленні балок та промислових підлог для підприємства ROMEX-BETON на об’єкті виробничий комплекс “Кромберг і Шуберт Україна”, що дозволило забезпечити проектну міцність, жорсткість та тріщиностійкість конструкцій. Розроблені рекомендації до розрахунків сталефібробетонних і сталефіброзалізобетонних згинальних елементів за двома групами граничних станів при одноразових і повторних навантаженнях.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що

- виконано аналіз дослідження сталефібробетону та згинальних елементів на його основі та виявлено недосліджені аспекти;

- розроблено методику проведення експериментальних досліджень;

- виконано експериментальні дослідження роботи сталефібробетону (призми 1, 2 і 3 серії) та роботи сталефібробетонних та сталефіброзалізобетонних балок при одноразових та повторних малоциклових навантаженнях;

- виконано обробку експериментальних даних та їх аналіз;

- розроблено методику визначення напружено-здеформованого стану та міцності нормальних перерізів СФБ та СФЗБ балок із використанням повних епюр деформування матеріалів при одноразових і повторних малоциклових навантаженнях;

- методами математичної статистики зроблено порівняння теоретичних та експериментальних даних власних дослідів;

- розроблено окремі положення рекомендацій щодо розрахунку СФБ та СФЗБ балок із використанням сучасної деформаційної моделі.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались і найшли схвалення на міжнародній науково-технічній конференції “Строительство, реконструкция и восстановление зданий и сооружений городского хозяйства” (м. Харків, 2002), на міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування” (м. Рівне, 2002), на науково-технічних конференціях Луцького державного технічного університету (2001, 2002, 2003), на науково-технічних конференціях Українського державного університету водного господарства та природокористування (2002, 2003), на науково-технічній конференції творчої молоді “Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ” (м. Київ, НДІБК, 2003), на шостій науково-технічній конференції “Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація” (м. Кривий Ріг, 2004).

Публікації. Матеріали дисертації викладені у 9 статтях, які опубліковані у збірниках наукових праць, що визнані фаховими виданнями, в тому числі 4 статті опубліковано одноосібно.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 133 найменувань на 13 сторінках та чотирьох додатків на 18 сторінках. Загальний обсяг роботи становить 192 сторінки, зокрема 137 сторінок основного тексту, 22 таблиці, 61 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми та необхідність в проведенні теоретичних та експериментальних досліджень механічних характеристик сталефібробетону та роботи згинальних елементів на його основі, що зазнають впливу повторних малоциклових навантажень. Наведена наукова новизна та практична цінність роботи, сформульовані мета та задачі досліджень.

У першому розділі висвітлено основні фізичні, міцнісні та деформативні характеристики сталефібробетону, можливість його застосування в конструкціях, розглянуті навантаження, що можуть діяти на сталефібробетонні конструкції та вплив повторних малоциклових навантажень на роботу важкого бетону, зроблено огляд опублікованих результатів експериментальних досліджень сталефібробетону та сталефібробетонних конструкцій при короткочасних навантаженнях.

Першими дослідниками сталефібробетону були Д.Берард, В.П.Некрасов, Д.П.Ромуальді, Г.Б.Батсон, Д.А.Мандель. В сучасний період суттєвий внесок в розвиток сталефібробетону зробили: Д.С.Аболіньш, В.В.Білозір, А.Я.Барашиков, П.І.Васильєв, И.В.Волков, Г.В.Гетун, В.М.Косарєв, Б.О.Крилов, О.П.Кричевський, А.Н.Куліков, Л.Г.Курбатов, Г.Е.Лагутін, Є.Ф.Лисенко, Е.І.Митрофанов, А.П.Павлов, С.М.Панарін, Ф.Н.Рабінович, В.Рамачадран, А.В.Сакварелідзе, В.І.Соломіна, А.В.Сопільняк, Г.Г.Степанова, О.П.Сунак, Н.Г.Тхань, Р.О.Эйзеншмідт, Дж.Бодуен, І. Еджингтон, Р.Н.Свемі, Д.І.Ханант та інші.

Більшість науковців акцентують увагу на тому, що введення в бетон хаотично орієнтованих коротких волокон мало впливає на міцність сталефібробетону на стиск і на модуль пружності, але приводить до суттєвого збільшення міцності на розтяг та згин. Зокрема міцність сталефібробетону на розтяг в 1,5...2 рази більша за міцність бетону-матриці. Стійкість сталефібробетону до розвитку тріщин при осьовому розтягу в 1,5...2,5 рази вища у порівнянні зі звичайним бетоном та підвищується зі збільшенням об’ємного відсотку армування і зменшенням діаметра фібр.

Багато дослідників (Гетун Г.В., Курбатов Л.Г., Косарев В.М., Нахимович Л.А., Сопільняк А.В., Ставров Г.Н.) приділяли увагу вивченню комбіновано армованих сталефібробетонних (сталефіброзалізобетонних) конструкцій, виготовлених із сталефібробетону і армованих стержньовою арматурою, адже фіброве армування не може бути рівноцінне стержньовому. Підвищена міцність бетону на розтяг в таких конструкціях може бути використана для підвищення їх тріщиностійкості і міцності, а також з метою зменшення ширини розкриття тріщин і прогинів конструкцій. Також, значна частина експериментальних робіт присвячена вивченню комбіновано армованих сталефібробетонних елементів з шаром сталефібробетону, який займає як частину висоти, так і повну висоту перерізу.

З аналізу робіт вище наведених вчених зроблено наступні висновки:

- сталефібробетон є ефективним композиційним матеріалом, який може широко використовуватись для виготовлення різноманітних конструкцій ;

- на конструкції, виготовлені із сталефібробетону та сталефіброзалізобетону в переважній більшості діють повторні малоциклові навантаження;

- механічні та деформативні характеристики сталефібробетону (міцність при стисканні і розтяганні, модуль пружності, повзучість, усадка) вивчені в достатній мірі при одноразовій дії навантажень, а при дії повторних малоциклових навантаженнях практично не вивчались;

- не досліджувалась робота згинальних СФБ елементів при повторних навантаженнях;

- в нормативних документах методика розрахунку конструкцій на основі сталефібробетону не міститься, так як вона не розроблена (особливо це стосується дії повторних навантажень);

- в науковій літературі не розглядались питання розрахунку згинальних фібробетонних і сталефібробетонних елементів на основі сучасної деформаційної розрахункової моделі.

В кінці розділу сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі наведено характеристики матеріалів, зразків, обладнання та висвітлена методика проведення експериментальних досліджень.

Відповідно до мети та задач поставлених у роботі прийнято за доцільне провести такі випробування:–

в першій серії в режимі планованого експерименту досліджували роботу сталефібробетону, як при одноразовому так і при малоцикловому центральному стисканні;–

друга серія присвячена дослідженню малоциклової втомленості сталефібробетону та особливості його роботи при повторних навантаженнях;–

особливості роботи сталефібробетону при одноразовому і повторному розтяганні досліджувались в третій серії;–

в четвертій і п’ятій серіях досліджувалась робота балок при малоциклових навантаженнях.

Усього випробувано 12 балок, 102 призми та 48 кубів.

Призми першої, другої та третьої серій, виготовлялися із дрібнозернистого бетону та армувалися сталевою фіброю. У першій серії вміст фібр у зразках змінювався і становив 1; 1,5 та 2% від об’єму. У другій та третій серіях відсоток сталевих фібр у зразках був незмінним і становив 1,5%.

Балки четвертої серії були виготовлені різного виду (2 сталефібробетонні, 2 залізобетонні та 2 сталефіброзалізобетонні), а балки п’ятої серії – всі сталефіброзалізобетонні. Вміст сталевих фібр становив 1,5% від об’єму. Поздовжню арматуру використано класу А-III діаметром 12 мм, поперечну – із арматурного дроту Вр-І діаметром 5 мм (рис.1). Крок поперечних стержнів прийнято 50 мм. В зоні чистого згину верхні монтажні та поперечні арматурні стержні не влаштовувалися. Для визначення міцнісних характеристик бетону матриці, одночасно із бетонуванням балок виготовлялися куби та призми розміром відповідно 10х10х10 см та 15х15х60 см.

Склад дрібнозернистого бетону прийнято таким: Ц : П = 1 : 2 при В/Ц = 0,4 (за масою). Для виготовлення дослідних зразків використано фібри діаметром 1мм та довжиною 80 мм. Дисперсну арматуру виготовлено із відпрацьованих канатів, фібри профілюванню не піддавалися.

Рис.1. Схема армування дослідних зразків.

Для вимірювань деформацій сталефібробетону дослідних призм використовували індикатори годинникового типу МИГ-1 та МИГ-2 на базі 300 та 400 мм відповідно для зразків 1, 2 та 3 серій.

Балки випробовували як однопрольотні, вільно оперті з розрахунковим прольотом L=200 см. Навантаження здійснювалося у вигляді двох зосереджених сил на відстані 30 см від геометричного центру зразка. Прогини балок вимірювали за допомогою прогиномірів 6ПАО з ціною поділки 0,01 мм, які розміщувались під зосередженими силами та по середині прольоту. Середні деформації крайніх волокон стиснутої та розтягнутої зони бетону вимірювали індикаторами годинникового типу на базі 200 мм з ціною поділки 0,001 та 0,002 мм, а також за допомогою наклеєних на бокові грані балки тензорезисторів на базі 50 мм, які розміщувались по нормальних а в сталефібробетонних зразках і по нахилених перерізах (рис.2).

Навантаження призм та балок відбувалося ступенями, значення яких становили 10 % від руйнівного. На кожній ступені навантаження робилися витримки відповідно протягом 3...5 та 10...15 хв., для зняття показників по приладах. При випробуванні зразків повторними навантаженнями, повне розвантаження виконували такими ж ступенями.

Рис.2. Загальний вигляд балок під час випробувань.

Третій розділ присвячений аналізу експериментальних досліджень призм 1, 2 та 3 серій при дії на них одноразового та повторного малоциклового стиску та розтягу.

На основі статистичної обробки експериментальних даних встановлена залежність між напруженнями і деформаціями сталефібробетону при одноразовому навантаженні, що має вигляд:

, (1)

де Esfb,0 – початковий модуль пружнопластичності бетону, який відповідає напруженню уsfb = 0;

уsfb – напруження в сталефібробетоні при стисканні;

еsfb – деформації сталефібробетону при стисканні;

Rsfb – міцність сталефібробетону при осьовому стисканні;

нsfb,R – граничний коефіцієнт пружності сталефібробетону при стисканні.

При дослідженні зразків першої серії, основними факторами, що впливають на міцність матеріалу, були вибрані: уміст фібр , верхній рівень циклічного навантаження з; кількість циклів N. Кожен із вибраних факторів варіювався на трьох рівнях. Як вихідний параметр приймалось відношення міцності дослідних зразків після визначеного матрицею планування режиму малоциклових навантажень уsfbu,cyc до тієї ж величини при одноразовому короткочасному навантаженні до руйнування уsfbu.

В результаті аналізу планованого експерименту для вихідного параметра уsfbu,cyc/уsfbu =ѓ(,з,N) при довірчій імовірності 95% отримано наступне рівняння регресії:

. (2)

Аналогічне рівняння регресії отримано і для зміни початкового модуля пружності сталефібробетону при малоцикловому осьовому стиску:

, (3)

де n1, n2, n3 – відповідно натуральні значення , з, N.

Отримані математичні моделі (2) та (3) дозволяють знаходити значення коефіцієнтів умови роботи СФБ за напруженнями (уsfbu,cyc/уsfbu) та за модулем пружності (Esfb0,cyc/Esfb0,1) в межах області варіювання вибраних факторів при будь-яких їхніх проміжних сполученнях.

Слід відмітити, що міцність уsfbu,cyc для СФБ після малоциклових навантажень в більшості випадків вища за уsfbu, а модуль пружнопластичності Esfb0,cyc є меншим за Esfb0,1 .

Збільшення міцності найбільше залежить від верхнього рівня навантаження з, але це спостерігається тільки до з = 0,65. Також, вплив на уsfbu,cyc чинить вміст фібр, . В даному випадку спостерігається найбільше підвищення міцності при = 1,5 %. Дещо менший вплив на зміну міцності експериментальних зразків чинить фактор кількості циклів навантаження N, проте і в даному випадку спостерігається закономірність незначного зростання уsfbu,cyc (при 0,85).

Зменшення модуля пружнопластичності, що спостерігалося в дослідах, теж в основному, залежить від верхнього рівня навантаження. Варто відмітити, що чим вищий рівень напружень з, при фіксованих значеннях та N, тим значніше зменшення модуля пружнопластичності. Наприклад, при постійних значеннях = 2 % та N = 11 циклів, середнє значення Esfb0,cyc сталефібробетонних призм, при з = 0,45 і 0,85 знижується і складає відповідно 0,885 та 0,706 від Esfb0,1. Подібні тенденції спостерігались і при інших варіаціях факторів.

Результати дослідження малоциклової втомленості досліджуваного сталефібробетону (рис.3) підтвердили справедливість формули, отриманої Є.М.Бабичем та Ю.О.Крусьом для важкого бетону. Для сталефібробетону ця формула має вигляд:

, (4)

де fb,cyc – відносний рівень молоциклової втомленості сталефібробетону;

p = 0,25 і q = 0,29 – сталі коефіцієнти, які характеризують пружно – пластичний опір

сталефібробетону малоцикловому навантаженню.

Основну кількість призм випробувано повторними навантаженнями з вимірюванням на ступенях поздовжніх деформацій. Призма П-8 при = 0,95 зруйнувалась на другому циклі, а призма П-9 при = 0,91 витримала два цикли навантаження і на третьому зруйнувалась. В наступних випробуваннях рівень циклічних напружень зменшувався і при їх дії визначалася кількість витриманих циклів. Наприклад, призма П-18 ( = 0,77), зруйнувалася на 51-му циклі. Призма П-16 (рис. 4) піддавалась циклічним випробуванням при sfb/Rsfb = 0,63, вона витримала 116 циклів, після чого була зруйнована довантаженням. Призма працювала в стабільному режимі і ознак настання малоциклової втомленості не спостерігалось.

Аналіз експериментальних даних підтверджує можливість використання для опису діаграми “уsfbt – еsfbt” при розтяганні як при першому одноразовому навантаженні до руйнування, так і після попереднього повторного навантаження з наступним довантаженням до руйнування формулу, що запропонована Є.М.Бабичем та В.В.Савицьким для важкого бетону і має вигляд:

, (5)

де Esfbt,0 – початковий модуль пружності сталефібробетону при уsfb,t = 0;

нsfbt,R – граничний коефіцієнт пружності сталефібробетону.

Формула (5) дає добру збіжність теоретичних та експериментальних даних. Середні відношення теоретичних значень уsfb,t обчислених за формулою (5), для дослідних призм П-0,0; П-0,6 і П-0,8 склали 1,006; 0,998 і 0,996, середньоквадратичні відхилення – 0,031; 0,026 і 0,028, а коефіцієнти мінливості – 3,1; 2,6 і 2,8 %.

Для СФБ при розтяганні, так як і при стисканні залежність між модулем пружнопластичності і рівнем навантаження є лінійною. Коефіцієнт кореляції для призм П-0,0, П-0,6 і П-0,8 практично рівний одиниці. Тому таку залежність можна прийняти функціональною із корегуванням відповідних коефіцієнтів у вигляді:

, (6)

де Esfbt,0 - початковий модуль пружності сталефібробетону при розтяганні (при уsfb,t = 0);

E/sfbt - модуль пружнопластичності сталефібробетону при розтяганні (при уsfb,t ? 0);

лsfbt,R - граничний коефіцієнт пластичності сталефібробетону (лsfbt,R = 1 – нsfbt,R).

При повторних навантаженнях стабілізація деформацій відбувається практично на перших п'яти – семи циклах. У призмі П-0,6 на першому циклі навантаження-розвантаження залишкові деформації склали 8,75Ч10-6, на другому вони зросли до 10,31Ч10-6, а після третього циклу їх збільшення припинилось (рис.5а). У призмах П-0,8 залишкові деформації збільшувались до сьомого циклу і склали 14,38Ч10-6, а потім відбувалася їхня стабілізація. Як і при одноразовому навантаженні, у призмах П - 0,6 і П - 0,8 на всіх циклах спостерігалась лінійна залежність між модулем пружнопластичності Esfb,t і рівнем навантаження зt = уsfb,t/Rsfb,t (рис.5б).

Рис.5. Діаграма деформування (а) та залежність “ Esfb,t – зt(б) при повторному розтяганні призми П-0,6.

Четвертий розділ присвячений дослідженню роботи сталефібробетонних та сталефіброзалізо-бетонних балок при повторних малоциклових навантаженнях.

Перші балки (базові) кожного типу експериментальних зразків випробовувалась одноразово до руйнування, несуча здатність яких становила: 1БСФ-1 Pu=3 кН, 1БЗБ-1 Pu=30 кН, 1БСФЗБ-1 та 2БСФЗБ-1 Pu=27,5 кН. Режимні балки піддавались малоцикловим навантаженням з кількістю циклів, рівною 10, та наступним довантаженням до руйнування на 11-му циклі (виключенням є балка 2БСФЗБ-3, яка досліджувалась протягом 20-ти циклів). Максимальні рівні повторних навантажень () для всіх балок 1-ї серії приймали з = 0,6, а для балок 2-ї серії приймали такими: для балки БСФЗБ-2 - = 0,75; балки БСФЗБ-3 - = 0,9; балку БСФЗБ-4 перших п’ять циклів навантажували до рівня = 0,6, на шостому і сьомому циклах рівень навантажень був збільшений до = 0,75, на наступних циклах рівень було знижено до = 0,6, а на 11-му циклі балка була зруйнована довантаженням; аналогічно випробовували балку БСФЗБ-5, але на шостому і сьомому циклах рівень повторного навантаження було збільшено до = 0,9; для БСФЗБ-6 - = 0,7 з наступним збільшенням навантаження по циклам.

Балка 1БСФ-1 зруйнувалась по нормальному перерізу внаслідок досягнення сталефібробетоном граничних деформацій в крайніх розтягнутих волокнах. Утворення тріщин не відбувалось, лише при руйнуванні утворювалась одна нормальна тріщина посередині балки. Прогин балки в середині прольоту становив 0,51 см. Балка руйнувалася плавно без викришування і роздроблення бетону. Низьку несучу здатність балки (3 кН) можна пояснити тим, що при великих прольотах дисперсне армування не може повністю забезпечити експлуатаційну міцність конструкцій.

Балка 1БЗБ-1 зруйнувалася внаслідок досягнення арматурою межі текучості. Нормальні тріщини утворилися при навантаженні 5 кН. Тріщини розташовувалися строго по розміщенню поперечних стержнів приблизно через 50 мм. Ширина розкриття становила 0,04 мм при 7,5 кH та 0,2 мм при 25 кH. Похилих тріщин практично не виникало. Прогин балки в середині прольоту становив 1,53 см. Балка руйнувалася крихко, спостерігалося викришування та роздроблення стиснутої зони бетону.

Несуча здатність балок 1БСФЗБ-1 та 2БСФЗБ-1, що досліджувалися при одноразовому навантаженні становила Pu=27,5 кН (Mu = 19,25 кН*м). Перші тріщини виникли при навантаженні Р = 7,5 кН, ширина розкриття яких становила 0,02 мм і розташовувалися порівняно з залізобетонними балками частіше, переплітаючись між собою. Деформації крайнього волокна стиснутої зони при руйнуванні становили sfb = 308,5*10-5, а деформації арматури - s = 290*10-5. Прогин балки в середині прольоту складав f = 1,45 см (рис.6). Треба зазначити, що деформації крайнього стиснутого волокна СФБ при згині перед руйнуванням балки в 2,2 рази перевищили граничні деформацій при центральному стисканні.

Відсутність підвищення міцності СФБ балки на згин можна пояснити тим, що розтягувальні зусилля в основному сприймала арматура, сталефібробетон вплинув лише на утворення, ширину розкриття тріщин та розвиток прогинів.

Несуча здатність балки 1БСФ-2 після впливу малоциклових навантажень знизилася і становила 2,75 кH. Протягом десяти циклів утворення тріщин не спостерігалося. Після першого циклу було помітно залишковий прогин f = 0,33 мм. Стабілізація прогинів наступила на 5-7 циклах навантаження-розвантаження. На 11 руйнівному циклі прогин балки в середині прольоту становив 5,56 мм. Тобто є дещо більшим за прогин балки 1БСФ-1, яка випробовувалась одноразово.

Несуча здатність балки 1БЗБ-2 після впливу малоциклових навантажень становила 27,5 кH. Утворення тріщин спостерігалося на 1 та 2 циклах. Ширина розкриття тріщин на протязі десяти циклів залишалася незмінною і становила 0,04 мм при 5 кH і 0,18 мм при 17,5 кH. Нормальні тріщини починали розвиватись при підвищенні зусилля на 11 циклі, ширина їх розкриття становила 0,26 мм при 45 кH. Зростання прогину відбувалося до 8 циклу, а стабілізація на 9-10 циклах. Характер руйнування балки 1БЗБ-2 подібний до 1БЗБ-1.

Робота балки 2БСФЗБ-2 вивчалася при повторних навантаженнях при рівні з = 0,75 Несуча здатність балки становила Pu= 30 кН (Мu = 21 кН*м). Перші тріщини почали з’являтися на першому циклі при навантаженні Р = 5 кН, при збільшенні навантаження до Р =7,5...20 кН виникали нові тріщини. Ширина розкриття тріщин на протязі 10 циклів була незмінною і становила 0,02 мм при Р = 5 кН і 0,2 мм - при 20 кН. Деформації та прогини стрімко розвивалися до 3...5 циклу, стабілізація наступила на 8...10 цикла. Основні досліджувані характеристики перед руйнуванням були такими: деформації крайнього волокна стиснутої зони сталефібробетону – sfb= 322*10-5; деформації розтягнутої арматури – s= 320*10-5; прогини балки – під зосередженими силами 11,5 і 11,8 мм, в середині прольоту f = 13,5 мм (рис.7). Балка зруйнувалась за нормальним перерізом внаслідок досягнення арматурою межі текучості.

З метою спостереження за руйнуванням балки від втомленості проводилися дослідження балки 2БСФЗБ-3 при рівні з=0,9 (Р = 25 кН) протягом 20-ох циклів. Проте балка витримала такий режим навантажень і була доведена до руйнування примусово. Несуча здатність балки становила Pu = 30 кН. Очевидно, що дійсний рівень навантаження був дещо меншим, так як на першому циклі при Р = 20 кН деформації стиснутого бетону були менші за аналогічні деформації базової балки БСФЗБ-1 і склали sfb = 176,2*10-5. При Р = 25 кН на першому циклі деформації арматури становили s = 285*10-5, бетону - sfb = 334,2*10-5, а прогину – f = 12,76 мм. Причини і характер руйнування балки 2БСФЗБ-3 аналогічні до балки 2БСФЗБ-2.

Відомо, що під час експлуатації конструкцій рівень повторних навантажень може змінюватись внаслідок зміни навантаження від нормативного до розрахункового, або від нормативного до випадкового навантаження, яке часто вище за розрахункове. Для вивчення роботи балок при такій зміні рівнів навантаження, випробовували балки 2БСФЗБ-4 і 2БСФЗБ-5. Охарактеризуємо балку 2БСФЗБ-5.

В балці 2БСФЗБ-5 стабілізація деформацій стиснутого сталефібробетону, розтягнутої арматури та прогинів відбулася на 3…5 циклах (рис.8). На шостому і сьомому циклах при довантаженні до = 0,9 спостерігалось стрімке збільшення всіх деформативних характеристик. Зокрема, на шостому циклі при Р = 25,0 кН (М = 17,5 кН*м) деформації стиснутого сталефібробетону збільшились до sfb = 219,6*10-5, розтягнутої арматури – до s = 247,5*10-5, а прогин – до f = 11,4мм (рис.8). На сьомому циклі ці деформації продовжували зростати (sfb = 246,3*10-5; s = 252,5*10-5,

f = 11,9 мм), що свідчить про порушення стабілізації, яка відбулася на перших п’яти циклах при Р = 16,5 кН. Причому це порушення більш суттєве, ніж в балці 2БСФЗБ-4. На восьмому циклі при Р= 16,5 кН порівняно з п'ятим циклом, на якому при цьому навантаженні відбулася стабілізація деформацій, деформації стиснутого сталефібробетону збільшились на 41,0 розтягнутої арматури – на 10,4 і прогину – на 19,3 %. Таке збільшення свідчить про те, що виникнення циклів повторного навантаження з високими рівнями призводить до суттєвого збільшення залишкових деформацій, особливо в бетоні стиснутої зони. Але на 9…10 циклах при Р = 16,5 кН деформації балки практично не змінювались. Балка 2БСФЗБ-5 зруйнувалася на одинадцятому циклі при Рu = 30,0 кН (Mu = 21,0 кН*м).

П’ятий розділ присвячений розробці методики визначення напружено-здеформованого стану та міцності СФБ та СФЗБ балок за методом граничної рівноваги з використанням розрахункової деформаційної моделі (Байков В.М., Бамбура А.М., Дорофеєв В.С., Залесов О.С., Пецольд Н.Т., Роговий С.І., Яременко О.Ф.), яка застосовується на сучасному етапі розробки нормативної бази проектування залізобетонних конструкцій.

В основу деформаційної моделі в дисертації покладені такі положення:

- рівняння рівноваги зовнішніх і внутрішніх зусиль у нормальному перерізі;

- умови деформування матеріалів у вигляді лінійного розподілення деформацій по висоті перерізу (справедливість гіпотези плоских перерізів);

- повні діаграми деформування бетону і арматури, які встановлюють зв’язок між напруженнями і деформаціями при навантаженні аж до руйнування;

- епюри напружень в стиснутій і розтягнутій зонах нормальних перерізів приймаються криволінійними.

За критерії міцності будемо приймати досягнення деформаціями арматури і сталефібробетону максимальних значень.

Оскільки на сьогодні для сталефібробетону не розроблена повна діаграма деформування сталефібробетону при стиску і розтягу, яка включає висхідну і низхідну ділянки, при виведенні формул для визначення міцності і напружено-здеформованого стану нормальних перерізів використаємо експериментально обгрунтовані діаграми деформування сталефібробетону тільки з висхідною віткою. Крім цього, будемо враховувати вплив повторних навантажень на зміну механічних характеристик сталефібробетону. На основі власних експериментальних даних залежності між напруженнями і деформаціями сталефібробетону при стисканні і розтяганні приймемо відповідно у вигляді (1) та (5).

На основі висунутих положень деформаційної моделі, фізичну модель нормального перерізу згинального СФБ елемента представимо у вигляді (рис. 9).

Рис.9. Схема розподілення напружень (а) та деформацій (б) в поперечному перерізі (в) згинального сталефібробетонного елемента.

За фіксованих значень висоти стиснутої зони СФБ x = z1 і деформацій крайнього розтягнутого волокна еsfb,t = еsfb,t1 рівняння рівноваги зовнішніх і внутрішніх зусиль в нормальному перерізі матимуть вигляд:

M1 = Mc1 + Mt1; (7)

Nc1 = Nt1, (8)

де M1, Mc1 і Mt1 – згинальні моменти відповідно від зовнішнього навантаження, зусилля в стиснутій і розтягнутій зонах перерізу відносно нейтральної лінії;

Nc1 і Nt1 – рівнодіючі внутрішніх зусиль відповідно в стиснуті і розтягнутій зонах перерізу.

Користуючись розрахунковою схемою зусиль в поперечному перерізі згинального елемента (рис.9) формули для визначення внутрішніх зусиль матимуть вигляд:

, (9)

Враховуючи прийняті передумови та гіпотезу плоских перерізів, формули для визначення внутрішніх зусиль у нормальному перерізі згинального елементу набудуть такого вигляду:

; (10)

; (11)

; (12)

. (13)

де ; .

Визначення внутрішніх зусиль за наведеними вище формулами здійснюється методом послідовних наближень. Для реалізації вирішення даного завдання з використанням комп’ютерної техніки розроблена блок-схема та відповідна програма.

Фізичну модель нормального перерізу згинального сталефіброзалізобетонного елемента представимо у вигляді (рис.10).

Рис.10. Схема розподілення напружень (а) і деформацій (б) в нормальному перерізі (в) згинального сталефіброзалізобетонного елемента.

За фіксованих значень висоти стиснутої зони СФЗБ x = z1 і деформацій крайнього стиснутого волокна СФЗБ еsfb1 рівняння рівноваги нормального перерізу запишемо у такому вигляді:

; ; (14)

; , (15)

де Nc1 і Ns1 – рівнодіючі зусиль в сталефібробетоні стиснутої зони і в розтягнутій арматурі;

M1; Mc1 Ms1 – згинальні моменти відповідно від зовнішнього навантаження, зусилля в стиснутій зоні сталефібробетону і розтягнутій арматурі відносно нейтральної лінії;

As – площа поперечного перерізу поздовжньої арматури;

Es – модуль пружності арматури;

h0 – робоча висота нормального перерізу елемента;

еs1 – деформація розтягнутої арматури, яка відповідає значенню еsfb1.

За гіпотезою плоских перерізів значення еs1 знаходиться за формулою

. (16)

З урахуванням розв’язку інтегралів і (16) рівняння рівноваги (14) і (15) набудуть вигляду:

; (17)

. (18)

З використанням формул (17) і (18) можна визначати внутрішні зусилля за будь-якого рівня завантаження при відомому значенні однієї із деформацій матеріалів, граничну несучу здатність згинального елемента (руйнуючий момент), а також визначати площу поперечного перерізу розтягнутої арматури. Всі три задачі розв’язуються методом послідовних наближень.

Крім цього, в розділі перевірено збіжність теоретичних та експериментальних значень згинальних моментів в досліджених балках.

Зокрема, для балки 1БСФЗБ-1, за формулою (18) обчислені теоретичні значення згинаючих моментів на ступенях навантаження залежно від заміряних деформацій сталефібробетону в крайніх волокнах стиснутої зони. Порівняння з експериментальними даними показує, що теоретичні значення мають з ними добру збіжність (рис.11.а). Середнє відношення km теоретичних значень згинаючих моментів Mth до експериментальних Mexp (k = Mth / Mexp) склало 1,052, середньоквадратичне відхилення – у = 0,033 при коефіцієнті мінливості х = 0,029 ( 11 значень). Всі значення k знаходяться в межах km - 3у < k< km + 3у.

Балка 1БСФЗБ-2 піддавалась повторним малоцикловим навантаженням. Теоретичне значення згинаючих моментів за формулою (18) обчислювали на циклах навантаження і на останньому напівциклі навантаження до руйнування. Як видно з рис.11.б, в цій балці спостерігається більше відхилення теоретичних значень моментів від дослідних. Середнє відношення теоретичних моментів до дослідних склало km = Mth / Mexp = 1,132 при середньоквадратичному відхиленні – у = 0,073 і коефіцієнті мінливості х = 0,064 ( 59 значень). Як і в балці 1БСФЗБ-1 в цій балці всі значення k також знаходяться в межах km - 3у < k < km + 3у.

Аналіз наведених даних показує, що в розглянутих балках на всіх ступенях як при по цикловому навантаженні, так і при навантаженні до руйнування теоретичні значення згинальних моментів перевищують експериментальні в межах 9,1 … 13,2 %, що можна вважати задовільним.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Сталефібробетон є ефективним композиційним матеріалом для виготовлення будівельних конструкцій різноманітного призначення, але механічні характеристики та робота елементів на його основі досліджені недостатньо. Особливо це стосується роботи елементів під дією повторних малоциклових навантажень. В дисертації отримані нові експериментальні і теоретичні результати про роботу сталефібробетону при стиску і розтягу, роботу згинальних сталефіброзалізобетонних елементів при одноразових і повторних малоциклових навантаженнях та розроблені рекомендації щодо їхнього розрахунку.

2. Встановлено вплив повторних малоциклових навантажень на призмову міцність і модуль пружнопластичності сталефібробетону та запропоновані обґрунтовані математичні моделі для їх визначення. Показано, що при експлуатаційному рівні повторних малоциклових навантажень призмова міцність може збільшуватись до 10 %, а початковий модуль пружності – зменшуватись. Вперше досліджена малоциклова втомленість сталефібробетону та запропонована формула для її визначення.

3. Встановлені залежності між напруженнями і деформаціями в сталефібробетоні при одноразовому і повторному малоцикловому стисненні і розтяганні.

4. Отримані нові експериментальні дані про роботу сталефіброзалізобетонних згинальних елементів при повторних малоциклових навантаженнях. Встановлено, що при повторних навантаженнях експлуатаційних рівнів (60 … 70 % від руйнівних) після п’яти – семи циклів відбувається стабілізація напружено-деформаційного стану елементів.

5. Повторні малоциклові навантаження спричиняють збільшення повних прогинів та ширини розкриття тріщин в згинальних елементах (до 15 %).

6. Вперше запропонована методика розрахунків напружено-деформаційного стану і міцності нормальних перерізів сталефібробетонних згинальних елементів на основі сучасної деформаційної розрахункової моделі при дії одноразових і повторних малоциклових навантажень, яка має задовільну збіжність з експериментальними даними.

7. Запропоновані рекомендації до розрахунків сталефібробетонних і сталефіброзалізобетонних згинальних елементів з урахуванням зміни механічних характеристик матеріалу внаслідок дії повторних малоциклових навантажень, які доцільно використовувати в проектній практиці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Статті у фахових виданнях

1. Бабич Є.М., Дробишинець С.Я. Дослідження деформування сталефібробетону при повторному розтяганні / Коммунальное хозяйство городов. – Киев: Издательство “Техника”, 2002. – Выпуск 39. - С.7 – 11. (автором сформульовано результати експериментальних досліджень та зроблено їх аналіз, порівняння експериментальних та теоретичних даних);

2. Дробишинець С.Я. Вплив малоциклових навантажень на опір сталефібробетону осьовому стиску // Вісник Українського державного університету водного господарства та природокористування: Збірник наукових праць. – Рівне, 2002. – Випуск 5(18): - с. 24-28.

3. Бабич Є.М., Дробишинець С.Я. Дослідження втомленості сталефібробетону при малоцикловому стисненні / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: Видавництво УДУВГП, 2002.- Випуск 8.- С. 55 – 64. (автором сформульовано результати експериментальних досліджень та зроблено їх аналіз, виконано порівняльні розрахунки);

4. Дробишинець С.Я. Дослідження механічних характеристик сталефібробетону при повторному стисненні та розтяганні // Перспективи розвитку будівельних конструкцій, будівель, споруд та їх основ: Міжвідомчий науково-технічний збірник. – Київ. НДІБК., 2003. – Випуск 58: - с. 39-45.

5. Дробишинець С.Я. Експериментальні дослідження сталефібробетонних та сталефіброзалізобетонних балок при одноразовому та малоцикловому навантаженні // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. – Рівне, 2003. – Випуск 9: - с. 218-224.

6. Бабич Є.М., Дробишинець С.Я. Експериментальні дослідження роботи сталефіброзалізобетонних балок при повторних навантаженнях // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво: Збірник наукових праць, Рівне: РДТУ, 2003.- Випуск 28.- С. 44 – 52. (автором описано процеси руйнування балок та зроблено аналіз деформацій сталефібробетону і розтягнутої арматури при повторних навантаженнях, сформульовано висновки);

7. Дробишинець С.Я. Вплив малоциклових навантажень на зміну модуля пружнопластичності сталефібробетону при осьовому стиску // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. – Рівне, 2004. – Випуск 11: - с. 178-183.

8. Бабич Є.М., Дробишинець С.Я. Робота сталефібробетонних та сталефіброзалізобетонних балок при одноразовому та повторних малоциклових навантаженнях // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Збірник наукових статей. – Кривий Ріг: КТУ, 2004.- Випуск 6.- С. 65 – 71. (автором зроблено аналіз деформацій сталефібробетону в стиснутій зоні балок другої серії дослідів, побудовано графіки, сформульовано висновки);

9. Бабич Є.М., Крусь Ю.О., Дробишинець С.Я. Напружено-деформований стан і міцність згинальних сталефібробетонних і сталефіброзалізобетонних елементів // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. Рівне: НУВГП, 2005.- Випуск 12.- С.91 – 99. (автором складено умови рівноваги внутрішніх зусиль в нормальних перерізах балок та їх рішення).

АНОТАЦІЯ

Дробишинець С.Я. Вплив повторних малоциклових навантажень на