БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ШИНКАРЮК ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 624.012.45

МІЦНІСТЬ, ДЕФОРМАТИВНІСТЬ ТА ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ СЛАБОАРМОВАНИХ ПЛИТ ПРИ ЧИСТОМУ ЗГИНІ В ДВОХ НАПРЯМКАХ ПРИ ДІЇ ПОСТІЙНИХ ТА МАЛОЦИКЛОВИХ НАВАНТАЖЕНЬ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

КРІПАК Володимир Денисович, Київський національний університет будівництва і архітектури, доцент кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

ШМУКЛЕР Валерій Самуїлович,

Харківська національна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

МАКСИМЕНКО Валерій Петрович,

Державний науково-дослідний інститут автоматизованих систем в будівництві Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України, старший науковий співробітник відділу інформаційних технологій розрахунку несучих конструкцій будівель та споруд

Провідна установа:

Національний університет “Львівська політехніка”,

кафедра будівельних конструкцій та мостів Міністерства освіти і науки України (м. Львів)

Захист відбудеться 16 червня 2006 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою:

03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою:

03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31

Автореферат розісланий 3 травня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н. В.Г. Кобієв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На даному етапі розвитку будівельної науки проблема удосконалення існуючих методів розрахунку особливо актуальна для залізобетонних плитних конструкцій, застосування яких, в зв’язку з розвитком монолітного будівництва в Україні, значно розширюється. Слід відзначити, що у сучасних будівлях і спорудах все частіше зустрічаються залізобетонні плити (плити перекриття житлових та промислових будівель, монолітні фундаментні плити тощо), що працюють у двох напрямках. Недостатнє вивчення особливостей роботи таких плит, призводить до їх невиправданого переармування, а в ряді випадків до конструктивної невідповідності вимогам другої групи граничних станів: деформативності та ширини розкриття тріщин.

При експлуатації велика кількість залізобетонних конструкцій зазнає дії малоциклових повторних навантажень, вплив яких на міцність, деформативність і тріщиностійкість вивчено недостатньо. Незважаючи на значну кількість праць, присвячених даним проблемам, у деяких роботах приводяться зовсім протилежні думки стосовно впливу та методів урахування малоцикловості прикладення навантажень. Особливо це стосується залізобетонних плит, працюючих у двох напрямках, дослідження впливу малоцикловості прикладення навантажень для яких практично відсутні.

Для забезпечення надійної роботи залізобетонних плитних конструкцій необхідно враховувати режими прикладення навантажень, закономірності змін міцності і деформативних характеристик матеріалів, процесів тріщиноутворення та розвитку ширини розкриття тріщин за дії як однократних так і малоциклових повторних навантажень.

Отже, питання вивчення особливостей роботи залізобетонних плит, що працюють у двох напрямках та удосконалення методик їх розрахунку є досить актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Виконана дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт тематики кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій Київського національного університету будівництва і архітектури у рамках держбюджетної тематики на 2000-2005 роки “Дослідження залізобетонних конструкцій при складних впливах” (проблема ОЦ.031.055.16Ц), розділ ІІІ “Експериментально-теоретичні дослідження залізобетонних конструкцій”, номер державного реєстру 0197U005390.

Автором проведені теоретичні дослідження напружно-деформованого стану залізобетонних плит при двовісному напруженому стані та їх деформативності під навантаженням.

Мета й задачі досліджень. В дисертаційному дослідженні ставиться за мету виявити особливості роботи залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках при короткочасній однократній та малоцикловій дії згинаючого моментного навантаження різної інтенсивності. На основі порівняння розрахункових і експериментальних результатів досліджень плит оцінити вплив основних факторів на несучу здатність, тріщиностійкість і деформативність та розробити методику розрахунку залізобетонних плит за шириною їх розкриття.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- розробка дослідницького стенду, розробка методики експериментальних досліджень, проведення експериментальних досліджень фрагментів залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках при згині моментами різної інтенсивності за умов короткочасної однократної та малоциклової їх дії;

- розробка та впровадження методу визначення деформованого стану бетону у нормальних перерізах досліджуваних зразків плит;

- проведення чисельних розрахунків досліджуваних зразків залізобетонних плит в лінійній та нелінійній постановці задач з допомогою ПК “ЛИРА”;

- визначення впливу основних факторів на несучу здатність, тріщиностійкість та деформативність плит;

- проведення теоретичних досліджень висоти стиснутої та розтягнутої зон бетону над тріщиною, розробки методики розрахунку плит за шириною їх розкриття з урахуванням роботи розтягнутого бетону над тріщиною.

Об’єктом дослідження є залізобетонні плити.

Предметом дослідження є несуча здатність, тріщиностійкість, деформативність та ширина розкриття тріщин залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках при короткочасній однократній та малоцикловій дії згинаючого моментного навантаження.

Методи дослідження. У роботі використовувалися методи експериментальних та теоретичних досліджень, метод аналізу, метод порівняльних характеристик.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблено методику експериментальних досліджень та конструктивне вирішення дослідницького стенду для їх проведення (конструкцію дослідницького стенду запатентовано);

- запропоновано спосіб вимірювання відносних деформацій бетону в товщі залізобетонної плити, що перебуває у напружено–деформованому стані (вирішення способу дослідження запатентовано);

- одержано нові експериментальні дані несучої здатності, тріщиностійкості, деформативності, ширини розкриття тріщин, величин відносних деформацій бетону у товщі нормальних перерізів залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках при короткочасній однократній та малоцикловій дії згинаючого моментного навантаження;

- представлено результати порівняння розрахункових та експериментальних даних несучої здатності, тріщиностійкості, деформативності та ширини розкриття тріщин залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках;

- встановлено величину впливу малоцикловості дії навантаження на деформативність та ширину розкриття тріщин залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках;

- розроблено методику визначення ширини розкриття тріщин, відстаней між тріщинами з урахуванням роботи розтягнутого бетону над тріщиною у двовісно працюючих залізобетонних плитах для випадків короткочасної однократної та малоциклової дії навантаження.

Практичне значення одержаних результатів. Практичний інтерес представляють дослідження несучої здатності, деформативності та тріщиностійкості залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках. Результати цих досліджень були використані ТОВ „СОЛСТРОЙ” холдингової компанії „КИЇВМІСЬКБУД” при проектуванні житлового комплексу та МСІВП „ОПТІМА” при проектуванні монолітних плит каркасних будинків.

Представлені конструктивне вирішення дослідницького стенду для експериментальних досліджень залізобетонних плит та спосіб вимірювання відносних деформацій бетону в товщі залізобетонної плити знайшли своє застосування в науково-дослідних організаціях при дослідженні роботи залізобетонних плит.

Особистий внесок здобувача: –

розробка методики експериментальних досліджень;–

розробка та реалізація конструкції стенду;–

проведення експериментальних досліджень, обробка отриманих даних, побудова представлених графіків, аналіз результатів досліджень; –

запропоновано методику визначення відстаней між тріщинами у двовісно працюючих плитах;–

розробка методики розрахунку двовісно працюючих плит за шириною розкриття тріщин;–

запропоновано спосіб вимірювання відносних деформацій бетону в товщі залізобетонної плити.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації представлені та обговорені на наукових семінарах кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій КНУБА (2000 – 2005р.р.), на науково-практичних конференціях КНУБА (2000 – 2005р.р.), на четвертій міжнародній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (м.Рівне, 2003р.) та на третій всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (м.Львів, 2003р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 6 працях, у тому числі, 3 - у збірниках наукових праць, що є науковими фаховими виданнями, та 3 патенти на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел із 163 найменувань і додатку. Повний обсяг дисертації становить 211 сторінок, у тому числі 114 основного тексту, 11 таблиць та 65 рисунків, 17 списку використаних джерел, 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми та необхідність теоретичних і експериментальних досліджень роботи залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках при короткочасній однократній та малоцикловій дії згинаючого моментного навантаження, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача і апробація роботи.

У першому розділі проаналізовані праці вітчизняних та закордонних вчених, які охоплюють теоретичні і експериментальні дослідження роботи бетонних та залізобетонних конструкцій за умов малоциклової дії навантаження, залізобетонних плит за умов короткочасної однократної та малоциклової дії моментного навантаження. Висвітлено сучасний стан питання розрахунку двовісно працюючих залізобетонних плит.

Питанню вивчення впливу малоциклових повторних навантажень на напружено-деформований стан бетонних призм та роботу залізобетонних згинальних елементів присвятили свої дослідження Є.М.Бабич, А.Я.Барашиков, А.І.Валовой, Г.Ф.Гордєєва, В.А.Єришев, А.С.Залесов, М.І.Ільчук, А.М.Кокарев, Ю.О.Крусь, Є.А.Кузовчиков, О.М.Кухнюк, А.П.Погореляк, Ю.В.Самбор, Б.М.Шевченко, М.Я.Шпінтель, К.Ю.Тарик, А.В.Яшин та інші. На основі досліджень даних авторів, можна зробити

висновок про вплив малоциклової дії навантажень на міцнісні та деформативні характеристики зразків.

Стосовно дослідження роботи плит, що згинаються в двох напрямках при малоцикловій дії навантаження, можна відзначити, що цілеспрямовані експериментальні дослідження даного питання фактично відсутні, а уявлення про вплив малоциклової дії навантаження на роботу плит ґрунтуються на відповідних дослідженнях балок.

Дослідженню і розрахунку різноманітних видів двовісно працюючих плит присвячені роботи В.М.Байкова, В.М.Бондаренка, О.О.Гвоздєва, Б.Г.Гнідця, В.С.Здоренка, М.І.Карпенка, С.М.Крилова, Я.Д.Лівшиця, Е.Д.Чихладзе, О.Л.Шагіна, В.С.Шмуклера, О.Ф.Яременка та інш.

Серед методів розрахунку двовісно працюючих плит слід виділити метод граничної рівноваги (роботи О.О.Гвоздєва, С.М.Крилова) та теорію деформування залізобетону з тріщинами М.І.Карпенка (ця теорія добре обґрунтована математично і непогано підтверджується експериментальними дослідженнями).

Методи експериментальних досліджень залізобетонних плит та випробувальні установки досить різноманітні. Однак, об’єм та якість експериментальних досліджень роботи залізобетонних балок, чи плит випробуваних по балковому типу значно більші аналогічних досліджень плит, що працюють у двох напрямках. Це пояснюється досить значними технологічними труднощами в розробці та виготовленні випробувальних установок та необхідності застосування високоточного обладнання.

Серед традиційних досліджень опертих по контуру квадратних та прямокутних плит слід виділити експериментальні дослідження Г.Баха та О.Графа, В.М.Бондаренка та О.Л.Шагіна, Ф.І.Вілена, Г.Г.Каклаускаса, М.І.Карпенка, С.М.Крилова та А.М.Корольова, а також цілеспрямовані дослідження плит при згині виконані в КНУБА В.Д.Кріпаком та Ібрагімом М.Ібрагімом.

В кінці розділу сформульовані мета та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі сформульовані задачі експериментальних досліджень, наведено характеристики матеріалів, зразків, конструкція дослідницького стенду та методика експериментальних досліджень.

Згідно з метою та задачами експериментальних досліджень було розроблено програму випробувань плит, яка складається з основної та додаткової (табл.1) частин, що сприяють їх вирішенню. Всього було виготовлено 16 плит та додатково 2 плити для перевірки методики виготовлення та випробування. Марка плит (табл.1) включає серію (П, ПО) та тип випробування плит (1...9).

Армування дослідних зразків плит серії “ПО” виконано з арматури класу А500С ДСТУ 3760-98, Ш8 мм, з кроком 175 мм в двох напрямках (=0,373%), а зразки серії “П” були армовані стержнями класу А500С ДСТУ 3760-98, Ш10 мм, з кроком 120 мм (=0,775%). Вузли кріплення арматурної сітки до закладних деталей виконані жорстко, з допомогою зварювання, додатково до яких, приварені анкерні відгини ш6 А240С, ?=200мм. Арматурні сітки розташовувались біля верхньої грані плити в передумові забезпечення захисного шару бетону близько а=16 мм.

За результатами випробування зразків встановлено характеристики арматури: плит серії “ПО” - границя текучості у0,2=546МПа, тимчасовий опір ув=633МПа, Еs=170650МПа; плит серії “П” - у0,2=579МПа, ув=652МПа, Еs=180300МПа.

Дослідні плити, розміром 900 х 900 х 90 мм було виготовлено з важкого бетону класу В 25. Характеристики бетону: кубикова міцність Rm=33,8МПа, призмова міцність Rb=26,36МПа, початковий модуль пружності Eb=29370МПа, коефіцієнт Пуассона н=0,18.

Середні значення робочої висоти перерізів склали: плит серії “ПО” - hохmid=72,4мм, hоуmid=64,4мм; плит серії “П” - hохmid=72,5мм, hоуmid=62,5мм.

Для вимірювання відносних деформацій в товщі бетону нормальних перерізів плит було виготовлено бетонні куби розміром 100х100х90 мм, з бетону однакового складу з майбутніми плитами. Після того, як бетонні вставки набрали проектну міцність на їх гранях були приклеєні тензометричні датчики і виконана гідроізоляція. Під час бетонування плит, бетонні вставки розміщувалися в центрі плит ПО-1, ПО-5, ПО-6, ПО-7, причому бічні сторони кубів орієнтувалися вздовж напрямків армування (рис.1).

********

Рис.1 Схема наклейки тензометричних датчиків:

1 –бетонна вставка; 2 – шпонка; 3 – тензодатчики з базою 50 мм.

Для виконання програми досліджень було розроблено дослідницький стенд (рис.2) для випробування залізобетонних плит, що згинаються в двох напрямках, на основі застосування сучасних високоточних пристроїв та обладнання. Стенд дозволяє навантажити дослідну плиту рівномірно розподіленими згинаючими моментами М1 та М2 різної інтенсивності, контролювати величини даних моментів з часом, виконувати циклічні навантаження, варіюючи значеннями М1 та М2 з плином часу, контролювати значення опорних реакцій.

Таблиця 1

Програма експериментальних досліджень

********

********

Рис.2 Принципова схема дослідницького стенду:

1-опорна рама; 2-виносна балка; 3–розпірка; 4–зовнішня рама; 5–плита; 6–завантажуючий домкрат; 7–опорний домкрат; 8–важіль; 9–захват жорсткого кріплення; 10–гідростанція; 11–маслопровід контуру завантаження; 12–маслопровід контуру опорних реакцій; 13–манометр; 14–вентиль.

Задані вимоги до дослідницького стенду вдалось задовольнити за рахунок того, що розроблена конструкція (рис.2) має опорну раму з системою незалежних завантажувальних важелів консольно-балкового типу, пристроїв для їх жорсткого кріплення до плити, завантажувальних домкратів та системи домкратів, розміщених в опорних точках та з’єднаних між собою за принципом з’єднаних посудин. Силовим устаткуванням стенда є гідростанція, що здатна підтримувати тиск в гідросистемі до 200 атмосфер. Всі заміри виконувалися з допомогою манометрів. Так як манометри для високого тиску мають малоточну шкалу, то для контролю було застосовано динамометри ДОСМ-3, що дало можливість отримати більш точні величини діючих навантажень.

В процесі експериментів фіксувались наступні величини: значення діючих моментів і точність їх передачі до плити, величини опорних реакцій, моменти утворення тріщин, ширина розкриття тріщин, прогини на поверхні плити, місцеві деформації стиснутої зони плити, відносні деформації в товщі бетону, деформації арматури, руйнівне навантаження.

Навантаження досліджуваних плит здійснювалось покроково. Величина кожного кроку складала близько 10...20% від руйнівного навантаження. Тривалість витримування кожного кроку визначалась часом, необхідним для зняття відліків по приладам, фіксації та вимірювання ширини розкриття тріщин, і складала 15...20 хвилин.

За умов малоциклової дії навантаження, характеристика рівня повторних навантажень =0,6...0,8Mu, приймалася в залежності від типу випробування плит (табл.1), при цьому значення величини Mu було прийнято за результатами експериментальних досліджень плит на дію короткочасного навантаження. Значення коефіцієнту асиметрії циклу приймалося =0. Кількість циклів завантаження плит П-2, ПО-4, П-4, ПО-5, П-8, П-9 залежала від умови стабілізації показників приладів, в експериментах їх число коливалось від 5 до 8.

Третій розділ присвячений основним результатам експериментальних та чисельних досліджень міцності, моментів тріщиноутворення та деформативності плит.

Паралельно з проведенням експериментальних досліджень виконувалися чисельні розрахунки з допомогою ПК “ЛИРА”, як в лінійній так і в нелінійній постановці задач. Остаточно прийнята розрахункова схема приведена на рис.3.

*******

Рис.3 Розрахункова схема чисельних досліджень плит.

Враховуючи симетрію плити та різницю значень робочої висоти h0 в двох напрямках плити, в’язі у напрямку вісі Z накладалися у чотирьох точках. У всіх інших вузлах опорних домкратів, прикладалися зосереджені сили, що дорівнювали фактично встановленим величинам навантаження. У напрямках осей Х і У закріплювалися по 2 точки, також з врахуванням симетрії (рис.3).

При виконанні нелінійних розрахунків плита моделювалася з допомогою скінченних елементів №241, у місцях розміщення закладних деталей вводилися скінченні елементи підвищеної жорсткості. Важелі моделювалися з допомогою скінченних елементів стержня №10. Особливістю виконання нелінійних розрахунків було врахування фактичної діаграми уb~еb бетону, що отримана при одновісному стисканні бетонних призм, та дослідних даних результатів випробувань арматури уs~s. В розрахунку враховувалися також дійсні величини товщин досліджуваних плит h, фактичні величини робочої висоти перерізу h0 та інтенсивність їх армування в кожному напрямку.

При виконанні лінійних розрахунків розрахункова схема приймалася аналогічно, а нумерація скінченних елементів відповідно з їх нумерацією в бібліотеці скінченних елементів програмного комплексу “ЛИРА”.

Експериментальні значення несучої здатності плит приведені в табл.2.

Таблиця 2

Характеристика несучої здатності та коефіцієнти приведення плит

Плита | ПО-1 | ПО-3 | ПО-4 | ПО-5 | ПО-6 | ПО-7 | П-1 | П-2 | П-3 | П-4 | П-8 | П-9

Muексп | 11,2 | 11,6 | 12,3 | 11,9 | 9,7 | 10,8 | 16,6 | 17,6 | 15,7 | 17,1 | 18,6 | 15,5

кприв | 1,000 | 1,029 | 1,052 | 0,993 | 1,076 | 0,966 | 1,000 | 0,985 | 0,955 | 1,032 | 0,985 | 1,000

Зважаючи, що значення товщини h та робочої висоти (h0,x, h0,y) зразків плит однієї і тієї ж серії дещо відрізнялися, при порівнянні несучої здатності плит, оперували експериментальними характеристиками міцності Muексп (кНм) та враховували додатково коефіцієнти приведення кприв (табл.2), які визначені, як відношення теоретичних значень несучої здатності Mu1гр, обчислених за першою групою граничних станів, порівнюваних зразків плит.

На основі проведених досліджень, можна зробити висновок про деяку різницю величин несучої здатності двовісно працюючих плит та плит балкової схеми, однак певної закономірності встановити не вдалося, а отримані результати знаходяться в межах похибки експерименту.

Отримані результати малоциклових випробувань плит загалом узгоджуються з відомими закономірностями щодо міцності бетону та зміни його деформативних характеристик за умов малоциклової дії навантаження. В дослідах зафіксовано збільшення несучої здатності циклічно працюючих плит П-2, ПО-4, П-4 порівняно з випадком короткочасно діючого навантаження (П-1, ПО-3, П-3) в межах 6...8% при обмеженні верхнього рівня повторних навантажень з ? 0,8.

Експериментальні моменти тріщиноутворення двовісно працюючих плит виявилися значно меншими значень балкових плит (рис.4).

На основі порівнянь рис.4 можна дійти висновку, що розрахункові значення, обчислені на основі пропозицій Б.М.Бондаренка, О.Л.Шагіна та Ібрагим М. Ібрагіма, задовільно узгоджуються з експериментальними. Балковий момент тріщиноутворення, обчислений з врахуванням усадки, також задовільно відповідає експериментальним величинам.

********

Рис.4 Експериментальні та розрахункові моменти тріщиноутворення.

Враховуючи, що в пропозиції Б.М.Бондаренка та О.Л.Шагіна вплив співвідношення моментів враховується напряму, можна рекомендувати, при визначенні моментів тріщиноутворення у плитах користуватися даною залежністю.

Порівняння балкових прогинів та прогинів двовісно працюючих плит свідчить про збільшення величин прогинів двовісно працюючих плит. В плитах серії “П” ця різниця складала близько 12%, в плитах серії “ПО” близько 26% (при 0,6 Мu). З цього випливає, що схема роботи плит в двох напрямках є більш невигідною стосовно розвитку величин прогинів.

Приріст величин прогинів циклічно випробуваної плити П-2, що працювала по балковому типу, порівняно з плитою П-1 склав 15% (при 0,6Мu). Аналогічні величини для плит, що працювали в двох напрямах склали 11% (плити серії “П”) та 7% (серії “ПО”).

Четвертий розділ присвячений теоретичним дослідженням ширини розкриття тріщин в залізобетонних плитах за умов короткочасної однократної та малоциклової дії навантаження.

За результатами експериментів з призматичною вставкою отримано епюри деформацій стиснутого бетону нормальних перерізів плит (рис.5).

Аналізуючи графіки відносних деформацій бетону (рис.5), дійдемо висновку, що для двовісно працюючих плит, положення про трикутну епюру стиснутої зони бетону цілком підтверджується.

З порівняння експериментальних та розрахункових значень висоти стиснутої зони бетону двовісно працюючих плит, випливає, що величини висоти стиснутої зони бетону, визначені за положеннями діючих норм, відповідно до змін, прийнятих в Україні, при прийнятті трикутної епюри стиснутої зони бетону, задовільно узгоджуються з результатами експериментальних досліджень, у той час як аналогічні розрахунки за методикою М.І.Карпенка, навіть з урахуванням коефіцієнту повноти епюри щ, значно недооцінюють величину стиснутої зони бетону.

Виходячи з цього, визначаючи ширину розкриття тріщин приймаємо трикутну епюру стиснутої зони бетону, а її висоту обчислюємо за формулою, прийнятою в змінах до норм.

Для слабоармованих елементів характерно, що при навантаженнях, незначно перевищуючих момент утворення тріщин, розтягнутий бетон над тріщиною може сприймати значну частину зовнішнього моменту.

Рис.5 Епюри деформацій в товщі стиснутої зони бетону еb·106 плити ПО-5.

На основі проведених досліджень пропонується, висоту розтягнутої зони бетону над тріщиною визначати з залежності:

, (1)

де: – розрахунковий опір бетону при осьовому розтязі для граничних станів другої групи; М - поточне значення згинаючого моменту; Мcrc – момент утворення тріщин; М0 - значення моменту, що відповідає виключенню розтягнутого бетону над тріщиною з роботи; х – висота стиснутої зони бетону; b – ширина елемента, для плит b=1000 мм;

h – товщина плити; h0 – робоча висота перерізу; – коефіцієнт пружності бетону стиснутої зони; – коефіцієнт пружності бетону розтягнутої зони.

Момент від зусилля в розтягнутому бетоні над тріщиною відносно точки прикладення рівнодіючої зусилля у бетоні стиснутої зони та напруження в арматурі визначаємо, як:

, , (2)

де: As – площа перерізу розтягнутої арматури; z – плече внутрішньої пари сил.

Відстань між тріщинами пропонується визначати з залежності:

,

(3)

,

де: - коефіцієнт, що враховує вплив нормальних сил; м – коефіцієнт армування; d –діаметр арматурних стержнів; d0 – еталонний діаметр, =10мм; уscrc - напруження, що визначається при М=Мcrc; n=Es/Eb; з – коефіцієнт, що приймається залежно від профілю арматури; л –коефіцієнт, що враховує роботу арматури на зріз; а – кут нахилу тріщини до напрямку стержнів арматури.

У розділі приведено загальний вигляд тріщин у дослідних зразках плит, а також експериментальні та розрахункові значення відстаней між тріщинами, обчислені за методикою М.І.Карпенка та автора. Представлені дані свідчать про добрий збіг експериментальних та розрахункових, обчислених за пропонованою методикою, відстаней між тріщинами.

При проведенні експериментальних досліджень, ширину розкриття тріщин вимірювали на поверхні плит. Для виведення коригуючої формули переходу до ширини розкриття тріщин на рівні центра ваги арматури використовувалися результати додаткових експериментальних досліджень, що включали плиту ПО-1 та додатково виготовлений зразок.

Остаточно отримана коригуюча залежність має вигляд:

, (4)

де: ц – емпіричний коефіцієнт, що рекомендується приймати ц=1,14;

acrc,0 - ширина розкриття тріщин на поверхні плит; a – відстань від центра ваги арматури до розтягнутої грані бетону; о – відносна висота стиснутої зони бетону; оt – відносна висота розтягнутої зони бетону.

Формула для визначення ширини розкриття тріщин у рамках розробленої методики має вигляд:

, (5)

де: ? - коефіцієнт, що враховує малоцикловість дії навантаження, рекомендується приймати ?=1,05; - статистичний коефіцієнт, що рекомендується приймати =1,55; еs –деформації розтягнутої арматури; ?crc – відстань між тріщинами.

За необхідності оцінити ширину розкриття за рахунок утворення прямокутних ділянок перетину тріщин, значення максимальної ширини розкриття тріщин, що визначене за формулою (5), необхідно збільшити на величину , що враховує таке збільшення. На основі статистичного аналізу дослідних даних встановлено, що величина може бути прийнятою =1,4.

У розділі приведено експериментальні величини ширини розкриття тріщин, на поверхні плит і приведені до рівня центра ваги арматури, та відповідні розрахункові значення, обчислені за методикою автора та М.І.Карпенка. Розрахункові величини, обчислені на основі пропонованої методики, задовільно узгоджуються з відповідними експериментальними значеннями ширини розкриття тріщин.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.Запропоновано нову методику експериментальних досліджень залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках при згині моментами різної інтенсивності за умов короткочасної однократної та малоциклової повторної дії навантаження.

2.Запропонована та реалізована конструкція дослідницького стенду, що дозволяє проводити експериментальні дослідження фрагментів залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках при згині моментами різної інтенсивності за умов короткочасної однократної та малоциклової повторної дії навантаження.

3.Запропоновано спосіб експериментального дослідження деформованого стану бетону в товщі нормальних перерізів плит у двох напрямках.

4.На основі експериментальних досліджень залізобетонних плит, що працюють в двох напрямках представлено нові експериментальні дані несучої здатності, моментів тріщиноутворення, прогинів, деформацій розтягнутої арматури, відстаней між тріщинами, ширини розкриття тріщин, деформацій стиснутого бетону на поверхні та в товщі плит, висоти стиснутої зони бетону за умов короткочасної однократної та малоциклової повторної дії навантаження.

5.Співставлення результатів експериментальних досліджень балкових та згинаних моментами різних напрямків плит показує, що в останніх спостерігається зниження величини Мcrc близько 25...30%.

6.Порівняння прогинів балкових та плит працюючих в двох напрямках свідчить про збільшення величин прогинів плит при двовісному напруженому стані до 26%, а приріст величин прогинів за рахунок малоцикловості прикладення навантажень – до 11%.

7.За результатами експериментальних досліджень встановлено, що для плит, працюючих в двох напрямках, положення про трикутну епюру стиснутої зони бетону є вірне.

8.Виходячи з результатів додаткових експериментальних досліджень запропонована залежність, що дає змогу пов’язати експериментально отримані величини ширини розкриття тріщин на поверхні плит з їх значеннями на рівні центра ваги арматури.

9.Встановлено факт збільшення ширини розкриття тріщин у залізобетонних плитах, що працюють у двох напрямках у випадку дії малоциклових навантажень та запропоновано спосіб врахування малоцикловості прикладення навантажень у розрахунках.

10.Розроблено методику визначення відстаней між тріщинами та ширини розкриття тріщин у слабоармованих залізобетонних плитах (м<0,01), що працюють в двох напрямках з урахуванням роботи розтягнутого бетону над тріщиною, що задовільно узгоджується з експериментально отриманими даними.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Кріпак В.Д., Шинкарюк Ю.М., Адаменко В.М. Стенд для експериментальних досліджень залізобетонних плит, що згинаються в двох напрямках \\ Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць – Рівне: Вид-во РДТУ, 2003.-Вип.9.-С.245-250.

2.Кріпак В.Д., Шинкарюк Ю.М. Дослідження характеру тріщиноутворення та відстаней між тріщинами в залізобетонних плитах, що працюють в двох напрямках при постійних та малоциклових завантаженнях \\ Современные проблемы строительства: Ежегодный научно-технический сборник – Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, 2005. – С.262-269.

3.Кріпак В.Д., Шинкарюк Ю.М. Міцність, деформативність та тріщиностійкість слабоармованих залізобетонних плит при чистому згині в двох напрямках при дії постійних та малоциклових навантажень \\ Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць – Рівне: Вид-во РДТУ, 2006.-Вип.13.

4.Кріпак В.Д., Шинкарюк Ю.М. Патент № 48726 А. Спосіб Кріпака-Шинкарюка досліджень залізобетонних плит, що працюють на згин в двох напрямах, та пристрій для його здійснення. Україна, 15.08.2002, Бюл. №8.

5.Кріпак В.Д., Шинкарюк Ю.М., Адаменко В.М. Патент №60606А. Універсальний стенд для досліджень залізобетонних плит. Україна, 15.10.2003, Бюл. №10.

6.Шинкарюк Ю.М, Кріпак В.Д. Патент № 66302А. Спосіб Шинкарюка - Кріпака вимірювання відносних деформацій бетону в товщі залізобетонної плити, що перебуває у напружено – деформованому стані. Україна, 15.04.2004, Бюл. № 4.

В спільних роботах [1-3] дисертантом виконані експериментальні дослідження, обробка даних та побудова графіків. В роботах [4-6]—креслення та схеми.

АНОТАЦІЯ

Шинкарюк Ю.М. Міцність, деформативність та тріщиностійкість слабоармованих плит при чистому згині в двох напрямках при дії постійних та малоциклових навантажень – 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, Київ, 2006.

Дисертація присвячена вивченню впливу постійних та малоциклових навантажень на міцність, деформативність та тріщиностійкість слабоармованих плит. Приведено результати експериментальних досліджень несучої здатності плит та моментів тріщиноутворення, експериментальних та чисельних досліджень деформативності плит, експериментальних та теоретичних досліджень висоти стиснутої і розтягнутої зони бетону над тріщиною, відстаней між тріщинами та ширини розкриття тріщин двовісно працюючих плит при чистому згині в двох напрямках. Запропоновано методику розрахунку двовісно працюючих плит за шириною розкриття тріщин з урахуванням роботи розтягнутого бетону над тріщиною.

Ключові слова: плити, чистий згин, малоциклові навантаження, відстань між тріщинами, ширина розкриття тріщин, розрахунок.

АННОТАЦИЯ

Шинкарюк Ю.Н. Прочность, деформативность и трещиностойкость слабоармированных плит при чистом изгибе в двух направлениях при действии постоянных и малоцикловых нагрузок – 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, Киев, 2006.

Диссертация посвящена изучению влияния постоянных и малоцикловых нагружений на прочность, деформативность и трещиностойкость слабоармированных плит.

Во вступлении обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи исследований.

В первом разделе анализируются работы отечественных и зарубежных ученых, которые включают теоретические и экспериментальные исследования работы бетонных и железобетонных элементов для случая малоциклового действия нагрузки, железобетонных плит для случаев кратковременного однократного и малоциклового действия моментной нагрузки.

Анализ опубликованных работ показал, что работа железобетонных плит при двуосном нагружении постоянной и малоцикловой нагрузкой изучена недостаточно, существующие испытательные стенды не имеют необходимых технических возможностей для решения поставленных в диссертации задач.

Во втором разделе поставлены задачи экспериментальных исследований, представлены характеристики материалов, образцов, оснащение и методика проведения экспериментальных исследований. Разработан испытательный стенд (запатентован, стал лучшим изобретением в области строительства в 2005 году в Украине), который дает возможность прикладывать к плитам равномерно распределенные моменты по четырем сторонам одновременно, одинаковые или попарно разные по интенсивности. Стенд позволяет проводить циклические нагружения и контролировать величины опорных реакций.

Также представлен метод измерения относительных деформаций в толще бетона нормальных сечений плит (метод запатентован) с помощью заблаговременно изготовленной из бетона призматической вставки, по боковых гранях которой наклеены тензометрические датчики.

Для решения поставленных задач было изготовлено и испытано 16 железобетонных плит с размерами 900х900х90 мм. Образцы испытывались как на действие однократной кратковременной нагрузки, так и при малоцикловых нагружениях разного уровня с количеством циклов n = 5…8.

Третий раздел посвящен основным экспериментальным и численным исследованиям прочности, моментов трещинообразования и деформаций плит. Представлен сравнительный анализ результатов.

Численные расчеты проводились при помощи программного комплекса “ЛИРА” в линейной и нелинейной постановке задач. Особенностью выполнения нелинейных расчетов был учет фактической диаграммы уb~еb работы бетона, что была получена при одноосном сжатии бетонных призм, да экспериментальных данных испытаний арматуры уs~s. В расчет принимались фактическая толщина плит, фактическая высота рабочего сечения и интенсивность армирования для каждого направления стержней.

Установлено влияние двуосных постоянных и малоцикловых нагружений на прочность, моменты трещинообразования и деформации плит.

В четвертом разделе приведены теоретические исследования ширины раскрытия трещин в железобетонных плитах, изгибаемых в двух направлениях для случаев кратковременного постоянного и малоциклового действия нагрузки.

Предложенная методика учитывает:

- треугольную эпюру сжатой зоны бетона в плитах, изгибающихся в двух направлениях;

- диаметр арматурных стержней;

- процент армирования;

- работу растянутого бетона над трещиной;

- цикличность нагружений.

Исходя из результатов дополнительных экспериментальных исследований, предложена зависимость, что дает возможность связать экспериментально полученные данные ширины раскрытия трещин на поверхности плит с их значениями на уровне центра тяжести арматуры.

Расчетные величины ширины раскрытия трещин, полученные с помощью разработанной методики, учитывающей работу растянутого бетона над трещиной, удовлетворительно согласуются с соответствующими экспериментальными значениями.

Ключевые слова: плиты, чистый изгиб, малоцикловые нагружения, расстояния между трещинами, ширина раскрытия трещин, расчет.

ABSTRACT

Shinkaruyk Y.N. Strength, deformability and crack resistance of slabs with small percentage of reinforcement in cases of pure bending in two directions with dead and cyclic loading – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 05.23.01 - Building Structures, Buildings and Constructions. Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2006.

Research of influences of dead and cyclic loading into strength, deformability and crack resistance of slabs with small percentage of reinforcement are presented in thesis. Results of experimental investigation of bearing resistance of slabs and loading leading to formation of cracks, experimental investigation and theoretical study of height of compression and tension region under crack, crack spacing and crack width of working in two directions slabs in case of pure bending are included too. Design procedure of crack width taking into account influence of height of tension region under crack in working in two directions slabs are proposed.

Key words: slabs, pure bending, cyclic loading, crack spacing, crack width, calculation.