НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ЗАДОРОЖНІКОВА ІРИНА ВІКТОРІВНА

УДК 624.012.:69.059

ПІДСИЛЕННЯ СТИСНУТОЇ ЗОНИ, ЯК ЗАСІБ ВІДНОВЛЕННЯ

ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ЯКОСТЕЙ

ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЗГИНАЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛЬВІВ – 2006

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор БАРАШИКОВ Арнольд Якович, завідувач кафедри залізобетонних конструкцій Київського національного університету будівництва та архітектури (м. Київ)

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор ДЕМЧИНА Богдан Григорович, Національний університет „Львівська політехніка” Міністерство освіти і науки України, завідувач кафедри залізобетонних конструкцій та мостів (м. Львів);

- кандидат технічних наук, доцент БАРАБАШ Василь Михайлович, Львівський державний аграрний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри будівельних конструкцій (м. Дубляни).

Провідна установа – Національний університет водного господарства та природокористування, кафедра інженерних конструкцій Міністерство освіти і науки України (м. Рівне).

Захист дисертації відбудеться 9 червня 2006 р., о 15 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.17 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79646, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, головний корпус, кімн. 226.

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

Автореферат розісланий 6 травня 2006 р.

-

Вчений секретар cпеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент П.Ф.Холод

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день, незважаючи на велику кількість досліджень, присвячених підсиленню конструкцій пропозицій щодо урахування специфічних властивостей ефективних матеріалів не вистачає. Використання сучасних високоміцних матеріалів для підсилення вимагає відповідних способів розрахунку, які могли б відображати реальний напружено-деформований стан підсилених конструкцій. До сьогодні практично не існує відповідного узагальнення оцінювання міцності, тріщиностійкості та деформативності підсилених конструкцій при різних властивостях підсилюючого матеріалу,особливо, при підсиленні елементів у стиснутій зоні. Окремі рішення знайдені лише для згинальних залізобетонних елементів, підсилених у розтягнутій зоні.

Недостатньо вивчені закономірності спільної роботи у стиснутій зоні шарів підсилення з основною підсилюваною конструкцією. Практично немає пропозицій щодо врахування початкових дефектів (тріщин, розшарувань, виколів тощо) у підсилюваній конструкції перед відновленням або підвищенням її несучої здатності.

В остані роки відбувається перегляд чинних нормативних документів та розробляються нові Державні будівельні норми України з проектування залізобетонних конструкцій. В них запроваджено більш прогресивний та обгрунтований метод розрахунку за деформаційною моделлю. Впровадження цього методу вимагає великої роботи з апробації його для різних конструкцій. Якщо для розрахунку непідсилених конструкцій реалізація деформаційного методу має достатнє обгрунтування, то розробка розрахункових положень для підсилених залізобетонних елементів на сьогодняшній день недостатня і потребує широких експериментально-теоретичних досліджень.

Викладене вище, дає змогу віднести пропоновану роботу до актуальних, яка має теоретичне і практичне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках досліджень кафедри промислового та цивільного будівництва Луцького державного технічного університету та держбюджетної теми № 49 – ДБ “Ефективні способи підсилення залізобетонних конструкцій будівель і споруд” Міносвіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Основною метою пропонованої роботи є визначення найбільш ефективного методу підсилення стиснутої зони згинальних елементів, на основі порівняння різних підсилюючих матеріалів, як нових (сталефібробетон, полімербетон), так і традиційними (звичайний важкий дрібнозернистий бетон).

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі, перелічені нижче:

- запроектувати та дослідити зразки які в усіх випадках руйнувалися по розтягнутій

арматурі, тобто давали змогу виявити вклад підсилюючого шару бетону, так би мовити у “чистому” вигляді;

- виявити вплив деформаційних властивостей використовуваних підсилюючих матеріалів (сталефібробетону, полімербетону, дрібнозернистого бетону) у стиснутій зоні на несучу здатність елемента;

- використати нові сучасні методи розрахунку за деформаційною моделлю при визначенні несучої здатності балок, а результати порівняти з існуючим методом розрахунку за граничними зусиллями;

- уточнити методику розрахунку елементів, підсилених у стиснутій зоні за другою групою граничних станів: визначити моменти тріщиноутворення, ширину розкриття тріщин, деформації, прогини балок;

- дослідити вплив тріщин, які мали місце перед підсиленням, на параметри елементів, що характеризують тріщиностійкість та деформації елементів.

Для досягнення цієї мети згинальні елементи були розраховані таким чином, щоби за можливістю нейтральна вісь проходила на межі шару підсилення з основним бетоном балки.

Наукова новизна одержаних результатів:

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості проектування залізобетонних конструкцій, підсилених у розтягнутій зоні шаром сталефібробетону, полімербетону та важкого дрібнозернистого.

Результати роботи використовуюються у навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Проаналізовано напружено-деформативний стан підсилених у стиснутій зоні залізобетонних конструкцій, їх міцнісні характеристики, характер утворення і розкриття тріщин та прогини дослідних балок. Дано пропозиції щодо особливостей розрахунку міцності нормальних перерізів підсилених згинальних елементів за деформаційною моделлю, визначення тріщиностійкості та прогинів підсилених балок.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації оприлюднено на науково-технічних конференціях в м. Луцьку (2003, 2004, 2005 рр.), на міжнародній науковій конференції молодих вчених “Соціальні напрямки розвитку архітектури та будівництва” у м.Києві (2005 р.) та на VII міжнародній науково-технічній інтернет-конференції у м. Харків (2005 р.)

Публікації. За результатами досліджень опубліковано сім статей у збірниках наукових праць, в тому числі 3 у наукових фахових виданнях.

Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та положень, списку використаних джерел та додатків. Обсяг дисертації становить136 сторінок основного тексту, 35 рисунків, 14 таблиць, список використаних джерел з 119 найменувань на 12 сторінках, чотири додатки на 4 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть і стан наукової проблеми, обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, викладені мета, основні завдання дослідження, наукова новизна та практична цінність.

У першому розділі викладений стан питання та сформульовані задачі досліджень ефективності підсилення залізобетонних згинальних елементів високоміцними матеріалами, проаналізовані результати досліджень залізобетонних елементів, підсилених різними способами. Вирішено для співставлення у підсилюваному шарі , окрім важкого дрібнозернистого бетону використати сучасні матеріали, які у останні роки широко застосовують при підсиленні залізобетонних конструкцій це сталефібробетон та полімербетон.

Також в першому розділі наведені фізико-механічні властивості сталефібробетону і полімербетону як підсилюючих матеріалів. У цьому плані проаналізовані роботи дослідників, які вивчали властивості матеріалів конструкцій, підсилених різними матеріалами: Б.А. Ашимова, А.Я. Барашикова, В.В. Білозіра, С.В. Бондаренка, Б.А. Боярчука, О.Б. Голишева, О.І. Валового, М.С. Золотова, А.Касассбеха, О.П. Крічевського, С.О. Крічевського, Д.Н.Лазовского, О.І. Мальгамова, Л.А.Мурашка, А.Салеха, О.П.Сунака, І.М. Ткаченка, Г.Н.Хайдукова, О.Л. Шагіна, В.С. Шмуклера і багатьох інших.

Далі наведено аналіз існуючих методів розрахунку залізобетонних конструкцій, підсилених шарами сталефібробетону, полімербетону, відмічено недосконалість цих методів. А також представлено розрахунок контактних швів.

Закінчується перший розділ оглядом експериментальних досліджень підсилених у стиснутій зоні залізобетонних згинальних елементів і сформульована задача досліджень.

У другому розділі наведено методику експериментальних досліджень залізобетонних згинальних елементів, підсилених нарощуванням стиснутої зони шарами сталефібробетону, полімербетону, армованого полімербетону та дрібнозернистого армованого бетону.

Експериментальні балки виготовлялись в заводських умовах. На рис. 1 наведено конструкцію експериментальних непідсилених балок.

Рис. 1. Конструкція експериментальних балок до підсилення:

К – 1- сталевий каркас; 1 – ш10 А-ІІІ; 2…4 – ш3 Вр-І

Програма випробувань і обсяг дослідних зразків наведені у табл 1.

Зразки виготовляли з важкого бетону, для приготування якого використовували портландцемент М400 Кам'янець-Подільського цементного комбінату. Були прийняті такі заповнювачі: пісок з Радошинського піщаного кар'єру з модулем крупності Мк = 1,8 і щебінь з максимальною крупністю зерен 20 мм. Витрати матеріалів на 1м3 бетону склали: цементу 310 кг, щебню 1180 кг, піску 651 кг, води 195 л, тобто зі співвідношенням 1:2,1:3,8 при В/Ц=0,63.

Для підсилення балок другої серії використовували сталефібробетон, дрібнозернистий бетон та 3% дротяної фібри діаметром Ш1мм довжиною 80…100 мм з відпрацьованих канатів марки ЛК-0,6х19 зі співвідношенням . Для знежирення фібри були витримані у бензині та просушені. Складовими для полімербетону, який використовували для підсилення балок третьої та четвертої серій були: в'яжучі - епоксидна смола ЭД-20; пластифікатор - поліефірна смола МГФ-9; затверджувач - поліетіленполіамін ПЭПА, та суміш піску з портландцементом М500 при П/Ц=3:1 у співвідношенні складових 7:1:30.

П'ята серія балок підсилена важким дрібнозернистим бетоном, який виготовляли з портландцементу М 500 і піску Мк = 1,8 при співвідношенні складових 1:1,5:6,0 та В/Ц = 0,8.

Усього було випробувано 20 зразків балок.

Міцнісні та деформативні характеристики основного бетону експериментальних балок а також полімербетону, сталефібробетону та дрібнозернистого бетону, які використовували для підсилення стиснутої зони залізобетонних балок, визначали за результатами випробувань контрольних зразків кубів та призм з розмірами 100х100х100 мм та 100х100х400. Зразки для випробування виготовляли серіями по 12 штук в кожній (6 призм, 6 кубів) з одного замісу бетону відповідних балок які тужавіли у ідентичних умовах, що і балки.

Після підсилення балок, визначали міцність підсилюючого шару неруйнівним методом за допомогою молотка Кашкарова.

Щоб визначити міцнісні та деформативні властивості арматури дослідних зразків використали розривну машину МП-500. На ній випробували 7 зразків арматури класу 10 А ІІІ, 7 зразків - 8 А ІІІ та 10 зразків –3 ВрІ ВрІ та сталеві фібри, виготовленні з відпрацьованих канатів марки ЛК – 0,6 х 19.

Для порівняння дослідом було передбачено два випадки початкового напружено-деформативного стану зразка перед підсиленням. Частину підсилення балок виконували без їх попереднього навантаження тобто імітували елементи, які ще не вичерпали свій ресурс, але у зв’язку зі збільшенням проектного навантаження вимагають підсилення. Друга частина моделювала балки, які знаходилися в експлуатації, під час якої в розтягнутій зоні з’являлися тріщини. Для цього балки попередньо навантажували зусиллям, яке складало приблизно 0,7…0,8 від руйнівного. Таким чином було досягнуто утворення тріщин шириною розкриття 0,2....0,3 мм. Після розвантаження вони були підсилені (див. табл. 1).

Експериментальні випробування дослідних балок проводили при короткочасному навантаженні на універсальному гідравлічному пресі МС-100 за схемою однопрольотної вільноопертої балки, навантаженої у третинах прольоту.

У процесі випробування величину навантаження контролювали взірцевим манометром гідравлічної станції, деформації граней балки та прогини фіксували компоратором з індікаторами ціною поділки0,002 мм та прогиноміри Максимова. Для визначення моменту появи та розвитку тріщин використовували мікроскоп МП-2 з ціною поділки 0,05 мм.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням міцності згинальних залізобетонних елементів підсилених у стиснутій зоні.

Проаналізувавши результати, отриманні після випробувань при короткочасному навантаженні з інтенсивністю в діапазоні 0<з?І, де , було визначено три характерних стадії напруженно-деформативного стану перерізів.

Перша стадія напружено-деформативного стану для непідсилених балок зберігається в межах навантажень інтенсивністю 0? з ? 0,4 від руйнівних.

В першій стадії напружено-деформативного стану бетон підсилюваного елементу по відношенню до підсилюючого шару, крім дрібнозернистого бетону є менш деформативним матеріалом і стримує зростання деформацій шару підсилюючого бетону по усій площі контакту з бетоном стиснутої зони підсиленої балки. Підсилюючий шар бетону включається в роботу перерізу поступово, деформації стиснутої зони зі зростанням навантаження збільшуються.

Друга стадія напружено-деформативного стану відбувається в межах рівней навантаження 0,4< з < 0,7 від руйнівного, що відповідає експлуатаційному навантаженню. Ця стадія характеризується практично лінійними змінами деформацій стиснутого бетону по висоті перерізу. Тріщини, що з’являються, розкриваються, між первісними утворюються нові тріщини.

Слід звернути увагу на те, що в балках усіх серій, які були попередньо навантаженні, ширина розкриття тріщин була практично однаковою.

Наприкінці другої стадії напружено-деформативного стану у центральній частині деяких підсилених балок починається часткове розшарування, яке становить 8…15% довжини зони зчеплення підсилюючого шару бетону та бетону основної конструкції балки. Але відшарування проходить по-різному. Перше та найбільше на цій стадії (до 15%) відшарування спостерігається у балок підсилених дрібнозернистим бетоном. Найменше _у балок підсилених полімербетоном. При цьому відокремлення вищезгаданих бетонів підсилення раніше відбувається у балках, які були попередньо навантажені, а потім – підсилені. Це можна пояснити більш швидким розвитком утворених під час попереднього навантаження тріщин на відміну від утворених під час випробувань у підсиленому вигляді.

Третя стадія напружено-деформативного стану, при якій навантаження становлять 0,8...0,9 від руйнівного, для непідсилених балок характеризується появою і розвитком похилих тріщин. Початок третьої стадії напружено-деформативного стану нормального перерізу балок характеризується перерозподілом напружень у стиснутій зоні з бетону балок на підсилюючий шар.

На цій стадії збільшується розшарування у стиснутій зоні.

Зразки балок, підсилених шаром сталефібробетону (серії БС, БСН) та дрібнозернистого бетону (БТ, БТН), зруйнувалися внаслідок руйнування контактної зони на відстані між прикладеними вертикальними зусиллями. При цьому стиснута зона підсилення балок лишилася практично не зруйнованою. Це свідчить про те , що чинником руйнування означених зразків виявилася міцність контактної зони з початком текучості арматури. Намагання збільшити навантаження на зазначені зразки після досягнення розтягнутою арматурою межі текучості призводить до інтенсивного зростання прогинів, збільшення ширини розкриття тріщин, розвитку їх по висоті. Основні (критичні) нормальні тріщини досягають підсилюючого шару. Однак, навіть після цього руйнування бетону стиснутої зони та шару підсилення не відбувається. З точки зору поступовості (пластичності) руйнування такий характер втрати несучої здатності можна розцінювати позитивно, особливо, у екстремальних ситуаціях (наприклад, при наявності особливих навантажень - землетрусах, вибухах тощо).

Інший характер руйнування мають балки, підсилені шаром полімербетону (серії БП, БПА, БПАН). Завдяки підвищеному зчепленню полімербетону з основним бетоном балки, внаслідок високої склеювальної спроможності полімербетону, розшарування стиснутої зони не відбувається, навіть після початку текучості арматури. Стиснута зона зразка працює сумісно до повного руйнування, після чого балка розколюється навпіл. Однак і у цьому випадку розриву арматури не спостерігали і цілісність балки зберігалася, крихкого руйнування не відбувається.

За результатами отриманих способів руйнування можна рекомендувати виконувати якомого міцніше зчеплення підсилюючих шарів з підсилюваними елементами.

Найбільше прирощення несучої здатності у межах 24…26%, виявилася у балках, підсилених армованим шаром полімербетону. Тут міцнісні властивості підсилюючого шару використані найбільше ефективно, внаслідок кращого зчеплення бетону балки з шаром підсилення. У цьому випадку арматура підсилення та оцупки скріплення становили додаткові конструктивні умови підвищення зчеплення підсилюючого шару з бетоном підсилюваної балки. На другому місці виявилися – балки серій БС та БСН, підсилені сталефібробетоном, величина збільшення міцності яких становить 21…25%. Третя позиція з точки зору збільшення міцності – 19…22%, це - балки підсилені неармованим полімербетоном. Та, відповідно, найменше збільшення несучої здатності – 13…17%, виявили дослідні зразки, підсилені армованим дрібнозернистим бетоном.

Наведені сучасні методи визначення несучої здатності нормальних перерізів непідсилених та підсилених залізобетонних згинальних елементів за деформаційною моделлю. У розрахунках несучої здатності нормальних перерізів, що згинаються, за спрощеною методикою деформаційної моделі, використовуються такі гіпотези та припущення:–

зв’язок між напруженнями та деформаціями бетону приймають у вигляді дволінійної діаграми (діаграми Прантля), наведеної на рис.2, а;–

зв’язок між напруженнями та деформаціями арматури теж приймають у вигляді дволінійної діаграми (діаграми Прантля), наведеної на рис.2, б;–

для середніх деформацій стиснутого бетону та розтягнутої арматури вважають справедливим лінійний закон розподілу деформацій на висоті перерізу (гіпотеза плоских перерізів);–

за розрахунковий приймають переріз, деформації якого дорівнюють середнім деформаціям по довжині блоку між тріщинами;

- опір розтягнутої зони бетону не враховують, приймаючи при напруження .

Рис. 2. Діаграми ” стану бетону (а) і арматури (б) для розрахунку несучої здатності елемента.

Для підсилення елементів приймають додаткові окрім визначених гіпотези та припущення, а саме:

-

-

\У загальному вигляді розрахункові схеми деформацій та напружень мають вигляд, наведений на рис. 3.

Рис. 3. Розрахункова схема деформацій та напружень при визначенні несучої здатності балок, підсилених у стиснутій зоні: а – поперечний переріз; б – епюра деформацій у випадку коли стиснута зона охоплює підсилюючий шар; в – спрощена епюра напружень, коли нейтральна вісь перетинає шар підсилення; г – схема ітерацій;

1 – підсилювана конструкція; 2 – шар підсилення.

Отримане рівняння рівноваги усіх зусиль, які діють у розглядуваному перерізі за деформаційною моделлю. Згідно з рис. 3 рівняння рівноваги має вигляд

, (1)

де - відповідні параметри бетону і арматури для елементів підсилення і стиснутої зони перерізу.

Умову міцності підсиленого перерізу записують таким чином

. (2)

Розрахунок ведуть методом послідовних наближень (методом ітерації) за наведеним алгоритмом:

1. Перевірити рівняння рівноваги (1), приймаючи та . За результатами обчислення рівняння (1) можуть реалізуватися два випадки:–

перший: ліва частина більша за нуль, що свідчить про недостатність армування перерізу;–

другий: ліва частина менша за нуль, що означає переармування перерізу.

2. При реалізації першого випадку, тобто коли ліва частина більша за нуль, необхідно виконати такі операції:

а) визначити нову величину деформації :

, (3)

при цьому на першому кроці (першій ітерації) рекомендується приймати

; (4)

б) перевірити рівняння рівноваги (1) і, якщо ліва частина залишилася більшою за нуль, деформацію на другому кроці необхідно ще раз зменшити на величину

, (5)

тобто прийняти , (6)

в) покрокове зменшення деформацій виконують до тих пір, поки ліва частина рівняння (1) не зменшить знак.

3. Після зміни знаку рівняння рівноваги (1) оцінюють точність рішення. Точність вважають достатньою при значені . (7)

4. У випадку, коли точність рішення недостатня, тобто умова (7) не виконується, визначають нову величину деформаці , (8)

де призначають нову величину прирощення деформацій

. (9)

Далі виконують обчислення за п.п.а), б), в) до тих пір, поки не буде досягнута достатня точність виконання умови (1) при значенні . (10)

При реалізації другого випадку, тобто коли ліва частина виявилася менше нуля, операцію перевірки рівняння (1) виконують у тій же послідовності.

5. Отримані на останніх кроках рішення рівняння (1) величини та використовують при обчисленні згинального момента за формулою (2).

Необхідний переріз арматури з рівняння (1) можна знайти за формулою

(11)

Співставлення експериментальних і теоретичних результатів міцності підсилених залізобетонних елементів (табл. 2) показує, що для простих статично визначених згинальних елементів результати розрахунків за деформаційним методом і традиційним методом граничних зусиль практично співпадають і дають задовільні результати. Однак, деформаційний метод дозволяє визначити ступінь використання стиснутої зони бетону, а у розглядуваному випадку – ефективність використання шарів підсилення.

У четвертому розділі представлені експериментальні та теоретичні значення тріщиностійкості та деформативності підсилених згинальних елементів.

Згідно з отриманими результатами, після проведення експериментальних досліджень, встановлено вплив підсилення стиснутої зони згинальних елементів на тріщиностійкість досліджуваних балок.

Матеріал підсилення незначно впливає на тріщиностійкість балок. Відносна величина тріщиностійкості для усіх випробуваних зразків знаходиться у межах 0,28…0,32 від руйнуючого навантаження. Ця величина характерна для ненапружених залізобетонних зразків.

Найбільше підвищення тріщиностійкості, у порівнянні з непідсиленими зразками, спостерігається у балках підсилених армованим полімербетоном, у межах 34…40%. На другому місці – балки підсилені полімербетоном. Підвищення становить 35…39 %. Балки підсилені сталефібробетоном мають підвищення тріщиностійкості 34…38 %. Найменше підвищення – у балках підсилених традиційним дрібнозернистим бетоном – менше 10 %.

Абсолютна величина тріщиностійкості найбільша у балок, підсилених армованим полімербетоном і полімербетоном без підведення додаткової арматури, що, очевидно, пов’язано зі збільшенням висоти і підвищеними деформативними властивостями сталефібробетону і полімербетону. Розглядаючи ширину розкриття тріщин, при однаковому згинальному моменті М=20 кНм можна відмітити, що підсилені балки показали меншу ширину розкриття тріщин у порівнянні з непідсиленими.

Випробування показали, що непідсилені балки серії Б при експлуатаційному рівні навантаження мають =0,18…0,21 мм.

Таблиця 2

Співставлення експериментальних і теоретичних результатів міцності підсилених залізобетонних елиментів

Параметри та розмірність | Метод отримання | Марки балок | Б | БС | БСН | БП | БПН | БПА | БПАН | БТ | БТН | Експеримент | 2,5 | 2,0 | 2,1 | 2,05 | 1,80 | 1,9 | 1,85 | 2,0 | 1,9 | Деформаційний метод | 2,46 | 1,85 | 1,83 | 1,84 | 1,92 | За чинними нормами | - | - | - | - | - | - | - | - | - | Експеримент | 24,2 | 29,5 | 29,8 | 30,7 | 31,0o | 30,7 | 31,5 | 32,1 | 33,0 | Деформаційний метод | 35,4 | 33,6 | 33,2 | 33,4 | 34,2 | За чинними нормами | 30,3 | 29,06 | 28,25 | 26,3 | 36,74 | Експеримент | 15,3 | 18,6 | 19,2 | 18,3 | 18,75 | 19,05 | 19,29 | 17,4 | 18,0 | Деформаційний метод | 14,49 | 17,25 | 17,28 | 17,29 | 16,70 | За чинними нормами | 14,50 | 17,09 | 17,09 | 17,14 | 16,78 | Експеримент | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | Деформаційний метод | 0,947 | 0,927 | 0,898 | 0,944 | 0,922 | 0,907 | 0,895 | 0,960 | 0,928 | За чинними нормами | 0,948 | 0,919 | 0,890 | 0,934 | 0,911 | 0,897 | 0,886 | 0,964 | 0,932 |

Примітки: 1. Межові деформації робочої розтягнутої розтягнутої арматури класу АІІІ згідно з експериментальними даними прийняті такими, що дорівнюють . 2. Розрахункові значення несучої здатності дослідних зразків отримані тільки для зразків, які не були попередньо навантажені та розвантажені, внаслідок відсутності експериментальних даних для арматури та бетону. 3. Збільшення експериментальних значень несучої здатності балок, які попередньо навантажували та розвантажували сталося скоріш за усе внаслідок зміцнення розтягнутої арматури у пластичній зоні та збільшення висоти стиснутої зони.

Встановлено, що різні способи підсилення мало впливають на ширину розкриття тріщин. Балки усіх серій підсилені сталефібробетоном, полімербетоном, армованим полімербетоном та шаром дрібнозернистого бетону з підведеням додаткової арматури у стиснуту зону мали =0,11…0,15 мм. Тільки балки серії БПА показали найменшу ширину розкриття тріщин, яка дорівнювала 0,06…0,08 мм (рис. 4). У балках, які в результаті попереднього навантаження мали тріщини, нові з’явилися практично в тих же перерізах.

Рис. 4. Ширина розкриття тріщин, в мм, при моменті 20 кНм.

Прогини непідсилених та підсилених у стиснутій зоні експериментальних балок вимірювали у зоні чистого згину. Результати досліджень, отримані при зусиллях (0,8…0,85)Pu (рис. 5).

Рис. 5. Середні прогини дослідних залізобетонних балок.

Монотонне збільшення наватаження при дослідженні балок після їх підсилення в межах відносних навантажень характеризується практично лінійним зв’язком між прогинами та моментами. Порушення цієї лінійності можна спостерігати тільки при рівнях навантаження вище 0,9 внаслідок різкого розвитку пластичних деформацій розтягнутої арматури, після чого нахил кривої М-f збільшується у бік прогинів. Зростання прогинів залежить від особливостей розвитку деформацій по висоті перерізу після підсилення балок, що відноситься як до деформацій арматури у розтягнутій зоні, так і до матеріалу підсилення у стиснутій зоні.

У цьому розділі представлений розрахунок залізобетонних згинальних елементів, підсилених нарощуванням стиснутої зони різними матеріалами та наведено порівняння теоретичних і експериментальних результатів.

Враховуючи той факт, що всі дослідні балки, крім однієї, зруйнувалися за нормальним перерізом, в даній роботі розглядається тільки утворення нормальних тріщин.

Розрахунок за утворенням нормальних і похилих тріщин, виконують з умови:

, (12)

де - момент від повного навантаження, який діє на конструкцію, відносно осі, яка проходить через ядрову точку, найбільш віддалену від розтягнутої зони при перевірці нормальних тріщин, або через точку прикладання рівнодіючої у бетоні стиснутої зони над похилою тріщиною – при перевірці похилої тріщини; - момент, який сприймає нормальний або похилий переріз конструкції при утворенні відповідної тріщини.

При розрахунку на утворення нормальних тріщин у згинальних попередньо ненапружених залізобетонних елементах момент, який сприймає переріз конструкції обчислюють за формулою:

, (13)

де - нормативний опір бетону підсилюваної конструкції, при обробці дослідних даних прийнято ; - момент опору зведеного перерізу для крайнього розтягнутого волокна з урахуванням непружних деформацій розтягнутого бетону та приведених характеристик підсилених балок.

Ширину розкриття нормальних тріщин, від нетривалої дії навантаження, підсилених залізобетонних конструкцій обчислюють за формулою

, (14)

де усі вихідні параметри детально проаналізовані у роботі.

Отримані розрахункові результати при порівнянні з експериментальними показують точність у межах 10…30 %. Представлені методи визначення моменту утворення та ширини розкриття нормальних тріщин підсилених елементів можна вважати задовільними, оскільки вони здатні якісно оцінити результати експериментальних досліджень таких складних елементів які підсилені новими недостатньо вивченими матеріалами балки. Використана при розрахунку деформацій формула для обчислення кривини підсиленого напруженого залізобетонного згинального елемента з тріщинами рекомендована змінами до чинних нормативних документів.

, (15)

де усі вихідні параметри визначені у роботі.

Отримані результати показують задовільну точність. При цьому експериментальні величини прогинів у більшості перевищують теоретичні.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Результати експериментальних досліджень визначення міцнісних та деформативних властивостей основного бетону дослідних зразків та бетонів підсилення показали, що встановлені нормами та рекомендаціями характеристики у своїй більшості співпадають з отриманими у проведених дослідженнях.

2. Руйнування усіх серій підсилених балок відбувається за нормальними перерізами. Характер руйнування – пластичний. Напружено-деформований стан підсилених балок усіх серій до останнього етапу руйнування змінюється практично однаково. Відмінності у характері руйнування відбуваються тільки на останньому етапі. Зразки балок, підсилених шаром сталефібробетону та дрібнозернистого бетону, зруйнувалися внаслідок руйнування контактної зони на відстані між прикладеними вертикальними зусиллями. При цьому стиснута зона балок підсилення лишилася практично не зруйнованою. У балках, підсилених армованим і неармованим шаром полімербетону. Завдяки підвищеному зчепленню полімербетону з основним бетоном балки, внаслідок пенетрації розшарування стиснутої зони не відбувається. Стиснута зона зразка працює сумісно до повного руйнування, після чого балка розколюється навпіл.

3. Згідно результатів, отриманих після проведення експерименту, несуча здатність усіх підсилених дослідних зразків збільшилася на 1,1…1,3 разів. Найбільше прирощення несучої здатності, у межах 24…26%, виявилося у балках підсилених шаром полімербетону, а найменше збільшення несучої здатності – 13…17% при підсилені армованим дрібнозернистим бетоном.

4. Співставлення експериментальних і теоретичних даних міцності непідсилених залізобетонних елементів одержаних в результаті обчислень за чинними нормами та новою запропонованою деформаційною моделлю показує, що теоретичні значення близьки до експериментальних, причому розрахункові величини майже не відрізняються між собою. Однак, деформаційний метод дозволяє визначити ступінь використання стиснутої зони бетону, а у розглядуваному випадку – ефективність використаних шарів підсилення.

5. Найбільше підвищення тріщиностійкості спостерігається у балках підсилених полімербетоном, у межах 34…40%. На другому місці – балки підсилені полімербетоном, де підвищення становить 35…39 %. Балки підсилені сталефібробетоном мають підвищення тріщиностійкості 34…38 %. Найменше підвищення – у балках підсилених традиційним дрібнозернистим бетоном – менше 10 %.

6. Випробування показали, що непідсилені балки серії Б при експлуатаційному рівні навантаження мають =0,18…0,21 мм. Підсилені балки решти серий підсилені мали =0,11…0,15 мм. Тільки балки серії БПА показали найменшу ширину розкриття тріщин, яка дорівнювала 0,06…0,08 мм. Встановлено, що різні способи підсилення мало впливають на ширину розкриття тріщин.

7. Підсилення залізобетонних балок у стиснутій зоні позитивно впливає на змінення прогинів. При експлуатаційному рівні навантаження прогини усіх серій досліджуваних підсилених балок зменшилися у середньому на 10…20% у порівняні з прогинами контрольних непідсилених балок серії Б.

8. Розрахунки експериментальних зразків-балок за другою групою граничних станів з урахуванням змін до СНиП, рекомендованих Держбудом України, показують задоволені результати. Розбіжність між експериментальними і теоретичними результатами не перебільшує 20%.

9. Результати випробувань балок свідчать про те, що при експлуатаційному рівні навантаження підсилені елементи відповідають вимогам чинних норм з точки зору другої групи граничних станів, тобто за тріщиностійкістю та деформативністю.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сухоносова І.В. Підсилення залізобетонних згинальних елементів у стиснутій зоні сучасними матеріалами / Наукові нотатки. – Луцьк, 2003. – Випуск 13. – С. 335-339.

2. Сухоносова І.В. Методика експериментальних досліджень залізобетонних балок, підсилених у стиснутій зоні / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: Видавництво УДУВГП, 2004. – Випуск 11. – С. 379-384.

3. Задорожнікова І.В. Огляд експериментальних досліджень підсилення стиснутої зони залізобетонних згинальних елементів / Тези XIX- оі науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу. – Луцьк: Н.-н. Відділ ЛДТУ, 2004 - 192 с.

4. Барашиков А..Я., Задорожнікова І.В. Спрощені розрахунки несучої здатності нормальних перерізів згинальних залізобетонних елементів за деформаційною моделлю / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: Видавництво УДУВГП, 2005. – Випуск 12. – С. 109-116.

5. Задорожнікова І.В. Розрахунок контактних швів / Тези XX- оі науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу. – Луцьк: Н.-н. Відділ ЛДТУ, 2005 - 101 с.

6. Задорожнікова І.В. Розрахунок згинальних залізобетонних елементів підсилених у стиснутій зоні шаром полімербетону / Коммунальное хозяйство городов. – Киев “Техніка, 2005. – Выпуск 67. - С. 42-46.

7. Задорожнікова І.В. Експериментальні дослідження міцності підсилених у стиснутій зоні залізобетонних балок / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: Видавництво НУВГП, 2005. – Випуск 13. – С. 356-362.

8. Задорожнікова І.В. Методика розрахунку міцності перерізів, нормальних до поздовжньої осі балок, підсилених у стиснутій зоні шаром сталефібробетону / Наукові нотатки. – Луцьк, 2005. – Випуск 15.С. 98-103.

Задорожнікова Ірина Вікторівна. Підсилення стиснутої зони. як засіб відновлення експлуатаційних якостей залізобетонних згинальних елементів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – “Будівельні конструкції, будівлі і споруди”. Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України. – Львів, 2006.

Проаналізовано та співставлено основні якісні параметри елементів підсилення, які одержані на основі пороведеного експериментального дослідження залізобетонних зразків балок, підсилених шарами сталефібробетону, неармованого та армованого полімербетону, армованого дрібнозернистого бетону.

Усі дослідження виконані за єдиною методикою, розробленою і апробованою в КНУБА за останні 20 років. Експериментальні зразки уявляють собою залізобетонні балки прямокутного перерізу прольотом 2000 мм. У процесі короткочасних випробувань до руйнівних навантажень визначали міцність, тріщиностійкість і деформації непідсилених та підсилених зразків.

За результатами аналізу оцінювали рівень ефективності способу підсилення тими або іншими матеріалами. Виявлено отримані нові міцнісні та деформативні властивості при різних способах підсилення, для яких проведено оцінку основних показників та експлуатаційних якостей.

Запропоновані способи розрахунку несучої здатності підсилених залізобетонних елементів за деформаційною моделлю, які враховують фізико-механічні властивості сучасних ефективних матеріалів, ступінь їх участі у спільній роботі підсилених конструкцій. Враховані нові розробки та досягнення теорії залізобетону для розрахунку конструктивних елементів. Розрахунки за другою групою граничних станів виконані з урахуванням змін до чинних норм.

Ключові слова: бетон, сталефібробетон, полімербетон, залізобетонні балки, підсилення, міцність, тріщиностійкість, деформації, спосіб руйнування, розрахунок.

Задорожникова Ирина Викторовна. Усиление сжатой зоны как способ восстановления эксплуатационных возможностей железобетонных изгибаемых элементов. – Рукопись.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи – изучению эксплуатационных качеств изгибаемых железобетонных конструкций которые усилены эффективними строительными материалами в сжатой зоне. По результатам выполненного обзора литературных источников, касающихся методов усиления железобетонных конструкций в сжатой зоне, выбран предмет и способ экспериментально-теоретических исследований.

Принято решение исследовать железобетонные изгибаемые элементи-балки как инаиболее массовый вид конструкций, которые подвергаются изнашиванию в процессе эксплуатации. В связи с недоступностью по усилению растянутой зоны и формой поврежденного елемента в исследованиях принято вариантный способ усиления сжатой зоны. Для усиления запроектированы следующие слои: неармированный сталефибробетон, неармированный полимербетон, армированный полимербетон, армированный тяжелый мелкозернистый бетон. Для сопоставления результатов параллельно испытаны неусиленные железобетонные балки.

Методика экспериментальных исследований включала изготовление новых материалов усиления (сталефибробетона и полимербетона), технологию приготовления бетонных смесей, бетонирования неусиленных и двухслойных усиленных образцов в производственных условиях. Было предусмотрено два случая начального напряженно-деформационного состояния балок. Перед испытанием половина опытных образцов была нагружена до уровня 0,6…0,7 от разрушающего до появления начальных трещин шириной раскрытия 0,1…0,3 мм, таким образом имитировали балки, которые находились в эксплуатации. После этого балки были разгружены и усиленны тщательной заделкой образовавшихся трещин испытанны до разрушения. Другая часть балок усиливалась без предварительной нагрузки, тоесть рассматривался случай когда балки не вычерпали свой ресурс но в связи с увеличением проектного нагружения требуют усиления.

Разрушение всех серий усиленных балок произошло по нормальным сечениям. Характер разрушения – пластический.Балки усиленные слоем сталефибробетона и армированного тяжелого мелкозернистого бетона разрушились в результате разрушения контактной зоны на расстоянии между преложенными вертикальными усилиями. В балках усиленных армированным и неармированным полимербетоном расслоения сжатой зони не произошло в результате пенетрации. Сжатая зона образца работала совместно до полного разрушения, после чего балки расскололись наполовину.

Проведенные испытания показали, что прочность всех усиленных балок увеличилась в 1,1…1,3 раза. Наибольшее увеличение несущей способности на 24…26 % отмечено у балок усиленных слоем армированного полимербетона, а наименьшее – 13…17% при усилении армированым мелкозернистым бетоном. Отмечено некоторое увеличение прочности железобетонных балок усиленных после предварительного нагружения уилиями эксплуатационного уровня.

Наибольшее увеличение трещиностойкости наблюдается в балках усиленных армированным полимербетоном – 34…40 %. На втором месте – балки усиленные неармированным полимербетоном, где увеличение состовляет 35…39%. Балки усиленные сталефибробетоном имеют увеличение трещиностойкости 34…38%. Наименшее - в балках усиленных традиционным мелкозернистым бетоном – меньше 10%.

Усиление сжатой зоны позитивно воздействует на изменения прогибов. При експлуатационном уровне нагружения прогибы всех серий исследуемых усиленных балок уменьшилась в среднем на 10…20% в сравнении с прогибами контрольных неусиленных балок.

Предложенные автором диссертации расчеты експериментальных образцов-балок за второй группой предельных состояний с учетом изменений СниП, рекомендованых Держстроем Украины, показали удовлетворительные результаты. Разбежность между экспериментальными и теоретическими результатами не превышают 20 %. Все испытанные конструкции показали, что при эксплуатационном уровне нагружения они соответствуют действующим нормам с точки зрения второй группи предельных состояний, тоесть по трещиностойкости и деформативности.

Ключевые слова: бетон, сталефибробетон, полимербетон, железобетонные балки, усиление, прочность, трещиностойкость, деформации, способ разрушения, расчет.

Zadorozhnikova Irina Viktorivna. Compression Region Reinforcement as a Means of Renewing Functional Qualities of Reinforced Concrete Bending Elements. – Manuscript.

Dissertation for obtaining the scientific degree of the candidate of technical sciences in the speciality 05.23.01 – Building Units, Buildings, and Structures”. National University “Lviv Polytechnics of the Ministry of Education and Science of Ukrine. – Lviv, 2006.

Analysed and compared are the basic quality parameters of reinforcement elements, received on the basis of the conducted experimental research of reinforced concrete beam samples, resnforced with the layers of steel fibre concrete, unreinforced and resnforced polymerconcrete, resnforced fine concrete.

All the research was conducted applying the sole technique, developed and approbated at Kyiv National University of Construction and Architecture over the last 20 years. Experimental samples are the reinforced concrete beams of rectangular cross section with 2000 mm bay. In the process of short-term tests to destructive loads determined were the strength, crack growth resistance and deformations of unreinforced and reinforced samples.

By the results of analysis evaluted was efficency level of the method of reinforced with various materials. Revealed were the recived new strength and deformation properties in various reinforcement methods. Evaluation of basic figures and functional gualities was conducted for such methods.

Offered are the methods of calculatig bearing strength of reinforced RC elements applying deformational model, which take into account physical and mechanic properties of modern effective materials, degree of their participation in the joint work of reinforced structures. Considered are the new dewtructvelopments and achievements of reinforced concrete theory for calculation of constructive elements. Calculations by the second group of boundary states were made considering the changes to existing norms. Key words: concrete,