Масуд Нур Еддін

УДК 624.012.45

Розрахунок ширини розкриття тріщин

залізобетонних конструкцій З Урахуванням ефекту

порушення суцільності

Спеціальність 05.23.01 – будівельні конструкції,

будівлі та споруди

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України, Київ

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Колчунов Володимир Іванович

Національний авіаційний університет,

професор кафедри комп’ютерних

технологій будівництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Козачевський Анатолій Іванович,

Київський зональний науково-дослідний

і проектний інститут експериментального проектування, професор

кандидат технічних наук, доцент

Кріпак Володимир Денисович,

Київський національний університет

будівництва та архітектури, доцент

кафедри залізобетонних конструкцій

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут будівельних

конструкцій Міністерства будівництва, архітектури і житлово-комунального господарства, відділ надійності будівельних конструкцій

Захист відбудеться 16 березня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.062.12 Національного авіаційного університету за адресою: 03058, Україна, м. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, Україна, м. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий 02.02. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К.26.062.12

к.т.н., доцент Д.Е. Прусов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Залізобетон ще довго буде залишатися основним конструкційним будівельним матеріалом, і тому підвищення його ефективності входить в число найважливіших проблем капітального будівництва. Широке застосування залізобетонних конструкцій у різнома-нітних, в останні роки все більш складних і відповідальних спорудах, викликає нагальну потребу розвитку теорії і вдосконалення методів їх розрахунку.

Аналіз результатів проведених досліджень, а також практика проектування і досвід застосування залізобетонних конструкцій говорять про те, що часто виявляються випадки, коли клас бетону, розміри перерізів та площу розтягнутої арматури за умовами розкриття тріщин приймають більшими, чим це вимагається за міцністю або за деформаціями.

В останні роки виконані значні дослідницькі роботи (НДІБК, КНУБА – Україна, під керівництвом РААСН - Росія) по вдосконаленню методів оцінки ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій. Найбільш повні з них проводились в НДІ будівельних конструкцій, де на основі чітких фізичних гітотез про механізм виникнення тріщин розроблена методика розрахунку ширини розкриття тріщин. Однак, не дивлячись на високу надійність і теоретичне обґрунтування вказаної методики в цілому, ряд важливих питань ще не отримав необхідного розв’язку і тому вимагає постановки спеціальних досліджень, в першу чергу відповідно до врахування ефекту порушення суцільності. До цього часу практично відсутні розробки, що встановлюють залежність традиційних параметрів залізобетону з новими елементами механіки руйнування.

Все це не дозволяє уникнути трудомісткого експериментування і є серйозною перешкодою для підвищення достовірності розрахунків відповідальних несучих конструкцій.

Звідси випливає, що проведення експериментально-теоретичних досліджень за розробкою практичного способу розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій з урахуванням ефекту порушення суцільності матеріалу є вельми актуальною задачею. Розв’язок цієї задачі може розглядатися як нове значне досягнення в розвитку методів розрахунку залізобетонних конструкцій.

Зв’язок роботи з науковими темами. Робота виконана на кафедрі комп’ютерних технологій будівництва Національного авіаційного університету в рамках наукових досліджень кафедри по держбюджетній темі №30-053/53 "Розробка будівельних матеріалів та конструкцій з заданими властивостями для аеропортобудування".

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень являється експериментально-теоретична розробка способу розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій з урахуванням ефекту порушення суцільності.

Для досягнення мети були поставлені наступні конкретні задачі:

- виконати експериментальні дослідження і по цих результатах аналіз ширини розкриття тріщин стержневих залізобетонних елементів;

- на основі проведених експериментальних досліджень, узагальнення і аналізу результатів експериментальних та теоретичних досліджень інших авторів розробити спосіб розрахунку ширини розкриття нормальних тріщин стержневих залізобетонних елементів з урахуванням ефекту порушення суцільності, що дозволить збільшити його точність у порівнянні з існуючими способами;

- виконати порівняльну оцінку запропонованого способу розрахунку з експериментальними даними та існуючими способами розрахунку ширини розкриття нормальних тріщин у стержневих залізобетонних елементах.

Об’єкт дослідження – залізобетонні конструкції промислових та цивільних будівель і споруд.

Предмет дослідження - ширина розкриття тріщин залізобетонних конструкцій.

Методи дослідження - використовується експериментально-теоретичний метод. У теоретичних та численних дослідженнях, які виконані в роботі, використані загальні методи механіки твердого тіла, що деформується. Проведені експериментальні дослідження ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- розвинуті гіпотези механіки руйнування, відповідно до розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій (на вісімках уточнена константа b,u, відкорегований двуконсольний елемент відповідно до розрахунку );

- врахування ефекту порушення суцільності залізобетонних конструкцій в практичній методиці виконано не через спрощений інтегральний коефіцієнт , а з використанням енергетичного функціонала механіки руйнування, що приводить до диференціального рівняння, роз’язок якого знайдено в аналітичному вигляді;

- істотно уточнено значення постійної інтегрування для другої ділянки опору залізобетонних конструкцій між тріщинами за рахунок визначення граничних умов, що наближаються до дійсних;

- розроблена практична методика розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій з урахуванням ефекту порушення суцільності, що дозволяє поставити у відповідність розміри величин, що вимірюються за допомогою мікроскопа;

- запропоновані нові формула і алгоритм визначення ширини розкриття тріщин;

- розроблена методика експериментальних досліджень та проведені експериментальні дослідження, що істотно доповнюють існуючий фактичний матеріал, в першу чергу, за рахунок вимірювань параметрів опору в зонах безпосередньо прилягаючих до берегів тріщин та до зон передруйнування; при цьому не тільки підтверджена гіпотеза про наявність тут областей стискання, але й кількісно визначені їх параметри;

- виконано порівняння розрахункових та дослідних значень ширини розкриття тріщин на підставі запропонованої методики, методики графіків, норм, методики НДІ будівельних конструкцій, методики нових норм України з використанням не тільки дослідних даних автора, але й дослідів інших авторів, що підтверджують помітні переваги запропонованої методики.

Практичне значення роботи в тому, що розрахунки ширини розкриття тріщин, виконані за новою методикою, дають в одних випадках більш точні, а в інших – більш надійні результати при проектуванні залізобетонних конструкцій. Результати дисертаційної роботи прийняті Державним НДІ будівельних конструкцій для використання при розробці норм “Бетонні і залізобетонні конструкції”.

Особистий вклад здобувача:

- практична методика розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій з урахуванням ефекту порушення суцільності;

- нові формула і алгоритм розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій з урахуванням багаторівневого утворення тріщин;

- методика і результати експериментальних досліджень ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій, що істотно доповнюють існуючий фактичний матеріал, в першу чергу, за рахунок вимірювання деформаційних параметрів опору в зонах безпосередньо прилягаючих до берегів тріщин і до зон передруйнування;

- результати численних досліджень за оцінкою ефективності запропонованої методики розрахунку.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації викладені і схвалені на V Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа -2003” (23 – 25 квітня 2003р.), на VI Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа -2004” (10–12 квітня 2004р.), на Міжнародній конференції „Сучасні технології будівництва”(18 листопада 2005р.), на Четвертій міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених на тему „Соціальні напрямки розвитку архітектури та будівництва” (25 листопада – 1 грудня 2005р.), на VIII Міжнародній науково-технічній конференції “Авіа – 2006” (26 вересня 2006р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано пять наукових статей у фахових виданнях, у тому числі чотири статті у фахових виданнях, що входять до переліку наукових видань ВАК України.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 211 найменувань та чотирьох додатків, що містять результати експериментальних досліджень та матеріали впровадження роботи. Основний текст, викладений на 152 сторінках, ілюструється 54 рисунками, містить 7 таблиць і 4 додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, що розглядається, приведені загальна характеристика роботи і її основні положення.

У першому розділі викладено стан питання і сформульовані задачі досліджень.

Встановлено, що процес тріщиноутворення і подальшого розкриття тріщин в елементах залізобетонних конструкцій – явища достатньо складні, для опису яких потрібно залучення ряду гіпотез про сумісну роботу двох матеріалів.

Вивченню цих явищ у залізобетонних конструкціях присвячена велика кількість українських та зарубіжних досліджень: роботи А.В. Алєксєйчєнка, А.Я. Барашикова, О.Я.Берга, В.М. Бондаренка, О.Б. Голишева, Л.М. Городецького, П.Я. Григорьєва, Е.І. Заздравних, О.С. Залесова, Ю.А. Іващенка, Ю.А. Клімова, В.І. Колчунова, В.А. Критова, Г.А. Молодченка, Н.М. Муліна, Л.А. Мукминева, В.І. Мурашова, Я.М. Нєміровського, А.А. Оатула, Е.Г. Портера, Ф.Г. Томаса, В.Ф. Усманова, М.М. Федоренка, М.М. Холмянського, Б.Ш. Шамурадова, И.Ю. Шаракаускаса, Г.М. Шоршнева та ін.

Всі відомі пропозиції щодо розрахунку ширини розкриття тріщин можуть бути розділені на чотири основні групи в залежності від підходу до виведення основних залежностей. До першої групи відносяться пропозиції, основані на передумовах теорії В.І. Мурашова та спрощені варіанти цих пропозицій. До другої групи відносяться роботи, в яких пропонуються емпіричні, напівемпіричні і статичні формули, отримані на базі обширних експериментальних досліджень, і які враховують вплив різноманітних факторів на ширину розкриття тріщин. До третьої групи належать методи, в основу яких покладена "зона взаємодії" арматури і бетону, тобто методи О.Я.Берга. До четвертої групи відносяться дослідження, в яких розкриття тріщин розглядається як накопичення відносних взаємних зміщень арматури і бетону по осі арматури на ділянці між тріщинами.

Ідея побудови моделі деформування залізобетонного елемента з тріщинами належить М.І. Карпенку. Разом з тим, тут не враховуються ефекти, що виникають внаслідок порушення суцільності бетону.

В останні роки (з появою механіки руйнування) особливу увагу приділяли оцінці напружено-деформованого стану в окрузі тріщини. Успіхи, досягнуті в цій області, і накопичені результати, використані рядом шкіл, що розповсюджували їх відповідно до бетону і залізобетону: школа Хіллерборга (Швеція), школа Шаха (США) та ін. В країнах СНД такі роботи виконані А.А.Ашрабовим, С.Ю. Богдан, М.М. Бородачевим, П.І. Васильєвим, Ю.В. Зайцевим, В.І. Колчуновим, Н.Я. Леоновим, І.І.Лучком, Е.М. Морозовим, В.В. Панасюком, В.А. Пахомовим, Е.Н. Пересипкіним. Л.П. Трапезниковим, Я.В. Фридманом, Г.П. Черепановим, В.М. Чубриковим, та ін.

Аналіз експериментів дозволив Я.М. Немировському виявити помітне розходження зовнішніх та внутрішніх зусиль у поперечному перерізі стержневого залізобетонного елемента, що розраховується по теорії В.І. Мурашова. Причиною цього Я.М. Немировський вважав неврахування роботи розтягнутого бетону над тріщиною.

Однак, як показали подальші дослідження, в ряді випадків відмічене розходження було настільки суттєвим, що урівноважити їх урахуванням роботи розтягнутого бетону над тріщиною не видавалося можливим. Тому цілком логічно було звернути увагу на ефект, який проявляється в залізобетонному елементі при порушенні суцільності бетону (рис.1). Цей ефект вивчений в роботах проф. В.І. Колчунова.

Другий розділ присвячений теоретичним розробкам методики визначення ширини розкриття тріщин з урахуванням ефекту порушення суцільності.

Характер епюр bt(z), отриманих у дослідах з різноманітними датчиками (див. рис. 2), показує, що в зонах , які прилягають до тріщини деформації видовження бетону переходять в деформації укорочення, дотичні напруження зчеплення теж змінюють знак. Причина полягає в тому, що після утворення тріщин суцільність бетону порушується і його деформування вже не відповідає законам суцільного тіла. В зонах, що прилягають до тріщин, виникає концентрація деформацій, яка перенасичує “необхідність системи” (що складається з бетонних блоків і арматури при заданій статичній схемі) в деформаціях. Таким чином, в тріщинах виникає додаткова деформаційна дія, яку необхідно враховувати в розрахунку.

При цьому нові константи можуть бути отримані (з залученням залежностей механіки руйнування) через традиційні характеристики бетону Rbt, Rb і Eb. Відмітимо, що в запропонованій методиці штучні тріщини і надрізи на призмі не робляться, так як радіус надрізу і радіус кінця природньої тріщини відрізняються на декілька порядків.

Потім використовується двуконсольний елемент (ДКЕ), вирізаний методом перерізів разом з тріщиною (див. рис.1,б). Податливість двуконсольного елементу і питома енергія розвитку тріщини bu пов’язуються між собою через залежність механіки руйнування, що записана відповідно до залізобетонного елементу:

(1)

де Pi – i-та сила, прикладена до ДКЕ; A - площа поверхні тріщини, що утворюється.

З розвязку диференціального рівняння (1) знаходиться дотична сила T (див. рис.1, б).

Таким чином розкривається статична невизначеність задачі про збурення НДС в залізобетонному елементі після порушення суцільності бетону.

Після цього з використанням залежностей зчеплення знаходяться деформації арматури і бетону в довільному перерізі з координатою х.

Рис. 1. До реалізації залежностей механіки руйнування в залізобетоні: а — характерні епюри напружень у розтягнутому бетоні і вирізування спеціального двоконсольного елементу в окрузі тріщини; б — до розрахунку податливості консолі.

В основу розрахунку покладені робочі передумови, підтверджені експериментом. Основними з них є:

в якості розрахункового приймається переріз з середньою висотою стиснутої зони хm, що відповідає середнім деформаціям. Для середніх деформацій розтягнутої арматури і стиснутого бетону справедлива гіпотеза плоских перерізів;

утворення тріщин виникає після досягнення крайніми розтягнутими волокнами бетону граничних деформацій (необхідна умова). В процесі навантаження виділяється декілька рівнів тріщиноутворення. Відстані між тріщинами наступного рівня менші або дорівнюють половині відстані між тріщинами попереднього рівня (достатня умова);

розкриття тріщин – це накопичення відносних умовних зосереджених взаємних зміщень арматури і бетону на ділянках, що розташовані по обидва боки від тріщини (див. рис. 2) – розвиток гіпотези Томаса-Голишева;

враховується депланація бетону в перерізі з тріщиною в залежності від відстані до по-

верхні контакту з арматурою;

враховується додаткова деформаційна дія в тріщині, пов’язана з порушенням суцільності матеріалу.

Рис. 2. Розташування тріщин і епюри деформацій бетону , арматури і їх відносних взаємних зміщень у стержневих елементах, що згинаються.

З рис. 2 випливає, що відносні взаємні зміщення арматури і бетону визначаються з залежності:

, (2)

де – відносні деформації арматури, а – відносні деформації бетону в перерізі х.

Для стадії II напружено-деформованого стану залізобетону, якій відповідає похила лінійна ділянка білінійної (або криволінійної) діаграми , отримаємо:

, (3)

де – умовні дотичні напруження, – модуль деформацій зчеплення арматури з бетоном (для звичайних бетонів класів В15–В45 при стержневій арматурі періодичного профілю величина змінюється в межах (0,3…0,4), що декілька менше, порівняно з модулем зсуву при пружному опорі бетону.

Після диференціювання отримаємо:

. (4)

Розв’язок неоднорідного диференціального рівняння першого порядку (4) має вигляд:

. (5)

де В – параметр зчеплення.

Постійну інтегрування С знаходять із граничної умови, в відповідності з яким, при , :

. (6)

Тут границя між ділянками I і II визначена наближено – розподілення напружень у бетоні знаходиться у вигляді одної елементарної функції (див. криву 1 на рис.3; більш точно це розподілення описується на кожній ділянці окремою функцією – криві 2 і 3). Однак, допущена при цьому похибка незначна (див. розташування точок С1 ,С2 ,С3 на рис.3.).

Рис. 3. Наближене визначення границі між ділянками I і II між тріщинами.

Інтегрування відносних взаємних зміщень бетону і арматури по обох ділянках (див. рис.1–3) дозволяє визначити ширину розкриття тріщин:

. (7)

Після інтегрування отримаємо:

, (8)

де B, B2 – параметри зчеплення арматури з бетоном, що залежать від периметру поперечного перерізу арматури, модуля зчеплення, геометричних та силових характеристик перерізу; B3 – функція від , B2 і деформацій арматури в тріщині та бетону на берегах тріщини.

Тут визначається з умови, у відповідності з якою видовження бетону на поверхні конструкції в середньому перерізі (на ділянці між тріщинами) дорівнюють :

, (9)

де – функція від , деформацій бетону на берегах тріщини, геометричних та силових характеристик перерізу, параметру зчеплення .

Аналіз співвідношення (9) показує, що збільшення деформацій в арматурі при зростанні навантаження викликає зменшення відстані між тріщинами. При цьому виникнення нового рівня тріщиноутворення відповідає рівню навантаження, при якому дотримується наступна нерівність

. (10)

Таким чином, тріщиноутворення продовжується до моменту руйнування. При цьому виділяється не один (як в теорії В. І. Мурашова і в переважній більшості сучасних теорій), а декілька рівнів тріщиноутворення:

- тріщин немає

- перший рівень

- другий рівень

- третій рівень.

При виконанні практичних розрахунків ширину розкриття тріщин, обчислену за формулою (8), необхідно помножити на коефіцієнт kr, що враховує депланацію бетону в перерізі з тріщиною і також помножити на коефіцієнти , що враховують тривалість дії навантаження і профіль поверхні арматури, відповідно і визначаються згідно з нормами СНиП 2.03.01.84*. Значення , обчислюється до проведення спеціальних досліджень за методикою норм.

У результаті загальний алгоритм розрахунку зводиться до наступного:

1. Визначають, використовуючи залежність норм, значення коефіцієнта .

2. Визначають у відповідності з розробленою методикою параметри напружено-деформованого стану розрахункового перерізу.

3. Визначають функціональне значення за формулою (9). Потім з нерівностей (10) та (11) знаходять рівневе значення .

4. За формулою (8) обчислюють значення .

Таким чином, зберігаючи традиційний підхід при осередненні напружено-деформованого стану бетонного блока між тріщинами, параметри розрахункової моделі наповняються новим змістом, що включає елементи механіки руйнування після порушення суцільності бетону і несумісність деформацій бетону та арматури, що дозволяє помітно уточнити основні параметри залізобетону acrc, lcrc та пояснити більшість помічених в експериментах явищ, що відбуваються при опорі залізобетону силовим та деформаційним діянням.

У третьому розділі приведено методику і результати експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження стержневих елементів в рамках цієї дисертаційної роботи проводились з метою визначення основних параметрів та нових констант, необхідних для визначення ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій з позиції механіки руйнування, їх аналізу на різноманітних стадіях навантаження, перевірки запропонованого розрахункового апарату, основаного на врахуванні ефекту порушення суцільності.

Методика і програма експериментальних досліджень ширини розкриття нормальних тріщин включала лабораторні дослідження двох серій залізобетонних балок. Їх об’єм і основні параметри прийняті з урахуванням варіювання армування (2Ш12А500С і 3Ш16А500С) і класу бетону (В30 и В20), відповідно. При цьому забезпечувалась можливість реалізації обох випадків опору залізобетонних конструкцій – з досягненням та без досягнення текучості арматури.

Силова установка проектувалася з прив’язкою до “потоків” силової підлоги. Основними силовими засобами являлись тяжі, закріплені до силової підлоги, траверси для передачі навантаження, гідравлічний домкрат (максимальне зусилля 25тон), насосна станція з набором різноманітних зразкових манометрів (250кГ/см2 і 400кГ/см2). Залізобетонні балки досліджувались у перевернутому стані (розтягнутою зоною доверху), що дозволило детально вивчити картину утворення, розвитку і розкриття тріщин.

Відмінною особливістю методики проведення експерименту була установка чотирьох груп електротензорезисторів, базою 20 мм (рис. 4). Перша група електротензорезисторів встановлювалася у вигляді безперервного ланцюга в пази (розміром 3х4х300 мм) робочих арматурних стержнів з метою заміру дослідних деформацій арматури. Друга група електротензорезисторів установлювалася на бетон на берегах тріщин (після їх утворення) на рівні осі арматури. Призначення цієї групи електротензорезисторів полягало у необхідності заміру дослідних деформацій бетону на рівні осі арматури в безпосередній близькості від тріщини – зоні, де проявляється деформаційний ефект в залізобетоні. Третя група эелектротензорезисторів мала спеціальне розташування у вигляді “пастки” на шляху поширення тріщини з метою заміру дослідних характеристик зони попе- реднього руйнування. Четверта група електротензорезисторів установлювалася в стиснутій зоні бетону з метою заміру дослідних деформацій укорочення бетону і визначення висоти цієї зони.

Показання електротензорезисторів дублювалися за допомогою механічних приладів – індикаторів часового типу з ціною поділки 0,001мм і 0,002мм.

Аналіз графіків деформації розтягнутої арматури в зоні чистого згину показує, що максимальні піки зміщені від перерізу з тріщиною, що безумовно пов’язано з наявністю деформаційного ефекту в окрузі тріщини.

Цікавим є також аналіз деформацій бетону вздовж осі розтягнутої арматури на берегах тріщин. Аналіз став можливим тільки при суміщенні картини деформацій зі схемою розташування тріщин по відношенню до електротензорезисторів.

При цьому електротензорезистори, що встановлені на березі тріщини, мають деформації укорочення сумірні з деформаціями стиснутої зони бетону.

Не менш важливою була інформація, отримана за допомогою електротензорезисторів, установлених на бетон за схемою “пастка” – електротезорезистори, встановлені на шляху руху тріщини, мають деформації розтягу, які не перевищують граничного подовження бетону, що пов’язано з їх пластичним перерозподілом.

Рис. 4. Зони встановлення груп електротензорезисторів та типова картина розкриття тріщин у дослідних залізобетонних балках першої серії.

Встановлено, що ширина розкриття нормальних тріщин на рівні осі арматури в два і більше разів менша, чим на деякому (30–40мм) подовженні від цієї осі (див. рис. 4, тут на прапорцях наведена ширина розкриття тріщин в мм, а в дужках – навантаження в кН на відповідних ступенях навантаження). Таким чином, арматура стримує розкриття тріщини, протидіючи розкриттю її берегів. Виникаючі при цьому реакції викликають місцеве стискання в бетоні в окрузі тріщини – ефект порушення суцільності.

Четвертий розділ присвячений численним дослідженням, порівняльному аналізу і статистикам. З аналізу статистичних даних випливає, що запропонована розрахункова методика дає допустимі результати в оцінці ширини розкриття тріщин стержневих залізобетонних елементів із врахуванням ефекту порушення суцільності, про що свідчить коефіцієнт варіації СV = 12,57; значення середнього , близького до одиниці. Це дозволяє зробити висновок, що запропонована методика достатньо ефективна порівняно з існуючими методами розрахунку.

Порівняльна оцінка запропонованої методики розрахунку, методики графіків, нормативної методики, методики НДІБК та методики нових норм України з дослідними даними, підтверджує переваги запропонованої методики. Виконана статична оцінка показує, що коефіцієнт варіації при розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій на підставі запропонованої методики зменшився порівняно з методикою нових норм України більш ніж у півтори рази. Що стосується інших методик, то зменшення коефіцієнта варіації було ще більш істотнім.

ВИСНОВКИ

1. Уточнені і конкретизовані основні залежності механіки руйнування стосовно до практичного розрахунку залізобетону, в тому числі отримані нові константи бетону, що описують опір зони попереднього руйнування; відкорегований двуконсольний елемент для залізобетону, стосовно до розрахунку ширини розкриття тріщин, що дозволяє пов’язувати нові константи бетону в зоні передруйнування з традиційними параметрами опору залізобетону; отримано простий розв’язок основного диференціального рівняння цього зв’язку.

2. Розроблені залежності для обчислення розрахункових параметрів х, напружено-деформованого стану перерізів стержневих залізобетонних елементів та запропонована формула для визначення ширини розкриття тріщин, що базується на традиційних передумовах теорії залізобетону і основних положеннях механіки руйнування для врахування ефекту порушення суцільності, що дозволяє помітно наблизити цей найважливіший розрахунковий параметр залізобетонних конструкцій до дійсного.

3. Розроблена методика експериментальних досліджень ширини розкриття нормальних тріщин стержневих залізобетонних елементів, основною особливістю якої є забезпечення можливості заміру дослідних деформацій бетону на рівні осі арматури в безпосередній близькості від тріщини – зоні, де проявляється ефект порушення суцільності, а також можливості заміру дослідних характеристик зони передруйнування за допомогою спеціальної групи електротензорезисторів, встановлених за схемою “пастка” на шляху розповсюдження тріщини.

4. Отримані експериментальні дані ширини розкриття тріщин вздовж всього профілю тріщини, змін відстані між тріщинами при збільшенні навантаження (з перевіркою багаторівневого процесу утворення тріщин), неперервного ланцюга деформацій робочої арматури в тріщині і між тріщинами, деформацій бетону на берегах тріщини і в зоні передруйнування, які в значній мірі доповнюють накопичений експериментальний матеріал і дають можливість перевірки запропонованого способу розрахунку визначення ширини розкриття тріщин у залізобетонних конструкціях з урахуванням ефекту порушення суцільності.

5. Експериментально встановлено, що ширина розкриття нормальних тріщин на рівні осі арматури в два і більше разів менша, ніж на деякій відстані від цієї осі, тобто арматура протидіє розкриттю берегів тріщини (реакції, що виникають при цьому викликають місцевий стиск в бетоні в окрузі тріщини – ефект порушення суцільності); ширина розкриття тріщин збільшується з ростом деформацій в арматурі, але зменшується зі зміною відстані між тріщинами – збільшення деформації на 50% зменшує відстань між тріщинами на 50%; відстань між тріщинами зменшується з ростом проценту армування; зі зменшенням параметрів зчеплення на 46%, значення аcrc збільшується на 44%; експериментальна перевірка нових констант бетону (з позиції механіки руйнування) і перехідних залежностей при зміні розмірів додаткових зразків порівняно зі стандартними, показала їх практичну прийнятність.

6. Запропонована методика розрахунку ширини розкриття тріщин стержневих залізобетонних елементів з урахуванням ефекту порушення суцільності реалізована у вигляді алгоритмів розрахунку. Виконані порівняння і статичний аналіз показали достатню точність результатів, отриманих на підставі запропонованої методики, а також покладених в основу цієї методики передумов та формул, про що свідчить коефіцієнт варіації СV = 12,52 та значення середнього , близького до одиниці.

Результати дисертаційної роботи прийняті Державним НДІ будівельних конструкцій для використання при розробці норм “Бетонні і залізобетонні конструкції”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Колчунов В.И., Масуд Нур Эддин. Результаты и анализ эксперимен-тальных исследований ширины раскрытия трещин железобетонных элементов // Будівництво України. – 2006. – №2. – С. 38–40.

2. Колчунов В.И., Масуд Нур Эддин. Анализ деформаций бетона на пути движения трещины и на ее берегах вдоль оси растянутой арматуры железобетонных элементов // Будівництво України. – 2006. – №3. – С. 36–38.

3. Колчунов В.И., Масуд Нур Эддин. Методика экспериментальных исследований ширины раскрытия трещин железобетонных элементов // Вісник НАУ. – 2006. – №1(27). – С. 181–183.

4. Колчунов В.І., Масуд Нур Еддін, Котенко О.В. Побудова розрахунку залізобетонних конструкцій з позиції механіки руйнувань // Вісник НАУ. – 2002. – №3. – С. 196–204.

5. Масуд Нур Эддин. Экспериментальные исследования ширины раскрытия нормальных трещин железобетонных элементов // Вестник центрального регионального отделения РААСН. – 2006. – №5. – С. 104–110.

У роботі [4] автором обгрунтовано основні положення теоретичної частини дисертації; у роботах [1-3, 5] приведено методику експериментальних досліджень, основні результати та їх аналіз.

АНОТАЦІЯ

Масуд Нур Еддін. Розрахунок ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій з урахуванням ефекту порушення суцільності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Національний авіаційний університет, Київ, 2006.

Розроблена практична методика розрахунку ширини розкриття тріщин залізобетонних конструкцій, що базується на традиційних передумовах теорії залізобетону та основних положеннях механіки руйнування для врахування ефекту порушення суцільності, що дозволяє помітно наблизити цей найважливіший розрахунковий параметр залізобетонних конструкцій до дійсного, запропонована нова формула для визначення ширини розкриття тріщин.

Проведені експериментальні дослідження і отримані дані, які в значній мірі доповнюють накопичений дослідний матеріал за рахунок: вимірювання ширини розкриття тріщин вздовж всього профілю тріщини, деформацій бетону на берегах тріщини і в зоні передруйнування, перевірці багаторівневого процесу утворення тріщин.

Виконані порівняння і статичний аналіз, які показали достатню точність результатів, отриманих за новою методикою, а також покладених в основу запропонованої методики передумов і формул. Результати дисертаційної роботи прийняті Державним НДІ будівельних конструкцій для використання при розробці норм “Бетонні і залізобетонні конструкції”.

Ключеві слова: залізобетонні конструкції, розкриття тріщин, розрахунок, порушення суцільності, механіка руйнування, двоконсольний елемент.

АННОТАЦИЯ

Масуд Нур Эддин. Расчет ширины раскрытия трещин железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Национальный авиационный университет, Киев, 2006.

Диссертационная работа посвящена разработке способа расчета ширины раскрытия трещин железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности.

В работе обращено внимание на эффект, который проявляется в железобетонном элементе после нарушении сплошности бетона. Для решения основной задачи, поставленной в диссертационной работе, используется двухконсольный элемент, вырезанный методом сечений вместе с трещиной. Податливость двухконсольного элемента и удельная энергия развития трещины связаны между собой зависимостью механики разрушения, записанной применительно к железобетонному элементу. Из этой зависимости отыскиваются касательные силы в окрестности трещины. Таким образом раскрывается статическая неопределимость задачи о возмущении напряженно-деформированного состояния в железобетонном элементе после нарушения сплошности бетона. После этого, с использованием зависимостей сцепления находятся деформации арматуры и бетона в произвольном сечении с координатой х . В основу расчета положены рабочие предпосылки, подтвержденные экспериментом: в качестве расчетного принимается сечение с средней высотой сжатой зоны хm, соответствующей средним деформациям; для средних деформаций растянутой арматуры и сжатого бетона справедлива гипотеза плоских сечений; образование трещин происходит после достижения крайними растянутыми волокнами бетона предельных деформаций; в процессе нагружения выделяется несколько уровней трещинообразования; раскрытие трещин рассматривается как накопление относительных условных сосредоточенных взаимных смещений арматуры и бетона на участках, расположенных по обе стороны от трещины; учитывается депланация бетона в сечении с трещиной в зависимости от расстояния до поверхности контакта с арматурой; учитывается дополнительное деформационное воздействие в трещине, связанное с нарушением сплошности материала.

В результате уточнены и конкретизированы основные зависимости механики разрушения применительно к практическому расчету железобетона, в том числе отлажен двухконсольный элемент для железобетона, применительно к расчету ширины раскрытия трещин, позволяющий связывать новые константы бетона в зоне предразрушения с традиционными параметрами сопротивления железобетона.

Разработаны зависимости для вычисления расчетных параметров напряженно-деформированного состояния сечений стержневых железобетонных элементов и предложена формула для определения ширины раскрытия трещин, базирующаяся на традиционных предпосылках теории железобетона и основных положениях механики разрушения для учета эффекта нарушения сплошности, позволяющая заметно приблизить этот важнейший расчетный параметр железобетонных конструкций к действительному.

Разработана методика экспериментальных исследований ширины раскрытия нормальных трещин стержневых железобетонных элементов, основной особенностью которой является обеспечение возможности замера опытных деформаций бетона на уровне оси арматуры в непосредственной близости от трещины – зоне, где проявляется эффект нарушения сплошности, а также возможности замера опытных характеристик зоны предразрушения с помощью специальной группы электротензорезисторов, установленных по схеме “ловушка” на пути распространения трещины.

Получены экспериментальные данные ширины раскрытия трещин вдоль всего профиля трещины, изменения расстояния между трещинами по мере увеличения нагрузки (c проверкой многоуровневого процесса образования трещин), непрерывной цепочки деформаций рабочей арматуры в трещине и между трещинами, деформаций бетона на берегах трещины и в зоне предразрушения, которые в значительной мере дополняют накопленный экспериментальный материал и дают возможность проверки предлагаемого расчетного аппарата по уточненному определению ширины раскрытия трещин в железобетонных конструкциях с учетом эффекта нарушения сплошности.

Экспериментально установлено, что ширина раскрытия нормальных трещин на уровне оси арматуры в два и более раз меньше, чем на некотором удалении от этой оси, т.е. арматура противодействует раскрытию берегов трещины (возникающие при этом реакции вызывают местное сжатие в бетоне в окрестности трещины – эффект нарушения сплошности); ширина раскрытия трещин увеличивается с ростом деформаций в арматуре, но уменьшается с изменением расстояния между трещинами - увеличение деформаций на 50% уменьшает расстояние между трещинами на 50%; расстояние между трещинами уменьшается с ростом процента армирования; с уменьшением параметров сцепления на 46%, значение аcrc увеличивается на 44%; экспериментальная проверка новых констант бетона (с позиции механики разрушения) и переходных зависимостей при изменении размеров дополнительных образцов по сравнению со стандартными, показала их практическую приемлемость.

Предложенная методика расчета ширины раскрытия трещин стержневых железобетонных элементов с учётом эффекта нарушения сплошности реализована в виде алгоритмов расчета. Выполненные сравнения и статистический анализ показали достаточную точность результатов, полученных по разработанной методике, а также положенных в основу этой методики предпосылок и формул, о чём свидетельствует коэффициент вариации СV = 12,52 и значение среднего Х, близкого к единице.

Результаты диссертационной работы внедрены в Государственный НИИ строительных конструкций для использования при разработке норм “Бетонные и железобетонные конструкции”.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, раскрытие трещин, расчет, нарушение сплошности, механика разрушения, двухконсольный элемент.

АBSTRACT

Masud Nur Eddin. Calculation of width of disclosing of cracks of reinforced concrete structures in view of effect of infringement solid. – Manuscript.

The dissertation for application of scientific degree of the candidate of technical science by speciality 05.23.01 – “Building structures, buildings and constructions”. – National Aviation University, Kyiv, 2006.

The practical method of calculation of width of disclosing of cracks of reinforced concrete structures is developed and based on traditional preconditions of the theory of reinforced concrete and substantive provisions of destruction mechanics for view of effect of infringement solid. Notedly, it allows to approach this major settlement parameter of reinforced concrete structures to valid, the new formula is offered for definition of width of disclosing of cracks.

Experimental researches were conducted and got the data, which to a great extent complement the accumulated experimental material.

Comparisons and the statistical analysis received by the developed technique, which have shown sufficient accuracy of the results, are executed, and also preconditions based to these technique and formulas. Results of dissertational work are introduced into the State Scientific Research Institute of Building Structures for use by development of State Buildings Codes “Concrete and reinforced structures”.

Key words: reinforced concrete structures, disclosing of cracks, calculation, infringement solid, destruction mechanics, two-console element.