МІНІСТЕРСТВО РЕГІОНАЛЬНОГО Розвитку та

БУДІВНИЦТВА УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

(НДІБК) |

Цибульник Юлія Анатоліївна

УДК 624.012.4:691.147

МІЦНІСТЬ І ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ СТАЛЕФіБРОБЕТОННиХ ЕЛЕМЕНТІВ,

ЩО ЗГИНАЮТЬСЯ, АРМОВАНИХ ЕФЕКТИВНИМИ

ВИДАМИ СТАЛЕВОЇ ФІБРИ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Дочірньому підприємстві Донецький ПромбудНДІпроект Державного акціонерного товариства „Будівельна компанія Укрбуд” Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, відділ „Будівельні матеріали”.

Науковий керівник: | Доктор технічних наук, професор

Левін Віктор Матвійович,

Донбаська національна академія

будівництва та архітектури,

завідувач кафедри „Вища і прикладна

математика й інформатика”.

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор

Барашиков Арнольд Якович,

Київський національний університет

будівництва і архітектури,

завідувач кафедри „Залізобетонні та

кам’яні конструкції”;

кандидат технічних наук, доцент

Білозір Віталій Володимирович,

Львівський національний аграрний університет,

доцент кафедри „Будівельні конструкції”

Захист відбудеться "08" липня 2008 г. о 16-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 у Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. І. Клименка, 5/2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій (03680, м. Київ – 37, вул. І. Клименка, 5/2).

Автореферат розісланий "05" червня 2008 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., с.н.с. |

Слюсаренко Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сталефібробетон заслужено зарекомендував себе як матеріал, застосування якого досить ефективне у різних умовах: вплив деяких агресивних середовищ, нагрів, абразивні й ударні впливи, кріплення гірничих виробіток, злітно-посадочні смуги, посилення конструкцій і т.п.

Постійно вдосконалюються відповідні конструктивні рішення, а також види фібри. В Україні створені й виробляються такі нові ефективні види фібри, як фібра хвильова типів URW1050, URW1060, фібра анкерна типу HE1050, фібра плющена типу FE1050.

Актуальність теми. Широкому впровадженню нових ефективних видів української фібри й конструкцій з її застосуванням в Україні й за кордоном перешкоджає відсутність науково обґрунтованих даних про її властивості й методи розрахунку сталефібробетону з урахуванням цих властивостей.

Міцність фібри (особливо це стосується нових її типів) визначається міцністю дроту, з якого вона виробляється, і різними технологічними факторами, обумовленими особливостями її виготовлення й, у першу чергу, взаємодією дроту й робочих органів, формуючих фібру, а також формою самої фібри. Тому широке впровадження нової фібри вимагає урахування впливу технологічних факторів і форми фібри на її міцність. У свою чергу, особливості роботи фібри впливають на механічні властивості сталефібробетону. Таким чином, досить актуальним є проведення досліджень залежності міцності фібри від технологічних факторів і її форми, а так само механічних властивостей сталефібробетону, виготовленого з її застосуванням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного й прикладного емпіричного характеру виконані у рамках держбюджетної теми Державного науково - дослідного інституту будівельних конструкцій (НДІБК), відділу «Теорії й методів розрахунку залізобетонних конструкцій» протягом 01.2003-12.2003 р. «Експериментально-теоретичні дослідження властивостей нових видів арматурних прокатів з метою забезпечення їх провадження в практиці будівництва” та у рамках кафедральної держбюджетної теми Донбаської національної академії будівництва і архітектури (ДонНАБА), кафедра «Залізобетонні конструкції» К-2-11-01 „Розробка методів оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних споруд, що мають дефекти і пошкодження, та тих, що працюють у складних температурних умовах, і методів їх підсилення, включаючи підсилення сталефібробетоном” (держ. реєстр. №0102U003284).

У цих роботах автором досліджені особливості роботи дроту і фібри з урахуванням статистичної оцінки мінливості геометричних і характеристик міцності, запропонована методика дослідження впливу основних технологічних факторів на дріт при виготовленні фібри.

Ціль досліджень – одержати експериментальні дані для уточнення методу розрахунку міцності і тріщиностійкості по нормальних перетинах сталефібробетонних елементів, що згинаються, армованими ефективними видами сталевої фібри.

Задачі досліджень:

1)

2)

3)

4)

5)

6)

Об'єкт дослідження – сталеві фібри нових ефективних типів; стандартні сталефібробетонні елементи, що згинаються, армовані ефективними видами сталевої фібри.

Предмет дослідження - напружений стан, прогини й розкриття тріщин сталефібробетонних елементів, що згинаються, армованих ефективними видами сталевої фібри.

Методи дослідження

1. Методи математичного моделювання.

2. Експериментальні методи дослідження напруженого стану.

3. Загальні методи опору матеріалів.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

-

-

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів:

1.

2.

3.

Апробація роботи. Основні положення дисертації були представлені й обговорені на наукових конференціях: на міжнародній науково - практичній конференції «Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології» (Макіївка 2003р.) Донбаської національної академії будівництва і архітектури, на науково-технічному семінарі «Нові будівельні технології, матеріали і конструкції на основі сталефібробетону» (м. Донецьк - м. Харцизськ – 2002 р.). У повному обсязі дисертація викладена й обговорена на науково-технічному семінарі кафедри «Залізобетонні конструкції» ДонНАБА.

Особистий внесок здобувача:

- експериментальні дані про вплив основних технологічних факторів при виготовленні сталевої фібри – згину, плющення й вм'ятин на її міцність на розтяг;

- статистичні оцінки мінливості основних геометричних параметрів і міцності на розтяг досліджуваних видів сталевої фібри;

- удосконалення методики випробувань сталефібробетонних елементів, що згинаються;

- експериментальні дані про міцність і тріщиностійкість сталефібробетонних елементів, що згинаються, армованими ефективними видами сталевої фібри;

- експериментальні дані щодо напруженого стану сталефібробетонних елементів, що згинаються, у стадіях утворення, розкриття тріщин і у стадії вичерпання несучої здатності;

- методика дослідження механічних характеристик сталевої фібри й дроту з урахуванням дефектів виготовлення;

- методика експериментальних досліджень сталефібробетонних елементів, що згинаються, із заданим законом деформування;

- розробка й впровадження у виробництво сталевої фібри проектних пропозицій щодо поліпшення якості сталевої фібри на ВАТ „Сілур” у м. Харцизську; рекомендації з розрахунку міцності й тріщиностійкості були використані при улаштуванні підлог у цеху металокорду на ВАТ „Сілур” у м. Харцизську та у цеху ЕСПЦ Новокраматорського машинобудівного заводу.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковані у 5 наукових працях, з яких 5 опубліковані у фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести глав, основних висновків, списку використаних джерел (164 найменувань) і додатків. Робота викладена на 216 сторінках машинописного тексту, у тому числі 117 сторінок основного тексту, 14 сторінок списку літератури, 19 повних сторінок з малюнками і таблицями, 66 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто об'єкт і предмет досліджень - стандартні сталефібробетонні елементи, що згинаються, армовані ефективними видами сталевої фібри, напружений стан, прогини й розкриття тріщин, сталефібробетонних елементів, що згинаються, армованими ефективними видами сталевої фібри. Сформульовані актуальність, мету й задачі досліджень, наукову новизну роботи, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, структуру й обсяг дисертації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан питання - структура, властивості міцності й деформативні властивості сталефібробетону, наведений досвід дослідження й застосування сталефібробетону.

Описано області ефективного застосування сталефібробетону (споруди, що піддаються динамічним впливам: площадки для запуску ракет, дорожні й аеродромні покриття, проїзні частини мостів, мостові конструкції, підлоги промислових будівель, берегоукріплювальні споруди, хвилелами, вантажні покриття портових причалів, пальові фундаменти, приміщення підвищеної надійності); споруди спеціального призначення (тюбінги для колекторних тунелів, корпуси суден, корпуси реакторів, склади вибухових речовин, напірні труби, опори контактної мережі); тонкостінні просторові конструкції; опірні вузли попередньо напружених конструкцій; сейсмостійкі будівлі й споруди; конструкції огороджувальні, тонкі тришарові лицювальні плити, сходові марші, елементи гаражів-стоянок; вироби складної конфігурації.

У Радянському Союзі, а потім Російський Федерації основу знань про сталефібробетон (СФБ) сформували вітчизняні вчені: Кравинскис В.К., Кричевський О.П., Курбатов Л.Г., Лобанов І.А., Рабинович Ф.М., Романов В. П., Хайдуков Г.К. та ін.

Дослідженнями властивостей композита - СФБ і розробкою теорії розрахунків СФБКСФЗБК) займалися: Арончик В.Б, Барашиков А.Я, Білозір В.В., Боровских М.М., Волков І.В., Вилекжанін В.П., Гетун Г.В., Григор'єв В.І., Журавський О.Д., Кричевський О.П., Кричевський С.О., Косарев В.М., Лисенко Е.Ф., Соломін В.І., Цибульник І.О., Хегай О.М., Янкелович Ф.Ц. та ін.

Виробництву й дослідженням сталевої фібри присвятили свої роботи Гофштейн Ф.А., Єрмилов Е.І., Попов В.І., Пишмінцев А.Ю., Шабловский Е.А., Цивьян Б.М., та ін.

Серед закордонних вчених необхідно назвати такі імена, як Batson G.B., Carson I.L., Chen W.F., Gordon, Mandel I.A., HannantKelly B., Kordina K., Mangat P.S., Marsden W.A., Naaman A.E., RomualdiRuffert G., Swamy R.N., та ін.

У роботі Е.Ф. Лисенко, Г.В. Гетун розглянуті питання розрахунку сталефібробетонних елементів по граничних станах першої й другої групи, та сформульовані вихідні гіпотези:

1. напруження в стиснутій зоні розподілені за законом прямокутника або трикутника;

2. напруження в розтягнутій зоні розподілені за законом прямокутника;

3. розрахункові опори сталефібробетону на стиск визначені залежно від: міцності бетону і фібрової арматури, а також особливостей роботи фібр у перетині, ефективності непрямого армування, об'ємного армування, а на розтяг ще і від мінімальної довжини забивання фібр у бетон, діаметра й довжини фібр, характеристики зчеплення фібри з бетоном, орієнтації фібр і розмірів перетину елемента й фібр.

Існує протиріччя між формою діаграми « напруження – деформації», що має спадну гілку, й прямокутною епюрою напружень у розтягнутій зоні. Це протиріччя вимагає уточнення вихідних положень розрахунку.

На основі вивчення стану питання обрано напрямок досліджень; сформульовано мету й задачі досліджень.

У другому розділі викладені загальна методика досліджень, методики експериментальних досліджень міцності і впливи дефектів сталевої фібри й дроту, сталефібробетонних елементів з використанням пружного кондуктора.

Методика дослідження розподілу міцності хвильової фібри типу URW ) передбачала визначення міцності дроту й фібри, статистичних оцінок параметрів їхнього розподілу й відповідних довірчих інтервалів.

Методика дослідження впливу вм'ятин анкерної фібри типу HE передбачала визначення розмірів вм'ятин і статистичних оцінок параметрів їхнього розподілу. За цими даними визначалися статистичні оцінки розподілу залишкової площі ослабленого поперечного переріза.

Методика випробування сталефібробетонних елементів на вигин передбачала: побудову діаграм „навантаження - прогин”, „навантаження - ширина розкриття тріщин” і „напруження - деформації” для розтягнутої зони сталефібробетону. Із цією метою було намічено завантажувати експериментальні зразки, що згинаються, за допомогою спеціально розробленого й виготовленого (рис. 1) випробувального стенду.

Рис. 1. Випробувальний стенд для дослідження сталефібробетонних елементів, що згинаються, на розтяг при згині за методикою Rilem TC - TDF 162

Цей стенд повинен забезпечувати можливість покрокового зростання навантаження до точки максимуму зазначених діаграм, а також плавне регульоване зниження навантаження після цієї точки, це досягалося використанням оттарованного пружного кондуктора, що сприймає необхідну частку загального навантаження. Методика передбачає випробування сталефібробетонних елементів, що згинаються, з надрізом. Цей надріз фіксує місце утворення тріщини. Зазначені елементи випробовуються, як балка на двох опорах, навантажена силою по середині прольоту.

Випробувальний стенд (рис. 1) складається з: замкнутої металевої рами, розташованої вертикально), усередині котрої розташовується сталефібробетонний зразок), кондуктор) і навантажувальний пристрій (4-7). Цей пристрій складається із пружини (4), гідравлічного домкрату (5) , динамометра (6) і траверси), розташованих послідовно на одній вертикальній осі.

Навантаження від траверси передається одночасно на сталефібробетонний елемент, що згинається, і на металевий кондуктор, розташовуваний паралельно елементу, що згинається. Під час деформування зразку на спадній гілці діаграми кондуктор продовжує працювати пружно, і загальне навантаження на систему „зразок – кондуктор” зростає, коли навантаження на зразок зменшується. Завдяки цьому зберігається можливість регулювання процесу деформування зразка на всьому етапі реалізації спадної гілки. Навантаження від сталефібробетонного елементу, що згинається, і від кондуктора потім передаються на нижній ригель рами установки у місцях розташування опор елемента, що згинається, і кондуктора. Плавне, регульоване підвищення навантаження й підтримка сталості навантаження на період зняття відрахунків на етапі забезпечується наявністю в ланцюзі пристрою, що навантажує, гідравлічного домкрату й пружини, розташованих послідовно.

У результаті досліджень будують діаграми, зазначені вище, й описують залежності координат їхніх характерних точок від типу фібри, її міцності й кількості у бетоні й від міцності бетону.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень ефективних типів фібри: URW 1050(60), HE 1050. Отримано емпіричні розподіли вихідної міцності дроту й міцності фібри, наведених у вигляді гістограм рис. 2.

Були підібрані теоретичні розподіли, що апроксимують емпіричні дані з міцності (нормальний розподіл) і геометричних параметрів: глибини дефекту (експонентний розподіл). Для хвильової фібри типу URW ) - довжини фібри, висоти хвилі, діаметра фібри, міцності фібри й міцності дроту. Для анкерної фібри типу НЕ1050 - довжини фібри, висоти гака анкерної фібри, діаметра фібри, діаметра похилої частини з одного боку фібри, діаметра похилої частини з іншого боку фібри, міцності фібри й міцності дроту. Для плющеної фібри типу FЕ1050 - довжини фібри, довжини розплющеної лопатки й перехідної частини з одного боку фібри, довжини розплющеної лопатки й перехідної частини з іншого боку фібри, ширини розплющеної лопатки з одного боку фібри, ширини розплющеної лопатки з іншого боку фібри, діаметра плющення середньої частини фібри, міцності фібри й міцності дроту.

При дослідженні впливу згину на міцність були отримані емпіричні розподіли для призначеного радіуса згину. Була виявлена кореляція між міцністю й радіусом згину, що має вигляд: для дроту високої міцності (1450МПа):

y=-21,29x+279,46 | (1)

для дроту низької міцності (1200 МПа):

y=-38,168x+208,23 | (2)

Розрахункове значення для призначення розрахункового опору фібри визначаємо з умови, що 95% фібри буде мати більше значення, ниж . У результаті експериментальної оцінки розподілу була отримана функція, що апроксимує щільність розподілу у вигляді ; зазначена умова буде мати вигляд: |

(3)

У формулі 3: - задана забезпеченість розрахункового значення залишкової площі (приймаємо в даній роботі =0,95); А – вихідна площа нормального перерізу дроту.

а)

б)

в)

Рис. 2. Приклади гістограм для хвильової фібри типу URW , за один місяць

а) діаметр дроту, мм; б) довжина фібри, мм; в) міцність фібри, МПа.

За результами статистичної обробки були отримані параметри емпіричних розподілів геометричних характеристик і характеристик міцності за періоди один місяць і один рік, у процесі обробки по кожній вимірюваній величині були обчислені середнє арифметичне й середньоквадратичне відхилення вибірки, найбільші та найменші вибіркові значення. На рис.2 і у табл. 1, як приклад, наведені експериментальні та теоретичні гістограми розподілення найбільш випадкових параметрів фібри.

Таблиця 1

Параметри розподілу геометричних характеристик і характеристик міцності

фібри хвильової URW1050 по даним за один місяць

Фібра URW 1050

Параметри | Кільк.

зразків, шт. | Середнє значення | Виб.середнекв. відхилення | Макс.

значення | Мінім. значення

Lf міс | 172 | 48,812 | 0,4759 | 50,0 | 47,5

hw міс | 172 | 2,149 | 0,0971 | 2,30 | 2,00

df міс | 55 | 0,996 | 0,0161 | 1,02 | 0,95

др міс | 124 | 1344,758 | 124,0736 | 1770 | 1150

ф міс | 171 | 1171,632 | 90,0459 | 1470 | 920

У таблиці 1: Lf – довжина фібри, мм; hw – висота хвилі фібри, мм; df – діаметр фібри, мм; др - міцність дроту, МПа; ф - міцність фібри, МПа.

Виявлено дефекти на зразках хвильової (рис. 3, а) й анкерної фібри (рис. 3, б):

а) | б)

Рис. 3. Характерні дефекти для кожного виду фібри, досліджуваного у роботі;

а) дефекти на фібрі типу URW1050, вид зверху й збоку: а – ширина дефекту, мм; L1 – довжина дефекту 1, мм; L2 – відстань між дефектами, мм; L3–довжина дефекту 2, мм; - глибина дефекту, мм;

б) дефекти на фібрі типу HE1050, вид зверху й збоку: a1 – ширина дефекту 1, мм; a2 – ширина дефекту 2, мм; L1 – довжина дефекту 1, мм; L2 - довжина дефекту 2, мм; - глибина дефекту, мм.

Як видно з рис. 3 під гребенем хвилі дефекти у вигляді вм'ятин отримані при виготовленні фібри. Форма дефектів чітко виражена - це або дві-три короткі вм'ятини довжиною 0,3 – 0,5 мм через 0,1 – 0,7 мм або одна довга довжиною 0,5 – 2,0 мм, глибиною 0,01 - 0,04 мм.

Розрахунковим шляхом було встановлено: дефекти зменшують площу поперечного переріза, тим самим знижують міцність на 8-16%.

Аналіз цих результатів дозволяє визначити відповідні понижувальні коефіцієнти.

Були виконані дослідження впливу висоти хвилі фібри URW1050(60) на її міцність. Статистична обробка результатів дослідження дозволила встановити для кожної висоти хвилі математичне очікування міцності фібри й довірчий інтервал для довірчої імовірності 0,95% (рис. 4, 5).

Рис. 4. Статистичний аналіз залежності міцності фібри від висоти хвилі для фібри типу URW 1050. | Рис. 5. Статистичний аналіз залежності міцності фібри від висоти хвилі для фібри типу URW 1060.

Залежність міцності фібри URW1050(60), від висоти хвилі визначається рівнянням регресії, (довірча область із імовірністю 0,95), що наведена на рис. 4, 5:

Rf=a-b*hw | (4)

Тут - міцність фібри, МПа; , – коефіцієнти, що дорівнюють: для фібри URW1050 =1210,709; =110,845, для фібри URW1060 =1537,461; =138,814; - висота хвилі фібри, мм.

Було досліджено міцності фібри від радіусу згинання (цей радіус та висота хвилі змінюються незалежно). В результаті було одержано дані, що наведено у табл. 2.

Таблиця 2

Поправочний коефіцієнт на радіус згину

r, мм | 1,0 | 2,5 | 3,5 | 4,5

міцн. дроту 1450МПа | 0,831 | 0,840 | 0,872 | 0,875 | 1,000

міцн. дроту 1200МПа | 0,864 | 0,899 | 0,956 | 0,963 | 1,000

Для анкерної фібри визначали глибину дефекту й площу залишкового перерізу. Результати експериментальних досліджень представлені у вигляді гістограм на рис. 6, 7:

Рис. 6. Розподіл глибини дефектів  для фібри типу HE1050. | Рис. 7. Розподіл залишкових значень площі перерізу.

Для глибини дефектів анкерної фібри типу HE1050 досліджували розподіл, будували гістограму дефектів (глибини вм'ятин) і виконали підбір відповідної функції щільності розподілу наведеної на рис. 6. Як можна побачити з цього рисунка, найбільш наближеним розподілом є експонента. Щільність розподілу глибини дефекту описують рівнянням:

N=f()=j*e-k | (5)

де: f()- щільність розподілу , N - кількість випадків з завданим ; – глибина дефекту, мм; j, k - коефіцієнти; j = 59,156; k = 23,995.

Для визначення площі залишкового перерізу фібри HE1050 досліджували розподіл, побудували гістограму Aзал й виконали підбір відповідної функції щільності розподілу наведеної на рис. 7. Як можна побачити з цього рисунка, найбільш наближеним розподілом є експонента, при цьому функція площі залишкового перерізу фібри задана співвідношенням: f (Aзал)=0,8- Aзал.

Щільність розподілу площі залишкового перерізу фібри описують рівнянням:

NA = g(0,8-Aост) =j0 * e-k0 (0,8-Aост); | (6)

де: f (Aзал) – щільність розподілу Aзал, NA - - кількість випадків с завданим Aзал, Aзал – площа залишкового перерізу; j0, k 0 - коефіцієнти; j0 = 16; j0, k 0 = 25,661.

Як приклад, можна навести дані щодо міцності фібри різних типів (табл. 3).

Таблиця 3

Зіставлення міцності фібри різних типів

Типи фібри | Параметри міцності

Среднє

значення | Виб.середнекв. відхилення | Найбільше

значення | Найменше

значення

URW 1050 | 1171,632 | 90,0459 | 1470 | 920

URW 1060 | 1324,686 | 68,1229 | 1470 | 1170

HE 1050 | 1262,179 | 63,0161 | 1570 | 1015

FE 1050 | 1145,116 | 54,6225 | 1310 | 980

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень зразків сталефібробенонних елементів на згин.

Рис. 8. Діаграми „навантаження - прогин” для зразків 1-6, серії 0. | Рис. 9. Діаграми „навантаження – ширина розкриття тріщин” для зразків 1-6, серії 0.

Рис. 10. Усереднена по серії діаграма „напруження – деформації” для зразків 1-6, серії 0. | Рис. 11. Залежність напружень від кількості фібри у бетоні.

Отримані результати згруповані. За згрупованими результатами залежно від зміни одного фактору (кількості фібри або міцності бетону на стиск) отримані діаграми, наведені на рис. 11.

Ці дослідження виконувались на випробувальному стенді, який було розроблено та виготовлено спеціально для даної роботи (рис. 1). Він дозволив одержати, як висхідну, так і спадну гілки діаграм „навантаження - прогин” (рис. 8), „навантаження – ширина розкриття тріщин” (рис. 9), а на іх основі діаграми „напруження - деформації” (рис. 10).

Під час дослідження варіювались міцність сталефібробетону, кількості фібри, а також її тип. Це дало можливість одержати графіки „розрахунковий опір - кількість фібри у бетоні” (рис.11) для різної кількості фібри та міцності бетону на стиск та відповідні розрахункові параметри для цих умов.

У п’ятому розділі представлені рекомендації до розрахунку на міцність сталефібробетонних елементів, що згинаються

Рис. 12. Розрахункова схема зусиль у нормальному перерізі сталефібробетонної балки при трапецієподібній епюрі напружень у розтягнутій фібрі.

Наведено розрахункову схему зусиль у нормальному перерізі сталефібробетонної балки при трапецієподібній епюрі напружень у розтягнутій фібрі (рис.12), врахований вплив кількості фібри у перерізі. Розрахункові характеристики сталефібробетону та фібри визначаються з урахуванням данних розділів 3 і 4. Запропоновано рекомендації щодо розрахунку нормальних перерізів елементів, що працюють на згин.

Розрахунок нормального перерізу рекомендовано виконувати виходячи з запропонованої схеми зусиль у перерізі (пружна робота сталефібробетону у стиснутій зоні; пружно – пластична – у розтягнутій зоні, з якої виключається ділянка, на якій деформація перевищує рівень умовного руйнування) та допущення про те, що в граничному стані висота стиснутої зони дорівнює 0,1 висоти перерізу. Якщо виконується порівняння розрахункових та експериментальних даних, методикою передбачено приймати на кожній ділянці перерізу фактичну кількість фібр, розташованих на ній. Розрахункові характеристики сталефібробетону визнаються з урахуванням даних розділів 3 і 4 за формулами 7, 8.

Розрахунковий опір фібри визначається:

Rfn = Rпр * kpl*kd | (7)

де: Rfn - розрахунковий опір фібри, МПа; Rпр - опір дроту, МПа; kpl - поправочний коефіцієнт, що враховує вплив пластичних деформацій на міцність фібри (радіус згину); kd - поправочний коефіцієнт, що враховує вплив дефектів на міцність фібри.

Для хвильової фібри Rпр помножують також на поправочний коефіцієнт khw, що враховує висоту хвилі.

Згинальний момент, що діє в перерізі із тріщиною в граничному стані балки (щодо центра ваги епюри напруг у стиснутому сталефібробетоні) визначають по формулі:

M=P4f * L / 4 | (8)

де: P4f - навантаження в точці розкриття тріщини acrc=3,5мм, приймається з діаграми «навантаження – ширина розкриття тріщин» у кН; - проліт сталефібробетонного зразка, мм.

До розрахунку моменту утворення тріщин. Як виходить з діаграми „напруження - деформації” для сталефібробетону, на ділянці точка 0 – точка max вона має майже прямолінійний вигляд, тому для аналізу умови утворення тріщин можна прийняти, що елемент працює подібно пружному елементу. Тоді:

M=Rsfb max*W | (9)

де: Rsfb max - розрахунковий опір сталефібробетону на розтяг при розрахунку по утворенню тріщин; W - пружний момент опору перерізу. Для прямокутного перерізу: W =b *2 /6; де: b, h - ширина та висота перерізу.

Якщо виконати дослідження на обладнанні з автоматичним керуванням процесом деформування зразку, можна уточнити рекомендації з визначення W pl, з урахуванням непружної роботи сталефібробетону в розтягнутій зоні.

У шостому розділі описані приклади впровадження отриманих результатів.

Приклад 1. Впровадження результатів роботи здійснювали при проектуванні і виконанні сталефібробетонних підлог у цеху ЕСПЦ Новокраматорського машинобудівного заводу.

Результати досліджень використані при проектуванні і зведенні підлог цеху ЕСПЦ Новокраматорського машинобудівного заводу. Підлога розрахована на тиск від прокладок для валків прокатних станів.

Наведені результати розрахунку, епюри згинальних моментів для верхнього і нижнього волокон підлоги при різних стадіях роботи сталефібробетонного полу під навантаженням. Зіставлення розрахункових граничних навантажень показує, що урахування упругопластичної роботи сталефібробетону і тріщиноутворювання дає підвищення розрахункової несучої здатності в 2,5 рази у порівнянні з розрахунком по пружній стадії. У роботі описаний склад, технологія улаштування підлоги, а також устаткування. Дано рекомендації з улаштування підлог.

Приклад 2. З використанням рекомендацій щодо розрахунку міцності і тріщиностійкості була запроектована і виконана монолітна сталефібробетонна підлога (рис.13) у цеху металокорду Харцизського заводу «Сілур». |

Забетоновано смугу підлоги шириною три метри між верстатами в місцях проїзду транспорту, у місці, найбільш підданому динамічним впливам, і довжиною L = 60 м. Шви бетонування влаштовували через кожні три метри. Розрахунок виконували аналогічно прикладу 1.

Рис. 13. Фрагмент підлоги цеху металокорду м. Харцизськ ВАТ «Сілур»

Приклад 3. На ВАТ «Сілур» автором виконані статистичні дослідження фактичних геометричних параметрів і параметрів міцності фібри, яку там виготовляють, а також параметрів її дефектів. На основі результатів цих досліджень здійснене оперативне коректування настроювання і заміна робочих органів верстатів для виготовлення фібри. Отримано характер впливу основних видів технологічних процесів на властивості дроту при виготовленні фібри: згину і плющення (у т.ч. вм'ятин) при міцності на розтяг сталевої фібри. Встановлена статистична оцінка розкиду основних геометричних параметрів міцності і деформацій розтягу досліджуваних видів сталевої фібри, що дозволяє оцінити однорідність сталевої фібри. Оперативне коректування при настроюванні і заміна робочих органів верстатів дозволяють збільшити міцність фібри з 980 МПа до 1400 МПа при міцності дроту 1450 МПа для фібри типу URW1060. Для дроту нижчої міцності 1200 МПа для фібри типу URW1050 результати досліджень дають можливість збільшити міцність фібри з 860 МПа до 1080 МПа.

ОСНОВНІ ВИсновки

У роботі отримані експериментальні дані, необхідні для розрахунку міцності й тріщиностійкості нормальних перерізів сталефібробетонних елементів, що згинаються, армованих новими ефективними видами сталевої фібри. Зазначені дані дозволяють уточнити метод розрахунку й раціонально використати нові види сталевої фібри.

1. Досліджено вплив основних технологічних факторів при міцності на розтяг на сталевої фібри й установлені кількісні оцінки цього впливу. Так, дефекти, обумовлені впливом робочого органу верстата, викликають зниження міцності фібри у порівнянні з міцністю вихідного дроту величиною до 3,8-16,9%; утворення пластичних зон при згині дроту приводить до зниження міцності фібри при її високій міцності на 13,1-17,2%, при низькій міцності на 3,8-14,2%.

2. Розроблено рекомендації з визначення міцності сталефібробетону на розтяг з урахуванням коефіцієнтів впливу дефектів і впливу радіуса згину фібри.

3. Розроблена й обґрунтована методика випробування сталефібробетонних елементів, що згинаються. Виявлені у процесі цих випробувань величини міцності сталефібробетону розтяг при згині перебувають у межах 20-25 МПа залежно від виду й міцності фібри, її кількості у бетоні й міцності сталефібробетону. Запропоновані значення відповідних розрахункових опорів сталефібробетону.

4. Установлено залежності, що описують вплив кількості фібри й класу бетону на навантаження в різних характерних точках діаграми деформування, зокрема, при зміні кількості фібри від 25 до 50 кг/м3 відносна величина навантаження у точці розкриття тріщини мм змінюється від 0,21 до 0,38; при зміні класу бетону навантаження у точці розкриття тріщини мм для бетону високого класу змінюються від 0,15 до 0,24; для бетону в ранньому віці (низький клас бетону) - змінюються від 0,19 до 0,33.

5. Установлено дані по тріщиностійкості сталефібробетонних елементів, армованих ефективними видами сталевої фібри, і дані рекомендації з їхнього вибору. Якщо визначальним фактором є утворення тріщини, доцільно застосовувати фібру типів URW1060(50) і HE1050; аналогічне положення має місце, якщо визначальною є характерна точка розкриття тріщини мм . Якщо визначальною є характерна точка розкриття тріщини мм (розрахунок по міцності), то при кількості фібри 25 кг/м3 і більш висока несуча здатність забезпечується фібрами HE1050 або FE1050; для цієї ж точки при кількості фібри 50 кг/м3 доцільне застосування фібр FE1050 і URW1050.

6. Максимальні напруження в сталефібробетоні в характерних точках діаграми «напруження – клас бетону» у загальному випадку залежать від кількості фібри й міцності сталефібробетону: при кількості фібри 25 кг/м3 при підвищенні класу бетону від В10 до В50 вони збільшуються приблизно на 32% - 55%; при її кількості 50 кг/м3 вони збільшуються більшою мірою - на 53% - 62%.

7. Отримано дані про недостатню ефективність деяких видів фібри (тип FE).

8. Отримані результати, впроваджені на ВАТ «Сілур», дозволили підвищити в 1,43 рази (для фібри URW1060 із дроту міцності 1450 МПа) і в 1,26 раз (для фібри URW1050 із дроту міцності 1200 МПа) міцність фібри, яку випускають заводи, а також виконати сталефібробетонні підлоги на ЕСПЦ НКМЗ і на ВАТ «Сілур». Ці підлоги експлуатуються з 2001 р. – 2003 р. по теперішній час і не мають дефектів і ушкоджень.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ:

1. А.П. Кричевский, С.В. Кулаков, Ю.А. Цибульник. Новая конструкция полов промышленных зданий на основе сталефибробетона. // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ОООЛебедь" – 2002. , том II - с. 48 - 53.

2. Ю. А. Цибульник. Определение прочностных характеристик сталефибробетона на растяжение при изгибе путем испытания стандартных балок (установка для испытания сталефибробетонных балок на растяжение при изгибе, методика, результаты испытаний) // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. – Макеевка: ДГАСА. – 2003. вып. 2003-2(39). – с. 247 - 250.

3. Ю.А. Цибульник. Прочность на растяжение стальной фибры волнистого очертания // Строительные конструкции. Межведомственный научно-технический сборник. - Киев, НИИСК: - 2003, вып. 58. – с.96 – 101.

4. С.В. Кулаков, Ю.А. Цибульник. Посилення конструкцій бетоном або сталефібробетоном. // Будівництво України. - К.– 2004. – Вип.. 1ґ2004. - С.19 - 21.

5. Кричевский А.П., Цибульник Ю.А. О напряженно-деформированном состоянии сталефибробетонных балок в стадии разрушения. // Современные проблемы строительства. - Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, ОООЛебедь". – 2006. - №4(9) с. 266 – 272.

Особистий внесок автора в цих публікаціях:

У статті [1] автором виконане дослідження сталевої фібри застосовуваної для сталефібробетонної підлоги, визначені характеристики міцності підлоги, у [2] частковий внесок автора в проектування, виготовлення й налагодження установки, складена методика проведення експериментів, отримані перші результати по випробуванню стандартних сталефібробетонних балок на розтяг при згині, проведено порівняння отриманих результатів з досвідом накопиченим іншими авторами, у [3] проведені візуально-оптичні дослідження хвильової фібри, накопичені й проаналізовані дефектні відомості, проведені експериментальні дослідження на зразках фібри й дроту на розтяг й на підставі результатів експериментальних досліджень запропоновані рекомендації із проведення досліджень на зразках фібри, у [4] зібрана й оброблена експериментальна інформація з посилення конструкції дрібноштучних плит ГІСС, представлені результати у графічному вигляді, у [5] запропонований підхід, який дозволяє визначати напруги в розтягнутій фібрі й у стиснутому бетоні у граничному стані для сталефібробетонних елементів, представлений розвиток методики стандартних випробувань сталефібробетонних елементів з експериментальним обґрунтуванням методики.

АНОТАЦІЯ

Цибульник Юлія Анатоліївна. Міцність і тріщиностійкість сталефібробетонних елементів, що згинаються, армованих ефективними видами сталевої фібри. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, Київ, 2008.

Робота присвячена дослідженню факторів, що впливають на міцність і тріщиностійкість сталефібробетонних елементів - балок, що згинаються, армованих ефективними видами сталевої фібри. При дослідженні сталевої фібри вивчалися розподіли геометричних параметрів та параметрів міцності фібри і дефектів у ній, а також вплив цих параметрів на міцність фібри, вивчалися деформативні властивості та властивості міцності сталефібробетону шляхом іспиту на спеціально розробленому стенді, стандартних зразків передбачених методикою Rilem.

Ключові слова: сталева фібра, стандартні сталефібробетонні балки-зразки, напружений стан, міцність на розтяг при згині, діаграми деформування сталефібробетону, характерні точки діаграми деформування, сталефібробетонні підлоги.

АННОТАЦИЯ

Цибульник Юлия Анатольевна. Прочность и трещиностойкость сталефибробетонных изгибаемых элементов, армированных эффективными видами стальной фибры. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций Министерства регионального развития и строительства Украины, Киев, 2008.

Работа посвящена исследованию факторов, влияющих на прочность и трещиностойкость изгибаемых сталефибробетонных элементов - балок, армированных эффективными видами стальной фибры.

При исследовании стальной фибры изучались распределения геометрических и прочностных параметров фибры и дефектов в ней, а также влияние этих параметров на прочность фибры, изучались деформативные и прочностные свойства сталефибробетона путем испытания на специально разработанном стенде, стандартных образцов предусмотренных методикой Rilem.

Разработана методика статистического распределения прочности проволоки и фибры, установлена связь между геометрическими и прочностными параметрами.

Разработаны рекомендации по определению расчетных сопротивлений фибры с определением поправочных коэффициентов для учета радиуса гиба и учета влияния дефектов изготовления, описаны примеры результатов внедрения исследований.

Разработаны методики исследования влияния технологических факторов на прочность фибры, методика статистического анализа параметров дефектов, возникающих при изготовлении фибры, методика определения прочностных и деформативных характеристик сталефибробетона путем испытания стандартных образцов-балок с надрезом в соответствии с рекомендациями Rilem.

Проведены экспериментальные исследования изгибаемых сталефибробетонных элементов, в результате которых получены диаграммы “нагрузка - прогиб“, “нагрузка – ширина раскрытия трещин“ “напряжение - деформации“. Данные проанализированы и обобщены по сериям.

Установлены зависимости влияния содержания фибры и класса бетона на напряжения в различных точках диаграммы деформирования.

Результаты работы использованы: на основе полученных данных разработаны и внедрены в производство стальной фибры на ОАО „Силур” в г. Харцызске, а рекомендации по расчету прочности и трещиностойкости были использованы при устройстве полов в цехе металлокорда на ОАО „Силур” в г. Харцызске и в цехе ЭСПЦ Новокраматорского машиностроительного завода.

Ключевые слова: стальная фибра, стандартные сталефибробетонные балки-образцы, напряженное состояние, прочность на растяжение при изгибе, диаграммы деформирования сталефибробетона, характерные точки диаграммы деформирования сталефибробетона, сталефибробетонные полы.

THE SUMMARY

Tsybulnyk Y. Strength and crackresistance of steelfiberconcrete members reinforced by effective kinds of steel fiber. - Manuscript.

The Thesis for Engineering Sciences Candidate’s Degree Competition Speciality 05.23.01 – Engineering Structures, Building and Constructions. - The Research Institute of Building Constructions of the Ministry of Regional Development and Construction of Ukraine, Kyiv, 2008.

The work is devoted to the research of the factors affecting on strength and crackresistence of the heaving steelfibreconcrete members that are beams reinforced by the effective types of steel fibre. When fibre being researched the distributions of geometrical and strengthening parameters of fibre and its defects as well as the influence of this parameters on fibre strength were studied, deformative and strength characteristics of steelfibreconcrete by means of testing the standard models provided by the Rilem method on a specially designed test bench. The recommendations on determination of calculated fibre resistances are developed, samples of the results induced by application of the researches.

Key words: steel fibre, standard steelfibreconcrete beams - samples intense condition, stress condition, deformation diagram of steelfibreconcrete, characteristic points of the deformation diagram of steelfibreconcrete, steelfibreconcrete floors.

Дата захисту: | 08.07.2008 р.

Час захисту: | 16-00

Дата розсилання автореферату: | 05.06.2008 р.