64337

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПРИ РІЗНИХ ШВИДКОСТЯХ НАВАНТАЖЕННЯ В УМОВАХ НАГРІВАННЯ ДО +200 С

Автореферат

Архитектура, проектирование и строительство

Для бетону в умовах підвищених температур істотним чинником є температурне старіння що проявляється в значній кількісній зміні характеристик механічних і реологічних властивостей при збільшенні тривалості навантаження і нагрівання.

Украинкский

2014-07-05

394.5 KB

2 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 13

ДОНБАСЬКА  НАЦІОНАЛЬНА  АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА  І  АРХІТЕКТУРи

ДМИТРЕНКО  ЄВГЕН  АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 624.012.45

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН

 ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ
при РІЗНИХ ШВИДКОСТЯХ НАВАНТАЖЕННЯ  
В  УМОВАХ  НАГРІВАННЯ  ДО +200
с

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і    архітектури Міністерства освіти і науки України (м. Макіївка) на кафедрі залізобетонних конструкцій.

Науковий керівник –

доктор технічних наук, професор

Корсун Володимир Іванович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри залізобетонних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Фомін Станіслав Леонідович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій;

кандидат технічних наук, професор

Веретенников Віталій Іванович, Макіївський економіко-гуманітарний інститут, ректор.

Захист відбудеться  "  16  "  вересня  2010 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д| 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус №1, зала засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий  "         "                             2010 р.

 

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Я.В. Назім


ЗАГАЛЬНА  ХАРАКТЕРИСТИКА  РОБОТИ

Актуальність теми. Для більшості залізобетонних конструкцій будівель і споруд на етапах зведення і наступної експлуатації характерно, як правило, поступове прикладення силових і температурних дій, при цьому швидкості силового і температурного навантажень можуть не співпадати. Для бетону в умовах підвищених температур істотним чинником є температурне старіння, що проявляється в значній кількісній зміні характеристик механічних і реологічних властивостей при збільшенні тривалості навантаження і нагрівання.

Тривале нерівномірне нагрівання залізобетонних конструкцій супроводжується зміною в часі їх напруженого стану, перерозподілом напружень між бетоном і арматурою, а також між окремими конструктивними елементами в статично невизначених системах. Урахування закономірностей непружного деформування бетону необхідно для точнішої оцінки напружено-деформованого стану (НДС) залізобетонних конструкцій, що працюють в умовах сумісних силових і температурно-вологісних впливів різної тривалості. Існуючі методи розрахунку залізобетонних конструкцій не повною мірою враховують вплив режимів силового і температурного навантажень на НДС конструкцій будівель і споруд внаслідок недостатньої вивченості впливу названих чинників на характеристики міцністі і деформаційних властивистей бетону. Цим же пояснюється відсутність в нормах проектування вказівок щодо розрахунку залізобетонних елементів з урахуванням режимів зростаючого навантаження різної тривалості, у тому числі в умовах дії підвищених температур.

Вивчення особливостей формування НДС елементів конструкцій при складних режимах навантаження в умовах дії підвищених температур представляє великий теоретичний і практичний інтерес, а розвиток і вдосконалення методів розрахунку залізобетонних конструкцій на складні режими силових і температурних впливів, які сприяють підвищенню надійності об'єктів, що зводяться, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру за темою дисертації виконані в межах держбюджетної теми К-2-04-06 "Розробка методів розрахунку напружено-деформованого стану складно напружених залізобетонних конструкцій будівель і споруд, які мають дефекти та пошкодження і працюють в умовах складних температурно-вологісних впливів, а також розробка методів розрахунку їхнього підсилення" (держ. реєстр. № 0107U000090) в розвиток досліджень, проведених на кафедрі залізобетонних конструкцій Донбаської національної академії будівництва і архітектури.

Метою дослідження є експериментально-теоретичне встановлення закономірностей впливу швидкості зростаючого навантаження на напружено-деформований стан згинних залізобетонних елементів в умовах нерівномірного нагрівання до +200°С і розробка рекомендацій по уточненню інженерних методів розрахунку. 

Задачі досліджень:

– виконати експериментальні дослідження характеристик деформативних і міцнісних властивостей бетону при різних швидкостях зростаючого навантаження осьовим стиском в умовах нагрівання до +200°С;

– розробити пропозиції по уточненню методики діаграм-ізохрон в частині врахування впливу режиму зростаючого навантаження на деформації і міцність бетону;

– розробити методику випробувань і виконати експериментальні дослідження деформацій, тріщиностійкості і міцності згинних залізобетонних балкових елементів, у тому числі попередньо напружених, при режимах зростаючого навантаження різної тривалості в умовах одностороннього нагрівання;

– виконати теоретичні дослідження із застосуванням ПЕОМ характеристик напружено-деформованого стану попередньо напружених залізобетонних балкових елементів при різних швидкостях навантаження в умовах нерівномірного нагрівання до +200°С;

– розробити рекомендації по уточненню інженерних методів розрахунку тріщиностійкості, деформацій і міцності згинних балкових елементів в частині врахування швидкості зростаючого навантаження в умовах дії підвищених температур.

Об'єкт  дослідження – балкові елементи залізобетонних конструкцій, що експлуатуються в умовах нерівномірного нагрівання до +200ºС при режимах зростаючого навантаження різної тривалості.

Предмет дослідження – характеристики напружено-деформованого стану залізобетонних балкових елементів, що працюють в умовах одностороннього нагрівання і зростаючого навантаження різної тривалості.

Методи дослідження:  

– методи фізичного і математичного моделювання напружено-деформованого стану залізобетонних балок в умовах одностороннього нагрівання до +200°С при різних швидкостях навантаження;

– механічні методи випробування матеріалів навантаженням і вимірюванням переміщень.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

  •  дані експериментальних досліджень впливу швидкостей зростаючого навантаження осьовим стиском в діапазоні від 0,0007 до 0,75 МПа/хв. на міцність і деформації важкого бетону в умовах нормальної і підвищених до +200°С температур;
  •  дані експериментальних досліджень температурних деформацій, напружень в бетоні і арматурі, втрат попереднього напруження в арматурі і міцності балкових елементів при односторонньому нагріванні і зростаючому навантаженні різної тривалості;
  •  результати теоретичних досліджень впливу тривалості зростаючого навантаження і одностороннього нагрівання до +200°С на величини лінійних деформацій, прогинів, зусиль тріщиноутворення, ширини розкриття тріщин і міцності згинних, у тому числі попередньо напружених залізобетонних балкових елементів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці рекомендацій щодо врахування впливу тривалості зростаючого навантаження в умовах нагрівання до +200°С на характеристики міцнісних і деформативних властивостей бетону, в розробці пропозицій щодо розвитку методики діаграм-ізохрон в частині врахування впливу режимів зростаючого навантаження стосовно до умов дії підвищених до +200°С температур, в уточненні методики розрахунку деформацій і міцності балкових елементів в умовах дії одностороннього нагрівання і зростаючого навантаження різної тривалості, що дозволяє надійніше проектувати залізобетонні конструкції досліджуваного типу.

Результати досліджень використані:

– при розробці національного стандарту України ДСТУ-I Б В.2.6-ХХ:20ХХ "Конструкції будинків і споруд. Проектування залізобетонних конструкцій. Основні положення. Вогнестійкість (EN 1992-1-2:2004, MOD)" в частині дослідних даних про вплив швидкості навантаження на міцність і характеристики деформативних властивостей бетону в умовах підвищених температур;

– при оцінці НДС конструкцій і розробці проекту підсилення попередньо напружених залізобетонних плит покриття в цеху гарячого цинкування ЗАТ "Донецький завод високовольтних опор";

– при оцінці технічного стану конструкцій і розробці проекту підсилення конструкцій залізобетонного монолітного балкового перекриття над бункером гарячого коксу місткістю 100 т Горлівського КХЗ ТОВ "ІСТЕК".

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно, особистий внесок автора полягає в наступному:

  •  розробка випробувальних пристроїв, конструкцій дослідних зразків, методик випробувань і проведення експериментальних досліджень;
  •  розробка алгоритмів, програм розрахунку для ПЕОМ і виконання теоретичних досліджень, наведених в дисертації;
  •  систематизація і аналіз результатів експериментальних і теоретичних досліджень, розробка аналітичних виразів;
  •  розробка практичних рекомендацій щодо визначення зусиль тріщиноутворення, деформацій і міцності згинних балкових елементів при впливах різної тривалості температурного перепаду і зростаючого навантаження.

Апробація дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях ДонНАБА в 2002, 2003, 2005, 2008 роках, на двох міжнародних науково-практичних конференціях "Баштові споруди: матеріали, конструкції, технології" (м. Макіївка, 2005 р., 2009 р.).

В повному обсязі робота доповідалась та обговорювалась на розширеному засіданні кафедри «Залізобетонні конструкції» Донбаської національної академії будівництва та архітектури.

Публікації. Основний зміст дисертації і результати досліджень представлені в чотирьох наукових статтях, опублікованих в спеціалізованих виданнях, включених до переліку ВАК України, і в двох друкованих працях за матеріалами конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури (151 найменування) і додатків. Робота викладена на 176 машинописних сторінках, у тому числі 148 сторінок основного тексту, 85 рисунків, 5 таблиць, 15 сторінок списку використаної літератури, 3 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ  ЗМІСТ  РОБОТИ

У вступі подана загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення результатів, наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів і публікації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан питання, викладено основні напрями в області розробки розрахункових методів на основі діаграм деформування бетону, представлено огляд експериментальних досліджень міцнісних і деформаційних властивостей бетону при завантаженнях зростаючим навантаженням різної тривалості, у тому числі в умовах дії підвищених температур, виконано аналіз результатів досліджень і чинників впливу на напружено-деформований стан залізобетонних конструкцій, що згинаються, в умовах нерівномірного нагрівання.

У роботах Б.А. Альтшуллера, В.І. Веретенникова, В.В. Катигроба, В.І. Корсуна, В.А. Косторниченка, О.П. Кричевського, А. Мессауді, А.Ф. Милованова, К.Д. Некрасова, М.О. Невгеня, В.Д. Передерея, В.М. Самойленка, М.І. Тупова, С.Л. Фоміна та інших дослідників отримані достатньо повні дані про вплив підвищених до +200°С температур на основні характеристики міцнісних і деформативних властивостей бетону, представлені практичні рекомендації і аналітичні вирази для оцінки температурно-усадкових деформацій, деформацій повзучості, змінень міцності, початкового модуля пружності та граничної стисливості бетону. У дослідженнях О.О. Гвоздєва, Ю.О. Івашенка, О.Д. Лобанова, В.І. Корсуна, А. Мессауді, О.В. Яшина та ін. розглянуто вплив швидкості завантаження зростаючим навантаженням на міцність і деформації бетону. Відмічено, що з уповільненням швидкості зростаючого навантаження осьовим стиском в умовах нормальної температури помітно знижується тривала міцність і збільшуються пластичні деформації бетону. В умовах підвищених температур з уповільненням швидкості навантаження, порівняно із стандартною, відзначається також зниження тривалої міцності, збільшення граничної стисливості, але в інших пропорціях. Важливим чинником в умовах тривалого нагрівання є температурне старіння бетону.

Застосування методики діаграм-ізохрон для опису деформацій бетону при навантаженнях різної тривалості розглянуто в роботах П.І. Васильєва, А.Я. Барашикова, В.М. Бондаренка, М.І. Карпенка, С.Ф. Клованича, В.І. Корсуна, О.П. Кричевського, А. Мессауді, Т.А. Мухамедієва, О.М. Петрова, І.Є. Прокоповича, Є.А. Яценка та ін. Відмічено, що розвиток методики ізохрон стримується недостатньою кількістю відповідних експериментальних даних про деформування бетону в умовах нормальної температури і практично повною їх відсутністю стосовно до умов дії підвищених температур.

Особливості формування НДС згинних і позацентрово стиснутих елементів при різній тривалості навантаження, у тому числі в умовах нерівномірного нагрівання, а також основні принципи побудови методик розрахунку залізобетонних конструкцій з урахуванням реальних діаграм деформування та неоднорідності властивостей матеріалів розглянуто в роботах С.В. Александровського, Є.М. Бабича, В.М. Байкова, А.М. Бамбури, А.Я. Барашикова, П.І. Васильєва, П.Ф. Вахненка, О.О. Гвоздєва, В.С. Дорофєєва, О.Д. Журавського, М.І. Карпенка, С.Ф. Клованича, В.І. Корсуна, О.П. Кричевського, І.Я. Лучковського, Е.О. Мазо, А.Ф. Милованова, Г.А. Молодченка, В.І. Мурашова, М.О. Невгеня, А.М. Павлікова, В.М. Самойленка, М.С. Торяника, С.Л. Фоміна, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагіна та ін. Показано, що НДС залізобетонних елементів конструкцій значною мірою визначається величинами температури та тривалості нагрівання, мірою неоднорідності за об'ємом конструкції міцнісних, деформативних і реологічних властивостей бетону, обумовлених температурними і силовими градієнтами. Достовірна оцінка НДС згинних залізобетонних елементів з неоднорідними властивостями за об'ємом конструкцій при різних швидкостях навантаження в умовах дії підвищених температур розрахунковими методами на основі діаграм деформування матеріалів ускладнена внаслідок недостатньої кількості експериментальних даних.

На підставі аналізу результатів досліджень, що представлені в літературних джерелах, сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому  розділі представлені склад застосованого бетону, характеристика дослідних зразків, викладено методики проведення експериментальних і теоретичних досліджень, методи обробки отриманих результатів.

Як основні еталонні зразки для визначення характеристик механічних властивостей бетону прийняті зразки-призми розмірами 150150600 мм. Додаткові зразки – бетонні призми розмірами 100100400 мм, куби з розмірами ребер 100 і 150 мм. Особливості формування НДС попередньо напружених згинних елементів досліджувалася на балках розмірами 120×240×2200 мм з поздовжнім армуванням 410 мм класу А400 (по два стержня в розтягнутій і стиснутій зонах). За поздовжню попередньо напружену арматуру прийнято один стержень 10 мм класу А1000 (рис. 1). Попереднє напруження арматури балок створювалося механічним способом на спеціальному стенді.

Рис. 1. Конструкція (а) і армування (б) дослідних зразків-балок.

Програма досліджень включала три групи експериментів:

  •  дослідження деформацій температурного розширення і усадки бетону, характеристик деформативних властивостей і міцності при короткочасному осьовому стиску в умовах дії температур від +20 до +200С;
  •  дослідження впливу тривалості зростаючого навантаження при осьовому стиску в умовах дії підвищених до +200°С температур на діаграми деформування і міцність бетону;
  •  дослідження впливу тривалості зростаючого навантаження на міцність, тріщиностійкість і деформації згинних попередньо напружених зразків-балок в умовах одностороннього нагрівання до +150°С.

Режими навантажень, що розглядаються, – жорсткий з умовно миттєвим прикладенням навантаження до рівня  = /Rb і наступним витримуванням протягом часу Т та м'який із ступеневим пропорційним зростаючим навантаженням (рис. 2) і значеннями тривалості витримування на кожному ступені, що наведені в табл. 1. Вік бетонних призм на початок нагрівання складав 60÷90 діб, залізобетонних балок – 180 - 400 діб.

Програма експериментальних випробувань бетонних зразків. Таблиця 1.

Режим випробування

(тривалість витримки на етапі)

Тривалість наванта-ження Т, діб

Середня

швидкість

навантажен-ня, МПа/хв.

Час нагрівання до навантаження Т, діб

Кількість випробуваних зразків при t, °С

+20°

+90°

+150°

+200°

Режим "0", (5 хвилин)

0.042

0.6250

0

9

3

3

2

0.6

-

3

3

2

1.6

-

1

1

-

18

-

1

1

1

37

-

1

1

1

90

-

1

-

1

Режим "1"*, (1 година)

0.5

0.0400

0.6

1*

1*

1*

-

Режим "2", (2 години)

1

0.0184

0.6

1

1

1

-

Режим "3", (36 годин)

15

0.0016

0.6

1

1

1

1

Режим "4", (72 години)

30

0.0009

0.6

1

1

1

1

* – дані для режиму "1" прийнято за експериментами В.І. Корсуна і А. Мессауді.

Рис. 2. Траєкторії м'яких режимів навантаження осьовим стиском бетонних призм в умовах нормальної і підвищених температур.

За результатами випробувань визначалися: призмова бетону Rb, початковий модуль пружності Eb, граничні деформації укорочення , коефіцієнти пружних el і поперечних деформацій міцність.

Випробування попередньо напружених залізобетонних балок проводилися в три етапи, які відповідають характерним стадіям роботи конструкцій, – стадії виготовлення і набирання міцності (етап 1), експлуатації при дії температури експлуатаційного рівня (етап 2) і стадії наступного довантажування до руйнування згинальним моментом Мх (етап 3) по одній з двох програм: програма "1" – навантаження до руйнування зразка протягом 1 години; програма "2" – протягом 15 діб із швидкістю 0,067∙ на добу (рис. 3).

Повна програма випробувань балок наведена в табл. 2, режими силових і температурних навантажень – на рис. 3.

В експериментальній частині досліджень випробувано 46 зразків-призм різних розмірів, 4 попередньо напружені балки і 72 бетонні куби.

Програма експериментальних випробувань залізобетонних балок. Таблиця 2.

Шифр балки

Температура односторонньо-го нагрівання , °С

Величина попереднього напруження sp, МПа

Тривалість нагрівання до навантаження Т, діб

Тривалість навантаження до руйнування Т, діб

Б-1

+20°С

536

0

0.042 (програма 1)

Б-2

+150°С

536

20

0.042 (програма 1)

Б-3

+150°С

642

5

    15 (програма 2)

Б-4

+90°С

642

5

    15 (програма 2)

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень температурно-усадкових деформацій бетону, впливів тривалості зростаючого навантаження на міцність і деформації бетону в умовах короткочасного і тривалого нагрівання до +200С, пропозиції щодо уточнення методики діаграм-ізохрон для м’яких режимів навантаження стосовно до умов впливу підвищених температур.

Рис. 3. Режими силових (а) і температурних (б) впливів на дослідні зразки-балки. 

Відносні температурні деформації бетону при першому короткочасному нагріванні до температур +90°, +150° і +200°С склали 84·10-5, 134·10-5 і 192·10-5 відповідно, що відповідає середньому значенню коефіцієнта лінійної температурної деформації αbt = 10,7·10-6. Деформації усадки за час ізотермічної витримки протягом 80 діб при тих же температурах випробуваннь склали відповідно 53,4·10-5, 63,8·10-5 і 92·10-5.

Дослідні дані свідчать про істотний вплив швидкості навантаження на характеристики міцнісних і деформативних властивостей бетону в умовах нагрівання до +200°С. Тривала міцність бетону при м'якому режимі навантаження в умовах нормальної температури із збільшенням тривалості навантаження з 0,042 діб (еталонний режим "0") до 1, 15 і 30 діб знизились відповідно на 11%, 14% і 13% (рис. 4). В умовах нагрівання до +200°С уповільнення швидкості навантаження відповідно до режимів "1÷4" призводило до приросту міцності в порівнянні з міцністю зразків, випробуваних при стандартній швидкості навантаження для відповідних температур: при збільшенні тривалості навантаження з 1 години (режим "0") до 30 діб (режим "4") в умовах нагрівання до +90°С міцність зразків збільшувалася з 0,71·Rb до 0,82·Rb, при температурі +150°С – з 0,74·Rb до 0,84·Rb, а при температурі +200°С – з 0,75·Rb до 0,84·Rb (рис. 5).

Рис. 4. Вплив температури і тривалості нагрівання на міцність (а) і початковий модуль пружності (б) бетону при стандартній швидкості навантаження (режим "0"):

Рис. 5. Вплив тривалості зростаючого навантаження на міцність бетону при стиску в умовах нормальної (а) і підвищених (б) температур. 

Гранична стисливість в умовах нормальної температури із збільшенням тривалості навантаження з 1 години до 30 діб зросла для м'яких режимів навантаження "1", "2", "3" і "4" на 7%, 26%, 38% і 30% відповідно. В умовах нагрівання до +200°С збільшення тривалості навантаження з 1 години до 30 діб в порівнянні із стандартною швидкістю навантаження при режимі "0" зумовило приріст величин граничної стисливості бетону на 9% і 15% при режимах "1" і "2" і, в середньому, на 7% при режимах навантаження "3" і "4" (рис. 6 б).

Рис. 6. Вплив тривалості навантаження і нагрівання на зміну коефіцієнта пружності (а) і граничної стисливості   (б)

Значення коефіцієнта пружності  у вершинах діаграм деформування зростали із збільшенням тривалості навантаження і нагрівання порівняно з величинами при першому короткочасному нагріванні (рис. 6 а).

Запропонована наступна форма обчислення розрахункового опору бетону з урахуванням досліджених чинників:

Rb,tem(to,τ,Tσ)=Rb·bt·(t°,T)       (1)

де bt – коефіцієнт урахування впливу температури і тривалості нагрівання, який приймається згідно зі «СНиП 2.03.04-84» або за відповідними аналітичними виразами;

(t°,T) – функція врахування впливу тривалості завантаження зростаючим навантаженням на тривалу міцність бетону в умовах нагрівання до +200°С, що визначається за виразом:

,                                            (2)    

де А = 0,935 ,  В = -0,02.

Формула (2) є модифікованим виразом О.О. Гвоздєва, в якому першими двома додатками враховується зміна тривалої міцності бетону в умовах нормальної температури, останнім – частковий її приріст в умовах тривалого нагрівання:

;       (3)

С1 = 4,33∙10-8(t°)2 + 4,85∙10-6t° – 2∙10-4,      (4)

де Тσ – тривалість навантаження, діб.

Методика теоретичної побудови діаграм-ізохрон для бетону в умовах підвищених температур базується на методиці М.І. Карпенка, розробленої для умов нормальної температури. Розвиток методики здійснено в частині врахування впливу на діаграми деформування бетону м'яких режимів навантаження і підвищених до +200°С температур.

Коефіцієнт зміни січного модуля у вершині діаграми для випадків тривалого навантаження (Тred red) визначається за формулою:

,   (5)

де  – коефіцієнт зміни січного модуля у вершині діаграми при короткочасному навантаженні;

fc(tred), (tred,red) відповідно функція нелінійності і характеристика повзучості бетону при жорстких режимах навантаження в умовах нагрівання, що обчислюються за методикою О.П. Кричевського;

Tred, τred – приведений час дії температури відповідно повний і до початку навантаження.

У формулі (5) вплив режиму навантаження враховується коефіцієнтом kr, значення якого для жорсткого режиму приймається kr =1. Для м'яких режимів навантаження стосовно до умов дії підвищених температур на підставі обробки дослідних даних запропоновано аналітичний вираз для kr як функції у вигляді:

,        (6)

де ;

Bt= -1,952∙10-52 + 8,07∙10-3t° – 0,852;          .

(7)

Граничні деформації бетону для жорстких і м'яких режимів навантаження в умовах підвищених температур визначаються з виразу:

      (8)

Застосування співвідношень (1) - (8) дозволяє в розрахунках трансформувати діаграми деформування бетону залежно від температури і тривалості нагрівання, від режиму і тривалості навантаження, забезпечуючи задовільну збіжність з дослідними величинами (рис. 5 - 7).

Методика розрахунку враховує явище температурного старіння бетону, що проявляється у викривленнях діаграм деформування при тривалих програмах навантаження (рис. 7 б, в, г).

Рис. 7. Вплив тривалості зростаючого навантаження на діаграми деформування бетону в умовах нагрівання до +200°С:

У четвертому розділі наведено результати експериментальних і теоретичних досліджень подовжень, прогинів, зусиль тріщиноутворення|, ширини розкриття тріщин і міцності згинних, у тому числі попередньо напружених залізобетонних балкових елементів (рис. 8) при різній тривалості зростаючого навантаження в умовах одностороннього нагрівання.

Рис. 8. Схеми арму-вання і нагрівання балок   Б-1 ÷ Б-4, умовні позначен-ня зусиль в арматурі.

Кількісне визначення характеристик НДС неоднорідних згинних залізобетонних елементів здійснене у рамках розрахункової моделі (рис. 9), заснованої на спрощеній схемі методу скінчених елементів. 

Рис. 9. Розрахункова модель неоднорідного елементу.

Фізичні рівняння, що зв'язують внутрішні зусилля і деформації на рівні серединної осі неоднорідного балкового елемента конструкції, визначаються рівняннями статичної рівноваги зовнішніх і внутрішніх зусиль в розрахунковому перерізі з використанням закону плоских перерізів.

Початкові фізичні співвідношення для ij-ої ділянки бетонного перерізу і  k-го арматурного стержня прийняті у вигляді:

; (9)

; (10)

;   ,   (11)

де Eb,ij і Es,k – відповідно модулі деформації ділянки бетону з координатами xji, yji, і k-го арматурного стержня;

bt,ji і st,k – коефіцієнти температурного розширення відповідно бетону і    k-го арматурного стержня; 

b,ij  и st,k – коефіцієнти врахування впливу підвищених температур на змінення модулів пружності ij-ої ділянки бетону і k -го стержня арматури;

Ks,k – коефіцієнт урахування наявності тріщин, що перетинають цей арматурний стержень:  за відсутності тріщин Ks,= 1, за наявності – Ks,= s     (s –  коефіцієнт В.І. Мурашова);

νb,ijфункція врахування властивостей пружнопластичності бетону, що обчислюється за формулами М.І. Карпенка з урахуванням пропозицій (6), (7) для кожної елементарної ділянки бетону. 

Характеристики властивостей бетону і арматури, що входять у формули (9) - (11), а також коефіцієнти врахування їх змін приймаються згідно з «СНиП 2.03.04-84» або за відповідними аналітичними виразами. Попереднє напруження арматури в розрахунках моделювалося завданням у формулі (10) початкових деформацій напружуваної арматури εs,k0.

У дослідженні розглядалася задача визначення деформацій y, x, oz залізобетонного балкового елемента при відомих величинах змінних навантажень Mх var, Mу var, Nz var. В процесі розрахунку руйнування елементарних ділянок бетонного перерізу, наявність або відсутність тріщин визначалася окремо для кожної ділянки. Прийняті критерії міцності:

- для ділянок розтягнутого бетону:

;   ;     (12)

- для ділянок стиснутого бетону:

;   ,    (13)

де , , ,  – відповідно розрахункові опори бетону на осьовий стиск і розтяг, граничні стисливість і розтягливість ij-ої ділянки бетонного перерізу.

Діаграма деформування арматури приймалася білінійною.

Зіставлення результатів розрахунку за прийнятою методикою і дослідних даних здійснювалося за величинами кривизн і подовжень поздовжньої осі, напружень у бетоні і в стрижнях арматури, за величинами несучої здатності згинних залізобетонних елементів.

Змінення кривизни і подовження серединної осі балок Б-1 ÷ Б-4 на стадії виготовлення і набору міцності (етап 1) і стадії експлуатації при тривалій дії температури (етап 2) наведені на рис. 10 а-г.

Рис. 10. Змінення кривизни х (а, в) і подовжень осі oz (б, г) залізобетонних балок     Б-1 ÷ Б-4 на 1-му (а, б) і 2-му (в, г) етапах випробувань:

             експеримент;                  теорія;          балка Б-1,       Б-2,       Б-3,         Б-4.

На 3-му етапі випробувань в умовах нормальної температури для балки Б-1 при навантаженні по режиму "0" максимальні значення деформацій подовження серединної осі oz і кривизни х склали 1,35·10-3 і -28,7·10-3 м-|1 відповідно. Нагрівання розтягнутої грані до температур +90° і +150°С призвело до збільшення максимальних кривизн х на 23% і 28%, подовжень серединної осі на 49% і 57% відповідно (рис. 11). Збільшення тривалості зростаючого навантаження (програма «2») на 3-му етапі випробувань в умовах одностороннього нагрівання обумовило незначне, на 4 - 7%, збільшення деформацій х і oz у порівнянні з програмою «1» навантаження.

Повні втрати попереднього напруження на 1-му етапі випробувань склали, в середньому, 81 МПа для балок Б-1, Б-3 і 94 МПа для балок Б-2, Б-4 відповідно. Біля 70% величини повних втрат на 1-му етапі випробувань реалізовувалися впродовж перших 60÷70 діб витримки.

Втрати попереднього напруження на 2-му етапі випробувань в результаті одностороннього нагрівання до +150°С збільшилися на 24% і 17% від початкового значення для балок Б-2 і Б-3 відповідно. До 75% величин втрат попереднього напруження за етап 2 в умовах нагрівання до +150°С проявляються в перші 5 діб. При односторонньому нагріванні до +90°С додаткові втрати попереднього напруження в продовж 5 діб склали 46 МПа (рис. 11 б).

Рис. 11. Змінення напружень в попередньо напруженій арматурі sp залізобетонних балок Б-1 ÷ Б-4 на 1-му (а) і 2-му (б) етапах випробувань

Розрахункові величини повних втрат попереднього напруження в арматурі за табл. 5 «СНиП 2.03.01-84» з урахуванням вказівок «СНиП 2.03.04-84» перевищили на 50 - 80 МПа розрахункові значення, отримані з використанням уточненої методики ізохрон, показали задовільну збіжність з даними експериментальних досліджень (рис. 11).

Збільшення тривалості навантаження для відповідних температур нагрівання розтягнутої грані призвело до істотного перерозподілу напружень між арматурою і бетоном. При навантаженні по режиму "1" в порівнянні з навантаженням по режиму "0" напруження в арматурі без попереднього напруження стиснутої зони при однакових рівнях навантаження були меншими на величину порядку 50 МПа, а в розтягнутій зоні – більшими на величину до 100 МПа. Особливо чітко відмічений перерозподіл проявлявся при рівнях навантаження η  0,4. Аналогічне явище спостерігалося і в попередньо напруженій арматурі. Фізична границя текучості в арматурі без попереднього напруження досягалась при рівнях навантаження , рівних 0,87,  0,91,  0,76  і  0,82 для балок Б-1, Б-2, Б-3 і Б-4 відповідно.

Момент утворення тріщин для балки Б-1, випробуваної в умовах нормальної температури, склав 0,37·. При нагріванні розтягнутої грані до температур +90°С і +150°С момент тріщиноутворення знизився відповідно на 22% і 38%. Збільшення тривалості зростаючого навантаження з 1 години до 15 діб призвело до додаткового зниження моменту тріщиноутворення на 6%.

Одностороннє нагрівання до +150°С з боку розтягнутої грані балки Б-2 при навантаженні за програмою "1" зумовило зниження несучої здатності на 14% порівняно із несучою здатністю еталонної балки Б-1. Уповільнення швидкості навантаження балки згинальним моментом (балка Б-3, програма "2") підвищило несучу здатність на 5% порівняно з балкою Б-2. Нагрівання до +90°С з боку розтягнутої грані балки Б-4, що завантажувалася за програмою "2", показало зниження несучої здатності на 6% порівняно з еталонним режимом випробувань (рис. 12).

Рис. 12. Вплив температури нагрівання розтягнутої грані на несучу здатність зразків-балок при різних швидкостях навантаження:

Результати теоретичних досліджень напруженого стану бетонної частини перерізу неоднорідного залізобетонного елементу для кожного етапу випробувань наведені на рис. 13 на прикладі моделювання програми випробувань балки Б-4.

Рис. 13. Змінення напружень в бетоні у нормальному перерізі балки Б-4 на етапах випробувань 1÷3 за режимом навантаження "2": 

ВИСНОВКИ

1.  Отримано експериментальні дані про вплив тривалості зростаючого навантаження на характеристики міцнісних і деформативних властивостей бетону при осьовому стиску в умовах нагрівання до +200С. Із збільшенням тривалості зростаючого навантаження з 0,042 діб до 30 діб тривала міцність бетону в умовах нормальної температури зменшується, в середньому, на 13%. В умовах підвищених до +200°С температур збільшення тривалості навантаження обумовлює приріст міцності бетону, в середньому, на 12% порівняно з міцністю зразків, випробуваних при стандартній швидкості навантаження.

2.  Гранична стисливість бетону із зменшенням швидкості та збільшенням тривалості навантаження з 1 години до 30 діб зростає в умовах нормальних температур на величину від 7% до 30 %, в умовах підвищених до +200°С температур – від 7% до 15% у порівнянні з результатами при стандартній швидкості навантаження.

3.  Розроблено аналітичні вирази для врахування впливу тривалості зростаючого навантаження на міцність, модуль деформацій і граничну стисливість бетону при стиску в умовах підвищених до +200°С температур.

4.  Здійснено удосконалення методики діаграм-ізохрон для бетону стосовно до умов дії підвищених температур в частині врахування впливу тривалості режимів м'якого навантаження на модулі деформацій бетону.

5.  Отримано експериментальні дані щодо змінення напружено-деформованого стану попередньо напружених залізобетонних згинних елементів при режимах зростаючого навантаження різної тривалості в умовах нерівномірного нагрівання. Одностороннє нагрівання до +150С обумовлює істотне збільшення деформацій і зниження на 14% міцності згинних елементів. Уповільнення швидкості завантаження в умовах одностороннього нагрівання призводить до часткового відновлення на величину до 5% несучої здатності.

6.  Результати теоретичних досліджень характеристик НДС залізобетонних згинних елементів із застосуванням розроблених для ПЕОМ алгоритмів і методик свідчать: одностороннє нагрівання балок до температур +90 і +150С призводить до зниження моменту тріщиноутворення при короткочасному навантаженні на 22% і 38%, несучої здатності – на 7% і 14% відповідно. Уповільнення швидкості зростаючого навантаження згинальним моментом з 1 години до 15 діб сприяє додатковому зниженню в середньому на 6% моменту тріщиноутворення і деякому відновлюванню на 1÷6% міцності балкових елементів.

7.  Результати досліджень впроваджені:

  •  при розробці національного стандарту України ДСТУ-II Б В.2.6-ХХ:20ХХ "Конструкції будинків і споруд. Проектування залізобетонних конструкцій. Основні положення. Вогнестійкість (EN 1992-1-2:2004, MOD)"; при оцінці технічного стану і розробці проекту підсилення залізобетонних ребристих плит покриття в цеху гарячого цинкування ЗАТ "Донецький завод високовольтних опор"; при оцінці НДС і розробці проекту підсилення залізобетонного монолітного балкового перекриття над бункером гарячого коксу місткістю 100 т Горлівського КХЗ ТОВ "ІСТЕК".

список опублікованих автором
робіт за темою дисертації:

1.  Корсун В.И. Исследование влияния скорости нагружения на прочность и деформации бетона при осевом сжатии в условиях воздействий повышенных температур / В.І. Корсун, Е.А. Дмитренко // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. – Макіївка: ДонДАБА, 2005. – Вып. 2005-3(51). – С. 80-85.

Особистий внесок: методика експериментальних досліджень, аналіз результатів.

2.  Корсун В.И. Влияние скорости нагружения на прочность и деформации бетона при осевом сжатии в условиях воздействия повышенных температур / В.И. Корсун, Е.А. Дмитренко // Коммунальное хозяйство городов. – К., Техніка, 2008. – Вып. 81. – С. 57-67.

Особистий внесок: результати експериментальних досліджень, пропозиції щодо уточнення методики діаграм-ізохрон.

3.  Корсун В.И. Влияние сложных режимов силовых и температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных элементов / В.И. Корсун, Е.А. Дмитренко // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. – Макіївка: ДонНАБА, 2009. – Вип. 2009-4(78). – С. 184-192.

Особистий внесок: результати теоретичного визначення зусиль в елементах конструкцій при дії нерівномірного нагрівання і зростаючого навантаження різної тривалості.

список опублікованих робіт, які додатково
відображають результати дисертації

4. Корсун В.И. Особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных оболочек градирен / В.И. Корсун, Т.М. Виноградова, А.В. Корсун, Е.А. Дмитренко // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. – Макіївка: ДонДАБА, 2002. – Вип. 2002-3(34). – С. 32.

Особистий внесок: результати розрахунку зусиль і деформацій оболонки градирні.

5. Dmitrenko E.A. The experimental research of shrinkage and creep of concrete at axial compression at high temperatures / E.A. Dmitrenko, O.F. Kurochkina // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. – Макіївка: ДонДАБА, 2003. – Вип. 2003-3(40). – С. 142-144.

Особистий внесок: методика експериментальних досліджень.

6. Корсун В.И. Особенности повреждений и опыт ремонта железобетонных оболочек градирен высотой Н=150 м / В.И. Корсун, Ю.Ю. Калмиков, А.В. Корсун, Е.А. Дмитренко // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. – Макіївка: ДонНАБА, 2005. – Вип. 2005-8(56). – С. 200-203.

Особистий внесок: оцінка впливу ушкоджень на НДС конструкцій залізобетонної оболонки градирні.

АНОТАЦІЯ

Дмитренко Євген Анатолійович. Напружено-деформований стан залізобетонних елементів при різних швидкостях вантаження в умовах нагрівання до +200С. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури. – Макіївка, 2010 р.

У дисертації наведено результати експериментальних досліджень міцності і деформацій важкого бетону при навантаженнях різної тривалості в умовах дії підвищених до +200°С температур. Здійснено удосконалення  методики діаграм-ізохрон в частині врахування впливу швидкості навантаження на діаграми деформування бетону. Представлено результати експериментальних і теоретичних досліджень характеристик НДС згинних залізобетонних елементів в умовах нерівномірного нагрівання з використанням діаграм-ізохрон і з урахуванням неоднорідності механічних і реологічних властивостей бетону в конструкції. Викладено пропозиції щодо уточнення нормативних методів розрахунку в частині врахування впливу швидкості навантаження на основні характеристики тривалої міцності і діаграм деформування.

Ключові слова: важкий бетон, міцність, деформації, швидкість навантаження, попереднє напруження, згин, напружено-деформований стан.

АнНотация

Дмитренко Евгений Анатольевич. Напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов при различных скоростях нагружения в условиях нагрева до +200С. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. – Макеевка, 2010 г.

Диссертация посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям НДС, прочности и деформаций железобетонных изгибаемых элементов работающих в условиях неравномерного нагрева до +200°С при режимах возрастающего нагружения различной продолжительности.

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы, приведено обоснование актуальности темы, изложены цель и задачи исследования.

В первом разделе рассмотрено современное состояние вопроса, изложены основные направления в области разработки расчетных методов на основе диаграмм деформирования бетона, представлен обзор экспериментальных исследований прочностных и деформационных свойств бетона при возрастающих нагружениях различной продолжительности, в том числе в условиях воздействия повышенных температур.

Во втором разделе представлены состав бетона, характеристика опытных образцов, изложены методики проведения экспериментальных и теоретических исследований, методы обработки полученных результатов.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований температурно-усадочных деформаций бетона, влияния продолжительности возрастающего нагружения на прочность и деформации бетона в условиях кратковременного и длительного нагрева до +200С, предложения по уточнению методики диаграмм-изохрон для мягких режимов нагружения в условиях воздействия повышенных температур.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований изменения линейных деформаций, прогибов, усилий трещинообразования, ширины раскрытия трещин и прочности изгибаемых преднапряженных железобетонных балочных элементов при различной продолжительности возрастающего нагружения в условиях одностороннего нагрева до +200°С. Выполнен анализ результатов исследований и факторов влияния на напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных конструкций в условиях неравномерного нагрева.

Ключевые слова: тяжелый бетон, прочность, деформации, скорость нагружения, предварительное напряжение, изгиб, напряженно-деформированное состояние.

ABSTRACT

Dmitrenko Evgeniy A. Stress-strain state of reinforced concrete elements at different loading rates under the conditions of heating up to +200°С. Manuscript.

The thesis for a candidate degree of technical sciences, speciality 05.23.01 –  Building Structures, Buildings and Constructions. – Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. – Makeyevka, 2010.

The results of experimental investigations of strength and deformations of concrete at the loading of different duration in the conditions of enhanceable influence up to +200°C are presented. The development of methods of diagrams - isochrones in the part of account of influence of loading rates on the diagrams of deformation of concrete has been done. The results of experimental and theoretical researches of descriptions of the stress-strain state of the bent reinforced concrete elements under the conditions of the uneven heating with the use of diagrams - isochrones and taking into account heterogeneity of mechanical and rheological| properties of concrete on volume constructions are presented. The suggestion on clarification of normative methods of calculation in part of account of influence of loading rates on basic descriptions of the protracted strength and diagrams of deformation are presented.

Key words: heavy concrete, strength, deformations, loading rates, preliminary tension, bent elements, stress-strain state.

Підписано до друку 28.07.2010 р. Формат 60х84 1/16

Ум. друк. арк. 0,9. Друк лазерний. Зам. №982. Накл. 100 прим.

Надруковано в ТОВ «Цифрова типографія»

Адреса: м. Донецьк, вул. Челюскінців, 291а, тел.: (062) 388-07-31, 388-07-30


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53359. ІГРОВІ ТЕХНОЛОГІЇ НАВЧАННЯ 77.5 KB
  Навчальна діяльність підпорядковується правилам гри. Місце й роль ігрової технології в навчальному процесі створення елементів гри й навчання багато в чому залежать від уміння викладача функцій і класифікації педагогічних ігор. Педагогічні ігри За видом діяльності фізичні інтелектуальні трудові соціальні психологічні За характером педагогічного процесу навчальні тренінгові контрольні узагальнення пізнавальні виховні розвиваючі репродуктивні продуктивні творчі комунікативні діагностичні профорієнтаційні ...
53361. Мякі іграшки своїми руками 619.5 KB
  Відмінною особливістю цього заняття є те що з однієї викрійки можна робити найрізноманітніші іграшки додаючи деталі міняючи матеріали і моделюючи вихідну викрійку. Якщо вам потрібно збільшити або зменшити викрійку то візьміть аркуш міліметрового паперу розмітьте його відповідно на великі чи малі квадрати і перемалюйте деталі викрійки зберігаючи в кожному квадраті свій фрагмент малюнка 4 Підбір матеріалів Основними матеріалами для виготовлення напівоб'ємних іграшок є драп сукно та інші тканини з неосипаючими краями. З них краще за все...
53362. Свято дитячої іграшки 71.5 KB
  Обладнання: різноманітні іграшки іграшкові коляски з ляльками мультимедійна презентація. Отже запрошуємо всіх на свято дитячої іграшки танець Вихователь: А зараз давайте познайомимося. Буратіно: А я витягує іграшкову машину лечу по коридору на автомобілі ДАІ i пильно відслідковую порушників коридорного руху штрафую за найменшу провину конфіскую іграшки.
53363. Моя улюблена іграшка 196.5 KB
  The topic under discussion today is “Our toys. In the Toy Shop”. We’ll learn new vocabulary and practice it in speech; we’ll sing songs together, role-play situations, do some exercises.
53364. Рольові ігри на уроках англійської мови 257.5 KB
  Сучасна методика викладає такі ідеї та принципи в навчанні: визнання першорядності процесу пізнання та доступності інформації; цінність співпраці; зокрема використання діалогів полілогів імпровізацій та рольових ігор як основних форм роботи; визнання рівності пізнавальних та творчих можливостей усіх учнів а також свідомої участі учнів у процесі навчання; активна позиція учня в процесі навчання; принцип комунікативності який передбачає побудову процесу навчання як моделі процесу реальної комунікації; урахування...
53365. Ігри на матеріалі економічної термінології, спрямовані на збагачення активного словника та вдосконалення культури мовлення учнів 179 KB
  Методична порада. Для проведення ігор діти класу ділиться на гомогенні або гетерогенні групи. Обирається в кожній групі лідер. Завдання ігрової вправи виконують усі разом, доповідають про виконання тільки лідери. Вимпелом переможця нагороджується та група, яка першою за відведений час виконає правильно завдання.
53367. Ігрові хвилинки на уроках музики 48.5 KB
  Мета даної публікації не заглиблюючись у наукові аспекти теорії гри надати педагогові реальну допомогу на шляху впровадження ігрових форм у навчальновиховний процес. Дуже подобаються школярам варіанти психологічних ігрових вправ після проведення яких бажано аналізувати та обговорювати результати отримані під час гри.Кожній дитині надати можливість для виходу її емоцій після чого бажано алізувати та обговорювати результати отримані...