автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Диаграммный метод расчета и автоматизированное проектирование элементов кольцевого сечения

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

Железобетонные элементы кольцевого сечения. Области применения, современное состояние методов расчета и задачи исследований.

1.1 Области применения элементов кольцевого сечения.

1.1.1 Опоры ЛЭП.

1.1.2 Сваи и трубопроводы.

1.1.3 Телевизионные башни.

1.1.4 Промышленное и транспортное строительство.

1.2 Обзор предложений по методам расчета.

1.2.1 Прочность.

1.2.2 Трещиностойкость.

1.2.3 Деформации, перемещения.

Выводы и задачи исследований.

Актуальность темы

При построении современных компьютерных методов расчета железобетонных конструкций все в большей степени начинают использоваться нелинейные диаграммы связи напряжений с деформациями. Методы расчета, использующие диаграммы в прямом виде, называют диаграммными методами. Особую актуальность эти методы приобретают для расчета железобетонных конструкций со сложным армированием, к которым относятся конструкции кольцевого сечения с многорядным расположением арматуры. Эти конструкции находят широкое применение в транспортной и других областях строительства (в виде транспортных сетей и сетей городского хозяйства, опор ЛЭП, мостовых опор, надземных и подземных трубопроводов и др.). Отдельной областью применения таких конструкций стали телевизионные башни (в их числе знаменитая Останкинская телевизионная башня конструкции Н.В. Никитина). Исследованию таких конструкций уделяется особое внимание.

Не смотря на достигнутые успехи в развитии диаграммных методов, целый ряд важных вопросов оставался недостаточно исследованным (или практически не исследованным). Это относилось, в первую очередь, к построению общей методики формирования матриц жесткости железобетонных элементов до и после образования трещин как на базе секущих, так и касательных модулей. Требовалось, чтобы эти модули удобным образом выражались как через уровни напряжений, так и уровни деформаций (последнее обстоятельство особенно важно при использовании МКЭ в форме перемещений). Вставал вопрос введения диаграмм в метод расчета, минуя процедуру их предварительного аналитического описания, что особенно важно для создания конструкций из новых разновидностей бетона и арматуры и др. Развитие моделей железобетона на базе диаграмм решает лишь одну (физико-механическую) часть проблемы расчета. Вторая, не менее важная часть ее, связана с адаптацией и использованием новых технологий разработки программных средств. Традиционное разрозненное рассмотрение этих составляющих не позволяет выйти на построение эффективных программ расчета с учетом физической нелинейности (создать эффективные методы «вычислительной механики» по определению H.H. Шапошникова). Из-за изменения многих операционных систем архитектура многих программных комплексов, сложившаяся ранее, не позволяет в полной мере использовать возможности современной вычислительной техники, что также сдерживает развитие программ расчета конструкций с учетом физической нелинейности.

Целью работы явилась разработка общего диаграммного метода расчета элементов кольцевого сечения на основе нового представления диаграмм деформирования компонент железобетона и построения более гибкой структуры расчетных программных модулей на базе современных технологий разработки программных средств.

Автор защищает:

- общий метод автоматизированного расчета железобетонных элементов кольцевого сечения по двум группам предельных состояний с учетом различных факторов: нескольких слоев установки кольцевой продольной арматуры по толщине стенок кольцевого сечения, различных толщин стенок, наличия неравномерно установленных отдельных стержней арматуры, влияния физической нелинейности на основе полных диаграмм деформирования компонент железобетона; построение общей системы физических соотношений для элементов кольцевого сечения до и после трещинообразования; разработку алгоритмов и программы автоматизированного расчета элементов кольцевого сечения на основе диаграммной модели и адаптации трехуровневой архитектуры применительно к инженерным вычислительным комплексам; разработку диаграмм деформирования бетона и арматуры в виде связей касательных и секущих модулей с уровнями относительных деформаций; разработку методики по описанию диаграмм деформирования арматуры в железобетонных элементах с трещинами (получены зависимости для касательных и секущих модулей в функции от средних деформаций арматуры на участках между трещинами); разработку точечной аппроксимации диаграмм любой сложности без их аналитического описания; методику учета в расчетах повреждений элементов кольцевого сечения и результаты моделирования напряженно-деформированного состояния Останкинской телевизионной башни с учетом повреждений, полученных в результате пожара.

Научную новизну работы составляют:

- общий (по обеим группам предельных состояний) метод автоматизированного расчета и проектирования элементов кольцевого сечения с учетом различных факторов конструкционной неоднородности и физической нелинейности;

- матрица жесткости железобетонного элемента кольцевого сечения (матрица материала), связывающая вектор-столбец приращений моментов и нормальных сил с соответствующим столбцом приращений кривизн и относительных удлинений продольной оси кольцевого сечения;

- методики определения секущих и касательных модулей деформации бетона, арматуры и арматуры в элементах с трещинами в функции от уровней деформаций;

- предложение по адаптации трехуровневой программной архитектуры применительно к инженерным вычислительным комплексам с учетом физической нелинейности;

- методика учета произвольных диаграмм материалов на основе многоточечной аппроксимации;

- методика учета скачка напряжений в арматуре в момент образования трещин при расчете железобетонных элементов в приращениях;

- методика учета конструкционной неоднородности и повреждений в разработанной расчетной модели узла соединении железобетонного и металлического стволов

Останкинской телевизионной башни.

Достоверность научных положений

Достоверность научных положений основывается на обобщении большого объема экспериментально проверенных данных о характеристиках диаграмм деформирования компонент железобетона, использовании в теоретических построениях проверенных гипотез нелинейной теории железобетона и современных технологий разработки программных продуктов с их адаптацией применительно к расчету несущих конструкций с учетом физической нелинейности.

Практическая значимость

Разработанная методика расчета элементов кольцевого сечения по двум группам предельных состояний позволяет учесть в расчетах различные факторы конструкционной неоднородности и физической нелинейности железобетона и повысить надежность и экономичность проектирования широко применяемых на транспорте и в других областях строительства элементов кольцевого сечения.

Предложенная структура программных комплексов с учетом физической нелинейности позволяет расширить возможности и повысить эффективность их работы.

Автором выполнен расчет узла соединения железобетонного ствола Останкинской телевизионной башни с учетом повреждений, полученных в результате пожара, и даны рекомендации, использованные при ее восстановлении.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований и основные положения диссертационной работы докладывались на научной сессии «Компьютерное моделирование и проектирование пространственных конструкций» (Москва, 2001 г.) и на 1-й Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона (Москва, 2001 г.) с соответствующими публикациями докладов в трудах конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав (с соответствующими списками литературы при главах) и заключения. Диссертация изложена на 212 страницах, содержит 174 страниц основного текста, 13 таблиц и 44 рисунка.

Выводы:

1. Элементы кольцевого сечения находят широкое применение в различных областях техники: в виде линий электропередач и внутренних сетей, в мостостроении в виде свай и трубопроводов, телевизионных башен, в транспортном строительстве в виде мостовых опор и опор путепроводов и др.

2. Накоплен существенный опыт экспериментального исследования несущей способности элементов кольцевого сечения и разработки методов их расчета.

3. Несмотря на выполненные экспериментальные и теоретические исследования, многие вопросы по расчету элементов круглого сечения остаются недостаточно исследованными. Так, в расчетах прочности нет увязки в методиках расчета тонкостенных, толстостенных и сплошных элементов кольцевого сечения. Критерии прочности не увязаны с формулами по определению деформаций, которые сами остаются недостаточно разработанными (о чем свидетельствует и тот факт, что в СНиП 2.03.01-84* нет методики по расчету деформаций элементов круглого сечения). Такая же ситуация сложилась и в вопросе расчета ширины раскрытия трещин.

4. Отсутствуют как общая система автоматизированного проектирования элементов кольцевого сечения, так и ее частные приложения к различным областям применения элементов кольцевого сечения (например, в виде телевизионных башен, опор в мостостроении, линий ЛЭП и др.). В большой степени это связано с указанными выше недостатками в методах расчета элементов кольцевого сечения.

Задачи исследования:

1) Разработка единой методики расчета элементов кольцевого и сплошного сечений по двум группам предельных состояний (прочности, жесткости и трещиностойкости) в общем случае напряженного состояния (при изгибе, внецентренном растяжении и сжатии) на основе развития диаграммного подхода.

2) Создания на базе разработанной методики автоматизированной системы проектирования элементов кольцевого и сплошного сечений.

3) Применение разработанной расчетной методики для расчета реальных объектов.

1. Баташев В.М. Исследование прочности и деформации железобетонных элементов кольцевого сечения при изгибе, сжатии и растяжении. М. , Труды института Энергосетьпроект, 1975, № 6, с. 70-86.

2. Columns. "AC I journal", 1970, № 8, v. 67, pp. 620-635.53 . Haupt W. Berechnung der Durchdiegung von

3. Spannbetoniriasten. Bauplanung-Bautechnik, 1966, Bd 20, № 12, s. 588-591.1. ГЛАВА 2

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЕТОНА, АРМАТУРЫ И АРМАТУРЫ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ С ТРЕЩИНАМИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

5. Диаграммы и диаграммные методы в той или иной форме развивались в работах: В.М.Бондаренко, В.Н.Байкова, В.Я.Бачинского, Е.А.Гузеева, А.Б.Голышева, Ю.П.Гущи, П.Ф.Дроздова, Н.И.Карпенко, В.М.Круглова, С.Ф.Клованича,

6. B.И. Мурашева, Н.М. Мулина, Т.А.Мухамедиева,

7. C.А.Мадатяна, В.М.Митисова, Я.М. Немировского,

8. В . Г .Назаренко, J1.JI. Паньшина, А.Н. Петрова, А. Б . Пирадова, Н.Н.Попова, Б.С.Расторгуева, В.П.Чайки, Е.Н.Щербакова и др. Среди зарубежных исследователей можно указать на работы: Saens, EKB, Sinha, Gerstle, Tulin, Kabaila и др.

9. Диаграммы деформирования арматуры в элементах с трещинами обычно строятся на основе теории деформирования железобетонных элементов с трещинами В.И. Мурашева 20.

10. Обзоры отечественных и зарубежных работ по диаграммным методам можно встретить в работах 2, 4, 5, 6, 12, 17, 21, 23, 30, 34.

11. Заметим еще, что существующие методы определения модулей предполагают, что предварительно найдена аналитическая запись диаграммы.

12. Диаграммы деформирования бетона22.1. Анализ предложений по аналитическому описанию диаграммы деформирования бетона

13. Указанные параметры зависят от вида напряженного состояния (сжатие, растяжение, растяжение при изгибе). Характеристики диаграммы представлены на рис. 2.1.

14. Относительные деформации, соответствующие вершине диаграммы, обозначены £ь , при этом

15. Параметры диаграммы исследованы в работе 12.1. Касательная-гг— е, (щ е, = \>\еь)

16. Рис. 2.1. К определению касательных и секущих модулей21.2. Предложение по формированию алгоритмов определения секущих и касательных модулей в функции от уровней напряжений. Результаты численных исследований

17. В д 1 + 0,75АВ/60 + 0,2Л/В ' Еь 0,12+5/60+ 0,25 'где В номер класса бетона по прочности на сжатие, Я — безразмерный коэффициент, зависящий от вида бетона (Л = 1 для тяжелого и мелкозернистого бетона, для легкого Л = £>/2400 , где И - плотность) .

18. В формуле (2.13) Еь принимается в МПа. При задании Еь в кгс/см2, в формуле (2.12) Еъ заменяется на 0,098Еь.1. Табл. 2.1

19. Характеристики нормативных диаграмм деформирования тяжелого бетона

20. Класс бетона <7ь кгс/см2 Еь кгс/см2 Дь, эег МП а Л ¿Я Л п Л ^60,85 ^60,85 ^Ь0,85 ^Ь0,85 ^00,85 ^00,85 И У ¿0,85 * к У ¿0,85 ^0,85 /

21. В-20 153 275000 15 0, 002 0,00202 0,2782 0,2757 1 0,57031 1,305 0,4045 0,5188 0,1394 130,05 0,0009 0,45 0,0034 1,7 0,2166 -0,0843 1,7

22. В-40 296 367000 29 0,0021 0,00211 0,3841 0,3815 1 0,78741 1, 04 0, 611 0,6185 0,2039 251,6 0, ООН 0,5238 0,0034 1,619 0,2973 -0,1463 1,619

23. В-60 438 408000 43 0,0022 0,00234 0,488 0,4584 1 1,0004 0,78 0,8136 0,704 0,2744 372,3 0,0013 0,5909 0,0033 1,5 0,3815 -0,2381 1,51. Табл. 2.2

24. Нормативные диаграммы деформирования бетона при растяжении

25. В-40 21,4 367000 29 8Е-05 0,7284 1 1,4932 0,179 1,2824 0,8655 0,4702 18,19 5,7266Е-05 0,7154 0,0001 1,2492 0,61116 -0,73154 1,249

26. В-60 25,5 408000 43 8,ЗЕ-05 0,753 1 1,5437 0,118 1,3304 0,8795 0,4933 21,675 6,0404Е-05 0,7277 0,0001 1,2048 0,63879 -0,83004 1,2051. Табл. 2.3

27. Нормативные диаграммы деформирования бетона при изгибе

28. Класс бетона А кгс/см2 Еы кгс/см2 Яьс^ег МПа А ** К ¿у; V * V К 0,85 ^¿»0,85 Р 0,85 * ^»0,85 ^0,85 к ¿(0,85 *к V Ь/0,85 ^60,85

29. В-20 14,3 275000 15 0,0001 0,5 1 1,025 0,75 0,837 0,71323 0,28304 12,155 б,1971Е-05 0,5959 0,0002 1,5016 0,3917 -0,252 1,5016

30. В-40 21,4 367000 29 0,0001 0,5 1 1,025 0,75 0, 837 0,71323 0,28304 18,19 6,9492Е-05 0,5959 0,0002 1,5016 0,3917 -0,252 1,5016

31. В-60 25, 5 408000 43 0,0001 0,5 1 1, 025 0,75 0,837 0,71323 0,28304 21,675 7,4485Е-05 0,5959 0,0002 1,5016 0,3917 -0,252 1,5016

32. При растяжении уровень деформации и величина Ры для вершины диаграммы определяются по формулам:1. Va=£b/êb (2.13)0,6 + 0,15^/^),} (2.14)где R0= 2,5 МПа, если &ы принимается в МПа и

33. R0 ~ 25 кгс/см2 , если Rbt.ser принимают в кгс/см2 (для нормативных диаграмм àbt=Rbt,ser ~ см. табл. 12 СНиП 2.03.01-84) .

34. В случае растяжения при изгибе1. П, «0,5.21.3. Методика, определения касательных и секущих модулей бетона в функции от уровней деформаций

35. Представленные в алгоритме ДБН зависимости для vb следуют из решения квадратного уравнения относительно1. Vb'

36. Vl 2vbvb + vl - (v0 - vb )2(l - ад-ад2 ) = 0 (2.15)

37. Это уравнение можно преобразовать к квадратному уравнению относительно уровня деформаций T.d , используя подстановку^ = = (2.16) °ъ Ebvbeb v„

38. Характеристики нормативных диаграмм деформирования тяжелого бетона естественного твердения

39. Класс бетона сжатие растяжение растяжение изгибе прит п *• т * п т п * т * п Л2 п * т * 12

40. В-10 3 2,99100 2,49406 1,4201 2,1783

41. В-15 3,10380 2,54663 1,431 2,0105

42. В-20 2,15482 2,49037 1,4439 1,8915

43. В-25 2,10205 3 2,41215 1,4579 1,8656

44. В-30 2,13268 2,45324 1,4753 3,5 1,7137

45. В-35 2,07284 2,36462 1,5 1,4905 1,6991 2,5 2,381 3,5 2,4436

46. В-40 2,5 2,12557 2,43866 1,5082 1,5884

47. В-45 2,05604 2,33689 1,5227 1,6146

48. В-50 2,09359 2,61819 1,5396 1,6386

49. В-55 2,0558 3,5 2,54279 1,5571 3 1,4802

50. В-60 1,99016 2,41318 1,5764 2,5 1,3882

51. Выражения (2.17), (2.18) отвечают необходимым граничным условиям. Так, из (2.17) при 7.а =0 и Т}(1 =1 соответственно следует

52. Аналогично из выражения (2.18) при находим Уь = Уь.

53. Производные, умноженные на £ь, составят:- на восходящей ветви-Ък + 2п(Уо -Уь\1 -ЪГ --77, Г. (2.19)- на нисходящей ветвие,2.20)

54. Дифференцируя первую зависимость (2.7), находима.