автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическая оценка напряженно-деформированного состояния и упругих структурно-деформативных характеристик бетона

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор методов измерений напряжений в бетоне.

1.1. Методы выявления НДС на поверхности элементов конструкций.

1.2. Методы непосредственного измерения напряжений.

1.3. Предложения по описанию диаграммы деформирования бетона при загружении.

1.4. Постановка задач.

ГЛАВА 2. Методика проведения испытаний.

2.1. Описание образцов.

2.2. Методика проведения испытаний.

2.3. Методики выпиливания на опытных образцах.

2.4. Методика проведения испытаний на натурных конструкциях.

ГЛАВА 3. Результаты испытаний.

3.1. Результаты испытаний лабораторных призм.

3.2. Построение модели поведения бетона под нагрузкой.

3.2.1. Построение двухфакторной модели.

3.2.2. Выбор факторов при моделировании работы бетона.

3.2.3. Регрессионная обработка полученных данных.

3.3 .Выводы по главе.

ГЛАВА 4. Моделирование поведения бетона.

4.1. Компьютерное моделирование влияния роста трещины на деформации бетона.

4.2. Моделирование влияния пористости на деформативные свойства бетона.

4.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. Определение напряжений в натурных конструкциях.

5.1. Описание объектов исследования.

5.2. Результаты испытаний образцов отобранных из конструкций.

5.3. Выводы по главе.

В связи со старением строительных конструкций и уменьшением объемов нового строительства вопросы эксплуатации, обследования и реконструкции начинают приобретать все более важное значение. В большинстве случаев реконструкция экономически выгоднее нового строительства. При этом возникает вопрос оценки технического состояния здания. Правильная оценка технического состояния здания позволяет уменьшить затраты и увеличить сроки эксплуатации зданий.

При обследовании зданий и сооружений возникает несколько задач, в частности, оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций и прогноз их дальнейшего поведения. Полученные при обследованиях с помощью различных методов прочностные характеристики материала сравниваются с фактическими напряжениями, действующими в нем, которые определяются в настоящее время в основном аналитически. Экспериментальное определение НДС натурных конструкций применяется, как правило, в очень ответственных зданиях и сооружениях из-за большой трудоемкости и больших затрат денежных средств.

Наиболее точный и надежный способ получения информации о состоянии бетона является способ извлечения образца из эксплуатируемой конструкции с последующим его испытанием. Диаграмма сжатия бетона, полученная в результате испытаний извлеченного образца, интегрально отражает все структурные изменения, произошедшие в материале за время эксплуатации конструкции. Имея такую диаграмму для оценки общей картины произошедших изменений, необходимо ее сравнить с первоначальной диаграммой работы бетона, полученной по результатам испытаний материала в проектном (например в 28 суточном) возрасте. Результаты изучения диаграмм полученных в проектном возрасте, обычно обобщают и закладывают в Нормы проектирования железобетонных конструкций.

На сегодняшний день для бетона не построена законченная теория деформирования и разрушения. Для аналитического выражения диаграмм сжатия бетона ст = / (е) предлагается много различных, в основном эмпирических, уравнений. Недостатками этих уравнений в большинстве случаев является то обстоятельство, что физическая сущность явления выпадает, преследуется лишь цель внешне описать кривую, в наибольшей степени, отвечающей экспериментам. С другой стороны описание диаграммы деформирования бетона обычно упрощают, используя только два параметра - класс бетона и уровень напряжений. Это не во всех случаях позволяет правильно оценить работу бетона при нагружении. Так искривление диаграммы сжатия бетона объясняется в основном нарастанием неупругих деформаций обусловленных микротрещино-образованием [45, 60, 61]. Микротрещинообразование проявляется уже при сравнительно небольших нагрузках, когда в бетоне начинается процесс постепенного разрушения и разрыхления структуры, в дальнейшем приводящий бетон к разрушению. В тоже время влияние изменения структуры бетона на его деформативные характеристики недостаточно изучено.

Поэтому разработка эффективных способов оценки НДС и выявленияе физических основ деформирования бетона на основе математического анализа экспериментальных данных является актуальной задачей.

Целью работы является разработка метода оценки напряженно-деформированного состояния и изменений упругих структурно-деформативных характеристик бетона, произошедших за время его эксплуатации.

Научную новизну работы составляют:

-результаты анализа экспериментально-теоретических исследований изменения деформативных и прочностных характеристик разных составов бетона при разных режимах загружения;

-модель поведения бетона «ст-s» при осевом сжатии на основе проведенного факторного анализа;

-выводы о влиянии роста магистральной трещины на упругие деформации бетона;

-модель поведения пористого тела для описания структурных изменений бетона и результаты ее анализа;

-методика оценки изменений произошедших в бетоне на основе сравнения экспериментальной диаграммы поведения бетона с моделируемой;

На защиту выносятся:

-результаты анализа экспериментально-теоретических исследований изменения деформативных и прочностных характеристик разных составов бетона при разных режимах загружения;

-предложения по моделированию поведения бетона;

-методика определения фактического напряженно-деформированного состояния существующих железобетонных конструкций;

-метод оценки изменения упругих структурно-деформативных характеристик бетона.

Практическое значение работы:

-представлены предложения по построению модели поведения бетона при различных видах загружения;

-разработана методика определения напряженно-деформированного состояния бетона существующих железобетонных конструкций;

- разработана методика оценки изменений упругих структурно - деформативных характеристик бетона, произошедших за время эксплуатации железобетонных конструкций;

- практическая реализация разработанных методик и модели поведения бетона на примере цехов ЗАО «МРК», ОАО «ММК», ОАО «МКЗ», ОАО «МММЗ» и жилых девятиэтажных домов, серии121, в городе Магнитогорске.

Реализация научных исследований.

Предлагаемые методики оценки напряженно-деформированного состояния и упругих структурно-деформативных характеристик бетона были применены при обследовании объектов ОАО «Магнитогорский металлургический 7 комбинат», ОАО «Магнитогорский калибровочный завод», ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод», ЗАО «Механоремонтный комплекс», ОАО «Комбинат магнезит» г. Сатка.

Основные выводы и результаты

1. Предложен метод, который позволяет не только установить напряженно-деформированное состояние эксплуатируемых железобетонных конструкций, но и оценить изменения состояния материала, произошедшие за время его эксплуатации. Метод основан на полном извлечении образца из конструкции и дает возможность получить полезную дополнительную информацию о бетоне, которая в дальнейшем используется при моделировании его поведения.

2. В результате статистической обработки установлено, что используемая в настоящее время двухфакторная модель поведения бетона (уровень нагружения и прочность) объясняет лишь 60 % исследуемой дисперсии. Введение еще одного структурного фактора позволяет объяснить до 95 % дисперсии и с достаточной для практики точностью (11 %) построить модель поведения бетона на основе косвенных данных.

3. Изучение, с помощью математической модели, влияния роста продольной трещины отрыва на продольные и поперечные деформации бетона показало, что при стандартных испытаниях бетонных призм возможен интенсивный рост только одной магистральной трещины, влияние которой на изменение продольных деформаций мало и не превышает 3,4 %. Изменение поперечных деформаций бетона хорошо описывается ростом магистральной трещины.

4. Предложена структурная модель растворной компоненты бетона, на основе которой получено выражение, описывающее изменение модуля упругости пористого тела за счет уменьшения диаметра поры и роста зоны разруше ния вокруг нее.

5. На основе проведенных исследований разработана «Методика оценки напряженно-деформированного состояния и упругих структурно-деформативных характеристик бетона эксплуатируемых железобетонных конструкций».

6. С помощью разработанного метода определено напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций в действующих цехах ОАО «ММК» и жилых домах г. Магнитогорска и произведено сравнение полученных диаграмм с теоретическими, что подтвердило возможность использования разработанного метода на действующих зданиях и сооружениях.

1. Почтовик Г.Я., Злочевский А.Б., Яковлев А. И. Методы и средства испытания строительных конструкций. - М.: Высшая школа, 1973. - 157 с.

2. Якубовский Б.В., Ермолаев Н.Н., Акридин Д.В. Испытание железобетонных конструкций и сооружений. М.: Высшая школа, 1965. - 275 с.

3. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности. М.: Машиностроение, 1987. - 212 с.

4. Крылов И.А., Глуховский К.А. Испытание конструкций сооружений. -Л.: 1970.-269 с.

5. Павлов П.А. Экспериментальное исследование напряженного состояния каменных и бетонных сооружений. Дис. канд.техн. наук. М., 1955. 155 с.

6. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982. - 295 с.

7. Коршунов Д.А., Сидоренко М.В., Ялов Г.Н. Определение напряжений в бетоне конструкций. // Бетон и железобетон, 1993. №3. - 15 с.

8. Курносов Д.Г. и Якутович М.В. Определение остаточных напряжений методом сверления отверстий ЗЛ, XII, 11-12, 1946 . С. 90 - 96.

9. Михайлов О.Н. Измерение остаточных напряжений методом отверстия с помощью проволочных датчиков, ЗЛ, XIX, 2 1953 г.

10. Мальцев П.В. Измерение напряжений методом сверления // Тр. ин-та / МИИТ им. Сталина, 1950. Вып. 74. - С. 211 - 219.

11. Milbrcdt К.Р. Ring Method Determination of Residual Stresses, PSESA vol IX, 1, 1951.-P. 21 -24.

12. Финк К. Измерение напряжений и деформаций; перевод с нем., Машгиз, 1961.-218с.

13. Миркин Jl.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов: под ред. проф. Я.С. Уманского, М., 1961.

14. Шевченко Г.И. Магнитно-анизотропные датчики. М.: Энергия, 1967.

15. Пашкевич А.А. К вопросу об изменении напряжений в элементах стальных конструкций методом упругой анизотропии // Экспериментальные исследования инженерных сооружений / Материалы к симпозиуму Л., 1965. Вып. I.

16. Кварцхава К.К. Датчик для измерения собственных напряжений в бетоне // Бетон и железобетон, 1981. — № 8. С 26 27.

17. Бинедек Д. Магнитный резонанс при высоких давлениях // Физика твердого тела. Электронные свойства твердых тел. М.: Наука, 1972. Вып. 8. С. 101-110.

18. Гуреев В.В. Оценка напряженно деформированного состояния бетона железобетонных конструкций методом акустической эмиссии. Дис. . канд. тех. наук. -М., 1989.

19. Сагайдак A.M. Применение метода акустической эмиссии для оценки напряженно деформированного состояния сжатых элементов бетонных и железобетонных конструкций. Дис. . канд.тех. наук. -М., 1992.

20. Кравцов В.И., Эйдельман С.Я. Методы непосредственного измерения сжимающих напряжений в бетоне // Известия ВНИИГ, т. 39.

21. Лукаш П.А. Основы нелинейной строительной механики М.: Стройиздат, 1978.-202 с.

22. Столяров Я. В., Введение в теорию железобетона, М.: Стройиздат, 1941. 449 с.

23. Шейкин А.Е., К вопросу прочности, упругости и пластичности бетона // Тр. Ин-та / МИИТ, 1946. Вып. 69.

24. Бондаренко В.М., Шагин A.JI. Расчет эффективных многокомпонентных конструкций. -М.: Стройиздат, 1987. 175 с.

25. Кроль И.С., Красновский P.O. Некоторые вопросы методики определения деформативных характеристик бетона при осевом сжатии // Экспериментальные исследования инженерных сооружений / Сб. науч. тр. М.: Наука, 1973, С. 42-46.

26. Нилендер Ю.А. Механические свойства бетона и железобетона. Справочник проектировщика промышленных сооружений, т. IV «Железобетонные конструкции». ОНТИ, 1935. 813 с.

27. Осташов Н.А. Зависимость деформации материалов от времени действия нагрузки и скорости ее приложения / Науч. сообщение. Академия строительства и архитектуры УССР, 1953.

28. Ящук В.Е. Определение напряжений в упруго-пластических материалах по результатам замеров их деформаций // Экспериментальные исследования инженерных сооружений / Сб. науч. тр. М.: Наука, 1973. - С. 55 - 57.

29. Гениев Г.А. Некоторые задачи расчета стержней при общей нелинейной зависимости напряжений и деформаций / Сб. статей ЦНИИПС. М., Госстройиз-дат, 1954.-Вып. 13.

30. Бачинский В.Я., Бамбура А.Н. Методические рекомендации по уточненному расчету железобетонных элементов с учетом полной диаграммы сжатия бетона. Киев, 1987. 24 с.

31. Байков В.Н., Горбатов С.В., Димитров З.А. Построение зависимости между напряжениями и деформациями сжатого бетона по системе нормируемых показателей. // Изв. вузов. Сер.: Стр-во и архитектура, 1977.- №6. С. 15-18.

32. Гуща Ю.П., Лемыш Л.Л. Расчет деформаций конструкций на всех стадиях при кратковременном и длительном загружении // Бетон и железобетон, 1985.-№ 11.-С.13-16.

33. Безухов Н.И. Основы теории сооружений, материал которых не следует закону Гука // Тр. ин-та / Московский автомобильно-дорожного ин-т, 1936. -Сб. 4.

34. Семенцов С.А. О методе подбора логарифмической зависимости между напряжениями и деформациями по экспериментальным данным // Прочность и устойчивость крупнопанельных конструкций / Сб. тр. М.: Госстройиздат, 1962.

35. Скрамтаев Б.Г., Лещинский М.Ю. Испытание прочности бетона в образцах, изделиях и сооружениях. М.: Стройиздат, 1964.

36. Заикин А.И. Исследование несущей способности и деформативности внецентренно сжатых с малыми эксцентриситетами элементов из бетона высокой прочности. Дис. . канд.тех. наук. Л., 1972. - 136 с.

37. В.В. Михайлов Расчет прочности нормальных сечений изгибаемых элементов с учетом полной диаграммы деформирования бетона.// Бетон и железобетон, 1993.-№3.-С. 26.

38. ЕКБ-ФИП. Международные рекомендации для расчета и осуществления обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций. М., НИИЖБ Госстроя СССР, 1970.

39. Узин И.А. Расчет прочности и деформативности железобетонных элементов с учетом неравномерности распределения деформаций// Изв. вузов. Строительство. 1998. - № 4-5, С. 9 - 14.

40. Мурашкин Г.В., Мурашкин В.Г. Моделирование диаграммы деформирования бетона и схемы НДС // Изв. вузов. Сер.: Стр-во и архитектура, 1997.- № 10.-С.4-6.

41. Мурашкин Г.В., Алешин А.Н., Гимадетдиков К.И. "Тяжело нагруженные полы из бетона, твердеющего под давлением 7/ Изв. вузов. Строительство, 1995 -№> 12.-С. 136-139.

42. СНиП 2.03.01-84 Бетонные и железобетонные конструкции М.: Стройиздат, 1985.-С.18.

43. Берг О. Я. Физические основы прочности бетона и железобетона. — М.: Госстройиздат, 1962. — 95 с.

44. Макаренко Л.П., Фенко Г.А. Практический способ определения модуля упругости и упруго-пластических характеристик бетона при сжатии // Изв. вузов. Сер.: Стр-во и архитектура, 1970.- №10. С. 141 -147.

45. Павлов С. П., Исследование оптимальных и предельных величин обжатия бетона предварительно напряженных железобетонных конструкций: Дис. . канд. техн. наук. М., 1968.

46. Чистяков Е. А., О модуле упругости бетона при сжатии // Особенности деформаций бетона и железобетона и использование ЭВМ для оценки их влияния на поведение конструкций /Сб. тр. НИИЖБ под ред. А. А. Гвоздева и С. М. Крылова М.: Стройиздат, 1969.

47. Бабич Е.М., Крусь Ю.А., Гарницкий Ю.В. Новые аппроксимации зависимости «напряжения деформации», учитывающие нелинейность деформирования бетонов // Изв. вузов. Сер.: Стр-во и архитектура, 1996. - № 2. - С. 39 - 44.

48. Бондаренко В.М. Некоторые вопросы нелинейной теории железобетона. -Харьков, ХГУ, 1968. 324 с.

49. Глаговский Б.А., Пивен И.Д. Электротензоментры сопротивления // Изд. Энергия, 1972. 85 с.

50. Хетагуров А.Т. О структурно-реологической модели бетона // Строительные конструкции 2000 / Сб. материалов всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. М., МГСУ, 2000. ч.1. - С. 109 - 112.

51. Квирикадзе О. П. Определение начального модуля упругости бетона. // Бетон и железобетон, 1982. — № 1. С. 33.

52. Квирикадзе О. П. Эмпирические формулы для определения начального модуля упругости мелкозернистого бетона на песке с модулем крупности свыше 2,0: Ил. // Строительство. Архитектура. Тбилиси: ГрузНИИНТИ, 1987. -№7.-С. 7.

53. Квирикадзе О. П. Эмпирические формулы для определения начального модуля упругости мелкозернистого бетона для групп Б и В // Изв. вузов. Сер.: Стр-во и архитектура, 1988. № 8. - С. 112 - 115.

54. Квирикадзе О. П. Интерполяционные формулы для определения начального модуля упругости бетона. // Бетон и железобетон, 1990. — № 4. С. 36.

55. Несветаев Г.В. К вопросу определения основных констант деформирования бетона // Изв. вузов. Строительство, 1999. №5. - С. 136 -137.

56. Матаров И.А. Напряжения и деформации железобетонных мостовых конструкциях. М.: Транспорт, 1973. 172 с.

57. Справочник проектировщика промышленных сооружений: В 4 т. М -JL: Гл. ред. строительной лит-ры, 1935. - Т. 4. - 804 с.

58. Зайцев Ю.В Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения М.: Стройиздат, 1982. 196 с.

59. Проектирование железобетонных конструкций: справочное пособие / А.Б. Голышев, В .Я. Бачинский, В.П. Полищук, А.В. Харченко, И.В. Руденко; Под ред. А.Б. Голышева. Киев: Будивэльнык, 1990. - 542 с.

60. Катин Н.И., Исследование ползучести бетона при высоких напряжениях, в книге // Исследование свойств бетона в железобетонных конструкциях. М.: Госстройиздат, 1956.

61. Яшин А.В. Ползучесть бетона в раннем возрасте // Исследование свойств бетона и железобетонных конструкций. М.: Госстройиздат, 1959. - Вып. 4.

62. Арутюнян Н.Х., Некоторые вопросы теории ползучести, Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952.

63. Арутюнян Н.Х., Ползучесть стареющих материалов. Ползучесть бетона -В кн.: Механика СССР за 50 лет. Т.З, М., Наука, 1972. С. 155 - 202.

64. Александровский С.В. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменение температуры и влажности с учетом ползучести. М.: Стройиздат, 1973.

65. Бугаенко С.В., Чеботков А.И., Скоробогатов С.М., Куршпель А.В. Неоднородность свойств старого бетона. Строительство и образование: Сб. науч. тр. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. - Вып. 4. - С. 84 - 85.

66. Методика по определению прочностных и деформативных характеристик бетонов при одноосном кратковременном статическом сжатии: МИ II 74. -М.: Изд-во стандартов, 1975. - 78 с.

67. Гмурман В.Е. Теория вероятности и математическая статистика. М.: Высш. шк., 1972. - 367 с.

68. Девятченко Л.Д. Главные компоненты информационных матриц. Введение в факторный анализ. Магнитогорск, 2000. 95 с.

69. Благуш П. Факторный анализ с обобщениями. М.: Финансы и статистика, 1989.-248 с.

70. Браверман Э.М., Мучник И.Б. Структурные методы обработки эмпирических данных. М.: Наука, 1983. - 464 с.

71. Хартман Г. Современный факторный анализ. М.: Статистика, 1972. -488 с.

72. Львовский Е.Н. Экспериментально-статические исследования прочностных и деформативных характеристик бетона // Экспериментальные исследования инженерных сооружений / Сб. науч. тр. М.: Наука, 1973. - С. 34 - 42.

73. Гузеев Е.А., Леонович С.Н., Милованов А.Ф., Пирадов К.А., Сейланов Л.А. Разрушение бетона и его долговечность. Минск, 1997. 170 с.136

74. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973.-391 с.

75. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятности и математической статистики. М.: Наука, 1969. 512 с.

76. Болыпев J1.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1965. 464 с.

77. Кодекс образец ЕКБ - ФИП для норм по железобетонным конструкциям: Пер. с фран. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1984. - Т. 11. - 240 с.

78. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. М.: Госстрой России, 2000. -16 с.

79. Cowen Н., Inelastic Deformation of Concrete, "Engineering", vol. 171, № 4518, 1952.

80. Шейкин A.E., Чеховской Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементного камня. М.: Стройиздат, 1979.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

81. Внедрение разработанной методики позволило получить экономический эффект в размере 369406 руб. для сталелитейного отделения.

82. От Магнитогорского От ЗАО «МРК»технического университета начальник бюро производственногоим. Г.И. Носоваруководитель темы к.т.н., доц.1. Варламов А.А.согласовано: эектор по на1. Харитонов В.А. 2002 г.1. Утверждаю:1. Директор /ЗАО «МММЗ»

83. Дубровский Б. А. fP 2002 г.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

84. Внедрение разработанной методики позволило получить экономический эффект в размере 48636 руб.

85. От Магнитогорского технического университетаруководитель темы к.т.н., доц.1. От ОАО «МММЗ»

86. Зам. начальника УКС к.т.н., доц.Л1. Харин Л. А.