автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Метод определения критического коэффициента интенсивности напряжения бетона эксплуатируемых железобетонных конструкций

КОНТРОЛЬНЫЙ

ЧСЗЕхШЛЯР

Круциляк Михаил Михайлович

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА

ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ БЕТОНА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания

и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0046ЙЬЙУ

Магнитогорск - 2010

004606891

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: Варламов Андрей Аркадьевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - ОАО «НИЦ«Строительство», г. Москва

Защита состоится «07» июля 2010 г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.298.08 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябиск, пр. Ленина, 76. ауд. 1001

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ¿У » _2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ивашенко Юлий Алексеевич

ГОУ ВПО «ЮУрГУ» г. Челябинск

кандидат технических наук, доцент Куршпель Владимир Хрисанфович ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» г. Екатеринбург

доктор технических наук, профессор

Трофимов Б.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Несмотря на то, что бетон и железобетон являются основными строительными материалами, до настоящего времени не существует законченной теории их деформирования и разрушения.

Известно, что явление разрушения бетона и железобетона представляет собой сложный многоступенчатый процесс появления, роста и развития трещин. Отсюда возникает необходимость изучения бетона и железобетона с позиций механики разрушения, которая в широком смысле этого понятия включает в себя ту часть науки о прочности материалов и конструкций, которая связана с изучением несущей способности тела с учетом начального распределения трещин, а также с изучением различных закономерностей их развития.

Критический коэффициент интенсивности напряжений К.1С (МПа-м1Л) при нормальном отрыве (в последующем ККИН), одна из основных механических характеристик конструкционных материалов, которая характеризует сопротивление материала образованию и развитию трещин.

На сегодняшний день затруднительно экспериментально определить характеристики трещиностойкости эксплуатируемых конструкций. Для определения ККИН необходимо извлечение образцов из конструкции для испытаний, что в подавляющем большинстве случаев дорого или не представляется возможным. Имеющиеся опытные данные о сопротивлении бетона распространению трещин относятся в основном к лабораторным образцам. Перенос значений опытных данных, на эксплуатируемые конструкции в большинстве случаев пока невозможен. В связи этим сегодня выдвигаются гипотетические модели развития систем трещин и тре-щиноподобных дефектов, на которых строится прогнозирование долговечности и оценка технического состояния железобетонных элементов.

Поэтому разработка метода определения К^ в реальных конструкциях является актуальной.

Цель работы: разработка методики определения ККИН эксплуатируемых конструкций при статическом загружении.

Объект исследования: эксплуатируемые бетонные и железобетонные конструкции.

Предмет исследования: критический коэффициент интенсивности напряжений.

Научную новизну работы составляют:

- Экспериментальный метод, заключающийся в отломе «углового» сегмента, который позволяет более точно определять значение ККИН бетона эксплуатируемых конструкций при статическом на-гружении.

- Закономерности, описывающие влияние ряда изученных факторов (масштабный, геометрический, наличие арматуры) на определение ККИН при отломе «углового» сегмента.

Практическое значение работы:

- Метод определения ККИН на эксплуатируемых конструкциях.

- Методика определения ККИН применена при обследовании объектов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Магнитогорский калибровочный завод», ЗАО «Механоремонтный комплекс» г. Магнитогорск.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы представлялись в виде докладов и тезисов на научных семинарах, заседаниях и конференциях:

- Научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2003 - 2006 гг., Магнитогорск, 2003-2006.

- Ш-1У Международная научно-практическая Интернет-конференция «Состояние современной строительной науки», Полтава, 2005-2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ в научных журналах, сборниках статей и материалах конференций, в том числе 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем 140 страниц машинописного текста, включая 72 рисунка и 37 таблиц. Список литературных источников содержит 90 наименования.

На защиту выносятся:

- Метод определения ККИН в лабораторных условиях и на эксплуатируемых конструкциях.

- Результаты экспериментальных исследований по определению ККИН.

- Результаты статистического анализа взаимосвязи ККИН с геометрическими и силовыми факторами.

- Методика определения ККИН на эксплуатируемых конструкциях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, изложены цели и задачи исследований, проведенных в работе над диссертацией, и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены результаты исследований трещино-стойкости и долговечности квазиоднородных и композитных материалов.

Вопросом определения трещиностойкости посвящены работы А. Гриффитса, Р. Ирвина, Е. Орована, Д. Райса, Я.Б. Фридмана, Г.И. Ба-ренбланта, Д.С. Дагдейла, A.A. Уэллса, В.Э. Партона, А. Эванса, Г.П. Черепанова, Л.П. Трапезникова, М.Я. Леонова, В.В. Панасюка, Ю.В. Зайцева, А.Б. Пирадова, К.А. Пирадова, Е.А. Гузеева, Н.И. Карпенко, Р. Мамажанова, С.Н. Леоновича, В.А. Перфилова и других исследователей.

В главе рассмотрены основные подходы и критерии разрушения материалов (энергетический подход, критерий предельных напряжений, деформационный критерий, кинетический критерий). Так же приведены известные методы, и схемы проведения испытаний, с помощью которых определяли и определяют характеристики трещиностойкости.

На сегодняшний день ГОСТ 29167-91 «Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении», является единственным нормативным документом Российской Федерации, где рассмотрены все предлагаемые методы определения ККИН и других характеристик трещиностойкости на лабораторных образцах.

Систематизированы и представлены ранее изученные факторы, влияющие на ККИН. Среди них: масштабный эффект, влияние крупности заполнителя, влияние длины трещины (надреза), влияние ширины и геометрии надреза, влияние водоцементного отношения, влияние возраста цементного камня и бетона в момент испытания, влияние воздушных пор в цементном камне и бетоне, влияние напряженного состояния.

В результате анализа приведенных методик и критериев определения ресурса работы материалов было выделено два подхода. В первом случае ККИН определяется по методике предлагаемой ГОСТ 29167-91. Во втором, ККИН вычисляется на основании модельных схем развития, объединения, локализации системы трещин их классификации по видам и относительному количеству в объеме при начальной концентрации.

В ряде специфических условий эксплуатации конструкций, нельзя с полной мерой надежности определять существующими методами характеристики трещиностойкости с дальнейшим их прогнозом развития.

В связи с вышеизложенным были поставлены следующие задачи:

1. Разработать метод определения ККИН бетона эксплуатируемых конструкций;

2. Изучить основные факторы, влияющие на определение ККИН;

3. Отработать метод на лабораторных образцах;

4. Разработать методику определения ККИН бетона на эксплуатируемых конструкциях;

5. Определить ККИН бетона на эксплуатируемых конструкциях.

Вторая глава содержит сведения об исходных материалах и опытных образцах, методике проведения экспериментальных исследований.

Опытные образцы были изготовлены в лаборатории кафедры «Строительные конструкции» ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова». Размеры образцов и пропилов в образцах для трехточечного изгиба соответствовали требования ГОСТ 29167-91. Для изготовления образцов использовали составы бетонов, которые были подобранны с помощью трехуровневого плана эксперимента. Класс бетона образцов находился в пределах В12,5-ьВ60. Всего было изготовлено 64 призмы размером 100x100x400 мм, 18 железобетонных призм размером 100x100x400 мм с арматурой класса А-Ш диаметром 014-н25 мм, 33 призмы размером 150x150x600 мм и 84 куба размером 100x100x100 мм.

В главе представлена методика проведения испытаний на трехточечный изгиб на специально изготовленной установке (рис. 1), позволяющей получить полную диаграмму поведения бетона, включая ниспадающую ветвь.

Отличительной особенностью изготовленной установки от предлагаемой ГОСТ 29167-91, было то, что она была расположена в горизонтальной плоскости. Тем самым испытываемый образец воспринимал нагрузку в горизонтальном направлении, беспрепятственно деформировался и не испытывал влияния собственного веса. Загружение образцов происходило по жесткой схеме.

Рис. 1 Схема экспериментальной установки 1-силовая рама; 2- силовой винт; 3- шарнирно подвижная опора; 4- шарнир-но неподвижная опора; 5- индикатор часового типа; 6- динамометр; 7- образец; 8- шарнир; 9- распределительная пластина; 10- поддон; 11- шарики; 12- опоры для динамометра.

Для определения ККИН на эксплуатируемых конструкциях разработан метод, заключающийся в отломе «углового» сегмента (рис.2).

Рис.2.Схема проведения испытаний на эксплуатируемой конструкции 1-металлический уголок; 2 - рычаг; 3 - индикатор часового типа; 4 - испытываемый образец (элемент конструкции); 5 - продольные пропилы; б - поперечные пропилы.

Для нахождения ККИН, при помощи алмазного диска выполняли продольные и поперечные пропилы, после чего к обособленному «угловому» сегменту приклеивали металлические уголки. Для измерения приложенного момента использовали индикатор часового типа с ценой деления 0,001 мм.

Для теоретического определения ККИН, были определены математические модели физического эксперимента для трехточечного изгиба и отлома «углового» сегмента. Для расчета использовали программный комплекс SCAD 7.31 R3. Для вычисления ККИН в обеих математических моделях анализировали растягивающие поля напряжений у вершины трещины. Значение ККИН вычисляли, используя формулу Ирвина.

В третьей главе приведены результаты испытаний призм на сжатие и на трехточечный изгиб. В результате испытаний на трехточечный изгиб были получены полностью равновесные диаграммы деформирования бетона (рис.3), по которым согласно ГОСТ 29167-91 вычисляли ККИН.

3000

2500

® 2000 се bí

£ 1500 &

J<g 1000

500 0

0 50 100 150 200

Перемещения^* 105 м

Рис. 3 Характерные результаты испытаний

Одновременно с этим ККИН был определен с помощью J-интеграла и по формуле Д. Броека. Полученные результаты были сопоставлены с данными полученными другим исследователями (рис. 4).

20 30 40 50

Класс бетона

♦

О

Круцпляк М.М.

Трехточечный изгиб J - интеграл

Формула Д. Ирвина (МКЭ) Формула Д. Броека

Линия тренда (Трехточечный изгиб)

Линия тренда (1 - интеграл) Линия тренда (Формула Д. Ирвина (МКЭ)) Линия тренда (Д. Броека)

К.А. Пирадов, Е.А. Гузеев

■Ф— Трехточечный изгиб

Рис.4 Графики зависимости Яь-К^

Результат сравнения показал расхождение, не превышающее 12 % с данными полученными другими исследователями. Математическая модель трехточечного изгиба показала, что она хорошо описывает экспериментальные данные. Поэтому в расчетной схеме «углового» сегмента использовали те же параметры моделирования как в трехточечном изгибе. Отлом «углового» сегмента производили на половинках образцов, испытанных на трехточечный изгиб. Результаты, полученные при отломе «углового» сегмента, представлены на рис. 5._

О -I-----I-------1

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

_Класс бетона_

♦ Трехточечный изгиб ■ Отлом углового сегмента

—Линейный (Отлом углового сегмента) — ■ Линейный (Трехточечный изгиб)

Рис. 5 Сравнение результатов эксперимента

По результатам испытаний, используя ПК «STATISTICA» (фирма-производитель StatSoft ® Inc., USA), была выведена регрессионная зависимость (с обеспеченностью 0,95) для определения ККИН:

К1с = 0,666 + 0,00183М - 5,2066 - 4,415/, МПа^м0'5,

где М - разрушающий момент (Н-м); Ъ - расстояние между поперечными пропилами (м); / - расстояние между кончиками продольных пропилов (м).

За эталонные параметры пропилов приняты: глубина продольных пропилов 10 мм; расстояние между поперечными пропилами 50 мм; расстояние от продольного пропила до ребра образца, на обеих гранях 45 мм.

Используя данный метод в производственных условиях, зачастую из-за различных факторов и условий, невозможно выдержать все требования по эталонным параметрам пропилов. Вследствие чего были изучены основные отклонения от этих параметров.

На рис.66 представлены результаты испытаний по исследованию влияния ширины используемого уголка на определение ККИН. При этом значения Ы и b изменялось от 50 мм до 100 мм с шагом 10 мм (рис.б.а).

а) б)

Рис. 6. Влияние отношения Ь/Ь1 на определение ККИН

Как видно из результатов испытаний ширина металлического уголка оказывает существенное влияние на значение ККИН. Для кор-

рентного определения ККИН необходимо чтобы отношение Ъ/Ы находилось в пределах 1^-1,3. Стоит отметить, что при испытании бетона класса В25 и ниже лучше всего использовать более высокое значение Ъ. Во время проведения испытаний усилие от веса рычага может быть достаточным для отлома «углового» сегмента. В таблице приведены рекомендуемые значения Ъ для различных классов бетона.

Рекомендованные расстояния между поперечными пропилами Ь

Класс бетона 12,5 15 25 30 35 40 45 50 60

Ь, мм 100 70-100 70-100 50-70 50-70 50-70 50 50 50

На рис.7а представлен график изменения значения ККИН в зависимости от отклонения угла наклона плоскости отлома, от принятого за эталонный. Отклонение плоскости отлома выполняли путем изменения глубины одного из продольных пропилов (рис. 76). При осуществлении эксперимента было предусмотрено два варианта отклонения плоскости. В первом глубина продольного пропила постоянно увеличивалась (положительное значение а), во втором - постоянно уменьшалась (отрицательное значение а).

а) б)

Рис. 7. Влияние угла наклона плоскости отлома

Кю - ККИН полученный при одинаковой глубине двух продольных пропилов (эталонный). К^ - ККИН полученный при соответствующем угле отклонения плоскости отлома.

Результаты математического моделирования различных углов

наклона продольных пропилов, представлены на рис.8. За эталонное значение ККИН принята величина, которая получена при значениях углов р1=р2=135°.

5 о4

I ^

i S

1 g а п

й к

6 S

S-g

14 12 10 8 6 4 2 0

-

/ \ /

4 \ /

/ - - \ / *

/ - - \ /

* /

* *

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Угол наклона ß, град

а) —

б)-в)......

Рис.8. Влияние угла наклона продольного пропила

Во время моделирования были рассмотрены три варианта схем углового сегмента при изменении угла наклона продольного пропила. Так первая схема рассматривала случай когда, угол наклона 02 изменялся в диапазоне от 90 до 180 градусов, в то время как угол второго продольного пропила pi оставался постоянным и составлял 135 градусов. Направление действия разрушающего момента было таким, чтобы магистральная трещина начала свое зарвитие со стороны пропила выполненного под углом [32 (рис.8а). Вторая схема идентична первой, но разрушающий момент прикладывали в противоположном направлении, т.е. магистральная трещина начинала свое развитие со стороны пропила выполненного под углом Р2 (рис.8б). В третей схеме, углы наклона Р1 и (32 были равны друг другу, при этом направление действия разрушающего момента не имело значение. Угол наклона пропилов варьиро-

вали в диапазоне от 90 до 180 градусов (рис.8в).

В результате исследования влияния арматуры при отломе «углового» сегмента и проведенного факторного анализа полученных экспериментальных данных получена поправочная поверхность, В случае если в площадь отлома попадает арматура, то значение поправки на величину ККИН рекомендуется определять, используя горизонтальную проекцию поверхности (рис.9).

Рис. 9. Поверхность и её проекция на горизонтальную плоскость ХУ.

Кю - ККИН полученный при отсутствии арматуры в площади отлома.

Кь - ККИН полученный при попадании арматуры в площадь отлома.

Было изучено влияние различных климатических условий на ККИН. Были рассмотрены три варианта условий окружающей среды: первый - 1=20 С0, ф=60%; второй - 1=20 С0, <р=100%; третий - г = -20 С0, ф=60%. Испытания проводили по двум алгоритмам. В первом алгоритме образцы с выполненными пропилами находились в рассмотренных климатических условиях 24 часов. Во втором алгоритме, после нахождения образца 24 часа в рассмотренных условиях, выполнялись пропилы, после чего сразу производили отлом «углового» сегмента. В результате проведенного эксперимента был сделан вывод о том, что временной промежуток в 24 часа не оказывает ни какого влияния на ККИН при рассмотренных климатических условиях.

Ш -0.396 Ш -0.373 ШЗ -0.351 ЕШ -0,328 Г~1 -0,305 О -0.283

Н -0.237 Ш -0.215 ■1 -0.192 Ш -0.169 И -0.147 ШЗ -0.124

ЕШ -0.101 cm -0,079 О -0.056 ЕШ -0,033

■I -0.011 ■1 0.012 В 0.035 Ш 0.057 Ш 0.08 ШЗ о.юз Ш 0.125 CD 0.148 О 0,171 EHJ 0.193 И 0.216 ЕЯ 0,239 Ш 0,261

■1 above

Четвертая глава содержит систематизированную информацию по проделанной работе - это методика определения параметров трещи-ностойкости бетона на эксплуатируемых конструкциях. Приведены результаты измерения ККИН однотипной конструкции со сроком эксплуатации 34,25,20,15,10 и 3 года.

Методика определения параметров трещиностойкости состоит из: описания испытательного оборудования, требований по выполнению «углового сегмента», алгоритма определения ККИН и поправочных графиков (закономерностей) для определения ККИН.

Требования, предъявляемые к выполнению «углового сегмента»:

1. Расстояние между кончиками продольных пропилов / должно составлять 60 мм.

2. Расстояние от ребра образца до продольного пропила, hl= h2 должны быть равны 45 мм.

3. Рекомендованная глубина продольных пропилов tl=t2= 10 мм.

3.1 Допускается изменять глубину одного продольного пропила в пределах ¿2=2+20 мм, при глубине второго //=10 мм. В этом случае магистральная трещина должна начать свое развитие с пропила tl. При этом требование №2 опускается, но должно соблюдаться требование №1: I -60 мм.

4. Угол наклона продольных пропилов (Р) должен составлять 135° по отношению к плоскости отлома, т.е. 90° к грани элемента.

4.1 Допускается изменение угла наклона одного продольного пропила в диапазоне р=90°+180° при, этом угол второго продольного должен составлять Р= 13 5°, либо оба угла наклона пропилов должны быть равны друг другу в диапазоне 90 -=- 180°. При этом не имеет значение с конца какого пропила начнет развитие магистральная трещина.

5. Расстоянием между поперечными пропилами должно составлять ¿=50+100 мм.

6. Угол наклона поперечных пропилов должен составлять 90° к граням элемента.

7. Отношение расстояния между поперечными пропилами Ъ к ширине используемого металлического уголка Ы должно быть в интервале 1+1,3.

8. Расстояние от кончика продольного пропила до арматуры 11, со стороны, где начнет развитие магистральная трещина, должно составлять не менее 10 мм.

9. В случае если в площадь отлома попадает арматура, то поперечные пропилы огибают арматуру, обеспечивая обособленность «углового сегмента» от основного тела бетона.

Алгоритм определения ККИН

Т

Нет

Да

(11) Конец

Данный алгоритм применим в не агрессивных средах. В агрессивных средах действия (5) и (6) меняются местами. Промежуток времени между действиями (5) и (7) не должен превышать 24 часов.

Представленная рекомендация №1, обусловлена требованиями ГОСТ 29167-91 по длине начальных надрезов в призме прямоугольного сечения для испытаний на изгиб. Так расстояние между начальными пропилами в призме с максимальным размером зерна заполнителя 510мм, составляет 60 мм. Рекомендации №№2, 3 обеспечивают соблюдение данного требования.

В случае если максимальный размер зерна заполнителя не попадает в данный диапазон (5-10 мм), то значения геометрических параметров представленных в рекомендациях №№1, 2, 3 изменяется в соответствии с табличными требованиями ГОСТ 29167-91.

В Приложении представлен пример расчета долговечности железобетонной балки в крупнопанельном жилом доме. Расчет выполнен согласно предложенному К.А. Пирадовым способу расчета долговечности железобетонных конструкций. Вычисленное значение ККИН при отломе «углового» сегмента оказалось на 25% меньше, чем значение ККИН найденное по таблицам в зависимости от прочности растворной части бетона и объемного содержания заполнителя.

Основные результаты и выводы работы

1. Разработан новый метод, который позволяет определять ККИН тяжелых бетонов классов В12,5+В60 на эксплуатирующихся элементах железобетонных конструкций при статическом нагружении, заключающийся в образовании с помощью алмазного диска «углового» сегмента с последующим его отломом. Использование метода позволяет повысить точность определения ККИН и тем самым повысить точность расчетов: несущей способности, прогибов, ширины раскрытия трещины, долговечности и многих других, которые позволяет выполнять аппарат механики разрушения.

2. Изучены основные факторы, влияющие на определение ККИН при отломе «углового» сегмента. Результаты исследований факторов показали, что отклонения от масштабных, геометрических параметров и наличие арматуры в площади отлома, могут влиять на значение ККИН до 39,6%. В связи с этим были получены новые закономерности представленные в виде поправочных функций. Полученные за-

кономерности позволяют определять ККИН в более широком диапазоне масштабных, геометрических и конструктивных (наличие арматуры) параметров, тем самым увеличить возможности использования разработанного метода. Исследование влияния промежутка времени между выполнением пропилов и отломом «углового» сегмента показало, что временной промежуток в 24 часа не оказывает влияния на значение ККИН.

3. Сравнение результатов полученных с помощь разработанного метода с известным методом трехточечного изгиба показало различие в среднем 2,7%. В абсолютном выражении величина ККИН разработанного метода оказалось на 0,02 МПа-м1/2 больше по сравнению с трехточечным изгибом во всем исследуемом диапазоне бетонов. Установленная теснота взаимосвязи с данными известных исследователей (коэффициент детерминации - 0,9397) показала состоятельность данного метода для применения его как в лабораторных условиях так и на эксплуатирующихся конструкциях.

4. Разработана методика определения ККИН на эксплуатируемых конструкциях состоящая из описания оборудования, требований предъявляемых к геометрическим параметрам при выполнения «углового» сегмента, алгоритма определения ККИН и поправочных функций (закономерностей).

5. Разработанный метод экспериментально апробирован на однотипных эксплуатируемых железобетонных конструкциях имеющих возраст от 1 года до 34 лет. Выявлено уменьшение ККИН во времени в 1,7 раза за 34 года.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Девятченко Л.Д. Варламов A.A. Круциляк М.М. Оценка эффективности управления характеристиками качества бетона методом канонической корреляции.// Математика. Приложение математики в экономических, технических и педагогических исследованиях: Сб. науч. тр. под ред. М.В. Бушмановой. Вып. 2. - Магнитогорск, 2004. - С. 156 - 162.

2. Круциляк Ю.М. Круциляк М.М. Варламов A.A. Определение силовых и энергетических характеристик трещиностойкости бетона // Бетон и железобетон в Украине, №3,2006.- с. 18-23.

3. Круциляк М.М Варламов A.A. Методика определения характеристик трещиностойкости бетона.// Предотвращение аварий зданий и

сооружений: Межвуз. сб. науч. тр. под ред. К.И. Еремина - Магнитогорск, 2005. - С. 93-102.

4. Круциляк М.М Определение характеристик трещиностойкости бетона при помощи моделирования.// Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - Магнитогорск, 2005. - С. 69-71.

5. Круциляк Ю.М. Круциляк М.М. Варламов A.A. Определение силовых характеристик трещиностойкости бетона на существующих конструкциях.// Состояние современной строительной науки - 2006: сб. науч. тр. -Полтава: Полтавский ЦНТЭИ. -2006. - С.273-275.

6. Варламов A.A., Круциляк Ю.М., Круциляк М.М. Влияние арматуры на определение критического коэффициента интенсивности напряжения. // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. тр. под ред. К.И. Еремина - Магнитогорск, 2007. - С. 136 - 140.

7. Круциляк М.М., Чагов A.B., Морозов C.B. Способы определения характеристик трещиностойкости. // Предотвращение аварий зданий и сооружений: Сб. науч. тр. под ред. К.И. Еремина - Магнитогорск, 2007. - С. 188-192.

8. Круциляк М.М., Круциляк Ю.М., Варламов A.A. Способ определения характеристики трещиностойкости бетона // Бетон и железобетон, №1, 2008.-с.20.

9. Пат. 2324916 Российская Федерация, МПК7 G 01 N 3/00. Способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии / Варламов A.A., Круциляк Ю.М., Круциляк М.М.; заявитель и патентообладатель Магнитогорск, гос. техн. ун-т. им. Г.И. Носова. -№2006137985/28; заявл. 27.10.2006; опубл. 20.05.08, Бюл. №14. -7с.: ил.

Подписано в печать 17.05.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 385

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 Обзор теорий трещиностойкости и долговечности бетона.

1.1 Энергетический подход к разрушению материалов.

1.2. Критерий предельных напряжений.

1.3 Деформационный критерии разрушения.

1.4 Кинетический критерий разрушения.

1.5 Методы и схемы проведения испытаний для определения К1С.

1.6 Влияние различных факторов на К^ и Сг/с.

1.7 Методики и критерии определения ресурса работы материала.

1.8 Цель работы. Постановка задач.

Глава 2 Методика проведения испытаний.

2.1 Описание образцов.

2.2 Методика проведения испытания.

2.3 Моделирование физического эксперимента с помощью метода конечных элементов.

Глава 3 Результаты испытаний и моделирования.

3.1 Результаты испытаний на трехточечный изгиб.

3.2 Результаты испытаний при отломе углового сегмента.

3.3 Результаты испытаний при отломе углового сегмента с арматурой.

3.4 Факторный анализ полученных данных.

3.5 Регрессионная обработка полученных данных.

3.6 Факторы, влияющие на определение ККИН при отломе углового сегмента.

3.7 Выводы по главе.

Глава 4 Оценка долговечности эксплуатируемых железобетонных. элементов на основе"определения характеристик трещиностойкости.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

Несмотря на то, что бетон и железобетон являются основными строительными материалами, до настоящего времени не существует законченной теории их деформирования и разрушения. Сложность проблемы обусловлена многокомпонентно-стью бетона, влиянием свойств составляющих его материалов, поэтому важным является выбор критериев, которые могли бы комплексно охарактеризовать основные параметры бетона. В связи с этим многие важные вопросы расчета бетонных и железобетонных конструкций решаются с использованием эмпирических или полуэмпирических зависимостей [27].

Известно, что явление разрушения бетона и железобетона представляет собой сложный многоступенчатый процесс появления, роста и развития трещин. Отсюда возникает необходимость изучения бетона и железобетона с позиций механики разрушения, которая в широком смысле этого понятия включает в себя ту часть науки о прочности материалов и конструкций, которая связана с изучением несущей способности тела с учетом начального распределения трещин, а также с изучением различных закономерностей их развития.

Одна из важных задач, возникающих при проектировании бетонных и железобетонных конструкций связана с учетом влияния трещин на работу конструкции. При этом чаще всего бывает необходимо либо определить размеры ожидаемых трещин, либо оценить несущую способность конструкции, имеющей трещины. В экспериментальной механике разрушения определяют следующие основные силовые — в терминах коэффициентов интенсивности напряжений (К), энергетические - в терминах удельные энергозатраты (О) и джей-интеграл (У), характеристики трещиностойкости. Критический коэффициент интенсивности напряжений' К1с (МПа-М1/2) обычно одна из основных- механических характеристик конструкционных материалов.- Использование понятия критического коэффициента интенсивности напряжений предполагает, что материал везде, кроме малой области вблизи устья трещины, является линейно упругим, однородным и изотропным.

Целью механики разрушения является выяснение условий разрушения тел различной формы, работающих под действием заданных нагрузок в определенных внешних условиях. Механика разрушения содержит, таким образом, два направления:

1, Построение континуальных моделей разрушения на основе экспериментальных данных и общих теоретических соображений.

2. Решение с помощью этих моделей соответствующих задач.

В железобетонных элементах трещины могут быть вызваны условиями твердения и усадки бетона, предварительным внецентренным обжатием при изготовлении, перенапряжением материалов при эксплуатации в результате перегрузки, осадки опор и т.д. Трещины в растянутых зонах элементов, незаметные на глаз, появляются даже в безукоризненно выполненных железобетонных конструкциях. Образование их обусловлено малой растяжимостью бетона, неспособного следовать за значительными удлинениями арматуры при высоких рабочих напряжениях.

Механика разрушения неоднородных тел исследована гораздо меньше, чем в случае однородных (квазиоднородных) материалов. Особенно это относится к такому существенно неоднородному материалу, как бетон. Бетон, рассматриваемый на уровне макроструктуры [26], имеет ряд особенностей, не позволяющих непосредственно перенести на него некоторые положения, полученные для однородных материалов. Поэтому для анализа развития трещин в бетоне привлекаются некоторые дополнительные гипотезы [53].

Важным моментом механики разрушения является формулировка критерия локального разрушения. Анализ показывает, что классические методы расчета деталей по упругому и пластическому состояниям в ряде случаев не обеспечивают разрушений, имеющихся дефектов [52]. Такое положение привело к необходимости разработки теории, которая- позволила бы применять результаты, полученные при испытании образцов, к проектированию конструкций и точно предсказывать связи между разрушающими напряжениями и размером дефекта. Попытки решения этой проблемы показали, что сущность теории и используемые критерии в большей мере зависят от величины общей деформации, предшествующей разрушению, как натурной конструкции, так и образцов. Задача состоит в том, чтобы ввести характеристики трещиностойкости конструкционных материалов и разработать методы испытаний, позволяющие правильно выбирать материалы, технологические процессы и условия эксплуатации по критерию трещиностойкости, устанавливать безопасные размеры трещин и трещиноподобных дефектов.

На сегодняшний день не существует достаточно простого экспериментального способа определения характеристик трещиностойкости на эксплуатируемых элементах. Не только извлечение необходимого количества образцов, но и даже одного образца необходимого размера без снижения несущей способности железобетонного элемента, в подавляющем большинстве случаев не представляется возможным. Опытные данные о сопротивлении бетона распространению трещин относятся в основном к опытным лабораторным образцам, что в переносе их на натурные конструкции в большинстве случаев пока невозможно. В связи этим сегодня выдвигаются гипотетические модели развития систем трещин и трещиноподобных дефектов, на которых строится прогнозирование долговечности и оценка технического состояния железобетонных элементов.

Долговечность является важной характеристикой, которая определятся различными критериями, наиболее удачно для большинства случаев на основе критериев механики разрушения

В связи с этим в данной работе была поставлена цель, разработать методику определения долговечности железобетонных элементов эксплуатируемых зданий и сооружений.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработан новый метод, который позволяет определять ККИН тяжелых бетонов классов В12,5^В60 на эксплуатирующихся элементах железобетонных конструкций при статическом нагружении, заключающийся в образовании с помощью алмазного диска «углового» сегмента с последующим его отломом. Использование метода позволяет повысить точность определения ККИН и тем самым повысить точность расчетов: несущей способности, прогибов, ширины раскрытия трещины, долговечности и многих других, которые позволяет выполнять аппарат механики разрушения.

2. Изучены основные факторы, влияющие на определение ККИН при отломе «углового» сегмента. Результаты исследований факторов показали, что отклонения от масштабных, геометрических параметров и наличие арматуры в площади отлома, могут влиять на значение ККИН до 39,6%. В связи с этим были получены новые закономерности представленные в виде поправочных функций. Полученные закономерности позволяют определять ККИН в более широком диапазоне масштабных, геометрических и конструктивных (наличие арматуры) параметров, тем самым увеличить возможности использования разработанного метода. Исследование влияния промежутка времени меду выполнением пропилов и отломом «углового» сегмента показало, что временной промежуток в 24 часа не оказывает влияния на значение ККИН.

3. Сравнение результатов полученных с помощь разработанного метода с известным методом трехточечного изгиба показало различие в среднем 2,7%. В® абсолютном

1 /9 выражении величина ККИН разработанного метода оказалось на 0,02 МПа-м больше по сравнению с. трехточечным изгибом во всем исследуемом диапазоне бетонов. Установленная' теснота взаимосвязи с данными известных исследователей (коэффициент детерминации - 0,9397) показала состоятельность данного метода для применения его как в лабораторных условиях так и на эксплуатирующихся конструкциях.

4. Разработана методика определения ЬСКИН на эксплуатируемых конструкциях состоящая из описания оборудования, требований предъявляемых к геометрическим параметрам при выполнения «углового» сегмента, алгоритма определения ККИН и поправочных функций (закономерностей).

5. Разработанный метод экспериментально апробирован на однотипных эксплуатируемых железобетонных конструкциях имеющих возраст от 1 года до 34 лет. Выявлено уменьшение ККИН во времени в 1,7 раза за 34 года.

127

1. Альтшулер Б.А. Сборные жаростойкие конструкции М.: Стройиздат. 1976- 120с.

2. Андрейкив А.Е. Пространственные задачи теории трещин. Киев.: Наукова думка, 1982. -346 с.

3. Андрейкив А.Е. Разрушение квазихрупких тел с трещинами при сложном напряженном состоянии. Киев.: Наукова думка, 1979. — 139 с.

4. Баренблатт Г.И. Математическая теория равновесных трещин, образующихся при хрупком разрушении.// ПМТФ. 1961.№ 4, С. 122-129.

5. Баренблатт Г.И. О равновесных трещинах, образующихся при хрупком разрушении. Прямолинейные тещины в плоских пластинах.// ПММ, 1959. Т.23.- №4. С. 706-721.

6. Баренблатт Г.И., Ентов В.М. Салганик Р.П. О кинетике распространения трещин. Флуктационное разрушение.// МТТ, 1967. №1. - С. 122-129.

7. Бартенев Г.М. Зуев Ю.С. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов.- М.: Химия, 1964.- 387 с.

8. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. -М.: Госстройиздат, 1962. — 96 с.

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

10. Бобрышев А.Н. Новая кинетическая модель.// 2-е академические чтения. Казань.: КГАСА.1996. С.27-28.

11. Болыпев Л.Н. Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1965.-464с.данных. -М.: Наука, 1983.- 464с.

12. ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностой-кости (вязкости разрушения) при статическом загружении. — М.: Изд-во стандартов, 1992.-18с.

13. ГОСТ 25.206-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.- 1985.-62с.

14. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.-1991-19с.

15. ГОСТ 10180 Допуски по геометрическим характеристикам и показателям внешнего вида.

16. Грушко ИМ., Алтухов В.Д. Вопросы теории структуры, прочности и разрушения бетонов.// Технологическая механика бетона. Рига, 1986 с. 15-29.

17. Грушко И.М., Ильин А.Г., Рашевский С.Т. Прочность бетона на растяжение Харьков.: Изд-во ХГУ, 1986 - 152с.

18. Гузеев Е.А., Леонович С.Н., Милованов А.Ф., Пирадов К.А., Сейланов Л.А. Разрушение бетона и его долговечность. — Мн.: Редакция журнала «Тыдзень», 1997. 170 с.

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

20. Девятченко Л.Д. Валяева Л.Е., Камардина Ф.Д. Матрицы многомерных наблюдений в линейном и регрессионном анализе. Магнитогорск, 1988.- 36с.

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

22. Журков С.Н. Проблема прочности твердых тел.// Вестник АН СССР. 1957. № 11.-С. 78-82.

23. Зайцев Ю.В., Казацкий М.Б., Цаава Г.Ф. К нормированию значений К1с для мелкозернистого бетона.// Бетон и железобетон.- 1984. №6. — С 23-24.

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

25. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей. — М.: Высшая школа, 1991.-288 с.

26. Зайцев Ю.В. Новое в строительной науке. По материалам первой всесоюзной конференции и первой международной конференции посвященных механике разрушения бетона и железобетона. М.: Знание, 1986. - 63 с.

27. Инденбом В.Л. Межузельный (краздионный) механизм пластической деформации и разрушения.// Письма ЖЭТФ, 1970. Т.12.- №11.- С.526-528.

28. Иоффе А.Ф. Физика кристаллов.- М.: Гостехиздат, 1929. 249с.

29. Иоффе А.Ф., Кирпичева М.В., Левицкая М.А. Деформация и прочность кристаллов.// Журнал Русск. физ.- хим. общества им.Д.И. Менделеева. Ч. физ.-1924. — 56. — С.489-503.

30. Кадырбеков А.Д. Кинетический подход к изучению разрушения некоторых строительных и конструкционных материалов.: Дис. . канд. физ. мат. наук. -Л., 1985.-130 с.

31. Ковлер К.Л. Прогнозирование развития силовых трещин в несущих стеновых конструкциях крупнопанельных зданий. //Канд. дис./ М.: МИСИ, 1985. -148с.

32. Куксенко В.С. Модель перехода от микро — к макроразрушению твердых тел.// Физика*прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986.- С. 36-41.

33. Мальцов К.А. физический смысл условного предела прочности бетона на растяжение при изгибе . // Бетон и железобетон, 1985,№3.

34. Новожилов В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкой прочности.//Прикл. математика и механика.- 1969.-Т.ЗЗ №22.-С.212-222.

35. Орлов А.Н. Длительная прочность и стационарная ползучесть поликристаллических тал.//ФТТ, 1961,-Т.З.-№2 С.500-505.

36. Пак А.П. Исследование трещиностойкости бетона с позиции механики разрушения.// Бетон и железобетон^ — 1985. №8. - С 41-42.

37. Панасюк В.В. Деформационные критерии в механике разрушения.// Физ,-хим. механика материалов.-1986.-№1.-С. 7-17.

38. Панасюк В.В. и др. Механика квазихрупкого разрушения материалов.- Киев.: Наукова думка, 1991.-416с.

39. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с тещинами.- Киев.: Наукова думка, 1968.-246с.

40. Партон В.Э., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения.-М.: Наука, 1974.- 416 с.

41. Пересыпкин E.H. Механика разрушения армированных бетонов // Бетон и железобетон. 1984. - № 6. - С 24 - 25.

42. Петров В.А. Явление термофлуктуационного разрушения.// ФТТ, 1976, -Т. 18. №5. - С.1290-12988.

43. Перфилов В.А. Трещиностойкость бетонов / ВолгГАСА. Волгоград, 2000.-240с.шения.: Диссертация доктора технических наук.

44. Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Подход к оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов через параметры механики разрушения.// Бетон и железобетон. 1994.- №5.- С 19-23.

45. Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Механика разрушения железобетона. М.: Новый век, 1998.-190 с.

46. Пирадов К.А., Гузеев Е.А., Мамаев Т.Д., Абдулаев К.У. Определение критического коэффициента интенсивности напряжений бетона и железобетона при поперечном сдвиге.// Бетон и железобетон 1995. - №5. - С 18-20.

47. Пирадов К.А., Мамаев Т.Д., Кожабеков Т.А., Марченко С.М. Подбор состава бетона по параметрам механики разрушения.// Бетон и железобетон. — 2003. №6. - С 16-17.

48. Пирадов К.А. Гузеев К.А. Расчет железобетонных элементов по критерию «работа энергия» //Бетон и железобетон.- 1998,№ 5.-С. 17.

49. Пирадов К.А. Гузеев К.А. Физико механические основы долговечности бетона и железобетона.// Бетон и железобетон.-1998.№ 1.-С. 25-26.

50. Райе Дж. Математические методы в механике разрушения.// Разрушение. Т.2.-М.: Мир, 1975.- С.204-249.

51. Райе Дж. Независящий от пути интеграл и приближенный анализ концентрации деформаций у вырезов и тещин.// Приклад. Механика. Сер.Е. 1968.- Т.35-№4.- С.340-3491

52. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.- М.: Наука, 1974.-535 с.

53. Руководство по подбору составов тяжелого бетона./ НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1979. -103с.

54. Савкук М.П. Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещинами. Киев.: Наукова думка.-1988.-615с.

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

56. Степанов В.А., Песчанская H.H., Шпейзман В.В. Прочность и релаксационные явления в твердых телах. Ленинград.: Наука, 1984. 246 с.

57. Трапезников Л.П. Температурная трещиностойкость массивных бетонных сооружений.- М.: Энергоатомиздат, 1986, 272с.

58. Фекри Абду Махмуд Салим. Использование принципов механики разрушения при расчете прочности бетонных и железобетонных конструкций: Дис. . канд. техт. наук. М., 1993. - 225 с.

59. Фридман Я.Б., Морозов Е.М. О вариационных принципах для механического разрушения.// Изв. Вузов. Машиностроение, 1962.-№4 С.56-71.

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

61. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения.- М.: Наука, 1974 640с.

62. Черепанов Г.П. О распространении трещин в сплошной среде.// Прикладная математика и механика. 1967.- №3-С.476 488.

63. Черепанов Г.П., Ершов П.В. Механика разрушения.- м.: Машиностроение, 1977.- 222с.

64. Ягуст В.И. Сопротивление развитию трещин в бетонных конструкциях сучетом влияния макроструктуры материала: Дис. . канд. техт. наук. — М., 1981.-245 с.

65. Ярема С.Я: Крестин Г.С. Определение модуля-сцепления хрупких материалов путем испытания дисков с трещиной на сжатие. // Физ. хим. механика материалов, 1966, №1, - с. 10-14.

66. Blakey F., Beresford F. Strain distribution in concrete beams. Civil Engineering, 1955, vol. 50, №586.

67. Brown J.H. Measuring the Fracture Toughness of Cement paste and mortar // Mag. Concrete Res. -1972.-vol.24. -№81.

68. Brown J.H., Pomeroy C.D. Fracture toughness of cement paste and mortars. // Cement and Cone. Rec., 1973, v.3, p. 475 - 480. - 475 - 480.

69. Dugdale D.S. Yielding of steel sheets containing slits.// Journ. Mech. and Phys. Solids. 1960. vol. 8, №2. - P. 100-108.

70. Evans A.G. and Wiederhorn S.H. Ceramical materials testing is an analytic basic for predicting fracture. // International Jour. Of fracture. 1974. V. 10. - P.377-392.

71. Garison R.W., Haughton D.L., Polivka M. Causes and Control of Cracking in un-reinforced Mass Concrete. // Journal of the American Concrete Inst. 1979. - vol. 76. - №7. - pp.821-837.

72. Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids. // Phil. Trans. Ray. Soc. 1921. - Series A -221. P. 163-198.

73. Irvin G.R. Analisis of stresses and stain near and of crack traversing a plate. // Journ. Appl. Mech. 1957. - 24, №3. - P. 361-364.82 80 Irvin G.R. Fracture dynamics. // Fracturing of Metals. Cleveland. A.S.M., 1948.

74. Lones D.L., Chisholm D.B. An investigation of the adge sliding modes in fracture mechanics. // Eng. Fracture Mechanics. 1979. - 7, №2. - P. 261-270'.

75. Naus D.J. Lott J.L. Fracture toughness of Portland Cement Concrets // Journal of the American Concrete Inst. 1969.- vol. 66.- №6. — pp.48l-489i.

76. Orowan E.O. Fundamentals of brittle behaviour in metals. // Fatique and Fracture of metals. New-York: J. Wiley, 1952.dAÖ^1.asanne: 1985, p. 217-226. ^^

77. Wiederhorn S. M. Uber das Spalten und Zerressen elestischer Korpes. // Z. Math, und Phys. 1957. - 50. - P.60-103.

78. Wiederhorn S. M. and Ritter Y.E. Application of fracture mechanics concept of structural ceramic. // Journ. American Society for testing and materials. 1979 P. 202-214.

79. Wiederhorn S. M. Fracture mechanics of ceramics (edicted by R.C. Bradt, D.P.H. Hasselman and F.F. hang), New York, Plenum, 1974, P. 613.

80. Williams M.L. On the stress distribution at the base of a stationary crack. // Joun. Appl. Mech. 1957. 24, №1. - P. 109-114.