автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Методика определения деформаций бетона при недноосных напряженных состояниях с учетом приобретаемой анизотропии вследствие внуртеннего трещинообразования

государственный отдал тгужшго красного знашм

НАУШО-ИССЛЕДОВАТЕЯЬСКШ ПРОШНО-КОНСТРУКТОРСКИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА. И ЗЕЛЕЗОБЕТОШ. (НИИЯБ)

На правах рукописи

ЧЕПИЗУБОВ Игорь Геннадьевич

УДК 624.075.23:624.022

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕ«0РШ1Щ БЕТОНА ПРИ НВДШООСШХ НАПРЯЖЕНИЯ СОСТОЯНИЯХ С УЧЕТОМ ПРИОБРЕТАЕМОЙ АНИЗОТРОПИИ ВСЛЕДСТВИЕ ВНУТРЕННЕГО ТРЕЩНООБРАЗОВАНИЯ

Специальность: 05."23.01 - Строительные конструкции, здания л сооружения

' АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Государственном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторской и технологическом институте бетона и железобетона (НИИЯБ) Госстроя ,.РФ

доктор технических наук, профессор

И.И. Карпенко доктор технических наук, профессор О.Н.Малашкин

л

кандидат технических наук Г.А.Тшин

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НИС Гидропроект им. С.Я.Кука

I

Защита диссертации состоится 11 ноября 1993 г. в 14 часов на заседании специализированного Совета К 033.03.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Государственном Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (НИМБ) Госстроя РФ но адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, д. б.

- Совет направляет Вам для ознакомления данный реферат, и просит Ваш отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направить по вше указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан-10 октября 1993 г.

Ученый, секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

к

'/р* К'

Т.А.Кузьмич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТМКА РШУГЫ Актуальность работы. Бетонные элементы, работающие а условиях неоднооспого напряженного состояния (плоского н объемного) встречаются в различил бетонных и железобетонных конструкциях (плитах, стенах, фундаментах, защитных оболочках, платформах и др.). В связи с этим проблема определения деформаций и прочности таких бетонных элементов имеет как теоретическое, так и вахаюо практическое значение. Однако, несмотря на выполненные исследования и полученные, особенно в последнее время, результаты проблема остается недостаточно разработанной. Ограниченными являются исследования в частя изучения деформативноста бетонных элементов при плоек;ос н объемных напряжениях, недостаточно данных по ползучести бетопа в указанных условиях, особенно с замером всех трех компонент главных деформаций. Исследователи указывают на шшяяио характера внутреннего трещинообразовапия на деформации и прочность, однако этому фактору, особенно в последнее вре«я, уделяется пало внимания. Здесь актуальным является поиск новых методик проведения экспериментальных исследований по изучению влияния внутренних дефектов (трещин). К такой методике можно отнести ыетодхку акустической эмиссии на основе новой аппаратура.

В связи с этим целью работы явилось изучение деформаций бетопа при кратковременных и длительно действующих неодноосшл нащмтзЕиях совместно с регистрацией образования и развития внутренних дефектов в структура батона на основе метода акустической эмиссии и развитие на этой экспериментальной основе орто-тропной деформационной модели бетона. Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований деформаций и прочности бетона при кратковременных и длительно действующих

неодноосша напряжениях в сочетании с регистрацией образования и развития внутренних дефектов (трещин) по методу акустической эмиссии (на базе новой аппаратуры);

- единый алгоритм определения деформаций бетона при различных объемных напряженных состояниях с прослеживанием всех стадий деформирования вплоть до разрушения образцов (выхода на поверхность прочности);

- выявленное на основе экспериментов влияние соотношений главных напряжений и режима их приложения на интенсивность и характер развития внутренних дефектов, вследствие этого, на приобретаемую анизотропию:

- предложения по уточнению связей между напряжениями и деформациями для бетона при неодаоосных кратковременных и длительно действующих напряжениях.

Научную новизну работы составляют:

- результаты экспериментальных исследований деформаций *' прочности бетона при кратковременных н длительно действующих неодносных напряжениях в сочетании с.данными по образованию к накоплению внутренних дефектов (трещин) в структуре бетона.

- уточненные зависимости по определению параметров жесткос-тных коэффициентов физических соотношений, характеризующих неодинаковость (анизотропию) деформирования бетона по главным направлениям;

- выявленое на основе экспериментов влияние соотношений главных напряжений и режима их приложения на интенсивность к характер развития внутренних дефектов вследствие этого, на приобретаемую анизотропию;

- предложения по учету в физических соотношениях эффекта уплотнения структуры бетона в начальной стадии приложения сжимающих напряжений (эффект начального зажатия);

цкп ( за исключением начальных работ учеников О.Я.Берга и работ выполнепых О.Н.Малашккнш я его учениками) и увязки процесса разрушения с процесса! деформирования.

В ранках экспериментальной части диссертационной работы было изготовлено две серии опытных образцов, различающихся по плотности и прочности. Все серия опытных образцов били обеспечены достаточным количеством контролъвнх образцов па которых определяли основные прочпостныэ характеристики материала. При проведения испытаний при плоских напряяепншс состояниях использовали специально разработанные для этого методику л оборудование с устранением эффекта треюш по опорным граням образцов.

Для исследования процесса внутреннего трещинообразования в ранках диссертационной работа била кспользовапа специальная акустическо-зииссионная (АЭ) аппаратура. С ее помощью ыояно было проследить за процессами, происмдл'цши внутри бетона. Для регистрации параметров АЭ в • процессе исследований применялся серийно выпускаемый экустико-зкиссноиный прибор АФ-15.

Алустико-эмиссионный прибор АФ-15 регистрирует несколько параметров АЭ: активность акустической эмиссии (количество импульсов 13, зарегестр'.фовашшх в период измерения), амплитуды сигнала АЭ, скорость счета АЭ, линейные координата источников АЭ. Основные технические показатели прибора АФ-15 приведены в табл. '<. .1.

Таблица ?..1

Характеристика показателей Количество

Рабчая полоса частот Плотность собственных шумов, приведенных ко входу предусилителя Максимальный коэфпциеат усиления 20...2000 кГц 0.0Т мкВ/кГц 100 В

Вывод параметров АЭ возможно осуществлять как в аналоговой.

так и в цифровой форме. Для вывода информации в аналоговой форма использовался двуххоординатшй самописец. Вывод значений параметров АЭ в цифровой (юрме осуществлялся при помощи цкфроп :чати Щ ¡58000 К. Для вычисления деформаций применялся комплект тензомат-рической аппаратуры СШТ-3. В состав комплекта входил блок дистанционного релейного переключения, Олок индикации и цифропе-чать.

В основу методики обработки' ' результатов экспериментальных исследований положен принцип анализа временных рядов с изменением накопленных признаков в процессе изменения воздействующих факторов во времени. В связи с тем, что последователи )сть контролируемых параметров для многокомпонентных физических структур статстического порядка носит случайный (вероятностный) характер, для их анализа применен статистический подход. На основании проведенных экспериментальных исследований и полученных результатов сделаны предложения по уточнению анизотропной модели реформирования и разрушения.

Результаты испытаний, представление на рис. 1, показывают, что сопротивление тяжелого бетона простому пропорциональному двухосному сжатию значительно больше, чем одноосному. Так, сопротивление бетона прочностью Л - 62.5 Ша повысилось на 142 при соотношении напряжений °Э/<>2Ш 1:0.5, -а для бетона прочностью Е -32.8 Ша этот прирост составил 19». При равномерном двухосном сжатии у обоих бетонов прирост прочности составил 192 и 21* соответственно.

Проведенные испытания образцов позволили получить для каждой серии тяжелого бетона начальную предельную поверхность разрушения при двухосном сжатии. Она явилась исходной информацией для уточнения уровня нагрухвния опытных образцов при длительном одноосном й двухосном сжатии. А также в роз^ьтзте замера дефор-

Рис.1. Сопротивление бетона двухосному сжатию» (а) прочностью Я-зг.вМПа и (0) прочностью Н«б2.5Ша.

наций была получена общая картина деформирования указанных бетонов при двухосном сжатии.

В соответствии с методикой описанной ранее, измеряли деформации образцов по трем взаимно перпендикулярным направлениям главных осей - еа, е3, по которым на всех ступенях загружают определяли объемную относительную деформацию.

Для того, чтобы иметь полную картину деформирования бетона под нагрузкой при двухосном сжатии, отдельные опытные образцы одной прочности испытывали при различных видах сочетаний главных нормальных напряжений. Были выбраны наиболее.характерные области этого напряженного состояния..

С целью обобщения основных результатов испытания бетона по деформациям при двухосном сжатии на рис. 2 приведены графики изменения их характерных значений в зависимости от уровня нагру-жения и соотношения главных напряжений соответственно для прочности И - 62.5 МПа ий- 32.8 ЫПа. По оси ординат на рис. 2 отложены величины главных деформаций в направлении незагруженной оси образца, а по оси абсцисс - величны главных деформаций опытного образца в направлении двух других загруженных осей. Причем за положительные приняты деформации растяжения.

Каждой точке, -обозначенной на рис. 2 одним символом, соответствует то напряженное состояние и уровень нагружения, при котором были получены соответствующие деформации.

Приведенные на рис. 2 графики позволяют судить не только о деформациях, но и о структурных изменениях материала. Тек траектории перемещения точек соотношения напряжений в зависимости от уровня нагружения п показывает степень влияния того или иного главного нормального напряжения на процесс микроразрушений, разаитие пластики в материале, процессы уплотнения и разуплотнения. Кроме того, из графика на рис. 2 можно наблюдать изменение

изменения модуля деформации бетона без учета эффекта начального, зажатия (т.е. в традиционной постановке). Обозначим

1

тогда с- —=— * Е ия

(4)

(5)

гдо И- коэффициент изменения секуцего модуля д&формиций. Как

" I

но трудно заметить сома диаграмма "о - с" в виде (5) не изменяется,' изменяется лишь функция ¡сотороя заменяется на и\

В тгаптаой постановке и более общие уравнения анизотропной модели во изменяется, а лишь коэффициенты 1>Ь1 заменяются па V* 1,

где по аналогии с (4)

1 _ 1

у*. " и

1

(6)

Ы Ч1 ы

здесь ивдекс 1 указывает на направления главных напряжений (1 -J,г,з).

Кроме определения пэрвмзтроз 1 з работе стояла задача построения рационального алгоритма по определению основных параметров ортотропной модели в виде

е.1

< 1

е ► « 1 ■ м

я вь

(-!> / О ) 1-й / V ) * ЯМ ы' *и ы'

1/«».

(-к / V ) 1-и / V ) 4 я» у ы ' 4 Я1 у ы'

1/м.

<Т>

Реиение этой задачи усложнялось тем, что параметры оь1, I» и

» , являются, в своп очередь, сложными функциями главных, напря-*»

гений или деформаций, кроме того их определение зависит от схеш напряжений (в виде "трехосного сжатия", "сжатия-растяжения", "трехосного растяжения"). Это наало отражение в разработке алгоритма определения деформаций С ксаользовзгаем евк-дая «сдул«?

ортотропной модели для различных, видов напряженного состояния. Общая блок-схема формирования матрицы податливости и вычисления деформаций представлена ниже.

Определение коэффициентов матрицы податливости при сжимающих напряжениях

Определение коэффициентов матрицы податливости при сметанных и растягивающих напряжениях

\__

Вычисление деформаций

В качестве основной методики расчета деформаций бетона с учетом ползучести была также принята ортотропная модель деформирования бетона Н.И.Карпенко с использованием диаграмм изохрон. Эта идея, требовала развития и экспериментального подтверждения.

Представим развитие этой методики ва случай веодноосного сжатия. Диаграмм8ми-изохронами опишем ступенчатые режимы многоосного сжатия , когда напряжения прикладываются в течении непродолжительного отрезка времени и в последующем выдерживаются постоянными в течении времени ^ (где возраст бетоне к

моменту нагружения. Такой режим вагружения будем называть жестким. Обозначим относительные деформации по главным напряжениям

через е3(1:,1:). К диаграммам- изохронам преоб-.

разуем связи меящу главными напряжениями- деформациям (физические соотношения). предлохетшо применительно к краковремешшм пагрузениям. В результате:

1

1

(-М

{-V

(8)

ХДв - коэффициент изменения секущего модуля деформации

бетона о диаграмме-йзохроне, построенной для времени ) • по

направлению действия главного нормально го напряжения; - коэффициент поперечных деформаций для времени и-1; ) ' по трем главным направлениям (они принимаются различными, чем отличают данную ортотропную модель от изотропной).

Выполненный анализ представленных выше экспериментальных -данных показал, что в качестве базовых могут быть приняты зависимости подобия по определению рьз(г,го) и ^ и,^), однако входящие в эти зависимости переменные следует корректировать . д целью учета натекаши деформаций ползучести во времени.

Для реализации предложенных зависимостей связи "напряжение-деформации" при длительном одно-, двух- и трехосном сжатии била составлена программа на ПЭВМ, результаты расчета •которй представлены на рис.4 сплошной линией.

На рис.4 представлены осредненные опытные зависимости ползучести по трем осям деформирования н объемные деформации ползучести.

При одноосном сжатии образца заметно зависимость, как продольных . так я поперечных деформаций, от урояня иагружег/ля. ч<.:>.< вышо уровень тем больше и деформации. волзучпетн. Для с^р'л-.цоя

в).

б).

e.

-

• *

;" "S 1 «

7Т«» . t » »

'C.

iiT» rrr? tit S-5—»-»

TYi » » f W Ц-у » » T ' v v— £.. e.

ь

в

* ¡IT'? ■g" f »

5 It "4-r T D t

ДО IBя •

оз

<

1

——ГГ ^ » '

I

—J—t • - (

i ..... —

C.

г»» V * irt»

*» г .fi t c.

в в»

Рис.4. Деформации бетона при длительном нагрузсеннк:

а), йетопо прочностью П=23.9ЫГ1а. соотношение иапрягепий 1:1:

б), бетона прочностью В=43.5МПе, соотношекив вапркжовий 1:1;

в), «етоаа протаостыо Н «=43.51/.Па. соотвсшенис шшряжс. 1:0.5.

прочностью Н-23.9б1Я1а при п-0.2 продольные деформации изменялись, в диапазоне 40-55.5*10"*, а поперечные от 13-20*10'*. Значение объемных деформаций составляло 25-30*10"®. Для уровня нагружения П-0.3 значения деформаций составили: продолыше 55-75.2*10"®, поперечные 10.06-20.59«10"5, объемные 45.9-55.5*10"'. У образцов прочностью 11-43.25МПа при уровне п-0.3 продольные деформации изменялись от 40-45*10"", поперечные в интервале 10.9-15.22*10"*. объемные 20.7-25,4.10'8.

В условиях двухосного неравномерного сжатия у образцов с ^-прочностью П-23.96ИПа при уровне нагружения п-0.2 продольные деформации составили 50.6-55.8*10"5, поперечные равнялись 10.4-15.9*10"*, объемные 55.3-63.7*10'*. При уровне цагружения п-0.3 и прочностью й-43.25!Ша значения деформаций изменялись в интервале 49.9-57.4*10"* прдольные, 16.4-23.4*10"® попере'чные, 41.11-47.41*10"* объемшге.

При равномерном обжатии образцов прочностью И»23.9бМПа --продольные, поперечные и объемные деформации образцов составили 60.8-78.5*10"*, 26.6-39.6*10"*, 55.2-57.5*10"'соответственно. Уровень составил п » 0.3.

Деформации образцов прочностью 1?-43.25Щ1а изменялись в следувдих диапазонах: продольные 36-41*10"*, поперечные 8-18.4*10"*, объемние 57.4-64.9*10"*. Уровень аагружения равнялся п - 0.3.Из всех вышеперечисленных данных можно сделать следующие выводы:

а). Несмотря на отноосительно не высокий уровень нагрузки сохраняется устойчивая тенденция ползучести деформаций' опытных образцов.

б). Увеличение уровня гагруженкя значительно ' влияет на _ деформации ползучести, как для бететтоп прочностью И»23.9бШа так я для бетонов прочность» Н»43.25'£Та.

в). В условиях двухосного неравномерного сжатия при уровне нагружения г)-0-2 (11-23.96МПа) происходит уменьшение продольны деформаций на 102, а поперечных и объемных деформаций на 305 по сравнению с деформацияш ползучести при одноосной сжаткн образца п уровне нагружения п-0.2. При прочности образцов В-43.25Ш1а н уровне п-0.3 уменьшение деформаций ползучести происходит аналогично.

г). При равномерном обкатки образцов прочностью И-23.96Ша н уровне нагрукенкя г>»0.3 происходит уменьшение продольных до-Формаций на 20% по сравнению с продольными деформациями.неравномерного обхштия , и уменьшение на 205 по сравнении с одноосный сжатием при уровне п-0.3. Поперечше деформация наоборот увел:!-чиваются ■ на 40% по сравнешш с однооснш с&атием и остаются практически на уровне с деформациями ползучести при неравномерной обжатии. Объемные деформации, по сравнешш с объемными до-формацияыи одноосного езгаткя увеличиваются на 20% н практически равны с объемными деформациями при неравномерном обжатии. Аналогичная картина просматривается и на образцах прочностью Н-43.25МПа.

Таким образом при неравномерном обкатни образца происходит некоторое уменьшение всех деформаций, продольных, поперечных, объемши ( в сравнешш с одноосным статней ), а при равномерном обжатии происходит уменьшение продольных деформаций, а в поперечной направлении деформации увеличиваются (в сравнении с одноосным сжатием).

Установлено, что в условиях установивиейся ползучести имеет место изменение обьема, что обусловлен») действием второго инварианта тензора напряжений.

■Таким образом, предложенная методика определения деформаций ползучести с помощью диаграим-кзохроа в условиях одно-, двух- и

трехосного сжатия может быть принята за основу. Дальнейшее ее уточнение и обобщение на другие виды напряженного состояния требует проведения новых экспериментальных и теоретических исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЬВОДЫ

1. В процессе увеличения напряжений при плоском сжатии бетонных образцов происходит изменение деформативных свойств бетона приобретается анизотропия по главным направлениям вследствие образования внутренних трещин определенной ориентации.. Это

'явление подтвёрвдаеся как результатами полученных в диссертации тензометрическях измерений так и данными замеров по методу акустической эмиссии. (1

2. Наиболее полно указанные факторы отражает анизотропная модель деформирования бетона. На основе проведенных экспериментальных исследований уточнены параметры указанной модели характеризующие изменение деформативных характеристик (секущего моду-' ля продольной деформации и трех коэффициентов поперечной деформации) по направлениям в условиях плоского сжатия.

3. Особенно существенно приобретаемая анизотропия проявляется в стадиях, близких к разрушению. Этот фактор учитывается в формулах по определению предельных деформаций по трем главным направлениям. На основе проведенных исследований уточнены две методики определения предельных деформаций: одна, основанная на построении некоторых поверхностей предельных деформаций, а вторая на основе физических соотношений с уточненными значепиями модулей, соответствующих выходу напряжений на поверхность прочности.

4. При определении модулей деформации также следует учитывать не только относительные уровни напряжений, но и соотвс^снглй между главными напряжениями. Эффект влияния соотношения . ^их

напряжений и последовательности, ступеней приложения главных напряжений подтверждается результатами акустической эмиссии.

5. Важной характеристикой поведения бетонных элементов при плоском и объемном сжатии являются объемные деформации. Однако в испытаниях при плоском напряженном состоянии, особенно в опытах на длительное приложение нагрузки, необходимыми замерами для определения обьемных деформаций, как правило, исследователи пренебрегали. В данной работе этот пробел исправлен и дан* дета-. дьный анализ изменения обьемных деформаций. Показано, что положение точки перелома на графике изменения обьемных деформаций характеризующей переход от уменьшения обьема к началу его увеличения (вторая параметрическая точка по О.Я.Бергу) зависит от соотношения главых напряжений, что, видимо, и сказывается на изменении прочности. Рассмотрены также графики изменения обьемных деформаций во времени.

6. Деформации ползучести бетона при плоском напряженном состоянии при простой ползучести и ползучести при возрастающих (по модулю) режимах приложения напряжений удобно вычислять по методу диаграмы-нзохрон. Эта методика удобна тем, что позволяет единообразно подходить к определению общих деформаций как при кратковременном, так я длительном действии нагрузки. В работе дано развитие этой ранее разработанной методики на случай плоского напряжения. Методика апробирована на основе экспериментальных исследованиям

7. При включении методики расчета деформаций в современные программы расчета на ЭВМ важное значение приобретает рациональная компановка расчетного алгоритма. В результате проведенного исследования установлено, что при компановке алгоритма удобно разделясь 'все напряженные состояния на два вида: "трехосного-сжатия" и "наличия хотя бы одного растягивающего

напряжения". Модули деформации изменяются в зависимости от уров-^ ня напряжения, которые зависят ort режима изменения напряжений. Разработан вспомогательный алгоритм поиска уровней, включающий различные виды напряженного состояния. Указанные предпосылки положены в основу разработанного в работе общего алгоритма определения деформаций бетона по ортотропной модели.

Основные положения диссертационной работы нашли отражение в двух научных публикациях. '

Поляков A.B., Чепизубов И.Г. Прочность я деформации бетонов '"при неодноосных напряженных состояниях // Материалы XXII Меэду-нвродвой конференции в области бетона и. железобетона (16-23 мая 1990 Г.). Г. Иркутск-90.- Ы.: Стройиздат, 1991.- С.270-272.

Могунов В.А., Чепизубов И.Г. К определении ¿впряяенно-деформированного состояния стержневых железобетонных конструкций в задачах прикладной теории изгиба. // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. М., N8, 1991г., С.56-58.

Подписан к печати 28.09.93. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в типография Сельзпергоироекта'