автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность сжатых бетонных и железобетонных элементов при произвольном режиме статического загружения

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СЖАТЫХ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОМ РЕЖИМЕ СТАТИЧЕСКОГО ЗАГРУЖЕНИЯ

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нл правах рукописи

АЛЬ-НАДФЕ НАБИЛЬ

Минск 1993

Работа выполнена на кафедре "Железобетонные и каменные конструкции" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель

Консультант

Официальные оппоненты :

Ведущее предприятие

- кандидат технических наук, доцент

В.Г.Казачек.

- доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РБ, академик БГТА

Т.Ы.Пецольд,

доктор технических наук, профессор

A, Я. Барашков,

кавдидат технических наук, старший научный сотрудник

B.Е.Садохо.

- Белорусский проектный институт "Белпромпроект" Госстроя РБ.

Защита состоимся " Ос£/С\\ 1Э93 г. в-

г( часов на заседании специализированного совете 3.056.02,01 в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф.Скорикы, 65, Белорусская государственная политехническая академия.

С диссертацией мозшо ознакомиться в библиотеке БГЛА. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу^

Автореферат разослан " / " 1993 г»

Ученый секретарь специализированного Г) сонета, кандидат технических наук

О

.Сидорозич

(с) {кхпорусекая государственная политехническая академия, 1993

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные нормативные документы позволяют в целом достаточно надежно проектировать келозобетокные конструкции. Однако как нормативный подход, так и другио предложения различных авторов для оценки прочности и деформативности железобетонных конструкций, как правило, не учитывают влияние истории загружения на поведение конструкций или делают это весьма упрощенно с помощьо мало обоснованных коэффициентов.

Разработанные на основе исследований яра простейших видах загружения,они часто автоматически переносятся на проектирование конструкций, подверженных за всю историю своего существования многочисленным воздействиям разнообразной интенсивности и длительности.

Одним из основных факторов, определяющих особенности влияния истории загружения на поведение конструкций,является изменение физико-механических характеристик ботона » зависимости от режима предшествующего нагрузгения.

•Очевидно, что раз появляется фактор времени, то физические характеристика бетона должны увязываться с его реологией в условиях действия переменных нагрузок. В последнее время обнаружено, что образцы,нэ разрушившиеся при длительной выдержке под нагрузкой различной интенсивности, показывают более высокую "кратковременную" прочность, чем незагруженные близнецы. Боль-вое количество факторов, влияющих на особенности проявления данного эффекта (возраст и состав бетона, время выдержки под нагрузкой и т.д.), трудноподдающихся комплексному учзту,обуславливает большой разброс количественных результатов экспериментов. Поэтому для общего случая загружения термин "длительная прочность бетона", характеризующий максимально возможный уровень постоянных напряжений, воздействия которых материал может выдержать бесконечно долго, на может претендовать на универсальность^ требуется более общая классификация видов и критериев исчерпания прочности бетонов.

Учитывая, что по опытным данным при определенных реяимах загружения упрочнение бетона кожет достигать 40 %, правильный

учет этого обстоятельства позволит получить при проектировании ощутимый экономический эффект. До настоящего времони выполнено мало глубоких теорзтаческих исследований в етом направлении. Поетоыу в нормах, впредь до более полного изучения проблемы, принята достаточно осторожные рекомендации.

Целью настоящей работы является разработка инженерного метода оценки прочности и деформатианости сиатых бетонных и железобетонных ¡элементов при произвольной режима статического нагруаения.

Автор защищает:

" предлодения по аналитическому описанию функций технической ползучести, позволяющих с единых позиций определять деформации центрально скатах бетонных и железобетонных элементов в широком диапазоне изменения уровня и длительности загружения, вклочая область быстронатекающай и длительной ползучести;

- метод определения деформаций сжатых бетонных и железобетонных адемантоЕ при произвольном загружении на основе использования предложенных функций в сочетании с методом трансформированного времени нагружения ^т > разработанного

И. И. Карпенко;

- способ к единый алгоритм расчета длительной и кратковременной несущей способности центрально сжатых алиментов, разработашшй на основа сформулированного деформационного критерия предельного состояния сжатого бетона, учитывающий сложный характер взаимодействия процессов упрочнения м разупрочнения бетона при произвольном режиме загружения;

- выводы по результатам обсчета выполненных ранее и собственных экспериментов автора на центрально сжатых бетонных н железобетонных элементах с обычной и высокопрочной арматурой при различной истории загружения. Многочисленные примеры расчета, иллюстрирующие возможности предлагаемого подхода для решения различных прикладных задач по оценке напряаенно-деформи-роваиного состояния элементов - построения диаграмм - €§ бетона, учета упрочнения колонн под нагрузкой в процессе возведения многоэтажных зданий и т.п.

Н а у ч н у п новизну работы составляет:

- предложения по аналитическому описание функций учета

скорости и нелинейности деформаций ползучести в рамках технической теории;

- предложения по использованию метода трансформированного времени нагружения для определения как длительных, так и кратковременных деформаций бетона в сочотянин с разработанными функциями ползучести при произвольном режиме загру&ення, представленном в ступенчатом видо;

- упрощенный способ учета частичной обратимости деформаций нелинейной ползучести применительно к расчету деформаций способом 1*г 5

- деформационный критерий предельного состояния скатого бетонного и железобетонного элемента и способ учета развития во времени эффектов упрочнения и разупрочнения бетона;

- рекомендации по вычисления параметров опорных точек на "стандартной" диаграмме 6% ~ . бетона;

- выявленные' закономерности влияния длительного обжатия различного уровня и режима изменения на конечную прочность бетонных и железобетонных образцов различных параметров.

Достоверность полученных выводов подтверждается результатами сопоставления расчетов по предлагаемой т-тодике с большим числом известных по литературе опытных данных, полученных в странах СНГ а за их рубежом в широком диапазона изменения параметров экспериментов, а также опытами автора.

Практическое значен и в работы состоит в том, что выявленные особенности поведения Сэгона и железобетона при различной истории загружения и предложенный подход к оценке деформаций и прочности сжатых железобетонных элементов с обычной и высокопрочной арматурой позволяет достоверно оценивать их напряженно-деформированное состояние под нагрузкой и выявлять в ряде случаев значительна резервы прочности при известной истории длительного дефоршрования.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава БГСА (1989-1391 гг. ), университетах "Тизрин" (г. Латакия) и "Возрождение" (г. Хомс, Сирия, 1990 г.), а также па У1 национальном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Варна, 1939 г.).

Публикации, ib теме диссертации опубликована одна статья.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из ИЗ наименований, изложена на 196 стр. машинописного текста и включает 10 таблиц и 65 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и новизна работы, перечисляются основные результаты исследования, вынесенные на защиту, отмечается их научное и практическое значение.

Первая глава посвящена анализу состояния проблемы, степени ее изученности, обоснованию основных задач исследования.

Обобщены выполненные ранее экспериментальные исследования влияния различных режимов загружения бетона и железобетона на их свойства.

Для удобства анализа опыты разделены на 4 основные характерные группы:

- исследования длительной прочности ботона, т.е. влияния уровня постоянных напряжений (при > R сгс ) на характер деформирования, время до разрушения и т.д.;

- исследования влияния скорости непрерывно или многоступенчато возрастающей нагрузки на поведение и предельные параметры бетона;

- исследования влияния уровня, длительности и других параметров предшествующего обжатия бетона постоянными напряжениями на прочность и деформатмвностъ бетонных и железобетонных образцов при последующем кратковременном нагружении;

- исследования влияния сложных режимов загружения на работу бетонных и железобетонных центрально сжатых элементов. Режа-1Ш »той группы являются комбинациями режимов 1+3, включая разгрузки.

Влияние длительного нагружения на ф:тзкхо-мэханнческив свойства бетона исследовали: В.А.Аскаров, И.И.Ахвердов, Д.В.Ба-бенко, А.Я.Барашиков, О.Я.Берг, Б.И.Бурчу, Л.Б.Гержула, В.И.Гле-боа, В.Дилгер, В.Г.Казачек, Ю.Н.Карнет, О.П.Квирикадзе, Н.И.Карпенко, Р.Ковальчук, А.Д.Лобанов, Д.Р.Маилян, В.ф.Мазур, Л.П.Макаренко, P.X.Мельник, 0.В.Мельниченко, Т.М.Пзцольд, В.И.Половец, А.В.Саталкин, А.В.Свитлык, Л.И.Сыроватка, А.Раш, Б.Я.Рис-кивд, И.Э.Таль, А.Тодрос, Е.А.Чистяков, А.В.Яшин и др.

Анализ выполненных экспериментально-теоретических исследований влияния различных режимов загружения на прочность и деформации сжатых бетонных и железобетонных элементов показал:

- в зависимости от режима загружения прочность, деформации бетона к моменту разрушения могут быть как огцуткмо выше, так и ниже, чем в образцах-близиецах, испытанных в том же возрасте по стандартной методике;

- значительный разброс опытных данных и соответственно разные мнения ученых о количественной и качественной сторонах рассматриваемого явления связаны не только с тщательностью выполненных испытаний, ко и с отличием структуры и деформативннх свойств бетонов, которые неоднозначно связаны с их прочностью;

"- тем не менее можно с уверенностью утверждать, что при определенных условиях упрочнение бетона за счет предшествующего обжатия может достигать 20+25 %, а прочность железобетонных центрально-сжатых колонн в соответствующих условиях повышается цо 40 56;

- физическая картина стадии разрушения достаточно полно этражена в работах И.Н.Ахвердова, 0.Я.Берга, А.А.Гвоздова, ^.Б.Десова.

Строгие теоретические основы разрушения на базе реологи-|еских моделей, энергетических или кинетических концепций раз-швали В.Ы.Боцдаренко, С.Н.Журков, Ю.В.Зайцев, А.Г.Ильин, 1.М.Качанов, Ю.Н.Работнов, А.Р.Ржаницын, И.Е.Прокопович, 3.Н.Щербаков л др. Однако при практической реализации предла-'аемых моделей•встречаются значительные математические труд-»ости.

Предложенные авторами таблицы или аналитические эависи-юсти для учета влияния режимов загружения на прочность цент- . )алыю-сжатых бетонных и железобетонных элементов предназна-

чени для одного конкретного веда эагружения и на учитывает состав, возраст бетона и др. важные факторы, т.е. не могут претендовать на универсальность.

Привлечение физической теории прочности бетона, разработанной И.Н.Ахвердсйым, позволяет на микроуровне выявить различия в причинах упрочнения и разупрочнения бетона в молодой и в зрелом возрасте. Однако строгие концепции, в том числе основанные на позиции механики разрушения, пока не доведены до практического применения при произвольном режиме эагружения бетона. Процесс разрушения бетона тесно связан с характером развития деформаций ползучести. В качестве критерия предельного состоя» ния батона в условиях произвольного эагружения удобно принять достижение значения определенной критической деформации, предшествующей моменту лавинообразного разрушения.

В заключение главы сформулированы цель и задачи диссертации.

Вторая глава посвящена анализу характера деформирования бетона во времени при постоянных напряжениях и яри сложных режимах загруженил. За основу при теоретической оценке деформаций йпросто8" ползучести принята запись меры ползучести в виде множителей к предельному значении, как это принято в теории упруго-полэучего тела и в технической теории ползучести.

Ф.Гх) - % ■ б (т) • {(V Ъ) -С.о . <"

Сопоставлены расчеты с использованием точных функций С.В.Александровского о рекомендациями пособий и руководств по проектирование железобетонных конструкций с учетом длительных процессов, испольэувщих форму записи меры ползучести в виде (I).

Выявлены расхождения до 40 % в величинах деформаций по различным мэтодикам, проявляющиеся как за счет использования различного вида функций и набора учитываемых в них факторов, так и за счет различий в способах назначения численных параметров, учитывающих несиловые факторы (влажность, масштаб и др.). Подробный анализ и сопоставление с опытными данными каждой функции в выражении (I) позволили уточнить некоторые из них н расширить область применения других. Таксущественным недос-

татком г,сех теоретических предложений для описания функции учета скорости ползучести ^ является то, что

они не позволяют оценивать дефор«ации бистронатекая^ой ползучести при времени действия нагрузки менее 1-2 суток. С помощью программы для ЭВМ для статистической обработки опытных данных с применением регуляризированного метода наименьших квадратов была подобрана функция вида (2), где £ и измеряются в

линутах:

^-^О-С^'^-'СО]** (2)

Удовлетворительное совпадение с опытны&и данными в диапазоне изменения времени от нескольких минут до нескольких лет получено при с^ = 0,765, ^ » 0,039, ^»15, <5" =* 1»2.

Для функции учета нелинейности деформаций ползучести были аппроксимированы табличные значения ^ в вндо (3), приведенные в "Справочном пособии по проектированию железобетонных конструкций"под ред. А.В.Голшаева (Киев, 1990 г.), полученные на основе обобщения большого экспериментального материала:

%* 1+ (4,2 - 0.2 % ) (2.51 - 1)Р, (3)

где . % - характеристика линейной ползучести.

Установлено также, что для определения полных деформаций при напряжениях / Г\< > 0.3 " недостаточно использовать

традиционные функции учета нелинейности, т.к. они не учитывают развития псевдопластических деформаций. Наш: предлагается в этой области использовать дсполннтелыг/п усиляющую функция вида

(4)

Для функции старения оказалось предпочтительным

использование известных предложений й.Е.Прокоповича. Как следует из данных рис. 1 , предлагаемые зазнекмоати хорето есв-пздаяг с расчетом по "точным" формулам С.В.Александровского, имея до сравнения с другими предложениями болэе широкий диапазон применения. Это подтвердил обсчет экспериментальных данных отечественных и зарубежных ученых.

Для описания деформирования бетона при переменных нагрузках известны различные варианты нелинейной теории ползучести, разработаннкэ С.В.Александроаским, Н.Х.Арутпнлном, В.М.Еонда-ренко, А.Я.Варашиксвим, П.И.Васильевы!!«, А.А.Гвоздевым, И.Е.Про-

Рис.1. Сопоставление меры ползучести для "эталонного" бетона по различным предложениям при загружении в возрасте 7. 14. 28 и 90 суток

коповичем и др., однако их практическое применение сопряжено с рядом проблем. Известны приемы численного решения задачи определения деформаций ползучести при переменных нагрузках, когда закон изменения нагрузки представляется в ступенчатом виде и полные деформации ползучести определяют суммированием их приращений от Л <5*(*') на основе принципа суперпозиции, но при этом на каждом шаге загружения возрастает объем информации, подлежащей обработке на ЭВМ.

Применительно к задаче, решаемой в данной работе, наиболее эффективным, на наш взгляд, является использование метода трансформированного времени нагружения ( Тт ), предложенного Н.И.Карпенко, который в сочетании с применением гибкой функции (2) позволяет с единых позиций подойти к определению деформаций быстронатекающей и длительной ползучести. Суть метода видна из рис. 2 .

При \ линейные деформации ползучести по

суперпозиции определяются в виде суммы

есь) - б;- с + (6,- е,) • С (ъ5. (б)

Это равенство заменяется приближенным

-'С (Ч.,Тт2), _ (6)

где Ттг определяется из условия минимума невязки £(*■) численным методом.

С погрешностью не более 10 % можно использовать приближенное выражение

е-^Тг.^ + Съ-^уъ , (7)

Зная Тт , деформации вычисляют как при простой ползучести по выражению (6). Если режим нагружения включает этапы разгрузки, то он разделяется на две ветви тольхо возрастающих (Г+ и б напряжений. Фактический режим получается как сумма обоих ветвей, трансформирование времени нагружения на каждой ветви выполняют отдельно, а деформации на этапе С определяются как сумма и . В области нелинейной ползучести в общем случае метод Тг предполагает более сложную схему определения деформаций. В частности,двухступенчатый режим разбивается на три одноступенчатых и т.д. В частном случае для решения задач данного исследования выявлена возможность

£7,

* !

a 1 1 1

! !. 1

t,r О«'

«л»

¿г

/* У 'А/у

___ * — •3 4 • —*

100

2 HQ £И0"

Т. 7 - V* I 7- Т.

Рис. 2. Принцип определения дефор- Рис. Диаграммы О"-£ бетона по мзций ползучестй методом Т{ опытам Ватагина С.С.

--— теоретические кривые

-- опытные кривые

.СТ.МПа

Режим загружен™ 223

äfcöftD

1.6 1.2 0.8 0.4

Л 13 33 «В 58 73 1В7- Ю1 1В

£сг(%0.) '

ДвФориаиии ползучести, опыты Колесникова Н.Д.6

(7 МПз реиим ззгружения

га

"Ч

ш

« 1СУТ

AMI 19 28 W 67 Ш 85 ' гя

г(с7 \

Опыты Попковой ОМ

I7X

т

/ hi f

Jr kj

Г t.cyi

20 40 60 80 100 120 140

0 10 30 5 0 70 90 110 130

Рис. 3. Сопоставление опытных и теоретических графиков деформации бэтона при длительных переменных нагрузках

Деформации ползучести • - опыты х- расчет

Полные деформации » - опыты ♦ - расчет

упрощения способа учета нелинейности деформирования при налички разгрузок. Предложено вычисление и выполнять по одним и тем же формулам с учетом своих параметров ветви нагрузки и разгрузки, причем при вычислении учитывать полкуо обратимость деформаций линейной ползучести и частичку» (до 25 %) обратимость деформаций нелинейной ползучести путем определения по выражению

Изложенный приближенный подход является аффективным для решения практических задач, т.к. позволяет "хранить" вся историю нагрузки в значении данного этапа загружения. Используя указанные выше предпосылки, обсчитаны наиболее неблагоприятные^ точки зрения чувствительности к ошибкам теории, опыты (О.М.Попковой, Н.А.Колесникова), проведенные с молодым бетоном в режиме нагрузка-разгрузка в области нелинейного до-формирования. Данные рис. 3 свидетельствуют об удовлетворительном совпадении теоретических я опытных результатов. Предлагаемый подход позволяет также определять полные деформации быстронатекаю^ей ползучести на любой ступени кратковременного ступенчатого эагружения. На рис. 5 з качестве примера показано сопоставление опытных и теоретических данных по результатам испытаний В.И.Кретова. При этом появляется возможность построения диаграмм <5$ - с непосредственным применением реологических моделей, которые позволяют учитывать скорость ?аг-ружения, состав бетона и технологические факторы. Сопоставление расчетов с данными опытов С.С.Ватагяна приведено на рис. 4.

Для единообразия и упрощения решения задачи оценки напряженно-деформированного состояния армированных сечений для всех случаев, в том числе и для осевого сжатия деформации определяется методом последователь'шх приближений. Упрощенный подход состоит в том, что начальное напряженное состояние определяется по упругим приведением характеристикам сечения с учетом наличия арматуры, а сдерживающее влияние арматуры на рост деформаций оценивается путем использования пониженного по сравнений с "чисто" бетонным сечением значения меры ползучести.

И.И.Улицким в рамках данной концепции были составлены таблицы для определения С'.а (" УД) армированного бетона.

(8)

Нами эти таблицы апроксиммрованы аналитическим выражением в вида понижающего коэффициента <р£' к предельной характеристике бетона С'вс в Ч*'- Со» :

ЕвС-О-,а< ■ .

где у - коэффициент армирования; <* = ~177Т) '

На рис.6 приведено сопоставление деформаций и напряжений в материалах железобетонной колонш, поддерживающей периодически наполняемый резервуар с водой, посчитанных по теории упруго-ползучего тела в монографии А.Я.Барашикова и предлагаемым способом. Приведенные во второй главе другие многочисленные примеры свидетельствуют о хорошем соответствии данных опытов и расчета деформаций сжатых железобетонных элементов в широком диапазоне переменных параметров образцов и режимов их загружения.

В третьей главе изложен теоретический подход к оценке прочности бетона при различной истории загружения. Учитывая весьма разнообразный характер влияния истории нагру-жения на прочность бетона, которая может меняться в пределах (0,95*1,5) Я , предлагается предельное состояние сжатого элемента при любой истории загружения характеризовать общим термином "временное сопротивление", под которым следует понимать максимальную нагрузку, которая может быть достигнута в процессе заданного режима загружения. Анализ характера деформирования бетона при постоянных напряжениях высокого уровня свидетельствует, что в качестве простого механического критерия исчерпания прочности можно принять критическое значение деформации (£ц ) а начале стадии лавинообразного разрушения образца. Их величина уменьшается с увеличением уровня длительной нагрузки,и соответственно уменьшается время до разрушения. Анализ известных опытов К.Раша позволяет выявить следующую закономерность. Если за основу принять полную диаграмму

- 6( , получаемую при "стандартной" скорости загружения (опорная кривая), параметры которой достаточно стабильны при изменении времени испытаний от 10 мин. до 300+400 мин., то можно отметить, что пики диаграмм, полученных при меньших ско-

М500 а .МПа

»4 252 выдержка кагрузоим

1 1 ' 1 1

/ 1

( / / /

1

30 «4 И8 252 Ц8

Рис. 5. Деформации быстронатекаюшей ползучести при ступенчатом нагружении высокопрочных бетонов (Я=50-80МПа) при выдержках на этапе 84 мин (опыты ВИ.Кретоэа)

опытные ириаые

СТв.МПа

— ---- теоретические кривые

сгзМПз

20 АО 45 65 70 9 0 95 115120

20 40

45 65

70 90

к.сут

95

Рис. 6. Перераспределение напряжений с бетона на арматуру в колонне, поддерживающей периодически разгружаемый резервуар (пример из работы Барашикова А.Я.)

— . — предпаг. зависимость (с разгрузной)

— . . — предпаг, зависимость (без разгрузки)

_ расчет по теории упруго-ползучего тела (с разгрузкой)

_____ расчет по теории упруго-ползучего тепа (без разгрузки!

ростях, расположены примерно на ниспадающей ветви опорной кривой (рис, ? ). Физическая природа этого факта может быт& объяснена тем, что область, заключенная в пределах опорной кривой, может характеризоваться как зона активного сопротивления бетона, а вне ее - пассивного, где деформирование в равновесном состоянии может происходить только в условиях снижения нагрузки. Отсюда следует, что границу между этими зонами - ниспадающую ветвь - можно принять за линию "критических" деформаций бетона. При этом за критерий исчерпания временного сопротивления бетона в условиях произвольно возрастающей нагрузки примем пересечение фактической кривой деформирования бетона (в условиях ползучести, или при кратковременной загружен:-!« в ступенчатом режиме) с ниспадающей ветвью опорной кривой (рис.8 )• Деформации ползучести на временном отрезке, начиная с нескольких минут до нескольких лот, вычисляются по методике, приведенной в главе 2 диссертации. Для назначения параметров ниспадающей ветви криволинейная диаграмма - упрощенно принимается в виде ломаной

(рис.9 ). Критическую деформацию, соответствующую заданному б" , находят по интерполяции (10):

$ + 40)

Параметры узлов интерполяции определены на основании анализа и обработки большого числа опытных данных, полученных в СНГ н за рубежом. Установлено, что они могут быть приняты зависящими только от прочности бетона и вычисляются по следующим выражениям :

л I

-3

~ J2-P ° . ,I2x

ácu- > xl¿)

t Alo

Существенное влияние на ¿¿ц оказывает сжатая арматура. Установлено, что как для высокопрочной, так и для обычной

*/ е

арматуры с определенным запасом коэффициент К с, может вычис-14

Ряс. 7. Опытные циагрвмныСГ- £Кв=25 НПа) Рис. 8 Критерий разрушения бетона I») При при различных скоростях ззгружения произвольном режиме загружения (опыты К.Раша)

опорной диаграммы (Т-С Сетона упрочнения от предшествующего обжатия

15

Ляться по формуле Г.А.Аксомитоса

где „Л

Ел

ЕвСО

Таким образом, на каждом шаге ступенчатого загружения, вычисляя активные деформации на заданном уровне

и сравнивая их с критическими £и , можно судить о работе бетона в зоне активного сопротивления ( £№)< £(, ) или о реализации критерия исчерпания прочности,

В такой постановке развитие деформаций ползучести на выдержке приводит к увеличении полных деформаций и отражает процесс деструкции материала, характер развития которого во времени подобен характеру развития деформаций ползучести, вплоть до его возможного раздробления (при £(&) > Ец ). С другой стороны, следует учитывать встречный процесс консолидации бетона во времени, что в данном подходе предлагается осуществлять трансформацией опорной кривой в направлении к потенциальной. Значение потенциальной прочности бетона, функциями которого являются все узловые точки диаграммы ~ £( , предлагается трактовать как верхний недостижимый предел прочности бетона, в котором развивается только процесс консолидации от предшествующего длительного обжатия вплоть до рассматриваемого момента 'времени. Трансформация осуществляется умножением исходной прочности бетона на коэффициент Кр: . Анализ опытных данных показал, что значение Кр^ зависит в основном от накопленных к -рассматриваемому моменту времени комбинаций уровней напряжений и времени выдержки на них. Предложенные зависимости (15) и (16) учитывают это обстоятельство в форме накопителя :

Таким образом, во времени от координатных осей отдаляется как активная деформация £ С*) , так и критическая £ц , но с разными скоростями, зависящими от конкретно-

го режима загружения. Например, при достаточно большом уровне напряжений, приложенных сразу полной величиной, процесс деструкции бетона преобладает над процессом консолидации вследствие высокой интенсивности нагрузки уже на начальном этапе ее приложения. Развитие существенных деформаций приводит к сравнительно быстрому разрушению, причем эффект "длительного" упрочнения не успевает проявиться (рис. 8). При постоянных или переменных напряжениях ниже уровня R^* консолидация бетона начинает в конце концов преобладать и при кратковременном догружении прочность бетона может быть на 2СМ0 % большв, чем в контрольных ненагруженных близнецах (рис. 10).

В конце главы 3 приведены результаты сопоставления расчетов и многочисленных опытных данных с бетонными и железобетонными образцами при разнообразных режимах загружения. На рис. II представлены теоретические графики изменения коэффициента упрочнения длительно обжатого напряжениями высокой интенсивности бетона К'р по отношению к прочности необжатых контрольных образцов, испытанных после ввдоржки (28 суток * I год). Как видно, упрочнение больше в низкопрочных бетонах, причем максимальный эффехт получен при высоких уровнях обжатия, что соответствует результатам опытов А.Ю.Свитлнка и И.Е.Прокоповичя. lia рис.12 приведены результаты опытов А.Н.Коркишко, проведенных на бетонных образцах, загружаемых равномерно возрастающей нагрузкой с различной скоростью и догружаемых на определенных этапах до разрушения.

Как видно, для всех четырех групп образцов с различной базовой скоростью нагружения получено хорошее соответствие опытных и расчетных данных.

Наличие продольной арматуры улучшает работу длительно сжатих элементов из-за частичной разгрузки бетона во времени, более полного использования прочностных свойств сталей, синхронизации процесса разрушения и повышения предельных деформаций. Результаты расчета армированных твердыми сталями стоек, испытанных А.Ю.Сзитлыком, в сопоставлении с опытными данными приведены на рис. 13.

со

V «.(Я.)

025

х- теоретическая разрушающая нагрузка опытная разрушающая нагрузка !-Тсут

1.0

0.5

0 10 20 30 з —-

2' 1 n 502.505 — 5 о ! о 1 а: —»у-ч/' тг 1

• А г

75 (-Тсуг

сч г>

Н (М

1Л щ

50 ЯО 150 200 ЬТлут

Рис. 11. Режимы загружения и прочность образцов, загружаемых постепенно с различной скоростью (а.б.з! длйтепьного обжатия

Рис. 12. Коэффициент упрочнения бетона Кр в зависимости от уровня предшествующего

40 0 ЭОО 200 )00

Образец 15

• Kt» у тон --

0 2 CV.TCI у

// т

/21-51 // -------

с » ю"

400 300 200 100 О

100 200 300 400 500

Образец 17

-У ТО*

£»10® о

100 200 300 «00 500 600

Образец 18

Ht-Í39

',00 200 зол <00 460

Рис. 14. Режим зэгружения и график развития деформаций бетона колонн 1-2 этажей в процессе возведен;-.* здания и догружений кратковременной нагрузкой. Вариант 2

Мэтзжа

Т 1- вариант рэсчш ст?=0.15 и I 2- вариант расчета сту=0.45 и (1^2.0%

ЮО 200 300 400 500

Рис. 13. Диаграмма N - £ образцов, 9 армированных сталью ВрП. Образцы 15-13

-- - расчет

-- - опыты

10 1.2 1.4 16

Рис. 'б. Изменение коэффициентов упрочнения бетона за счет естественного роста прочности бетона К( и с учетом эффекта от обжатий по высоте здания

Как и в испытаниях, в образцах с арматурой класса АШ в области 6"> Rcrt при одинаковых начальных напряжениях

в бетоне расчетное время до разрушения было ощутимо больше, чем в бетонных образцах. Тем не менее упрочнение образцов, нэ-разруиившихся после длительной вцдержии, в обоих случаях примерно одинаково.

Арматура способствует интенсивной разгрузке бетона на выдержках, процесс деструкции быстро локализуется,и в результата наблюдается ощутимое упрочнение бетона после длительно предшествующего обжатия. Установлено, что при жестких режимах загру-жения, когда высокий уровень нагрузки достигается достаточно быстро и поддерживается вплоть до кратковременного догружения, повышенно прочности за счет длительного обжатия может достигать 40 %.

Деформации арматуры к моменту разрушения достигают 3,5+4,5 %, т.е. прочность оказывается почти полностью исчерпа-ной. Предлагаемый подход удовлетворительно оценивает прочность и дефорнативность стоек, что позволяет использовать его в практических задачах для оценки упрочнения бетона и железобетона при известном режима загружения.

В главе 4 приведены результаты экспериментальной проверки применимости предлагаемой методики для определения .деформаций и прочности бетонов, выполненных из компонентов Сирийского региона,и примеры ее использования для выявления резервов прочности колонн многоэтажных зданий.

Учитывая, что в структуре предлагаемого теоретического подхода многие формулы получены на основе экспериментов, выполненных в основном в СНГ, их применимость для бетонов Сирии следовало подтвердить соответствующими опытами. Изготовление и испытание образцов выполняли в 1990 г. в университете "Тишрин" (г. Латакия) в соответствии с программой совместных исследований кафедры "Железобетонные и каменные конструкции" БГЛА и кафедры "Строительные конструкции" Тишринского университета.

План эксперимента включал испытание бетонных призм и кубов сечением 100x100 мм с варьированием проектной прочности бетона в возрасте 28 сутох на 3-х уровнях (15 МПа, 20 МЛа, 25 М1!а) и возраста бетона в момент испытаний также на 3-х уровнях (I месяц, 7 месяцев, 12 месяцев). Для каждого из 9-и

сочетаний параматрел изготовлено по 3 близнеца призм а кубов. Применены обычные составы бетона, используемые для монолитного строительства в Сирии, и портландцемент М400 (г. Тартус). С учетом начальной естественной влажности приняты следующие составы по весу:

15 11 Па : 1/3,90/4,26 при В/Ц * 0,57;

Ец * 20 МПа : 1/2,61/2,84 при В/Ц - 0,50;

Я5» 25 ЫПа : 1/1,71/1,88 при В/Ц - 0,49.

Использована традиционная для научных исследований методика изготовления, ухода и испытания'образцов.

Как правило, ощутимых деформаций ползучзсти при выдержках на этапах в пределах 5+7 минут вплоть до напряжений 0,2. не наблюдалось, а при нагрузках, близхих к максимальным, они достигали 50+70 % полных деформаций.

Полученные данные свидетельствуют о хорошем соответствии опытных н теоретических кривых <5р- £| практически для всех серий испытанных образцов, что указывает на применимость предлагаемого подхода к оценке деформативных свойств бетонов средней прочности, изготовленных из материалов Сирийского региона.

В предыдущей главе показано, что разработанная методика позволяет достаточно точно учесть повышение несущей способности центрально-сжатых железобетонных колонн при известном режиме длительного загружения. При выборе объекта для практической реализации методики проанализированы конструктивные решения жилых и общественных зданий, строящихся в Сирии. В целом по характеру восприятия внешней нагрузки здания близки к связевым или рамно-связевым системам и выполняются в основном в монолитном железобетоне. Главны?«! несущими элементами зданий являются колонии, диафрагмы жесткости и часторебристыэ перекрытия с заполнением из легкойетошшх пустотных блоков. Внутренние перегородки могут произвольно располагаться в плане здания, допуская,по желанию архитектора,свободную планировку помещений. Анализ особенностей технологии возведения железобетонных монолитных зданий в Сирии показал, что она достаточно устоявшаяся и включает в себя традиционные процессы: возведение опалубки, арматурные работы, бетонирование, выдержка бетона, возведение опалубки следующего этажа и т.д. С точки зрения режима кагру-

гения колонн, процесс возведения здания можно упрощенно представить в ступенчатом виде. Очевидно, что при этом для колонн каждого отака реализуется индивидуальный режим роста колряжэ-нкй в бетоне от собственного веса здания, т.к. по высоте обычно меняют размеры сечения колот, исходную прочность батона и количество арматуры.

Задавая фактический режим эагружения колонн, можно учесть любые индивидуальные особенности возведения конкретного здания. Оценив действительное упрочнение бетона к рассматриваемому периоду времени, проектировщик может принять любое решение, сообразуясь с конкретной задачей расчета. Например, при надстройке здания, изменении нагрузок и т.д. - оценить несущую способность колонн при действии конкретной нагрузки. При проектировании здания - уменьшить излишний запас прочности колонн за счет изменения размеров сечения, количества арматуры или исходной прочности бетона по сравнению с первоначальным вариантом.

На рис. 14,15 в качестве иллюстрации приведены результаты 2-х примеров расчета эффекта упрочнения колонн в 15-эхвлшом административном здании. В колоннах применен бетон В15. Общий срок возведения здания - 495 суток.

В первом варианте использована арматура класса АЛ при I* = 1,0 %, а во втором - класса А1У при р « 2,0 %.

Отношение длительной нагрузки к проектной несущей способности колонн первого этажа в I варианте составляет =* - —« 0,25, а во втором - - °»45-

Для колонн каждого этажа была рассчитана прочность при кратковременном догружении до разрушения после окончания возведения всего здания.

Графики изменения коэффициентов К« и Кр1 по высоте здания свидетельствуют об ощутимом увеличении суммарного эффекта от верхних к нижним этажам,причем в основном за счет упрочнения бетона при длительном обжатии. Если выше 10-го этажа влияния обжатия почти не наблюдается, то на первом этаже оно достигает 75 % полного упрочнения бетона. Общий эффект упрочнения в нижней колонне в I варианте здания составляет 27 % по сравнению с прочностью колонн, рассчитанной по проектным, неизменным во времени характеристикам материалов, а со второй он еще выше и достигает 50

ССНОВШЕ вкводц

1. Раз)иа мнения учта;?х о количеатвгниой и качественной сторонах влияния решимся загрузения на конечную прочность бетона связаны но только с тщательностью выполнения испытаний,

но н с различием и структуре и деформативных свойствах бетонов, которые неоднозначно влияют на прочность. Многочисленные теоретические предложения а этой области ъ большинстве своей не учитывают данных обстоятельств, а строгие концепции, а том числе основанные на положениях механики разрушения, не досэде'щ до практического применения при произвольном режиме загруяеняя.

2. Использование тахничес.чой теории ползучести с уточненными параметрами и предложенной автором гибкой функцией учета скорости ползучрсти, работс^ей начинал с ЛЬ » ( Ь -измеряемого минутами, показало хорошую сходимость с опытами при оценка как длительной, так и быстронатеклщей ползучести.

3. В сочетании с методом трансформированного времени наг-руяения ( Тр ), разработанным Н.И.Карпенко, данный подход позволил достаточно точно определять деформации ползучести при произвольном разима загружвния, который представляется в ступенчатом яцце с любыми отрезками по времена и позволяет яцчис-лять полные деформации бетона а железобетона без разделения на быатрона'Мкакчие я длительные; решать различные прикладные задачи теории железобетона, например, строить Диаграммы (У^ - с | бетона с непосредственны« использованием функций ползучести; оценивать изменения напрякенио-деформированного состояния ся-чений колонн при различном режиме нагрузок, включая повторные статические эагруяения и т.п.

4. На основании анализа экспериментальных данных до статически и испытаниям бетона аыязлеш закономерности, позооляю-щае предположить, что область, заключенная а пределах "стандартной " (опорной) диаграммы бетона,-является ■ зоной активного сопротивления материала, а вне зе - пассивного, где деформирование в равновесном состоянии может происходить только при снижающейся нагрузка. Границей (линией критических деформаций) является ниспадавшая ветвь этой кривой, а критерием достижения максимальной.нагрузки является пересеченно фактической кривой деформирования (при заданном режиме загружония) с ниспадающей вэтвью опорной кривой. Соответствующие этому ыоменту деформации £ц и время Ьи являются предельными для данного режима загружения. Указанный критерий

непосредственно увязан с величиной и характером развития деформаций ползучести.

5. Процесс консолидации бетона за счет длительного обжатия учитывается увеличением исходной прочности бетона (и всех связанных с ней характеристик) на опорной кривой с учетом параметров всех предиествущих рассматриваемому этапов загружения. Таким образом, ниспадающая ветвь опорной кривой (5р ~ £р на каждом шаге загружения отодвигается от координатных осей, отдаляя тем самым момент пересечения кривой фактического деформирования с ниспадающей ветвью.

6. В зависимости от конкретного режима загружения преобладает процесс упрочнения,или наоборот,разупрочнения. Данный подход и рекомендуемые теоретические зависимости позволяют гибко учитывать весьма сложный характер влияния различных режимов загружения на прочность бетона. На многочисленных примерах показано хорошее совпадение результатов расчетов с опытами на армированных и неармированных образцах. Выявлены закономерности влияния"длительного обжатия различного уровня и режима его изменения на конечную прочность бетонных и железобетонных образцов. В частности, оптимальными оказались весьма высокие уровни длительного обжатия "/о/^ ** что соответствует последним экспериментальным данным.

7. Получено хорошее соответствие опытных и теоретических кривых - для всех серий испытанных образцов, что свидетельствует о применимости предлагаемого подхода к оценке деформативных свойств бетона средней прочности, приготавливав-, мых из материалов Сирийского региона.

8. Показана возможность использования предлагаемого подхода ддя выявления резервов прочности колонн многоэтажных зданий при известном графике их возведения. Повышение несущей способности колонн достигается в основном за счет упрочнения бетона под обжатием и, в зависимости от конкретных параметров здания, может достигать 30-40 %. Такой подход целесообразно ' учитывать при проектировании, реконструкции или усилении зданий и сооружений.

Основные положения диссертационной работы нашли отражение в научной публикации: Казачек В.Г., Надфа Набиль, Шилов А.Е. "Ползучесть и длительная прочность композитов типа бетона при различной историй загружё"ния" в сборнике докладов УI национального конгресса по теоретической и прикладной механике (Варна, 193Э г., стр. 25-30).

ЛЯЫ1АДФВ НАШЬ

. ПРОЧНОСТЬ И ЕШШАТИВНОСТЬ СКАТЬК ШТОНШ И КЕЛЕЗОЕЕТОННЦХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНО!! РЕЖИМЕ СТАТИЧЕСКОГО ЗАГРШНИЯ

05.23,01 - Строитэльпыэ конструкция, здания и сооружения

Автореферат диссертации на ооискашю ученой степени кандидата технических наук

__________ Редактор Г.В.Ширкина__ ■

Подписано в печать 22,11.93. Соргзт бОхб-^/Гб. Бумога тип. Л 2. Сфсат. печать.

___Усл.печ.д. 1,2. Уч.^язп.л. 1,0. Тир,.100, £зк, 1226,_

Белорусская гооудэрствэнноя политехническая скедомня, Отпочэтево на ротаярантз БП1А. 22002?, Минск, пр. Ф.Скорины, 65.