автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность усиленных железобетонных элементов с коррозионными повреждениями

На правах рукописи

/' /

Новиков Дмитрий Андреевич

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С КОРРОЗИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДЕК 2013

Москва 2013

005543701

005543701

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шавыкина Марина Витальевна

Официальные оппоненты: Меркулов Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленное и гражданское строительство», ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет»

Андросова Наталья Борисовна

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»

Защита состоится «25» декабря 2013 г., в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.05 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный

университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, корпус 7, ауд. 7501.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПС (МИИТ). Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета " Шавыкина Марина Витальевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Железобетонные конструкции большинства промышленных зданий и сооружений работают в специфических эксплуатационных условиях и испытывают различные виды коррозионных повреждений, от воздействия агрессивных сред, которые приводят к снижению прочностных характеристик материалов и деформационно - жесткостных характеристик конструкции, что со временем приводит к необходимости выполнения усиления и восстановления прочностных и эксплуатационных характеристик конструкций. По данным Федеральной службы государственной статистики на начало 2011 года износ основных фондов Российской Федерации составил около 50%, что определяет опережающий рост реконструкции предприятий по сравнению с новым строительством. Между тем, в нормативных документах отсутствуют четко сформулированные указания по проектированию усиления несущих железобетонных конструкций, приводятся лишь общие указания по учету фактического состояния эксплуатируемой конструкции. Расчет усиленных конструкций выполняется приведением составного сечения к условному сплошному сечению с использованием простейших нелинейных законов деформирования материалов. После усиления, железобетонные конструкции с коррозионными повреждениями, становятся составными железобетонными конструкциями сечения которых, состоят из нескольких бетонов с различной прочностными и деформационными характеристиками и различными жесткостными характеристиками контактного шва между существующим бетоном и бетоном усиления. Чаще всего усиление конструкций действующих зданий и сооружений выполняется при действии нагрузок, что вызывает необходимость учета напряженно деформированного состояния конструкции до усиления. В тоже время «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» требует обеспечения надежных проектных решений для всех стадий жизненного цикла, в том числе и при реконструкции зданий. В связи с этим исследования прочности и деформативности восстанавливаемых эксплуатируемых железобетонных конструкций и развитие методов расчета железобетонных составных конструкций с наличием слоя коррозионно поврежденного бетона является актуальной научной задачей.

Объект исследования - усиленные железобетонные конструкции с коррозионными повреждениями.

Предмет исследования - несущая способность и деформативность усиленных внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных элементов при наличии коррозионных повреждений.

Цель диссертационной работы - уточнение существующих методов расчета прочности и деформативности железобетонных составных конструкций с наличием коррозионных повреждений.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику и выполнить экспериментальные исследования прочности и деформативности изгибаемых железобетонных составных элементов с моделированием коррозионных повреждений конструкции и эффектом податливости шва между конструкцией и бетоном усиления;

- принять расчетную схему усилий и зависимости для определения напряженно-деформированного состояния в нормальном сечении усиленных железобетонных внецентренно сжатых и изгибаемых элементов с учетом наличия коррозионного повреждения и податливости шва между старым и новым бетоном;

- уточнить методику расчета несущей способности внецентренно сжатых и изгибаемых усиленных железобетонных конструкций с учетом коррозионных повреждений и эффекта податливости контактного шва;

- выполнить анализ экспериментальных и численных исследований несущей способности и напряженно-деформированного состояния, усиленных внецентренно сжатых железобетонных элементов.

Научную новизну работы составляют:

- методика и результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности усиленных элементов с моделированием повреждений конструкции, с эффектом податливости шва между конструкцией и бетоном усиления;

- расчетная схема усилий и зависимости для определения напряженно-деформированного состояния в нормальном сечении усиленных железобетонных внецентренно сжатых и изгибаемых элементов с учетом наличия коррозионного повреждения и податливости шва между конструкцией и бетоном усиления;

- алгоритм расчета несущей способности и параметров деформирования усиленных внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных элементов с учетом факторов коррозионных повреждений, нелинейности

деформирования бетонов, и податливости шва между конструкцией и бетоном усиления;

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается результатами численных исследований и сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными и основывается на использовании основных закономерностей теории железобетона.

Практическая значимость заключается в развитии метода расчета железобетонных составных изгибаемых конструкций с наличием слоя коррозионно поврежденного бетона, что позволяет обоснованно разрабатывать проекты реконструкции железобетонных каркасов гражданских и промышленных зданий с учетом значительных коррозионных повреждений.

Автор защищает:

- методику и результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности железобетонных элементов, моделирующих повреждения конструкции и податливость шва между конструкцией и бетоном усиления;

- уточненную расчетную схему усилий и зависимости напряженно-деформируемого состояния по нормальному сечению, внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных элементов с учетом коррозионных повреждений, и податливости шва между конструкцией и бетоном усиления, и учетом напряженно деформированного состояния конструкции до усиления;

- алгоритм расчета и результаты численных исследований напряжённо -деформированного состояния усиленных методом увеличения сечения железобетонных конструкций с коррозионными повревдениями.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы представлены на международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (г. Курск, 2012 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы архитектуры и строительства (г. Саранск, 2013 г.), на научных семинарах кафедры «Строительные конструкции, здания и сооружения» (МИИТ, 2010, 2011, 2012 , 2013 г. г.)., в научно-техническом журнале ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», «Строительство и реконструкция» (г. Орел 2013

г.).

В полном объеме диссертационная работа доложена и одобрена на заседании кафедры «Строительные конструкции, здания и сооружения»

ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)».

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 146 страницах, включает 39 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 128 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационных исследований, приведены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены общая характеристика работы, её основные положения и выводы, которые автор выносит на защиту.

В первой главе рассматриваются современные подходы и основные направления развития усиления и реконструкции железобетонных конструкций. Приведен анализ конструктивных решений и экспериментально-теоретических исследований усиленных железобетонных конструкций, в том числе по учету коррозионных повреждений конструкций, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления, предыстории нагружения. На основании анализа выявлена недостаточность известных исследований по рассматриваемой проблематике, сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.

При проектировании усиления и реконструкции железобетонных элементов необходимо учитывать их техническое состояние, определяемое уровнем действующей нагрузки, наличием силовых и коррозионных повреждений. Решению вопросов оценки ресурса железобетонных конструкций и разработке методов проектирования усиления конструкций посвящены работа Д.О. Астафьева, В.М., Баширова Х.З., Бондаренко, В.А. Клевцова, В.И. Колчунова, Н.В. Клюевой, С.И. Меркулова, B.C. Плевкова, Т.М. Пецольда, А.И. Попеско, P.C. Санжировского, В.И. Римшина, Г.А. Смоляго, B.C. Федорова, В.П. Чиркова, М.В. Шавыкиной, АЛ. Шагина и других.

При оценке ресурса железобетонных конструкций одной из важных задач является учет коррозионных повреждений бетона и арматуры. Механизмы и закономерности влияния агрессивных сред на бетон и арматуру выявлены в работах С.Н. Алексеева, Ю.М. Баженова, Г.И. Горчакова, Б.В.

Гусева, В.Т. Ерофеева, П.Г. Комохова, В.М. Латыпова, В.М. Москвина, И.Г. Овчинникова, A.M. Подвального, А.И. Попеско, Н.К. Розенталя, В.П. Селяева, A.A. Старосельского, В.П. Чиркова, М. В. Шавыкиной и других.

Наиболее эффективным способом усиления железобетонных конструкций, имеющих коррозионные повреждения, является увеличение сечения добетонированием. Такой способ позволяет не только повысить несущую способность, но и защитить конструкцию от воздействия агрессивной среды. Рассматриваемый способ усиления железобетонных конструкций имеет ряд особенностей: усиливаемая конструкция имеет коррозионные повреждения и собственное напряженно-деформированное состояние, обусловленное действием эксплуатационной нагрузки; в усиленной конструкции совместно работают бетоны с различными прочностными и деформативными характеристиками. Анализ результатов исследований по рассматриваемому вопросу показал, что существующие методики, в том числе и нормативные, не отражают специфических особенностей работы реконструированных железобетонных конструкций и должны быть пополнены соответствующими положениями.

На основании выполненного обзора и анализа известных экспериментально-теоретических исследований, научных публикаций сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.

Вторая глава посвящена выбору методики расчета по определению несущей способности усиленных железобетонных элементов с учетом коррозионных повреждений, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления, фактического напряженного состояния усиливаемой конструкции. На основании анализа современных физических моделей железобетона, применяемых при расчете железобетонных составных элементов, принята расчетная модель силового сопротивления и зависимости для определения напряженно-деформированного состояния усиленных железобетонных конструкций с учетом повреждений, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления. Последнее связано с тем, что для получения эффективных конструктивных решений необходимо обеспечить надежность соединения по шву контакта бетонов. При усилении железобетонных конструкций не всегда возможно надежное сцепление бетона усиления с эксплуатируемой конструкцией.

Для выбора методов расчета усиления железобетонных конструкций необходимо оценивать и учитывать напряженно-деформированное состояние эксплуатируемых железобетонных конструкций на основании физической модели бетона при наличии коррозионных повреждений. Разработке физических моделей железобетона посвящены фундаментальные

исследования: C.B. Александрова, В.Н. Байкова, О.Я. Берга, В.М. Бондаренко, А.Б. Голышева, Н.И. Карпенко, Вл.И. Колчунова, Д.Р. Маиляна, С.И. Меркулова, Г.В. Мурашкина, В.И. Мурашева, Е.И. Прокоповича, P.C. Санжировского, А.Г. Тамразяна, B.C. Федорова и др.

Для описания напряженно-деформированного состояния усиленных железобетонных конструкций при коррозионном повреждении использованы уравнения равновесия, уравнения условия совместности деформаций, уравнения равенства радиусов кривизны компонентов сечения.

Для решения поставленных в работе задач приняты следующие основные гипотезы:

- оценка несущей способности эксплуатируемых железобетонных элементов выполняется с учетом коррозионных повреждений бетона, при снижении прочности бетона по глубине коррозионного повреждения данная зона разбивается на элементарные слои с условно однородными прочностными свойствами в пределах выделенного слоя;

- оценка несущей способности эксплуатируемых железобетонных элементов выполняется с учетом коррозионных повреждений арматуры, которая оценивается уменьшением площади поперечного сечения арматурных стержней;

- для средних деформаций бетонов и арматуры считается справедливой гипотеза плоских сечений в пределах каждого элемента составного сечения;

- связь между напряжениями и деформациями бетонов, как с коррозионными повреждениями, так и без повреждений принимается в виде зависимости, (рис. 1) предложенной Н.И.Карпенко:

^m=Sm-Em-Vm (1)

)

Где

= -^т)л]1~е1яТ}т -е1тт]2т , (2)

при т = Ъ, Ьы, Ъъ.сг - рассматривается бетон на сжатие, растяжение, бетон с коррозионными повреждениями; т = 5 - арматура; е1т, в2т - коэффициенты, характеризующие вид материала; - значение в вершине диаграммы при <Ут = от.

Рисунок 1 - Диаграмма «сг-е»: а - бетона; б - арматуры.

Данная зависимость позволяет описать деформирование бетона для всего цикла нагружения: от начальных стадий приложения нагрузки до максимального напряжения и последующего снижения напряжения вплоть до предельного значения относительных деформаций. Принятой зависимости присуща унификация диаграмм для бетона и арматуры.

При оценке коррозионного повреждения железобетонного элемента независимо от вида агрессивной среды повреждения в теле бетона распределяются следующим образом: наибольшие разрушения наблюдаются на грани контакта агрессивной среды с бетоном, по мере продвижения коррозионного фронта повреждение бетона уменьшается и на некоторой глубине бетон имеет первоначальную прочность. Как показано исследованиями А.И. Попеско, на бетон с коррозионными повреждениями структуры распространяются общие закономерности деформирования, которые отражаются диаграммой «напряжения - деформации». Для построения расчетной методики сопротивления бетона с коррозионными повреждениями применима зависимость, для чего необходимо установить закономерность изменения прочностных и деформативных характеристик бетона в условиях действия агрессивной среды.

Прочностные и деформативные характеристики поврежденного коррозией бетона:

Rb,cr = kR0; Eb)CT=kE0 (3)

где Rb,cr, Eb,cr - прочность, модуль мгновенной деформации поврежденного бетона;

к - функция деградации поврежденного бетона.

Зона коррозионного повреждения бетона разбивается на элементарные слои с условно однородными прочностными свойствами в пределах выделенного слоя, прочность бетона между слоями принимается равной прочности бетона наиболее прочного слоя (рис. 2).

Рисунок 2 - К учету коррозионного повреждения бетона.

Усилие, воспринимаемое бетоном зоны сечения, повреждённой коррозией:

(4)

Степень коррозионного повреждения арматуры учитывается уменьшением площади поперечного сечения арматурных стержней:

где А5 и Азсг - соответственно, начальная площадь сечения арматуры и площадь коррозионно поврежденной арматуры.

Рисунок 3 - Напряженно-деформированное состояние эксплуатируемого железобетонного элемента, а - стадия нормальной эксплуатации; б - коррозионное повреждение элемента; в - усиление поврежденного коррозией элемента.

Напряженно-деформированное состояние элемента определяется выражениями главного вектора и главного момента.

Для элемента с коррозионными повреждениями:

Ы = \аьаг+ | аКс,(1¥ + £ ст„ соЛ„ + ]Г сг„ А„; (6)

М = + + Ха.М«Ау]) + X ^ ЛАу.У

Ъ Ь„ »=1 »-1

Для усиленного элемента

N = ¡ст^+ \<7ксгс1Г+ + + 1>,А+5Х

1 Р„ 1 1-1 к-1

^ *=|

+X (у,)-1-Х (у,)-

(7)

(8) (9)

Деформации в сечении усиленного элемента вычисляются через фибровые деформации:

= £ь (—Н) (Ю)

где с1[ - расстояние от нейтральной оси сечения до рассматриваемого уровня.

Кривизну элемента можно определить, зная деформацию фибрового волокна бетона:

1 - Еч

-р-т,- (11)

Сдвигающая сила в податливом шве контакта двух бетонов для

усиленного железобетонного элемента в общем виде определяется выражением:

Г= ¡ъМп+Х*^; (12)

Кривизна элемента с податливым швом определяется по деформациям фибровых волокон бетона усиления (£Ьус) или бетона усиливаемой конструкции (еь):

£_£ьус. _ £ъ

р Л2 ' р х-П2

Параметры напряженно-деформированного состояния усиленных элементов, величины кривизны и прогиба на заданных уровнях нагружения вычисляются из системы исходных уравнений. Решение сформулированной задачи реализуется итерационным способом, начальным параметром являются деформации фибровых волокон. Нелинейный характер деформирования бетона под нагрузкой учитывается методом последовательных нагружений с методом итерации на каждом этапе.

В третьей главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности изгибаемых элементов, моделирующих повреждения конструкции и податливость шва между конструкцией и бетоном усиления. Приведены новые опытные данные влияния повреждений и податливости шва на несущую способность и параметры напряженно-деформированного состояния усиленных железобетонных конструкций.

При оценке коррозионного повреждения бетона выделяют три зоны по сечению конструкции: зона полного разрушения бетона, зона снижения прочности бетона, зона неповрежденного бетона. Для моделирования коррозионного повреждения бетона в конструкции предложено изготовление экспериментальных изгибаемых образцов с послойным бетонированием сжатой зоны бетонами различной прочности, при этом бетоны с более низкой прочностью моделируют зону поврежденного бетона.

Опытные образцы моделируют состояние железобетонных конструкций на основных этапах жизненного цикла здания: состояние эксплуатируемых конструкций в проектных условиях без коррозионных повреждений (образцы серии Н); поврежденное состояние железобетонной конструкции вследствие воздействия агрессивной среды с разрушением бетона сжатой зоны и уменьшением размеров сечения конструкции (образцы серии К-1, К-2, К-3), проведение реконструкции здания с усилением поврежденных конструкций из условия действия новых эксплуатационных нагрузок (образцы серии У-1, У-2) с различными конструктивными решениями шва между конструкцией и бетоном усиления. Характеристики экспериментальных образцов приведены в таблице 1.

Образцы серии «Н» бетонировались в один технологический прием из бетона состава №1. Балки серии .«К» выполнены как многослойные конструкции. Для изготовления балок применены бетоны составов №1, №2 и №3, которые укладывались в опалубку слоями 80 мм, 50 мм и 50 мм. Укладка бетонов в опалубку проводили послойно без технологических перерывов. Образцы серий «У-1» и «У-2» изготавливали добетонированием образцов серии «К» сверху бетоном состава №4. Образцы серии «К» на момент добетонирования имели возраст 30 суток. В образцах серии «У-1» для выполнения жесткого шва контакта с элементом усиления бетон наращивания укладывали шероховатую поверхность элемента серии «К-2». В образцах серии «У-2» для выполнения податливого шва контакта с элементом усиления при изготовлении образцов серии «К-3» верхнюю поверхность выравнивали, а перед добетонированием на верхнюю поверхность укладывали полиэтиленовую пленку. Рабочая арматура для образцов всех серий два стержня диаметром 16 мм класса А400, поперечная арматура на опорных участках балок диаметром 4 мм класса В500 с шагом 50 мм. Характеристики бетонов приведены в таблице 2.

Таблица 1 - Характеристика экспериментальных образцов

Серия образца Сечение образца Характеристика образцов Вид испытаний

Н т— i Ja, 20!6 4 Ja. Ь=200мм Ri=21,4 МПа Испытание элемента без коррозионного повреждения бетона сжатой зоны

К-1 К-2 К-3 - % ж 4 h=180MM, Э1=50мм, а2=50мм R3=7,63MIIa R2=12,7Mria, R,=21,4MIIa, Испытание элемента с моделированием коррозионного повреждения бетона сжатой зоны

ib V Ja.

У-1 У-2 - V ¡ü й Л .3 Ь=230мм, а1=50мм, а2=50мм, а3=50мм R4=21,0Mna, R3=7,63Mria R2=12,7Mna, Ri=21,4MIIa, Испытание усиленного элемента с коррозионным повреждением бетона сжатой зоны при подвижной и податливой схемах контактного шва между усиливаемой конструкции и бетоном усиления.

Ja

Таблица 2 - Характеристики бетонов экспериментальных образцов

№ состава Класс бетона Срок испытании Кубиковая прочность, МПа Призменная прочность, МПа Модуль Упругости, (10 3) МПа

1 В20 30 25,5 21,42 20,4

62 26,2 22,90 20,4

2 В7,5 30 11.8 7,63 19.8

62 12,7 8,0 19,9

3 В10 30 18,0 12,70 20,1

62 18.8 13,86 20,2

4 В20 32 24,2 21,08 20,4

В результате испытаний выявлены характер разрушения и механизмы трещинообразования в опытны образцах. Исследования совместных деформаций в зоне контактного шва показали, что до уровня нагружения 0,6 в балках серии У-1 сохраняется сплошность контактного шва. При дальнейшем нагружении по контакту появляются волосяные трещины, сдвига по контактному шву вплоть до разрушения балок не наблюдалось. При испытании образцов серии У-2 при уровне нагружения 0,4 наблюдается различие в деформациях по обе стороны контактного шва. При нагрузке 0,6 в нижней зоне бетона усиления возникают растягивающие деформации, в образцах серии У-2 горизонтальные смещения между конструкцией и элементом усиления резко увеличиваются и на торцах балок достигают (0,25...0,40) мм. Анализ изменения деформаций в поперечных сечениях образцов показал справедливость гипотезы плоских сечений в пределах каждого из компонентов составного сечения для средних деформаций основной конструкции и бетона усиления и арматуры на этапах нагружения. Характер трещинообразования и разрушения усиленных железобетонных элементов приведен на рис.4.

а)

И> У-2-2 и. ^

Б 5 Иг /'1 3 к ПоОотл/ОиО 110« /

№ з- 3 - •

_ -------- ------ .......... &

Рисунок 4 - К анализу характера трещинообразования и разрушения усиленных железобетонных элементов, а - образец У-1 -1; б - образец У-2-1.

Установлено, что фактором, определяющим эффективность усиления железобетонных конструкций увеличением сечения методом наращивания, является конструкция контактного шва между усиливаемой конструкции и бетоном усиления. Усиление изгибаемых элементов с аналогичными повреждениями сжатой зоны с устройством жесткого шва позволило повысить несущую способность поврежденных элементов в 1,44 раза, и превысить несущую способность элементов без повреждений в 1,07 раза. Усиление поврежденных элементов при податливом контактном шве между конструкцией и элементом усиления несущую способность поврежденных элементов увеличило в 1,3 раза и не удалось повысить несущую способность до значений для неповрежденных элементов. Кроме того в усиленных образцах с податливым швом не обеспечивается нормативное требование, а именно, обязательный характер разрушения изгибаемого элемента по растянутой арматуре в случае действии нагрузки, значение которой превышает несущую способность элемента.

Характер работы контактного шва влияет на деформативность опытных балок (рис. 5). Прогиб балок с податливым контактным швом

превосходит прогиб аналогичных балок с жестким швом более, чем на 30%. На графиках «М,/Мц-ае» точка изменения угла наклона кривых деформирования являются моменты образования нормальных трещин и сдвига по шву контакта.

а) б)

Рисунок 5 - Опытная зависимость «М,/Мц- аё» для балок а - серии «У-1»; б - серии «У-2».

Полученные результаты дополняют базу экспериментальных данных для усиленных железобетонных конструкций и позволяют проверить предложенную методику для эффективного проектирования усиления коррозионного поврежденных конструкций каркасных зданий.

В четвертой главе на основе предложенной расчетной методики разработан алгоритм расчета несущей способности внецентренно сжатых усиленных железобетонных конструкций. Приведены результаты численных исследований влияния различных факторов на несущую способность усиленных железобетонных конструкций. На основе сопоставительного анализа теоретических и экспериментальных данных проведена оценка достоверности и эффективности разработанного расчетного аппарата. Результаты анализа показали преимущество предлагаемой методики, так как отклонения теоретических значений от опытных не превышало 8%. Отклонения теоретических значений по нормативной методике от опытных достигало 20% (табл. 3).

Таблица 3. Результаты сопоставления опытной и теоретической несущей способности опытных балок

Опытные данные Методика СП 52-101-2003 Методика уточненная автором

серия К-во образцов

Ыи,кЫ % %

К- 1 3 38,60 42,88 13,4 35,6 8,4

У- 1 2 53,00 59,60 12,5 49,2 7,7

У - 2 3 49,90 58,95 18,1 52,58 4,8

При выполнении численных исследований усиленных железобетонных элементов варьировали параметры: состав сечения усиленных элементов, жесткость контактного шва, глубина и степень поражения коррозией бетона железобетонной конструкции.

Коррозионное повреждение бетона сжатой зоны влияет на несущую способность и в большей степени на трещиностойкость и деформативность железобетонного элемента. При снижении прочности бетона на 25% несущая способность снижается на 10%, трещиностойкость снижается до 30%, а кривизна - до двух раз.

Автором предложена практическая методика расчета железобетонных элементов с коррозионными повреждениями и усиленных железобетонных элементов. В основу практического метода проектирования усиления железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями положены сформулированные в работе предпосылки с определенными упрощениями, что позволило свести расчет к методологии свода правил СП 63.13330.2012. При расчете прочности железобетонных конструкций с учетом неупругих свойств бетона для определения напряженно-деформированного состояния сжатой зоны бетона принимается в виде двух линейной диаграммы. Для бетонов с коррозионными повреждениями принимается аналогичная диаграмма. Прочность бетона при действии агрессивной среды определяется испытанием проб, отобранных из конструкции. Для полученных значений прочности бетона в зоне коррозионного повреждения йЬ сог все параметры принимаются по СП 63.13330.2012 для бетона с йь = /?Ьсог. При проектировании усиления железобетонных элементов толщину бетона усиления назначают из условия технологии бетонирования и размещения дополнительной арматуры. Расчет конструкции с жестким контактным швом выполняется как элемента сплошного сечения, при расчете конструкции с подвижным контактным швом усилия от нагрузки распределяются между составными частями пропорционально их жесткостям.

Для получения эффективных проектных решений усиления конструкций необходимо обеспечить жесткость контактного шва между конструкцией и бетоном усиления. При увеличении жесткости шва сдвига несущая способность изгибаемых элементов увеличивается на 10-15%, а момент трещинообразования до 20%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД

1. Принята методика расчета прочности и деформативности составных железобетонных конструкций зданий: оценка напряженно-деформированного состояния эксплуатируемой конструкции с учетом фактического нагружения, оценка силового сопротивления железобетона при коррозионных повреждениях, проектирование усиления конструкции, расчет усиленных конструкций по прочности и деформативности. Методика учитывает работу в составе конструкции, бетонов с различными прочностными и деформативными свойствами, наличие в усиливаемом элементе напряженно-деформированного состояния, обусловленного действующим напряженно-деформированным состоянием, конструктивное решение усиления железобетонных конструкций по конструктивному решению шва между конструкцией и бетоном усиления.

2. Разработанная методика экспериментальных исследований позволила выполнить моделирование силового сопротивления железобетонной конструкции с коррозионным повреждением бетона, а также усиленной железобетонной конструкции при наличии коррозионных повреждений бетона в усиливаемом элементе. В результате испытаний железобетонных изгибаемых элементов с коррозионным повреждением бетона и усиленных элементов получены новые данные по несущей способности, трещиностойкости и деформативности рассматриваемых конструкций, а так же выявить характер трещинообразования и механизм разрушения конструкций. Установлено, что фактором, определяющим эффективность усиления железобетонных конструкций увеличением сечения методом наращивания, является конструкция контактного шва между усиливаемой конструкции и бетоном усиления. Усиление изгибаемых элементов с повреждениями сжатой зоны с устройством жесткого шва позволило повысить несущую способность поврежденных элементов по с равнению с усилением этих же конструкций с устройством подвижного шва в 1,3 раза.

3. Разработан алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, усиленных методом увеличения сечения, с учетом особенностей реконструированного железобетона и наличия в составе сечения бетонов с различными прочностными и деформационными характеристиками. Выполнены численные исследования несущей способности и деформативности усиленных железобетонных конструкций. Сопоставление результатов экспериментов с теоретическими величинами, подсчитанными по принятой методике, и проверка точности методики показали эффективность принятого расчетного аппарата.

4. Разработан практический метод оценки несущей способности железобетонных элементов с коррозионными повреждения, метод проектирования усиления железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями, с различными конструктивными решениями контактного шва.

Список публикаций, отражающих результаты работы:

Новиков, Д.А. Анализ результатов исследований усиленных железобетонных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений [Текст] / Д.А. Новиков // Строительство и реконструкция. - 2013. - №2. - С. 46-49

Новиков, Д.А. Методика экспериментальных исследований усиленных железобетонных элементов [Текст] / Д.А. Новиков // Строительство и реконструкция. - 2013. - №2 . - С. 50-52

Новиков, Д.А. Экспериментальное исследование усиленных изгибаемых железобетонных элементов [Текст] / Д.А. Новиков // Строительство и реконструкция. - 2013. - №5 . - С. 10-12

Новиков, Д.А. К вопросу усиления железобетонных конструкций [Текст] / Д.А. Новиков // Актуальные вопросы архитектуры и строительства: материалы Двенадцатой Междунар. науч.-техн. конф. - 2013. - С. 330-332.

Шавыкина, М.В. Усиление железобетонных элементов при реконструкции каркасных зданий [Текст] / М.В.Шавыкина, Д.А.Новиков // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы междун. Академических чтений. - 2012. - С. 121-123.

Новиков Дмитрий Андреевич

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С КОРРОЗИОННЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать^«?. 11. 2013г. Заказ • Тираж 80 экз.

Формат бумаги 60x84 1/16. Объемп.л.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д.9, стр.9.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Прочность и деформативность усиленных железобетонных элементов с коррозионными повреждениями

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА РЕКОНСТРУКЦИИ И УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. 9

1.1. Современные подходы к реконструкции и усилению железобетонных конструкций. 9

1.2. Методы расчета реконструируемых железобетонных элементов. 16

1.3. Экспериментальные исследования реконструированных и усиленных железобетонных конструкций. 31

1.4. Выводы. Цель и задачи исследований. 39

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПО ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ. 41

2.1. Исходные положения и гипотезы. Расчетные модели деформирования бетона. 41

2.2. Оценка несущей способности железобетонного элемента при коррозионном повреждении 55

2.3. Методика расчета усиленного железобетонного элемента при коррозионном повреждении бетона и арматуры. 61

2.4. Выводы. 70

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. 72

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований. 72

3.2. Конструкция образцов и объем экспериментальных исследований 73

3.3. Методика экспериментальных исследований. 82

3.4. Результаты экспериментальных исследований усиленных железобетонных элементов. 85

3.5. Выводы. 100

4. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ РАСЧЕТА И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. 102

4.1. Алгоритмизации расчета прочности и деформаций усиленных железобетонных элементов. 102

4.2. Анализ опытных и теоретических значений прочности и деформаций усиленных элементов. 116

4.3. Практический метод расчета усиления железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями. 123

4.4 Выводы. 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 131

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 133

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время увеличивается объем реконструкции действующих зданий и сооружений, усиления и восстановления несущих конструкций. По данным Федеральной службы государственной статистики на начало 2011 года износ основных фондов Российской Федерации составляет 47%, что определяет опережающий рост реконструкции предприятий по сравнению с новым строительством. Между тем, в нормативных документах отсутствуют четко сформулированные указания по проектированию усиления несущих железобетонных конструкций, приводятся лишь общие указания по учету фактического состояния эксплуатируемой конструкции. Расчет усиленных конструкций выполняется приведением составного сечения к условному сплошному сечению с использованием простейших нелинейных законов деформирования материалов. В тоже время «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» требует обеспечения надежных проектных решений для всех стадий жизненного цикла, в том числе и при реконструкции зданий. Из множества способов усиления для таких конструкций наиболее эффективным является увеличение сечения обетонированием или устройством обойм из железобетона, фибробетона, полимербетона и других. Этот вариант усиления не толь существенно позволяет увеличить несущую способность, но и позволяет надежно защитить конструкцию от агрессивных воздействий. При усилении железобетонных конструкций образуются составные железобетонные конструкции, сечения которых состоят из нескольких бетонов с различной прочностью, в эксплуатируемой конструкции имеются повреждения, при усилении не всегда удается обеспечить абсолютную жесткость контактного шва между конструкцией и бетоном усиления. Усиление конструкций многоэтажных каркасных зданий выполняется при действии значительных нагрузок, то есть необходимо учитывать предысторию нагружения конструкций. В связи с этим существует потребность в проведении

экспериментальных и теоретических исследований и в разработке на их основе методики проектирования усиления железобетонных конструкций при реконструкции многоэтажных каркасных зданий, учитывающей реальные условия работы конструкций.

Цель диссертационной работы - разработка методики расчета прочности и деформативности усиленных несущих железобетонных конструкций при реконструкции многоэтажных каркасных.

Научную новизну работы составляют:

- предложения по совершенствованию расчетной модели силового сопротивления и зависимости для определения напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых и изгибаемых усиленных железобетонных конструкций с учетом повреждений, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления;

- методика и результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности усиленных элементов с моделированием повреждений конструкции, с эффектом податливости шва между конструкцией и бетоном усиления;

- предложения и алгоритм расчета несущей способности и параметров деформирования усиленных внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных элементов с учетом факторов повреждений, нелинейности деформирования бетонов, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления;

- результаты численных исследований и анализа экспериментальных данных несущей способности и напряженно-деформированного состояния усиленных железобетонных элементов с учетом повреждений конструкций и эффекта податливости шва между конструкцией и бетоном усиления.

Автор защищает:

- методику расчета несущей способности внецентренно сжатых и изгибаемых усиленных железобетонных конструкций с учетом

коррозионных повреждений, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления, предыстории нагружения усиливаемой конструкции;

- методику и результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности элементов, моделирующих повреждения конструкции и податливость шва между конструкцией и бетоном усиления;

- алгоритм расчета и результаты численных исследований напряжённо -деформированного состояния усиленных методом увеличения сечения железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями.

- экспериментально обоснованный метод оценки и учета влияния коррозионных повреждений бетона на несущую способность усиленных железобетонных конструкций.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается результатами численных исследований и сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными и основывается на использовании основных закономерностей теории железобетона.

Практическое значение и реализация результатов работы

Разработанная методика расчета несущей способности внецентренно сжатых усиленных железобетонных конструкций позволяет обоснованно разрабатывать проекты реконструкции железобетонных каркасов гражданских и промышленных зданий с учетом значительных коррозионных повреждений.

Результаты настоящих исследований применены при разработке отдельных проектов ООО «ЦНИИпрмзданий» (г. Москва), внедрены в учебный процесс ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)» при изучении дисциплины «Железобетонные и каменные конструкции».

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы представлены на международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России.

Проблемы и решения» (г. Курск, 2012 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы архитектуры и строительства (г. Саранск, 2013 г.), на научных семинарах кафедры «Строительные конструкции, здания и сооружения» (МИИТ, 2010, 2011, 2012 г.г.).

В полном объеме диссертационная работа доложена и одобрена на заседании кафедры «Строительные конструкции, здания и сооружения» ФБГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)».

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 146 страницах, включает 39 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 128 наименований.

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационных исследований, приведены общая характеристика работы, её основные положения и выводы, которые автор выносит на защиту.

В первой главе рассматриваются подходы и основные направления

развития усиления и реконструкции железобетонных конструкций.

Выполнены обзор и анализ современных подходов к усилению

железобетонных конструкций при реконструкции зданий и сооружений.

Рассмотрены опубликованные в литературе и нормативные методы расчета

усиленных железобетонных конструкций, установлено, что указанные

методы не адекватно учитывают работу в составе конструкции бетонов с

различными прочностными и деформативными свойствами, наличие

коррозионных повреждений бетона и арматуры усиливаемой конструкции,

податливость шва между конструкцией и бетоном усиления, предысторию

нагружения усиливаемой конструкции. Приведен анализ конструктивных

б

решений и экспериментально-теоретических исследований усиленных железобетонных конструкций, в том числе по учету коррозионных повреждений конструкций, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления, предыстории нагружения. Сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.

Вторая глава посвящена разработке расчетной методики по определению несущей способности усиленных железобетонных элементов с учетом повреждений, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления, предыстории нагружения усиливаемой конструкции. Сформулированы позволяющие решить поставленные задачи предпосылки по учету коррозионных повреждений бетона и арматуры, гипотеза плоских сечений в пределах каждого элемента составного сечения, зависимость напряжений и деформаций справедливую как для неповрежденного бетона, так и для бетона с коррозионными повреждениями. Коррозия бетона оценивается глубиной повреждения и деградацией поврежденного бетона, проявляющейся изменением прочностных и деформативных характеристик. Зона коррозионного повреждения данная зона разбивается на элементарные слои с условно однородными прочностными свойствами в пределах выделенного слоя. На основании анализа современных физических моделей железобетона, применяемых при расчете железобетонных составных элементов, предложена расчетная модель силового сопротивления и зависимости для определения напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых и изгибаемых усиленных железобетонных конструкций с учетом повреждений, податливости шва между конструкцией и бетоном усиления.

В третьей главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований прочности, трещиностойкости и деформативности усиленных изгибаемых железобетонных элементов, моделирующих повреждения конструкции и податливость шва между конструкцией и бетоном усиления. Приведены новые опытные данные влияния повреждений и податливости

7

шва на несущую способность и параметры напряженно-деформированного состояния усиленных железобетонных конструкций при кратковременном внецентренном сжатии. Выявлен механизм разрушения усиленных элементов с различной конструкцией контактного шва между конструкцией и бетоном усиления, установлены закономерности трещинообразования в опытных образцах.

В четвертой главе на основе предложенной расчетной методики разработан алгоритм расчета несущей способности внецентренно сжатых усиленных железобетонных конструкций. Приведены результаты численных исследований влияния различных факторов на несущую способность усиленных железобетонных конструкций. При выполнении численных исследований усиленных железобетонных элементов варьировали параметры: состав сечения усиленных элементов, жесткость контактного шва, глубина и степень поражения коррозией бетона железобетонной конструкции. Результатами численных исследований показано, что для получения эффективных проектных решений усиления конструкций необходимо обеспечить жесткость контактного шва между конструкцией и бетоном усиления.

На основе сопоставительного анализа теоретических и экспериментальных данных проведена оценка достоверности и эффективности разработанного расчетного аппарата.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА РЕКОНСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Современные подходы к реконструкции и усилению железобетонных конструкций.

Значительная часть зданий и сооружений эксплуатируется длительные сроки, в течение которых конструкции получают силовые, коррозионные, технологические и другие повреждения. Федеральный закон «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» 384 - ФЗ от 30 декабря 2009 г. предъявляет требования обеспечения безопасности на всех этапах жизненного цикла зданий и сооружений, в том числе и при эксплуатации и реконструкции. Основным показателем механической безопасности здания или сооружения является его конструктивная безопасность, характеризующая неразрушимость объекта в течение расчетной продолжительности жизненного цикла.

В период эксплуатации зданий и сооружений, при реконструкции объектов возникает необходимость в усилении, как отдельных строительных конструкций, так и в реконструкции конструктивных систем. Анализ [53] показал, что в более 60% эксплуатируемых зданиях и сооружениях имеются повреждения строительных конструкций, требующие приведения конструктивной безопасности до проектных параметров. Повреждения конструкций приводят к аварийному выходу из эксплуатации отдельных конструкций, частей здания, так и к обрушению всего здания [2, 20, 53, 55, 84, 90, 110, 113].

К настоящему времени накоплен большой опыт усиления железобетонных конструкций, разработаны многочисленные конструктивные методы, применяются разнообразные технологии и материалы [8, 9, 11, 17, 24, 31, 36, 37, 45, 48, 50, 59, 67, 78, 79, 80, 83, 100, 105, 112, 124, 125].

Способы и методы реконструкции и усиления железобетонных конструкций определены известными классификациями [50, 67, 100], которые отражают методы повышения несущей способности и технологию выполнения работ по усилению конструкции. Усиление железобетонных конструкций реализуется следующими методами:

- увеличение площади сечения конструкции железобетонными, стальными и полимерными обоймами; одно-, двух-, трехсторонним добетонированием; увеличение площади сечения стержней арматуры;

изменением напряженного состояния элементов установкой дополнительной преднапряженной арматуры, преднапряженных шарнирно-стержневых систем;

- изменением статической схемы конструкций установкой дополнительных опор; включением в совместную работу отдельных конструкций в единой конструктивной системе.

Из множества способов усиления для таких конструкций наиболее эффективным является увеличение сечения обетонированием или устройством обойм из железобетона, фибробетона, полимербетона и других. Этот вариант усиления не толь существенно позволяет увеличить несущую способность, но и позволяет надежно защитить конструкцию от агрессивных воздействий. В таблице 1.1 приведены варианта усиления железобетонных конструкций увеличением сечения различными способами обетонирования [50]. При усилении железобетонных конструкций образуются составные железобетонные конструкции, сечения которых состоят из нескольких бетонов с различной прочностью и которым присущи ряд особенностей. Необходимо учитывать при усилении не всегда удается обеспечить абсолютную жесткость контактного шва между конструкцией и бетоном усиления. Усиление конструкций многоэтажных каркасных зданий выполняется при действии значительных нагрузок, то есть необходимо учитывать предысторию нагружения конструкций. Проблема безопасности

Таблица 1.1

Варианты усиления железобетонных конструкций

о я

ю о

н 1)

<и

к о

N

о й о ч

к

о

Конструктивные решения усиления

«

Я

<и У

и о

К

9

в

о ч с <и к я <и ег

о>

и >>

л

>я о

ю о <и

3 к я о н <и ю о со 0)

4 <и

N

Усиление балок монолитных железобетонных перекрытий

1-1

1 - усиливаемые 5-продольная арматура, второстепенные балки, 6 - хомуты обоймы,

2 - главные балки; 7 - отверстия в плите,

3 - плита; 8 - поверхность балок, подготовленная

4 - железобетонная обойма, к бетонированию (насечка, зачистка)

Усиление железобетонной колонны

.......ГП..........

/// У. /У/, /У/ У/У -У,- У//, '7)

1-1

В

1

усиливаемая колонна;

2 - железобетонная обойма;

3 - продольные рабочие стержни арматуры;

4 - хомуты

Усиление обоймой со спиральной арматурой

1 - усиливаемая колонна:

2 - о