автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа изгибаемых железобетонных элементов со смешанным армированием при высоких уровнях малоциклового нагружения

с О

с;

V

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ПАНЧУК ЮРІЙ МИКОЛАИОВИЧ

УДК 624.012

РОБОТА ЗГИНАЛЬНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ ЗІ ЗМІШАНИМ АРМУВАННЯМ ПРИ ВИСОКИХ РІВНЯХ МАЛОЦИКЛОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЛЬВІВ- 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інженерних конструкцій Рівненського державного технічного університету

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор БАБИЧ Євгеній Михайлович, Рівненський державний технічний університет, завідувач кафедри інженерних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ДОРОФЕЄВ Віталій Степанович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент СТАСЮК Мирослав Ілліч, Державний університет “Львівська політехніка”, декан будівельного факультету.

Провідна установа:

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України, відділ теорії і методів розрахунку залізобетонних конструкцій. (м.Київ).

Захист відбудеться “ “ лютого 2000 р. о ІО^год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради K35.052.ll при Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою:

79646, м.Львів-13, вул. С.Бандери,12, головний корпус.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” за адресою:

79646, м.Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “15“ січня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат архітектури, доцент

М.В.Бевз

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В будівельній практиці однією з найактуальніших проблем є зниження енерго- і матеріалоємності залізобетонних конструкцій, застосування нових матеріалів. Ці задачі можуть вирішуватись шляхом удосконалення розрахунку конструкцій з урахуванням особливостей роботи залізобетону в реальних умовах. Найбільш ефективними конструкціями, що все частіше застосовуються у будівництві, являються залізобетонні конструкції зі змішаним армуванням (частковим попереднім напружуванням арматури), використання яких дає можливість суттєво економити поздовжню арматуру. Так, в плитах довжиною 6 м економія арматури може досягати 10-12, а в плитах довжиною 9м- 22%. Такі конструкції мають кращу картину тріщиноутворення порівняно з повністю напруженими, що дозволяє їх використовувати при більш високих експлуатаційних навантаженнях, спроможні поглинати енергію сейсмічних, динамічних і повторних навантажень, мають досить високу втомлену та експлуатаційну міцність.

Залізобетонні конструкції будівель та споруд в більшості випадків зазнають дії повторних навантажень, кількість яких за весь період експлуатації може складати від кількох до мільйонів циклів. Навантаження повторюванністю до 1000 циклів можна вважати малоцикловими. Особливо це стосується навантажень природнього походження - вітрових, снігових, хвильових, сейсмічних, температурних тощо. В окремих випадках під час експлуатації може виникати перенавантаження конструкцій. Дія таких навантажень в певних умовах може викликати руйнування конструкцій особливого виду.

На сьогодні досить добре вивчена робота залізобетонних конструкцій при одноразовому та багаторазовому навантаженні, в меншій мірі досліджено вплив малоциклових навантажень на міцнісні і деформативні характеристики бетону та арматури залізобетонних конструкцій. Експериментальних досліджень роботи конструкцій зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях дуже обмежена кількість. З цього випливає необхідність у проведенні спеціальних експериментальних досліджень роботи залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях і розробленні методики їх розрахунку.

Актуальність роботи полягає у виявленні особливостей роботи та в розробці методики розрахунку бетонних та залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях високих рівнів з більш повним урахуванням пружно-пластичних властивостей матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Дисертаційна робота є одним з етапів досліджень, що виконуються на кафедрі інженерних конструкцій Рівненського державного технічного університету у відповідності з темою: “Дослідження роботи бетонів і залізобетонних елементів та розробка рекомендацій по розрахунку залізобетонних конструкцій при малоцикловому навантаженні” (номер держреєстрації ІІА 01012661Р) та темою “Теоретичні основи раціонального використання арматури в конструкціях зі змішаним армуванням при різних видах навантаження”( номер держреєстрації 0198 и 002425), які включені в тематичні плани Міністерства освіти України.

Мета і задачі дослідження. В роботі ставиться за мету встановити особливості міцнісних і деформативних характеристик дрібнозернистого та крупнозернистого бетонів, вивчити напружено-деформований стан згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових повторних навантаженнях високих рівнів та розробити методику їх розрахунку з урахуванням пружно-пластичних властивостей матеріалів.

Для реалізації поставленої мети вирішувались такі задачі: -експериментально вивчити особливості міцнісних і деформативних властивостей дрібно- і крупнозернистого бетонів при короткочасному та малоцикловому стисканні, встановити залежності для прогнозування їх міцнісних і пружно-пластичних характеристик;

-дослідним шляхом встановити особливості напружено-деформованого стану згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при короткочасному та малоцикловому навантаженнях високих рівнів;

-встановити малоциклову втомленість бетонних та залізобетонних елементів зі змішаним армуванням;

-отримати теоретичні залежності щодо оцінки зміни деформацій стиснутого бетону, розтягнутої арматури і прогинів балок, випробованих малоцикловими навантаженнями високих рівнів;

-розробити методику розрахунку деформацій згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях з більш повним урахуванням міцнісних та деформативних властивостей бетону і арматури.

Наукова новизна одержаних результатів:

-отримані порівняльні дані про міцнісні, деформативні та деструктивні властивості дрібно- та крупнозернистого бетонів при короткочасному і малоцикловому навантаженнях високих рівнів;

-отримані залежності, що дозволяють прогнозувати основні міцнісні та деформативні характеристики бетонів при короткочасному і малоцикловому навантаженнях;

з

-встановлена малоциклова втомленість бетонних і залізобетонних елементів та характер їх руйнування;

-розроблена методика визначення деформацій згинальних елементів при малоциклових навантаженнях високих рівнів з більш повним урахуванням міцнісних і деформативних властивостей бетону і арматури.

Практичне значення одержаних результатів полягає у використанні запропонованої методики і формул для проектування згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях високих рівнів, а також для прогнозуванання механічних характеристик бетонів.

Запропонована методика розрахунку дозволяє розраховувати напружено-деформований стан залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях на будь якому циклі в межах рівня навантаження 0 < Т) < 1 з більш повним урахуванням міцнісних і деформативних властивостей бетону і арматури.

Особистий внесок з до б у в а ч а. Розроблена методика і проведені екшериметальні дослідження роботи залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при короткочасному та малоциклових навантаженнях. Виконані обробка та аналіз дослідних даних. Виведені залежності по визначеннню напружено-деформованого стану бетонних і залізобетонних елементів при малоциклових навантаженнях.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації оприлюднено на міжнародних науково-практичних конференціях по вдосконаленню будівельних матеріалів, технологій та методів розрахунку конструкцій в нових економічних умовах в Сумах (1994 p.), Могильові (1994 p.), Рівне (1996, 1998 pp.), Мінську (1997 p.), на науково-технічних конференціях по ресурсоекономним будівельним матеріалам, конструкціям та вдосконаленню методів їх розрахунку в Рівне(1992,1993,1995,1996,1997,1999рр.),Полтаві (1997р.), Львові (1997р.).

Публікації. Результати досліджень опубліковані у 21 науковій праці, в тому числі 10 статей в збірниках наукових праць та 11 статей в матеріалах конференцій.

Структура дисертації* Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, основних висновків, списка використаних джерел із 173 найменувань і додатків. Загальний об'єм роботи складає 256 сторінок, в тому числі 128 основного тексту, 42 таблиці, 56 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень залізобетонних згинальних елементів зі змішаним армуванням малоцикловими навантаженнями високих рівнів,

актуальність роботи, викладені мета, задачі досліджень, Ті наукова новизна та практична цінність.

В першому розділі проаналізовані праці вітчизняних та зарубіжних вчених, які присвячені теоретичному та експериментальному вивченню роботи бетонних і залізобетонних елементів при малоцикловому навантаженні, дослідженню залізобетонних конструкцій зі змішаним армуванням. Проведений аналіз малоциклових повторних навантажень, висвітлюється їх природа і фізична суть. До перших досліджень впливу повторних статичних навантажень на міцність бетонних зразків відносяться роботи Консідера, Де Джолі, Ван Орнума, Мура і Комерса.

Найбільш суттєвий внесок у вивчення роботи бетонних елементів при повторних навантаженнях зробили Бабич Є.М., Барашиков А .Я., Берг

О.Я., Беченєва Г.Ф., Карпухін Н.С., Корчинський I.JI., Коссая Т.А., Котов В.А., Крусь Ю.О., Маілян JI.P., Макаренко Л.П., Погореляк А.П., Поляков C.B., Руденко В.В., Ставров Г.Н., Яшин A.B. та інші. Проте дані про особливості деформативних характеристик дрібно- і крупнозернистого бетонів при дії малоциклових навантажень високих рівнів дуже обмежені.

Задача аналізу пружно-пластичних властивостей бетонів зводиться до вивчення характера розподілу напружень в бетоні, зв'язку напружень з деформаціями залежно від виду бетону, рівня і режиму навантажень. В дисертації для аналітичного описання діаграми а - є застосована функціональна залежність, яка встановлена і статистично обгрунтована Л.П.Макаренко.

Вплив малоциклових навантажень на міцність та деформативність залізобетонних згинальних елементів досить добре вивчений в роботах Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Гордєєвої Г.Ф., Гущі Ю.П., Дорофеева B.C., Єришева В.А., Кокарєва А.М., Неміровського Я.M., Нугуджинова Ж.С., Погореляка А.П., Рибалки А.Н., Чирви Т.Л., Шевченка Б.Н., Яковлева С.К. Наведені вище роботи дозволяють зробити висновок про те, що при малоциклових навантаженнях відбуваються зміни міцнісних і деформативних характеристик бетону і арматури. Проте, незважаючи на численні дослідження роботи згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при одноразовому і тривалому навантаженнях, їхня робота при малоциклових навантаженнях не вивчалась і потребує додаткових експериментально-теоретичних досліджень.

Залізобетонні конструкції зі змішаним армуванням були запропоновані Емпергером в 1938 р. і вперше вивчені Абелесом, Росом. Вивчення роботи таких конструкцій в Україні було розпочато на початку 70-х років під керівництвом Градюка І.І. та його учнів Стасюка М.І., Шпака М.М. На сьогодні проведена значна кількість експериментальних

досліджень згинальних залізобетонних елементів при різних режимах навантаження. З цього питання слід відмітити публікації Артем'єва В.ГГ., Арсланбєкова М.М., Аскарова Б.А., Бабича Є.М., Борисюка О.П., Бутвиловського І.І., Вальтера Р., Габрусенко В.А., Зуфарова Г.К., Коцебчука П.П., Крамаря В.Г., Леонгарда Ф., Маіляна Д.Р., Трифонова

І.А., Чалкатряна Д.А.

Конструкції зі змішаним армуванням досліджували, в основному, при статичних одноразових, тривалих і багаторазових навантаженнях, дані про роботу таких конструкцій при малоциклових навантаженнях, особливо високих рівнів, відсутні, не вивчена також межа їх малоциклової втомленості.

Аналіз наукових публікацій Бабича Є.М., Барашикова А.Я., Корчинського І.Л., Погореляка А.П., Стрелецького Н.С., Тихого М., Цепелева C.B. показав, що малоцикловими навантаженнями потрібно вважати навантаження, з кількістю циклів п<2х106 . При таких навантаженнях розрахунок провадять з врахуванням зниження несучої здатності елементів внаслідок накопичення в них пошкоджень. Дослідженнями встановлено, що при дії малоциклових навантажень може наступити руйнування конструкції при напруженнях менших від руйнівних за одноразового статичного навантаження.

Виконаний огляд робіт за даною тематикою вказав на обмежену кількість досліджень, проведених малоцикловими навантаженнями високих рівнів. З метою вивчення роботи бетонних та залізобетонних елементів при дії таких навантажень, а також для визначення межі малоциклової втомленості, верхній рівень навантаження приймали близьким до руйнівного.

У другому розділі наведена характеристика дослідних зразків, об'єм і методика випробувань. Для більш глибокого вивчення роботи балок при малоцикловому навантаженні, попередньо було досліджено вплив такого навантаження на механічні характеристики бетонів. Для вивчення особливостей міцнісних та деформативних характеристик дрібно- і крупнозернистих бетонів проводили паралельні випробування зразків з цементно-піщаного дрібнозернистого бетону (ДЗБ) без крупного заповнювача і зразків із крупнозернистого бетону (КЗБ-1) і крупнозернистого бетону з модифікованою добавкою “Дофен” (КЗБ -2). Склади дрібно- і крупнозернистого бетонів підбирали таким чином, щоб всі види бетонів мали однакові показники рухливості і легкоукладальності та щоб мали близькі значення міцності. Це забезпечило зіставлення при порівнянні міцнісних та деформативних характеристик дрібно- та крупнозернистих бетонів.

Бетонні зразки призм, виконані з дрібнозернистого бетону, мали розміри 40x40x160 мм, призми із крупнозернистого бетону КЗБ-1 і КЗБ-2

були виготовлені відповідно розмірами 100x100x400 мм і 150x150x600 мм. Призми випробували у значному віці 143...536 діб. Верхній рівень навантаження складав для зразків І серії (ДЗБ) - 0,87...0,96ЇІь; II серії (КЗБ-1) - 0,82...0,95ІІь і для III серії (КЗБ-2) - 0,78...0,88ІІь. Нижній рівень приймали рівним нулю.

Навантаження зразків до заданого верхнього рівня і розвантаження проводили ступенями, рівними 10% від очікуваного руйнівного. Кількість циклів прикладання навантаження, в основному, визначалась досягненням бетоном малоциклової втомленості.

При випробуваннях за заданого верхнього рівня навантаження визначали: кількість циклів навантаження до руйнування; значення поздовжніх і поперечних деформацій на етапах навантаження і розвантаження; характер руйнування зразків.

Наведена методика експериметальних досліджень залізобетонних згинальних елементів зі змішаним армуванням при одноразовому та повторних навантаженнях, конструкція зразків та установок, схеми випробувань та розташування вимірювальних приладів.

Об'єктом досліджень були балки прямокутного перерізу 100x200 мм довжиною 2000 мм з попередньо напружуваною арматурою 012 А-ІІІв і ненапружуваною 010 А- III. За мету ставили експериментально дослідити вплив одноразового та малоциклового навантаження на несучу здатність та деформативність згинальних елементів. Для цього було виготовлено 12 балок, 2 з яких випробовані на дію одноразового короткочасного навантаження та 10 балок - на дію малоциклового навантаження. Верхній рівень навантаження балок приймали Г|і =

0,92...0,98 Ми для визначення межі їх малоциклової втомленості.

Балки виготовляли в металевих формах з механічним натягуванням напружуваної арматури на упори спеціальною установкою. Після проявлення всіх втрат, напруження в напружуваній арматурі склало 642,48 МПа. Міцнісні та деформативні характеристики бетону балок визначали шляхом випробування кубиків зі стороною 150 мм та призм розмірами 150x150x600 мм, і 100x100x600 мм. Дослідження усадки і повзучості бетону проводили на зразках 100x100x600 мм у віці 98 діб.

Випробування зразків балок проводили у віці 246..342 і 483 доби за схемою однопролітної шарнірно-опертої балки, завантаженої в третинах прольоту рівними зосередженими силами. До потрібного верхнього рівня балки навантажували ступенями, рівними 10% від передбачуваного руйнівного навантаження. Після прикладання необхідного верхнього рівня навантаження, аналогічно проводили ступінчате розвантаження до нижнього рівня, знімаючи відліки на кожному ступені. Кількість циклів навантаження на балки (малоциклову втомленість) визначали за

кількістю циклів навантаження, які витримував зразок до його руйнування.

В дослідних балках вимірювали: деформації бетону по висоті елемента, деформації напружуваної і ненапружуваної арматури в середині прольоту і в місцях анкеровки ненапружуваної арматури, можливе просковзування напружуваної арматури в приопорній зоні, прогини середини прольоту балки, ширину розкриття - закриття тріщин, що виникали. Встановлювали процес тріщиноутворення та характер руйнування балок.

Деформації бетону та арматури в необхідних перерізах визначали тензометричним комплексом СИИТ-3. Ширину розкриття - закриття тріщин вимірювали за допомогою мікроскопа МПБ-2 з ціною поділки

0,05 мм.

В третьому розділі наведені результати досліджень міцнісних та деформативних характеристик дрібнозернистого (ДЗБ) та крупнозернистих (КЗБ-1 і КЗБ-2) бетонів за короткочасного осьового стиску.

На підставі численних дослідів Макаренко Л.П., Бабич Є.М., Фенко Г.О., Масюк Г.Х. статистично обгрунтували, що залежність “напруження

- січний модуль деформацій” при стисканні зразків бетонних призм можна прийняти лінійною майже до моменту руйнування.

Після обробки дослідних даних випробування бетонних призм з ДЗБ, КЗБ-1 і КЗБ-2 побудовані залежності Еы - /7, ЕЫг - т] січних модулей відповідно поздовжніх і поперечних деформацій від рівня навантаження 77 - <т/Яь, з яких видно, що дослідні точки досить добре описуються кореляційними прямими. В результаті математичної обробки дослідних даних для кожного виду бетону, що досліджували, отримані лінійні рівняння регресії:

Еьі ~ &і/£ьі ~ Еы(1 - ^¡яЛ) '> (0

е’ь„= ст/£Ыг= ЕЬі,(1 - А, рЛ)- (2)

Виявлені параметри Еьь ЛІК і ЕЬи, ЛиГІ являються основними комплексними характеристиками пружно-пластичних властивостей різних бетонів.

Запропоновані залежності для визначення значень початкового модуля пружності Еь КЗБ-2 від його призмової міцності Ііь і січного модуля пружно-пластичних деформацій Еь від рівня навантаження 77 в період 0<1<213 діб у вигляді:

Е,= 2б-Ш‘ (3)

Яь -1,032

Еь= Еь(1 - 3,816т]) +10,48г/ (4)

За формулами, отриманими Макаренко Л.П., визначені деструктивні характеристики бетонів ДЗБ, КЗБ-1 і КЗБ-2, що відповідають параметрам зміни об'єму бетону в процесі його короткочасного стиснення. Обробкою експериментальних даних, отриманих при випробуванні зразків з КЗБ-2, встановлено, що зі збільшенням віку бетону відносні рівні утворення і розвитку поздовжніх мікротріщин відриву знижуються, далі відбувається стабілізація пружно-пластичних властивостей бетону.

Наведені результати досліджень особливостей деформативних характеристик бетонів ДЗБ, КЗБ-1 і КЗБ-2 при малоциклових стискаючих навантаженнях високих рівнів. За результатами обробки дослідних данних отримані залежності Е и - т] \ ЕЬіг - т], статистична обробка яких підтвердила лінійність цих залежностей.

Аналіз діаграм поздовжнього і поперечного деформування досліджуваних бетонів показав, що кожний вид бетону при малоциклових навантаженнях високих рівнів проходить три послідовних стадії деформування: стадія І - стадія вибору пластичних деформацій, яка проявляється у поступовому зменшенні приросту деформацій і ширини петель пластичного гістерезису; стадія II - стадія умовної стабілізації приросту деформацій, для якої характерна лінійна, пружня робота бетону, петлі гістерезису на етапах навантажень і розвантажень повторюють одна одну; III стадія - стадія збільшення приросту деформацій, ширини петель гістерезису, яка свідчить про необмежений ріст повних деформацій, тобто відбувається незворотній процес руйнування зразка.

Значення максимальних деформацій призм з ДЗБ, КЗБ-1 і КЗБ-2, визначені на момент їх руйнування, зросли в порівнянні з відповідними, заміряними на 1-му циклі навантаження в поздовжньому напрямку в 1,36...1,74 рази, а в поперечному - в 2,79...6,54 рази.

Середні дослідні значення січного модуля поздовжніх Е ы і поперечних Е ь„ деформацій стиснення бетону при рівні малоциклового навантаження і] = а/Ііь і кількості циклів навантаження псус, а також кореляційні прямі Еы - 77 і Еь„ - т} для дрібнозернистого бетону ДЗБ наведені на рис. 1а,б. Як видно з цих рисунків, а це характерно також і для крупнозернистих бетонів КЗБ-1 і КЗБ-2, дослідно-кореляційні прямі Еы - Л і ЕЬіг - 77 отримані на різних циклах навантаження утворюють віялоподібну діаграму і прагнуть перетнутись в одній параметричній точці С. Наявність такої точки дозволила отримати узагальнюючу багатофакторну залежність, для визначення повних силових відносних деформацій єЬі, £ь„ при малоцикловому осьовому стисканні за відомих значень призмової міцності Яь, початкових модулей пружності Еы і ЕЫг, рівня навантаження 0 < г) < 1 та кількості циклів прикладання

Рис.1. Віялоподібні діаграми лінійних кореляційних залежностей Е‘Ьі -7 а)., Е’Ьи. - 7 б), і тТ] в)., отримані при малоциклових навантаженнях.

Ек„ -

0,780(псус -1) (4,417 + и )

(1-0,83989т]) +2,364т] ; (5)

23,251(псус -2) (-0,544+псус)

(1-0,749т]) +4,08т]. (6)

Статистичні характеристики вказують на досить добре співпадати дослідних і теоретичних значень, визначених за (5) і (6). Аналіз деструктивних характеристик дрібно- і крупнозернистих бетонів ДЗБ, КЗБ-1 і КЗБ-2 при повторних малоциклових навантаженнях показує, що за високих рівнів навантаження (т)=0,78...0,86) при збільшенні кількості циклів навантаження псус відбувається поступове зменшення об'ємного ущільнення, їх від'ємні значення свідчать про настання процесів розущільнення структури бетону, які супроводжуються незворотнім збільшенням об'єму бетону Усус відносно початкової його величини У0.

Окремі призми з КЗБ-2 досліджувались при малоциклових навантаженнях середнього рівня (77, =0,6). Аналіз діаграм показав, що значення £у„,ах на перших 5-ти циклах зростають (ущільнення матеріалу), при збільшенні кількості циклів навантаження з 10 по 40-й цикли поряд з незначним зменшенням єУтах, спостерігалась стабілізація його значень.

Верхній рівень малоциклового навантаження Т], істотно впливає на зміну діаграм об'ємного деформування структури бетону, існує такий рівень навантаження 7]„ при перевищенні якого відбувається поступове розущільнення і руйнування матеріалу, а при навантаженнях менших за цей рівень, відбувається ущільнення і стабілізація об'ємних деформацій. Такий рівень вважають рівнем малоциклової втомленості (пристосованності) матеріалу.

В розділі досліджено малоциклову втомленість бетонів ДЗБ, КЗБ-1 і КЗБ-2. За результатами випробування бетонних призм на малоциклову втомленість отримані дрібнолінійні функції у вигляді залежності 7]сус-псус:

для ДЗБ і]сус - 1 - 0,094(псус - 1)/(псус+2,499) ; (7)

для КЗБ-1 т]сус = 1- 0,159(псус -1 )/(псус+3,60б)\ (8)

для КЗБ-2 т]сус- 1 - 0,253(псус - 1 )/(псус+11,49). (9)

де: т]сус - верхній відносний рівень малоциклового навантаження балок; псус - кількість циклів навантаження, які витримували дослідні зразки до руйнування.

З залежностей (7)-(9) при псус-*™ значення т]сус = 0,906, 0,841 і 0,747 відповідають границям малоциклової втомленості відповідно для ДЗБ,

КЗБ-ІіКЗБ-2. Наявність крупного заповнювача в КЗБ-1 і КЗБ-2, проходження процесів усадки бетону знижують їх границю малоциклової втомленості.

В четвертому розділі наведені результати дослідження та аналіз напружено-деформованого стану згинальних залізобетонних балок зі змішаним армуванням при одноразовому та малоциклових навантаженнях високих рівнів іл, = 0,92...0,98Ми). Встановлено, що до моменту утворення перших тріщин (г/<0,5Ми) спостерігається сумісна робота бетону стиснутої і розтягнутої зони, а також робочої арматури, з виникненням нормальних тріщин відбувається зростання деформацій і прогину балок. В межах навантажень 0і5<т]<0,7 деформації уповільнено зростають, а при т]>0,7 - має місце прискорений розвиток деформацій і прогинів. Значення деформацій в крайньому волокні бетону і в робочій напружуваній і ненапружуваній арматурі перед руйнуванням при одноразовому навантаженні склали відповідно ¿ь = 204,46x10-5, єзр = 588,5х10'5, є, - 249,5x10‘5, висота стиснутої зони бетону зменшилась до 6,04 см, а величина прогину досягла 11,91 мм. При цьому максимальні деформації найбільш стиснутого волокна бетону перевищували відповідні значення деформацій бетонних призм в 1,72 рази. Руйнування зразків відбувалось внаслідок текучості робочої арматури, надмірного зростання прогину і ширини розкриття генеральної нормальної тріщини, а також дріблення стиснутої зони бетону і мало повільний характер. Середнє значення руйнівного моменту при одноразовому навантаженні склало Мк=19,13 кНм, а ширина генеральної тріщини - до 0,5 мм.

Робота балок при малоциклових навантаженнях визначалась значеннями верхнього рівня т], і кількості циклів навантаження псус. Відмічено три послідовних стадії пружно-пластичного деформування бетону і арматури, які полягають в інтенсивному виборі пластичних деформацій, ущільненні матеріалів (1 стадія), умовній стабілізації приростів деформацій, пружній роботі (2 стадія), прискореному зростанні деформацій, руйнуванні зразків (3 стадія). Для балок, випробованих повторними навантаженнями з рівнем 7/,= 0,98Ми, перші дві стадії виявлені не були. Помічено, що основні процеси, пов'язані з вибором пластичних деформацій відбувались на перших 5...7 циклах навантаження. Робота бетону стиснутої зони полягала в накопиченні пошкоджень як при навантаженні, так і при розвантаженні. Значення максимальних деформацій бетону балок, випробованих повторними навантаженнями на момент руйнування перевищували відповідні, визначені на 1-му циклі навантаження в 1,1... 1,4 рази. Робота розтягнутої арматури визначалась величиною верхнього рівня навантаження, зниження якого привело до виникнення тристадійного деформування.

Максимальні деформації, визначені на циклах перед руйнуванням зросли в 1,1.„1,46 рази по відношенню до отриманих на 1-му циклі навантаження.

Аналіз розвитку прогинів показав, що приріст їх повних значень відбувався за рахунок залишкових прогинів, внаслідок процесів мікроруйнувань стиснутого бетону і розтягнутої арматури. Руйнування балок відбувалось при наростанні значень повних прогинів до 22,6...30,7 мм незалежно від верхнього рівня навантаження, що перевищує прогини, визначені на 1-му циклі в 1,9...2,4 рази. Величина верхнього рівня навантаження незначно впливала на зміну висоти стиснутої зони бетону, яка зі збільшенням кількості циклів навантаження повільно зменшувалась.

За циклічних навантажень розвиток нормальних тріщин відбувався більш інтенсивно, ніж за одноразового навантаження, внаслідок розвитку пластичних деформацій в стиснутому бетоні і особливостей деформування розтягнутої арматури.

В розділі наведені результати досліджень балок на малоциклову втомленість, за якими отримана залежність для визначення рівня малоциклового навантаження балок:

riWc = 1-0, Ю9(псус -1)/(65,122+псус), (10)

З залежності (10) при псус—>°°, межа малоциклової втомленості досліджених балок становить r¡cyc- 0,891.

Експериментально встановлено, що малоциклові навантаження високих рівнів чинять несприятливий вплив на напружено-деформований стан в напружуваній арматурі, що призводить до збільшення втрат попереднього напруження.

В п'я то му розділі отримані залежності для визначення повних деформацій крайнього стиснутого волокна бетону єь, напружуваної і ненапружуваної арматури £sp, £s, а також прогинів середини прольоту балок / на i-тому циклі навантаження псус , при рівні навантажень в межах 0<r¡, <1. Для виведення вище згаданих рівнянь, застосований єдиний підхід, суть якого викладено на прикладі визначення прогинів середини прольоту балок/.

Для аналітичного описання залежностей між прогинами і відповідним рівнем навантаження, введений модуль прогину:

mf- M¡/f=m0j(l - kjT¡) (11)

тут: kf= (m0I-mRf)/m0j\ (12)

7] = МІ/Ми, (13)

В формулах (11)-(13): moj і mRJ - відповідно початковий і граничний модулі прогину, визначені за (11) при тр0 і r¡-l ; kj- параметр лінійного рівняння регресії; r¡ - відносний рівень навантаження; M¡, Ми - відповідно значення згинного моменту, при якому визначають прогин, і руйнівного

моменту за одноразового навантаження. Статистична обробка дослідних даних залежностей “модуль прогину-рівень навантаження” підтвердила їх відповідність лінійним рівнянням регресії (1 1).

Як видно з рис.ів, дослідно-кореляційні прямі, визначені за (11) і побудовані для різних циклів навантаження, утворюють віялоподібну діаграму з загальною точкою перетину С.

Наявність загальної точки перетину С дозволила отримати загальну багатофакторну залежність за якою можна визначити значення модуля прогину на окремому і-гому циклі навантаження при відносному рівні навантаження 0<7/,<1. Так, при рівні навантаження г], - 0,98:

т/=[т2/-0,806(п - 2)/(п + 8,107)](1 - 0,935т])+1,326ті , (14)

де: т2у - значення модуля прогину, визначені на другому циклі навантаження.

Прогин на і-тому циклі і певному рівні навантаження визначається за формулою:

/¡=М/ту; (15)

Статистично підтверджено наявність кусково-лінійного характеру залежностей “/Иу 77“ отриманих на першому циклі навантаження. Точка перетину цих лінійних рівнянь є пераметром, що визначає границю якісних змін деформованого стану елементу.

Особливість запропонованої методики полягає в тому, що вона дозволяє оцінити напружено-деформований стан згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням на і-тому циклі навантаження в межах напружень 0<т]<г], , дає можливість прогнозувати граничні значення напружень і деформацій (прогинів) на і-тому циклі при руйнівному навантаженні (77=7,0).

Розрахункові і дослідні значення деформацій і прогинів підтверджують надійність розрахункової моделі. Розходження теоретичних і дослідних значень деформацій і прогинів не перевищує 7%, що дає можливість рекомендувати запропоновану методику для практичних розрахунків.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена експериментальним дослідженням роботи бетону і залізобетонних балок зі змішаним армуванням при дії малоциклових навантажень високих рівнів (близьких до руйнівного). Загальні результати роботи такі:

1. Бетонні і залізобетонні зразки, при дії малоциклових навантажень працюють інакше ніж при одноразовому монотонному навантаженні.

2.Структура бетону суттєво впливає на його напружено-деформований стан і значення малоциклової втомленості. Дрібнозернистий бетон (ДЗБ) є більш пружнім матеріалом, ніж

крупнозернисті бетони (КЗБ-1 і КЗБ-2) і для нього характерні менші граничні значення коефіцієнта пластичності Як. Значення малоциклової втомленості ДЗБ склало 0,906, КЗБ-1 і КЗБ-2 відповідно 0,841 та 0,747.

3. Дослідні значення точок залежностей Еь/ - т] і Еь,г-ті без великих похибок розташовуються на кореляційних прямих, що доведено статистичною обробкою експериментальних даних.

4. Отримані і статистично обгрунтовані залежності, які дозволяють визначити значення повних силових відносних деформацій £ьісус і £Ьігсус при відомих значеннях призмової міцності Кь і початкового модуля пружності ЕЬц і Еь„2, заданому рівні малоциклового навантаження 0<т]<гі, і певній кількості циклів навантаження псус.

5. Робота балок зі змішаним армуванням при дії малоциклових навантажень високих рівнів визначається значенням верхнього рівня навантаження 7], і кількістю циклів навантаження псус.

6. Деформування стиснутого бетону в бетонних і залізобетонних елементах при малоциклових навантаженнях проходить три послідовних стадії: 1 стадія - вибір пластичних деформацій, зменшення приростів деформацій; 2 стадія - пружня робота матеріалів (умовна стабілізація); З стадія - необмежений ріст деформацій, що супроводжується руйнуванням.

7. Роботу розтягнутої ненапружуваної і напружуваної арматури визначають зміни, які стадійно відбуваються в бетоні стиснутої зони та процеси тріщиноутворення в розтягнутому бетоні. В зразках, випробованих при т] = 0...0.98, перших двох стадій виявлено не було, розтягнута арматура деформувалась з постійно зростаючою інтенсивністю до своїх граничних значень.

8. Основні процеси деформування матеріалів, тріщиноутворення, які визначали наступну роботу балок, відбуваються на перших 5...1 циклах навантаження. Робота матеріалів балок полягає в поступовому накопиченні пошкоджень як на етапах навантаження, так і при розвантаженні.

9. Значення межі малоциклової втомленості досліджених балок відповідає рівню навантаження Т] = 0,891.

10. Малоциклові навантаження чинять несприятливий вплив на напруження в напружуваній арматурі, викликають зниження ефекту попереднього напруження.

11. Руйнування балок відбувалось внаслідок отриманих при малоциклових навантаженнях граничних деформацій в розтягнутій арматурі, надмірного зростання прогину і ширини розкриття нормальних тріщин, а також дріблення стиснутої зони бетону і мало плавний характер. Бетон стиснутої зони мав пронизану поздовжніми та поперечними тріщинами пухку структуру.

12 Розроблена методика розрахунку напружено-деформованого

стану згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях високих рівнів з більш повним врахуванням міцнісних і деформативних властивостей матеріалів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Панчук Ю.Н., Крусь Ю.А. Напряженно-деформированное состояние бетона при малоцикловых статических нагружениях высоких уровней//Совершенствование строительных материалов, технологий и методов расчета конструкций в новых экономических условиях.: М-лы междунар. научн.-практ.конф. - Сумы, 1994. - С.170-171.

2. Бабич Е.М., Крусь Ю.А., Панчук Ю.Н. Учет малоцикловых нагрузок при расчете железобетонных конструкций // Проблемы качества и надежности машин: Тез. докл. Респ. научн.-техн. конф.,-Могилев, 1994. Ч.ІІ-С.71.

3. Панчук Ю.М. Деформативність згинальних залізобетонних елементів при короткочасних малоциклових навантаженнях високих рівнів// Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Матеріали міжн. наук.-техн. конф. 4.1- Рівне, 1996. - С.105.

4.Бабич В.И., Панчук Ю.Н., Жук С.Р. Исследования модуля деформаций бетона при внецентренном сжатии II Изв. вузов Сер. Стр-во и архитектура - 1986. №5. С. 11-14.

5.Бабич В.И., Панчук Ю.Н., Притула А.Ф. и др. Панели перекрытий повышенной заводской готовности // Строительные, материалы .- Киев,

• 1986. №4. - С.22.

6.Бабич С.М., Погореляк А.П., Панчук Ю.М. Класифікація навантажень на будівлі і будівельні конструкції / Тези доп. наук.- техн. конф. Секція: Пром. та цив. буд-во - Рівне, 1992, - С.6.

7. Бабич Е.М., Крусь Ю.А., Панчук Ю.Н. Работа мелкозернистого бетона в условиях малоциклового статического нагружения // Изв. вузов. Строительство,-1995 № 9.- С.26-32.

8. Бабич Е.М., Крусь Ю.А., Борисюк А.П., Панчук Ю.Н. Экспериментальные исследования работы бетона и железобетона при малоцикловых статических нагружениях II Строительные материалы, конструкции и инженерные системы : Сб. тр,- Одесса, 1996. - С.235-246.

9. Бабич С.М., Крусь Ю.О., Панчук Ю.М. Деформування залізобетонних балок зі змішаним армуванням при малоциклових статичних навантаженнях високих рівнів // Проблеми теорії і практики будівництва: 36. наук, статей - Том І. Залізобетонні конструкції,- Львів, 1997,- С.28-33.

10. Бабич Е.М., Панчук Ю.Н. Экспериментальные исследования работы железобетонных балок со смешанным армированием при малоцикловых нагружениях высоких уровней.// Мат-лы. межд. конф. -

Томі, Инженерные проблемы современного бетона и железобетона. Ч.І.-Минск, 1997; С.45-53.

11. Бабич Є.М., Панчук Ю.М. Работа залізобетонних балок зі змішаним армуванням за малоциклових навантажень високих рівнів // Проблеми теорії і практики залізобетону: 36. наук, статей - Полтава. 1997.- С.30-32.

12. Бабич Є.М., Панчук Ю.М. Дослідження роботи балок зі змішаним армуванням при дії малоциклових навантажень високих рівнів // Актуальні проблеми водного господарства: 36. наук, статей Юв. Всеукр.наук. - техн.конф.- Рівне, 1997. - С. 42-44.

13. Бабич Є.М., Крусь Ю.О., Панчук Ю.М. Особливості поздовжнього пружно-пластичного деформування та руйнування бетонів при високих рівнях малоциклових статичних навантажень. -Гідромел. та гідротехнічне будівництво.- Вип.23. - Рівне, 1998. -С.152-160.

14. Бабич Є.М., Панчук Ю.М. Дослідження прогинів залізобетонних балок зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: 36. науков. праць вип.2 - Рівне, 1999.- С. 69-76.

АНОТАЦІЇ

Панчук Ю.М. Робота згинальних залізобетонних елементів зі змішаним армуванням при високих рівнях малоциклового навантаження -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

В дисертації викладені експериментальні і теоретичні дослідження роботи бетону та залізобетонних згинальних елементів зі змішаним армуванням при малоциклових навантаженнях високих рівнів. Запропонований метод оцінки напружено-деформованого стану бетонних та залізобетонних елементів у вказаних умовах. Здійснене впровадження запропонованих конструкцій забезпечує економію загальних витрат сталі від 10 до 22%, електроенергії на натягання напружуваної арматури на 40...50%, зниження витрат праці і собівартості конструкцій на 10... 15%.

Ключові слова: бетон, залізобетон, згинальні елементи, змішане армування, малоциклові навантаження, напружено-деформований стан, деформації, кількість циклів навантаження.

Панчук Ю.Н. Работа изгибаемых железобетонных элементов со смешанным армированием при высоких уровнях малоциклового нагружения - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Государственный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2000.

В диссертации изложены экспериментальные и теоретические исследования работы бетона и железобетонных изгибаемых элементов со смешанным армированием при малоцикловых нагружениях высоких уровней. Приведены результаты исследований прочностных и деформативных характеристик межо - и крупнозернистых бетонов при однократном и малоцикловом осевом сжатии, вызваном нагрузками высоких уровней. Для исследуемых бетонов получены линейные корреляционные зависимости Е’ы - т] и Е’Ыг - т]. Определены деструктивные характеристики, которые отвечают параметрам изменения объема бетонов при однократном и малоцикловых нагружениях.

Для каждого вида бетона получены обобщающие многофакторные зависимости для определения полных силовых относительных деформаций £ы, £Ыг при малоцикловом осевом сжатии, известных значениях призменной прочности Кь, начального модуля упругости Еы и ЕЫп уровня нагружения т] и количества циклов приложения нагрузки псус.

В результате исследования бетонов на малоцикловую усталость получены дробнолинейные функции в виде зависимостей Т[сус - псус, из которых установлены значения пределов малоцикловой усталости бетонов.Наличие крупного заполнителя в крупнозернистых бетонах снижает их предел малоцикловой усталости.

Изучена работа изгибаемых железобетонных элементов со смешанным армированием при однократном и малоцикловых нагружениях высоких уровней. Исследовано изменение напряженно-деформируемого состояния изгибаемых железобетонных элементов со смешанным армированием при малоцикловых нагружениях высоких уровней.

Установлено, что для бетонных и железобетонных элементов, испытанных малоцикловыми нагружениями, присущи три последовательные стадии упруго-пластического деформирования, которые заключаются в интенсивном выборе пластических деформаций и уплотнении бетона на первых циклах нагружения (I стадия), условной стабилизации приростов деформаций, упругой работе (2 стадия), ускоренном росте деформаций и разрушении образцов (3 стадия).

Работа указанных образцов при малоцикловых нагружениях высоких уровней определялась значением верхнего уровня і], и количеством циклов нагружения псус.

Для изгибаемых железобетонных елементов определен предел

малоцикловой усталости. Отмечено, что малоцикловые нагружения высоких уровней приводят к увеличению потерь предварительного напряжения арматуры.

Получены зависимости для определения полных деформаций сжатого бетона и растянутой арматуры, а также прогибов балок, которые позволяют оценить напряженно-деформированное состояние элементов на i-том цикле нагружения в пределах напряжений 0 <т}<7], и дают возможность прогнозировать предельные значения напряжений и деформаций на i-том цикле при разрушающем напряжении (rj = 1,0).

Внедрение изгибаемых конструкций со смешанным армированием обеспечивает экономию общих затрат стали от 10 до 22%, электроэнергии на натяжение напрягаемой арматуры на 40...50%, снижение затрат труда и себестоимости конструкций на 10... 15%.

Ключевые слова: бетон, железобетон, изгибаемые елементы, смешанное армирование, малоцикловые нагружения, напряженно-деформированное состояние, деформации, количество циклов нагружения.

Panchuk Y. М. Behaviour of bending reinforced concrete elements with mixed reinforcing under small cycle loading of high levels. - Manuscript.

Thesis of a candidate’s of Technical sciences degree by speciality 05.23.01.

- Building structures, buildings and constructions. - State University “Lviv Politechnica”, Lviv, 2000.

The thesis presents experimental and theoratical study of the behaviour of bending cocrete and reinforced concrete elements with mixed reinforcing under small cycle loading of high levels. The method of estimation of stressed and strained state of concrete and reinforced cocncrete elements under mentioned conditions has been suggested. The adoption of the suggested structures provides the saving of the total steel consumption from 10% to 22%, electric power to stress the steel - to 40...50%, the decrease of labour expenditure and structure costs to 10...15%.

Key words: concrete, reinforced concrete, bending elements, mixed reiforcing, small cycle loading, stressed and srained state, straining, number of loading cycle.