автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование расчета прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных конструкций с поврежденной сжатой зоной бетона

На правах рукописи

Пищулёв Александр Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОВРЕЖДЕННОЙ СЖАТОЙ ЗОНОЙ БЕТОНА

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

- з ИЮН 2010

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2010

004603244

Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

- Мурашкин Геннадий Васильевич, доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РААСН

Официальные оппоненты: - Меркулов Сергей Иванович,

доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РААСН

- Лычёв Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

ООО «Соцкультбытпроект»

Защита состоится 28 мая 2010 г. в 13~ часов на заседании диссертационного Совета Д 212.213.01 при ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет», расположенном по адресу 443001 г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, www.sgasu.smr.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан ££ ¿У^Л^ЛЮ 10 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

В.10. Алпатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как правило, реконструкция существующих объектов оказывается более рентабельной, чем строительство новых. На сегодняшний день около 60 % зданий и сооружений в нашей стране эксплуатируются свыше 30 лет. До некоторого времени основная часть материально-финансовых ресурсов расходовалась на новое строительство. Недостаточное финансирование плановых и капитальных ремонтов зданий и сооружений привело к тому, что значительная часть зданий и сооружений имеет повреждения прочности бетона, а их физический износ превышает 30 %. В статье В.И. Римшина «Проблемы капитального ремонта многоквартирных домов первых массовых застроек» (Строительная газета. 2010,22 января) сделан прогноз о том, что игнорирование работ по капитальному ремонту в ближайшие 5-10 лет приведет к неизбежным массовым сносам жилья, что повлечет за собой необходимость расселения.

В августе 2007 года правительством РФ принят Федеральный закон № 185-ФЗ «О Фонде содействия реформирования жилищно-коммунального хозяйства». На основе этого закона в Самаре заключен муниципальный контракт № 266 - Г1р 108/4106 от 15 августа 2008 г. между СГАСУ и Департаментом городского хозяйства и экологии местной Администрации, в рамках которого сотрудниками кафедры железобетонных и каменных конструкций разработаны рекомендации по критериям отбора многоквартирных жилых домов, включаемых в областную адресную программу «Капитальный ремонт многоквартирных домов». Здания, вошедшие в данную программу, требуют проведения их детального обследования.

При обследовании зданий и сооружений часто встречаются железобетонные элементы с различной прочностью слоев бетона. Изменение прочности слоев бетона может быть вызвано технологическими факторами либо механическими или коррозионными повреждениями. Наиболее часто среди отмеченных конструкций встречаются изгибаемые элементы.

Имеющиеся на сегодня методы определения глубины коррозионных повреждений и остаточных прочностных характеристик бетона основаны, как правило, на рассмотрении процесса коррозии материалов во времени при воздействии определенного реагента, в основу которых положены лабораторные исследования. Однако условия эксплуатации реальных конструкций зачастую отличаются от лабораторных, так как конструкция может быть подвержена агрессивному воздействию нескольких реагентов. Кроме того, фактические гемпературно-влажностные условия могут отличаться от принятых в расчете. Ошибки при прогнозировании коррозионных процессов в железобетонных конструкциях могут привести к снижению точности расчетов, а в некоторых случаях и переоценке их несущей способности. Вопрос расчета конструкций с нарушенной прочностью сжатого бетона, в связи с его актуальностью, в последние годы рассматривается многими российскими и зарубежными исследователями. Однако задача этих исследований, как правило, заключается в разработке упрощенного инженерного метода расчета. В связи с этим остаются достаточно большие расхождения между теорией и экспериментом. В то же время комплексный подход к более точному определению границ разнопрочных слоев по

высоте сечения и применение более близких к реальным моделей деформирования бетонов позволяют существенно сократить расхождения между экспериментальными и теоретическими данными. Такой подход является весьма актуальной задачей, особенно при ориентировании строительной отрасли на капитальный ремонт и реконструкцию эксплуатируемых домов.

Целью диссертационной работы является совершенствование расчета прочности изгибаемых железобетонных конструкций с поврежденной сжатой зоной бетона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Получить экспериментальным путем диаграммы деформирования поврежденных слоев бетона различной прочности.

• Уточнить соответствие предложенных диаграмм деформирования бетона с ниспадающей ветвью экспериментальным данным.

• Определить прочность слоев сжатой зоны экспериментальных образцов по величине энергозатрат в процессе выбуривания кернов.

• Получить экспериментальные данные о несущей способности и о деформировании изгибаемых железобетонных элементов с различной прочностью по слоям сжатой зоны бетона.

• Разработать методику расчета железобетонных изгибаемых элементов с различной прочностью бетона сжатой зоны с применением диаграмм деформирования.

• Сопоставить экспериментальные данные автора и других исследователей с результатами расчета по предложенной методике.

• Разработать рекомендации по обследованию и расчету несущей способности изгибаемых железобетонных элементов с поврежденной сжатой зоной бетона.

Объект исследования - изгибаемые железобетонные элементы с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

Предмет исследования — прочность нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с различными свойствами слоев бетона сжатой зоны и напряженно-деформированное состояние данных элементов в зоне чистого изгиба.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

• Усовершенствован расчет прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных конструкций с поврежденной сжатой зоной бетона.

• Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния конструкций в зоне чистого изгиба на любых ступенях загружения, имеющих различную прочность слоев бетона сжатой зоны.

• Разработаны рекомендации по определению характера разрушения изгибаемых железобетонных элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

• Разработаны рекомендации по оценке изменения прочности бетона по слоям в процессе взятия проб из конструкций методом бурения.

• Получены экспериментальные данные о работе бетона при центральном сжатии в виде диаграмм деформирования с ниспадающей ветвью.

• Получены экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии и несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны в процессе нагружения.

• Получены данные о характере эпюр напряжений сжатых зон изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

Практическое значение полученных результатов. Предложен способ оценки прочности бетона сжатой зоны по высоте сечения элементов, подверженных коррозии, который позволяет расширить возможность определения остаточной прочности материалов конструкций и получить более достоверные данные для расчета этих конструкций. Метод определения прочности и напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны, разработанный автором, является универсальным и позволяет существенно приблизить теоретические данные о работе данных элементов к экспериментальным. Представленная методика включена в курс лекций по спецкурсу «Железобетонные и каменные конструкции» в СГАСУ и в программу по повышению квалификации Межрегионального центра повышения квалификации при СГАСУ, а также принята для использования в области обследования изгибаемых железобетонных конструкций на кафедре ЖБК и в организации ООО НТЦ РААСН «ВолгаАкадемЦентр». Автор защищает:

• Усовершенствованный расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям, имеющих нарушенную прочность бетона сжатой зоны, позволяющий оценить напряженно-деформированное состояние элемента в зоне чистого изгиба и определить ожидаемый характер разрушения.

• Рекомендации по определению места положения разнопрочных слоев по высоте сечения и их механических свойств способом анализа структуры и прочности бетона в процессе взятия проб из бетонных конструкций методом бурения.

• Результаты экспериментальной оценки диаграммы деформирования бетона при сжатии.

• Результаты экспериментальных исследований по определению напряженно-деформированного состояния и несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

• Результаты сопоставления экспериментальных данных с теоретическими значениями, полученными с помощью предложенной методики. Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по теме

диссертации докладывались автором на Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Паука. Практика.» СГАСУ (Самара, 2006-2010гг.) и «Градостроительство. Реконструкция инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья» ТГУ (Тольятти, 2009г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ в сборниках статей и материалах конференций, в том числе две статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа объемом 192 страниц включает в себя введение, четыре главы, общие выводы, библиографический список из 157 наименований, четыре приложения; содержит 105 рисунков, 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены общая характеристика работы и ее основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе выполнен обзор научных исследований в следующих областях:

• классификация агрессивных сред и их влияние на прочностные характеристики железобетонных конструкций;

• существующие методы оценки прочностных характеристик бетона;

• аналитическое описание диаграмм деформирования бетона при одноосном центральном сжатии.

Вопросам исследования в области классификации агрессивных сред и оценки их влияния на состояние бетонных и железобетонных конструкций посвящены работы; Д.О. Астафьева, В.И. Бабушкина, В.В. Болотина, В.М. Бондаренко, C.B. Бондаренко, Г.А. Гениева, Е.А. Гузеева, Б.В. Гусева, В.А. Клевцова, В.И. Колчунова, П.Г. Комохова, С.И. Меркулова, В.М. Москвина, Е.Г. Пахомовой, В.В. Петрова, А.И. Попеско, А.Р. Ржаницина, В.И. Римшина, P.C. Санжаровского, Н.В. Савицкого, В.П. Селяева, B.C. Федорова, С.Ф. Чернышева, В.П. Чиркова, АЛ. Шагина и др.

По результатам анализа существующих экспериментальных и теоретических данных установлено, что имеющиеся на сегодняшний день методы оценки повреждений железобетонных конструкций построены на прогнозировании величины повреждений по результатам натурного осмотра конструкции или на основе информации об условиях их эксплуатации. При оценке несущей способности поврежденных элементов указанными способами остается некая степень приближенности результатов расчета к экспериментальным данным, а в некоторых случаях имеет место переоценка несущей способности. Неточность методов расчетов может быть обусловлена ошибочными данными о глубине повреждений, об остаточных прочностных характеристиках бетона или недостаточным учетом упругопластических свойств анизотропного материала. В связи с этим были рассмотрены методы контроля прочности бетона и даны предложения по аналитическому описанию диаграмм деформирования бетона при сжатии.

При обзоре существующих методов оценки прочностных характеристик бетона рассмотрены методы разрушающего, локального и неразрушающего контроля прочности бетона, а также их достоинства и недостатки. Наряду с традиционными подходами, отмечен способ анализа структуры и прочности бетона по результатам взятия проб из конструкции методом бурения. Его принцип действия основан на оценке прочностных характеристик бетона по толщине конструкции на основании данных об энергозатратах, необходимых для локального разрушения слоя бетона алмазным инструментом.

С момента появления железобетонных конструкций возникла необходимость учета анизатропных свойств бетона в расчетах. С этой целью было предложено множество аналитических зависимостей, описывающих диаграмму деформирования бетона при сжатии, учитывающих их нелинейную работу. Среди первых работ по описанию диаграмм деформирования можно отметить работы: Баха, Шюле, Франке, Риттера, Бэза, Эмпергера и др. По мере увеличения экспериментальных данных о работе бетона уточнялись и зависимости, описывающие его свойства. Среди современных отечественных исследований диаграмм деформирования бетонов рассмотрены работы: Ю.М. Баженова, A.M. Бамбура, Н.В. Байкова, В.М. Бондаренко, Г.А. Гениева, А.Б. Голышева, A.A. Прокоповича, Н.И. Карпенко, В.И. Колчунова, Вл.И. Колчунова, Е.А. Ларионова, Л.С. Ляховича, Д.Р. Маиляна, Г.В. Мурашкина, В.И. Римшина и др. Кроме того, рассмотрены предложения по использованию в расчетах диаграмм деформирования в отечественных и зарубежных нормах по проектированию бетонных и железобетонных конструкций.

Во второй главе представлена методика проведения теоретических и экспериментальных исследований. В рамках теоретических исследований был предложен усовершенствованный расчет прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны. В основу расчета заложено использование деформационной модели элемента совместно с теоретическими диаграммами деформирования материалов. Повышение точности расчета планируется выполнить за счет учета физически нелинейных свойств бетона, применив в расчетах полные диаграммы деформирования бетона, приближенные к экспериментальным. Для более точной оценки несущей способности сечений, прочность слоев и их границы по высоте сечения определять по результатам натурного обследования в процессе взятия проб из конструкции методом бурения.

При составлении методики расчета приняты следующие исходные положения и рабочие гипотезы:

• Считается справедливым линейный закон распределения деформаций по высоте сечения элемента.

• Связь между напряжениями и относительными деформациями бетона и арматуры устанавливается с помощью принятых в расчете диаграмм деформирования.

• Прочность шва между слоями принимается равной прочности наиболее прочного слоя.

х

грань экиеш щЬржшн огрессийтну

Пусть в результате воздействия агрессивных сред на изгибаемый железобетонный элемент выявлены слои бетона с различной прочностью по высоте сечения (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема изменения прочности слоев по высоте сечения

о

Kb

Тогда деформационная модель рассчитываемого элемента примет вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 - Деформационная модель элемента Здесь Ш - усилие, воспринимаемое бетоном сжатой зоны сечения; №>/ - усилие, воспринимаемое бетоном условно выделенного слоя; ей - относительные деформации бетона у наиболее сжатой части сечения; е, — относительные деформации арматуры; № - усилие, воспринимаемое арматурой.

Для описания закона деформирования бетона принята экспоненциальная зависимость, предложенная Г.В. Мурашкиным:

аь{с) = ас-ек -ехр

(1)

где ас Ьс — постоянные коэффициенты; е— относительные деформации бетона; Р -(ЕыО величина относительной деформации, соответствующая напряжению равному Яь. Для определения постоянных коэффициентов ас, Ьс необходимо решить систему двух уравнений:

^ь~ас'Р' -ехр

-К'Р

\ р (

ги.*-«.'0-1"*

^ - "с

Е,

•ехр

ь /

\\

-л у

(2а)

(26)

где К/,-расчетное сопротивление бетона осевому сжатию; £/, - начальный модуль упругости бетона при напряжениях, равных 0,1Яь.

Уравнение (1) представляет собой непрерывную функциональную зависимость между относительными деформациями и напряжениями в бетоне с момента загружения вплоть до разрушения. Согласно сравнительному анализу, выполненному Л.В. Козловым, данная зависимость дает хорошую сходимость с диаграммами, предложенными Н.И. Карпенко и приведенными в кодексе ЕКБ-ФИП, как на восходящей, так и нисходящей ветвях, а простые зависимости для определения коэффициентов делают ее удобной для использования в расчетных алгоритмах.

Для описания закона деформирования арматуры применена двухлинейная зависимость. Схематично диаграммы деформирования бетона и арматуры представлены на рисунках 3, 4.

Относительные деформации

Рисунок 3 - Диаграмма деформирования бетона

На основании принятых предпосылок разработана методика расчета изгибаемых железобетонных элементов с нарушенной прочностью бетона сжатой зоны. При решении поставленной задачи используется система двух уравнений равновесия:

(3)

1> ". ,4)

Уравнение (3) для элемента с одиночным армированием примет вид:

(5,

где Л^ и Л'г - равнодействующие усилия, воспринимаемые бетоном сжатой зоны и растянутой арматурой и определяемые по формулам (6) и (8) соответственно.

/=1

1

где Ыы - усилие, воспринимаемое ¡-м однородным слоем бетона. /

(6)

0 - для первого слоя, (7а)

I

ХЫ=Ь- \аы(х)с1х

- для последующих слоев, (76)

где 1 - координата ¡-го слоя бетона.

— Ач • (У, (¿Г, ) £, < £текучести

N - А • /? г > г

Л» при Л ~ ; (86)

где £„ - относительные деформации на уровне центра тяжести арматуры.

Площадь эпюры напряжений бетона сжатой зоны в пределах условно выделенного слоя определяется по формуле

А, =

0 , (9)

где 1 - координата ¡-го слоя бетона.

Уравнение моментов внешних и внутренних усилий для элемента с одиночным армированием (4) составляется относительно центра тяжести сечения растянутой арматуры и имеет запись:

где Л^ ■- равнодействующее усилие, воспринимаемое сжатой зоной бетона; '/. -плечо внутренней пары сил.

Для вычисления расстояния между центром тяжести растянутой арматуры и точкой приложения равнодействующего усилия Л'/, определяются площадь эпюры напряжений сжатия бетона и се статический момент по формулам (11) и (13) соответственно.

, (И)

где Лц- площадь эпюры сжатой зоны бетона в пределах условно-выделенного слоя определяется по формулам (12а), (126):

I

А,=

0 — для первого слоя, (12а)

/

Л, = |сГ/„(*)б/х

- для последующих слоев, (126)

где 1 - координата ¡-то слоя бетона.

м , (13)

где Бы - статический момент эпюры сжатой зоны бетона в пределах условно выделенного слоя определяется по формулам (14а), (146):

Я,

ы

\аы{х)х<1х

- для первого слоя, (14а)

I

' ' - для последующих слоев. (146)

Плечо внутренней пары сил определяется по формуле:

/ у/ > ' .';■

Ан . (15)

где '/.■■■■(!и,-*) -- расстояние от центра тяжести поперечного сечения растянутой арматуры до нулевой линии.

В формулах (7), (12) и (14) в качестве подынтегральной функции принята зависимость (1), которая после замены переменной примет следующий вид:

Г и „ .Л

(16)

.(*)• - \ 'Д,Л ! СХР

- Ьс • е ■ х р~Х

где X - высота сжатой зоны бетона; х — координата точки, в которой определяется напряжение; е - величина относительных деформаций у наиболее сжатой части сечения.

На основании предложенных выше расчетных соотношений была разработана блок-схема программы, в основу которой был заложен итерационный процесс. Далее блок-схема была реализована в программном комплексе МаЙ1Са<1-14.

В подразделе «Методика экспериментальных исследований» были спланированы экспериментальные исследования, основной целыо которых являлась проверка предложенного усовершенствованного расчета прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

При планировании эксперимента были рассмотрены следующие вопросы:

• Выбор конструкции экспериментальных образцов и схем их испытания.

• Изготовление образцов для контроля прочности материалов конструкции и их испытание.

• Выбор контрольных образцов для определения физико-механических характеристик бетона и арматуры.

• Построение экспериментальных диаграмм деформирования бетона.

• Выбор силового оборудования и его поверка.

• Выбор контрольно измерительных приборов и схема их расстановки.

• Тарировка тензометрических датчиков.

• Обработка данных экспериментальных исследований.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований. С целыо подтверждения результатов расчета, полученных автором, было выполнено испытание 5 партий балок по два элемента в каждой. Опытные образцы имели пролет 4 м и размеры поперечного сечения 400x200 мм. Образцы партий 1 и 2 (далее 06-1 и Об-2) выполнялись из одного замеса бетона и имели постоянную прочность бетона по высоте. Образцы партий 3-5 (далее Об-З - 06-5) выполнялись многослойными с применением трех различных составов бетонных смесей. Бетонирование многослойных конструкций выполнялось за один раз. Для предотвращения перемешивания слоев использовались бетонные смеси разной подвижности. Всего при изготовлении образцов было использовано 4 состава бетонной смеси и выполнено 7 замесов. Схематично расчетные ссчсни» образцов представлены на рисунке 5.

Испытание опытных образцов выполнялось на силовом двухручьевом полу (рисунок 6). Загружепие образцов осуществлялось двумя сосредоточенными усилиями, приложенными на расстоянии 1/4 пролета от опор. Опиранис образцов принималось шарнирным. Усилие создавалось с помощью гидравлических домкратов, присоединенных к ручной гидравлической станции. Величина создаваемого усилия определялась по величине давления рабочей жидкости с помощью образцового манометра.

Ф25йи=441 № Ф_36 №376 МПа___

Рисунок 5 11о11срсчныс сечсиия опытных образцов (величины Яь представлены

в МП а)

0&-5

8Ь=7№

ЫЩ<<<<

Рисунок б - Общий вид образца и испытательного стенда

Для изучения напряженно-деформированного состояния элемента в зоне чистого изгиба но высоте сечения на поверхность бетона и арматуры наклеивались тснзометрическис датчики омического сопротивления.

Перед началом испытаний, с целыо определения прочностных и деформативных характеристик слоев бетона, с каждого замеса были выполнены контрольные образцы в виде кубов с размером ребра 100 мм и кернов высотой 160 мм и диаметром 74 мм. По результатам испытаний кернов в тензометрической трубе были построены экспериментальные диаграммы деформирования бетона при сжатии. Полученные результаты аппроксимировались с помощью

экспоненциальной зависимости. Экспериментальная и теоретическая диаграммы деформирования отдельного образца представлены на рисунке 7. 20

- Обралоц КН.2.3

- ф-я ампроксима! |

0 ?00 1000 1500 2000 2500. 3000 3500 4000 4500 Относительны* деформации *10-6

Рисунок 7 - Экспериментальная и теоретическая диаграммы деформирования бетона по результатам испытания керна в тензомстричсской трубе

По результатам испытания контрольных образцов бетона были получены параметры для теоретических диаграмм деформирования (таблица I).

Таблица I - Данные для построения теоретических диаграмм деформирования слоев бетона

« Средняя Модуль Предельная Коэффициент Кооффици

я величина упругости сжимаемость ас Ьс

амеса бето] смеси призмсппой прочности слоя, МПа Еь, МПа £ьч]1 ( в формуле имеет обозначение Р )

м

1 21.60 32511 0,0022 1.408*10'' 0,91

2 17.51 17952 0,00202 5,102*10' 1,107

3 17.71 18835 0,00178 8,351*10' 1,154

4 29.11 14715 0,002436 7,45*105 1,446

5 7.86 18050 0,0022 2,066* 10* 0,783

6 12.60 23054 0,0022 5,221 "ЧО3 0,847

7 24.26 23544 0,0022 5,785*10* 1,092

По результатам испытания изгибаемых опытных образцов были получены данные об их несущей способности, изменении относительных деформаций по высоте сечения в зоне чистого изгиба и определен характер разрушения. Схемы развития трещин образцов с одинаковой и различной прочностью слоев бетона сжатой зоны представлены на рисунке 8.

Образец 06-1.1

зона чистого изгиба бот

Образец 06-5.1

Я Р

/ \!

ОЬ-5.1 ........ Н<1 Ч 1

Л? 1 \ ; Ш/ !. V- Ч. т 9.3 \..... ¡1<>§ 0 щ ни ,>;/ ^ \ т 1 м 1Г)( ' >¡5,8 V 1 гг Щ 1

ц...................................мо.:шпого изгибе......бот................................................

Рисунок 8 - Схемы развития трещин в образцах 06-1.1 (с одинаковой прочностью бетона по высоте сечения) и 06-5.1 (с различной прочностью слоев бетона по

высоте сечения)

В четвертой главе выполнен анализ экспериментальных и теоретических данных. На основании данных об изменении относительных деформаций и полученных законах напряженно-деформированного состояния для каждого слоя бетона были построены экспериментальные и теоретические эпюры напряжений в бетоне сжатой зоны однослойных и многослойных конструкций (рисунок 9). Проведено сопоставление экспериментальных и теоретических данных о несущей способности, положении нулевой линии, распределении относительных деформаций по высоте сечения и т.д. (таблица 2). Сопоставлены результаты расчета экспериментальных образцов других авторов, полученные по предложенному уточненному способу, с имеющимися методиками (таблица 3).

Образец Об-l.l

450

400

*?360

5юо

- Эпюра сжатой зоны бетона по программе

Напряжения в месте наклейки датчиков

Эпюра сжатой зоны бетона по эксперименту

О 50 100 150 200

Сжимающие напряжения в бетоне, кгс/см2

Образец 06-5.1

■Эпюра сжатой зоны бетона по программе

Напряжения в месте наклейки датчиков

Эпюра сжатой зоны бетона по эксперименту

О 50 100 150 200 250 Сжимающие напряжения в бетоне, кгс/см2

Рисунок 9 - Экспериментальные и теоретические эпюры напряжений бетона сжатой зоны изгибаемых железобетонных элементов

Таблица 2 - Результаты сопоставления экспериментальных и теоретических данных

Образец Максимальные деформации в бетоне Бв мах Высота сжатой зоны бетона, мм Максимальные деформации в арматуре мач Несущая способность нормального сечения. кНм

по эксперименту по методике (отклонение от эксперимента. %) по эксперименту 1 по методике (отклонение от эксперимента, %) 1 и о | в 3. V С и а г> по методике (отклонение ог эксперимента, %) | по эксперименту по методике (отклонение от эксперимента, °/о)

06-1.1 0,0031 0,0030 (3.2) 128 122 (4.7) 0,0079 0,0059 (25.3) 135.4 131.4(3)

Об-1.2 0,0033 0,0030(9.1) 124 122(1.6) 0,0055 0,0059 (-7.3 ) 135.4 131.4(3)

06-2.1 0,0036 0,0035 (2.8) 221 223 (-0.9) 0,0024 0,0019(20.8) 204,4 196,6(3.8)

Об-2.2 0.0036 0,0035 (2.8) 222 223 (-0.5) 0.0031 0,0019(38.7) 204,4 196.6(3.8)

06-3.1 0,0027 0.0027 (0) 153 154 (-0.7) 0,0029 0,0036 (-24.1) 123,9 123,1 (0.6)

06-3.2 0,0028 0,0026 (7.1) 146 152 (-4.1) 0,0032 0,0036 (-12.5) 127.7 126,7 (0.8)

06-4.1 0,0038 0,0035 (7.9) 225 225(0) 0,0024 0,0019(20.8) 185,1 181,2 (2.1)

06-4.2 0.0037 0,0035 (5.4) 222 227 (-2.3) 0.0024 0,0019 (20.8) 188,9 183.8(2.7)

06-5.1 0,0035 0,0034 (2.9) 187 186(0.5) 0,0034 0,0035 (-2.9) 120 119(0.7)

06-5.2 0,0036 0,0034 (5.6) 186 186(0) 0,0036 0.0035 (2.8) 120 119(0.7)

Таблица 3 - Результаты сопоставления усовершенствованного расчета с методиками других авторов

№ серии образцов Несущая способность нормальных сечений изгибаемых элементов

по эксперименту [103] по методике А.И. Попеско [108] по методике Е.Г. Пахомовой [103] по методике автора

И,, кНм И,. кНм % М,, кНм % И,. кНм %

С-1 22,09 24,96 -13 23,63 -7 23,53 -6,6

С-П 20,21 23,24 -15 22,02 -9 21,83 -8

с-ш 17,39 19,99 -16 19,12 -10 17,79 -2,3

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В период длительной эксплуатации железобетонных элементов в них накапливаются дефекты и повреждения, которые приводят к нарушению прочностных характеристик бетона поверхностных слоев конструкций. Наиболее уязвимыми являются изгибаемые железобетонные элементы.

2. Оценка состояния конструкций и, в частности, прочностных характеристик слоев может осуществляться теоретическим путем, когда известны сроки и условия протекания коррозионных процессов, циклы работы конструкций, но, как правило, на элементы воздействует сразу несколько факторов поэтому в большинстве случаев оценку удается получить при техническом освидетельствовании конструкции. Существующие традиционные методы контроля прочности бетона не позволяют получить информацию об изменении свойств бетона по высоте сечения. В связи с этим рекомендуется выполнять оценку прочностных характеристик слоев бетона путем использования способа анализа структуры и прочности бетона в процессе взятия проб из бетонных конструкций методом бурения.

3. На основании сформулированной рабочей предпосылки о нелинейных деформациях бетона при кратковременной нагрузке разработана методика расчета прочности изгибаемых элементов с нарушенными прочностными характеристиками бетона сжатой зоны.

4. Проведенные экспериментальные исследования соответствия предлагаемой модели нелинейного деформирования бетона с ниспадающей ветвью с результатами испытаний кернов показали достаточное статистическое соответствие экспериментальных и теоретических данных.

5. Разработанная методика реализована в программном комплексе МаЛсасМ4 и позволяет определять несущую способность и характер разрушения нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с различной и одинаковой прочностью слоев бетона сжатых зон, а также напряженно-деформированное состояние рассчитываемых сечений на всех стадиях загружения вплоть до разрушения. Необходимость определения характера разрушения образцов обусловлена в данном случае повышением

безопасности эксплуатируемых конструкций с нарушенной прочностью бетона сжатой зоны.

6. Сопоставление данных экспериментальных исследований опытных железобетонных изгибаемых элементов с нарушенной прочностью бетона сжатой зоны с теоретическими результатами расчета прочности, полученными по методике автора, показали хорошее соответствие в пределах 3,8 %.

7. Сопоставление теоретических предложений с экспериментальными результатами других авторов подтвердило корректность предлагаемой расчетной методики, так как предложенная методика более точно оценивает несущую способность экспериментальных образцов по сравнению с другими авторами.

Основное содержание диссертации опубликовано в 8 научных трудах, из которых [1] и [2] включены в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий для обязательной публикации материалов докторских и кандидатских диссертаций в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования РФ:

1. Мурашкин, Г.В. Использование деформационных моделей для определения несущей способности железобетонных изгибаемых элементов с коррозионными повреждениями сжатой зоны бетона [Текст] / Г.В. Мурашкин, A.A. Пищулёв// Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - Орел: ОрелГТУ. - 2009. - №6. - С. 36-42.

2. Пищулёв, A.A. Изгибаемые железобетонные элементы с неоднородными прочностными характеристиками бетона сжатой зоны [Текст] / A.A. Пищулёв // Бетон и железобетон. - 2010. - №2. - С23-26.

3. Пищулёв, A.A. Теоретическое представление о деформации упругого цилиндра с применением теории упругости и численных методов МКЭ [Текст]/ A.A. Пищулёв// Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 63-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2005 г./ СГАСУ. -Самара, 2006. - С 354.

4. Пищулёв, A.A. К вопросу определения прочности бетона, ослабленного дефектами [Текст]/ A.A. Пищулёв// Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 64-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2006 г./ СГАСУ. - Самара, 2007. - С. 459-460.

5. Пищулёв, A.A. К вопросу определения ресурса несущей способности изгибаемых железобетонных элементов, имеющих коррозионные повреждения сжатой зоны бетона [Текст]/ A.A. Пищулёв // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 65-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2007 г./ СГАСУ. - Самара, 2008. - С. 444-446.

6. Пищулёв, A.A. Расчет изгибаемых железобетонных элементов с одинарным армированием, имеющих неоднородные прочностные свойства бетона сжатой зоны по толщине с использованием диаграмм деформирования [Текст]/А.А. Пищулёв // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре.

Образование. Наука. Практика: материалы 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2008 г./ СГАСУ. -Самара, 2009. - С.164-165. - 4.II.

7. Мурашкин, Г.В. Экспериментальные исследования диаграммы деформирования бетонов на песчано-гравийных смесях различных составов [Текст]/ Г.В. Мурашкин, A.A. Пищулёв// Градостроительство. Реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья: сборник трудов II Всероссийской научно-технической конференции/ТГУ. -Тольятти,2009. - С. 94-103.

8. Мурашкин, Г.В. Экспериментальные исследования изгибаемых железобетонных элементов с неоднородными прочностными характеристиками бетона по высоте сечения [Текст]/Г.В. Мурашкин, A.A. Пищулёв // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2009 г./ СГАСУ. - Самара, 2010. - С.687-690.

Подписано в печать: 23.04.2010 г. Формат: 60x84 1/8. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем: 1,22 усл.печ.л. Тираж: 150 экз. Заказ № 119

Отпечатано в типографии ООО «Издательство СНЦ» 443001, Самара, Студенческий пер., За тел.: (846) 242-37-07

Введение

Глава 1 Обзор состояния вопроса.

1.1 Классификация агрессивных сред и методы оценки.

1.2 Методики расчета железобетонных конструкций с коррозионными повреждениями бетона.

1.3 Методы контроля прочностных характеристик бетона.

1.3.1 Методы разрушающего контроля.

1.3.2 Методы локального или местного разрушения.

1.3.3. Неразрушающие методы контроля.

1.4 Аналитическое описание диаграмм деформирования бетона.

1.5 Выводы по первой главе. Цели и задачи исследований.

Глава 2 Методика проведения теоретических и экспериментальных исследований.

2.1 Методика проведения теоретических исследований 49 2.1.1 Методика расчета несущей способности железобетонных ' изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны по нормальному сечению.

2.1.2 Реализация алгоритмов расчета нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с одинаковой и различной прочностью слоев бетона сжатой зоны в среде

МаЛСас1-14.

2.2 Методика проведения экспериментальных исследований.

2.2.1 Выбор конструкции экспериментальных образцов.

2.2.2 Методика проведения экспериментальных исследований балок.

2.2.3 Методика определения прочностных и деформативных характеристик бетона.

2.2.4 Методика определения прочностных характеристик арматуры.

2.2.5 Тарировка тензометрических датчиков.

2.2.6 Выбор силового оборудования и его поверка.

2.3 Методика сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3 Экспериментальные исследования работы железобетонных изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны при загружении кратковременной нагрузкой.

3.1 Определение прочностных и деформативных характеристик материалов конструкций.

3.1.1 Изготовление контрольных образцов и их испытание с целью оценки прочности и деформативности бетона.

3.1.2 Определение прочности бетона при бурении конструкций алмазным инструментом.

3.1.3 Испытание контрольных образцов стержневой арматуры

3.2 Испытание экспериментальных балок.

Глава 4. Обработка результатов эксперимента и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

4.1 Обработка результатов испытания образцов изгибаемых элементов.

4.2 Сопоставление предложенной методики с методиками других авторов.

Как правило, реконструкция существующих объектов оказывается более рентабельной, чем строительство новых. На сегодняшний день около 60 % зданий и сооружений в нашей стране эксплуатируются свыше 30 лет. До некоторого времени основная часть материально-финансовых ресурсов расходовалась на новое строительство. Недостаточное финансирование плановых и капитальных ремонтов зданий и сооружений привело к тому, что значительная часть зданий и сооружений имеют повреждения прочности бетона, а их физический износ превышает 30 %. В статье В.И. Римшина «Проблемы капитального ремонта многоквартирных домов первых массовых застроек» (Строительная газета. 2010, 22 января) сделан прогноз о том, что игнорирование работ по капитальному ремонту в ближайшие 5-10 лет приведет к неизбежным массовым сносам жилья, а это повлечет за собой необходимость расселения.

В августе 2007 года правительством РФ принят Федеральный закон № 185-ФЗ «О Фонде содействия реформирования жилищно-коммунального хозяйства». На основе этого закона в Самаре заключен муниципальный контракт № 266 — Пр 108/4106 от 15 августа 2008 г. между СГАСУ и Департаментом городского хозяйства и экологии местной Администрации, в рамках которого сотрудниками кафедры железобетонных и каменных конструкций разработаны рекомендации по критериям отбора многоквартирных жилых домов, включаемых в областную адресную программу «Капитальный ремонт многоквартирных домов». Здания, вошедшие в данную программу, требуют проведения их детального обследования.

Переоснащение и реконструкция существующих объектов требуют соответствующей технической подготовки инженеров. Одним из важнейших вопросов данной подготовки являются разработка и усвоение методик расчета по определению несущей способности железобетонных конструкций с нарушенной прочностью бетона сжатых зон в результате воздействия на них агрессивных сред, высоких температур, а также нарушение технологии изготовления конструкций и т.д.

Вопрос оценки технического состояния железобетонных элементов, поврежденных коррозией, сложный и многогранный. На сегодняшний день отсутствуют нормативные документы, в которых бы были отражены методики оценки подобных конструкций, однако выполнен ряд исследований, основной целью которых является определение:

1) видов агрессивных сред;

2) влияния агрессивных сред на структуру и прочностные характеристики бетонного камня;

3) механизма проникновения агрессивных сред в тело бетонного камня в зависимости от уровня напряженного состояния а^ь

4) аналитического "описания законов деформирования бетонов;

5) применения диаграмм деформирования бетона в расчетах железобетонных конструкций;

6) построения деградационных кривых, описывающих степень повреждения бетонного камня по толщине;

7) методов определения« несущей способности железобетонных элементов, поврежденных коррозией, путем использования в расчетах диаграмм деформирования и деградационной кривой.

При обследовании зданий и сооружений часто встречаются/железобетонные элементы с различной прочностью слоев бетона. Изменение прочности слоев бетона может быть вызвано технологическими факторами либо механическими или 1 коррозионными повреждениями. Наиболее часто среди отмеченных конструкций встречаются изгибаемые элементы.

Имеющиеся на сегодня методы определения глубины коррозионных повреждений и остаточных прочностных характеристик бетона основаны, как правило, на рассмотрении процесса коррозии материалов во времени при воздействии определенного реагента, в основу которых положены лабораторные исследования. Однако условия эксплуатации реальных конструкций зачастую отличаются от лабораторных, так как конструкция может быть подвержена агрессивному воздействию нескольких реагентов, кроме того, фактические температурно-влажностные условия могут отличаться от принятых в' расчете. Ошибки при прогнозировании коррозионных процессов в железобетонных конструкциях могут привести к снижению точности расчетов, а в некоторых случаях и переоценке их несущей способности. Вопрос расчета конструкций с нарушенной прочностью сжатого бетона, в связи с его актуальностью, в последние годы рассматривается многими российскими и зарубежными исследователями. Однако задача этих исследований, как правило, заключается в разработке упрощенного инженерного метода расчета. В связи с этим остаются достаточно большие расхождения между теорией и экспериментом. В то же время комплексный подход к более точному определению границ разнопрочных слоев по высоте сечения и применение более близких к реальным моделей деформирования бетонов позволяют существенно сократить расхождения между экспериментальными и теоретическими данными. Такой подход является весьма актуальной задачей, особенно при ориентировании строительной отрасли на капитальный ремонт и реконструкцию эксплуатируемых домов.

Целью диссертационной работы является совершенствование расчета прочности изгибаемых железобетонных конструкций с поврежденной сжатой зоной бетона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Получить экспериментальным путем диаграммы деформирования поврежденных ч слоев бетона различной прочности.

• Уточнить соответствие предложенных диаграмм деформирования бетона с ниспадающей ветвью экспериментальным данным.

• Определить прочность слоев сжатой зоны экспериментальных образцов по величине энергозатрат в процессе выбуривания кернов.

• Получить экспериментальные данные о несущей способности и о деформировании изгибаемых железобетонных элементов с различной прочностью по слоям сжатой зоны бетона.

• Разработать методику расчета железобетонных изгибаемых элементов с различной прочностью бетона сжатой зоны с применением диаграмм деформирования.

• Сопоставить экспериментальные данные автора и других исследователей с результатами расчета по предложенной методике.

• Разработать рекомендации по обследованию и расчету несущей способности изгибаемых железобетонных элементов с поврежденной сжатой зоной бетона.

Объект исследования — изгибаемые железобетонные элементы с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

Предмет исследования - прочность нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны и напряженно-деформированное состояние данных элементов в зоне чистого изгиба.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

• Усовершенствован расчет прочности- нормальных сечений изгибаемых железобетонных конструкций с поврежденной сжатой зоной бетона.

• Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния конструкций в зоне чистого изгиба на любых ступенях загружения, имеющих различную прочность слоев бетона сжатой зоны.

• Разработаны рекомендации по определению характера разрушения изгибаемых железобетонных элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

• Разработаны рекомендации по оценке изменения прочности бетона по слоям в процессе взятия проб из конструкций методом бурения.

• Получены экспериментальные данные о работе бетона при центральном сжатии в виде диаграмм деформирования с ниспадающей ветвью.

• Получены экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии и несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны в процессе нагружения.

• Получены данные о характере эпюр напряжений сжатых зон изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны. Практическое значение полученных результатов. Предложен способ оценки прочности бетона сжатой зоны по высоте сечения элементов, подверженных коррозии, который позволяет расширить, возможность определения остаточной прочности материалов конструкций и получить более достоверные данные для расчета этих конструкций. Метод определения прочности и напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны, разработанный автором, является универсальным и позволяет существенно приблизить теоретические данные о работе данных элементов к экспериментальным. Представленная методика включена в курс лекций по спецкурсу «Железобетонные и каменные конструкции» в СГАСУ и в программу по повышению квалификации Межрегионального центра повышения квалификации при СГАСУ, а также принята для использования в области обследования изгибаемых железобетонных конструкций на кафедре ЖБК и в организации ООО НТЦ РААСН «ВолгаАкадемЦентр». На защиту выносятся:

• Усовершенствованный расчет прочности изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям, имеющих нарушенную прочность бетона сжатой зоны, позволяющий оценить напряженно-деформированное состояние элемента в зоне чистого изгиба и определить ожидаемый характер разрушения.

• Рекомендации по определению места положения разнопрочных слоев по высоте сечения и их механических свойств способом анализа структуры и прочности бетона в процессе взятия проб из бетонных конструкций методом бурения.

• Результаты экспериментальной оценки диаграммы деформирования бетона при сжатии.

• Результаты экспериментальных исследований по определению напряженно-деформированного состояния и несущей способности нормальных сечений изгибаемых элементов с различной прочностью слоев бетона сжатой зоны.

• Результаты сопоставления экспериментальных данных с теоретическими значениями, полученными с помощью предложенной методики.

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по теме диссертации докладывались автором на Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.» СГАСУ (Самара, 2006-201 Огг.) и «Градостроительство. Реконструкция инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья» ТГУ {Тольятти, 2009г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ в сборниках статей и материалах конференций, в том числе две статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Работа объемом 192 страницы включает в себя введение, четыре главы, общие выводы, библиографический список из 157 I наименований, четыре приложения; содержит 105 рисунков, 24 таблицы.