автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Технологические напряжения в конструкциях в процессе изготовления

На правах рукописи

Р Г Б ОД

2 0 ПОП Ш

МАДЖИТОВ Дамир Фаритович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В КОНСТРУКЦИЯХ В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Специальность 05.23.01- строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза-2000

Работа выполнена в Волгоградском инженерно-строительном институте при Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии и в Московской государственной академии приборостроения и информатики.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

ХолинН. Н.,

кандидат технических наук, доцент Тарасов И. О. ,

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Овчинников И.Г., кандидат технических наук, доцент Ласьков H.H.

Ведущая организация: Филиал государственного предприятия кон-структорско-технологнческого бюро железобетона при научно-исследовательском центре строительства, Волгоград Защита состоится « 27 » июня 2000 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 064.73.01 в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии по адресу:

440028, ПенЗа, ул. Титова, д.28, корп. 1, конференц-зал. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан « 26 » мая 2000 г.

Совет направляет Вам для ознакомления данный автореферат и просит Ваши отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направить по адресу: 440028, Пенза, ул. Титова, д.28, Пензенская государственная архитектурно-строительная академия.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат техн. наук, доцент ^-тьо -— В.А.Худяков

Н6£6 .206 ,2 -i О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Важнейшей задачей капитального строительства является повышение долговечности строительных конструкций на основе научного подхода к их изготовлению и эксплуатации в переменных температурно-влажностных условиях среды. На долговечность работы бетонных конструкций оказывает влияние условия их изготовления и эксплуатации в течение нормативного срока службы.

Условия изготовления конструкций являются определяющими в их дальнейшей успешной или неуспешной эксплуатации, сроков капитальных и текущих ремонтов, что может значительно повлиять на их стоимость. Нерациональные условия изготовления конструкций приводят, в лучшем случае, к появлению остаточных уравновешенных напряжений, как правило, растягивающих в фибровых волокнах, сжимающих на оса элемента, в худшем, к появлению трещин в период изготовления. Особенно ярко эти процессы проявляются в конструкциях, прошедших тер-мовлажностную обработку.

В первом случае растягивающие напряжения близки к временному сопротивлению материала на растяжение и проявляются в виде трещин в процессе транспортировки или в процессе монтажа конструкции. В любом из э-хих случаев завод-изготовитель не несет ответственности за допущенный технологический брак, и только при наличии трещин в процессе изготовления завод несёт материальную ответственность. В этом и другом случае возникает необходимость контроля качества выпускаемой продукции и регулирования режима пропаривания конкретно для того или иного вида цемента, используемого заводом.

Все технологические напряжения являются собственными напряжениями первого рода - это напряжения, возникающие вследствие различия в объёмных деформациях бетона по высоте элемента.

Обычно собственные напряжения первого рода называют начальными и разделяют на напряжения, вызванные температурно-влажностными перепадами, которые исчезают с уничтожением причин, и остаточные, возникающие в процессе изготовления и действующие в течение долгого времени в процессе эксплуатации.

Обычно эти напряжения и в процессе изготовления, и в процессе эксплуатации действуют совместно и влияют на процессы микротрещи-нообразования в материале. Разделяют их для того, чтобы выявить, какая доля собственных напряжений, возникающих в процессе изготовления, будет влиять на процессы микротрещинообразования в период эксплуатации и насколько эффективно.

Решение этих вопросов позволило разработать рекомендации по их изменению, которые значительно улучшают качество конструкций заводской готовности.

По нормативным требованиям расчет конструкций следует производить по предельным состояниям для всех этапов изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.

Появление микротрещин в фибровых волокнах не опасно для обеспечения несущей способности изгибаемых элементов, но долговечность эксплуатации конструкций с технологическими трещинами в фибровых волокнах значительно ниже нормативной.

Поэтому необходим анализ изменения температурно-вл'ажностных полей в конструкциях в процессе изготовления и учёт собственных напряжений, возникающих в процессе изготовления, на работу железобетонных элементов в процессе эксплуатации.

Тема диссертации связана с планом научно-исследовательских работ ВолжскИСИ «Научные, технические, экологические и экономические проблемы г. Волжского».

Цель исследований.

Целью исследований является разработка метода расчета температурных напряжений в бетонных и железобетонных элементах конструкций при их изготовлении, а так же разработка рехоиендаций по управлению начальными и остаточными напряжениями в этих конструкциях.

Для достижения поставленной цели на основе анализа современного состояния теории и методов расчёта температурных напряжений в бетонных и железобетонных элементах в период изготовления и эксплуатации сформулированы следующие задачи:

- выявить причины и характер образования трещин в конструкциях в зависимости от периода изготовления и сезона эксплуатации;

- определить температурные поля в конструкциях с учётом экзотермии цемента при изготовлении бетонных и железобетонных плит;

- определить термонапряженное состояние бетонных плит в период изготовления;

- выявить долю остаточных напряжений, оказывающих влияние натре-щиностойкость бетонных элементов в период эксплуатации, при различных сезонах изготовления конструкций;

- определить температурное поле а плитах в период эксплуатации;

- выявить долю температурных напряжений в бетонных и железобетонных элементах при полной релаксации остаточных напряжений в зависимости от сезона изготовления;

- разработать рекомендации по управлению начальными напряжениями с целью снижения их влияния на поведение конструкций.

Автор защищает:

- методику расчета остаточных напряжений з процессе изготовления железобетонных элементов в период температурно-влажностной обработки;

- методику расчета остаточных напряжений в период эксплуатации железобетонных элементов;

- результаты экспериментально-теоретических исследовании влияния остаточных напряжений на собственные напряжения, вызванные температурными градиентами по сечению элементов в зависимости от температурного режима эксплуатации;

- рекомендации по изменению и управлению начальными напряжениями в бетонных и железобетонных элементах конструкции.

Научная новизна работы:

- предложена математическая модель, позволяющая определить остаточные температурные напряжения, возникающие в период изготовления конструкций, и оценить их влияние на собственные напряжения конструкций в период эксплуатации в зависимости от температурного режима изготовления;

- разработана методика, алгоритм и составлена программа решения уравнений тепломассопереноса с источником в бетонных и железобетонных элементах конструкций (с использованием языков программирования ФОРТРАН и МАТ-САД);

- получены законы распределения температурных полей в плитных конструкциях в период изготовления и эксплуатации с учётом температурного воздействия;

- определен закон распределения и изменения с течением времени остаточных напряжений в плитных конструкциях в процессе температур-но-влажностной обработки с учётом экзотермии цемента.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов обосновываются использованием отработанных методов анализа температурных полей, разработанных методов решения уравнений теплопроводности, разработанного программного обеспечения на эталонных задачах. Там, где это возможно, проводилось сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными по образованию и раскрытию трещин в элементах конструкций, которые качественно характеризовали распределение собственных напряжений в конструкциях.

Практнческое значение и внедрение.

Использование разработанных рекомендаций позволит управлять температурными напряжениями в процессе изготовления, складирования и эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций и, тем самым, уменьшить трещинообразование в конструкциях, тем самым, увеличив их работоспособность и долговечность. Результаты внедрены в производство железобетонных конструкций на ЗАО «Стройдеталь № 88» г. Москвы. Результаты диссертационной работы используются при изложении курса лекций «Математическое моделирование -физико-механических технологических систем» в МГАПИ и «Железобетонные конструкции» и «Производство сборного железобетона» в ВолжскИСИ г. Волжского.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях [1-5], материалы научной работы доложены на научной конференций профессорско-преподавательского состава ВолжскИСИ, на региональной конференции «Научно-технические, экологические и экономические проблемы г. Волжского» в 1998, 1999 г., на межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов» в 1997г. в г. Сергиев Посад, на научном семинаре кафедры ЙТ-2 МГАПИ в 1999 г.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, 51 рисунка, 2 таблиц, списка литературы из 81 наименований, приложения и изложена на 110 страницах печатного текста.

Основное содержание работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния проблемы учёта влияния собственных напряжений на поведение бетонных и железобетонных конструкций при различных температурных воздействиях и климатических условиях.

Проанализировано количество тепла, выделяемого цементом в процессе гидратации. Анализ результатов Лукьянова B.C., Миронова С.А., Кинда В.А, Окорокова С.Д., Еременко И.П., Парийского A.A. и др. показал, что количество выделяемого тепла зависит от химического и минералогического состава цемента.

Одним из основных параметров для описания температурных полей в конструкциях является скорость тепловыделения, которая на основании обработки большого количества экспериментального материала описана Александровским C.B., Гвоздевым A.A., Запорожцем Й.Д., Мягковым А.Т. н др. Эти исследования позволили записать уравнения массо-. теплообмена с учётом экзотермии, которые были решены аналитическими и численными методами в работах Александровского C.B., Запорожца И.Д., Лыкова A.B. и др.

Таким образом, в настоящее время накоплен достаточный материал для определения температурных полей в конструкциях в период изготовления, однако, учитывая значительный разброс в начальных и граничных условиях задач, решение их требует уточнения в зависимости от режима эксплуатации.

Определением остаточных напряжений в период изготовления конструкций занималась также значительная часть ведущих ученых нашей страны. Работами МакачеваЮ.Р. доказано, что остаточные напряжения значительно зависят от режима среды в период температурно-влажностной обработки и вида цемента.

Анализ существующих исследований Бондаренко В.М., Барашкова А.Я., Улицкого H.H., Голышева А.Б., Каранитяна К.С., Крачевского А.П.,

Прокоповича И.Е., Александровского C.B. и др. показал, что ползучесть бетона оказывает значительное влияние на релаксацию напряжений. Остаточные напряжения как действующие длительный период после изготовления значительно релаксируют во времени.

Однако обследование конструкций в условиях переменных режимов внешней среды Московской и Волгоградской областей показало наличие трещин в фибровых волокнах плит задолго до приложения внешней нагрузки, что доказывает недостаточность учёта начальных и остаточных напряжений в расчётах.

С учётом изложенного выше, сформулированы цели и задачи, составлена программа исследований.

Вторая глава посвящена математическому моделированию температурных полей, с учётом влагосодержания в конструкциях в зависимости от температурного режима изготовления и эксплуатации.

В Российской Федерации сборное домостроение занимает одно из важнейших направлений. Поэтому объектом исследований были приняты железобетонные плиты, панели, являющиеся основным конструктивным элементом. Предметом исследований являлись температурные поля в конструкциях в процессе изготовления и эксплуатации, а также вызываемые ими температурные напряжения различного рода В качестве методологии исследований использовалось математическое моделирование температурных полей и напряженно-деформированного состояния плитных конструкций в процессе температурно-влажностной обработки при изготовлении.

Математическая модель, описывающая распределение температурных полей по толщине конструкций и изменение их с течением времени, позволяющая определить остаточные температурные напряжения принята в виде:

дг дг1 1 д<2

- = а—- +--(1)

дт дх Су дт

где —- скорость тепловыделения при гидратации цемента, а - коэффициент температуропроводности, м2/с, г - время, час, I - температура, °С, ^ - координата, см.

При определении температурно-влажностных полей в конструкциях в период эксплуатации используется уравнение тепломассопереноса в виде:

Ы дЬ егд¥ от 4 дх сд от .

дЖ д2!Г я2/ ог б!х дх

где ¥ - влагосодержание материала, т/м, - коэффициент температуропроводности, м2/с, а„ - коэффициент диффузии влаги, м2/с, г - удельная теплота испарения, Дж/кг, 6- термоградиентный коэффициент, £ -критерий испарения.

Граничные условия для плиты толщиной 21 имеют вид:

ад- +а/гАс -КЯт)]+2(\-£)дт(т) = 0, (4)

«тГоГ^] ^Го^Т" I + = (5)

Схема метода приведена на рису нке 1.

? _ _

т=к1

А :к+1

,1-1 1- 1+1 У

и п

с ' к-1

Рис. 1

Для решения уравнений (1, 2,3) использовался метод конечных разностей при этом уравнения (2, 3) принимают вид:

'а =

\

к1

/

/Г

г

1

2 аЛ

т

\

к2

/

/г"

(7)

А уравнения (4), (5) в конечно-разностном виде запишутся:

2к

\ +у

1Д- Л я ; 'п,к , » 1."<7

2 Яп +а„п 2Д,

2а Ид 2Я+ак

2к^ач1с^г(\-£)Чт(т)] 2Идт(т)

2Я?

««Го

(9)

Для решения полученных уравнений был составлен программный комплекс (с использованием языков программирования ФОРТРАН и

МАТ-КАД), который позволял выполнять численное решение уравнений и выдавать результаты в табличной и графической форме.

Исследовался закон распределения и изменения температурного поля по толщине плиты, так как в этом случае имеет место наибольший температурный градиент. Рассматривались различные режимы температурного воздействия, что учитывалось в граничных условиях.

Анализировались температурные и остаточные напряжения в процессе изготовления и эксплуатации в зависимости от толщины железобетонного элемента конструкции, условий эксплуатации н направления температурного потока. В летний период температурный перепад направлен от наружного фибрового волокна к внутреннему, а в зимний от внутреннего к наружному. Поэтому трещины, вызванные температурными перепадами, могут появляться на наружной и внутренней, поверхног стях в зависимости от режима эксплуатации.

Результаты обследования плитных конструкций в условиях климата Волгоградской и Московской областей показал наличие большого количества трещин в фибровых волокнах, как на наружных, так и на внутренних поверхностях элемента, вызванных неравномерным распределением температуры по толщине конструкции.

Результаты математического моделирования показали, что максимальное проявление остаточных напряжений наблюдается при выравнивании температур в период прогрева и при остывании конструкций и зависит от вида цемента.

Анализ результатов численного моделирования температурных полей для различных моментов времени показал, что температурное поле во всех случаях может быть аппроксимировано функцией:

при этой погрешность будет доходить до 3,6 % , что является приемлемой величиной.

При описании распределения температуры по толщине конструкции принято использовать термин «замыкание», который означает конец периода схватывания бетона (когда он сцепляется с арматурой и начинает работать с ней совместно). Время замыкания обычно определяется от момента начала подъема температуры в пропарочной камере. Ниже в таблицах приведены значения коэффициентов аппроксимирующих функций для плит с различной толщиной, различных температурных режимов изготовления и эксплуатации.

Для вычисления условных температурных перепадов в плитах при изготовлении, остывании 11 я 13 часов определены коэффициенты:

Толщина плиты 24 см Толщина плиты 48 см

Время замыкания, часов Время замыкания, часов

1 1,5 3 1 1,5 3 5

При изготовлении

а 56,25 23,75 0 56 41 26 80

в 0 0 0 0 0 0 0

с 23,75 33,75 54 36 46,5 54 3,2

Остывание в течении 11 часов

а - 27,5 11,25 -5 24,57 9,57 -5,43 60

в 0 0 0 0 0 0 0

с 38,13 43,38 .68,13 37,57 51,97 64,57 -51

Остывание в течении 13 часов

а -37,5 -20 -36,55 -24,5 -15 -30 31,5

в 0 0 0 0 0 0 0

с 54,34 64,37 84,37 53,18 64,5 78 -31,5

Закон изменения функций температурных перепадов показывает изменение знаков в температурных перепадах, а, следовательно, и в напряжениях.

Для шипы толщиной 24 см при складировании в зимних условиях брались следующие значения коэффициентов:

Замыкание через 1 час . Замыкание через 2 часа

Температура на границах, °С Температура на границах, °С

0 -10 -30 0 -10 -30

а 49,26 60,02 81,05 79,89 89,7 110,2

с 45,02 43,21 29,Ш 61,25 51,02 49,24

В случае одностороннего нагрева плиты толщиной 24 см в летний период при действии солнечной радиации:

Замыкание через 1 час Замыкание через 2 часа

' Температура на границах, °С Температура на границах, °С

32; 29 53; 41 57; 45 32; 29 53; 41 57; 45

а 19,51 3,02 -1,02 49,49 33,01 29,0

в 0,125 0,503 0,504 0,125 0,503 0,504

с -19,01 -19,98 -17,98 -19,51 -25,56 -38,98

В зимний период эксплуатации плиты толщиной 24 см, когда температура внешней среды О °С; -10 °С; -30 °С:

Замыкание через 1 час Замыкание через 2- часа

Температура на границах, °С Температура на границах, °С

0; 20 -10; 20 -30; 20 0; 20 -10; 20 -30; 20

а 39,51 46,12 55,12 67,725 76,54 84,95

в 0,833 1,25 2,08 0,833 1,25 2,083

с -31,501 -28,102 -36,92 -52,513 47,94 -70,075

На рисунках 3, 4, 5 приведены кривые температурных перепадов с' учётом и без учёта остаточных напряжений в зимний период. Точками показаны полученные значения, а линиями аппроксимированные.

Как показывает анализ, температурные перепады определяют закон распределения остаточных температурных напряжений.

Температурное поле в плитах при граничных температурах 20; 0 и 20; -10 °С

— Т л | XI

Гр1ККЦ1Х 1 0 ; О С

—- Тгхпсркгурк н|

ГР1ИЖШХ ? о : -1 о с

ось элемента

Рнс. 2

Условный температурный перепад в плитах при граничных температурах и 20; О С, и замыкании через 1 час

20; -10

й-—

-Теншргорана гра1ыех20; ОС

-Тгмшразтрака границах 20; -10 С

-ыг

ось элемента

ыг

Рнс. 3

100 90

условный температурный перепад в плитах при граничных температурах _20: 0 и 20: -10 °С я замыкании конструкиии через 2 часа

-ыг

ось элемента

2*

- Темжрттурака Пйнвдх20; ОС

- Т>мжратура на гранта 20;-ЮС

Ь/2

Рнс. 4

Температурные перепады в период эксплуатации условно могут увеличиваться или уменьшаться за счет температурных перепадов в период замыкания конструкций и зависят от режима изготовления конструкций. Увеличение условных перепадов приводит к появлению трещин.

В третьей главе исследованы законы изменения напряжений в плитах с учетом и без учета начального температурного перепада.

В условиях твердения модуль упругости принимается переменным по высоте элемента и пропорциональным прочности материала. Коэффициент линейного расширения считается переменным в зависимости от возраста и влагосодержания.

Анализ напряженного состояния конструкций в период изготовления показал, что в фибровых волокнах возникают напряжения растяжения и при иьР'Яы наблюдаются трещины. С изменением коэффициента линейного расширения от 8,5-Ю'5 до 14-Ю"5 напряжения растяжения в фибровых волокнах изменяются от 2,1 МПа до 3,5 МПа, т.е. в бетонах класса ниже В35 в конструкциях в процессе изготовления существует потенциальная возможность появления трещин.

Остаточные напряжения в конструкциях максимально проявляются при выравнивании температур по сечению элемента в пропарочной камере и при его остывании. Максимально растягивающие напряжения, в рассматриваемом случае, могут проявиться, если замыкание конструкции происходит через 3 часа после начала подъёма температур, минимальные - через 1-2 часа и 4-8 часов. Таким образом, имеется два оптимальных режима для замыкания конструкций, которые необходимо использовать в процессе изготовления в зависимости от химического состава цемента. При замыкании элемента более чем через пять часов появляются остаточные напряжения обратного знака, фибровые волокна сжаты, а по оси элемент растянут. Оптимальный вариант, когда остаточные напряжения

отсутствуют, соответствует времени выравнивания температур по сечению, равному пяти часам (рис. 5).

В период эксплуатации в зависимости от режима изготовления собственные остаточные напряжения, накладываясь на температурные, возникающие в период эксплуатации, создают дополнительное поле напряжений, которое до приложения внешней нагрузки может привести к

Изменение остаточных напряжений в фибровых волокнах и на оси элемента в зависимости от ^ сроков замыкания конструкт

4

а г -

£ о«

й О -2 -

си -4 -

1 -б --8 -

фибровые волокна ось элемента

Растягивающие Сжимающие

ч

0.1 2 3 4 5 б сроки замыкания, час

Рис. 5

образованию трещин. В случае оь^Яы они в сочетании с напряжениями от внешней нагрузки могут оказать отрицательное влияние на трещино-стойкость изгибаемого элемента.

При исследовании температурных напряжений в период эксплуатации решались следующие задачи:

1. Исследовалось влияние остаточных напряжений на собственные температурные напряжения, возникающие в плитах при открытом складирования в различное время года.

2. Исследование влияния остаточных напряжений на собственные температурные напряжения, возникающие в плитах в период эксплуатации а различное время года.

3. Анализ температурных напряжений, возникающих в плитах старого возраста после релаксации остаточных напряжений при их эксплуатации в различное время года.

При решении первой задачи считалось, что температура нагрева поверхности плиты в период складирования симметрична и приближается к температуре среды.

При складировании в осенне-зимний период растягивающие напряжения в фибровых волокнах могут появиться лишь при сроках замыкания конструкций в период изготовления при I > 4,5 часа.

Зона растягивающих напряжений, близкая к оси элемента, возникает при сроках замыкания конструкции 2 < Г < 3,5 часов. В области растяжения могут появляться трещины, которые, накладываясь на трещины, возникающие в растянутой зоне под нагрузкой, способствуют уменьшению сжатой зоны бетона.

В условиях эксплуатации плит в зависимости от времени замыкания конструкции в период изготовления трещины могут появиться как на наружной при £ < 2, так и на внутренней поверхности при ? > 4 часа. При 3 < I < 4 часа растянутой является зона ближе к оси элемента и при этом

Температурные трещины по оси элемента способствуют распространению трещин в сжатую зону. Зимние условия эксплуатации наиболее опасны с точки зрения трещинообразования.

При изготовлении плит в летний период в бетонах в зависимости от времени и уровня действия солнечной радиации температура поверхности нагревается от 30 °С до 60 °С за время светового дня. Температурный перепад в течении суток менялся от 3 °С до 13 °С. На рисунке 6 показан закон изменения напряжений в фибровых волокнах плиты при одностороннем нагреве в условиях действия солнечной радиации в бетонах, прошедших термовлажностную обработку.

Температурные напряжения с улетом остаточщ на фибровых волокнах элемента

при действии солнечной радиации 2 чзса при максимально? солнечной радиации в утренние часы

при действии солнечной радиации 2 часа при макснмалшс!" солнечной радиации в утренние часы

2 3

время замыкания, ча(

Рис. 6

Анализ напряженного состояния показывает, что в плитах, работающих при одностороннем нагреве в летний период, температурные напряжения не превышают временного сопротивления бетона на растяжения, и, как правило, температурные трещины отсутствуют. Однако, растягивающие напряжения в фибровых волокнах влияют на трещиностой-кость изгибаемых элементов под нагрузкой и должны быть учтены в расчетах по трещиностойкости.

Распределение напряжений в плите в зимний период при замыкании через 1 час после начала подьема температур в пропарочной камере при температурах на границах 20; 0 °С:

1 1 I

/

-

/

у

У

■ |

толщина элемента, см

-1.5139 -2,2173

-2.743?

-2.9617

-2.7368

-2.0029

-0.7273

1.0813

3.2864

5.8288

8.5375

5 0

Замыкание через 2 часа после начала подъема температур в камере при температурах на границах 20; О °С:

1 ..... 1 с /

/ / /

У ___ Г 1

1

0.6785

1.1357

2.6704

3.6736

3.3453

Э.Э56Э

1.6642

0.4864

3.5727

7.1835

11.0837

-10 О 10

толщина элемента, см

В четвертой главе даны рекомендации для уменьшения собственных напряжений и их влияния в железобетонных элементах в период изготовления, транспортировки и монтажа. Выводы:

1. В конструкциях в период изготовления могут возникать остаточные напряжения. Остаточные напряжения возникают в результате несоответствия температурных перепадов в период замыкания конструкции в пропарочной камере и в период эксплуатации. Температурный перепад в период замыкания конструкции определяет начальное состояние конструкций. Температурное состояние, отличное от начального, создает дополнительное напряжение.

2. Остаточные напряжения максимальны в период выравнивания температур через 8-9 часов после начала подъёма температуры в пропарочной камере и сразу после остывания элемента. Если остаточные напряжения превышают временное сопротивление, то может появиться трещина.

3. Температурный перепад в период замыкания конструкции может уменьшить или увеличить собственные напряжения в период эксплуа-

тации. Это равносильно уменьшению или увеличению расчетных температур, которые называем условными. Знак температурных перепадов в период эксплуатации уменьшает или увеличивает условный температурный перепад.

4. В конструкциях, прошедших температурно-влажностпуго обработку в летний период, остаточные напряжения уменьшают напряжения, вызванные односторонним действием солнечной радиации. В конструкциях, прошедших температурно-нлажностную обработку в зимний период, остаточные напряжения увеличивают напряжения от действия температурного перепада между внутренней и наружной поверхностью плиты, что более опасно.

5. Остаточные напряжения оказывают значительное влияние на напряжения в период эксплуатации в течение первых 10-15 суток после их изготовления, в дальнейшем в результате релаксации они уменьшаются до 40-45%.

6. Остаточные напряжения зависят от времени замыкания конструкции. Они минимальны при сроке замыкания конструкции из бетона класса бетона В15 в течение 1,2 часа, бетона В60 в течении 2-х часов и при замыкании конструкции после четырех часов. Следовательно, наиболее опасным сточки зрения образования трещин можно считать период от двух до четырех часов после начала подьёма температуры з камере.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Маджитов Д.Ф., Эрташев Б.Б., Маджитова Ф.Ш. К решению задач термоупругости для слоистых сред. Научные труды. Межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов» 20-22 мая 1997г., г. Москва-г. Сергиев Посад,-М.: МГАПИ, 1997, с. 192-194.

2. Маджитов Д.Ф., Тарасов И.О., Мосина Т.В., Суркова Е.В. Влияние собственных напряжений на трещиностойкость железобетонных.конструкций. Конференция по региональной научно-технической программе «Научные, технические, экономические и экологические проблемы г. Волжского» 16-17 декабря 199Sr„ тезисы докладов, Волж-скИСИ, ВолгГАСА, -Волжский, 1998, с.117.

3. Маджитов Д.Ф., Тарасов О.Г. Определение температурного поля в бетонных плитах. «Математическое моделирование и управление в сложных системах», Сборник научных трудов, -М.: МГАПИ, 1999, с.' 140-145.

4. Маджитов Д.Ф., Тарасов О.Г., Тарасов И.О. Технологические напряжения в конструкциях в период изготовления и эксплуатации. «Научно-технические и экологические проблемы г. Волжского», тезисы докладов межвузовской конференции по региональной научно-технической программе, г. Волжский, 22-23 ноября 1999г, -Волгоград: Издательство ВГУ, 1999, с. 96.

5. Маджитов Д.Ф., Холин H.H., Маджитова Ф.Ш., Тарасов И.О., Анализ технологических напряжений в железобетонных элементах. «Новые информационные технологии», материалы научно-технической конференции, г. Москва, 28 апреля 2000г., -М.: МГАПИ, 2000, с. 122-127.

Маджитов Даняр Фарятович Технологические напряжения в конструкциях в процессе изготовления. 05.23.01-строительные конструкции, зданвя н сооружения Автореферат

Лицензия ЛР № 020454 от 25.04.97 Подписано к печати 24.05.2000г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная К®2. Печать офсетная. Объем 1усл.печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 389. Бесплатно.

Издательство Пензенской государственной архитектурно-строительной академии Отпечатано в цехе оперативной полиграфии ПГАСА 440028, г.Пенза, ул. Г.Титова, 28.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА УЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ, ПРОШЕДШИХ ТЕМПЕР АТУРНО-ВЛАЖНОСТНУЮ ОБРАБОТКУ.

1Л. Экзотермия бетона в процессе изготовления.

1.2. Численные методы решения задач тепломассопереноса при заданных граничных условиях.

1.3. Остаточные и температурные напряжения в элементах в процессе изготовления.

1.4. Релаксация напряжений во времени, вызванных собственными деформациями в бетоне.

ГЛАВА И. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕМПЕР А-ТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ ПОЛЕЙ В КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СЕЗОНАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

2.1. Состояние вопроса и обоснование методов исследования.

2.2. Расчетные температурные перепады при определении собственных напряжений в железобетонных элементах.

2.2.1. Определение остаточных и температурных напряжений в процессе изготовления.

2.2.2. Определение расчетных температурных перепадов при складировании, монтаже и эксплуатации.

ГЛАВА III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЕЙСТВИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПЕРЕПАДОВ.

ЗЛ. Модуль упругости и коэффициент расширения бетона в процессе твердения.

3.2. Температурные напряжения в процессе изготовления.

3.3. Влияние остаточных напряжений на работу элемента в период эксплуатации.

ГЛАВА IV РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УМЕНЬШЕНИЮ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ В ПЕРИОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ И МОНТАЖА.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы:

Важнейшей задачей капитального строительства является повышение долговечности строительных конструкций на основе научного подхода к их изготовлению и эксплуатации в переменных температурно-влажностных условиях среды. На долговечность работы бетонных конструкций оказывает влияние условия их изготовления и эксплуатации в течение нормативного срока службы.

Условия изготовления конструкций являются определяющими в их дальнейшей успешной или неуспешной эксплуатации, сроков капитальных и текущих ремонтов, что может значительно повлиять на их стоимость. Нерациональные условия изготовления конструкций приводят, в лучшем случае, к появлению остаточных уравновешенных напряжений, как правило, растягивающих в фибровых волокнах, сжимающих на оси элемента, в худшем, к появлению трещин в период изготовления. Особенно ярко эти процессы проявляются в конструкциях, прошедших термовлажностную обработку.

В первом случае растягивающие напряжения близки к временному сопротивлению материала на растяжение и проявляются в виде трещин в процессе транспортировки или в процессе монтажа конструкции. В любом из этих случаев завод-изготовитель не несет ответственности за допущенный технологический брак, и только при наличии трещин в процессе изготовления завод несёт материальную ответственность. В этом и другом случае возникает необходимость контроля качества выпускаемой продукции и регулирования режима пропаривания конкретно для того или иного вида цемента, используемого заводом.

Все технологические напряжения являются собственными напряжениями первого рода - это напряжения, возникающие вследствие различия в объёмных деформациях бетона по толщине элемента.

Обычно собственные напряжения первого рода называют начальными и разделяют на напряжения, вызванные температурно-влажностными перепадами, которые исчезают с уничтожением причин, и остаточные, возникающие в процессе изготовления и действующие в течение долгого времени в процессе эксплуатации.

Обычно эти напряжения и в процессе изготовления, и в процессе эксплуатации действуют совместно и влияют на процессы микротрещи-нообразования в материале. Разделяют их для того, чтобы выявить, какая доля собственных напряжений, возникающих в процессе изготовления, будет влиять на процессы микротрещинообразования в период эксплуатации и насколько эффективно.

Решение этих вопросов позволило разработать рекомендации по их изменению, которые значительно улучшают качество конструкций заводской готовности.

По нормативным требованиям расчет конструкций следует производить по предельным состояниям для всех этапов изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.

Появление микротрещин в фибровых волокнах не опасно для обеспечения несущей способности изгибаемых элементов, но долговечность эксплуатации конструкций с технологическими трещинами в фибровых волокнах значительно ниже нормативной.

Поэтому необходим анализ изменения температурно-влажностных полей в конструкциях в процессе изготовления и учёт собственных напряжений, возникающих в процессе изготовления, на работу железобетонных элементов в процессе эксплуатации.

Тема диссертации связана с планом научно-исследовательских работ ВолжскИСИ «Научные, технические, экологические и экономические проблемы г. Волжского».

Цель исследований.

Целью исследований является разработка метода расчета температурных напряжений в бетонных и железобетонных элементах конструкций при их изготовлении, а так же разработка рекомендаций по управлению начальными и остаточными напряжениями в этих конструкциях.

Для достижения поставленной цели на основе анализа современного состояния теории и методов расчёта температурных напряжений в бетонных и железобетонных элементах в период изготовления и эксплуатации сформулированы следующие задачи:

- выявить причины и характер образования трещин в конструкциях в зависимости от периода изготовления и сезона эксплуатации;

- определить температурные поля в конструкциях с учётом экзотермии цемента при изготовлении бетонных и железобетонных плит;

- определить термонапряженное состояние бетонных плит в период изготовления;

- выявить долю остаточных напряжений, оказывающих влияние на трещиностойкость бетонных элементов в период эксплуатации, при различных сезонах изготовления конструкций;

- определить температурное поле в плитах в период эксплуатации;

- выявить долю температурных напряжений в бетонных и железобетонных элементах при полной релаксации остаточных напряжений в зависимости от сезона изготовления;

- разработать рекомендации по управлению начальными напряжениями с целью снижения их влияния на поведение конструкций. Автор защищает:

- методику расчета остаточных напряжений в процессе изготовления железобетонных элементов в период температурно-влажностной обработки;

- методику расчета остаточных напряжений в период эксплуатации железобетонных элементов;

- результаты экспериментально-теоретических исследований влияния остаточных напряжений на собственные напряжения, вызванные температурными градиентами по сечению элементов в зависимости от температурного режима эксплуатации;

- рекомендации по изменению и управлению начальными напряжениями в бетонных и железобетонных элементах конструкции. Научная новизна работы:

- предложена математическая модель, позволяющая определить остаточные температурные напряжения, возникающие в период изготовления конструкций, и оценить их влияние на собственные напряжения конструкций в период эксплуатации в зависимости от температурного режима изготовления;

- разработана методика, алгоритм и составлена программа решения уравнений тепломассопереноса с источником в бетонных и железобетонных элементах конструкций (с использованием языков программирования ФОРТРАН и МАТ-КАД);

- получены законы распределения температурных полей в плитных конструкциях в период изготовления и эксплуатации с учётом температурного и влажностного воздействия;

- определен закон распределения и изменения с течением времени остаточных напряжений в плитных конструкциях в процессе темпера-турно-влажностной обработки с учётом экзотермии цемента.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов обосновываются использованием отработанных методов анализа температурных полей, разработанных методов решения уравнений теплопроводности, разработанного программного обеспечения на эталонных задачах. Там, где это возможно, проводилось сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными по образованию и раскрытию трещин в элементах конструкций, которые качественно характеризовали распределение собственных напряжений в конструкциях.

Практическое значение и внедрение.

Использование разработанных рекомендаций позволит управлять температурными напряжениями в процессе изготовления, складирования и эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций и, тем самым, уменьшить трещинообразование в конструкциях, увеличив их работоспособность и долговечность. Результаты внедрены в производство железобетонных конструкций на ЗАО «Стройдеталь № 88» г. Москвы. Результаты диссертационной работы используются при изложении курса лекций «Математическое моделирование физико-механических технологических систем» в МГАПИ и «Железобетонные конструкции» и «Производство сборного железобетона» в ВолжскИСИ г. Волжского.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях [75,77,79,80,81], материалы научной\работы доложены на научной конференции профессорско-преподавательского состава ВолжскИСИ, на региональной конференции «Научно-технические, экологические и экономические проблемы г. Волжского» в 1998, 1999 г., на межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов» в 1997г. в г.Сергиев Посад, на научном семинаре кафедры ИТ-2 МГАПИ в 1999г.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, 51 рисунка, 2 таблиц, списка литературы из 81 наименований, приложения и изложена на 110 страницах печатного текста.