автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Учет коррозионных повреждений железобетонных конструкций при динамических воздействиях

кандидата технических наук
Макаренков, Егор Александрович
город
Москва
год
2014
специальность ВАК РФ
05.23.01
Автореферат по строительству на тему «Учет коррозионных повреждений железобетонных конструкций при динамических воздействиях»

Автореферат диссертации по теме "Учет коррозионных повреждений железобетонных конструкций при динамических воздействиях"

На правах рукописи

Макаренков Егор Александрович

УЧЕТ КОРРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.23.01 - С'фоительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, Берлииов Михаил Васильевич

Мамин Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, ОАО «Центральный научно-

исследовательский и проектно-

экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений - ЦНИИПромзданий», начальник отдела по обследованию зданий и сооружений

Дейнеко Андрей Викторович, кандидат технических наук, доцент, ОАО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гидропроект» им. С.Я. Жука», заместитель начальника отдела расчетных обоснований

ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий»

Защита состоится «22» декабря 2014 г. в диссертационного совета Д 212.138.04, созданного государственного бюджетного образовательного

на заседании на базе Федерального учреждения высшего

профессионального образования «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, 26, «Открытая сеть», аудитория № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте www.mgsu.ru.

Автореферат разослан «¿0» НО^У

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Каган Павел Борисович

РОССИЙСКАЯ : ГОСУДАРСТВЕННАЯ

; БИБЛИОТЕКА 3 I_______2015__

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации, функционального технологического соответствия и, в конечном итоге, долговечности зданий, сооружений, коммуникационных и транспортных систем, ввиду объективно непредотвратимых факторов экстремального природного, технологического, техногенного или диверсионного происхождения, и неминуемых износа и коррозионных дефектов материалов не могут быть досконально решены в устоявшихся условиях существующих расчетных, композиционных, объемно-планировочных и конструктивных концепций. В то же время сокращение объемов капитального строительства новых производственных мощностей ведет к значительным объемам вложений средств, направленных на реконструкцию, переоборудование, связанное с интенсификацией производственных процессов и использованием более современного оборудования, или усиление как промышленных, так и гражданских зданий и сооружений. В этих условиях встает вопрос об экономичном увеличении силового сопротивления железобетонных конструкций, в том числе эксплуатируемых при динамических воздействиях с учетом того, что конструкции могут быть подвержены коррозии, что, несомненно, влияет на их несущую способность, и другие негативные факторы должны быть устранены или их влияние должно быть минимизировано.

Таким образом, исследование особенностей силового сопротивления эксплуатируемых железобетонных конструкций с учетом предыстории их нагружения и коррозии, а также вновь возникающих влияний динамического характера является весьма актуальным, ввиду участившейся модернизации производственных мощностей, дополнительного устройства коммуникаций и возникающих экстремальных динамических воздействий. Следовательно, имеется необходимость определить все особенности расчета, разработать единую методику, которая бы отвечала современным требованиям, учитывала вновь возникающие факторы, порождающие динамические воздействия и влияющие на

конструкции уже существующих зданий и сооружений с учетом их износа, особенностей режима эксплуатации.

В основу работы положен метод дополнительных конечных элементов, согласно которому нелинейные свойства железобетонных конструкций определяются введением в расчетную схему двух типов дополнительных конечных элементов: изменяющих либо деформационное состояние, либо напряженное состояние основного конечного элемента.

Целью исследования является разработка на основе теоретических и экспериментальных данных модели расчета железобетонных конструкций, учитывающей такие факторы, влияющие на конструкции в процессе эксплуатации, либо могущие возникнуть в той или иной экстремальной ситуации, как предыстория нагружений, изменение режима нагружений, интенсификация внешних воздействий на конструкцию и другие. Составленную таким образом модель расчета необходимо применить с привлечением современных средств расчета. Так как современные методы расчета используют метод конечных элементов при оценке напряженно-деформированного состояния, то есть необходимость адаптировать модель расчета к этому методу, для чего необходимо будет создание дополнительной расчетной схемы с заданием конкретных нелинейных и динамических характеристик, а также характеристик жесткости конкретным конечным элементам.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен анализ методик определения запаса несущей способности железобетонных конструкций.

2. Разработана методика определения коэффициента виброползучести и модуля деформаций с учетом предыстории и режима действовавших нагружений.

3. Выведены определяющие выражения для применения метода дополнительных конечных элементов к анализу напряженно-деформированного состояния (НДС) железобетонных конструкций при моделировании конструкции объемными конечными элементами (КЭ).

4. Разработан алгоритм оценки НДС поврежденной конструкции с учетом предыстории нагружений и интенсификации динамического воздействия на нее, справедливый также и при смене режима нагружений.

5. Проведена экспериментальная проверка и апробация результатов исследования в практической деятельности.

Объектом исследования является процесс оценки НДС поврежденных конструкций, испытывающих динамические воздействия, в ходе их технического обследования с целью определения пригодности их к дальнейшей эксплуатации.

Предметом исследования являются современные методы оценки технического состояния железобетонных конструкций на основании проведенных технических обследований с учетом возможности массового их применения в инженерной практике при использовании конечноэлементного моделирования при проведении работ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке следующих теоретических положений:

• выведении обобщенных аналитических выражений для определения основных начальных параметров нелинейной оценки НДС железобетонных конструкций с учетом их повреждений и предыстории нагружений;

• определении выражений для матриц жесткости объемных КЭ при использовании метода дополнительных КЭ;

• переопределении законов зависимостей при формировании дополнительных нагрузок на расчетную схему;

• общего алгоритма оценки НДС поврежденных железобетонных конструкций с помощью объединения метода интегральных оценок и метода дополнительных конечных элементов;

• учета и оценки с помощью разработанного алгоритма НДС поврежденных железобетонных конструкций на основе анализа конечноэлементной модели, составленной по результатам технического обследования.

Практическая значимость результатов исследования. Разработанный алгоритм оценки технического состояния конструкций предназначен для

практической деятельности специализированных организаций, проводящих мониторинг технического состояния зданий и сооружений в связи с возникновением новых внешних факторов, влияющих на работу конструкций. При переоснащении производственных мощностей, а также в случае аварий или планового контроля физического износа конструкций оценка НДС конструкций по разработанному алгоритму позволит спрогнозировать поведение конструкции во время ее дальнейшей эксплуатации, либо же своевременно принять решение о замене конструкции. Более точное моделирование рассматриваемой конструкции позволит отследить опасные скачки напряжений в теле конструкции, а применение достаточно широко распространенного в инженерной средс программного обеспечения позволит применять разработанный алгоритм массово.

Внедрение результатов работы. Положения и результаты настоящей работы использовались в 2012-2014 г.г. при оценке технического состояния некоторых конструкций различных объектов промышленного назначения организацией ОАО «ГИПРОНИИАВИАПРОМ».

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по теме диссертации докладывались автором на международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, 2013 г.; на Московской научно-практической конференции «Студенческая наука», г. Москва, 2011 г.; на VIII научно-технической конференции «Пути развития науки и образования в проектировании, строительстве и реконструкции зданий и сооружений», г. Москва, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборниках трудов международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференций.

Структура и объемы работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 109 наименований, и

содержит 174 страницы машинописного текста, 112 рисунков, 2 таблиц, 12 графиков и 1 приложения.

На защиту выносятся наиболее существенные результаты исследования, имеющие научную и практическую значимость:

• Основные положения методики определения параметров нелинейного расчета с помощью метода интегральных оценок.

• Теоретические принципы формирования расчетных моделей методом дополнительных конечных элементов.

• Объединение возможностей создания нелинейных расчетных схем с помощью дополнительных конечных элементов и дополнительных нагрузок.

• Общий алгоритм оценки НДС конструкции при анализе результатов технического обследования с объединением метода интегральных оценок и метода дополнительных конечных элементов.

• Экспериментальная проверка и апробация разработанного алгоритма и результатов теоретического исследования диссертационной работы.

Основное содержание работы

Во введении диссертации обоснована актуальность темы исследования, Сформулированы цели и задачи исследования, перечислены основные выносимые на защиту положения, обозначены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации проведен анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований, связанных с анализом НДС железобетонных конструкций, подверженных коррозии, механическим повреждениям, износу и воспринимающих воздействия динамического характера. Проведен анализ воздействия различных видов коррозии и различного характера динамических нагружений на конструкции.

Основные положения анализа более ранних исследований позволили сформировать общую картину современного состояния рассматриваемой проблемы.

При проведении анализа теоретических данных о корродировании железобетонных конструкций было показано, что:

• коррозионные повреждения бетона повышают количество диссипированной энергии при его силовом деформировании, что имеет значение для теории сооружений, поскольку влияет на выбор конструктивных форм и энергетическую оптимизацию сооружений, испытывающих режимные, цикловые нагружения;

• коррозионные повреждения, увеличивая за счет снижения жесткости работу при силовом деформировании конструкции, одновременно приводят к уменьшению отпорности и вследствие этого снижают потенциал восстановления исходного состояния сооружения;

• в целом, открывается возможность количественной оценки комплексной диссипации силового сопротивления сооружений с учетом особенностей расчетных схем и режимов нагружения, коррозионных повреждений и энергетических потерь.

В то же время в реальности все строительные конструкции испытывают нагрузки, меняющиеся с течением времени. Не исключение и статическое деформирование, так как часть действующих нагружений, относящаяся к временным составляющим нагружения, не действуют одинаково в течение времени, уменьшаясь до своих минимальных значений и увеличиваясь до максимальных. Данное непостоянство уровня нагружений обусловливает представление графика напряженно-деформированного состояния для единицы объема тела в виде замкнутой петли гистерезиса, характерной для каждого цикла нагружения-разгрузки (рисунок 1). Как известно, площадь образованной петли гистерезиса соответствует количеству диссипированной энергии в единице объема тела при рассматриваемом цикле нагружения-разгрузки.

В ходе динамического расчета должны определяться особенности деформирования свойственные данному динамическому процессу, закон изменения колебаний во времени, характер асимметрии цикла в каждой рассматриваемой области и другие характеристики необходимые для определения гистерезисного поглощения энергии в конструкциях зданий и сооружений.

Рисунок 1. Расчетная диаграмма о-е и петля гистерезиса AW. Emax — полная относительная деформация; emin - ее исходная часть перед циклом

нагрузка-разгрузка; еоб - ее обратимая часть в исходном состоянии до

*

воздействия повреждений; еоб - то же, при повреждении коррозией; е)( об - ее

*

необратимая часть в исходном состоянии до воздействия повреждений; ен об - то же, при повреждении коррозией; сттах и amin - наибольшее и наименьшее напряжения в режиме нагрузка-разгрузка.

Одним из наиболее важных факторов при анализе действия динамических сил на железобетонные конструкции является виброползучесть. Природа этого явления такова, что при многократном повторении циклов нагрузки-разгрузки неупругие деформации постепенно накапливаются, после достаточно большого числа циклов' эти деформации, соответствующие данному уровню напряжений постепенно выбираются, ползучесть достигает своего предельного значения и появляется эффект упругого последействия бетона. Однако такой характер деформирования наблюдается лишь при напряжениях, не превышающих усталостную прочность бетона оЛ < Rr. Ускоренное развитие ползучести, или

виброползучесть, наблюдается при вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту.

Количество энергии поглощаемой в процессе деформирования изменяется, как за один цикл колебаний, так и в течение всего процесса деформирования, по координатам пространства и времени. Отсюда количество поглощенной энергии за

все время деформирования конструкции, происходящее за п = - циклов

колебаний можно получить с помощью интегрирования по всему ее объему V. При этом коэффициент гистерезисного поглощения энергии будет нелинейным и будет определяться из выражения:

где:

Л(р,/) - динамическая прочность бетона, зависящая от асимметрии цикла колебаний р = —Л!!!;

СУ ^

тах

Г) и т - механические характеристики нелинейного деформирования. Для мгновенных деформаций при нагружении и разргрузке находятся по выражениям:

(1)

0.69 Г М

тяи = 5.7 - 0.05 /?(р,/); т

37.5

м

т

м

Для деформаций ползучести, соответственно, по выражениям:

п>„ = 5 — 0.07 • /); ю,

п

т

1

п

- _ 45 - _ ;71" = /фЛ; Т1и""

Таким образом, основной целью исследования являлась разработка на основе теоретических и экспериментальных данных модели расчета железобетонных конструкций, учитывающей все реальные действующие физические факторы, влияющие на конструкции в процессе эксплуатации, либо могущие возникнуть в той или иной ситуации, и применить данную модель расчета с привлечением современных средств анализа НДС конструкций.

Во второй главе был проведен анализ влияния факторов ползучести и виброползучести на НДС конструкций, проведена оценка длительной прочности и выносливости конструкции как показателей работы конструкций, воспринимающих динамические нагрузки. На основе этого, а также на основе анализа влияния коррозии и динамических нагрузок на жесткость и отпорность конструкций были предложены аналитические выражения для определения начальных параметров нелинейного расчета методом дополнительных КЭ.

Посредством анализа теоретических данных было выявлено, что виброползучесть зависит от амплитуды динамических напряжений и круговой частоты колебаний, от динамической характеристики и прочности бетона. Виброползучесть проявляется при одновременном действии вибрационных и статических нагрузок и выражается в повышенном росте деформаций ползучести конструкций во времени, на основании чего было определено аналитическое выражение для определения коэффициента виброползучести, описывающее весь спектр параметров динамического нагружения:

>»</5 У'сВ 5-

А

дт

КЛа шах'Сшт-(й''о) =

2л л

0 .«• л а а

Г —А\йп — С <к- I — А\8П— Сек п А } дъ А п дх

. . л 'о 'о 'о

(2)

Для определения полных деформаций поврежденной коррозией железобетонной конструкции, испытывающей динамические нафужения, необходимо учитывать влияние режима нагружения, функцию возраста бетона, а также интенсивность коррозионного повреждения в сечении элемента. Аналитическая запись для вычисления полных деформаций была выведена в виде выражения:

а(70,/)

е('.'о)=ЕуМ+-

г tt^ ' "

^о'^'о) 'о

ЛлНлН.

Х- К>,р,Я)С*(/,т)Л, (3) ск

где £(г0,(,10) — модуль деформаций поврежденного сечения конструкции,

испытывающей динамическое воздействие:

1 + Я

а(г0,/)

(4)

т!Л(со)л(со)

Выведенные выражения наиболее полно описывают деформации, возникающие в поврежденном коррозией железобетонном элементе, испытывающем динамические воздействия, хотя и отличается некоторой сложностью для выполнения инженерных расчетов. Выражение (4) для модуля деформаций поврежденного сечения конструкции, испытывающей динамическое воздействие, может служить для введения в исходные данные при расчете конструкций методом дополнительных конечных элементов.

В третьей главе диссертационной работы было проведено теоретическое исследование возможностей анализа напряженно-деформированного состояния

при действии динамических нагрузок ыа подверженные коррозии железобетонные конструкции методом дополнительных конечных элементов. Также были даны деформационные зависимости для бетона и железобетона в записи МКЭ, с помощью проведенного анализа метода дополнительных КЭ были выведены определяющие выражения для его применения к объемным восьмиузловым КЭ.

Деформационные зависимости для бетона без трещин в записи МКЭ формулируются в виде связи октаэдрических напряжений а0, т0 и деформаций. При этом используются следующие гипотезы:

• материал считается однородным и изотропным;

• связь между октаэдрическими напряжениями т0 и сдвигами у0 нелинейна т0 = С(у0 )у0, где С?(у0) - секущий модуль сдвига;

• связь между октаэдрическими нормальными напряжениями а0 и

деформациями е0 также нелинейна и имеет вид о0 0 — РУо)> где ВТ0Р°й

член произведения обусловлен дилатацией, ар- модуль дилатации, к(у0) -секущий модуль объемных деформаций.

Для определения секущих модулей используется гипотеза, согласно которой форма связи между напряжениями и деформациями не зависит от вида напряженного состояния, т.е. связь между х0 и у0 может быть принята такой же, как и при одноосном сжатии.

В монографии Клованича С.Ф. и Безушко Д.И. приводится выражение для секущего модуля сдвига в виде:

с(г0)=е0-/(го).

(5)

где функция нелинейности:

\ + Ат\ + ВТ\2+СЦ3

3'

- начальный модуль сдвига;

е(20,!,!0 ) - модуль деформаций поврежденного элемента, учитывающий также и

виброползучесть;

V - коэффициент Пуассона.

Аналогично определяется и секущий модуль объемных деформаций:

*Ы=*о-/(го). (7)

где К0 = ' _ начальный секущий модуль объемных деформаций.

1 -2У

Матрица механических характеристик [£*({<?})] для бетона будет

определяться как 7 ), где стандартные механические характеристики -

Iе}

модуль упругости е(10,/,10) и коэффициент поперечных деформаций v определяются по соотношениям, связывающим их с объемными модулями.

При разгрузке бетон принимается линейно упругим изотропным материалом с начальными значениями модуля деформации и коэффициента

/ 2 2

Пуассона. Для установления факта разгрузки используется вектор Ак = Л/е0 + у0 . Увеличение значения по модулю этого вектора с ростом внешней нагрузки свидетельствует о том, что идет процесс нагружения, в ином случае - имеет место разгрузка.

Таким образом, связь между напряжениями и деформациями для бетона нелинейна и имеет вид {о}=[о({#})]{е}, где [£>({<7})] - нелинейная матрица механических характеристик материала.

Физические соотношения для бетона, приведенные в главе на основании теоретического анализа, адекватно описывают поведение бетона при различных видах напряженных состояний и могут быть использованы в нелинейных расчетах конструкций по методу дополнительных конечных элементов.

Совместность работы арматуры и бетона должна обеспечиваться выполнением следующих условий {ст}= {ст4 Ь {е}= {еА}+ {е^.}, где {а},

{стА} и {сг5} - векторы функций напряжений по граням элемента в железобетоне,

бетоне и армирующей среде л -го направления; {е}, } и {е$} - векторы функций деформаций в железобетоне, бетоне и армирующей среде я -го направления.

На стадии до образования трещин железобетон принимается физически нелинейным изотропным материалом, определяющие соотношения для него будут иметь вид {а}= [о({^})]{е}, в которых матрица [£>({<?})] заменяется на

м*})].

Разрешающую систему линейных алгебраических уравнений в предельном состоянии для 8-узлового конечного элемента-параллелепипеда для динамической задачи можно записать в следующем виде:

М, Ы + М, И + [кУ1т }{д}, = {л},., (8)

А л

где - матрица-столбец известных перемещений узлов;

(Лит] " матрица жесткости конструкции с нелинейными свойствами в предельном состоянии;

[N1 — глобальная матрица демпфирования элемента, зависящая от коэффициента вязкого демпфирования;

[М\ - глобальная матрица масс элемента, имеющая блочную форму для рассматриваемого типа элементов, каждый блок которой равен:

ИР-р-ИТлтгм*. (9)

к

здесь [С], - матрица интерполяционных функций конечного элемента; V - объем конечного элемента.

Матрица демпфирования элемента для внутреннего демпфирования прямо пропорциональна матрице жесткости и находится из выражения:

(Ю)

где V)/ - коэффициент гистерезисного поглощения энергии, определяемый по выражению (1).

Нелинейная матрица жесткости [^¡П1] формируется на основе расчетной схемы конструкции, представляющей собой ее идеальную модель разрушения, т.е. совокупность отдельных конечных элементов, каждый из которых обладает своими нелинейными свойствами в зависимости от степени достигнутого им предельного состояния.

В четвертой главе работы был сформулирован итоговый алгоритм оценки НДС поврежденной конструкции. Также была проведена апробация исследования на основании технического обследования подкрановой балки, имеющей следы биологической (грибковой) коррозии, а также механические повреждения (см. рисунок 2). Основанием технического обследования помимо повреждений являлось переоснащение производственных мощностей цеха, а именно, в конкретном случае, замена кранового оборудования в сторону увеличения его грузоподъемности с 3 до 10 т.

Рисунок 2. Общий вид максимально поврежденной подкрановой балки.

1 - Грибковая коррозия поверхностного слоя бетона на глубину до 3,5 см; 2 -разрушение защи тного слоя бетона, оголение рабочей арматуры и ее коррозия до 35% площади сечения; 3 - сколы бетона с оголением и незначительной коррозией боковой арматуры и трещины шириной раскрытия до 0,5 мм; 4 - сколы бетона и частичное разрушение защитного слоя.

Итоговый алгоритм оценки НДС поврежденной конструкции, испытывающей динамические воздействия, заключается в следующем:

1. Смоделированная балка была разбита на характерные сечения.

2. Методом интегральных оценок определялись параметры Е, асж и араст. для характерных сечений балки.

3. Составление исходной расчетной схемы с линейными свойствами и сведение нагрузок от нее в узлы восьмиузловых объемных конечных элементов-параллелепипедов.

4. Вычисление матриц жесткости основных конечных элементов с линейными свойствами и формирование общей матрицы жесткости с линейными свойствами.

5. Формирование дополнительных нагрузок в узлах конечных элементов для последующего формирования нелинейных свойств

6. Составление итоговой расчетной схемы с использованием дополнительных конечных элементов для учета нелинейных свойств и заданием этим элементам скорректированных значений модулей деформации и пределов прочности.

7. Решение системы алгебраических уравнений методом Гаусса.

8. Вычисление деформаций, напряжений деформаций и узловых реакций в схеме

9. Анализ достигнутого уровня напряженно-деформированного состояния и вывод о несущей способности конструкции.

Расчет был произведен в одной из наиболее распространенных на территории России и стран СНГ программ - в Лире лицензионной версии 9.8.

Модули деформаций и предельные напряжения были вычислены с учетом предыстории нагружений, возраста, виброползучссти методом интегральных оценок. Все начальные параметры нелинейного расчета с учетом предыстории нагружений в работе были представлены в табличной форме для неповрежденных КЭ и в виде графиков изменения НДС - для КЭ с повреждениями (см. рисунок 6).

С ечение -4

Рисунок 3. Напряженно-деформированное состояние конечных элементов в наиболее поврежденном сечении.

Поврежденный элемент № 12 Поврежденный элемент № 13 Поврежденный элемент № 14 Поврежденный элемент № 15 Поврежденный элемент № 1 б

-4

— Поврежденный элемент №6

— Поврежденный элемент №7

— Поврежденный элемент №8 Поврежденный элемент №9 Поврежденный элемент № 10 Поврежденный элемент № 11

— Неповрежденные элементы

— Поврежденный элемент №1

— Поврежденный элемент №2

— Поврежденный элемент №3

— Поврежденный элемент №4

— Поврежденный элемент №5

В соответствии с алгоритмом, была создана исходная расчетная схема с линейными свойствами конечных элементов. Рассматриваемая балка была разбита на восьмиузловые конечные элементы-параллелепипеды с размерами 4x5x15 см ах Ах/. В линейной постановке задачи были применены стандартные прочностные параметры для бетона класса ВЗО.

На конструкцию были заданы нагрузки от прежнего кранового оборудования, как описано выше, его грузоподъемность составляла 3 т. По паспорту оборудования были приняты рабочие параметры нагружений, действующих от данного крана и учтены в линейном расчете. Динамические составляющие нагружений от кранового оборудования были заданы в виде гармонических нагружений для динамических нагрузок от движущегося и от работающего на балке крана, а также в виде импульсной нагрузки - для нагрузок от торможения кранового оборудования.

После вычисления матриц жесткости и определения напряженно-деформированного состояния балки в линейной постановке без учета коррозии из полученных усилий были сформированы дополнительные нагрузки, в том числе и от каждой формы колебаний. Данные дополнительные нагрузки ввиду особенностей расчетной программы были собраны в узлы конечных элементов.

После вышеописанных действий была создана итоговая расчетная схема с дополнительными конечными восьмиузловыми элементами-параллелепипедами, которым были назначены нелинейные свойства. В зависимости от степени повреждения сечения элементам были назначены вычисленные ранее модули деформации и пределы прочности.

Армирование нелинейных КЭ было учтено аналитически в зависимости от процента армирования каждого конкретного КЭ, поврежденные арматурные стержни учитывались понижением их несущей способности на поврежденном участке, а также уменьшением площади сечения в соответствии с обследованием. Данными КЭ с нелинейными характеристиками были заменены элементы в исходной схеме с объединением узлов линейных и нелинейных конечных

элементов, т.к. в узлы были собраны дополнительные нагрузки. При нелинейном расчете рассматривалось два расчетных случая:

1) движение крана с грузом, торможение с грузом в середине пролета балки, работа с грузом в пролете балки, движение к опорной части балки без груза и торможение там же, работа над опорой балки без груза, выключение крана, т.е. переход нагрузки в статический режим;

2) движение крана без груза, торможение без груза в середине пролета балки, подъем груза, движение крана с грузом к опорному участку балки и торможение, работа крана с грузом, выключение крана.

В процессе расчета участки конструкции, подверженные коррозии, разрушились, что говорит о необходимости ремонта конструкции на данных участках с восполнением нормальной прочности всего элемента, другие участки были подвержены близким к предельным напряжениям сжатия или растяжение, что, в свою очередь, говорит о том, что необходимо произвести усиление конструкции в данных участках.

Наиболее полную картину деформаций дал анализ расчетного случая №2. Результаты определения деформаций и разрушений участков конструкции представлены на рисунке 4.

Из анализа напряженно-деформированного состояния рассматриваемой конструкции видно, что конструкция, не смотря на повреждения, в целом, сохранила свою несущую способность. На обозначенных участках необходимо устранить повреждения: поврежденный коррозией бетон срезать, после чего восстановить новым бетоном; поврежденную арматуру необходимо зачистить от следов коррозии и восполнить площадь сечения арматуры с помощью приваривания дополнительных арматурных стержней; трещины необходимо расшить, после чего заполнить бетоном или цементно-песчаным раствором с помощью торкретирования, предварительно удалив следы коррозии в случае их обнаружения.

-13.33 -9.41 -5.2 -1.33 1.33 5.2 9.41 13.61 16.82 22.02 27.24

Участки, разрушающиеся под действием нагрузки

Участки, работающие на пределе несущей способности (ввиду разрушений от коррозии и других факторов)

Рисунок 5. Расчетный случай №1. Деформации и разрушения, мм.

Основные выводы и рекомендации

1. С помощью привлечения энергетического критерия прочности были выведены выражения для определения параметров длительной прочности и выносливости конструкции. Был сделан вывод об уменьшении предела выносливости с увеличением значения коэффициента виброползучести.

2. На основании анализа жесткости и отпорности железобетонных конструкций и выведенном другими авторами выражении для учета полных деформаций конструкции с учетом предыстории нагружений, коррозии и динамических факторов нагружений, было выведено выражение для изменяющегося модуля деформации £(20,/,/0), зависящего от уровня нагружений, а также от степени повреждения конструкции. Модуль деформации предложено определять с помощью метода интегральных оценок.

3. При анализе поврежденной конструкции методом конечных элементов предложен комбинированный метод моделирования конструкций с помощью объемных восьмиузловых элементов-параллелепипедов. Метод заключается в учете коррозионных повреждений и динамических нагрузок в виде дополнительных узловых нагрузок схемы, а также в учете нелинейности и начальных параметров поврежденных коррозией элементов с помощью дополнительных конечных элементов с соответствующими жесткостными характеристиками. Это позволяет отследить изменение напряжений и деформаций более подробно в теле конструкции. Это дает дополнительную возможность сделать верные выводы о пригодности конструкции к дальнейшей эксплуатации, что было бы сделать затруднительно, используя плоские конечные элементы при моделировании.

4. Проведен анализ теории использования метода дополнительных конечных элементов, с помощью которого предложен учет реальной нелинейной работы железобетонной конструкции. С помощью теоретических выкладок были выведены определяющие выражения для вычисления матриц жесткости [ЛТ]( объемных восьмиузловых конечных элементов.

5. На основе определения модулей деформации £(20,/,/0) методом

интегральных оценок, а также на основе анализа метода дополнительных конечных элементов и перехода от плоских конечных элементов к объемным с определением их матриц жесткости был разработан алгоритм расчета

поврежденных железобетонных конструкций с учетом коррозионных повреждений, воспринимающих динамические воздействия.

6. Аппробация разработанного в теоретическом исследовании алгоритма учета напряженно-деформированного состояния конструкции была проведена при техническом обследовании железобетонной подкрановой балки в связи с ее коррозионными повреждениями, а также изменением действующей нагрузки вследствие замены кранового оборудования. Проведенный анализ напряженно-деформированного состояния рассмотренной конструкции позволяет положительно судить о возможности применения разработанного алгоритма расчета.

7. Выбранный метод моделирования конструкции позволил учесть скачки напряжений в теле конструкции в результате накопления повреждений, что позволило скорректировать участки конструкции, нуждающиеся в ремонте.

8. Разработанный алгоритм учета коррозии и динамических нагружений при оценке технического состояния конструкции целесообразно применять при обследовании конструкций зданий первого класса ответственности ввиду его трудоемкости, либо в случаях, когда простой процесс замены поврежденной конструкции осложнен технологически.

9. Разработанный алгоритм и метод расчета позволяет учесть остаточный ресурс несущей способности конструкции и дать конкретные рекомендации по устранению недостатков отдельных корродировавших участков, а также разработать конкретные методы усиления конструкций.

Выявлены следующие направления дальнейших исследований: • Совершенствование методики оценки НДС поврежденных конструкций с учетом экстремальных воздействий, например с резким кратковременным изменением температуры и импульсным воздействием.

• Учет перераспределения энергии при динамических воздействиях в теле конструкции и его влияние на интенсификацию развития коррозионных повреждений.

• Систематизация средств моделирования различных видов повреждений железобетонных конструкций.

Основные положения диссертационной работы содержатся в следующих

публикациях:

Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Макаренков Е.А. Расчет железобетонных конструкций методом конечных элементов с учетом реального описания действующих физических процессов. / Бсрлинов М.В., Макаренков Е.А. // Вестник МГСУ. 2013. № 11. С. 26-33.

2. Макаренков Е.А. К вопросу о применении метода дополнительных конечных элементов в инженерной практике. / Берлинов М.В., Макаренков Е.А. // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 11. С. 46-49.

3. Макаренков Е.А. Критерий прочности бетона в условиях трехосного напряженного состояния при динамических воздействиях. / Берлинов М.В., Макаренков Е.А. // Научное обозрение. 2014. № 7. С. 197-201.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

1. Макаренков Е.А. О применении некоторых критериев прочности к оценке напряжённо-деформированного состояния конструкций высотных зданий. / Макаренков Е.А., Творогова М.Н. // Научные труды VIII Научно-технической конференции «Пути развития науки и образования в проектировании, строительстве и реконструкции зданий и сооружений». Москва. МГАКХиС. 2010. С. 174-179.

2. Макаренков Е.А. О влиянии коррозионных повреждений, сопровождающихся динамическими нагрузками, на энергетические критерии деформативности бетона.// Научные труды VI Московской научно-практической конференции «Студенческая наука»

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru

15-358

2014250085

2014250085