автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Усталость изгибаемых элементов из железобетона в исходном и восстановленном состоянии при динамическом нагружении

п -

•л ■' у

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДШОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНКШРНО-СТРШШЬШЙ ИНСТИТУТ имени В.В.КУЙБЬШЕВА ■

НАДЕР ГАССАН

УСТАЛОСТЬ ЙЗгаВАЕЗШ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА Б исходна/, й ВОССТАВСЕЛЕННОМ СОСТОЯНИЙ пм ДИНАМИЧЕСКОМ. НАГРУЗШШ . . •

05.23.01 - мроиаелыше консгрунции

Автореферат. диссертации, на соискание ученой степени кандидата 1вхничесяих науя

На правах руаописи

Здания и соорунения

Москва - ВЭ1

Работа вшойнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобияьно-дорокном института.

Научный руководитель

докюр технических наук, профессор Г.И.ПШОВ

Официальные одлоненты

докюр технических наук,, профессор Б.С,РАСТОРГУЕВ,

старший научный сотрудник, кандидат технических наук И.К.БЕЛОБРШ

Ведущая организация

ВНИЙКелезобегона

Защита состоимся "f" ./У/у/ 1991 г. в'

jo

часов

на заседании специализированного совета К 058.11.01 в Московском инненерно-ироительнсм институте аы.В.В.Куйбышева по адресу: 113114-, Москва, Шлюзовая набережная, д.8, в аудитории

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах пресны направлять по адресу: 12933?, Москва, Ярославское шоссе,26, ИИСИ ии.В.В. Куйбышева, ученый сов81.

Автореферат разослан "/¿¡" /l/?pes$ 1991 г.'

Ученый секретарь специализированного совета кандидаг технических наук доцент

Э.В .Фи ли ионов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

"'• Актуапьвосгь зэцц. Многочисленные сооруго;мя и их зло-менты зо врегш эксплуатации,кроме станичесних,подвергается воздействию многократно лозторных нагружаний,. К ним относятся прсаыппеннш здания, пролзгные строения постов и путепроводов, цехе с мостовыми кранами, впалы, эяаыенгы гидротехнических сооруаений, конструкции сооружений з сейскических районах и ряд других конструкций.

Применение каяезобэтона для изготовления конструкций, подвергающихся а процессе эксплуатации воздействию многократно повторных нагрузок, вое время возрастает. В со ад время изучение влияния многократно повторных нагрузок ка деформации элечентов из квлезобетоза еще недостаточно. Особенно при кест-ких рзюшах нагрукения (при высоких уровнях нагругений).

Маг.о данных о гнносаивости аелезобегонных балок с двойной ■ арматурой. Практически 'отсутствуют данные о ввносливости элементов, восстановленных после разруаения.

Йкогонратяо повторное нагрунение поникает несувдю способность конструкций, изменяет схему работы и раэруавдая эяенен-та.

^ Перечисленные обстоятельства выдвигают необходимость углубленного теоретического и экспериментального изучения поведения элементов конструкций, псдаеряенннх воздействию йовторшпс нагрузок. Особенно это необходимо для изгибаемых железобетонных эяеиенгов.

Поиски путей повдазния прочности, плотности и долговечности конструкций привели к приенешш композиционных материалов. Одним из таких материалов является поишврбегон.

В настоящее время а СССР и других странах для изготовления помшербетоков применяют несколько различных линомеров или о ли гомеров, йот орав в комбинациях с модифицирующими добавками позволят подучить много разновидностей полимербетонов. Целым рядом положительшгс свойств обладают полимербетоны на основа метилвтакрилаха (ША), которые с успехом могут применяться . для восстановления разруганных частей конструкций.

Целью работы является: исследование при дбИсхвии пульси-. рувщих нагрузсв железобетонных балок с двойной арматурой в _ исходном и восстановленном состоянии и определение возможности эксплуатации восстановленных балок. Для достижения згой цели необходимо ранить следующие основные задачи.

1) Экспериментально гыявить виды разруаения-железобетонных балок с двойной арматурой при многократном приложении динамической нагрузки при разных уровнях нагружения и коэффициентах асимметрии нагрузки.

2) Установить экспериментальные зависимости числа циклов - нагруавния, необходимого для разруиешя балок, от уровня наг-

руяения и коэффициента асимметрии.

3) Сравнить выносливость исходных и восстановленных балок.

А) Разработать расчетный аппарат для определения прогибов - и изгибающих моментов железобетонных балок неременной по длине массы и ке ста ости при многократно повторном динамическом нагружешш.

Научная новизна работы.

- Результагы экспериментального исследования железобетонных балок с двойной арматурой на пульсирующие нагрузки при

средних и высоких уровнях нагружения.

- Результат экспериментального исследования восстановленных. балок после сильного разрушения бетона сяатой зовы, полученного при статических и пульсирующих нагрузках.

■- Расчетный аппарат для определения прогибов и изгибающих моментов в балках, как постоянной, так и переданной по длина насткости и пассы, как систем с 8-ю степенями свободы.

Практическая ценность работы. Результат* работы позволяют рекомендовать применение балок с двойной арматурой для воспринятая циклических нагрузок, при учете в расчетах сеатой арматуры. Результата работы позволяют таккз рекомендовать эксплуатацию восстановленных балок, получивших повреадения разной степени. Результаты работы целесообразно внедрить в нормативные, рекомендательные и инструктивные документы.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований на вынос. ливость железобетонных балок. с. до ойной арматурой;

- разработанная цетодика восстановления железобетонных балок (после сильного разруиения) с помощью позвшерраствора ка основа ММ и результаты их испытаний статической и многократно повторной нагрузкой;

. - методика динамического расчета на циклические нагрузки

\

балок постоянной и переменной по длине яестяости и масок, как систем с 8-в степенями свободы.

Апробация паботы и публикации. По тема диссертации приняты к опубликовании две статьи. .

Обьеы и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, обцих выводов, списка литературы из III наименований и приложений. Обвдай обвей работы 133 стр., в ток

б

числе 79 машинописного текста, 33 рисунка, 6 таблиц.

КРАТКОЕ С ОПЕРШИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткое обоснование актуальности темы диссертации и формулируются основные вопросы, составляющие новизну исследования.

В пвдвой главе рассматривается состояние вопроса по исследованию влияния многократно повторных нагрузок на прочность и дефорштивность бетонных и.железобетонных элементов, особенно ведущихся в последнее время э связи с широким применением бетонных и железобетонных конструкций в сооружениях, -работающих на сейсмические и многократно повторные нагрузки.

К настоящему времени выполнены обширные исследования выносливости строительных конструкций. Большинство этих исследований выполнялось для реаения частных вопросов, что, естественно» отразилось на методике их проведения м.конструкции опытных образцов. Испьиывались образцы самых различных размеров, форм поперечных сечений, пролетов и армирования, и также при различных, параметрах нагру гения (коэффициент асимметрии )>. уровень вагружения ( t ) и частота колебаний {иг)). Выносливость изгибаемых элементов из железобетона исследовали Абашидзе А.И., Арончик Э.Ы., Берг О.Я., Белобров И.К., Бещичевский Г.И., Левчич В.Б., Каранфилов 1.С.,-Корчинский И.Л., Еаэанкоз АЛ., Иванов-Дятлов Д.И., Байнюнас П., Вали-мшс Ю., Кихайлов.К.В., Каилян P.A., Мусатов С.А., МирсаяЁов Б.Т., Селюнов В.А., Самбор Ю.Б., Стрэляев М.И. и другие. Однако до настоящего времени единая теория выносливости железобетонных элементов не разработана. Это объясняется большим разнообразием размеров образцов, методик проведения испытаний

и оборудована?, а также неоднородностью структуры бетона, свойства которого зависят от многих факторов.

Для восстановления бетонных и железобетонных конструкций, получавших сильные повреждения в процессе-эксплуатации, широко применяются эпонсидныз, полиэфирные, акриловые полимерные материалы и некоторый другие связующие.

Вопросами применения высокой я эких олигомеров и полимеров и композиций на их основе активно занимаются в НИС Гидропроекта, НИИКБ Госстроя, Одесском инжвнерно-строительноы институте, ГрузШИЭГС, ТбипЗНИИЗП, Новочеркасска» политехническом институте, ДНИИС. За рубекоы ремонтными работами с использованием эпоксидных сиол занимаются большой ряд организаций и фирм; БИВИ (Нидерланды), б1СЙ , \fclW (ФРГ),^ШОДлэетралия), а таяке японские и американские лаборатории.

Работу восстановленных балок полиыерраствором и полимербе-тоном- при статической и динамическом нагрунении исследовали • радчанко А.П., йгонина Л.Н., Стефанская Т.В., Полев Е.П., Бертеро В.Б., Ездаков Д.Б., Кислер Л.М.

В некоторых работах было отмечено увеличение несущей способности восстановленных балок по сразвения с контрольными, ■ а прогибы были больие при начальных уровнях нагрузки, а при нагрузках .близких к разрушающим, балки оказались более кест-"яие. Погаже ниэ засткооти, как полагают авторы, вызвано навоз-ыокностью склеивать трещины шириной иенеэ 0,1 ш я тем} что . смолы не югут. проникать менду бетоном и арматурой, восстанавливая их сцепление. Созданная сотрудниками лаборатории полиы8р-беюнов НЙЙЗБ Госстроя СССР Максимовым Й.В. я Куркиныи С.М., технология заделки трещин низковязкимя полииеррастворани хо-

йодного отверждения на основе ШЛА. позволила устранить отмечен- \ ные выве значительные сложности методов заделки трещин на основе внссковязких смол.

Бо второй главе изпоЕена методика испытаний келезобетон-ных балок статической и многократно повторной нагрузкой. Для проведения исследований в качестве опытных образцов было забетонировано 45,бапоя размером 120x180x1200'ш из бетона одинакового состава - бзтон класса B^q. Ьсе балки были армированы в растянутой зоне двумя стержнями диаметром ^ 22 мм из стали . .класса А—И, а в снатой зоне-двуыя стержнями диаметром já 14 мм из стали класса А-О. Поперечное армирование всех образцов было выполнено из поперечных стержней диаметров $ 8 мм из стали класса A-I. Арматурный каркас - сварной.

В связи с тем, что предварительные испытания-балок показали кздоиамчкув их прочность по наклонному сечению, в дальнейшем изготовленные образцы были усилены в опорных зонах на- -ружными хомутаци, выполненными из стержней диаметром 10 ми из стали класса А-П. Эти стернни были закреплены на балках посредством затянки гаек на металлических пластинах. На балках • 1-й серии (Б-1) били поставлены сплошные металлические пластина, а на образцах 2-й серии (Б-2) - раздельные пластины для какдого хомута.

Испытания балок статической и многократной нагрузкой проводили спустя 13-14- иесяцев после их изготовления, на универсальной 100-юняой испытательной машине (МУП-100) с частотой пульсации 295 циклов в шнуту.

Нагрузка передавалась на опытную балку через траверсу, опирающуюся на балку посредством кат к оных опор в третях ее

пролета. Всего было испытано 35 балок. Три балки были загружены статической нагрузкой до полного разрушения. Среднее вазиуиающоа усилие составило Р„„ = 304 кК. По окончании все- •

ра о •

го цикла экслерииентаяьнык работ, то есть спустя 27 месяцев посла изготовления опытных балок, такжз было испытано два балки кратковременной статической нагрузкой до разрушения, что было сделано для выявления изменений прочностных и деформатив-ных характеристик изгибаемых: элементов во времени.

Ь процессе испытаний балок замерялись деформации бетона и арматуры, прогибы балок в средине пролета, ширина раскрытия трещин и фиксировались моивнзы образования трещин и их развитие по высоте. Для регистрация показаний твязорезисюров была использована автоматизированная информ-иэмеритальная система (АИИС) на базе прибора ПВТИЙС и ЭВМ Сй-3. - '

Остальные 30 балок были испытаны пульсирующей нагрузкой при трех-значениях коэффициентов асимметрий Ртах. - '

0,3, 0,5 и 0,7. Уровень нагрунсения / для раз—-

ных балок был: 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9. Каадая балка испыты-валась при постоянных значениях (J>J ^ ).

Деформации бетона сжатой зоны и растянутой арматуры при . пульсирующей нагрузке замеряли с помоцью тензорезисторов, соединенных с осциллографом Н115 в комплекте с тензоусилите-" ля ми - Г.дааз-3.

Для замера прогибов в процесса пульсирующих загрукений был разработан электромеханический прибор с ценой деления 0,01 т.

Балки, разрушившиеся в сжатой зоне в ходе испытания элементов статической, многократно повторной нагрузкой, были

го

восстановлены с помощью полимербетона на основе ЫМА; в состав полимербетона входили: мономер (метакрилаг - ММА), пластификатор - ДМА), отвердатепь (перекись бензоила - ПБ), песок фракций до -5 мы, щебень фракции 5..-10 мм.

. В третьей главе излагаются результаты экспериментального исследования железобетонных балок в исходном и восстановленном нагрунении, приводится анализ этих результатов.

Результаты измерения деформаций бетона сжатой зоны при статическом нагругении показали, что для балок в исходном состоянии эпюра деформации бетона кан в сечении с трещиной, так и между трещинами бяиака по форме к трехугольной и сохраняется такозой вплоть до разрушения. В зосстансшлеяных бадаах форма эпюры деформаций сжатой зоны оказалась близкой к трапециевидной .

Первые нормальные грепданы в бетоне растянутой зоны были отмечены при нагрузке, примерно,0,16 Р^^. Все образцы, испытанные статической ¿загрузкой, разрушились вследствие потери • устойчивости арматуры сжатой зоны, затем раздробления бетона сжатой зоны в серединеРазрушающая нагрузка оказалась равной 304 кН.

Анализ жесткости балок в исходном и восстановленном состоянии при действии статической нагрузки показал, что для исходных балок расхождение значений прогибов на всех уровнях наг-ружония не превышало 10%. Для восстановленных балок эти расхождения были гораздо больше: в начале загружения от разрушающей нагрузки) приблизительно 10$ и на уровне 50$ от разрушающей'- 28-335?.

Несткость восстановленных балок оказалась при проведении

статических испытаний меньше жесткости исходных на разных уровнях нагружения в 2-2,4 раза.

Испытание балок многократно повторной нагрузкой вызывало увеличение деформаций бетона снатой зоны, растянутой арматуры и прогибов. Это увеличение наблюдалось на всем протякении испытаний и происходило с различной интенсивностью в зависимости от количества циклов повторной нагрузки и различных параметров нагружения- (J>J $ ).

На рис.1 показано развитие прогибов исходных балок с ростом количества циклов (АО при = 0,5 и разных уровнях нагружения, а'на рис.2 - аналогичные кривые для восстановленных: балок. Статические и динамические прогибы восстановленных балок больше, чем у исходных. Различия больна при больших уровнях нагружения. Однако видно, что при уровнях нагружения

7 = 0,8 и /=0,9 восстановленные балки выдержали меньшее число циклов нагрунения-, а при уровнях $ - 0,7 и, особенно при ^ = 0,6 - большее число циклов.

В процессе лульсирувадах. нагрумний разрушение образцов происходило по одному из трех видов:

- разрушение бетона сяатой зоны после потери устойчивости стеряняыи арматуры сжатой зоны; такой вид разруиения набпюдал-

\ ся в балках, испытанных при высоком уровне нагруяения ( ^ ) и низких коэффициентах асимметрии ( );

- разрыв одного из стернней растянутой арматуры з"'пределах зоны чистого изгиба; такое разрушение-характерно для ба- • лок, испытанных при низких уровнях нагружения;

- одновременное разрушение бетона снатой зоны и разрыв одного из стераней растянутой арматуры в зоне чистого изгиба;

/jeu.

У

"С-------- ,___с *

m as w nu su

Ы-/Г 1/uCui

Гис.1-. l^aiiiiTuo прогнись салки с pociou крличссгьа ц::ило^ ^ jj) uju) jo s 0,5

/LlH'<>

/ ' • -^J— /¡eu. j,g3 -o- - 4-!.t

j ^ 4 . «

r }

> .

\

га m sas su wt

ы/а' ¿w

Рис.2- Г5ал:к;о прогибав s осстаиоыошпп (¡алоя с pcctou колвчосиа никло» КМ) »)ш р с 0,5

такое разрушение было характерно для средних уровней нагруке-ния и средних коэффициентов асимметрии.

для. восстановленных балок разрушение в основном произошло в скатой зоне, за. счет потери устойчивости арматуры саатой зоны. Необходимо отметить, что разрушение в скатой зоне происходило не по контактной поверхности обычного бетона с полимербетоном, а в пределах высоты сжатой зоны, превосходящей выаоту полимер-бетонного слоя..

Еелезоботонные балки с двойной арматурой, подвергаемые воздействии пульсирующей нагрузки, при высоких уровнях нагружения в болыаей мэре сникают сзоа несущую способность из-за потери устойчивости скатых стержней, чем балки, загруненныв статической нагрузкой. Однако, при уровнях нагруяения, мвньших $ = 0,7, продольные сжатые стержни на теряли устойчивости,"хотя горизонтальные поперечные стерики, соединяющие плоские арматурные каркасы, устанавливались в балках очень редко.

На рис.3 показаны опытные относительные значения предела выносливости балок в зависипости от логарифма числа циклов. В результате статистической обработки опытных данных, пределы выносливости для исходных балок составляют:

Для восстановленных балок пш = 0,5 предел выносливости ляг о/^У

о = Щ&Ь, т.е. более высокий, чем исходных балок, однако, надо иавпь в виду, что прочность восстановленных балок при разрушении от статических нагрузок были на 25-30;« иеньаа, чем исходных.

Сравнительно невысокие значения пределов выносливости испытанных балок мовно объяснить особенностями их конструкции, изго-

Ч

при = о,?

^ = 0,5 ^ = 0,3

3 < 5 I 7 в 4 и

л и м (I л ваш га

В1С.З- Кгошыв усталости 5/Б в полулогарифмических поддинатак I—>—я = 0,7, 1—о-У ври * 0,5

(—) яри р к 0,3, (__,__) длл восстановленных оалол

ири р в 0,5

товления и испытания.

Четвертая глаза посвящена теоретическому определению напряжений и прогибов изгибаемых элементов при динамическом нагрдкену Многолетнему повторному нагрукению подвергаются в частности бал* с переменной массой и кесткостыо. Для оценки особенностей работь таких балок необходим соответствующий расчетный аппарат. Он неой ходим аакке для теоретического определения прогибов и изгибающих моментов в балках на начальном этапе их работы после пуска вибра ционной машины, т.е. при неустановившихся колебаниях. Прогибы и особенно изгибающие моменты-вагю знать, имея в виду болыше уро - ни нагрукения, примененные в наших.экспериментах. В диссертаций развивается способ динамического расчета адпазобатонных балок пр изменении жесткости сечений и внааней нагрузки во времени и по д не балок. Балка рассматривается как система с 8-ю степенями свободы (рис.4). .

го

. . Массы (А,В,С,Д и т.д.) укреплены на абсолютно жестких ломаных невесомых стержнях, соединенных меаду собой шарнирами, йесткость пругид в.шарнирах назначаем из условия,

что приложение одинаковых нагрузок к "целой" балке и к расчлв-

»

ценной балке перемещения масс А,З^С,Д и т.д. (1) и прогибы со-* ответстэующах'точек "целой" балки должны совпадать в любой момент вагружевия. ^

^х^аы-з^+вча*. (I)

+ 4 (34 у)

J&s (actA-t-jetic 1L

где ofq - углы излома, s Ь/ct (рис.4).

Жесткости пружин определявтся но формуле:

Sr Му-/ог,г Уравнения углов поворота: (/-/??) с*-а(, _ 23z<*íc _ (гиел)1 «¿-(Ц-л-ь a)io(jt r o i

-23?+ О ; (3)

ocet -(424'2Л.)2 о<Ье + [7fcJ - (5Л%24Л -

- {г,TIlU )!/И 4- 2')2 of¿t -О ;

viwe

Приравняем нули детерминант уравнений (3), Получим:

ъ§л w ы M

PN А р\ А Л /V X

а1

Y ^ „

a .. ¿

i

¿i

rP

»Ш1Ш!!!!»ИН!—хТшТ

а

X ¿ , г

Рис.4.- К расчегу йапки с переменной по длине жесымстъв и кассой

f

*

S)= û,5 л4zu- [(/ezsfa-yss-M4* (!m?ic-f£Sê)M\

- 23(*{?3le-43>r?cj)]2 3+ jasjic 4 2ьсЛ3+ [(¿,3J?U -

_ ¿MsZ/jj Z* - %t 4 г+ (2* fu 4 +

■f t£ fa- %<l)ji ltdt+ 42$ы î<ft -f

Значения частот определятся но формуле :'

; (s)

где -2/ - корни уравнения (4).

В качестве нагрузки приняты две силы, симметричные относительно середины пролета, изменявшиеся по закону: Rt> -- P+R Cas u> , где р-( 4-%,/*) /г ,

û^y,' частота колебаний нагрузки. Прогибы масс определяются по формуле:

1Д0

f*- « * ^ иш

Углы поворота

г Щ + ¿Ус -4е) ;

Изгибавшие моменты

/Я/ = сч,/ • • осзншныз вывода

1. Установлены гиды разруиения Еелезобеюнных балок с двойной арматурой от действия пульсирующей нагрузки. Наличие скатой арматуры уманьяает высоту скатой зоны, что вызывает опасность разрыва растянутой арматуры. С другой стороны, потеря устойчивости скатыш продольными стерзнями инициирует разрушение скатой зоны батона.

2. Прэвдевреыекного разрыва растянутой арматуры можно избе-кать, ограничивая значений относительной высоты скатой зоны снизу ( §>0,25).

3. Потер устойчивости^сЕатых продольных стержней «окно избегать, располагая в зове наибольших изгибающих моментов вертикальные и горизонтальные поперечные с те рани арматурного каркаса на расстояниях, не превышающих Ю диаметров скатой арматуры. .

Несущая способность балок с двойной арматурой пр.действии пульсирующей вагрузки значительно выае, чем балок с одиноч--

ной арматурой. В СНиПе сватая арматура в расчетах не выносливость

*

не учитывается. Наши результаты показывают возможность ее учета.

5- Следует исключать применение дуговой сварки при изготовлении арматурных каркасов балок, предназначенных для воспринятая пульсирующих нагрузок.

6. Восстановление балок с помощью полимерраствозоз и поли-ыербетоноз на основе ММА при большой степени разрушений (разрушение скатой зоны, потеря устойчивости сжатых стержней, трещины и выколы в растянутой зоне) привело к удовлетворительным результатам:

- при статических нагрузках несущая способность восстановленных-банок на 25-30$ нйие, чем несущая способность балок в исходном состоянии, а жесткость в52-2,5 раза маииав ;

- при дейстзии многократно повторных нагрузок оказалось, что предел выносливости восстановленных балок (отнесенный к их -статической прочности} при одном и том ке коэффициенте ассимет-рии ( -_р= 0,5) на 10-15$ выше, чем у балок в исходном состоянии.

7. Технология зосставовления балок весьма проста, она не ■ требует слоеного оборудования и не предусматривает трудоемких операций. Необходимая прочЕость полшэроетбна достигается в течение нескольких часов.

8. Прогибы и изгибающие моменты изгибаемых элементов перем8н-' ной массы и жесткости яри действии пульсирующих динамических наг-ч,рузок могут быть определены с помощью уравнений, полученных в-

диссертации.