автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние технологической поврежденности на свойства бетонных конструкций при малоцикловом нагружении

6 од

5 ДПР 1503

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ОДЕССКИЙ ИНСТЕРНО - СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КАРА ДАМУР Ахмад Хаыди

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОВРЗЗ'ДЕННССТИ НА СВОЙСТВА БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ НАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУШШ

Специальность C5.23.OI - Строительное конструкции, ч здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученом степени кандидата технических наук

Одесса - 1993

Работе выполнена на кафедре келезобетонных и капанных конструкция Одесского инженерно-строительного института.

Научный руководитель - кандидат технических наук

профессор В.С.ДОРОФЕЕВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор А.Г.ШКОЛА

- кандидат технических наук доцент В.А.ШАФРАНОВСКИЙ

Ведущая организация - Проектно-изыскательский и конструк-

торско-технологическиЯ институт "ОдесстроИпроект"

Защита состоится " Ь " у у 19ЭЗ г. в /¿/ час,

на заседании специализироьакногоСовета"Д.068.41.01 в Одесском инкенерно-строителькоы институте по адресу: 270029, г.Одесса, ул.Дидрихсона, СИСИ, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " ¿¿¿<Л'Лл:!.-- 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

К. Т. Н. , ДОЦеНТ -С1е>ил

Н.А.Малахова

ОБЩАЯ характеркст;:кл РАБОТЫ

Известно, что бетон к железобетон в настоящее время являются основными строительными материалами. Поэтому, основная проблема строительства - нахождение оптимального сочетания экономичности и надежности сооружения. Повышение экономичности сооружения также возможно за счет применения недорогого конструкционного материала с максимальным использование*1 его прочности. Особенное внимание обращают на дефекты, приобретенные материалом в период технологической переработки. При рассмотрении конструкции как специально организованного материале дефекты материала автоматически переходят в конструктивные. Наличие их в конструкциях до приложения эксплуатационных нагрузок изменяет структуру материала и эксплуатационную долговечность, а после приложения нагрузки, - общее напряженное состояние последних, кинетику развития эксплуатационных трещин и характер разрушения. В связи с этим, актуально!! задачей яБляется углубленное исследование развития технологических трещин под действием малоциклического на-гружения до разрушения. Б данной работе проводилось исследова- * ние особенностей разрушения элементов с разной начальной повреж-денностью под действием ыалоповторных нагрузок и ее влияния на развитие поверхностных трещин, характер разрушения и величину' деформаций. •

Цель работы: повышение стойкости при малоповторных циклических негружениях за счет управления начальной повреждеяностью материала и разработка предложений по ее учету в работе бетонных конструкций.

Для выполнения поставленной цели были определены, с ведущие задачи исследований:

I. Изучить влияние поверхностных технологических трещчн (йТТ) на основные физические характеристики бетона.

'2. Изучить влияние кратковременных циклических нагруяений' на развитие технологических трещин и характер разрушения.

3. Изучить влияние кратковременных циклических негруаений на накопление деформаций, остаточных деформаций, упругопласти-ческий кодуль деформации.

4.- Установить зависимости изменения деформаций от повреи-декности бетона.

5. Изучить влияние малоциклового загрут.ения па малоцикловую стойкость бетона.

- ч -

6. Разработать предложения по учету влияния технологичес-' ких трещин на саойкость бетона.

Научнал новизна. Исследования влияния поверхностной технологической повревденности ьа изменение механических свойств бетонных конструкция и на изменение стойкости при малоциклозом нагрукении позволили установить:

1. Влияние ПТТ не приэкекную прочность , модуль упругости £( и упругие деформации 6

2. Влияние действия кратковременных циклических нагружений на развитие трещин и характер разрушения.

3. Влияние кратковременных циклических-нагружений на накопление деформаций, остаточных деформаций, упругопластический ■ модуль деформации.'

Изменение величины деформаций в зависимости от длины трещин. *

5. Влияние малоцикловогс загружения на малоцикловую стойкость бетона.

6. Разработать предложения по учету влияния технологических трещин на стойкость бетона через коэффициент повревденности.

Предметом вйщиты являются;

- результаты выполненных экспериментальных исследований по определению влияния ПТТ на физико-механические свойства бетонных элементов при действии немногократно повторных нагрузок;

- предложения по учету влияния кратковременных циклических нагружений на изменение повревденности бетона (через коэффици- ■ ент поврежден..ости);

- предложенная расчетно-теоретическая зависимость между упругопластическим модулем деформации и коэффициентом поврен-денкости на любом этапе немногократно повторного циклического • нагрукения. ■' ■

Практическая ценность работы. Состоит в снижении материалоемкости строительных, материалов и конструкций. Связана с оптимальным проектированием конструкций, при котором наиболее полно реализуютоя возможности материала. Разработаны предложения по учету влияния ПТТ на свойства бетонных,конструкций при налоцшшесм нагружении через .коэффициент поврежденностн. Ре-, зультаты исследований ыояно использовать при проектировании транспортных сооружений, например, железнодорожных мостов, ж-

лезобетонных пшсл, а также куполов ядерных реакторов.

Апробация работы. Основные результату настоящих исследования доложены и одобрены на научно-теоретических конференциях Одесского инженерно-строительного института в 1ЭЬ?-1992 годах.

Публикации. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации слубликотаны в трех работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 173 страницах машинописного текста и содержит 58 рисунков, I? таблиц, список литературы из 159 наименований и 4 страницы приложения.

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессору Выровому В.Н. за ценные предложения и замечании при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ео введении изложено актуальность проводимых исследования и обиая характеристика работы.

3 первой главе отмечается, что в расчетах строительных конструкций -агрузки и другие внешние воздействия представляют со-боЛ наиболее неопределенные величины, имеющие больший статистический разброс, чем прочностные факторы. Поэтому в вопросах надежности изучение изменчивости нагрузок играет главную роль. Из анализа исследований малоповтерных нагрузок, проведенных в СНГ и 5-э рубежом, следует, что единого критерия назначений уровне!? и количества циклов малоповторных нагружениЗ при проведении экспериментальных исследований нет. Однако, вопросы, связанные с влиянием технологической псврекденнссти на свойства бегсшшх конструкций при воздействии калопевтерных нагрузок, не исследована. Б ходе исследований и анализа литературных источников и других мзтериало? отмечено, что практически ео всех строительных мэте-[';1й."з>: присутствуют технологические трещины еде до приложения к эксплуатационных нагрузок. К таким дефекта« относятся трещи-:и з исходных компонентах и трепелы, возникшие в период "ехнело-г--чес:с;.1 переработки материала в изделие. Причинами зарождения 77е--зн считают собственные объемные деформации система в целей :: <* ъгх ее компонентов, различие температурных и влггнсстных

■•сстбвляв'дах кетервала, стесненные деформационные т,,. . ■,.,•-..-.. - гостах Б.С.Дс^е-

ева, В.И.Солоыатова было показано, что одним из приемов, позволяющих регулировать начальную поврезденноеть бетонов, является : направленное применение наполнителей с разной дисперсностью и разным количеством по массе. Проведенный анализ позволяет заключить, что дефзкты, заложенные в материале в период его технологической переработки в изделие, определяют локальное напрякенно-деформированнсе состояние конструкции, характер трещинообразсва-ния и поверхность разрушения. Направленное изменение технологической поврежденности позволит управлять физико-механическими свойствами материала, кинетикой и характером разрушения конструкции. Применение методов механики разрушения затруднено, поскольку бетон является структурно неоднородным материалом.

Во второй главе приводится методика экспериментальных исследований. В опытах использовались стандартные образцы-призмы из обычного тяхелогб'бетона. В состав бетонкой смеси был введен наполнитель из тонкомолотого кварцевого песка дисперсностью 100... ...200 м^/кг в количестве 5...15 % по массе. Опыты проводились по плану"смесь - технология - свойства". Варьировались: расход цемента, количество наполнителя и его дисперсность. Были изготовлены призмы из 18 составов бетонной смеси. Образцы испытывали на 28-е сутки после твердения в нормальных условиях. Испытания проводились на вертикальной универсальной испытательной машине I класса типа УММ-20 (максимальное рабочее усилие 20000кГ). Перед испытаниями на всех образцах измеряли длину ПТТ. Трещины фиксировались измерительным микроскопом Ш1Б-2. Длину трещин измеряли курвиметром с точностью до 0,001 ы. Во время испытаний_ контролировали призменную прочность , модуль упругости изменение поврежденности. Нагрузка прикладывалась ступенями, равными 0,85 от ожидаемой разрушающей нагрузки с выдержкой в тече- , ние 5 минут, пооле чего следовала разгрузка до нуля. В наших опытах уровень нагружения был выбран 0,85 от ожидаемой разрушающей нагрузки, чтобы количество циклов до разрушения находилось в-пределах 10...15 циклов. Через каждые 5 циклов||нагрузка-разгруз-ка" определяли длину трещин и ее приращение до разрушения, а такке коэффициент рельефности (отношение длины базовой прямой к длине следа разрушающей трещины). Через такие же интервалы опре- . делили и коэффициент поврежденности Кп, который равен сумме всех (технологические + эксплуатационные) поверхностных трещин ¿т , отнесенных к площади поверхности, на которой они образовались,

. И„ г, 2T/S. Физический смысл Кп заключается в определении протяженности поверхностной трещины на единице поверхности.

В третьей главе рассматривается влияние составе Сетона на начальную повревденность Тв , призменную прочность fig , модуль упругости Eg и упругие деформации &г . При статических испытаниях рассматривали влияние количества наполнителя при постоянной его дисперсности на физико-механические характеристики. Отмечено, что с вводом в состав бетонной смеси разного количества наполнителя при постоянной его дисперсности прочность и модуль упругости изменяются в 1,3 раза, а также изменяется длина ПГТ. Аналогичное явление происходит, когда количество наполнителя постоянно, а. изменяется его дисперсность. Поскольку основной задачей исследований является изучение влияния наследственных дефектов при малоповторных яагружениях, то результаты статических испытаний образцов вошли в диссертационную работу в ограниченном объеме.

В этой главе рассматривали влияние малоциклового нагруже-ния на развитие трещин. Для наших образцов длина ПТТ находилась в пределах 123,0...513,0 см (рис. I). Усталостное разрушение происходит вследствие постепенного развития трещин при повторно-циклическом нагружении. Трещины начинают развиваться задолго до полного.разрушения. При этом.действующие напряжения могут быть значительно ниже тех, которые вызывают разрушение бетонов. При испытаниях различают, два этапа: первый - зарождение усталостных трещин, второй - собственно, стадия разрушения. С увеличением количества циклов нагружекия увеличивается рост длины трещин. Максимальное приращение длины трещин отмечено у призмы! с количеством наполнителя 10 % по массе и дисперсностью 300 ы2/кг. После пяти циклов нагружения длина трещин для этой призмы выросла от 513 до 697 см (на 35 %), а после 10 - такой прирост составил уже 54 %. Разрушение образца произошло при 12 циклах.нагружений. Для образца с минимальной длиной ПТТ после пяти циклов произошел рост ее длины до 191 см. После 10 циклов такое приращение составило 212 % по сравнению с длиной ПТТ. Можно сказать, что приращение длины трещин после каядых пяти циклов зависит от состава бетонной скеси, длины поверхностных технологических трещин и от структурной связи между компонентами бетона. .

В ходе экспериментальных исследований анализировали -ли-

Влияние количества цикла нагружения на изменение длины трещины

Т (си)

(а)

Влияние количества циклов нагружения ка

(О

Рис Л

'тенспвность pocia трещин после каждый пяти циклов нагружений (си. рис. I). Б наших исследованиях интенсивность роста трещин находилась в диапазоне 9,2...53,0 (см/цикл), в зависимости от состава бетона, из которого были изготовлены образцы, а также длины ПТТ. Следовательно, на интенсивность роста трещин влияет состав бетонной смеси, начальная технологическая повреаденность, а также взаимосвязь между структурными компонентами бетонной смеси.

После разрушения для каждого образца определяли коэффициент рельефности. Он находился в пределах 0,86...О,94.

В четвертой главе проведен анализ влияния малоповторной нагрузки на деформации, общие остаточные деформации, упругопласти-ческий модуль деформации, а также на стойкость бетона.

В ходе анализа экспериментальных данных отмечено, что накопление деформаций также зависит от состава бетонной сиеси, характера и длины технологических трещин, которые развиваются под нагрузкой, переходя в эксплуатвционвде. Предельное накопление деформаций при наших испытаниях находилось в диапазоне 1226 х х 10"^..,2482 • Ю-5. Анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод, что накопление деформаций нелинейно зависит от трещин, развивающихся в бетоне элемента.

Рассмотрим влияние ыалоповторного нагружения на интенсивность накопления деформаций. Наименьшая интенсивность накопления деформаций отмечена для призмы, в бетоне которой 10 % наполнителя дисперсности 100 и^/кг после 10 циклов нагруиений. Ее (интенсивности) изменение очень незначительно - 1,0 • 10При увеличения количества циклов до 15 она составила 114 • 10"^. Для призмы с дисперсностью наполнителя 1/2(100 + 200) м^/кг и его количеством 15 % по массе после 5 циклов нагружения интенсивность накопления деформаций была равной 200 * 10"^, а после 10 циклов снизилась на 21 %. Призма разрушилась после 13 циклов при интенсивности накопления деформация 203 * Ю~-\ Максимальная величина интенсивности зафиксирована.для призмы о 5 % наполнителя дисперсностью 100 ir/кг после 14 циклов - 450 • 10 .

Теперь проанализируем влияние иалоцшмового нагрунения на накопление остаточных деформаций, При кагрунениях бетонных элементов на высоких уровнях и при последующей разгрузке наблюдаются необратимые остаточные деформации, Кандый последующий цикл "нагрузка-разгрузка" приводит к их увеличению. В наших экспериментах: накопление остаточных деформаций находилось в диапазоне

351 • 10 ...573 • 10" после 15 циклов. Предельное накопление остаточных деформаций составило 662 • Ю"5 после 24 циклов нагру-жений (призма из бетона с содернанием 10% нёполнителя дисперсностью 100 м2/кг).

В результате экспериментального.анализа установлено, что интенсивность накопления остаточных деформаций неодинакова для образцов из разных составов бетонной смеси и изменяется с каждым последующим циклом нагрукений.' Здесь важную роль играют количество и дисперсность наполнителя в составе бетонной смеси, а также характер ПТТ. Максимальная интенсивность накопления остаточных деформация - 88 • 10"^ отмечена для образца, в бетоне которого 10 % наполнителя дисперсностью 1/3(100 + 200 + 300) и2/кг, после 6 циклов, что привело к разрушению образца.

В задачи эксперимента входило изучение влияния малоциклового нагрукения на изменение величины упругопластического модуля деформации £gtpe • Анализ результатов показал, что с ростом количества циклов происходит уменьшение величины упругопластического модуля деформации. В наших исследованиях его величина изменялась в пределах от 2,3 4 I05 до 0,62 * 1Ó5.(кг/сы2).'

Для количественной оценки поврекденносм бетона использовали коэффициент поврекденности (определение дано выше). При обработке экспериментальных данных и их последующем анализе отмечено, что технологическую ловрежденность бетона можно регулировать при помощи направленного введения наполнителей, не изменяя при этом расход цемента. Как уже было отмечено при изложении содержания, второй главы, сначала определяли технологический коэффициент поврежденности Кпо, который для наших образцов находился в диапазоне 0,2...О,81 (см-1). Далее, после какдых пяти циклов фиксировали изменения коэффициента поврежденности. Минимальная se-, личина Кп получена после 5 циклов для призмы, в_бетоне которой содержится 15 % наполнителя дисперсностью 300 м2/кг,- G,4 см~ , а максимальная - после 10 .циклов для образцов,из бетона с 10% наполнителя по массе такой же дисперсности,как и для предыдущей, призмы,- 1,2 -см""*.,'':.

. Введение в качестве наполнителя тонкомолотого кварцевого . песка с дисперсностью IQ0.м2/кг в количестве 10 % по массе позволило повысить стойкость бетона при малоцикловом нагругсении за счет снижения поврежденности'технологическими дефектами. Максимальное снижение влияния начальной поврекденности наблюда-

ется при увеличении размера частиц наполнителя до = 3.

При этом малоцикловая стойкость бетонных элементов повышается в 1,5...2,4 раза.

Наилучшие показатели при ыалсцикловом н&.'ружении оказались у призмы, в бетоне которой содержится 10 % наполнителя дисперсностью 100 и2/кг. При увеличении количестве циклов ов 5 до 10 коэффициент поврежденности изменяется в интервале 0,88...1,00, деформации - в интервале - 12,9 ' Ю-5... 13,0 • 10 , а упруго-пластический модуль деформации уменьшается от 1,94 ' 10^ до 1,92 • 10^ (кг/см2). После 15 циклов нагружений эти показатели изменились незначительно. Минимальной стойкостью к мэлоциклоео-«у нагружению обладал образец из бетона с 10 % наполнителя дисперсностью 1/3(100 + 200 + 300) м2/кг. Эта призма выдержала всего б циклов нагружений.

В результате обработки и анализа экспериментальных денных была выведена расчетно-теоретическей зависимость коэффициента поврежденности от упругопластичес^ого модуля деформации:

.Е-&к;*мая*склч1> {

ГД8 а - Шпя - зо,1л * & I ," т е 4,52 Пг - 63,4п + т ¿-.-{,тпа -

Результата, подсчитанные по вышеприведенной зависимости, обладают хорошей сходимостью с экспериментальными. На рис. 2 эти результаты реализованы графически.

■ ' ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили, установить наличие технологических трещин^в бетоне, их влияние на физико-механические свойства бетона и ыалоцикловую усталость.

• I. Определены составы бетона с минимальной технологической повреиденностьв, что позволило повысить его стойкость при малоповторных циклических нагружениях в 1,5...2,4 раза..

2. Изменение технологической поврежденности позволяет изменять прочность в 1,3 раза, упругие деформации - 1,3 раза и

Зависимость упругопластического модуля деформации от коэффициента поврежденносги и количесгва циклов нагр/иения

Hb.pl' 105кг/см2

2,6

2.4

2.2 2,0 1.8 1.6

1.4 1.2

1.0

0,0

0,6

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Г 1,1 К„

л - юоретическ.ая кривая по формуле о - Сксперкментальные точки после 5 циклов а - Экспериментальные точки после 10 циклов

( 1 )•

+ - Зксперементальнче течки после 15 циклов

Ряс. 2

модуль упругости - в 1,3 раза, значения щь. изменяются в 1,1...1,5 раза. Среднее значение отношения равно 1,2.

3. Начальная поврендеиность определяет инт'-чсиеность накопления эксплуатационных дефектов и, тем самый, характер разрушения бетона. Установлено, что увеличение количества циклов нагру-нения вызываем увеличение длкнытрещин в 3,2 раза. В зависимости от начальной и эксплуатационной поврекденностей коэффициент рельефности может измеглться в интервале 0,£7...О,94.

4. При немногократном повторном статическом нагружении бетона сжимающей нагрузкой происходит изменение его прочностных и де-формативных характеристик, предельная деформация определяется, в основном, начальной поврезденностыо (составами бетона) и зависит от количества циклов нагрукения. Накопление остаточных деформаций определяет стойкость бетона. Так, для бетонов' с неоптимальными наполнителями прирост остаточных деформаций после первых пяти циклов составил 442 • 10"^, а для бетЭ4ов с оптимальными - такой

ве прирост наблюдается уже после 15 циклов нагрунений.

5. Установлено, что упругопластический модуль деформации зависит от коэффициента поврежденности. С увеличением коэффициента поврекденности увеличивается упругопласткческий модуль деформации. Увеличение коэффициента поврекденности .от 0,7 до 1,0 ведет

к повышению упругопластического модуля деформации от 1,0. * 10^ до 2,2 ' IG5 кг/cu2. ,

6. Установлено, что величина деформации нелинейно зависит от количества развивающихся в бетоне трещин. Увеличение протяженности трещин в 1,3 раза (до 10 циклов повторного нагружения) ведет

к повышению деформации бетона в 2,3 раза, последующие циклы на-груаения (до 15 циклов) вызывает прирост длины трещин в 1,2 раза, что ведет к повышению деформаций бетона в 2,61 раза.

7. Разработаны предложения по учету влияния технологической поврежденности на повышение стойкости бетона через коэффициент поврежденности. ■ ; •

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях: '

. I. Выровой В.Н., Дорофеев B.C., Кара Дамур, А. Елияние технологических трещин на характер разрушения композиционных материалов и конструкций. Тезисы докладов, Пенза,.1990. - С. 12.

2. Выровой В.Н., Дорофеев B.C., Кара Дамур А. Учет технологической поврежденности в работэ энергетических сооружений. Те-

зисы докладов научно-практической конференции "Исследование работы и применение в строительстве эффективных элементов и конструкций", Ровно, 1990. - С. 49.

3. Дорофеев B.C., Кара Дамур А. Учет технологической повре-кденности бетона при ыалоцикловых воздействиях//Повышение долговечности и эффективности работы конструкций сельскохозяйственных здвний и сооружения. Материалы международной научно-технической конференции. - Челябинск, 1992. - С. 72-73.

Подп.к печати 2.03.93г. Формат 60x841/16. . Об"ем 0,5уч.изп.л. 0,75п.л. Заказ № 448. Тираж ГООакз. Гортипогряфия Олесского управления по печати,цех.¥3. . Ленина 49.