Надежность изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям, усиленных бетоном и арматурой

Актуальность проблемы. Первоочередной задачей настоящего времени является задача усиления железобетонных конструкций, определение несущей способности усиленных конструкций и оценка их надежности.

Методы определения несущей способности усиленных конструкций по предельным усилиям не в полной мере отвечают действительному напряженно-деформированному состоянию усиленных конструкций. Это связано с тем, что конструкции, подверженные усилению, уже эксплуатировались какое-то время, поэтому они уже получили необратимые деформации, определить которые существующими методиками не представляется возможным. В то же время эти деформации играют существенную роль при определении несущей способности усиленной конструкции.

Методика, основанная на деформационной модели гораздо в большей мере отвечает действительной работе как конструкции без усиления, так и усиленной конструкции. Эта методика способна учитывать как обратимые, так и необратимые деформации.

При проектировании усиленных конструкций проектировщики не имеют представления о надежности созданной ими конструкции и конструкции до усиления. Поэтому одной из важных задач усиления конструкций является задача оценки надежности усиленных конструкций, а также проектирование этих конструкций с заданным уровнем надежности.

Задача оценки надежности усиленных конструкций по своему характеру сходна с задачей оценки надежности проектируемых конструкций. И в том и другом случае проектировщик сталкивается с неопределенностью. В случае с усилением неопределенность заключается в нагрузках при эксплуатации неусиленной и усиленной конструкции, а также в их прочностных и деформативных характеристиках материалов. Эту неопределенность можно уменьшить, но никак не ликвидировать полностью. Поэтому задача оценки надежности усиленных конструкций сходна с оценкой надежности проектируемых конструкций.

Другая немаловажная задача, возникающая при усилении конструкций, это оценка параметров эксплуатируемой конструкции. Оценка этих параметров также проводится при помощи вероятностных методов. Все параметры оцениваются с определенной обеспеченностью. Поэтому и эта задача относится к оценке надежности как эксплуатируемой, так и усиленной конструкции.

Именно эти актуальные задачи и решаются в диссертации.

Цели работы:

— создание методов, алгоритмов и программ для ЭВМ, позволяющих выполнить оценку надежности и вероятностную оптимизацию усиленных под нагрузкой железобетонных конструкций;

— постановка и решение различных задач оценки надежности усиленных железобетонных конструкций;

— оценка влияния на надежность усиленных железобетонных конструкций различных параметров.

Научную новизну работы составляют:

— методика оценки надежности усиленных железобетонных конструкций любой формы сечения по прочности нормальных сечений на основе методики расчета по предельным усилиям;

— методика оценки надежности эксплуатируемых железобетонных конструкций любой формы сечения по прочности нормальных сечений на основе деформационной модели;

— методика оценки надежности усиленных под нагрузкой железобетонных конструкций любой формы сечения по прочности нормальных сечений на основе деформационной модели с учетом накопленных деформаций;

— методика и ЭВМ-программы реализации вероятностных расчетов;

— результаты оценки влияния различных случайных факторов на надежность усиленной конструкции при различных вариантах ее усиления.

Автор защищает:

— методику оценки надежности эксплуатируемых и усиленных конструкций по предельным усилиям;

— методику оценки надежности эксплуатируемых и усиленных конструкций по деформационной модели;

— результаты анализа влияния различных случайных параметров на надежность усиленных конструкций;

— результаты оценки надежности усиленных конструкций.

Практическая ценность работы:

— методики оценки надежности эксплуатируемых и усиленных конструкций позволяют определять надежность железобетонных конструкций различных сечений и разработаны впервые;

Внедрение результатов работы:

— результаты диссертации использованы в проектном институте «ЯР-ПРОМСТРОИПРОЕКТ» при усилении монолитного каркаса 12-ти этажного жилого дома, при этом получен значительный экономический эффект.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

4. Основные выводы.

1. Разработанные на основе расчета по предельным усилиям и по * деформационной модели методы оценки надежности конструкций, усиленных набетонкой, рубашкой, обоймой или дополнительной арматурой, позволяют вычислять надежность или обеспеченность несущей способности подобных усиленных конструкций или их отдельно взятых элементов.

2. Коэффициенты обеспеченности несущей способности, вычисленные для различных вариантов усиления сечений набетонкой или дополнительной арматурой, позволяют проектировать усиление конструкций с обеспеченностью несущей способности, равной 0,9986.

3. На основании результатов вероятностных расчетов, вычисленных по методике предельных усилий, получены следующие выводы: а) Несущая способность усиленных бетоном или (и) дополнительной щ арматурой изгибаемых железобетонных элементов, вычисленная по методике предельных усилий во всех случаях имеет достаточную обеспеченность, равную или большую 0,9986. б) При прочих равных условиях — одинаковых классах бетонов и арматуры, одинаковой относительной высоте исходного и усиленного элементов, значение обеспеченности несущей способности усиленных элементов не зависит от их геометрических параметров сечений и их соотношений. в) В случае усиления железобетонного элемента набетонкой, увеличение соотношения между прочностью бетона усиления и прочностью старого бетона приводит к увеличению надежности усиленного элемента. При этом усиленные элементы с разными значениями прочностей, но с.

А одинаковыми их соотношениями (при прочих равных условиях) будут иметь близкие значения обеспеченности несущей способности. Самые низкие значения обеспеченности имеют усиленные дополнительным бетоном элементы, у которых прочность бетона усиления равна или близка к прочности бетона усиляемого элемента. г) Для элементов усиленных дополнительной арматурой значение класса бетона не оказывает существенного влияния на надежность усиленного элемента. д) При проектировании конструкции усиления рекомендуется стремиться к тому, чтобы в усиленной конструкции вклады каждого из составляющих ее элементов в общую несущую способность были соизмеримы. В этом случае возрастает надежность всей конструкции и снижается степень влияния изменчивости прочностных свойств отдельных элементов и материалов на общую надежность конструкции. е) Наибольшее влияние на надежность усиленной конструкции оказывает элемент (материал), который в данный момент, при данном напряженно-деформированном состоянии определяет его несущую способность. Для переармированных элементов это бетон сжатой зоны, для слабо армированных элементов — арматура, для элементов, усиленных бетоном — бетон, занимающий большую площадь в сжатой зоне, для сечений с дополнительно устанавливаемой арматурой — арматура, количество которой в сечении преобладает по сравнению с другой. ж) Обеспеченность несущей способности зависит от количества арматурных стержней в сечении элемента. Наименьшая обеспеченность получается при расчете элемента с арматурой в виде одного стержня. С увеличением количества стержней обеспеченность несущей способности (при прочих равных условиях) возрастает. Учет в вероятностном расчете более десяти стержней в сечении не дает заметного прироста обеспеченности несущей способности элемента.

4. На основании результатов вероятностных расчетов, вычисленных по методике деформационной модели, получены следующие выводы: а) Начальное напряженно-деформированное состояние усиляемого элемента при средних процентах армирования не оказывает существенного влияния на надежность усиленного элемента. Незначительное влияние начального нагружения сказывается только для слабо < 0,1) или сильно > 1,0) армированных элементов. б) При расчете надежности по методике деформационной модели применение в набетонке бетонов различных классов слабо влияет на изменение надежности усиленного элемента. в) Для элементов усиленных набетонкой с увеличением процента армирования исходного элемента до значений относительной высоты сжатой зоны исходного элемента равных надежность усиленного элемента повышается. г) При усилении набетонкой несущая способность, полученная по методике деформационной модели, за исключением случая слабо армированного исходного элемента ^ 0,1), имеет обеспеченность большую 0,9986. д) В случае усиления элемента дополнительной арматурой при малом проценте армирования и близких к значениях относительной высоты сжатой зоны бетона усиленного элемента, падает обеспеченность его несущей способности. е) Для элементов, усиленных дополнительной арматурой, начальное нагружение исходного элемента до усиления снижает обеспеченность несущей способности усиленных элементов, у которых площадь старой арматуры не превышает более чем в 4 раза площадь арматуры усиления и.

0,6ч-0,7). Для остальных случаев армирования начальное нагружение не оказывает существенного влияния на обеспеченность несущей способности усиленного элемента. ж) При значениях больших (0,7-ь0,8) у элементов усиленных арматурой класс бетона оказывает существенное влияние на общую надежность усиленного элемента. При этом элементы, выполненные из бетона более высокого класса по прочности, имеют более высокую обеспеченность несущей способности, чем элементы, выполненные из бетона более низкого класса. При значениях меньших (0,7+0,8) влияние класса бетона на общую надежность элемента не значительно. з) При усилении элементов дополнительной арматурой наибольшая обеспеченность несущей способности наблюдается при (0,6+0,8) ?, R и отношении площади старой арматуры к площади арматуры усиления равной 0,25 + 4,0. и) При усилении элементов бетоном или дополнительной арматурой изменчивость деформационных характеристик старого и нового бетонов или старой и новой арматуры не оказывают существенного влияния на общую надежность усиленного элемента.

5. Сравнение оценки надежности определенной по двум программам указывает на незначительное различие коэффициентов обеспеченности несущей способности и полное соответствие характера изменения надежности определенной по двум методикам.

Следует отметить более полный учет всех факторов влияющих на надежность усиленных конструкций при применении методики деформационной модели, этим и объясняются некоторые различия полученных результатов.

6. С точки зрения вероятностных методов выявлено, что для правильной оценки обеспеченности несущей способности усиленных элементов прочностные характеристики бетона и арматуры для детерминированного и вероятностного расчетов следует назначать исходя из их средних, а не нормативных, значений сопротивления.

7. Алгоритмы оценки надежности усиленных конструкций разработанные на основании метода предельных усилий и деформационной модели внедрены в практику оценки состояния эксплуатируемых сооружений и в практику усиления железобетонных конструкций.