Надежность железобетонных конструкций при кратковременных малоцикловых нагружениях

В реальных условиях железобетонные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются повторным нагружениям, которые качественно изменяют характер напряженно — деформированного состояния (НДС).

Актуальность темы

обоснована тем, что большинство временных нагрузок, не являющихся многократно-повторными, содержат кратковременную переменную составляющую при немногочисленных циклах повторений (от двух до нескольких тысяч). При таких малоцикловых нагрузках (МЦН) допускается относительно высокий уровень напряжений, когда заметно проявляются нелинейные свойства бетона и арматуры. В конструкции последовательно реализуются процессы нагружения и разгрузки, которые приводят к трансформации напряженно-деформированного состояния элементов, происходит накопление остаточных деформаций и повреждений, влияющих на долговечность конструкций. Результаты испытаний конструкций и обследования сооружений показывают особенно существенное влияние малоцикловых нагружений на трещиностойкость и жесткость конструкций, что в ряде случаев вызывает необходимость ремонта. В известной мере это связано с тем, что в современных нормах особенности действия малоцикловых нагрузок не учитываются.

В промышленных зданиях кратковременные малоцикловые нагрузки (КМН) возникают от напольного транспорта и подвесного кранового оборудования, технологического оборудованияв общественных, учебных, торговых и спортивных зданиях существенны нагрузки от скопления людей с циклами повторения в несколько часов. Особые КМН возникают при землетрясениях. Для сооружений емкостного типа (силосы, бункеры, резервуары и др.) характерны длительные малоцикловые нагрузки (ДМН), возникающие вследствие циклических процессов заполнения, хранения и выпуска материалов.

К настоящему времени выявлены особенности деформирования бетона: ветви разгрузки и повторных нагруженийуровень напряжений, обеспечивающих стабилизацию деформацийвлияние циклических нагружений на трещиностойкость и прочность элементов. Вместе с тем процесс стабилизации деформаций при различных режимах циклического нагружения является не достаточно изученным. В последние годы для расчета железобетонных конструкций на КМН применяются методы, основанные на использование реальных диаграмм деформирования материалов с ориентированием на компьютерное обеспечение. На сегодняшний день разработана общая фундаментальная модель деформирования железобетона, позволяющая производить расчет с учетом физической нелинейности при различных режимах циклического нагружения, однако, для решения задач надежности требуются модели циклического деформирования бетона и арматуры, ориентированные на решение вероятных задач.

В общем случае сопротивления элементов и усилия в их поперечных сечениях относятся к случайным процессам, так как с течением времени могут значительно изменяться как механические характеристики бетона и арматуры, так и интенсивность и характер нагрузки. Поэтому достижение предельных состояний конструкции носит случайный характер, и целью расчета конструкции является обеспечение ее надежности, т. е. безопасности, ремонтопригодности и долговечности с заданной обеспеченностью. Существующие методики, используемые для определения надежности конструкций, основываются на формулах СНиП и зависят только от прочностных свойств материалов конструкций. Задачей предлагаемой работы являлось разработка методик расчета стержневых железобетонных и бетонных конструкций на надежность с учетом случайных как прочностных, так и деформативных свойств бетона и арматуры, а также накопления остаточных деформаций в бетоне при КМН.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчета стержневых железобетонных конструкций на надежность при малоцикловых нагрузках на основе вероятностных методов с учетом реальных диаграмм деформирования материалов, которая включает:

— проведение экспериментальных исследований деформирования сжатого бетона при сложных режимах циклического нагружения;

— разработку аналитических зависимостей между напряжениями и деформациями для диаграмм деформирования бетона и арматуры при циклических режимах одноосного нагружения;

— исследование процесса стабилизации деформаций бетона при сложных режимах циклического нагружения;

— выявление критерия отсутствия разрушения бетона при сложных режимах циклического нагружения;

— разработку методики расчета стержневых железобетонных конструкций на надежность при однократном и кратковременном малоцикловом нагружениях с учетом реальных диаграмм работы материалов.

Автор защищает: результаты экспериментальных исследований диаграмм деформирования и накопления деформаций сжатого бетона при кратковременных малоцикловых нагруженияханалитические зависимости, устанавливающие связь между напряжениями и деформациями в диаграммах деформирования бетона при сложных режимах кратковременного малоциклового нагружениядиаграммы работы арматуры при кратковременных малоцикловых нагруженияхметодику расчета накопления остаточных деформаций в бетоне при произвольных режимах нагружениядеформационный критерий стабилизации остаточных деформаций в бетоне при сложных режимах кратковременного малоциклового нагруженияметодику расчета стержневых железобетонных конструкций на надежность при однократном и кратковременном малоцикловом нагружениях с учетом реальных диаграмм работы материалов.

Научную новизну работы составляют: диаграммы деформирования бетона при сложных режимах нагружения и критерий стабилизации накопления деформаций в бетоне при сжатиислучайные характеристики диаграмм деформирования сжатого бетона при однократном и циклических нагружениях, которые представлены в виде случайных функцийпредставление стабилизации процесса накопления деформаций сжатого бетона при циклическом нагружении, как стационарный случайный процессметодика расчета нормальных сечений бетонных и железобетонных элементов на надежность с использованием реальных полных диаграмм бетона и арматурной стали, рассматриваемых как случайные функции деформаций.

Практическое значение работы: Предложена методика получения диаграмм деформирования сжатого бетона и арматурной стали при сложных циклических нагружениях.

Разработан метод расчета нормальных сечений железобетонных элементов на надежность при однократном и циклических нагружениях, который позволяет оценивать надежность достижения всех предельных состояний.

Получена количественная оценка влияния изменчивости предельных деформаций бетона на надежность железобетонных элементов.

Достоверность результатов исследования обеспечивается тем, что разработанные методики и приведенные зависимости основываются на экспериментальных данных различных исследований и полученных автором.

Работа выполнена на кафедре железобетонных конструкций Московского государственного строительного университета под руководством доктора технических наук, профессора Б. С. Расторгуева.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и содержит 225 страниц машинописного текста, 103 рисунка, 58 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1 .Вероятностный метод расчета конструкций по предельным состояниям в наибольшей степени отражает стохастическую природу свойств материалов и нагрузки. Кратковременные малоцикловые нагружения, вызываемые различными воздействиям^, могут быть представлены блочными циклическими нагрузками со случайными уровнями и количеством циклов. В отдельные случайные моменты времени возможно возникновение перегрузок высокого уровня.

2.При расчетах рекомендуется диаграммы деформирования бетона и арматурной стали представлять в виде случайных функций. Для случайных функций характерно, что изменчивость напряжений бетона при однократном нагружении увеличивается с ростом деформаций, а корреляция между напряжениями уменьшается с удалением значений деформаций друг от друга.

3.Опытами подтверждено, что при повторном нагружении происходит трансформация диаграмм деформирования бетона. Происходит увеличение прочности при предшествующих нагружениях с уровнем, не превышающем 0,85, и снижение при урбвне, превышающем 0,9. В тоже время при расчетах для учета предшествующего нагружения предлагается использовать трансформированные диаграммы.

4.Установлено, что трансформация кривых повторного «нагружения — разгрузки» выражается в изменении соотношения между деформациями и модулями деформаций начала и конца «нагружения — разгрузки» и зависит главным образом от накопленной к началу соответствующего цикла остаточной деформации. Это послужило основой для создания модели деформирования бетона при сжатии.

5.При циклическом деформировании бетона происходитнакопление остаточных деформаций, при этом установлено, что процесс накопления остаточных деформаций является случайным. Рекомендуется расчеты, основывающиеся на оценке накопленной остаточной деформации, проводить в вероятностной постановке.

6.Определено, что накопление деформаций в бетоне при сжатии существенно зависит от времени нагружения. При времени выдержки под нагрузкой менее 1 минуты процесс стабилизации приращений наступает существенно быстрее, чем при более длительных выдержках, поэтому при расчетах необходимо учитывать время нагружения конструкции.

7.Предложено образование остаточных деформаций после каждого цикла деформирования бетона под действием кратковременного малоциклового нагружения после стабилизации приращений деформаций представлять как стационарный случайный процесс.

8.На основе экспериментальных данных в качестве критерия, разрушения под действием циклических нагружений предложено принимать достижение предельной деформации.

Получено, что количество циклов, после которого достигается предельная деформация зависит от уровня достигнутой деформации по отношению к величине 0,75 еьп. При уровне деформаций более 0,75 еьк и менее еьк стабилизация приращений происходит’при более высоких величинах приращений и предельная деформация достигается при ограниченном числе циклов.

9.При применении вероятностных методов расчета конструкций при сложном режиме циклического деформирования рекомендовано использовать разработанную модель циклического деформирования бетона с применением дробно-линейных зависимостей, которые определяются положением узловых точек, зависящих только от прочностных и деформативных характеристик бетона.

10.В разработанном методе расчета на надежность, железобетонных элементов при однократном нагружении приняты диаграммы деформирования бетона и арматурной стали в виде случайных функций деформаций, позволяющие учесть' коррелированность напряжений и деформаций в сечениях элементов. В качестве случайных характеристик напряженно-деформированного состояния сечения принята продольная деформация и кривизна. В результате расчета определяется их совместная плотность распределения, которая используется для определения функции распределения деформаций. Предложенный метод позволяет щ определить надежность железобетонных элементов для всех предельных состояний, используя в расчетах только законы распределения усилий от нагрузок и физико-механических характеристик материалов.

11 .Предлагаемый метод расчета при циклическом нагружении основывается на случайной функции, равной сумме функций случайных остаточных деформаций после каждого цикла нагружения и позволяет определять вероятностными методами надежность железобетонных конструкций при циклических нагружениях.

12.Проведенные расчеты на надежность бетонных и железобетонных элементов показали, что одновременный учет изменчивости деформативных и прЬчностных характеристик приводит к снижению надежности по сравнению с учетом только прочностных характеристик.