Деформирование составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций

Железобетон еще долго будет оставаться основным строительным материалом, что вызывает настоятельную необходимость развития теории и совершенствования методов расчета железобетонных конструкций.

Практика проектирования и опыт применения железобетонных конструкций говорят о том, что нередки случаи, когда класс бетона, размеры сечений и площадь растянутой арматуры по условиям второй группы предельных состояний приходится принимать большими, чем это требуется по прочности.

Одной из особенностей составных железобетонных конструкций является общая работа двух бетонов с разными свойствами прочности и деформа-тивности. Этим определяется ряд специфических параметров их расчета и конструирования, связанных с перераспределением внутренних усилий между старым и новым бетонами.

Последнее время для совершенствования расчета железобетонных конструкций все большее внимание уделяется методам механики разрушения, так как после появления трещин гипотезы и методы механики сплошной среды уже неприменимы (тем не менее, в механике твердого деформируемого тела гипотеза сплошности материала является основной). Вопросы, связанные с исследованием напряженно-деформированного состояния в окрестности трещины наиболее полно изучены в механике разрушения. Однако до настоящего времени практически отсутствуют разработки, устанавливающие зависимость традиционных параметров железобетона кривизны и прогибов с новыми элементами механики разрушения. Многие связанные с этим эффекты нуждаются в выяснении их физической сути и, в первую очередь, эффект, связанный с нарушением сплошности железобетона и существенное влияние относительных условных взаимных сосредоточенных смещений между бетонами и арматурой и бетоном.

Экспериментальные исследования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций проведены лишь в единичных случаях с ограниченным количеством параметров, которые изучаются. На сегодняшний день, отсутствуют фактические данные о взаимных сдвигах старого и нового бетонов в зонах, прилегающих к швуне исследован этот вопрос в тех случаях, когда шов расположен в сжатой или растянутой зонахне выявлено напряженно-деформированное состояние в зонах бетона, прилегающих к швуне изученные эффекты, которые возникают при этом, связанные с нарушением сплошности железобетонамало опытных данных о ширине раскрытия трещин вдоль всего профиля трещинрасстояния между трещинами при проверке многоуровневого процесса их образования и длины трещин (которая в свою очередь влияет на кривизны и прогибы) по мере увеличения нагрузкине выявлен характер влияния на несущую способность разных случаев сопротивления внецентренно сжатых железобетонных конструкций (при < и при.

Тем не менее, отмеченные параметры являются определяющими для анализа деформирования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций. Все это не позволяет избежать трудоемкого экспериментирования и является серьезным препятствием для повышения достоверности расчетов ответственных несущих конструкций.

Таким образом, разработка методов расчета прогибов составных железобетонных конструкций является важной и актуальной задачей.

Отсюда следует, что проведение исследований по детальному изучению ширины раскрытия трещин внецентренно сжатых железобетонных конструкций, усиленных при реконструкции с учетом несовместности деформаций бетона, арматуры, податливости шва между разными бетонами в виде условного сосредоточенного сдвига, нарушения сплошности материала является весьма актуальной задачей.

Решение этой задачи может рассматриваться как новый вклад в развитии методов расчета железобетонных конструкций.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК.

Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка методики расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций, с учетом эффекта нарушения сплошности, податливости шва между разными бетонами, бетоном и арматурой для эффективного проектирования таких конструкций.

Задачи исследований:

— на основе обобщения и анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований разработать практический способ расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом податливости шва между разными бетонами в виде условного сосредоточенного сдвига, эффекта нарушения сплошности, позволяющий увеличить его точность по сравнению с существующими способами;

— выполнить экспериментальные исследования с определением основных параметров, связанных с прогибами, уровнями появления трещин и деформациями разных бетонов, арматуры, и по результатам их анализа провести проверку предлагаемого расчетного аппарата по уточненному определению прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности и податливости шва между разными бетонами в виде условного сосредоточенного сдвига;

— провести численные исследования оценки влияния основных расчетных параметров на прогибы и расстояние между трещинами составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций по предлагаемому способу расчета и выполнить их анализ;

— разработать алгоритм, выполнить сравнительную оценку предлагаемого способа расчета с экспериментальными данными и с нормативным способом расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций.

Объект исследования — составные железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.

Предмет исследования — прогибы составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций.

Методы исследования — используется экспериментально-теоретический метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела и механики разрушения и теории железобетона.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

— разработан двухконсольный элемент (ДКЭ) в зонах, прилегающих к трещинам применительно к расчету составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций, связывающий традиционные параметры сопротивления железобетона, в том числе кривизны, углы поворота заделок и прогибы, с зависимостями механики разрушения после нарушения их сплошности бетона;

— на основании анализа построенного двухконсольного элемента предложена расчетная схема для раскрытия статической неопределимости задачи составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций, после нарушения их сплошности, в которой длина трещины принята постоянной (которая, в свою очередь, вместе с раскрытием трещин влияет на кривизны и прогибы), позволяющая существенно уточнить практический расчет составляющих деформаций, углов поворота заделок консолей, кривизны и прогибовполучены уравнения, связывающие новые расчетные параметры с традиционными параметрами сопротивления железобетона,.

— разработана новая методика расчета и получены зависимости для определения кривизны и прогибов в составных внецентренно сжатых железобетонных конструкциях с учетом эффекта нарушения сплошности, податливости шва между разными бетонами, бетоном и арматурой в виде условных сосредоточенных смещений, базирующаяся на традиционных предпосылках теории железобетона и положениях механики разрушения, позволяющая заметно приблизить эти важнейшие расчетные параметры к действительнымпредложен новый алгоритм иттерационного расчета без замкнутого решения сложных дифференциальных уравнений;

— разработана методика и проведены экспериментальные исследования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с определениемосновных параметров их деформирования (средних деформаций бетонов и арматуры, развития трещин при многоуровневом их образовании по мере увеличения нагрузки с учетом эффекта нарушения сплошности, податливости шва между бетонами и бетоном и арматурой, прогибов, и др.), которые в значительной мере дополняют имеющийся фактический материал и предоставляет возможность проверки предлагаемого способа расчета и основных рабочих гипотез для эффективного проектирования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкцийпри этом подтверждена правомерность использования гипотезы о податливости шва за счет прилегающих к нему местных зон, гипотезы плоских сечений для средних деформаций в пределах каждого из составляющих стержней и предпосылки о постоянстве длины трещины в пределах эксплуатационной нагрузкидоисследован эффекта нарушения сплошности железобетона применительно к составным железобетонным конструкциям с измерением сложного профиля трещины и фиксированием местного сжатия бетона околоарматурной зоны в окрестности трещины.

Высокая достоверность полученных результатов подтверждается численным и сравнительным анализом, выполненным по предлагаемой методике и положенным в ее основу предпосылкам и формулам.

Научное значение работы заключается в развитии методов расчета прогибов в составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций, имеющих существенное значение для расчета и проектирования строительных конструкций, зданий и сооружений.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что предлагаемая методика позволяет обеспечить точность расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций и тем самым обеспечить высокую эффективность принятых проектных решений.

Результаты проведенных исследований применены Орловским ака-демцентром, ООО «Теплоинжпроект» при выполнении ряда проектов по усилению железобетонных несущих элементов при реконструкции зданий и сооружений.

Результаты работы внедрены в учебный процесс Госуниверситета-УНПК при изучении студентами и магистрами строительных специальностей дисциплин «Железобетонные и каменные конструкции», «Технические вопросы реконструкции зданий и сооружений».

Личный вклад соискателя. Соискателем самостоятельно получены следующие результаты:

— практическая методика и алгоритмы расчета прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности и податливости шва между разными бетонами в виде условного сосредоточенного сдвига,.

— разработана методика и проведены экспериментальные исследования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с определениемосновных параметров их деформирования (средних деформаций бетонов и арматуры, развития трещин при многоуровневом их образовании по мере увеличения нагрузки с учетом эффекта нарушения сплошности, податливости шва между бетонами и бетоном и арматурой, прогибов, и др.), которые в значительной мере дополняют имеющийся фактический материал и предоставляет возможность проверки предлагаемого способа расчета и основных рабочих гипотез для эффективного проектирования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций;

— выполнены численные исследования и сопоставительный анализ основных расчетных параметров, оказывающих влияние на деформирование составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций — кривизны, прогибов, параметров сцепления, параметров деформирования арматуры и бетона между трещинами с учетом эффекта нарушения сплошности, относительных условных сосредоточенных взаимных смещений между разными бетонами (бетоном и арматурой), что показывает эффективность предложенной методики расчета.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации доложены и обсуждались на научно-практических конференциях «Неделя науки» (г. Орел, ОрелГТУ, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет — УНПК», 2010;2012 гг.).

В полном объеме работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкции и материалы» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (г. Орел, март 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 научных статьях в специализированных профессиональных изданиях, внесенных в список ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованной литературы из 115 наименований, 2- х приложений. Полный объем работы — 217 страниц, 50 полных страниц с рисунками и таблицами, 13 страниц списка использованной литературы. Работа содержит 9 таблиц, 64 рисунка, 12 страниц приложений.

Результаты работы внедрены в учебный процесс Госуниверситета-УНПК при изучении студентами и магистрами строительных специальностей дисциплин «Железобетонные и каменные конструкции», «Технические вопросы реконструкции зданий и сооружений».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенный обзор-анализ исследований показывает, что процесс трещинообразования и деформирования в элементах составных железобетонных конструкций — явления достаточно сложные, для описания которых требуется привлечение ряда гипотез о совместной работе двух материалов.

Большинство рекомендаций и нормативные документы по определению кривизны и прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций обладают несомненной практической ценностью. Однако, приводимые в них формулы, не имея достаточного экспериментального и строгого теоретического обоснования, отличаются практически лишь корректирующими эмпирическими коэффициентами и зависимостями, базирующимися на приведении к сплошному сечению, и требуют уточнения.

2. Предложены новые формулы для определения кривизны и прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с учетом эффекта нарушения сплошности, относительных условных сосредоточенных взаимных смещений разных бетонов (бетона и арматуры), расстояния между трещинами, параметров сцепления, упругопластических характеристик сечения, откорректированного распределения силовых потоков в каждом из составляющих стержней, на основании которых разработана практическая методика расчета, базирующаяся на традиционных предпосылках теории железобетона и положениях механики разрушения, позволяющая существенно откорректировать оценку деформирования составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций и заметно приблизить расчетные параметры к действительным.

Отличительные особенности предлагаемой методики расчета: введено понятие обобщенной жесткости при внецентренном сжатииучитывается специфика деформирования двухконсольного элемента, включающего трещину с отысканием угловых деформаций в заделках его консолейустановлено, что трещины, развившись до нейтральной оси, затем медленно прорастают лишь на несколько миллиметров, — тогда длину трещины рассматривается, как величина постоянная и при построении расчетной модели можно обойтись обычными методами строительной механикисдвиговые деформации в шве определяется в соответствии со скоректирванными формулами А. Р. Ржаницына при наличии трещинпостроен специальный итерационный алгоритм расчета, исключающий громоздкую алгебраизацию формул и необходимость решения дифференциального уравнения.

3. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования кривизны и прогибов составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций с определением прогибов, ширины раскрытия трещин на уровне оси продольной растянутой арматуры и вдоль всего профиля трещины с проверкой многоуровневого процесса их образованияизменения расстояния между трещинами 1СГС и длины трещин ксгс по мере увеличения нагрузки, деформаций рабочей арматуры и бетона вдоль оси рабочей арматуры между трещинами с учетом эффекта нарушения сплошности, взаимных смещений разных бетонов (бетона и арматуры), и др., которые в значительной мере дополняют имеющийся фактический материал и предоставляют возможность проверки предлагаемой расчетной методики и основных рабочих гипотез.

Важной особенностью этой методики является обеспечение замера концентрации опытных деформаций в зоне шва между разными бетонами и в непосредственной близости от трещины — зоне, где проявляется деформационный эффект в железобетонеспециально сконструированный испытательный стенд, для проведения испытаний внецентренно сжатых конструкций в горизонтальном положении при нагружении с помощью натяжного устройства в виде фаркопфа.

Экспериментально подтверждено, что арматура сдерживает раскрытие трещины, противодействуя раскрытию ее берегов и возникающие при этом реакции вызывают местное сжатие в бетоне в окрестности трещиныэффект нарушения сплошностивыявлено несколько уровней появления трещин, причем трещины последующего уровня появляются, как правило, в середине расстояния между трещинами предыдущего уровняподтверждено увеличение асгс на удалении 2- 3 диаметров от оси арматуры и целесообразность использования гипотезы плоских сечений в пределах каждого из составляющих стержнейпри этом в швах между бетоном и арматурой наблюдаются скачки деформаций, характерные для составных стержней (при этом местные возмущения деформаций в окрестности шва не учитывались, — проводилась экстраполяция) — в процессе деформирования выявлено три характерных участка, — линейный, связанный с проявлением трещинообразования и возникающий после образования трещин в шве между бетонами, соответственноважным является также полученный результат о том, что в пределах эксплуатационной нагрузки высота сжатой зоны бетона практически не изменяется.

4. Выполнены численные исследования и сопоставительный анализ основных расчетных параметров, оказывающих влияние на деформирование составных внецентренно сжатых железобетонных конструкций — кривизны, прогибов, параметров сцепления, параметров деформирования арматуры и бетона между трещинами с учетом эффекта нарушения сплошности, относительных условных сосредоточенных взаимных смещений между разными бетонами (бетоном и арматурой), что дает полное представление об эффективности предложенной методики расчета и предложенного итерационного алгоритма, исключающего громоздкую алгебраизацию. Результаты показали явные преимущества предлагаемого способа расчета, -их приближение к опытным значениям не выходит за пределы 12%, в то время, как нормативная методика увеличивает этот предел до 29%" причем с отклонением результата не в запасна всем диапазоне нагружения, кривизна по предлагаемой методике увеличивается на 49% - 37,6%, а прогиб, — на 33,4% - 29,52%, соответственно, по сравнению с нормативной методикойпри этом на разрушающей ступени наблюдалось существенное отклонение опытных и теоретических значений прогибов, связанных с разрушением шва между бетонами, которое не учитывается ни одной из существующих методик, что требует проведения дополнительных исследований, выходящих за рамки настоящей диссертационной работы.

5. Результаты проведенных исследований применены Орловским академцентром, ООО «Теплоинжпроект» при выполнении ряда проектов по усилению внецентренно сжатых железобетонных несущих элементов при реконструкции зданий и сооружений.