авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


На правах рукописи

УТКИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ

СЖАТО-ИЗОГНУТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

С ЗОННЫМ АРМИРОВАНИЕМ ИЗ

СТАЛЬНОЙ ФИБРЫ ПРИ

КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

А ВТО РЕФ ЕРА Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2009 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Томском государственном ар хитектурно-строительном университете (ГОУ ВПО ТГАСУ)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Балдин Игорь Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Полищук Анатолий Иванович кандидат технических наук, профессор Яров Вячеслав Алексеевич

Ведущая организация ОАО Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений (ЦНИИПромзданий)

Защита состоится 18 декабря 2009 г. в 16:00 часов на заседании диссер тационного совета Д212.265.01 при Томском государственном архитектурно строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная 2, ауд. 307/5, Факс: (3822) 65-03-37, e-mail: tsuab@sibmail.com

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан «16» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Копаница Н.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: В последние годы все чаще возникает необходи мость проектирования железобетонных конструкций, подвергающихся воз действию интенсивных кратковременных динамических нагрузок. Опасность действия на сооружения ударных волн возрастает вследствие взрывов обыч ных взрывчатых веществ при их хранении, транспортировке и т.д. Возни кающие при этом специфические нагрузки часто вызывают значительные по вреждения конструкций, и даже их полное или частичное разрушение, кото рое может привести к травмам и гибели людей. В связи с этим, при проекти ровании и расчете несущих железобетонных конструкций, учет возможности воздействия на них кратковременных динамических нагрузок в настоящее время является актуальным.

На современном этапе развития строительства достигнуть повышения надежности и экономичности возводимых зданий и сооружений возможно как применением более эффективных материалов, так и опираясь на новые методы расчета, более полно учитывающие поведение конструкций под на грузкой, а также напряженно-деформированное состояние материалов конст рукции.

Одним из новых и перспективных строительных материалов является сталефибробетон, повышенные прочностные и деформативные свойства ко торого были исследованы и проанализированы различными, как российски ми, так и зарубежными учеными. В России и за рубежом элементы и конст рукции с применением сталефибробетона получили широкое применение в различных областях строительства.

Большинство имеющихся на сегодняшний день теоретических и экспе риментальных исследований работы железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры проводились для статически нагруженных конструкций, в литературе практически отсутствуют данные об исследовани ях сталефиброжелезобетонных элементов при воздействии на них кратко временной динамической нагрузки. Заложенный в СП 52-104-2006 «Стале фибробетонные конструкции» метод расчета сталефиброжелезобетонных элементов по двум группам предельных состояний также ограничивается расчетами статически нагруженных элементов.

Анализ литературных источников показал, что на сегодняшний день не существует современного метода, обладающего единым методологическим подходом при описании поведения сжато – изогнутых железобетонных эле ментов с зонным армированием из стальной фибры, как в растянутой, так и в сжатой зонах с различным уровнем продольной сжимающей силы при крат ковременном динамическом нагружении.

Таким образом, совершенствование метода расчета сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием, как в сжатой, так и в растянутой зонах при кратковременном динамическом нагружении является актуальным и имеющим важное практическое значение при проектировании экономичных и надежных железобетонных конструкций.

Объект исследования: сжато-изогнутые железобетонные элементы прямоугольного сечения с зонным армированием из стальной фибры в сжа той, либо в растянутой зоне сечения.

Предмет исследования: влияние величины и расположения зонного ар мирования из стальной фибры на прочность и деформативность изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном дина мическом нагружении.

Цель работы: Разработка, экспериментальная проверка и реализация метода расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобе тонных элементов с зонным армированием из стальной фибры в сжатой или растянутой зонах при кратковременном динамическом нагружении с учетом нелинейной работы материалов.

Задачи исследований:

- на основе обзора, систематизации и анализа существующих теоретиче ских и экспериментальных исследований сформулировать предпосылки, пре дельные состояния и способы их нормирования для расчета сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении;



- разработать метод расчета прочности нормальных сечений сжато изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении на основе деформа ционной модели с использованием реальных диаграмм деформирования бе тона, сталефибробетона и арматуры;

- провести экспериментальные исследования железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамиче ском изгибе и изгибе со сжатием, при различном уровне продольной сжи мающей силы;

- провести сопоставление результатов расчета по разработанному методу с результатами экспериментальных исследований, выявить влияние зонного армирования из стальной фибры на прочность и деформативность железобе тонных элементов при кратковременном динамическом нагружении.

Методология работы: Теоретические исследования выполнены на ос нове использования фундаментальных положений теории железобетона и композиционных материалов. Физический эксперимент выполнялся с ис пользованием современного измерительно-вычислительного оборудования в лаборатории железобетонных и каменных конструкций Томского государст венного архитектурно-строительного университета, что обеспечило необхо димую достоверность полученных результатов.

Научная новизна работы заключается в получении новых данных о прочности и деформативности сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамиче ском нагружении, а именно:

- в аналитическом виде получено решение задач по описанию нелиней ной диаграммы деформирования сталефибробетона при сжатии и растяже нии, расчету прочности и оценки несущей способности сжато-изогнутых же лезобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении;

- установлено, что применение зонного армирования из стальной фибры в растянутой или сжатой зонах, величиной 0,2 и 0,3 от высоты сечения для сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динами ческом нагружении повышает их несущую способность на 18 и 22 %, энерго емкость на 6 и 10 % соответственно при армировании растянутой зоны сече ния сталефибробетоном, и увеличивает несущую способность на 27 и 33 %, энергоемкость на 14 и 20 % соответственно при армировании сжатой зоны;

- получены новые экспериментальные данные о напряженно деформированном состоянии, прочности и деформативности сжато изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов при кратковременном ди намическом нагружении, установлено влияние размеров и расположения зонного армирования из стальной фибры в сечении и величины продольной сжимающей силы на прочность и деформативность железобетонных элемен тов.

Практическая значимость работы заключается в разработке метода и программы расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых желе зобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при крат ковременном динамическом нагружении, позволяющего упростить решение задач проектирования и обеспечить расчетным путем их несущую способ ность при эксплуатации. Разработаны оригинальные стенды, устройства и ус тановка для экспериментальных исследований сжато-изогнутых сталефиб рожелезобетонных элементов при кратковременном динамическом нагруже нии, новизна которых подтверждена четырьмя патентами РФ.

Достоверность результатов работы: Достоверность полученных ре зультатов обеспечивается корректным использованием основных положений теории железобетона, расчетными предпосылками, основанными на анализе обширных теоретических и экспериментальных данных о работе материалов и конструкций с зонным армированием из сталефибробетона;

методологиче ски обоснованным комплексом экспериментальных исследований, с приме нением сертифицированных лабораторных приборов и установок, примене нием современных средств регистрации деформаций бетона, сталефибробе тона и арматуры, достаточной воспроизводимостью экспериментальных ве личин;

необходимая для практического использования точность разработан ного метода расчета подтверждена удовлетворительной сходимостью теоре тических и экспериментальных данных.

Реализация результатов диссертационной работы: Разработанный метод и программа расчета используются в 26 ЦНИИ МО РФ при расчете сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении;

результа ты диссертационных исследований используются в Томском государствен ном архитектурно-строительном университете в учебном процессе при под готовке бакалавров, магистров и дипломников.

Личный вклад диссертанта:

- разработан метод, алгоритм и программа расчета прочности нормаль ных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армиро ванием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении на основе деформационной модели с учетом реальных диаграмм деформиро вания материалов;

- разработан инженерный метод расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении;

- получены новые опытные данные, характеризующие процесс сопро тивления сжато-изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов при крат ковременном динамическом нагружении, выявлено влияние зонного армиро вания из стальной фибры на прочность и деформативность железобетонных элементов с различным уровнем продольной сжимающей силы;

- проведены численные исследования влияния параметров зонного ста лефибрового армирования на прочность сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении.

На защиту выносятся:

- метод расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых желе зобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при крат ковременном динамическом нагружении на основе деформационной модели с учетом реальных диаграмм деформирования материалов;

- результаты численных расчетов прочности нормальных сечений сжато изогнутых сталефиброжелезобетонных элементов с учетом влияния геомет рических и прочностных характеристик стальной фибры и величины зонного сталефибрового армирования в сжатой или растянутой зонах при кратковре менном динамическом нагружении;

- инженерный метод расчета прочности сжато-изогнутых железобетон ных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковре менном динамическом нагружении на основе областей относительного со противления;

- методика и результаты экспериментальных исследований изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении.





Апробация работы.

Материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и по лучили положительную оценку: на научных семинарах кафедры железобе тонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно строительного университета (2004-2009 гг.);

на десятой научно-технической конференции Общества железобетонщиков Сибири и Урала (Новосибирск, 23-25 ноября 2004 г., НГАСУ);

на V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и совре менные информационные технологии» (г. Томск, 2007 г. ТПУ), на VI Меж дународной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы разви тия фундаментальных наук» (г. Томск, ТПУ, 26-29 мая 2009 г). В полном объеме работа доложена и одобрена на межкафедральном семинаре ТГАСУ (5 ноября 2009 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано тринадцать пе чатных работ, в том числе четыре патента РФ на полезную модель и две ста тьи без соавторов, одна из которых опубликована в журнале «Вестник ТГА СУ», входящем в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликова ния основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степе ни кандидата технических наук.

Объем и структура диссертации. Диссертация объемом 185 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выво дов, списка литературы из 160 наименований, трех таблиц, 83 рисунков, од ного приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, дана краткая характеристика состояния вопроса, сформулирована цель работы, раскрыта ее научная новизна и практическая ценность полученных результа тов, излагается структура диссертации.

В первой главе приведен обзор исследований по изучаемому вопросу и дан их анализ, в частности приведены общие сведения о сталефибробетоне, его прочностных и деформативных характеристиках. Выполнен обзор и ана лиз теоретических и экспериментальных исследований железобетонных кон струкций с зонным армированием из стальной фибры на действие статиче ской и кратковременной динамической нагрузки.

Впервые исследования, посвященные бетону, косвенно армированному «железным волокном» или «железной соломой», были выполнены россий ским инженером В.П. Некрасовым в начале двадцатого века. К этому време ни относятся также работы G.F. Porter (1910 г., USA), Feilken (1914 г., UK). В Советском Союзе, а затем в России основу знаний о сталефибробетоне сфор мировали отечественные ученые: В.К. Кравинскис, Л.Г. Курбатов, И.А. Ло банов, А.П. Павлов, Ф.Н. Рабинович, В.П. Романов, Г.К. Хайдуков и др. Ис следованиями свойств композита – сталефибробетона и разработкой теории расчета сталефиброжелезобетонных конструкций занимались: В.Б. Арончик, Н.Н. Боровских, И.В. Волков, В.П. Вылегжанин, Г.В. Гетун, В.И. Григорьев, В.М. Косарев, М.П. Леонтьев, Е.Ф. Лысенко, В.И. Соломин, И.К. Сурова, К.В. Талантова, Ф.Ц. Янкелович и др. Особенности свойств сталефибробето на и технологии производства конструкций на его основе исследовали Д.С.

Аболиныш, М.А. Волков, Е.В. Гулимова, Б.А. Евсеев, Г.В. Копанский, А.В.

Копацкий, О.В. Коротышевский, А.Н. Куликов и др. Производству и иссле дованиям стальной фибры посвятили свои работы Ф.А. Гофштейн, В.И. По пов, А.Ю. Пышминцев, Е.А. Шабловский, Б.М. Цывьян и др. Базой для раз вития теории расчета сталефиброжелезобетонных конструкций стали работы по теории железобетонных конструкций В.Я. Бачинского, О.Я. Берга, В.М.

Бондаренко, А.Б. Голышева, А.В. Забегаева, Н.И. Карпенко и других ученых.

Большинство из этих исследований посвящены изучению свойств стале фибробетона и формулировке методов расчета прочности и трещиностойко сти сталефиброжелезобетонных элементов при статическом нагружении, а также разработке моделей дисперсно армированных бетонов и моделей де формирования фибробетонов. Исследования сталефибробетона при кратко временном динамическом нагружении ограничиваются в основном экспери ментальными данными.

Большой вклад в развитие науки о сталефибробетоне внесли ученые Ав стрии, Австралии, Бельгии, Германии, Голландии, Испании, Канады, Китая, Польши, США, Франции, Чехии, Швейцарии, Японии и др. стран, из них не обходимо отметить J.P. Romualdi, Gordon, G.B. Batson, I.A. Mandel, I.L. Car son, W.F. Chen, D.I. Hannant, B. Kelly, P.S. Mangat, A.E. Naaman, R.N. Swamy, Colin D. Johnston, D.R. Lankard, G. Ruffert, K. Kordina, J. Vodichka, и др.

В нашей стране первые исследования работы железобетона в упругой стадии при кратковременном динамическом нагружении были проведены И.М. Рабиновичем, а обоснование возможности кратковременной работы конструкции в пластической стадии и разработка метода их расчета были выполнены к 1943 г. под руководством А.А. Гвоздева. Дальнейшее развитие идеи динамического расчета железобетонных конструкций получили в рабо тах В.А. Котляревского, Н.Н. Попова, Б.С. Расторгуева.

Основные идеи динамического расчета железобетонных конструкций были разработаны следующими учеными: Баженовым Ю.М., Бакировым Р.О., Белобровым И.К., Бондаренко В.М., Гвоздевым А.А., Жарницким В.И., Жунусовым Т.Ж., Забегаевым А.В., Карпенко Н.И., Майоровым Е.Ю., Моро зовым В.И., Поповым Г.И., Рахмановым В.А., Рыковым В.И., Ставровым Г.И., а дальнейшее развитие методы динамического расчета получили в рабо тах Беликова А.А., Копаницы Д.Г., Котляревского В. А., Кумпяка О.Г., Плев кова В.С., Плотникова А.И., Пугачева В.И., Пузанкова Ю.И., Тихонова И.Н., Тонких Г.П., Трекина Н.Н., Яковенко Г.П., Балдина И.В. и других авторов.

Проведенный автором анализ методов расчета железобетонных конст рукций на кратковременные динамические воздействия позволил выбрать для исследований в теоретической части метод, основанный на деформаци онной модели с учетом динамических диаграмм деформирования бетона, сталефибробетона и арматуры, что позволяет учесть основные закономерно сти работы материалов и, как следствие, иметь представление о напряженно деформированном состоянии нормальных сечений на всем протяжении рабо ты конструкции.

Вторая глава посвящена разработке метода расчета сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении.

Поскольку данные воздействия относятся к аварийным, основное требо вание, предъявляемое к зданиям и сооружениям, состоит в том, что они должны выдержать без обрушения однократное воздействие кратковремен ной динамической нагрузки.

Расчет отдельных конструкций и несущей системы зданий в целом на воздействие кратковременной динамической нагрузки производится по пер вой группе предельных состояний. Состояние 1а устанавливается для конст рукций, в которых не допускается возникновения остаточных деформаций, вызывающих необходимость восстановительного ремонта конструкций или их замены. При состоянии 1б не допускается потеря несущей способности конструкции. В случае разрушения сжатой зоны бетона или обрыва растяну той арматуры возникает состояние 1в. При расчете сталефиброжелезобетон ных конструкций на кратковременное динамическое воздействие нормирова ние предельных состояний осуществляется при помощи абсолютных или от носительных предельных усилий, а также деформативных параметров.

Физической основой метода расчета сталефиброжелезобетонных эле ментов при кратковременном динамическом нагружении являются действи тельные нелинейные диаграммы деформирования бетона, фибробетона и ар матуры, аналитическое описание которых получено на основе обобщения имеющихся экспериментальных данных. Основные параметрические точки на диаграммах при кратковременном динамическом нагружении трансфор мируются вдоль временной координаты. Аналитическое описание диаграмм и коэффициентов динамического упрочнения для бетона и арматуры получе ны на основе логарифмических зависимостей профессоров Ю.М. Баженова и Г.И. Попова.

Нелинейная диаграмма деформирования и коэффициенты динамическо го упрочнения для сталефибробетона (рисунок 1) получены на основе работ В.И. Григорьева, Л.Г. Курбатова, Ф.Н. Рабиновича и результатов собствен ных исследований.

а) б) f » для сталефибробетона при сжатии Рисунок 1 – а) - Диаграмма «f и растяжении при кратковременном динамическом нагружении;

б) - измене ние коэффициента динамического упрочнения для сталефибробетона во вре мени действия динамической нагрузки.

f » при сжатии описывается Для сталефибробетона диаграмма « для восходящей ветви при 0 f f, выражением:

f f f Rf · 2·.   (1),, f, f, Для нисходящей ветви, характеризующей неупругую работу сталефиб робетона при f, f f,, заложена зависимость:

f f, f Rf ·1 0,15 ·.  (2) ,, f, f, f » при растяжении описы Для сталефибробетона диаграмма « вается выражениями (1) и (2), в которых вместо характеристик (f,, f,, R f,, f, f,  и f, ) используются соответственно значения (f,, f,, R f,, f, f,  и f, ).  Коэффициенты  динамического  упрочнения  сталефибробетона  при  сжа тии и растяжения определяются выражениями:  kf 1,558 0,31 lg 0,062 lg  ,, kf 1,485 0,25 Lg 0,059 Lg. (3),.

Динамический расчет изгибаемых и сжато-изогнутых сталефиброжеле зобетонных элементов производится с помощью стандартных электронно вычислительных комплексов, основанных на методе конечных элементов, а также аналитическим методом. В диссертации рассмотрены дифференциаль ные уравнения движения сталефиброжелезобетонного элемента, загруженно го поперечной динамической нагрузкой, с приложенной продольной силой, в упругой, упругопластической и пластической стадиях работы элемента.

Анализ выполненных расчетов пространственных систем зданий и со оружений показал, что при динамическом нагружении сталефиброжелезобе тонных элементов с учетом их совместной работы, возможной податливости опорных устройств и других факторов, величины усилий N и M достигают максимальных значений в разные промежутки времени. При этом с умень шением продолжительности действия динамической нагрузки эффект сниже ния перемещений и усилий возрастает, а процесс достижения их максималь ных значений может носить колебательный характер. В результате динами ческого расчета получается массив действующих усилий, который использу ется в дальнейшем для оценки прочности сталефиброжелезобетонных эле ментов.

Большое внимание в работе уделено совершенствованию метода расчета прочности изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных элементов с зон ным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении, реализующего деформационную модель с учетом нелинейных диаграмм деформирования бетона, сталефибробетона и арматуры.

В диссертации условия относительной прочности нормальных сечений стержневых сталефиброжелезобетонных элементов определены численно, на основе деформационной модели, и аналитически. Предельные изгибающие моменты, воспринимаемые сталефиброжелезобетонным элементом, приняты относительно центра тяжести бетонного сечения. За единичные параметры приняты несущая способность бетонного сечения при сжатии и сжатии с из гибом относительно его центра тяжести. Получены уравнения равновесия внешних сил и внутренних усилий в нормальном сечении сталефиброжелезо бетонного элемента в абсолютных и относительных величинах. Уравнения равновесия в относительных величинах запишутся в виде:

t  ;

, f f t  . (4), f f В условиях (4) t – относительная действующая про, R,A M дольная сила;

t - относительный действующий изгибающий, R,S S момент;

- относительный изгибающий момент, воспринимаемый S бетоном сжатой зоны сечения;

- относительная продольная сила, вос AZ принимаемая бетоном сжатой зоны сечения;

- относи R,S тельный изгибающий момент, воспринимаемый растянутой арматурой сече A ния;

- относительная продольная сила, воспринимаемая R,A Af Zf f растянутой арматурой сечения;

- относительный f R,S изгибающий момент, воспринимаемый сталефибробетоном растянутой зоны Af f сечения;

f - относительная продольная сила, восприни R,A маемая сталефибробетоном растянутой зоны сечения;

Af Zf f f - относительный изгибающий момент, восприни R,S Af f маемый сталефибробетоном сжатой зоны сечения;

- от f R,A носительная продольная сила, воспринимаемая сталефибробетоном сжатой A Z зоны сечения;

- относительный изгибающий мо R,S A мент, воспринимаемый сжатой арматурой сечения;

R,A относительная продольная сила, воспринимаемая сжатой арматурой сечения.

Разработанный метод расчета сталефиброжелезобетонных элементов реализует деформационную модель с учетом динамических диаграмм де формирования бетона, арматуры и сталефибробетона, исходя из их напря женно-деформированного состояния на всех стадиях работы элемента. При этом за критерий исчерпания динамической прочности нормального сечения принимается достижение деформациями растянутой арматуры и сжатого бе тона (сталефибробетона) в рассматриваемом сечении элемента их предель ных значений.

При этом значения предельных деформаций для бетона и арматуры при няты согласно СП 52-101-2003, а для фибробетона - на основе литературных данных и данных, полученных в результате испытаний контрольных образ цов при проведении экспериментальных исследований.

Процесс вычисления внутренних усилий в сжато-изогнутом сталефиб рожелезобетонном элементе разбивается на 67 этапов, на каждом из которых определяются значения высоты сжатой зоны бетона (фибробетона), дефор маций бетона (сталефибробетона) сжатой зоны сечения, сталефибробетона растянутой зоны сечения, сжатой и растянутой арматуры.

Далее, на основании аналитических зависимостей, описываемых диа граммы деформирования бетона, арматуры и сталефибробетона, производит ся определение напряжений в каждом из этих материалов по вычисленным значениям деформаций. По полученным значениям напряжений осуществля ется послойное суммирование усредненных в пределах слоев значений внут ренних усилий. В результате определяются предельные относительные про дольные усилия и изгибающие моменты, воспринимаемые нормальным сече нием, которые являются координатами, описывающими область относитель ного сопротивления по прочности нормального сечения сжато-изогнутого сталефиброжелезобетонного элемента при кратковременном динамическом нагружении.

Жесткопластическая модель материалов положена в основу инженерно го метода расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых стале фиброжелезобетонных элементов с использованием областей относительного сопротивления по прочности.

Аналитически описаны и выявлены закономерности построения области относительно сопротивления по прочности нормальных сечений для железо бетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры, как в рас тянутой, так и в сжатой зонах сечения элемента.

Условия относительной прочности сжато-изогнутого сталефиброжеле зобетонного элемента при зонном армировании из стальной фибры в растя нутой (сжатой) зонах приняты на основе условия (4), в котором вместо ре альных напряжений в бетоне, арматуре и фибробетоне, изменяющихся в про цессе нагружения элемента, приняты значения расчетных сопротивлений этих материалов, определяемых с учетом нормативных источников (СП 52 104-2006 – для фибробетона, и СНиП 2.03.01-84* - для бетона и арматуры).

Для железобетонных элементов область относительного сопротивления аппроксимирована двумя кривыми области прочности бетонного сечения, которые перемещаются вертикально по наклонным направляющим, завися щим от расположения арматуры в сечении. При применении зонного арми рования из стальной фибры в растянутой зоне происходит смещение области относительного сопротивления влево и вверх по параболической траектории (рисунок 2-а), при зонном сталефибровом армировании в сжатой зоне сме щение области происходит вправо вверх по параболе – рисунок 2-б.

При кратковременном динамическом нагружении область относительно го сопротивления прочности трансформируется вдоль временной координа ты.

Полученные области относительного сопротивления позволяют оценить прочность сталефиброжелезобетонного элемента при любом сочетании про дольных сил и изгибающих моментов.

Большая наглядность при расчетах прочности сталефиброжелезобетон ных элементов достигается при векторном представлении относительных усилий, возникающих в рассматриваемых сечениях, части или элементе в це лом от внешних динамических воздействий, полученных в результате дина мического расчета. При этом каждому воздействию или сумме воздействий будут соответствовать компоненты векторов действующих относительных.  усилий: /, / а) б) Рисунок 2 – Область относительного сопротивления по прочности нор мального сечения при кратковременном динамическом нагружении сжато изогнутого железобетонного элемента с зонным армированием из стальной фибры: а) - в растянутой зоне;

б) - в сжатой зоне.

После проецирования относительных значений усилий на плоскость и получим изменение следа относительных усилий во времени (рисунок 2, б).

Разность (, ) между значениями действующих относительных усилий и предельных усилий, воспринимаемых сечением, названа компонен тами запаса прочности сечения сталефиброжелезобетонного элемента. При положительном их значении условия прочности рассматриваемого элемента выполняются (рисунок 2), в противном случае – не выполняются.

Разработанный метод расчета доведен до алгоритма и программы расче та изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных конструкций с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом на гружении с учетом неупругих свойств сталефибробетона и железобетона.

Выполненные по программе обширные численные исследования позволили установить влияние различных характеристик сталефибрового армирования на прочность сжато-изогнутых железобетонных элементов при кратковре менном динамическом нагружении.

На рисунке 3 представлены характерные графики изменения несущей способности сжато-изогнутого сталефиброжелезобетонного элемента в зави симости от высоты зонного армирования из стальной фибры в растянутой (рисунок 3-а) и сжатой зонах (рисунок 3-б) сечения.

а) б) Рисунок 3 – Характерные графики изменения несущей способности сжа то-изогнутого сталефиброжелезобетонного элемента в зависимости от высо ты зонного армирования из стальной фибры: а) - в растянутой зоне сечения;

б) – в сжатой зоне.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям сжато изогнутых железобетонных балок с зонным армированием из стальной фиб ры в растянутой или сжатой зонах при кратковременном динамическом на гружении.

Программа экспериментальных исследований (рисунок 4) включает в себя испытание двух железобетонных и шестнадцати сталефиброжелезобе тонных балок при кратковременном динамическом нагружении. Зонное ар мирование из стальной фибры, высотой 0,2 h и 0,3 h, применялось либо в растянутой, либо в сжатой зонах. Было испытано по четыре образца для каж дого варианта зонного армирования, два из которых испытывалось при крат ковременном динамическом поперечном изгибе, а два - при кратковременном динамическом поперечном изгибе с обжатием, с различным уровнем про дольного сжимающего усилия.

Экспериментальные образцы представляют собой железобетонные балки прямоугольного сечения 100 x 200 мм (рисунок 4), длиной 2200 мм, с расчет ным пролетом 2000 мм. Балки армировались вязаными пространственными каркасами с нижней рабочей арматурой (212 A-400С), верхняя арматура из двух стержней 6 А-240. Поперечная арматура выполнена в виде гнутых хомутов из проволоки 5 В500 с шагом 75 мм в приопорной зоне. Для зон ного армирования железобетонных балок применялась фибра (2 % по объему бетона), нарезанная из стальной полосы, сечением 0,4 х 0,6 мм длиной 40 мм по ТУ 67-987-88.

Рисунок 4 – Программа экспериментальных исследований Для проведения экспериментальных исследований были разработаны оригинальная установка и стенды для испытания сталефиброжелезобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении (рисунок 5).

Методика проведения экспериментальных исследований, конструктив ное решение испытательных стендов, измерительных устройств и автомати зированная установка для испытания строительных конструкций обладают новизной, что подтверждено четырьмя патентами РФ.

Рисунок 5 – Общий вид стенда для испытания сжато-изогнутых стале фиброжелезобетонных элементов при кратковременном динамическом на гружении.

Для измерения деформаций бетона и сталефибробетона применялись тензорезисторы марки ПКБ – 50 с базой 50 мм, деформаций растянутой арма туры - тензорезисторы марки ПКБ – 10 базой 10 мм по два датчика на каж дый стержень. Для фиксирования ускорения были установлены 5 акселеро метров по длине элемента с одинаковым расстоянием друг от друга. В тех же точках, что и акселерометры, располагались и датчики перемещений. Также акселерометры располагались на силоизмерителе и на грузосбрасывателе для определения скорости падения груза. Балки испытывались кратковременной динамической нагрузкой, приложенной в четвертях расчетного пролета.

В результате проведенных экспериментов установлены зависимости де формативности бетона, сталефибробетона и арматуры, несущей способности, характера развития трещин и разрушения образцов, изменения энергоемко сти и прогибов сталефиброжелезобетонных элементов от величины продоль ного усилия и параметров зонного сталефибрового армирования при кратко временном динамическом нагружении. На рисунке 6 представлены характер ное изменение кратковременном динамической нагрузки и опорных реакций во времени (рисунок 6,а) и гистограмма изменения реакции системы для экс периментальных балок при кратковременном динамическом нагружении в зависимости от толщины и расположения слоя зонного армирования из стальной фибры, а также величины продольной сжимающей нагрузки (рису нок 6,б).

а) б) Рисунок 6: а) – характерное изменение динамической нагрузки и опор ных реакций во времени;

б) - изменение реакции системы при испытании сталефиброжелезобетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении в зависимости от уровня продольной сжимающей силы.

Полученные при экспериментальных исследованиях схемы разрушения и трещинообразования элементов (рисунок 7) показали, что железобетонные балки с зонным сталефибровым армированием в растянутой зоне разруши лись вследствие образования и дальнейшего раскрытия по высоте нормаль ных трещин по всей длине балки с дальнейшим разрушением сжатой зоны бетона. У балок с зонным армированием из стальной фибры в сжатой зоне разрушение происходит вследствие образования нормальных трещин по дли не балки и при дальнейшем развитии трещин в процессе загружения проис ходит незначительное разрушение сжатой зоны бетона. При увеличении уровня продольной сжимающей силы наблюдается более характерное разру шение сжатой зоны бетона, а количество нормальных трещин по длине балки уменьшается, основное разрушение происходит в центральной части элемен та.

а) б) в) г) д) Рисунок 7 - Схемы разрушения и трещинообразования балок: а) – желе зобетонная балка;

б) – железобетонная балка с fbt = 40 мм;

в) – железобе тонная балка с fbt = 60 мм;

г) – железобетонная балка с fb = 40 мм;

д) – железобетонная балка с fb = 60 мм.

Одной из важных характеристик работы конструкции при динамическом нагружении является ее энергоемкость. Энергоемкость опытных балок оце нивалась как работа, затраченная на их разрушение. Она подсчитывалась по графикам прогибов в момент наступления в конструкции предельных со стояний:

Aб Pdy (5) где Аб – энергоемкость балки, P – нагрузка, yel(pl) – прогибы балки при достижении предельного состояния Iа или Iб, определяемые по формуле y ydx. (6) При расчете по формулам (5) и (6) интегрирование велось численно ме тодом трапеций. Для повышения точности интегрирования применялась sp-line интерполяция значений прогибов по пролету балки.

Анализ эффективности применения зонного армирования из стальной фибры для изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных элементов при различном уровне продольной сжимающей силы показал:

- использование зонного сталефибрового армирования в растянутой зо не, толщиной 40 мм и 60 мм при нулевом уровне продольной сжимающей силы для изгибаемых железобетонных элементов повышает их несущую спо собность на 12 % и 18%, энергоемкость на 6 % и 10 %, а максимальные про гибы уменьшаются на 22 % и 24 %;

- использование зонного сталефибрового армирования в сжатой зоне се чения, толщиной 40 мм и 60 мм при нулевом уровне продольной сжимающей силы для изгибаемых железобетонных элементов повышает их несущую спо собность на 20 % и 25 %, энергоемкость на 14 % и 20 %, а максимальные прогибы уменьшаются на 38 % и 43 %;

- при действии продольной сжимающей силы, равной 0,25 Rbbh, несущая способность железобетонных и сталефиброжелезобетонных элемен тов повышается в среднем на 5…6 % по сравнению с изгибаемыми элемен тами;

- при последующем увеличении продольной сжимающей силы до уровня 0,5 Rbbh происходит снижение несущей способности сталефиброжеле зобетонных элементов в среднем на 3…8 % по сравнению с чистым изгибом;

- наибольший эффект на несущую способность железобетонных элемен тов оказывает применение зонного сталефибрового армирования сжатой зо ны, при этом величина такого армирования составляет 1/3 от высоты сечения элемента;

- при увеличении значения продольной сжимающей силы до 0,25 Rbbh величина перемещений для всех видов балок уменьшается в среднем на 9…11 % по сравнению с чистым изгибом, а при величине 0,5 Rbbh величина максимальных перемещений уменьшается на 22…25 % по сравнению с чистым изгибом.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал право мерность использования гипотезы плоских сечений при расчете сжато изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении.

Четвертая глава посвящена численному исследованию прочности нор мальных сечений изгибаемых и сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамиче ском нагружении и сопоставлению результатов теоретического расчета с ре зультатами экспериментальных исследований. Результаты сопоставления теоретических и экспериментальных исследований сталефиброжелезобетон ных элементов с зонным армированием из стальной фибры в сжатой и растя нутой зонах представлены в таблице 1.

Анализ результатов расчетов на основе разработанного метода расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры и сравнение их с результатами экспериментальных исследований при кратковременном динамическом на гружении показывают, что отклонения составляют 4-15 % в сторону запаса прочности.

Таблица 1 - Результаты расчета сжато-изогнутых сталефиброжелезобе тонных элементов и сравнение с результатами экспериментальных исследо ваний теор Величина теор зонного Уровень (По От сталефиб- Откло относи- про- (Инже клоне эксп рового ар- нение тельной грамме нерный ние, % мирования продоль- JBK- метод, % ной силы NM- расчета) f f Fibre) 0 0.25 2,42 2,32 4 2,23 0.25 2,51 2,42 4 2,37 40 0.5 2,3 2,22 4 2,17 0.25 2,51 2,46 4 2,41 60 0.5 2,48 2,25 9 2,13 0.25 2,75 2,62 5 2,4 0 0.5 2,62 2,48 5 2,21 0.25 2,91 2,73 6 2,55 0 0.5 2,8 2,73 4 2,45 В диссертации представлены графики изменения несущей способности железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры, как в сжатой, так и в растянутой зонах, при кратковременном динамическом на гружении в зависимости от различных параметров: толщины зонного арми рования, величины и характера армирования нормальных сечений, уровня относительной продольной сжимающей силы, размеров сечений, классов бе тона и арматуры, прочностных и деформативных характеристик фибробето на.

В качестве направлений развития диссертационного исследования отме чены:

- применение высокопрочной арматуры или смешанного армирования в железобетонных элементах с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении;

- необходимость разработки методов динамического расчета прочности и деформативности сталефиброжелезобетонных элементов различного попе речного сечения (двутаврового, таврового, трапециевидного и др.) при крат ковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Сформулированы предпосылки и разработан метод расчета прочности нормальных сечений сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом на гружении, основанный на деформационной модели и нелинейных диаграм мах деформирования бетона, арматуры и сталефибробетона, обладающий единым методологическим подходом при расчете изгибаемых и сжато изогнутых элементов, полнотой и наглядностью для принятия более обосно ванных практических решений.

2. Разработана программа, позволяющая выполнять расчеты железобе тонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратко временном динамическом нагружении при любом сочетании продольной си лы и изгибающего момента. Выполненные расчеты показали, что разрабо танный метод позволяет с точностью, достаточной для решения практиче ских задач, определять несущую способность сжато-изогнутых железобетон ных элементов с зонным армированием из стальной фибры. Отклонения тео ретических результатов расчета от экспериментальных данных составляют 3-15 % в сторону запаса прочности.

3. Разработана методика экспериментальных исследований сжато изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении, при реализации ко торой были созданы оригинальные конструкции испытательных стендов, устройств и автоматизированная установка для экспериментальных исследо ваний строительных конструкций, новизна которых подтверждена четырьмя патентами РФ.

4. Проведенные экспериментальные исследования железобетонных эле ментов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении позволили получить новые опытные данные, ха рактеризующие процесс сопротивления сталефиброжелезобетонных конст рукций: изменение деформаций бетона, арматуры и сталефибробетона в се чении, перемещения, ускорения, характер изменения динамической нагрузки и опорных реакций во времени на различных стадиях динамического дефор мирования конструкции, в зависимости от величины и расположения зонного армирования и величины относительной продольной сжимающей силы.

5. Установлено, что применение зонного армирования из стальной фиб ры для сжато-изогнутых железобетонных элементов повышает их несущую способность в среднем на 18…22 % при армировании сталефибробетоном растянутой зоны элемента, и на 27…33 % при армировании сжатой зоны;

при действии продольной сжимающей силы, равной 0,25 Rbbh несущая спо собность сталефиброжелезобетонных элементов повышается в среднем на 5…6 % по сравнению с изгибаемыми элементами, при последующем увели чении продольной сжимающей силы, до уровня 0,5 Rbbh происходит снижение несущей способности сталефиброжелезобетонных элементов в среднем на 3…8 %. Установлено, что наибольший эффект на несущую спо собность железобетонных элементов оказывает применение зонного армиро вания из стальной фибры в сжатой зоне сечения, при этом величина такого армирования составляет 0,3 от высоты сечения элемента.

6. Разработанный метод расчета, а также программа расчета на ЭВМ прошли апробацию в 26 Центральном научно-исследовательском институте МО РФ и используются при расчетах сталефиброжелезобетонных конструк ций специального назначения, а результаты экспериментальных исследова ний используются в учебном процессе при подготовке специалистов в Том ском государственном архитектурно-строительном университете.

.

Публикации по теме диссертации Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК 1. Уткин, Д.Г. Экспериментальные исследования сжато-изогнутых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при кратковременном динамическом нагружении / Д.Г. Уткин // Вестник ТГАСУ. 2008. - № 3, С. 156-164.

Статьи в других печатных изданиях 2. Леонтьев, М.П. Исследования прочности нормальных сечений же лезобетонных конструкций с зонным сталефибробетонным армированием / М.П. Леонтьев, Д.Г. Уткин, И.Э. Итерман // Научные труды общества железобетонщиков Сибири и Урала. – 2005. - № 8. – С. 102-105. (доля ав тора 75 %).

3. Плевков, В.С. Экспериментальные исследования изгибаемых ста лефиброжелезобетонных балок при кратковременном динамическом на гружении / В.С. Плевков, Д.Г. Уткин, М.П. Леонтьев // Материалы III Межрегиональной научно-технической конференции. – Братск 2005. – С.

92-96. (доля автора 50 %).

4. Плевков, В.С. Влияние зонного сталефибробетонного армирова ния в растянутой зоне изгибаемых железобетонных элементов на их проч ность и трещиностойкость при статическом и кратковременном динамиче ском нагружениях / В.С. Плевков, М.П. Леонтьев, Д.Г. Уткин // Томск.

гос. архит.-строит. ун-т – Томск, - Рус.-Деп. в ВИНИТИ, 2005.-52 с. (доля автора 50 %).

5. Балдин, И.В. Расчет прочности нормальных сечений сталефибро железобетонных элементов при помощи областей относительной прочно сти / И.В. Балдин, Д.Г. Уткин // Материалы V Межрегиональной научно технической конференции. – Братск 2007. – С. 8-11. (доля автора 80 %).

6. Уткин, Д.Г. Совершенствование метода расчета изгибаемых желе зобетонных элементов с зонным сталефибровым армированием при крат ковременном динамическом нагружении / Д.Г. Уткин // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. Материалы междуна родных академических чтений. – Курск 2007. – С. 151-156 (доля автора 100 %).

7. Уткин, Д.Г. Программа и результаты экспериментальных исследо ваний изгибаемых и внецентренно сжатых сталефиброжелезобетонных ба лок при кратковременном динамическом нагружении / Д.Г. Уткин, А.В.

Дурнов // Знания, умения, навыки – путь к созданию новых инженерных решений» материалы университетской научно - практической конферен ции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 100-летию со дня рождения Никитина Н.В., выдающегося российского инженера и уче ного в области строительных конструкций. – Томск: Изд-во Томского по литехнического университета, 2007. – С. 85-87. (доля автора 80 %).

8. Леонтьев, М.П. Работа изгибаемых железобетонных элементов с зонным армированием из стальной фибры при статическом и кратковре менном динамическом нагружении / М.П. Леонтьев, Д.Г. Уткин // Науч но-методические проблемы в сфере проектирования, строительства и экс плуатации недвижимости. Сборник докладов семинара. Семинар конференция юбилейных мероприятий, посвященных 175-летию СПбГА СУ. – Санкт-Петербург, 2007. – С. 66-71. (доля автора 70 %).

9. Балдин, И.В. Результаты экспериментальных исследований изги баемых сталефиброжелезобетонных балок при кратковременном динами ческом нагружении / И.В. Балдин, Д.Г. Уткин, А.В. Дурнов // Материалы VI Межрегиональной научно-технической конференции. – Братск 2008. – С. 27-31. (доля автора 60 %).

Патенты 10. Пат. 75239 Российская Федерация, МПК G01N 3/00. Установка для экспериментальных исследований строительных конструкций / В.С.

Плевков, Г.И. Однокопылов, Д.Г. Уткин, П.В. Дзюба;

опубл. 27.07.2008, Бюл. № 21. – 2 с. (доля автора 70 %).

11. Пат. 74472 Российская Федерация, МПК G01N 3/303, G01M 7/08.

Устройство для динамического нагружения испытываемой конструкции / В.С. Плевков, Г.И. Однокопылов, П.В. Дзюба, Д.Г. Уткин;

опубл.

27.06.2008, Бюл. № 18. – 1 с. (доля автора 50 %).

12. Пат. 77433 Российская Федерация, МПК G01N 3/00, G01N 3/08, G01N 3/30. Стенд для испытания железобетонных элементов на кратко временный динамический изгиб / В.С. Плевков, И.В. Балдин, Д.Г. Уткин, А.В. Дурнов;

опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29. – 2 с. (доля автора 80 %).

13. Пат. 77434 Российская Федерация, МПК G01N 3/00, G01N 3/08, G01N 3/30. Стенд для испытания железобетонных элементов на кратко временный динамический изгиб с обжатием/ В.С. Плевков, И.В. Балдин, Д.Г. Уткин, А.В. Дурнов;

опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29. – 2 с. (доля автора 80 %).

УТКИН ДМИТРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ СЖАТО-ИЗОГНУТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ЗОННЫМ АРМИРОВАНИЕМ ИЗ СТАЛЬНОЙ ФИБРЫ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

АВТОРЕФЕРАТ

Изд. лиц. № 021253 от 31.10. Подписано в печать 13.11.2009 г. Формат 60x84 1/ Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Усл. – печ.л. 1. Уч.-изд. Л. 1,0.

Тираж 120 экз. Заказ № 424..

Изд-во ГОУ ВПО «ТГАСУ», 634003, Томск, пл. Соляная, 2.

Отпечатано с оригинал-макета автора в ООП ГОУ ВПО «ТГАСУ».

634003, г. Томск, ул. Партизанская,

 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.