КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
Мессауді Алі
УДК 624. 12.04
ТЕМПЕРАТУРНІ ЗУСИЛЛЯ І МІЦНІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ПРАЦЮЮТЬ НА ЗГИНАННЯ,
ПРИ ДІЇ НЕРІВНОМІРНОГО НАГРІВУ І НАВАНТАЖЕННЯ
У НЕЗБІЖНИХ ПЛОЩИНАХ
05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Залізобетонні конструкції, основи та фундаменти” Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Корсун Володимир Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри “Залізобетонні конструкції, основи та фундаменти”.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Коляков Маркус Йосипович, Український зональний науково – дослідний і проектний інститут експериментального і типового проектування по цівільному будівництву (КиївЗНДІЕП), заступник директора;
кандидат технічних наук, доцент Журавський Олександр Дмитрович, Київський національний університет будівництва і архітектури (КНУБА), доцент кафедри “Залізобетонні та кам’яні конструкції”.
Провідна установа: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, кафедра “Залізобетонні та кам’яні конструкції” Міносвіти України, м. Харків.
Захист відбудеться “ 2 “ липня 1999 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 252037, м.Київ, Повітрофлотський проспект, 31.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 252037, м.Київ, Повітрофлотський проспект, 31.
Автореферат розісланий “28” травня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., с.н.с. Кобієв В.Г.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Для більшості залізобетонних конструкцій, що працюють в умовах спільної дії навантаження і підвищених температур, характерно розбіжність площин дії силового навантаження і температурного перепаду по перерізу. Нерівномірний нагрів обумовлює неоднорідність міцнісних і деформативних властивостей бетону, а в статично невизначених конструкціях призводить до виникнення додаткових температурних зусиль. При розбіжності площини дії температурного перепаду з головними площина-ми перерізу, а також із площиною дії зовнішнього навантаження статично невизначені залізобетонні елементи відчувають особливу форму згинання – косе згинання із перемінним співвідношенням згинальних моментів Mx і My
Чинні в даний час норми проектування СНиП 2.03.04-84 регламентують врахування впливу підвищених і високих температур на граничні стани залізобетонних конструкцій тільки для випадку збігу площини температурного перепаду з однієї з головних площин елемента.
Розрахунок залізобетонних конструкцій при косому згинанні регламентується нормами проектування СНиП 2.03.01-84* тільки по міцності і тільки для умов нормальної температури. Більш складні випадки косого згинання, зокрема комбінації силових і температурних впливів при розбіжності площин теплового потоку і навантаження, нормами проектування не розглядаються через недостатню вивченість даного питання.
Тому удосконалення методів розрахунку залізобетонних конструкцій, що працюють на сприйняття складних випадків температурних і силових дій, є актуальною задачею, що має важливе значення для підвищення надійності й економічності конструкцій.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в відповідності з відкритим планом наукових досліджень, що проводяться на кафедрі залізобетонних конструкцій, основ та фундаментів Донбаської державної академії будівництва і архітектури за держбюджетною темою К-3-2-96 “Експериментальні дослідження і розробка методів розрахунку залізобетонних інженерних споруд з урахуванням волого-температурних впливів, включаючи розробку методів їх підсилення”.
Мета та задачі дослідження. Метою роботи є експериментально-теоретичне дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних балкових елементів, що працюють на згинання, при дії температурного перепаду і навантаження в незбіжних площинах і удосконалення на цій основі методики розрахунку таких конструкцій за граничними станами. Для досягнення поставленої мети вирішені такі задачі:
– розроблена методика випробувань і виконані експериментальні дослідження роботи залізобетонних балкових елементів, що працюють на згинання, у випадку незбігу площин температурного перепаду і навантаження;
– виконані експериментальні дослідження міцнісних і деформативних властивостей бетону при стандартної й уповільненої в 12 разів швидкостях навантаження в умовах нагріву до 1500С;
– розвинута методика визначення напруженно-деформованого стану залізобетонних балкових елементів з урахуванням неоднорідності міцнісних і деформативних властивостей по перерізу, у якій розрахунок на плоске згинання є окремим випадком;
– виконані теоретичні дослідження з застосуванням ЕОМ напружено-де-формованого стану (НДС) залізобетонних балкових елементів при різноманіт-них варіантах дії температури і навантаження в незбіжних площинах; отримано добру відповідність розрахункових значень результатам експериментів;
– розроблені рекомендації по розрахунку температурних зусиль і міцності балкових елементів при впливі температурного перепаду і навантаження в незбіжних площинах.
Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі викладені такі нові наукові положення і результати:
– дані експериментальних досліджень міцнісних і деформативних властивостей важкого бетону в умовах нагрівання до +1500С, у тому числі при різних швидкостях навантаження;
– аналітичні вирази для оцінки впливу температури нагрівання до +200оС на міцність при стиску і розтягу, на модуль пружності і граничну стискальність бетону;
– дані експериментальних досліджень температурних зусиль і міцності балкових елементів, що працюють на згинання при розбіжності площин нагрівання і навантаження;
– результати аналізу напружено-деформованого стану залізобетонних балкових елементів, що працюють на згинання при розбіжності площин нагрівання з головними площинами елемента і площиною навантаження;
– рекомендації з розрахунку температурних зусиль і міцності балкових елементів, що працюють на косе згинання, при впливах нагрівання і навантаження в незбіжних площинах.
Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результа-ти досліджень отримані здобувачем самостійно. Особисто автором виконані:
– розробка випробних пристріїв, методики випробувань і проведення экспериментальних досліджень;
– розробка всіх методик, алгоритмів і виконання чисельних експериментів, наведених у дисертації;
– систематизація і аналіз результатів экспериментальних і теоретичних досліджень, розробка відповідних аналітичних виразів;
– розробка рекомендацій по розрахунковому визначенню температурних зусиль і міцності балкових елементів при впливах різної тривалості температурного перепаду і навантаження.
Практичне значення отриманих результатів складається в тому, що розроблені рекомендації із розрахунку температурних зусиль і міцності балкових елементів, що працюють на згинання в умовах впливу температурного перепаду і навантаження в незбіжних площинах, дозволяють більш надійно проектувати залізобетонні конструкції такого призначення. Результати роботи використані:
– при оцінці напружено-деформованого стану головних балок міжповерхового монолітного ребристого перекриття відділення ваграночних печей труболиварного цеху №2 Макіївського труболиварного заводу на етапі розробки технічного рішення на посилення основних конструкцій каркаса монолітної багатоповерхової будівлі;
– інститутом Донецький ПромбудНДІпроект при розрахунку елементів залізобетонного димаря висотою H=100м і конструкцій газоходів Маріупольського коксохімзаводу (АТЗТ “Маркохім”) на етапі розробки технічної документації на посилення конструкцій споруд.
Апробація. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на міжнародній науково-технічній конференції по проектуванню і будівництву димарів (CICIND, Лісабон, 10-12 вересня 1992 р.); на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДДАБА в 1992-1998 роках.
Публікації. За темою роботи опубліковано 6 друкарських робіт, що відображують її основний зміст, у тому числі: п’ять публікацій у збірниках праць ДДАБА і ХДАМГ та одна публікація в збірнику доповідей міжнародної конференції.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків і додатка. Вона викладена на 158 сторінках, містить 93 сторінки основного тексту, 45 ілюстрацій, 6 таблиць, список використаних джерел із 98 найменувань на 11 сторінках, додаток на трьох сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі до дисертації викладено актуальність роботи, мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність, наведено інформацію про зв’язок з держбюджетною науково-технічною програмою і про апробацію роботи.
В розділі 1 виконаний аналіз робіт, присвячених дослідженню впливу нерівномірного нагрівання на напружено-деформований стан залізобетонних балкових і плоских елементів, що працюють на згинання, у тому числі статично невизначених (роботи Б.А. Альтшулера, А.Я. Барашикова, П.І. Васильєва, А.Ф. Мілованова, В.І Мурашова, І.Є. Прокоповича, В.В. Жукова, О.Д. Журавського, О.П. Кричевського, М.Й. Колякова, В.І. Корсуна, В.А .Косторніченка, В.В. Кардакова, М.А. Невгеня, В.Д. Передерея, В.М. Самойленка, С.Л. Фоміна та інших дослідників) і проаналізовані основні принципи побудови методики визначення напружено-деформованого стану залізобетонних елементів – балок і пластин при нерівномірному нагріванні. Всі експериментальні дослідження з вивчення температурних зусиль і міцності залізобетонних елементів, що працюють на згинання, при нерівномірному нагріванні виконані для випадку збігу площини температурного перепаду з площиною вигину елемента. В теоретичних дослідженнях також розглянуто тільки випадок однобічного нагріву з напрямом теплового потоку, що збігається з площиною вигину елемента. Відомості про експериментальні дослідження температурних зусиль і граничних станів залізобетонних елементів, що працюють на згинання і навантаження в незбіжних площинах, з аналізу літературних джерел не виявлені.
Розглянуто вплив підвищених температур на властивості важкого бетону, який достатньо повно досліджено в роботах вітчизняних і закордонних дослідників, серед яких варто виділити роботи Б.А.Альтшулера, А.Ф.Мілованова, К.Д.Нєкрасова, О.П.Кричевського, В.М.Самойленка, С.Л.Фоміна і ряду інших дослідників. Вплив підвищених температур викликає в бетоні розвиток як деструктивних процесів, так і процесів структуроутворен-ня. Деструктивні процеси розвиваються, в основному, при першому коротко-часному нагріванні і призводять до зниження міцності, модуля пружності і структурних характеристик бетону. При тривалому ізотермічному нагріванні в бетоні переважають конструктивні процеси, що сприяють зміцненню структури і частковому відновленню міцності бетону. Переважна більшість результатів отримано при стандартної або близьких до неї швидкостях навантаження бетону. Відомостей про вплив терміну навантаження на міцність і деформації бетону в умовах нагрівання з аналізу літературних джерел не виявлено.
Розглянуто також роботу залізобетонних конструкцій в умовах косого згинання при нормальній температурі. Цій темі присвячені роботи П.Ф.Вахнен-ка, М.С.Торяника, Ю.П.Гущи, О.А.Ільїна, Ю.Ф.Чиненкова та інших дослідни-ків. Експериментальними і теоретичними дослідженнями виявлені основні особливості роботи залізобетонних елементів в умовах косого згинання. Відомостей про дослідження роботи залізобетонних елементів на косе згинання в умовах нагрівання з аналізу літературних джерел не виявлено. На підставі вивчення стана питання сформульовані основні задачі і напрямки досліджень.
В розділі 2 викладені методи експериментальних досліджень і аналізу отриманих результатів. Температурні зусилля досліджувалися на залізобетон-них балкових елементах із розмірами 120х250х2100 мм, армованих в розтягну-тій зоні – 2 14 АIII, у стиснутій зоні – 2 8 АI, поперечна арматура – 6 АI.
Випробування залізобетонних балок провадилися в два етапи, що відповідають характерним стадіям роботи конструкцій – стадії експлуатації при тривалій дії температури і навантаження експлуатаційного рівня і стадії наступного короткочасного довантаження зростаючим до руйнування згинальним моментом Mx.
На першому етапі досліджувався вплив температурного перепаду і тривалості його дії на чисельні значення температурних моментів Mtx і Mty і їхню зміну в часі, визначалися момент утворення і ширина розкриття тріщин і послідовність їхнього розвитку на верхній і бічних гранях елемента, а також деформації подовжньої осі елементів – подовження z і кривизн x і y. На другому етапі випробувань досліджувалися зміни температурних моментів Mtx і Mty, деформації подовжньої осі, розкриття тріщин і міцність залізобетонних балкових елементів при короткочасному довантаженні згинальним моментом Mx і зберіганні негнучкості подовжньої осі з площини довантаження (y=0). Зразок для випробувань на першому етапі досліджень являв собою залізобетонний брус, позбавлений можливості вигину у вертикальній і горизонтальній площинах при дії температурного перепаду, що не збігає з головними площинами елемента. Залізобетонний зразок вільно спирався на дві пари опор у горизонтальній і вертикальній площинах і мав два рівних консольних звиса. Нижня й одна з бічних граней піддавалися нагріванню, а подовжня вісь утримувалася в прямолінійному стані шляхом додавання поперечних сил до консолей у вертикальній і горизонтальній площинах. У зв’язку з реалізацією складної форми згинання – косого згину контроль за кривизною подовжньої осі і її усуненням на всіх етапах випробувань здійснювався по складовим x і y кривизни у площинах YOZ і XOZ. При цьому чисельні значення реактивних моментів Mx і Мy, що усувають температурні кривизни x і y, приймалися за відповідні складові частини Mtx і Mty температурного моменту.
Характеристики міцнісних і деформативних властивостей, температурно-усадочні деформації і повзучість бетону досліджувалися на зразках-призмах із розмірами 150х150х600мм. Дослідження повзучості бетону проводилося на спеціальному устаткуванні, обладнаному теплоізоляційними камерами з електронагрівачами і пружинами для тривалого навантаження.
В розділі 3 подані результати експерименальних досліджень впливу температури і тривалості нагрівання до +150С на міцнісні і деформативні властивості бетону при стиску, у тому числі при стандартної і зменшеної в 12 разів швидкостях навантаження, приведені розрахункові пропозиції, які дозволяють враховувати досліджувані чинники.
Короткочасне нагрівання бетону до 90 і 150С призвело до зниження призмовій міцності відповідно на 24.5% і 22.5%. При тривалому нагріванні завбільшки 1 року відзначалося часткове відновлення міцності відповідно до 84% і 94% від початкового значення. Встановлено, що для бетону, що випробовувався після тривалого нагрівання, а також для бетону , що не нагрівався, зниження призмової міцності в результаті зменшення в 12 разів швидкості навантаження склало від 9 до 11%. Для бетону, що навантажувався після короткочасного нагрівання, зниження міцності, що обумовлене зниженням швидкості навантаження, склало при температурах 90С і 150С відповідно 4% і 7%.
Призмову міцність бетону при нагріванні з урахуванням швидкості навантаження рекомендується визначати за формулою:
= Rb *bt *rbtr , (1)
де bt – коефіцієнт умов роботи, що враховує в СНиП 2.03.04-84 вплив температури і тривалості нагрівання на міцність бетону при осьовому стиску;
rbt – коефіцієнт умов роботи, що враховує вплив швидкості навантаження і приймається для швидкостей, менших стандартної в 10-15 разів, рівним: для випадку короткочасного нагрівання rbt=0.9; для тривалого нагрівання rbt =0.85.
Аналітичні вирази для коефіцієнтів умов роботи бетону на стиск bt і розтяг tt в умовах нагрівання, наслідуючи пропозиціям О.П.Кричевського, записуються у вигляді:
; . (2)
де e і et – функції, що враховують зниження міцності бетону при стиску і розтягу в умовах короткочасного нагрівання;
Rb,tem і Rbt,t – функції, що враховують наступне підвищення міцності при тривалому нагріванні в порівнянні з короткочасним.
На підставі аналізу результатів виконаних експериментальних досліджень (рис.1) і досвіду інших авторів для апроксимації функцій e і et запропоновані вирази, що залежать тільки від температури нагрівання to:
; (3)
(4)
де ; a1= -0,00194; b1= 0,042; c1= -0,274; d1= 0,234;
a2= 0. 00224; b2 = -0. 0484; c2 = 0. 316; d2 = -0. 234.
Для опису функцій впливу тривалого нагрівання Rb,tem і Rbt,t пропонується використовувати вирази, що розроблені О.П.Кричевським.
Початковий модуль пружності бетону при короткочасному нагріванні до температур 90 і 150С знизився, у середньому, відповідно на 28% і 34%.
Тривалий нагрів бетону практично не привів до подальшої зміни початкового модуля пружності в порівнянні з короткочасним нагріванням. Тривале попереднє обтиснення надає несуттєвий вплив на модуль пружності бетону при нагріванні, декілька підвищуючи його значення в порівнянні з необтиснутим бетоном. У цілому, підвищення модуля пружності попередньо
обтиснутого бетону в порівнянні з необтиснутим складало 2-12% і не враховувалось у розрахункових пропозиціях.
Аналітичний вираз для визначення модуля пружності важкого бетону в діапазоні температур від +20oС до +200oС пропонується в залежності від рівня нагрівання в такому вигляді:
, (5)
де a3=0,00064; b3=- 0,0193; c3= 0,181; d3= -0,162.
Гранична стискальність бетону u,tem при короткочасному нагріванні до 90 і 150С збільшилася відповідно на 1.9% і 20.2% у порівнянні з граничною стискальністю бетону при нормальній температурі. Тривалий нагрів до 90С и 150С привів до додаткового збільшення граничної стискальності бетону в порівнянні з короткочасним нагріванням відповідно на 14.2% і на 25%. Граничні деформації бетону при стиску u,tem в умовах нагрівання до +200oС із достатнім ступенем точності можуть бути визначені з такого співвідношення:
u,tem =u*bt/b . (6)
Значення коефіцієнта лінійної температурної деформації бетону при першому короткочасному нагріванні до температур 90 і 150С склали, у середньому, відповідно bt=11.7•10-6 і bt=9.6•10-6 (град-1 ). Для оборотніх температурних деформацій бетону при остиганні після тривалого нагрівання до 90 і 150С значення коефіцієнтів лінійного температурного розширення склали відповідно bt=8*10-6 і bt =9.1*10-6 град-1. Значення температурної усадки за час тривалого нагрівання склали 58*10-5 при температурі 90С и 52*10-5 при 150С.
Підвищені температури значно впливають на граничний розмір деформацій повзучості важкого бетону. Для зразків, завантажених безпосередньо перед нагріванням і що випробовувалися при ізотермічній дії температур 90 и 150С, чисельні значення міри повзучості бетону склали при рівні навантаження =0.2 відповідно 8,2*10-5 і 11,3*10-5 (МПа-1), а при рівні = 0.5 – 10,6*10-5 і 15,4*10-5 (МПа-1) відповідно. З збільшенням температури випробувань спостерігається ріст швидкості розвитку деформацій повзучості важкого бетону в початковий період нагрівання і збільшення швидкості їхнього згасання. Повне згасання деформацій повзучості відзначено при температурі 90С через 70-80 діб, при температурі 150С – через 40-45 діб. Нелінійна залежність між напруженнями в бетоні і деформаціями повзучості чітко виявлялася при рівні навантаження =0.5. Значення функції нелінійності fс складали при температурі 90С – 1.29, а при температурі 150С – 1,36.
Для аналітичного опису деформацій повзучості бетону в умовах нагрівання найбільшою мірою підходить методика, яка розроблена О.П.Кричевським і побудована на основі спадкової теорії старіння. Для розрахунків залізобетонних конструкцій при впливі нерівномірного нагрівання з урахуванням неоднорідності міцнісних і деформативних властивостей по перерізу для скорочення обсягів збереженої інформації та економії ресурсів ЕОМ зручним є урахування повзучості бетону за допомогою ізохрон У зв’язку з практично повною відсутністю експериментальних досліджень діаграм-ізохрон при нагріванні був прийнятий експериментально-теоретичний спосіб їхньої побудови. Для режимів навантаження, що вимірюються десятками діб, прийнятий теоретичний метод, а для режимів навантаження, що вимірюються десятками годин, – експериментальний метод одержання діаграм-ізохрон. Теоретична побудова ізохрон при нагріванні базується на методиці, розробленої М.І.Карпенком і Т.А.Мухамедієвим для умов нормальної температури, у котру введено функції врахування впливу нагрівання на основні характеристики міцності і деформування бетону. Показано, що методика розрахункової побудови ізохрон достатньо добре відбиває результати експериментальних досліджень діаграм деформування бетону при нагріванні і короткочасному навантаженні і дозволяє побудувати достовірні діаграми-ізохрони для бетону в умовах нагрівання до +200С. Аналіз діаграм-ізохрон для осьового стиску і тривалості навантаження від 1 години до 50 діб свідчить, що основними чинниками, що визначають їхній характер, є температурне старіння і нелінійність деформацій повзучості. Розглянуто жорсткий і м’який режими навантаження. Встановлено, що м’який режим навантаження, особливо при невисоких температурах нагрівання, дозволяє реалізуватися температурному старінню при невисоких рівнях навантаження. У результаті особливо істотно відрізняються розміри питомих характеристик повзучості бетону. Відношення їхніх граничних значень для м’якого і жорсткого режимів при 60 діб навантаження склали при 150С – 0.17, при 90С – 0.19, при 60С – 0.25, тоді як при нормальній температурі це відношення близько до 0.5.
В розділі 4 подані результати експериментальних і теоретичних досліджень напружено-деформованого стану (НДС) балкових елементів, що працюють на згинання, для найбільш характерних випадків впливу температурних перепадів і навантаження в незбіжних площинах і рекомендації щодо розрахункового визначення температурних зусиль і міцності таких елементів.
Для аналізу НДС залізобетонних елементів при участі автора була розроблена відповідна програма розрахунку для ЕОМ. Прийнята розрахункова модель грунтується на таких передумовах розрахунку. Розглядається залізобетонний елемент прямокутного перерізу з розмірами і розташуванням арматури в нижній і верхній зонах перерізу. Розподіл температури по висоті і ширині перерізу приймається заданим, при цьому температура є функцією координат xji , yji. Розглядається випадок нерівномірного нагрівання по перерізу балкових залізобетонних елементів при довільній орієнтації площини напрямку теплового потоку щодо головних осей перерізу елемента. Припускається, що елемент може вільно подовжуватися уздовж осей “X” і “Y”, тобто, x=0, y=0. Механічні характеристики бетону й арматури приймаються функціями температури. Переріз елемента з неоднорідними властивостями представляється. у вигляді системи елементар них ділянок площею dF=dx*dy (рис.2). Припускається, що в межах елементарної ділянки напруження z,ji, температура бетону і його физико-механічні властивості постійні. Фізичні співвідношення, що зв’язують внутрішні зусилля і деформації на рівні серединної осі, отримані на підставі роздільного урахування фізичної нелінійності деформовування і тривалих процесів у бетоні.
Повні деформації елементарної ділянки бетону z,ji в напрямку осі “Z” приймаються у вигляді суми деформацій, обумовлених напруженням z,ji, температурним розширенням b,ij*tb,ij, усадкою cs,ji і повзучістю c,ji бетону. Повна деформація k-го арматурного стержня s,k складається зі складових, обумовлених дією напруження s,k і температурного розширення st,k*ts,k. Робота розтягнутого бетона між тріщинами враховується за допомогою коефіціента s.
Виразивши напруження в ji-тій ділянці бетону z,ji і k-тому арматурному стержні s,k, через складові деформації осі елемента, записавши умови статичної екві-валентності напружень і внутріш-ніх зусиль в перерізі, нормальному до подовжньої осі елемента, прийнявши справедливою гіпотезу плоских перерізів, і здійснивши угруповання відповідних членів, отримуємо фізичні співвідношен-ня, що встановлюють зв’язки між згинальними моментами Mx, My, подовжньою силою Nz в перерізі і складовими деформації подовж-ньої осі елемента – кривизнами x i y та подовженням oz.
Розв’язання фізично нелінійної задачі здійснювалося методом пружних рішень у сполученні з кроковим методом збільшення температурного і силового навантаження. При впливі на елемент підвищеної температури час її дії розділявся на окремі інтервали перемінної тривалості. Наявність або відсутність тріщин визначались окремо для кожної аналізованої ділянки. Включення в роботу на стиск раніше тріснутої ділянки дозволялось при досягненні в ній напружень стиску не менш, як 0.5 МПа. В розрахунку здійснювались граничні умови, відповідні реальним балковим конструкціям. Розглянуто чотири типи задач у залежності від умов закріплення на опорах і прикладених силових впливах. Отримано добру відповідність розрахункових значень зусиль і деформацій експериментальним даним (рис.3). Показано, що числові значення температурних моментів залежать від розмірів температурного перепаду, режиму температурних і силових впливів, неоднорідних по площі перерізу температурно-усадочних, пружно-пластичних деформацій бетону, а також від наявності тріщин. Достатньо точне визначення температурних моментів у залізобетонних елементах можливо лише з використанням методів розрахунку, орієнтованих на застосування ЕОМ.
Для інженерних розрахунків рекомендується наближена методика визначення температурних моментів, що засновується на наближеному розв’я-занні задачі термопружності для стержньових елементів при використанні
додаткових спрощуючих передумов і основних положень СНиП 2.03.04-84.
Числові значення температурних моментів у залізобетонному балковому елементі, позбавленому можливості вигину в головних площинах при нерівномірному нагріванні, рекомендується визначати в загальному виді за такими виразами:
(7)
де Mtx і Mty – згинальні моменти щодо осей “X” і “Y” від перепаду температур у площинах “ZOY” і “ZOX”, які приймаються згідно з СНиП 2.03.04-84 відповідно:
Mtx = Bx(1/r)x; Mty = By(1/r)y; (8)
(1/ r)x, (1/r)y – відповідні вільні кривизни подовжньої осі елемента в площинах “ZOY” і “ZOX” від перепаду температур у тих же площинах.;
Bx, By – жорсткості перерізу балкового елемента в площинах “ZOY” і “ZOX”, які визначаються по вказівках п.п. 4.17 і 4.18 СНиП 2.03.04-84, підставляючи відповідні параметри перерізу для напрямків уздовж осей “Y” і “X”.
Для ділянок залізобетонного елемента, що працюють у розтягнутій зоні без тріщин, температурні деформації подовжньої осі – подовження z і кривизни (1/r)x і (1/r)y рекомендується визначати за формулами (17)-(20) СНиП 2.03.04-84 з використанням відповідних геометричних та теплофізичних параметрів для ділянок залізобетонного перерізу. При нерівномірному нагріванні елементів із прямолінійним розподілом температури як по висоті, так і по ширині перерізу подовження осі елемента z і кривизни (1/r)tx і (1/r)ty припускається визначати за формулами (23), (24) СНиП 2.03.04-84.
В досліджуваних елементах при тривалої дії нагрівання виникають також додаткові зусилля у ненапруженій арматурі, які обумовлені температурно-усадочними деформаціями і повзучістю бетону. Їхні чисельні значення рекомендується визначати по формулі (8) СНиП 2.03.01-84*. При цьому додаткові напруження в ненапружній арматурі від температурно-усадочних деформацій і повзучості бетону рекомендується визначати за формулою:
s,tem = (oz – st ts)Ess. (9)
Отримано задовільну відповідність розрахункових значень температурних моментів і рівнодіючої додаткових напружень в арматурі за формулами (7)-(9) із експериментальними даними, а також з результатами розрахунку на ЕОМ.
У випробуваннях нерівномірно нагрітих по перерізу балок на дію у вертикальній площині зростаючого згинального моменту Mx встановлено вплив згинального моменту у горизонтальній площині Mty на зниження несучої спроможності конструкцій у вертикальній площині. Так у балці Б-I при односторонньому нагріванні з боку стиснутої зони до 150oС (при Mty=0) зниження несучої спроможності за рахунок зниження міцності бетону при нагріванні і зменшення плеча внутрішньої пари сил у порівнянні з еталонною балкою (to=20oС) склало 5.5%. У балці Б-III при одночасному нагріванні знизу до 150oС і збоку до 90oС (при Mty0) зниження несучої спроможності у вертикальній площині склало 12.8%. У балці Б-IV при односторонньому нагріванні збоку до 90oС (при Mty0) зниження несучої спроможності у вертикальній площині склало 8.1%. Виявлене при випробуваннях додаткове зниження несучої спроможності залізобетонних балок у вертикальній площині при нерівномірному нагріванні пояснюється їхньою роботою в умовах косого вигину внаслідок наявності додаткового згинального моменту Mty у горизонтальній площині в результаті прояви неоднорідних по перерізу температурних і пружно-пластичних деформацій бетону. З збільшенням розміру моменту навантаження Mx відбувається релаксація складової Mtx температурного моменту і спостерігається деяка зміна в межах від +15% до -30% значень Mty, який до моменту руйнування елемента цілком не релаксує і обумовлює наявність додаткових напружень стиску в бетоні стиснутої зони.
Виконано аналіз можливості застосування методики розрахунку міцності залізобетонних елементів, що працюють на косе згинання, розробленої в роботах П.Ф. Вахненка, до конструкцій, що працюють в умовах нерівномірного нагрівання. Прийнято таку розрахункову схему зусиль у нормальному перерізі балки при однобічному нагріванні. Повний розмір граничного згинального моменту M укладається з вертикальної складової Mx від дії навантаження і горизонтальної складової, обумовленої нерівномірним по перерізу нагріванням Myt. Зв’язок між ними встановлюється залежностями типу:
; ; , (10)
де – кут нахилу силової площини.
Приймаючи принцип суперпозиції для моментів, що виникають у площині нагрівання, можна записати:
Myt = Myt1 + Myt2 . (11)
де Myt1 – момент, викликаний перепадом температур по товщині елемента; Myt2 – додатковий згинальний момент, виникаючий унаслідок неоднорідності деформування бетону в площині нагрівання.
Значення моментів Мyt1 і Мyt2 у стадії руйнування рекомендується визначати за формулами, аналогічними (8), приймаючи жорсткість залізобетонного елемента Byt з урахуванням впливу підвищених температур на властивості бетону і арматури.
Для моменту Мyt2 кривизну балки з площини навантаження, обумовлену неоднорідністю деформативних властивостей бетону в площині нагрівання (площині ZOX), рекомендується визначати за формулами:
; ; , (12)
де bt1 і bt2 – відповідні граничні деформації бетону в найбільше і найменш навантажених точках 1 і 2 стиснутої зони з урахуванням спадної гілки.
На підставі аналізу експериментальних діаграм bb, значення К1 з урахуванням деформацій бетону на спадній гілці рекомендується рівним 2.1.
Загальну жорсткість балки в площині нагрівання Byt рекомендується умовно визначати, як суму жорсткостей частини загального перерізу, що працює без тріщин і частини перерізу з тріщиною:
Byt = By1 + By2 . (13)
На підставі чисельних досліджень з використанням ЕОМ і з урахуванням даних випробувань для визначення жорсткості елементів пропонується використовувати формули (60)-(62) СНиП 2.03.04-84.
У зв’язку з тим, що розмір моменту Myt заздалегідь невідомий, розрахунок балок виконується методом послідовних наближень. Розміри перерізу стиснутої зони балки при її трапецієподібній формі, відповідно до пропозицій П.Ф.Вахненка, визначаються зі спільного розв’язання рівнянь:
;
, (14)
де x1, x2 – бокові значення висот стиснутої зони, xo,yo – координати ії центра ваги.
Складова граничного згинального моменту в площині навантаження визначається з рівняння рівноваги моментів зовнішніх і внутрішніх сил у тій же площині щодо осі, що проходить через рівнодіючу напружень у бетоні стиснутої зони:
. (15)
На першому етапі розрахунку для визначення положення нейтральної осі приймалося: C0 = tg = Myt1/Mxlim , де Myt1 розрахунковий температурний момент при короткочасному нагріванні, що визначається відповідно до реко-мендацій СНиП 2.03.04-84; Mxlim – руйнуючий згинальний момент у верти-кальній площині в припущенні відсутності зусиль у горизонтальній площині.
Ітераційний процес провадився доти, поки різниця між значеннями згинального моменту Mx, що обчисляється за формулою (15), на останній і попередній ітерації не перевищувала 2.5%. Зазначена точність була досягувана за три ітерації. Порівняння розрахункових і експериментальних значень міц-ності випробуваних залізобетонних балок свідчить про їхній задовільний збіг.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
1. Розроблено методику експериментальних досліджень залізобетонних балкових елементів на сумісну дію температурного перепаду і згинального моменту у незбіжних площинах.
2. Експериментально встановлено, що міцність звичайного важкого бетону при першому короткочасному нагріванні до температур +90о і +150оС при стандартній швидкості навантаження знижується, у середньому, на 24,5 і 22,5% відповідно. Тривалий нагрів при тих же температурах призводить до часткового відновлення міцності відповідно до 84% і 94% від міцності бетону, що не нагрівався. Уповільнення швидкості навантаження в 12 разів призводить до додаткового зниження міцності на 4-7% при короткочасному і на 9-11% при тривалому нагріванні в порівнянні з випробуваннями зі стандартною швидкістю навантаження.
3. Виявлено, що модуль пружності бетону при нагріванні до температур +90о і +150оС знижується в середньому відповідно на 28 і 34% і незначно залежить від тривалості нагрівання.
4. Розроблено аналітичні вирази, що дозволяють вірогідно оцінювати вплив короткочасного і тривалого нагрівання до +200оС на міцність важкого бе-тону при стиску і розтягу, а також на модуль пружності і граничні деформації.
5. Виконано експериментально-теоретичні дослідження напружено-деформованого стану залізобетонних балкових елементів, що працюють в умовах незбігу площин найбільшого температурного перепаду з головними площинами елемента, котрими встановлено, що в статично невизначених залізобетонних балкових елементах виникають температурні моменти зі складовими Mtx і Mty у двох взаємно ортогональних площинах, тобто, має місце складна форма згинання – косе згинання. Чисельні значення Mtx і Mty пропорційні значенням температурного перепаду і жорсткості перерізу у відповідній площині. При наступному після тривалого нерівномірного нагрівання довантаженні балкових елементів зростаючим згинальним моментом Mx відбувається релаксація складової Mtx і деяка зміна складової Mty температурного моменту внаслідок неоднорідного по перерізу пружно-пластичного деформування бетону.
Встановлено, що інтенсивний перерозподіл напружень між бетоном і арматурою внаслідок усадки і повзучості бетону призводить до появи додаткових напружень стиску в арматурі і напружень розтягу у бетоні
6. На підставі аналізу напружено-деформованого стану залізобетонних балкових елементів при нерівномірному нагріванні, який виконано з урахуванням основних специфічних властивостей залізобетону – роботи з тріщинами, фізичної нелінійності, усадки і повзучості бетону, неоднорідності міцнісних і деформативних властивостей і інших чинників, встановлено вплив ряду чинників (градієнта температур, відсотка подовжнього армування, наявності подовжньої стискальної сили та ін.) на температурні зусилля, тріщіностійкість, деформації і міцність залізобетонних балкових елементів.
7. Розроблено пропозиції щодо визначення температурних зусиль у залізобетонних балкових елементах, що відчувають косе згинання при нерівномірному нагріванні, з використанням методики СНиП 2.03.04-84.
8. Міцність балкових елементів, що працюють в умовах косого згинання при нерівномірному нагріванні в площині поперечного перерізу, припускається визначати за формулами (14)-(15) без урахування температурних моментів в площині навантаження, приймаючи характеристики міцності бетону в залеж-ності від температури бетону на рівні центра ваги стиснутої зони елемента.
ПУБЛІКАЦІЇ
1. Кричевский А.П., Передерей В.Д., Мессауди А. Прочность железобетонных изгибаемых элементов при действии нагрузки и одностороннего нагрева в несовпадающих плоскостях //Респ.межвед.сборник: “Коммунальное хозяйство городов” – Харьков, “Техника” 1997.-вып.12, с.48-50.
2. Корсун В.И., Мессауди А. Определение напряженно-деформированного состояния железобетонных балочных элементов в общем случае несовпадения плоскостей температурного перепада и нагружения //Респ. межвед. сборник: “Коммунальное хозяйство городов”-Харьков, “Техника” 1997.-вып.12, с.68-70.
3. Мессауди А. Влияние нагрева и скорости нагружения на проч-ностные и деформативные свойства бетона //Респ. межвед.сборник: “Ком-мунальное хозяйство городов”-Харьков, “Техника” 1999.-вып. 18 , с.85-87.
4. Krichevsky A.P., Brizhaty O.E., Меssaodi A. The behaviour of reinforced concrete under the action of repeated heating and wetting, CICIND, Zurich, Switzerland, Volume 9 – Number 1 – Spring 1993. – s.28 – 33.
5. Корсун В.И., Мессауди А. Исследование напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов при несовпадении плоскостей температурного перепада и нагружения //Экологические проблемы промышленного региона. Том 3: Ресурсосберегающие технологии в проектировании конструкций и технологических процессов – Макеевка-1995г., с.95-96.
6. Корсун В.И., Мессауди А. К определению основных параметров диаграмм деформирования бетона в условиях воздействия повышенных температур //Экологические проблемы промышленного региона. Том 3: Ресурсосберегающие технологии в проектировании конструкций и технологических процессов – Макеевка, 1995г., с.97-98.
В публікаціях [1,4] автору належать дані експериментальних досліджень температурних зусиль і міцності залізобетонних балок, що працюють на згинання у разі незбігу площин навантаження і нагріву.
В публікаціях [2,5] автору належить розгляд окремих випадків розв’язання системи рівнянь відповідно до умов закріплення балок на опорах.
В праці [6] автору належать аналітичні вирази для виявлення міцності і модуля пружності бетону в умовах нагріву.
АНОТАЦІЯ
Мессауді Алі. Температурні зусилля і міцність залізобетонних елементів, що працюють на згинання, при дії нерівномірного нагріву і навантаження в незбіжних площинах.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01- Будівельні конструкції, будівлі та споруди, Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 1999.
Дисертація присвячена питанням розробки та удосконалення методик розрахунку температурних зусиль та міцності залізобетонних элементів, що працюють на згинання, у випадку незбігу площин найбільшого температурного перепаду та навантаження.
Виконані експериментальні и теоретичні з використанням ЕОМ дослідження напружено-деформованного стану залізобетонних балкових элементів у різних випадках незбігу площин температурного перепаду з головними площинами элемента, а також з площиною навантаження.
Отримані експериментальні дані про вплив температур нагріву до 150С на міцнісні та деформативні властивості бетону при стандартній та сповільненій у 12 разів швидкостях навантаження.
Розроблені рекомендації щодо практичного розрахунку температурних зусиль та міцності балкових элементів при дії температурного перепаду та навантаження у незбіжних площинах.
Ключові слова: температурний перепад, неоднорідність, властивості бетону, температурні зусилля, перерозподіл напружень, косий згин, міцність.
АННОТАЦИЯ
Мессауди Али. Температурные усилия и прочность железобетонных изгибаемых элементов при действии неравномерного нагрева и нагрузки в несовпадающих плоскостях.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01- Строительные конструкции, здания и сооружения, Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 1999.
Диссертация посвящена вопросам разработки и совершенствования методики расчета температурных усилий и прочности железобетонных изгибаемых балочных элементов в случае несовпадения плоскостей наибольшего температурного перепада и нагружения.
Содержание диссертации. Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, дана ее общая характеристика.
В разделе 1 выполнен анализ работ, посвященных исследованию влияния неравномерного нагрева на напряженно-деформированное состояние железобетонных балочных элементов, сформулированы основные задачи исследований.
В разделе 2 изложены методы экспериментальных исследований и анализа полученных результатов.
В разделе 3 представлены результаты экспериментальных исследований влияния температур нагрева до 150С на прочность, модуль и упругости и предельные деформации бетона при кратковременном сжатии со стандартной и замедленной в 12 раз скоростях нагружения. Разработаны аналитические выражения для определения прочности бетона при осевом сжатии и растяжении, модуля упругости и предельных деформаций бетона в условиях нагрева до +200С. Получены экспериментальные данные о температурно-усадочных деформациях и ползучести бетона в условиях нагрева до 150С. Показана возможность применения методики диаграмм-изохрон для описания длительных деформаций бетона в условиях нагрева при соответствующем учете влияния повышенных температур на основные характеристики прочностных и деформационных свойств бетона.
В разделе 4 представлены результаты экспериментальных и теоретических с применением ЭВМ исследований напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных балочных элементов для наиболее характерных случаев воздействий температурных перепадов и нагрузки в несовпадающих плоскостях и рекомендации для расчетного определения температурных усилий и прочности таких элементов. Исследованиями подтверждено, что в железобетонных балочных элементах с неизгибаемой продольной осью в случае несовпадения плоскости температурного перепада с главными плоскостями элемента возникает особая форма изгиба – косой изгиб. Установлено, что численные значения составляющих Mtx и Mty температурного момента пропорциональны значениям температурного перепада и жесткости в соответствующих плоскостях. При первом нагреве температурные моменты достигают максимальной величины, при длительном нагреве частично релаксируют вследствие неоднородных по сечению деформаций усадки и ползучести бетона, при остывании после длительного нагрева возникают температурные моменты обратного знака. При последующем после длительного неравномерного нагрева догружении балочных элементов возрастающим изгибающим моментом Мх происходит релаксация составляющей температурного момента Мtх вследствие неоднородного по сечению упруго-пластического деформирования бетона и арматуры. При этом составляющая Мtу температурного момента полностью не релаксирует вплоть до разрушения элемента.
Интенсивное перераспределение напряжений между бетоном и арматурой вследствие усадки и ползучести бетона приводит к появлению дополнительных напряжений сжатия в арматуре и растягивающих напряжений в бетоне.
На основе анализа напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов разработаны рекомендации по практическому расчету температурных усилий в балочных элементах при воздействии температурного перепада и нагрузки в несовпадающих плоскостях с использованием дополнительных упрощающих предпосылок и основных положений СНиП 2.03.04-84.
Показана возможность использования методики расчета прочности косоизгибаемых железобетонных элементов, разработанной в работах П.Ф.Вахненко, для конструкций, работающих в условиях неравномерного нагрева. Сформулированы дополнительные предпосылки расчета и условия применения основных разрешающих уравнений. Представлено сопоставление расчетных значений прочности изгибаемых балочных элементов в условиях неравномерного нагрева с опытными данными.
Результаты диссертации. Получены экспериментальные данные о влиянии кратковременного и длительного нагрева, а также скорости нагружения на прочность, модуль упругости и предельную сжимаемость тяжелого бетона. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования напряженно-деформированного состояния изгибаемых балочных элементов при несовпадении плоскостей наибольшего температурного перепада и нагружения. Разработаны рекомендации по расчету температурных усилий и прочности балочных элементов, работающих в условиях косого изгиба при воздействии нагрева и нагрузки в несовпадающих плоскостях.
Ключевые слова: температурный перепад, неоднородность, свойства бетона, температурные усилия, перераспределение напряжений, косой изгиб, прочность.
Messaoudi Ali. Temperature efforts and strength of the ferro-concrete curved elements at an operation of irregular heat and load in distinct plans.- the Manuscript.
Thesis for candidate technical sciences degree by speciality 05.23.01- Building constructions, building and structure, Kyiv national university of construction and architecture, Kyiv, 1999.
The thesis is devoted to problems of elaboration and perfecting of calculation methods calculation of temperature efforts and strength ferro-concrete curved beams of the elements in case of an incongruity planes of the greatest temperature overfall and loading.
It was performed an experimental and theoretical research of the tensely-deformed condition ferro-concrete beams of the elements at various cases of an incongruity in a plane of the greatest temperature overfall with principal planes of the element, and also with a plane of loading with application of the computer.
The experimental data on influence of temperatures heat up to 150C on strengthening and deformability characteristic of concrete are obtained at standard and slow in 12 times of the velocities of loading.
The recommendations for practical calculation of temperature efforts and strength beams of the elements are developed at action of temperature overfall and load in distinct planes.
Key words: temperature overfall, heterogeneity, properties of concrete, temperature efforts, redistribution of intensity, oblique curving, strength.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
