Введение к работе
Актуальность темы исследования. Известно, что основная проблема расчета железобетонных конструкций составного сечения связана с количественным определением деформаций сдвига в зоне контакта двух бетонов. Деформации сдвига зависят от конструктивного решения сопряжения элементов составной конструкции, схемы и интенсивности поперечного армирования, вида напряженного состояния, схем трещинообразования, класса бетона элементов и других факторов. Значительное количество исследований посвящено деформированию железобетонных составных конструкций, в которых в основном рассматриваются балочные и стержневые конструкции с одноосным напряженным состоянием при конкретных схемах их армирования. В то же время значительная часть конструкций зданий и сооружений работают в условиях сложного сопротивления, что оказывает решающее влияние на характер их напряженного состояния и, следовательно, на их деформативность и трещиностойкость.
Теория деформирования сложно напряженных железобетонных конструкций зданий и сооружений с учетом различных факторов физической нелинейности, включая и трещинообразование, была рассмотрена в работах Н.И. Карпенко, В.И. Травуша, В.И. Колчунова, В.С. Федорова, Х.З. Баширова и др., а также ее различные варианты в приращениях, в том числе и применительно к плосконапряженным конструкциям. В то же время деформационные зависимости этой теории не охватывают модели плосконапряженных элементов составного сечения, моделирующих зону контакта двух бетонов составной плосконапряженной конструкции и, тем более в случаях совместного проявления длительных процессов деформирования при коррозионных воздействиях.
Для сложнонапряженных бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивной среде, весьма актуальна формулировка и решение задачи о динамике изменения во времени их прочностных и деформативных свойств. Результаты этих исследований до настоящего времен продолжают оставаться предметом дискуссий в отношении различий самих подходов к решению задач трещиностойкости, прочности и деформативности сечений при одновременном проявлении силовых и средовых воздействий.
В связи с этим, учитывая длительный режимный характер нагружения железобетонных составных конструкций и возможность коррозионных повреждений при их эксплуатации, представляет интерес разработка деформационной модели и критериев прочности и трещиностойкости межсредовой зоны контакта элементов составных плосконапряженных железобетонных конструкций. Перечисленные обстоятельства позволяют говорить о том, что выбранная тема обладает актуальностью и научной новизной.
Степень разработанности темы. Несмотря на достаточно широкое изучение
составных и сборно-монолитных коррозионно поврежденных железобетонных
конструкций такими учеными как В.М. Бондаренко, Х.З. Баширов, А.И. Васильев,
Г.А. Гениев, А.Б. Голышев, И.С. Горностаев, Е.А. Гузеев, В.Г. Ерофеев,
Н.И. Карпенко, С.Н. Карпенко, Вл.И. Колчунов, В.И. Морозов, Л.М. Ошкина,
С.Г. Парфенов, А.И. Попеско, В. И. Римшин, В.П. Селяев, Г.А. Смоляго,
В.С. Федоров, Н.В. Федорова, Astorga Ariela, Boni, L., Ferrier, E., Kmiecik, P., Rad-
far Sahar и др., далеко не все особенности их напряженно-деформированного состояния в условиях силовых и средовых воздействий достаточно изучены.
В работах В.М. Бондаренко, Е.А. Ларионова, Н.В. Клюевой, В.П. Селяева, И.И. Овчинников и других ученых, посвященных исследованию кинетики коррозионных повреждений железобетонных эксплуатируемых конструкций, показано, что остается не достаточно изученным вопрос учета особенностей деформирования эксплуатируемого железобетона в условиях одновременного проявления режимного силового нагружения и средовых повреждений.
Расчеты железобетонных конструкций составного сечения в большинстве своем основываются на приведении конструкции к псевдо или квази-сплошному сечению, использованию нелинейных и даже линейно-упругих законов деформирования материалов или на учете различной прочности бетонов при условном моделировании сечения элемента, к примеру податливости швов, типа их сопряжения и др. Приведенные подходы не позволяют достаточно строго и подробно отразить поведение железобетонного и в особенности сложнонапряженного элемента составного сечения под нагрузкой.
Цель работы – разработка расчетной модели длительного деформируемых плосконапряженных коррозионно повреждаемых железобетонных элементов конструкции составного сечения в межсредовой зоне контакта двух бетонов.
Основные задачи исследования:
разработка расчетной модели и построение критериев прочности и трещи-ностойкости железобетонного плосконапряженного элемента составного сечения при режимных силовых и средовых воздействиях;
разработка методики и проведение экспериментальных исследований составных железобетонных балок с моделированием их коррозионного износа;
разработка методики и алгоритма расчета трещиностойкости и длительной прочности железобетонных плосконапряженных коррозионно повреждаемых конструкций составного сечения с трещинами;
разработка рекомендаций по расчету железобетонных плосконапряженных конструкций составного сечения с трещинами при одновременном проявлении силовых и средовых воздействий.
Научную новизну работы составляют:
расчетная модель длительного деформирования плосконапряженного кор-розионно поврежденного составного железобетонного элемента с трещинами;
результаты экспериментальных исследований и сопоставительного анализа теоретических и опытных данных железобетонных балок составного сечения с трещинами в межсредовой зоне контакта двух бетонов при плоском напряженном состоянии;
методика и алгоритм расчета трещиностойкости и прочности коррозионно поврежденных железобетонных конструкций составного сечения при одновременном длительном проявлении силовых и средовых воздействий.
Теоретическая и практическая значимость работы. Построенная расчетная модель длительного деформирования плосконапряженного коррозионно повреждаемого железобетонного элемента позволяет определить напряженно-деформированное состояние режимно нагруженных составных железобетонных
конструкции, работающих с трещинами в зоне контакта двух бетонов при длительном деформировании, с учетом коррозии бетона и арматуры.
Разработанная расчетная модель может быть использована при оценке остаточного ресурса прочности и трещиностойкости эксплуатируемых в условиях коррозионных воздействий железобетонных конструкций зданий и сооружений, в том числе в запредельных состояниях.
Методология и методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования основаны на методах геометрического, физико-механического и численного моделирования строительных конструкций, методов сопротивления материалов, строительной механики и теории железобетона, а также методах экспериментальной механики железобетона.
Положения, выносимые на защиту:
- расчетная модель длительного деформирования плосконапряженного желе
зобетонного коррозионно поврежденного железобетонного элемента с трещина
ми;
физические соотношения характерного плосконапряженного элемента в зоне межсредового контакта двух бетонов и алгоритм расчета трещиностойкости, деформативности и прочности железобетонных составных конструкций, работающих с трещинами;
результаты экспериментальных и численных исследований длительного деформирования коррозионно поврежденных железобетонных конструкций составного сечения с трещинами при одновременном проявлении силовых и средо-вых воздействий.
Обоснованность и достоверность научных исследований базируются на использовании базовых положений строительной механики и механики железобетона, а также подтверждаются результатами экспериментальных исследований железобетонных конструкций составного сечения с моделированием в них коррозионных повреждений.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международный научный семинар «Перспективы развития программных комплексов для расчета несущих систем зданий и сооружений» (Курск, 19-20 сентября 2013); Региональный круглый стол «Теория расчета сооружений и конструкций: современное состояние и перспективы развития научных школ ЮЗГУ» (Курск, 11 апреля 2014); III Международная научно-практическая конференция «Проектирование и строительство» секция «Промышленное и гражданское строительство» (Курск, 16-17 марта 2017); Международная научная конференция VIII Академические чтения, посвященные памяти академика РААСН Осипова Г.Л. «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность» (Москва, 3-5 июля 2017).
В полном объеме работа была доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры Уникальные здания и сооружения федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» (г. Курск), 7 сентября 2018 года.
Реализация результатов работы. Материалы исследований использовались при выполнении НИОКР в рамках государственного задания Минстроя России по развитию нормативной технической базы, направленной на обеспечение безопасности зданий и сооружений и применение передовых инновационных технологий проектирования и строительства: «Разработка методов расчетного анализа живучести зданий и рекомендации по их защите от прогрессирующего обрушения» (2015 г); «Определение нормируемых параметров, обеспечивающих защиту зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения» (2016 г); «Разработка пособия по проектированию мероприятий по защите зданий и сооружений от прогрессирующего разрушения» (2018).
Результаты работы в виде алгоритма расчета и расчетных зависимостей прочности и трещиностойкости плосконапряженных составных элементов железобетонной балки-стенки с трещинами были использованы ФГБУ «НИИСФ РА-АСН» при выполнении НИР по теме: РААСН 7.1.7 «Расчет динамических догружений в арматуре преднапряженных железобетонных элементов составного сечения при внезапном выключении и трещинообразовании элементов в конструктивной системе».
Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы использованы Орловским академцентром РААСН при выполнении расчетов железобетонных каркасов зданий и сооружений, проектируемых центром, в их числе: Винный комплекс по адресу республика Крым с. Оползневое; Многоэтажный комплекс грязелечебницы по адресу республика Крым с. Оползневое.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 9 научных работ в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, из которых 2 публикация в журнале, входящем в базу данных Scopus, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Работа изложена на 190 страницах, проиллюстрирована 47 рисунками и, 10 таблицами. Список литературы содержит 251 источник, в том числе 22 иностранных.