Содержание к диссертации
Введение
1. Экспозиция конструктивной безопасности и живучести железобетона
1.1 Совершенствование методов проектирования железобетонных конструкций в условиях новых вызовов 17
1.2 Современные концептуально-методологические подходы к оценке конструктивной безопасности железобетонных конструкций 29
1.3 Расчетные модели деформирования железобетона, реализуемые при оценке предельных и запредельных состояний 42
1.4 Физические модели механики разрушения железобетона, реализуемые при оценке предельных и запредельных состояний 54
1.5 Краткие выводы. Цель и задачи исследований 61
2. Силовое и коррозионные сопротивление эксплуатируемых железобетоньж конструктивных систем меняющих расчетную схему
2.1 Общие положения. Исходные гипотезы 63
2.2 Силовое сопротивление железобетонных статически неопределимых систем со средовыми повреждениями и прогрессирующими разрушениями 70
2.3 Энергетическая основа оценки динамических эффектов в элементах внезапно повреждаемых конструктивных систем 88
2.3.1 Определение приращений напряжений в элементах стержневых статически неопределимых конструкций при внезапных выключениях элементов 91
2.3.2 Определение приращений кривизн в элементах конструкций при внезапных выключениях элементов и простейших диаграммах «момент-кривизна» 94
2.3.3 Определение приращений кривизн в элементах конструкций при внезапных выключениях элементов и произвольных параметрах диаграмм «М-ае» 100
2.3.4 Определение приращений динамических кривизн в железобетонных элементах рамно-стержневой статически неопределимой системы с учетом увеличения динамической прочности материалов 106
2.3.5 Определение времени приложения импульсного запроектного воздействия и динамической прочности материалов 109
2.4 Учет длительной прочности бетона при оценке силового сопротивления коррозионно повреждаемого сечения 114
2.5 Определение прочности коррозионно повреждаемого бетона при плоском напряженном состоянии 117
2.6 Выводы..". 122
3. Критерий живучести эксплуатируемых железобетонных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем при запроектных воздействиях
3.1 Общие положения. Исходные предпосылки 123
3.2 Критерии оценки развития неравновесных процессов в сечении коррозионно повреждаемого железобетонного элемента '. 130
3.3 Анализ живучести конструктивно нелинейных статически неопределимых конструкций с использованием неординарного смешанного метода 135
3.3.1 Моделирование статически неопределимых балочных систем 135
3.3.2 Рамные конструктивные системы 144
3.4 Расчет живучести коррозионно повреждаемых рам с приобретенными односторонними связями 152
3.5 К оценке живучести железобетонных конструкций с высоким уровнем предварительного напряжения 163
3.6 К расчету живучести железобетонных рам с элементами составного сечения 168
3.7 Выводы 190
4. Экспериментальные исследования живучести железобетонных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем
4.1 Цель, задачи и программа исследований 192
4.2 Конструкции опытных образцов и методика моделирования внезапного выключения связей в элементах конструктивных систем 195
4.2.1 Неразрезная балочная система с элементами сплошного и составного сечения 195
4.2.2 Двухпролетная рама с элементами слоистого и составного сечения 205
4.2.3 Ненапряженная и предварительно напряженная балка сплошного и составного сечения 219
4.2.4 Фрагмент пространственного покрытия из панелей оболочек КСО 230
4.3 Результаты испытаний железобетонных балочных, рамно- стержневых и пространственных систем и их анализ 23 5
4.3.1 Неразрезные балочные системы с элементами сплошного и составного сечения 235
4.3.2 Рамы с элементами сплошного и составного сечения 257
4.4 Составные ненапряженные и преднапряженные балки 273
4.5 Выводы 283
5. Особенности алгоритмизации задач расчета живучести железобетонных конструктивных систем и оценка эффективности предлагаемых методов расчета
5.1 Особенности алгоритмизации задач расчета конструкций с изменяющимися конструктивными схемами 285
5.1.1 Общие замечания 285
5.1.2 Алгоритм расчета балочных и рамных конструктивных систем при запроектных воздействиях 289
5.2. Анализ и оптимизация параметров живучести нелинейно деформируемых конструктивных систем в запредельных состояниях 307
5.2.1. Динамические догружения в нелинейно деформируемых конструкциях сплошного и составного сечения 307
5.2.2 Исследование влияния эволюционных деградационно неравновесных процессов на качественные и количественные значения параметров живучести конструктивных систем 332
5.3 Исследование живучести железобетонных рам при внезапной потере устойчивости отдельных элементов 347
5.4. Выводы 353
6. Оценка достоверности и эффективности разработанных расчетных зависимостей и рекомендации по созданию конструктивных систем
6.1 Расчет динамических догружений в конструктивно-нелинейных
стержневых системах при внезапных структурных перестройках в
них 355
6.2 Анализ основного параметра живучести железобетонных
конструктивных элементов в запредельных состояниях 370
6.3 Рекомендации по оптимизации параметров живучести
железобетонных конструктивных систем 380
Общие выводы и основные результаты 3 89
Литература
- Современные концептуально-методологические подходы к оценке конструктивной безопасности железобетонных конструкций
- Силовое сопротивление железобетонных статически неопределимых систем со средовыми повреждениями и прогрессирующими разрушениями
- Критерии оценки развития неравновесных процессов в сечении коррозионно повреждаемого железобетонного элемента
- Двухпролетная рама с элементами слоистого и составного сечения
Введение к работе
Актуальность работы. Ежегодный рост числа техногенных и природных катастроф, значительный износ основных фондов в стране выдвигают на проблему обеспечения безопасности зданий и сооружений в ряд важнейших. Значительную часть существующих конструктивных систем зданий и сооружений составляют железобетонные конструкции с длительными сроками эксплуатации. Традиционное решение задач конструктивной безопасности базируется на методе предельных состояний. При этом учитываются различные аспекты деформирования и разрушения железобетона, в том числе предыстория нагружения, режим силового нагружения, воздействия среды и другие особенности. Тем не менее, решение задач конструктивной безопасности в традиционной постановке уже не отвечает современным вызовам, которые относят к так называемым запроектным воздействиям. Такие воздействия часто ведут к непропорциональным отказам сооружений и, как следствие, к значительному ущербу и даже гибели людей.
На чувствительность конструктивных систем к таким воздействиям большое влияние оказывает неоднородность структуры сечений элементов и самой конструктивной системы, степень ее статической неопределимости и интенсивность армирования, уровень предварительного напряжения элементов, коррозионные повреждения конструкций и другие факторы. Анализ причин возникновения отказов и так называемых прогрессирующих обрушений сооружений указывают на актуальность и большое практическое значение постановки задач конструктивной безопасности в более широкой постановке, чем только оценка предельных состояний первой и второй групп. Если исходить из современной концепции приемлемого риска и допускать возможность разрушения конструктивных систем при внезапных запроектных воздействиях, то важнейшим показателем их безопасности становится не только конструктивная безопасность - как характеристика неразрушимости несущей системы в течение определенного проектом периода эксплуатации объекта недвижимости, но и живучесть – как характеристика неразрушимости конструктивной системы или большей ее части в течение расчетного эвакуационного промежутка времени.
Методы решения задач живучести железобетонных конструктивных систем, которые учитывали бы внезапные изменения конструктивной и, соответственно, расчетной схем конструкции при внезапном разрушении их элементов или отдельных связей недостаточно совершенны. В то же время, накопленный уровень знаний в области статики и динамики сооружений позволяет перейти от общих концептуальных положений теории живучести конструктивных систем из железобетона и других упруго–хрупко–пластических материалов к созданию основ теории и построению аналитических и полуаналитических методов анализа деформирования и разрушения физически и конструктивно нелинейных систем в запредельных состояниях.
Цель работы: создание основ теории живучести железобетонных балочных и рамно–стержневых конструктивных систем при одновременных силовых и коррозионных запроектных воздействиях и развитие методов расчета адаптационно приспособляемых к таким воздействиям сооружений.
В процессе реализации сформулированной проблемы были поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:
- разработана концепция и сформулированы исходные гипотезы и предпосылки о деформировании железобетонных физически и конструктивно нелинейных рамно–стержневых систем при внезапном выключении из работы их элементов или отдельных связей;
- построена расчетная модель силового сопротивления эксплуатируемого железобетона, учитывающая процессы накопления коррозионных повреждений и внезапные видоизменения конструктивной системы, вызванные этими повреждениями;
- на энергетической основе, без привлечения аппарата динамики сооружений разработана теория расчета динамических догружений в элементах конструктивных систем из хрупко–пластических материалов с внезапно выключающимися связями;
- сформулированы критерии живучести внезапно повреждаемых железобетонных рамно – стержневых конструктивных систем с выключающимися и односторонними связями, с учетом длительной и динамической прочности материалов;
- выполнены экспериментальные исследования живучести железобетонных конструктивных систем в виде неразрезных балок и рам с элементами сплошного и составного сечения;
- разработаны методы и алгоритмы расчета эксплуатируемых коррозионно повреждаемых железобетонных конструктивных систем при внезапных запроектных воздействиях;
-выполнены численные исследования живучести физически и конструктивно нелинейных железобетонных рамно–стержневых конструктивных систем при совместном проявлении силовых и коррозионных запроектных воздействий и дана оценка эффективности и достоверности предложенной теории и методов расчета;
-разработаны рекомендации по проектированию конструктивных систем из железобетонных элементов, адаптационно приспособляемых к внезапным запроектным воздействиям.
На защиту выносятся:
-разработанные основы теории живучести конструктивно нелинейных стержневых систем из железобетона, включающие формулировки исходных гипотез, расчетные модели силового сопротивления нагруженных железобетонных элементов при коррозионных повреждениях и динамических догружениях, критерии живучести внезапно повреждаемых конструктивно нелинейных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем, методы и алгоритмы их расчета при запроектных воздействиях;
-методика и результаты специально поставленных экспериментальных исследований по определению динамических догружений железобетонных элементов конструктивных систем в виде неразрезных балок и рам с элементами сплошного и составного сечения при моделировании силового нагружения коррозионных повреждений и догружений, вызванных внезапными выключениями элементов конструктивной системы, а так же по проверке параметров живучести;
-результаты численных исследований и анализа живучести нагруженных физически и конструктивно нелинейных железобетонных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем при совместном учете коррозионных повреждений и внезапного силового догружения;
-рекомендации по расчету железобетонных конструктивных систем, адаптационно приспособляемых к внезапным догружениям, а также проектированию конструкций, устойчивых к прогрессирующим разрушениям.
Научная новизна работы состоит в решении актуальной научно-технической проблемы – создании основ теории и методов расчета живучести конструктивных систем из железобетона, в частности:
- сформулированы исходные гипотезы для построения основ теории живучести конструктивных систем из железобетона, касающиеся физических соотношений для силовых и коррозионных воздействий, особенностей процесса нагружения, критериальных характеристик деформирования конструктивно и физически нелинейных систем;
- построена расчетная модель силового сопротивления эксплуатируемого железобетона, учитывающая одновременно протекающие коррозионные процессы изменения прочностных и деформативных характеристик материалов в нагруженных элементах конструкций и дополнительные динамические догружения от структурных изменений в конструктивной системе при внезапных выключениях из работы ее элементов;
- установлены критерии живучести внезапно повреждаемых железобетонных балочных и рамно-стержневых систем, в том числе с односторонними связями, при запроектных воздействиях;
-получены новые результаты экспериментальных и численных исследований живучести физически и конструктивно нелинейных железобетонных балочных и рамных систем при совместном проявлении силового нагружения, коррозионных воздействий и догружений, вызванных внезапными структурными изменениями в элементах таких систем;
- разработаны рекомендации по проектированию железобетонных конструктивных систем, устойчивых к прогрессирующим обрушениям при внезапных запроектных воздействиях.
Практическая значимость работы. Разработанный теоретический аппарат по расчету живучести железобетонных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем при средовых, силовых и деформационных запроектных воздействиях позволяет выполнить расчет живучести и прогнозировать состояние конструктивных систем из железобетона в запредельных состояниях. Учет такого прогноза при проектировании физически и конструктивно нелинейных систем из железобетона, в дополнение к традиционным методам оценки конструктивной безопасности строительных систем по предельным состояниям, оценить возможные перераспределения силовых потоков в сооружениях и, как результат, проектировать конструктивные системы зданий и сооружений, адаптационно приспособляемые к внезапным запроектным воздействиям.
Достоверность полученных результатов исследований подтверждается использованием фундаментальных положений строительной механики и механики железобетона при построении исходных предпосылок и расчетных зависимостей теории живучести железобетона, сопоставлением результатов расчета с данными экспериментальных исследований, выполненных как автором так и другими специалистами, а так же практикой проектирования конкретных объектов с расчетом их живучести по предложенной теории.
Доклады и публикации. Материалы исследований докладывались и обсуждались на VII международном научно-практическом семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров республики Беларусь» (Брест, Брестский ГТУ, 2001), международной научно-практической конференциия «Строительство 2002» (Ростов на Дону, РГСУ 2002), шестой традиционной (первой международной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (Москва, МГСУ, 2002), вторых международных академических чтениях РААСН «Новые энерго-ресурсосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, ОрелГТУ, 2003), III международных академических чтениях РААСН «Проблемы обеспечения безопасности строительного фонда России» (Курск, КурскГТУ, 2004), третьей международной научно-практической конференции «Развитие современных городов и реформа жилищно-коммунального хозяйства» (Москва, МИКХиС, 2005), международном научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» (Пермь, Пермь ГТУ, 2005), на II академических чтениях им.проф. А.А. Бартоломея «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (Пермь, Пермь ГТУ, 2007), на заседании ученого совета отделения строительных наук РААСН (Москва, РААСН, 2007), на международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» SIB – 2008 (Воронеж, ВГАСУ, 2008), научной сессии «Особенности проектирования пространственных конструкций на прочность, устойчивость и прогрессирующие разрушения» (Москва, МОО «Пространственные конструкции», 2009), на кафедре «Строительные конструкции и материалы» Орловского государственного технического университета (Орел ГТУ, 2009), на кафедре «Железобетонные конструкции» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства (Москва, МГАКХиС, 2009).
Исследования проводились в рамках наиболее важных НИР плана РААСН на 2004 – 2008 гг (№ ГР 0120.0 704533; 0120.0 507531; 0120.0 612532); федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг)» (проект «Разработка концепции обеспечения безопасности объектов системы высшего профессионального образования и целевой программы предупреждений и защиты от чрезвычайных и кризисных ситуаций», № ГР 0120.0 603654), плана фундаментальных НИР ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» на 2007-2009 (№ ГР 01.2.007 05083), грантов РФФИ № 09-08-99024-Р-ОФИ, № 06-08-96321 и гранта молодых ученых РААСН: 2.2.32. «Разработка элементов теории и эффективных алгоритмов расчета живучести внезапно повреждаемых железобетонных стержневых конструкций (2007 г)».
Результаты исследований опубликованы в 37 научных публикациях, в том числе монографии и 16 научных работах из Перечня периодических изданий рекомендованных ВАКом России для публикации материалов докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 450 страницах, в том числе 119 рисунков, 16 таблиц, 292 наименования литературных источников (25 страниц).
Современные концептуально-методологические подходы к оценке конструктивной безопасности железобетонных конструкций
Проблема поддержания в, надежном состоянии эксплуатируемых железобетонных конструкций зданий и сооружений в последнее время становиться важной стороной деятельности научных, проектных и строительных организаций и фирм во многих странах мира. Понимание проблемы выходит сегодня на новый уровень и требует анализа. Одним из его аспектов является попытка установить связь между новыми вызовами (запретными воздействиями), конструктивными решениями несущих систем, применяемыми материалами и их безопасностью [84,99].
Исследованиями, выполненными в последние годы, показано [12,13,19,32,84,99,153], что вероятность появления грубых ошибок зависит от выбора принципиальной схемы конструкции, ее материала, условий эксплуатации и многих других факторов. Следовательно, помимо прочего, решение проблем повышения безопасности конструктивных систем лежит в плоскости выполнения процедур инженерного анализа самих конструкций и, надо полгать, для каждой принципиальной схемы можно найти критерий ее подверженности отказу, учитываемый в процессе принятия решений. Кроме того, отечественная практика проектирования и строительства зданий и сооружений показывает, что в условиях рынка понятие «проект здания» теряет обязательность. Проектная документация выполняется часто поэтапно и не в полном объеме, а иногда и вовсе ограничивается демонстрационными материалами архитектурного характера. Разделы конструкций практически не имеют вариантных расчетных обоснований. В лучшем случае проводится формальный расчет по одному-двум сертифицированным программным комплексам без соответствующего сопоставительного анализа по различным расчетным схемам [131].
Анализ мировой практики строительства и эксплуатации зданий и сооружений также свидетельствует о все изменяющихся видах и интенсивности природных и техногенных воздействий, которые при проектировании и усилении зданий и сооружений создают проблемы выходящие за рамки требований российских и зарубежных норм, традиционно обеспечивающих конструктивную безопасность в условиях ранее существовавших нагрузок и воздействий. К одной из таких проблем можно отнести проблему лавинообразную или прогрессирующего обрушения [84].
По-видимому, к одной из первых аварий, впервые обозначивших проблему лавинообразного разрушения, можно отнести аварию Квебекского моста в Канаде в начале прошлого века [6]. Внезапная потеря устойчивости одного из сжатых стержней фермы моста вызвала лавинообразное обрушение всей конструкции моста.
Последующие аварии такого типа и, в частности, обрушение многоэтажного панельного жилого дома в Лондоне[5], обрушение купола ВИЦ под Москвой, обрушение цеха Минского комвольного комбината, обрушение крупнопанельного здания в Москве на Мичуринском проспекте [86] обратили внимание исследователей на проблему лавинообразного обрушения. В Великобритании, например, после отмеченной аварии жилого дома появился термин «прогрессирующее обрушение» и в нормы были введены требования обязательного учета воздействий, вызванных непропорциональными местными отказами [86,178]. (1968г.)
После этих аварий практически во всех развитых странах были начаты исследования по этой проблеме. В Москве после аварии ВИЦ и, особенно, после аварии на Мичуринском проспекте МНИИТЭПом при поддержке правительства Москвы разработаны и внедрены в практику проектирования мероприятия по защите жилых зданий от прогрессирующего обрушения [154, 198], которые были затем обобщены в первом в стране нормативном документе [148]. Широкий общественный резонанс в России рассматриваемая проблема получила после аварий покрытий аквапарка на Юго-Западе Москвы(2004 г) и Басманного рынка (2006 г). Не случайно научной темой Общего собрания Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) в 2006 г. в городе Санкт-Петербурге стала тема «Проект и реализация — гаранты безопасности среды жизнедеятельности» [44,189,231].
Анализ имеющихся в научно-технической литературе материалов по рассматриваемой проблеме позволяет сделать вывод о том, что она не может быть решена, универсальными методами. Например, рекомендации, выпущенные для зданий массового строительства в Москве [148, 154, 231] содержат конкретные конструктивные требования по предотвращению прогрессирующего обрушения, но их область применения ограничивается жилыми многоэтажными каркасными зданиями. Это является подтверждением тому, что в настоящее время в условиях отсутствия глубоких научных обоснований и опыта проектирования зданий и сооружений с учетом возможных внезапных запроектных воздействий техногенного характера решение этой сложной проблемы будет носить фрагментарный характер с последующими обобщениями по мере накопления опыта исследований конкретных типов зданий и сооружений.
Силовое сопротивление железобетонных статически неопределимых систем со средовыми повреждениями и прогрессирующими разрушениями
Экспозиция живучести железобетона в і нелинейной неравновесно-режимной, диссипативной и деградационной постановке задач в общем виде сформулирована в работах В.М. Бондаренко [40, 23]. Основой построения этих решений является специфическая посылка о феноменологическом единообразии кинетики неравновесных процессов продвижения повреждений и развития деформаций ползучести бетонов, а также о постоянстве, режимных, термо-динамических и физико-химических факторов внешних воздействий на бетоны. Разрабатываемая на- этой основе теория живучести сооружений включает задачу об остаточном ресурсе несущей способности- этих конструкций эволюционно повреждаемых агрессивными физическими или химическими воздействиями.
Коррозионные повреждения в зависимости от особенностей физических или химических воздействий, состава бетона, а также уровня напряженного состояния — могут по-разному развиваться во времени и по глубине поражения: 1. Энтропийно, затухая во времени, со стабилизацией на некоторой критической (предельной) глубине повреждения (глубине нейтрализации) 5 с кольматационным преобразованием структуры бетона; 2. Линейно, с постоянной скоростью продвижения фронта повреждения, без стабилизации, для которых величина д меняет первоначальный смысл и становится неким эмпирическим параметром процесса повреждений; 3. Лавинно, интенсифицируясь во времени, с неизбежным разрушением материалов и сооружений. Здесь сг - действующее нормальное напряжение; Rb - предел прочности бетона на сжатие; SKp(t0) - некоторый эмпирический параметр процесса повреждений, связанный с уровнем нагружения (для кольматационного вида повреждений - предельная величина глубины повреждения для сжатого бетона).
Согласно принятым исходным гипотезам, в частности гипотезы о феноменологическом единообразии кинетики неравновесных процессов повреждений и развития деформаций ползучести бетона, указанные типы повреждений удается представить единой математической записью (2.1), отраженной на рис. 2.1: где AL(t,t0) - относительное значение глубины повреждения, і определяемое из выражения: Обозначим AL(t,t0) = f(t). Тогда уравнение (2.1) примет вид
В конкретно решаемой задаче расчета живучести коррозионно повреждаемых конструкций в качестве L рассматривается глубина повреждения сечения железобетонного элемента коррозией S(t,tQ) или начальная мера ползучести бетона C(t,t0). Причем при т0 0 (2.15) и (2.16) описывают энтропийно затухающую кинетику процесса L; при т О его лавинообразное развитие; при т = О его линейные изменения во времени, некоторое граничное положение (применительно к повреждениям — фильтрационную кинетику). Решение (2.1), с учётом граничных условий имеет вид L(t,t0) = fm(a,mJ)Lnp при / 1 (2.17) и, в частности, приводит к записям: а)прит=0 f0 to) = UMA-a(t0); (2.18) Lrm б) при т=1 fx(tj0) = 1 - ДЦґ0,/0 Га( - о); (2.19) і в)при 72 1 fm=l-{[AL(t0,t0)f-m)+x] + a[(-m) + llt0)\ . (2.20) Обозначим в (2.1) -текущее время; t0 - время начала наблюдений; а,т -параметры скорости, вида повреждений, как функции уровня (и знака) напряженного состояния — рис. 2.2. где Є - —- - уровень напряженного состояния; q , qm, qai - параметры, Rb определяемые на базе экспериментально фиксированных значений 80, 8Л, 8Т; mQ, тл, тт; а0, ал, ат с помощью простейших линейных алгебраических уравнений.
Здесь индекс «о» обозначает нулевое напряженное состояние - — « 0,5, т.н. it точка О.Я. Берга; индекс «л» - соответствует пределу сохранения целостности материала при трещинообразовании (—»0,75) - т.н. точка Ю.Н. Хромца, R возникновения в бетоне структурных трещин, предшествующих разрушению, которые соответствуют условиям: при = 0 будет 8кр = 8Q; m = mQ; а = а0; при = будет 8 =8Л; т = тл; а = ал; = 0; = 0; = 0; (2.22) дд дд дд при = —- будет 8кр=8Т; т = 0; а = 0.
Отметим, что вследствие экспериментальной неизученности антикоррозионного сопротивления растянутого бетона при Q « 0 значение т. и а принимаются соответствующими нулевому напряженному состоянию, т.е. фильтрационной кинетике развития повреждений.
Экспериментальными исследованиями [186] установлено, что при одностороннем воздействии агрессивной среды на бетонный (или железобетонный) элемент повреждения по его толщине неоднородны, при этом отчетливо выявляются три области: — область А, непосредственно примыкающая к поверхности контакта с агрессивной средой, которая подвергается полному разрушению бетона;
Критерии оценки развития неравновесных процессов в сечении коррозионно повреждаемого железобетонного элемента
Сложность расчета рам объясняется тем, что не всегда очевидно, где будут возникать пластические шарниры, т.к. их появление зависит от значений всех внутренних усилий М, О , N, и число возможных вариантов их возникновения значительно больше, чем в балках.
Во многих случаях в железобетонных рамах, если пренебрегать влиянием продольных сил на появление дополнительных моментов в деформированном состоянии системы (которое, вообще говоря, при предельном состоянии с большими перемещениями может быть существенно), то учет продольной и поперечной сил в предельном состоянии сечения оказывает небольшое влияние. Это позволяет при таких предпосылках приближенно, а иногда и точно определять положения пластических шарниров по эпюре предельных изгибающих моментов, вид которой на первых итерациях подсказывается обычным упругим расчетом статически неопределимых систем.
Резюмируя- изложенное при построении критериев и расчетных зависимостей для анализа живучести эксплуатируемых железобетонных рамно-стержневых конструкций, будем использовать следующие рабочие гипотезы.
1. Уровень живучести определяется способностью конструктивной системы к торможению и прекращению- процесса ее разрушения при внезапном отказе одного или нескольких несущих элементов- вызванном запроектными воздействием.
2. При оценке динамических догружений в конструктивно нелинейных системах не учитывается деформированная схема конструкции и соответственно пренебрегается влиянием продольных сил на появление дополнительных моментов.
3. Принимается, что схемы напряженного состояния и разрушения железобетонных элементов при статическом и динамическом запроектном нагружении остаются неизменными, а диаграммы состояния материалов афинно подобны.
4. Внезапное разрушение конструктивной системы возможно вследствие эволюционного накопления коррозионных повреждений с последующим переходом из области затухающего развития энтропийных процессов кинетики повреждаемого железобетона в область лавинообразного развития в соответствии с диаграммой см. рис. 3.2.
5. Разрушение железобетонной рамно-стержневой конструктивной системы определяется таким набором пластических шарниров и разрушением линейных связей, которые превращают всю систему в кинетически изменяемую. При этом, если минимально возможное число пластических шарниров или выключающихся связей охватывает ограниченную часть системы, возникает локальное разрушение системы. Если минимально возможное число пластических шарниров или выключающихся связей охватывает большинство элементов системы — возникает прогрессирующее разрушение системы.
6. Относительный дефицит текущего значения исследуемого фактора неравновесного силового сопротивления бетона описывается функцией повреждений, которая является инвариантной по отношению ко всем физико механическим характеристикам силового сопротивления бетона R;, Eh — и др.
7. Изменение динамических прочностных и деформативных характеристик в расчетных сечениях конструктивной системы для бетона и арматуры учитывается раздельно на основе деформационной модели однородного сложного напряженно — деформированного состояния Г.А. Гениева.
Двухпролетная рама с элементами слоистого и составного сечения
Для экспериментальных исследований живучести балочных конструктивных систем с элементами сплошного сечения были запроектированы две конструктивные системы. Каждая из них включала три сборные балки, объединенные соединением закладными деталями и замоноличиванием стыков в трехпролетную сборно-монолитную неразрезную балку (рис. 4.1, а).
Сборные балки сечением 120x40 мм, длиной 1200 мм изготавливали из бетона класса В25. Армирование сборных балок обеих серий принято плоскими сварными каркасами с рабочей арматурой диаметром 8 мм класса А-Ш. Поперечная арматура выполнена из проволоки диаметром 1,5 мм с шагом 60 мм. На приопорных участках балок установлены закладные детали из листовой стали толщиной 0,8 мм, приваренные к рабочим- стержням (рис.4.1, б).
Параллельно с изготовлением основных образцов балок были изготовлены вспомогательные бетонные кубы и призмы, предназначенные для получения фактических прочностных и деформационных характеристик бетона.
Испытания балок производились на специальном стенде, включающем4 опорные устройства, рычажную систему с нагрузочными и распределительными устройствами, платформами и штучными грузами (рис. 4.2.).
До, проектной нагрузки балки нагружались двумя сосредоточенными силами в середине каждого пролета. Запроектная нагрузка прикладывалась мгновенно - в виде уменьшения, опорного изгибающего момента над первой промежуточной опорой с заданной проектной величины до нуля. Технически такое приложение нагрузки осуществлялось путем разрыва прокалиброванного по сварному шву надопорного соединительного элемента растягивающим усилием, действующим в этом элементе. Нагружение балки импульсным воздействием производилось дважды. Первый раз разрыв прокалиброванного сварного соединения производился при нагрузке, равной половине нагрузки трещинообразования, второй - при проектной нагрузке на балку.
В процессе испытаний измерялись продольные деформации соединительных элементов, сжатого и растянутого бетона, прогибы в сечениях балок, нагрузка трещинообразования и ширина раскрытия трещин при проектной и запроектной нагрузках; определялся характер разрушения конструкции от воздействия мгновенно приложенной запроектной нагрузки.
Для измерения приращений деформаций сжатого бетона и растянутых соединительных элементов в момент импульсного воздействия использовался осциллограф. Всплеск перемещений в пролетах балки при этом воздействии фиксировался также записью показаний индикаторов на кинокамеру. Измерялась также остаточная ширина раскрытия трещин после запроектного воздействия.
Для экспериментальных исследований живучести балочных конструктивных систем с элементами составного сечения были запроектированы и изготовлены две конструктивные системы из балок составного сечения.
Обе конструктивные системы неразрезных балок были запроектированы в виде трех сборных однопролетных составных балок, сечением 120x40 мм, длиной 1200 мм (рис. 4.3). Конструкция каждой балки представляла собой составной стержень, выполненный в виде двух элементов. При этом нижний брус отделен от верхнего двумя слоями низкомодульного материала (полиэтиленовой пленки).
Образцы- изготавливали из тяжелого бетона класса В35. Для приготовления 1 м бетонной смеси использовался следующий состав: цемент - 398,2 кг, песок - 560 кг, щебень -1240кг, вода - 180 кг, В/Ц- 0,45. При приготовлении бетонной смеси применялся портландцемент марки М500, щебень из вскрышной породы Лебединского месторождения КМА (кварцитопесчанник) фракции 5-10 мм. Проектный состав бетона корректировался при помощи пробных замесов. Дозировка компонентов производилась по массе. Бетонирование элементов производилось в жесткой разъемной металлической опалубке с уплотнением площадочным вибратором. При изготовлении балок укладка каждого слоя бетона производилась с перерывом во времени 72 часа.
