Введение к работе
Актуальность темы исследования. В соответствии с концепцией развития России до 2020 года, Постановлениями Правительства РФ и программами по развитию материальной и нормативно-правовой базы РФ становятся востребованными производство и применение альтернативных способов армирования бетонных строительных конструкций, например базальтовой фибры и стеклокомпозитной полимерной арматуры. Их применение позволяет производить бетонные конструкции, не уступающие по эксплуатационным характеристикам традиционному железобетону.
При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений помимо статических нагрузок могут возникать кратковременные динамические воздействия на строительные конструкции и их элементы, вызванные взрывами, авариями и пр. В результате этого может происходить повреждение или разрушение конструкций, что приводит к возможной гибели людей и значительным материальным потерям. Учет влияния таких воздействий на несущую способность строительных конструкций является актуальным.
Методам расчета изгибаемых армированных бетонных элементов при
статическом и кратковременном динамическом нагружении посвящено
значительное количество работ отечественных и зарубежных авторов. В
подавляющем большинстве в качестве объекта исследований рассмотрены
изгибаемые бетонные элементы со стальной стержневой и/или фибровой
арматурой. Вопросы прогнозирования и оценки напряженно-
деформированного состояния изгибаемых бетонных элементов,
армированных стеклокомпозитной арматурой и/или базальтовой фиброй, при кратковременном динамическом нагружении исследованы недостаточно. В действующих строительных нормах рассмотрены расчеты таких элементов только при действии статических нагрузок.
Таким образом, разработка и совершенствование методов расчета изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении являются актуальными и имеют важное практическое значение при проектировании строительных конструкций.
Данная работа выполнена в рамках реализации государственного задания
Минобрнауки РФ по проекту № 9.6814.2017/8.9 «Разработка математических
моделей, создание высокопроизводительного численного алгоритма,
экспериментально-теоретическое исследование свойств перспективных
материалов и конструкций при динамических нагрузках».
Степень разработанности темы. В исследованиях, выполненных
отечественными и зарубежными учеными (А.Б. Антаков, Е.Е. Генина,
С.С. Жаврид, Л.П. Зайцева, Ю.А. Климов, Э.Б. Колбаско, М.П. Леонтьев,
Р.Г. Литвинов, А.Н. Луговой, У.Х. Магдеев, Л.Р. Маилян, Р.Л. Маилян,
К.В. Михайлов, В.И. Морозов, Н.А. Мощанский, В.Ф. Набоков,
Ю.М. Нагевич, Э.К. Опбул, И.В. Подмостко, П.П. Польской, Н.Н. Попов, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, К.В. Талантова, М.Ф.Э. Тарек, В.В. Тур., А.М. Уманский, Д.Г. Уткин, И.И. Фридман, Н.П. Фролов, А.А. Шилин, A. Abbasi, S.H. Alsayed, A. Belarbi, R. Cusson, F.M. Elgabbas, R. Fico, M. Goldston, H. Hao, H.A. Toutanji, P. Iain, M.Z. Kabir, J. Krassowska, A. Lapko, V.C. Li, F. Nanni, T.M. Pham, M.M. Rafi, A. Remennikov, H. Wang и др.),
рассмотрены изгибаемые бетонные конструкции с различными вариантами дисперсного (сталь, полипропилен), стержневого (сталь, стекло-, базальто- и углекомпозит) и внешнего композитного армирования при статическом нагружении или при действии динамических воздействий циклического или ударного характера. Особенности работы изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении изучены недостаточно.
Цель работы. Разработка, экспериментальная проверка и реализация метода расчета по прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и обычным или преднапряженным стержневым стеклокомпозитным армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружениях с учетом нелинейной работы материалов.
Задачи исследования:
на основе обзора, систематизации и анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулировать предпосылки, предельные состояния и способы их нормирования для расчета изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении;
провести экспериментальные исследования прочностных и деформационных характеристик базальтофибробетона при сжатии и растяжении. Предложить аналитические зависимости нелинейной диаграммы деформирования базальтофибробетона в зависимости от коэффициента фибрового армирования, технологии его изготовления и вида нагружения. Исследовать прочность и деформативность стеклокомпозитной арматуры при растяжении; изучить особенности деформирования изгибаемых натурных бетонных конструкций со стеклокомпозитным стержневым армированием;
разработать метод расчета прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении с использованием деформационной модели и реальных диаграмм деформирования материалов, разработать алгоритм и программу расчета;
провести экспериментальные исследования влияния параметров базальтофибрового и преднапряженного стержневого стеклокомпозитного армирования на прочность и трещиностойкость изгибаемых бетонных элементов при статическом и кратковременном динамическом нагружении;
выполнить численные исследования изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении;
проанализировать и сопоставить результаты расчетов по предложенному методу с экспериментальными данными, выполнить оценку их сходимости.
Объектом исследования являются изгибаемые бетонные элементы прямоугольного сечения с базальтофибровым и обычным или преднапряженным стержневым стеклокомпозитным армированием.
Предметом исследования являются методы расчета силового
сопротивления по прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении.
Методология и методы исследований. Методологической основой
данной работы являются исследования российских и зарубежных ученых в
области расчета железобетонных конструкций на действие кратковременной
динамической нагрузки. Использованы общенаучные методы исследования:
анализ, систематизация, математическое моделирование, физический
эксперимент и пр. Обработка результатов экспериментальных и
теоретических исследований осуществлялась с применением методов математической статистики.
Научная новизна работы заключается в получении новых данных о напряженно-деформированном состоянии изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при действии статических и кратковременных динамических нагрузок, а именно:
– на основе статистической обработки экспериментальных данных
установлены зависимости влияния коэффициента фибрового армирования и технологии изготовления на прочностные и деформационные характеристики базальтофибробетона, с учетом которых разработана расчетная нелинейная диаграмма деформирования базальтофибробетона в зависимости от коэффициента фибрового армирования и параметров нагружения, применимая для динамических расчетов прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых элементов по нелинейной деформационной модели;
– по результатам численных динамических расчетов получены новые
данные о влиянии параметров базальтофибрового и преднапряженного
стержневого стеклокомпозитного армирования на прочность и
трещиностойкость нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с
таким армированием, а также характер их деформирования при
кратковременном динамическом нагружении;
– получены новые экспериментальные данные о напряженно-
деформированном состоянии нормальных сечений таких элементов; установлено влияние параметров базальтофибрового и преднапряженного стержневого стеклокомпозитного армирования на характер деформирования, трещинообразования и разрушения изгибаемых бетонных элементов при кратковременном динамическом нагружении.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в
получении научно обоснованных результатов, диаграмм и зависимостей,
применимых при динамических расчетах прочности и трещиностойкости
нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и
стержневым стеклокомпозитным армированием; в разработке основанного на
нелинейной деформационной модели метода расчета по прочности и
трещиностойкости нормальных сечений таких элементов при
кратковременном динамическом воздействии; в создании алгоритма расчета и основанного на нём программного продукта.
Достоверность результатов работы обеспечивается корректным
использованием общепринятых положений теории железобетона,
строительной механики, механики деформируемого твердого тела и предпосылок расчета, установленных на основе обширного анализа теоретических и экспериментальных исследований поведения материалов и конструкций при статическом и кратковременном динамическом нагружении с применением методов математической статистики. Верификация разработанного метода расчета осуществлялась физическим экспериментом, проведённым в аккредитованных научно-образовательных центрах «Испытание строительных материалов и конструкций» и «Стромтест» ТГАСУ с применением современного аттестованного испытательного оборудования и поверенных средств измерений. Точность разработанного метода расчета подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчета с экспериментальными данными.
Реализация работы. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований были использованы при разработке проектных решений конструкций, входящих в состав каркаса архитектурно -строительной системы «КУПАСС» в рамках выполнения работ по комплексному проекту № 02.G25.310022 Минобрнауки России «Разработка и запуск в производство технологии строительства энергоресурсосберегающего жилья экономического класса на основе каркасной универсальной полносборной архитектурно-строительной системы». Результаты исследований включены в специальный курс и дипломное проектирование на кафедре «Железобетонные и каменные конструкции» ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлениям 08.05.01, 08.03.01 и 08.04.01 «Строительство». Использование результатов НИР подтверждено справками о внедрении, приведенными в приложении 2 диссертации.
Личный вклад диссертанта состоит:
в уточнении методики и проведении комплексных экспериментальных исследований технологии изготовления, прочности и деформативности базальтофибробетона;
в разработке аналитических зависимостей нелинейной диаграммы деформирования базальтофибробетона при кратковременном динамическом нагружении;
в разработке методик и проведении экспериментальных исследований изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружениях;
в разработке метода расчета, а также алгоритма и программы для расчета таких элементов при кратковременном динамическом нагружении;
в выполнении аналитических и численных расчетов изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружениях.
Положения, выносимые на защиту:
- аналитические зависимости расчетной диаграммы нелинейного
деформирования базальтофибробетона при кратковременном динамическом
воздействии;
метод расчета прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении, реализующий деформационную модель с учетом реальной работы бетона, базальтофибробетона, и стеклокомпозитной арматуры;
результаты численных исследований прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при кратковременном динамическом нагружении;
методики и результаты экспериментальных исследований прочности и трещиностойкости нормальных сечений изгибаемых бетонных элементов с базальтофибровым и стержневым стеклокомпозитным армированием при статическом и кратковременном динамическом нагружениях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» ТГАСУ (2014-2018 гг.); на международных Академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (г. Курск, 2014 г.); на X, XI, XII, XIII, XIV, XV международных конференциях студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2013-2018 гг., НИ ТПУ); на I, II, III и IV международных научных конференциях студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (г. Томск, 2014 -2017 гг., ТГАСУ); на VI Всероссийской конференции «Молодая мысль: наука, технологии, инновации» (г. Братск, 2014 г., БРГУ); на Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии и эффективное использование местных ресурсов в строительстве (г. Новосибирск, 2013); на Всероссийской научно-технической конференции «Энергия молодых - строительному комплексу» (г. Братск, 2013 г., БРГУ). В полном объеме диссертационная работа была доложена на межкафедральном научном семинаре ТГАСУ (г. Томск, 2018).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 4 статьи в изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science, 2 патента РФ на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация объемом 208 страниц машинописного текста состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 233 наименований, списка использованной нормативной литературы из 35 наименований, двух приложений и содержит 16 таблиц, 77 рисунков.