Введение к работе
Актуальность работы. Существующая нормативная база и принятые методики расчёта железобетонных конструкций не всегда обеспечивают адекватную оценку их прочности и конструктивной безопасности.
Одним из наиболее эффективных направлений совершенствования расчета железобетонных конструкций является использование методов механики разрушения. Это современное направление, рассматривая традиционные вопросы сопротивления материалов и конструкций, основное внимание уделяет собственно разрушению как процессу, а не мгновенному акту.
Известно, что в массивных железобетонных конструкциях в результате образования магистральных трещин происходит перераспределение усилий за счёт снижения местной жёсткости в местах образования трещин. При этом происходит общее изменение жесткости сечений, и возникают усилия, препятствующие дальнейшему образованию и распространению трещин. Фундаментальную роль в этом явлении играют так называемый коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины и его критическое значение Кіс, характеризующее сопротивление бетона распространению трещин.
Общепринятая методика расчёта изгибаемых железобетонных конструкций, рекомендуемая действующими нормативными документами, не позволяет непосредственно учитывать сопротивление бетона распространению трещин.
В средне- и сильноармированных конструкциях погрешность, вносимая игнорированием этого фактора, несущественна. Но результаты расчётов по действующей методике в малоармированных конструкциях создают избыточный запас прочности, который можно рассматривать как ресурс несущей способности, и который следует использовать.
Действующая методика норм мало применима и для оценки напряженного состояния конструкций в стадии эксплуатации. В ней отсутствует единая методическая основа для расчета по разным группам предельных состояний.
Необходимость учёта работы растянутого бетона над трещиной была высказана ещё ЯМ. Немировским (НИИЖБ). Затем в ранних работах К.А. Мальцова (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева) была высказана идея введения в растянутую зону элемента вектора, который бы комплексным образом учитывал сопротивление бетона распространению трещин. Но в этих работах не пояснялось, как определять этот вектор, величина его предлагалась на основе экспериментальных данных вне зависимости от класса бетона и его структуры.
Предложения по конкретизации и определению усилия, выражающего сопротивление бетона распространению трещин и включения его в расчётную схему, впервые реализованы в предложенной Е.Н. Пересыпкиным рас-чётно-деформационной модели, которая как раз и обеспечивает единый подход к расчёту железобетонных конструкций на всех стадиях их работы, как
до образования трещин, так и с момента их появления вплоть до разрушения.
Для более детального и аргументированного подтверждения актуальности и необходимости практического применения расчётно-деформационной модели необходимо разработать строгую и последовательную модель (методику) расчёта изгибаемых железобетонных элементов, учитывающую сопротивление бетона распространению трещин, разработать на её основе прикладную компьютерную программу и провести большой объём численных экспериментов в широком диапазоне изменения основных характеристик железобетонных элементов (коэффициент армирования сжатой и растянутой арматуры, расчётное сопротивление бетона сжатию и растяжению, сопротивление арматуры растяжению, модуль упругости бетона и арматуры, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений и др.) и подтвердить достоверность предложенной методики путём сравнения результатов расчётов с данными экспериментальных исследований.
Формирование единой методики расчёта по разным группам предельных состояний на основе включения в систему расчётных уравнений вектора сопротивления бетона распространению трещин является очень важным, поскольку позволяет более чётко определять реальную картину напряженно-деформированного состояния конструкции, а также точнее подойти к классификации железобетонных элементов по степени армирования.
Таким образом, дальнейшее совершенствование и развитие деформационной модели железобетона и разработка на ее основе методики расчета, учитывающей сопротивление бетона распространению трещин в железобетонных элементах, а также её реализация, в виде компьютерной программы расчета строительных конструкций, представляется весьма актуальной задачей.
Цель диссертационной работы - доказать эффективность метода учёта сопротивления бетона распространению трещин для изгибаемых железобетонных конструкций с различными коэффициентами армирования и разработать соответствующую практическую методику расчета изгибаемых железобетонных элементов с возможностью ее реализации в виде специальной прикладной программы на ЭВМ. Основное внимание при этом уделить малоар-мированным элементам, в которых учёт сопротивления бетона распространению трещин вскрывает резервы прочности.
При построении расчетных зависимостей за основу принимается расчетная деформационная модель Е.Н.Пересыпкина, построенная на основе гипотезы плоских сечений и кусочно-линейных диаграмм деформирования бетона и стальной арматуры.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих взаимосвязанных задач исследования:
проведение теоретических исследований закономерностей процесса образования и развития трещин в процессе деформирования и разрушения изгибаемых железобетонных элементов;
разработка расчетной схемы распределения усилий и напряжений в сечении с трещиной для анализа механизма сопротивления бетона распро-
странению трещин с позиций механики разрушения, определение роли коэффициента интенсивности напряжений и обоснование возможности его учета в расчетных уравнениях для нормальных сечений железобетонных элементов с трещиной;
оценка влияния коэффициента интенсивности напряжений при осевом растяжении железобетонных элементов;
вывод расчётных уравнений для нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с трещиной на основе методов механики разрушений, обеспечивающих более точное соответствие результатов расчетов и опытных данных прочности нормальных сечений по трещинообразованию и допускаемым изгибающим моментам;
построение функциональной модели расчета изгибаемых железобетонных элементов, позволяющей более точно, по сравнению с традиционными расчётными методиками, определить параметры напряженно-деформированного состояния конструкции на любой стадии её работы в широком диапазоне изменения влияющих факторов;
разработка алгоритма расчета изгибаемых железобетонных элементов с учётом физической нелинейности деформирования бетона, арматуры и сопротивления бетона распространению трещин;
на основании разработанного алгоритма составление эффективной программы расчёта конструкций на ЭВМ с учётом сопротивления бетона распространению трещин и возможностью широкого варьирования влияющих факторов;
выполнение численных экспериментов на ЭВМ в широком диапазоне варьирования основных влияющих факторов, в том числе, класса и вида бетона, коэффициента армирования, значения критического коэффициента интенсивности напряжений, размера зерна структуры бетона и др. с целью детального исследования сопротивления бетона распространению трещин, особенно для малоармированных элементов;
анализ существующей системы классификации железобетона по степени армирования и научное обоснование уточнения классификационных признаков и граничных значений определяющих параметров;
сравнение результатов расчета изгибаемых железобетонных элементов с имеющимися опытными данными для различных классов и видов бетона, оценка достоверности выбранной расчетной модели и эффективности предлагаемой методики расчета на персональном компьютере.
Объект исследований - железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Предмет исследований - методика расчета прочности железобетонных конструкций произвольного сечения при растяжении и изгибе.
Методы исследования - используется экспериментально-теоретический метод. В теоретических и численных исследованиях, которые выполнены в работе, использованы общие методы механики твердого деформируемого тела и теории железобетона.
На защиту выносятся:
вывод расчетных уравнений для нормальных сечений с трещиной с включением в расчетную схему параметра, характеризующего сопротивление бетона распространению трещин - критического значения коэффициента интенсивности напряжений, и оценка его влияния на напряжённо-деформированное состояние железобетонных конструкций при осевом растяжении и изгибе;
методика расчёта изгибаемых железобетонных конструкций с учётом сопротивления бетона распространению трещин;
функциональная модель расчета изгибаемых железобетонных элементов с учетом сопротивления бетона распространению трещин, алгоритм и программа расчёта изгибаемых железобетонных элементов на ЭВМ;
результаты численных экспериментов с целью определения особенностей напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов на различных стадиях их работы в широком диапазоне варьирования основных влияющих факторов с использованием предложенной методики расчета и разработанной программы расчета изгибаемых железобетонных элементов на ЭВМ;
результаты сравнения расчетов по разработанной методике с имеющимися данными экспериментальных исследований для различных классов и видов бетона, оценка достоверности выбранной расчетной модели и разработанной методики;
уточнённый метод классификации железобетонных элементов по степени армирования.
Научная новизна работы:
осуществлён анализ и вывод расчётных уравнений для нормальных сечений на всех стадиях работы железобетонного элемента при изгибе и осевом растяжении с учётом сопротивления бетона распространению трещин с целью их использования в предлагаемой методике расчёта, а также при разработке прикладной программы расчёта конструкций на ЭВМ;
показана эффективность методики расчёта изгибаемых железобетонных конструкций с учётом сопротивления бетона распространению трещин в широком диапазоне изменения влияющих факторов и на базе данной методики разработана новая программа расчёта конструкций на ЭВМ «Расчёт изгибаемых железобетонных конструкций с возможностью учёта сопротивления бетона распространению трещин», зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ РОСПАТЕНТа;
- предложен уточнённый метод классификации железобетонных
элементов по степени армирования.
Достоверность предложенных методов, расчетов и разработанных на их основе рекомендаций подтверждается:
- результатами большого количества (свыше двухсот) численных экспе
риментов в широком диапазоне варьируемых параметров;
- согласованием с данными экспериментов по литературным источникам
и с действующими нормативными документами;
- базированием используемой методики на апробированных методах механики деформируемого твердого тела и математической статистики.
Практическое значение результатов работы. Использование разработанного автором метода позволяет более точно оценить напряженно-деформированное состояние стержневых изгибаемых железобетонных элементов по прочностным и деформативным характеристикам бетона и арматурной стали на всех стадиях их работы, включая эксплуатационную стадию. Это дает возможность использовать данный метод как при расчете проектируемых железобетонных конструкций, так и при обследовании, контрольных испытаниях эксплуатируемых конструкций.
Разработанная и апробированная прикладная программа расчетов на ЭВМ «Расчёт изгибаемых железобетонных конструкций с возможностью учёта сопротивления бетона распространению трещин» удобна для использования в научно-исследовательской и проектной деятельности, при обследовании железобетонных конструкций, а также в качестве учебно-демонстрационной и обучающей программы для студентов ВУЗов.
Внедрение результатов работы. Метод расчета, предложенный в диссертационной работе, используется для оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных балок при выполнении проектных работ, а также при проведении обследований в рамках соответствующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых Сочинским государственным университетом (СГУ), в том числе при строительстве и реконструкции объектов Олимпийского строительства.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении курса «Строительные конструкции» на Инженерно-экологическом факультете СГУ, а также в методической и научно-исследовательской деятельности преподавателей и сотрудников.
Результаты проведенных исследований внедрены в ООО «Инжзащита» при проектировании набережных, подпорных стенок и других массивных сооружений на территории Черноморского побережья Краснодарского края, в том числе на объектах Олимпийского строительства. Кроме этого, они используются для оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций при их обследовании.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на 6-ой Международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах» (2010 год), на I Международной специализированной выставке «Инновации для XXII зимних Олимпийских игр и XI зимних Параолимпийских игр 2014 года в городе Сочи» (2010 год), на Международной научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (2011 год).
Результаты диссертационной работы в полном объеме доложены и одобрены на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкции» Инженерно-экологического факультета СГУ.
Результаты выполненных исследований, отражающие основные поло-
жения диссертационной работы, изложены в 6 научных публикациях, в том числе в двух статьях в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, а также в программе для ЭВМ, внесенной в Реестр программ для ЭВМ Роспатента РФ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырёх глав, заключения, списка литературы из 117 наименований, двух приложений, содержит 185 страниц текста, в том числе 44 таблицы, 46 рисунков.
Похожие диссертации на Расчет изгибаемых железобетонных элементов с учетом сопротивления бетона распространению трещин
