Введение к работе
Актуальность теїа. Глубокие преобразования, прсисходяцие в странах ОНГ, в том числе - з области строительного производства, требуют дальнейшего совершенствования ыеюдов расчета строитольншс конструкций, направленного на обеспечение их надежности в оксплуа -тации, а также экономка трудовых и материальных ресурсов.
Перспективным направлением такого совершенствования яелнєтся осуществлонио расчетов по действительному рекииу работы с дифференцированным учотои возможных отклонений свойств ыатеризлоз и воздействий.
Внимание исследователей в настояцзо вромя привлекает работа конструкций при циклических и перешнных нагрузках,- в то:.: числе -малоциклсинх. Малоцикловоя далее считается нагрузка, вызывающая в элементе ступенчатое изменение усилий во времени, зключая полную разгрузку л знакопеременные напряяония. Изменении нагрузки считается статическим, что поззоляет не учитывать динамических оффоктоз . Длительность кандсй фазы цикла исчисляется з сутках, что достаточно дли ощутимого развитии временных процессов. Периодические нагрузке -ния и разгрузки вносят определенные особенности в формирование на -лрпнанно-дефорыированното состояния элементов, которые необходимо учитнзаіь в расчетах.
Потребность в методико расчета, отражающей реальные резины эксплуатации конструкций, особенно велика для железобетонных'зламе-нтов, работа которых существенно определяется предысторией загружавши, т.о. условиями приложения и изменения нагрузки в процессе возведения и эксплуатации сооружения.
Цель исследований - построение обоснованной с ас теш предлоге -ний по учету работы бетона при меняющейся нагрузке в рамкзх Лзносг-нологическоі'Г теории деформирования материала с учетом изменчивее?!!
-4-.
свойств материалов с последующей разработкой методики определения параметров напряженно-деформированного состояния бетонных и нелезо-бетонных элементов при длительной действии переменной нагрузки со случайными характеристиками. .Решение этой проблема:
позволяет учесть влияние особенностей работ бетона при пе -ременной нагрузке на напряженно-деформированное состояние бэтонных и железобетонных элементов при длительных переменных нагрузках;
создает возможность уточнения методики расчетов аелезоботон-ных элементов при длительном действии переменной нагрузки по проч -нооти, когда она обусловлена прочностью бетона или связана с его деформативностью, и по предельным состояниям второй группы;
послужит, базой для разработки вероятностных методов расчета железобетонных элементов при переменной нагрузке.. і
Работа выполнена в 1972-91 гг. в Одесском инженерно-строительном институте Минвуза УССР, значительная часть исследований осуществлена в рамквх пятилетних планов координации научных и техничос -ких исследований стран - членов CSB в области строительства (теш 4.5.5 и 5.1 пятилетних планов Постоянной комиссии СЇШ по строительству), а таксе в соответствии с:
- темой "Исследование деформативноети, прочности и устойчивости, строительных конструкций и разработка методики их расчета с учетоИ;'7-специальных свойств при кратковременных и длительных нагрузках и воздействиях", номер государственной регистрации* ОІ860083269, разрабатываемой в ОИСИ;
- программой Госстроя СССР нэ 1981-85 гг. по решении отрасле -
вой научно-технической проблемы 0.55.16.031 - "Развить и.усовершен
ствовать основы теории расчета и комплексной оценки несущей способ
ности, эксплуатационной пригодности и долговечности бетонных it еє-
дезобртонных конструкций с учетом,статических, динамических..и^пов--
торных нагрузок, а такав воздействий окружающей срзды и внедрить их в практику проектирования", задание 03.02;
- целевыми комплексными программами Минвуза УССР на 1981-85 г
г.: "Длительное сопротивление бетонных и железобетонных конструк -
ций"(приказ )й 'ИЬ от 12.11,82 г.),"Экономия материальных и энерге
тических ресурсов в строительстве" ( Ц.0І.03.НЗ).
Предметом защиты являются;
классификация и вороятностно-статистичвские характеристики случайных процессов изменения основных физико-механических свойств тяжелых батонов;
результаты сравнительного анализа изменения во времени зли-яния различных факторов на основные характеристики тянелых бетонов;
способы расчетного определения деформаций тянелого ботонп при переменной длительной нагрузке;
методы и результаты оценки изменчивости напряжений в бетонных и аелоз оборонных: элементах при длительном действии пераызяпой нагрузки со случайными характеристиками;
основные полонення методики расчетного определения параметров напряаенно-дэформированного состояния бетонных и железобетон -та элементов при длительной переменной нагрузке;
уточнение существующих способов расчета бетонных и аелэзо -бетонных элементов по предельным состояниям применительно к уста -повившися режимам длительного действия погрузки;
методы определения характеристик расчетной надежности бетонных и железобетонных элементов по различным продельный состоя -лиам при переменных длительных нагрузках;
методика регулирования надеяности бетонных и явлозобетошшх-элементов, конструируемых из расчета по второй группа предельннх состояний. ,
Научную новизну работы составляют:'
- о -
результаты исследования факторов, определяющих параметры случайных процессов изменения основных физико-механических характеристик тяжелого батона;
оценки изменения влиянии различных факторов и их сочетаний на основные сзойства бетона во зрамени;
- основанные на различных модификациях принципа наложения ма -тематические модели прогнозирования обратной ползучести тяжелого бетона после разгрузки, а также его длительных деформаций при пов -торных, ступенчатых и непрерывно меняющихся нагрузках с учетом влияния условий кагрунения и эксплуатации конструкций;
основы методики расчетного определения параметров напряженно -деформированного состояния яелезобетонных элементов при стационарных ренинах длительного ыалоциклового нагружения случайного харак -тара с учетом нелинейности деформаций бетона и факторов, обусловливающих разброс напряжений в бетоне и арматуре;
оценки влияния различных факторов на изменчивость несущей способности, дзфорыатизшооти, трещиностойкоети и ширины раскрытия трещин з железобетонных элементах при длительной действии нагрузки.
Значение полученных результатов для практики состоит з том, что на их основе уточнены способы расчета снатых, растянутых и из -гкбаеыых железобетонных элементов по предельньш состояниям с учетом случайного характера переменной нагрузки и изменчивости свойств материалов.
Сравнение результатов раечетов по предложенной методике и дей-ствувщш нормам показало, что разработанный метод увеличивает рас -четную каденность железобетонных конструкций при переменном силовом воздойстзии, а в ряде случаев позволяет экономить материалы: В ре -вультате расчета по этой методике голезоботонных диафрагм повторно применяемого проекта жилого многозтаакого дома, возводимого в сбъ -
ешіо-переставной опалубке, получена экономия арматуры до 5 кг на ьг жилой площади.
Разработанный способ регулирования обеспеченности бетонных и железобетонных, элементов, конструируемых по рвзультатам расчета по . предельным состояниям второй группы, способствует экономии материальных и трудовых ресурсов.
Отдельные результаты работы учтены при разработке НИИІБ Гос -строя СССР "Рекомендаций по учету ползучести и усадки батона при расчете бетонных и железобетонных конструкций"; ЦНУШС Минтраностроя CUUP "Рекомендаций по оцэнке и обеспечению надежности транспортных соорунений" и при составлении в соответствии с планом Постоянной комиссии СЭВ по строительству "Рекомендаций по прогнозированию ос -новных физико-механических характеристик бетона при проектировании калезобетонных конструкций и регулированию, некоторых свойств бетона технологическими призмами". Полученные результаты могут найти применение при составлении рекомендаций по расчету калезобетонных элементов при малоцикловой нагрузке и конструкций реконструируемых зданий и сооружений.
Разработанные в диссертации способы, расчета элементов .исполь -зуютсп в учебном процессе з ОИОИ при преподавании курса "Вероятно -стные методы расчета конструкций", при выполнении учебно-исследовательских работ и в дипломном проектировании.
Достоверность научных результатов обеспечивается:
реиэниеи поставленных задач на широкой феноменологической основе с привлечением обширной базы результатов имеющихся эксяври -ментальных исследований;
использованной апробированных современных взрсягностио-ста. -тистических методов анализа случайных процессов;
'- nysois, сравнения рэзулматов расчета по преклоненным рэкомп-
ДаЦИП!! О ИМеВВДМИСЯ ЗКСПЗріШВПТаЛЬШига Д8ЛІЧЕІЛ.
-8--.
Апробация работы. Результаты исследований, вошедшие в дисс'ер -тацию, докладывались на следующих научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах:
Второе Всесоюзное совещание по проблемам ползучести и усадки бетона (г. Ереван, 1974 г.);
Всесоюзная конференция по проблемам оптимизации и надежности в строительной механике (г. Вильнюс, 1971, 1979, 1983 гг.);
Координационное совещание "Надекность железобетонных конст -рукций" (г. Москво, 1983 г.);
совещание специалистов - стран - членов СЭВ по исследованиям физико-механических характеристик бетона и арматуры (г. .Москва, 1977 г.; г. Киев, 1981 г.; г. Ташкент, 1985 г.);
Всесоюзная конференция "Применение математического моделирования для оптимизации технологических и конструктивных репенпй в строительстве и промышленности строительных материалов" (г. Одесса, 1975 г.); '--' '
республиканская конференция "Длительное сопротивление бетон- ных и железобетонных конструкций" (г. Одесса, 1981 г.);
семинары по н'адекности железобетонных конструкций (г. КуИбы-шов, 1976, 1977, 1982, 1987 гг.).
Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссерта -ции, опубликовано 40 работ; список основных ия них приведен в конце реферата.
Структура и объем работьп Диссертация состоит из введения, шести глав, списке литературы и приложений. Она содервит 200 страниц ыапиноиисного і-екста, а также 166 рисунков ца 80 страницах, 97 таблиц на 42 страницах, 6 страниц приложений; библиографический список насчитывает 555 аашановаяий. н разиацен на 49 страницах.
Структура, физико-ыахапические свойства и поведение бетона под действием постоянной нагрузки изучались многими отечественными и зарубежными исследователями: С.В.Александровским, О.Я.Бэргоы, В.Н. Ахвардовым, В.М.Бондаренко, П.И.Васильевым, Г.Д.Вишневецкии, Г.А. Гамбаровш, Т.Гансеном, А.А.Гвоздевым, А.к.Десовым, Ю.В.Зайцевым, К.СДарапетянои, Н.И.Карпенко, Е.Н.Львовским, Р.Л.Маиляиом, С.А.Мироновым, В.В.Михайловым, А.Н.Нэзиллеи, В.А.Пахомовым, Г.И.Поповым, И.Е.Прокоповичем, П.А.Рэбиндэром, Ф.Рюшем, А.В.Саталкиным, М.З.Симоновым, Б.Г.Скрамтаевым, В.В.Стольникозым, И.И.Улицким, ИЛ.Френкелем, В.НДромцом, З.Н.Цилосани, А.Е.ШзШейным, Е.Н.Щербаковым и многими другими.
Результат теоретических и экспериментальных исследований прочности и деформат.чвности бетона и железобетона при переменных на -грузках различных реаимов, в том числе - обратной ползучести бею -на, содержатся в работах СВ.Александровского, В.Н.Багрия, А.Я.Ба -рашикова, Е.М.Бабича, В.В.Блинкова, В.Н.Бондаренко, П.И.Васильева , А.А.Гвоздева, К.З.Галустова, Ю.П.Гущи, Р. и Г.Дэвисов, Г.Иллстона, Н.И.Карпенко, Н.И.Квтина, Л.П.Макаренко, И.Е.Прокоповича, А.Росса, А.В.Саіалкшіа, А.Фрейденталя и Ф.Ролля, Ю.А.Шафрановского,- В.Г.Щвл-кунова, Э.Ю.Юсупова, А.В.Яшина, В.А.Нценко и ряда других авторов . Сравнительный анализ результатов этих исследований показывает, что разгрузки и повторяемость нагрузок вносят существенные особенности в картину папрпненно-деформированного состояния элементов; Связаны р.тл особенности,- главным, образом, о поведением бетона при пореши -ной нагрузке и не учитываются в доланой нзро действующими нормами.
Из рассмотрения существующих теоретических и эксперимоатальнкх работ следует такав, чтопри переменной нагрузке в большей степени, чем при nocTtmmi'ofl, необходимо учитывать вероятностный характер основных физико-иохзкичвеких свойств материалов и паргызтров кагртез-
- 10 - -ния.
К основным физико-мехазическим свойствам бетона и арматуры, определяющим прочность и деформативность элемента при длительной нагрузке, относятся: кубиковая прочность бетона, его начальный модуль упругости (модуль упруго-мгновенных деформаций), относительная деформация усадки и мера ползучести бетона, временное сопротивление разрыву или условный предел текучести арматуры и ее модуль упругости. Подавляющее большинство работ в области статистических исследований характеристик материалов посвящено изучению разброса прочно -отных свойств бетона и арматуры и опредэляищих их факторов. Зто работы А.Я.Барашикова, Р.И.Будешх'ского, В.А.Вознесено.кого, С.С.Гордо-. на, Л.А.Крайсера, Е.Н.Львовского, А.С.Лычева, С.А.Ііздатяна, Н.М.Му-лина, Р.А.Муллера, К,Б.Таля, М.Тихого и М.Борличека, В.П.Чиркова и других. Ими показана приемлемость нормального и некоторых иных за-.конов распределения к описанию варьирования прочности бетона и ар -натуры и получены оценки их коэффициентов вариации. Однако эти оценки не дифференцированы в зависимости от различных .факторов.'Не определены величины изменчивости других характеристик материалов.
Учет характеристик разброса"нагрузок и материалов возможен в рамках вероятностного подхода к расчету строительных конструкций, основные полоаения которого разработаны Н.С.Стрелецким, А.Р.Ряани-шшыы,' В.В.Болотиным и развиты А.П.Кудзисом» Н.Н,Склодневым, М.Б. Краковским, В.Д.Райзероы, В.ПДирковыы, Б.И.Снврскисом к другими. Но предлогенные способы оценки надежности бетонных и железобетонных элементов разработаны применительно к постоянным или медленно меняющимся воздействиям. Пока нет сравнительного анализа различных факторов, определяющих надежность конструкции, нет дифференцированных харвктерисїик изменчивости параметров состояния элемента.
Разнонапрввлвнность и сложность процессов, протекающих в бето-па к железоовюно при длительном действии пброішшшх кагрузс:?', не
-'и -
позволяют в настоящее время создать физическую теорию расчета эле -ментов на переменную нагрузку, которая бала бы основана на аналитическом описании зсех сторон явления. Выходом из положения является разработка феноменологической теории раооты бетона при переменной нагрузке. Такая теория могла бы учесть возможно большее число факторов, обусловливающих напряженно-деформированное состояние элементов, случайную природу нагрузок, изменчивость свойств материалов.На ее основе разрабатываются и уточняются инженерные методы расчета бетонных и железобетонных элементов при заданных режимах переменной нагрузки, а также способы расчетной оценки надежности этих элемен -тов.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ В основу разработок полонены следующие гипотезы и предпосылки:
действующие на конструкцию нагрузки и физико-механические свойства бетона язляются случайными процессами, а свойства арматуры - случайными величинами;
влияние различных факторов на основные свойства бетона в їо.'і или иной степени зависит от времени;'
одни и та ае факторы различным образом влияют на длительную деформативность о'етона под нагрузкой, и посла разгрузки;
уровень накопления повреждений в структуре иетона при постоянном п переменном нагрунении численно характеризуется величиной псовдогоіасїйческих деформаций, входящих в нелинейную составляющую деформации ползучести.
Феноменологической базой исследований служит 'больной массив опытных данных по изучению физико-механических сзоіістз тнкэлого батона я его поведения при постоянных и переменных нагрузках. Анализ и обоо'юткв этих данных осуществлялись на осново творе ткчасшс и фізизеслих лредзтзвлений" о ловедании Сетона в нвнагружонкси ооссоя-ипп г:-под нагрузкой. В процессе анолиза попользовались вароятнссгло
-статистические методы и математическое моделирование с проверкой соответствия результатов анализа и моделирования основным полово -ниям теории батона, а такие опытным данным.
Полученная феноменологическая теория деформирования бетона при длительной.переменной нагрузке использована для построения методики расчета параметров состояния бетонных и железобетонных эле- . ментов, работающх при заданных режимах длительных нагрузочных' воздействий. Эти р&аулыаты, в свою очередь, позволили тооретичес-. ки обосновать особенности работы такого класса конструкций и уточнить методы их расчета. Показана специфика формирования показате -. лей расчетной надежности элементов по различным продельным состояниям при длительной переменной нагрузке. ', . ~
В процессе выполнения программы исследований получены прома -
суточные результаты, имеющие самостоятельное теоретическое и прак-,.'
тичаское значение. '
При проведении отдельных этапов исследований применялись, различные виды ЭВМ.