Введение к работе
Актуальность темы. Вероятность возникновения и воздействия на здания и сооружения случайных кратковременных динамических нагрузок аварийного характера постоянно увеличивается. Такие нагрузки часто вызывают значительные деформации конструкций, их полное или частичное разрушение, которое может привести к повреждениям дорогостоящего оборудования, травмам и даже гибели людей.
Современный подход к проектированию требует создания расчетных схем, отвечающих пространственной работе несущих систем зданий и сооружений и возникновению в элементах изгибающих моментов в двух плоскостях, продольных и поперечных сил, что приводит к сложному напряженно-деформированному состоянию при динамическом воздействии.
В отдельных конструкциях зданий и сооружений (колоннах, стойках, опорах) возникает косое внецентренное сжатие вследствие появления дополнительных эксцентриситетов из-за смещений конструкций от проектного положения (неточностей монтажа) или при реконструкции зданий с изменением их объемного или конструктивного решения (устройство антресольных этажей в одной части здания, надстройка мансардных этажей, перестановка связей, наращивание сечений отдельных конструкций и т.д.).
Численное исследование работы каркасов зданий при кратковременном динамическом воздействии показало, что при учете пространственной работы здания в колоннах каркаса кроме моментов в плоскости рамы возникают значительные моменты из плоскости рам. Таким образом, при работе в составе пространственных систем и учете кратковременных динамических воздействий существенно изменяется напряженное состояние колонн зданий, которое необходимо учитывать при проектировании и оценке несущей способности железобетонных конструкций.
Практически все имеющиеся на сегодняшний день исследования работы железобетонных элементов при косом внецентренном сжатии, растяжении и изгибе как теоретические, так и экспериментальные, проводились для статически нагруженных конструкций. В связи с этим задача разработки и совершенствования методов расчета железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе является актуальной, имеющей практическое значение при проектировании экономичных и надежных зданий и сооружений.
Объектом исследования являются симметрично армированные железобетонные элементы прямоугольного, круглого и кольцевого сечений.
Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов при косом внецентренном статическом и кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе.
Цель работы. Разработка, реализация и экспериментальная проверка метода расчета по прочности железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе на основе поверхностей относительного сопротивления, реализующих деформационную модель с учетом физической нелинейности бетона и арматуры.
4 Задачи исследования:
на основе обзора, систематизации и анализа современных теоретических и экспериментальных данных определение предельных состояний и способов их нормирования, а также предпосылок расчета железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе с учетом нелинейной работы бетона и арматуры;
разработка аналитических зависимостей для динамического расчета железобетонных элементов на косое внецентренное кратковременное динамическое сжатие, растяжение и изгиб на основе поверхностей относительного сопротивления по прочности и реализация программы их автоматизированного расчета;
проведение экспериментальных исследований железобетонных элементов на косое внецентренное кратковременное динамическое сжатие, растяжение и изгиб с разрушением по нормальным сечениям при различном уровне продольной силы;
сопоставление и анализ расчета по предлагаемому методу с полученными результатами экспериментальных исследований.
Методология работы. Исследования выполнены на основе использования фундаментальных положений в области железобетона. Физический эксперимент выполнялся с использованием оригинального измерительного оборудования в лаборатории кафедры железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета, которое обеспечило необходимую достоверность полученных результатов.
Научная новизна работы заключается в получении новых знаний о прочности и деформативности железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе, а именно:
на основе поверхностей относительного сопротивления нормальных сечений по трещиностойкости и прочности разработаны расчетная модель и алгоритм расчета для железобетонных элементов прямоугольного, круглого и кольцевого сечений при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе;
разработаны и экспериментально проверены аналитические зависимости расчета симметрично армированных железобетонных элементов при косом внецентренном статическом и кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе, реализующие деформационную модель и учитывающие нелинейную работу бетона и арматуры;
получены новые экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии, прочности и деформативности железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе; установлено влияние величины продольной силы на прочность и деформативность таких железобетонных элементов;
разработана методика, оригинальные стенды и измеряющие устройства для экспериментальных исследований железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе, новизна которых подтверждена пятью патентами РФ.
Практическая значимость работы заключается в получении научно-обоснованных результатов для совершенствования методов расчета железобетонных элементов прямоугольного, круглого и кольцевого сечений с симметричным армированием на статическое и кратковременное динамическое нагружение при любом сочетании продольных сил и изгибающих моментов двух плоскостей, а также
5 в получении графиков (кривых взаимодействия Мх от Му при фиксированной продольной силе), позволяющих упростить решение задач прямого и обратного проектирования железобетонных элементов при таких видах нагружения.
Достоверность результатов работы. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием основных положений теории железобетона; расчетными предпосылками, основанными на анализе обширных экспериментальных данных о поведении материалов и конструкций при кратковременном динамическом нагружении; методологически обоснованным комплексом экспериментальных исследований, с применением сертифицированных лабораторных приборов и установок, применением современных средств регистрации деформаций бетона и арматуры, достаточной воспроизводимостью экспериментальных величин; необходимая точность метода расчета подтверждена удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.
Реализация работы. Программный продукт используется в расчетах симметрично армированных железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе в 26 ЦНИИ МО РФ, а результаты исследований включены в специальный курс и проведение лабораторных работ на кафедре железобетонных и каменных конструкций при подготовке специалистов и магистров по направлению 270100 «Строительство» в Томском государственном архитектурно-строительном университете.
Личный вклад диссертанта:
разработка методики и проведение экспериментальных исследований железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе;
разработка метода, алгоритма и программы расчета железобетонных элементов прямоугольного, круглого и кольцевого сечений на статическое и кратковременное динамическое воздействие при любом сочетании продольных сил и изгибающих моментов;
проведение аналитических расчетов железобетонных элементов при косом внецентренном статическом и кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе.
На защиту выносятся:
метод расчета железобетонных элементов по прочности при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе на основе поверхностей относительного сопротивления, реализующий деформационную модель и нелинейную работу бетона и арматуры;
результаты определения влияния продольной силы на прочность и деформативность железобетонных элементов при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе;
методика и результаты экспериментальных исследований железобетонных элементов, испытанных при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии, растяжении и изгибе.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры железобетонных и каменных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета (2004 - 2008 гг.); на международной конференции Korea-Russia International Symposium on Science and Technology «KORUS 2004» (г. Томск, 2004 г., ТПУ); на
десятой научно-технической конференции Общества железобетонщиков Сибири и Урала (Новосибирск, 23-25 ноября 2004 г., НГАСУ); на конференции «ИННОВАТИКА-2006» (г. Томск, 2006 г., ТГУ), на V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (г. Томск, 2007 г. ТПУ); на VII Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (г. Сочи, 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемнадцать печатных работ, в том числе пять патентов РФ на полезную модель и четыре статьи без соавторов, одна из которых опубликована в журнале «Вестник ТГАСУ», входящем в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Объем и структура работы. Диссертация объемом 191 страница машинописного текста состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 147 наименований, шести таблиц, 97 рисунков, одного приложения.
