Введение к работе
Актуальность темы. Возведение современных строительных объектов, требующих высокой надежности и ответственности, таких как - высотные, зрелищные или олимпийские спортивные объекты - предполагает использование самых современных строительных материалов, технологий возведения, а также методик оценки реальной работы строительных конструкций. Для железобетонных конструкций таких сооружений в мировой строительной индустрии, наряду с обычными (В20-40) и высокопрочными (В50-В60) бетонами, используют бетоны сверхвысокой прочности (В70-В200) с улучшенными физико-химическими свойствами.
За последнее десятилетие предприятия отечественной стройиндустрии освоили серийный выпуск современных подвижных бетонных смесей сверхвысокой прочности (В60-В120) и успешно используют их на практике. Применение высокопрочного бетона позволяет уменьшать поперечное сечение конструкций, но при этом неизбежно уменьшается жесткость и увеличивается деформативность конструкции. Во многих конструкциях деформации, а не прочностные свойства являются определяющим фактором. Тем самым контроль и прогнозирование деформаций, в частности, прогибов, является важным аспектом при расчетах и проектировании современных зданий и сооружений.
Отсутствие нормативной базы и исследований бетонов сверхвысокой прочности накладывает определенные ограничения на повсеместное использование этих бетонов при проектировании, а также на оценку реального напряженно-деформированного состояния таких конструкций. Проведенные исследования показывают, что при всем многообразии представленного на российском строительном рынке программного обеспечения по расчету железобетонных конструкций, в т.ч. прогибов, их возможности ограниченны. Например, большинство из них используют только стандартные расчетные характеристики бетона до класса В60.
Таким образом, совершенствование методики расчета прогибов изгибаемых железобетонных элементов, изготовленных из бетонов, в т.ч. сверхвысокой прочности, является актуальной задачей, что также определяет новизну и общую концепцию диссертационного исследования.
Особая благодарность за ценные научные рекомендации и помощь выражается научному консультанту доценту кафедры ЖБК СГАСУ, к.т.н. Мураш-кину Василию Геннадьевичу.
Целью диссертационного исследования является совершенствование методики определения прогибов изгибаемых железобетонных конструкций с учетом трещинообразования на основе применения нелинейных диаграмм деформирования бетона и арматуры.
Для осуществления поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Анализ методик расчета прогибов и влияющих на прогибы факторов, представленных в отечественных и зарубежных источниках.
-
Совершенствование методики расчета прогиба, возникающего при эксплуатационных кратковременных нагрузках в статически определимых изгибаемых железобетонных элементах с учетом трещинообразования и нелинейного деформирования бетона и арматуры.
-
Разработка конечно-элементной модели изгибаемой железобетонной балки с дискретными трещинами и армированием в соответствии с проектом опытных образцов.
-
Выполнение и анализ численного эксперимента по расчету прогибов конечно-элементной модели в программном комплексе «Лира 9.4».
-
Проведение экспериментальных исследований изгибаемых железобетонных образцов с различными геометрическими и физическими параметрами:
- нормально и переармированных сечений элементов;
изготовленных из бетона обычной и сверхвысокой прочности; армированных с использованием традиционных (А-Ш) и современных высокопрочных (А500) классов арматуры.
-
Анализ и сопоставление результатов натурных испытаний изгибаемых железобетонных элементов и образцов, описанных в научных трудах отечественных и зарубежных ученых, с результатами расчета по предложенной авторской методике, а также методикам отечественных и зарубежных нормативных документов.
-
Разработка рекомендаций по расчету прогиба конструкций, с учетом трещинообразования, с использованием нелинейных диаграмм деформирования бетона и арматуры для конструкций, изготовленных из бетонов обычной, высокой и сверхвысокой прочности при кратковременном загруже-нии.
Объект исследования - статически определимые железобетонные балки с зоной чистого изгиба при кратковременном нагружении.
Предмет исследования - прогибы, трещиностойкость и напряженно-деформированное состояние изгибаемых железобетонных балок.
Научная новизна. Получены следующие научные результаты:
-
Предложена методика определения кривизны в сечении с трещиной и в середине бетонного блока между трещинами с использованием нелинейных свойств бетона и арматуры, позволяющая более точно определять параметры напряженно-деформированного состояния рассматриваемого элемента.
-
Предложена синусоидальная функция распределения кривизны по длине статически определимого изгибаемого железобетонного элемента в зоне дискретного образования трещин.
-
Разработаны алгоритмы автоматизированного расчета кривизны, относительной деформации, высоты сжатой и растянутой зон бетона в сечении с трещиной и в середине бетонного блока между трещинами, глубины развития трещины, момента образования трещин, расстояния между трещи-
нами и прогиба в статически определимых изгибаемых железобетонных элементах при кратковременном загружении.
-
Получены экспериментальные значения прогибов статически определимых изгибаемых железобетонных элементов, изготовленных из бетона сверхвысокой прочности (В90).
-
Проанализированы результаты испытаний 27 серий изгибаемых железобетонных образцов, проведенных отечественными и зарубежными учеными, с широким диапазоном прочностных характеристик бетона (В15-В145), расчетным пролетом 1,3-3,8м, степенью армирования 0,5-6,8%.
Практическое значение результатов исследований:
-
Предложена методика расчета прогибов, позволяющая более точно оценивать прогибы изгибаемых железобетонных элементов при кратковременной нагрузке в сравнении с существующими отечественными и зарубежными методиками.
-
Разработаны расчетные алгоритмы, реализованные в программном комплексе «MathCAD 14», позволяющие использовать усовершенствованную методику расчета прогибов при проектировании и обследовании изгибаемых железобетонных элементов.
Автор выносит на защиту:
-
Усовершенствованную методику определения прогибов изгибаемых железобетонных конструкций с учетом трещинообразования с применением нелинейных диаграмм деформирования бетона и арматуры;
-
Результаты собственных экспериментальных исследований прогибов шести серий изгибаемых железобетонных элементов, выполненных из бетона обычной (В25-В30) и сверхвысокой прочности (В90);
-
Сравнительный анализ авторских, отечественных и зарубежных экспериментальных исследований прогибов 27 серий изгибаемых железобетонных образцов с результатами расчета по предложенной методике.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением классических методов строительной механики в области деформации изгибаемых железобетонных элементов под нагрузкой, использованием сертифицированных расчетных программ и современного аттестованного измерительного оборудования, значительным объемом авторских экспериментальных исследований и обработанных экспериментальных данных других ученых.
Результаты исследований внедрены:
в ООО НТЦ РААСН «ВолгаАкадемЦентр» для использования при проектировании (в частности, железобетонных конструкций стадиона «Строитель» в г. Тольятти);
в экспериментальных исследованиях при выполнении государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации, согласно заявке 7.5796.2011, в НИЛ ЖБК СГАСУ по теме: «Моделирование деформационных свойств высокопрочного бетона (класса до В200), в том числе твердеющего под давлением (БТД), с учетом фактора времени, для расчета и проектирования»;
в учебном процессе СГАСУ при проведении учебных занятий с включением в рабочую программу по курсу "Железобетонные и каменные конструкции" для факультета "Промышленное и гражданское строительство".
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на 65-68-й всероссийских научно-технических конференциях СГАСУ (Самара, 2006-2011), Всероссийской научно-практической конференции «Вопросы проектирования и расчета зданий и сооружений» (Махачкала, 2011), II и III международных симпозиумах «Проблемы современного бетона и железобетона» (Минск, 2009 и 2011).
Публикации. Основные положения диссертационного исследования опубликованы в 16 печатных работах, в их числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, двух приложений и библиографического списка. Общий объем диссертации: 160 страниц, в т.ч. 43 таблицы, 101 рисунок и библиографический список из 156 наименований.
