Введение к работе
Актуальность проблемы. Вследствие непрерывного развития химической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности уве-шчивается вероятность возникновения и воздействия на конструкции зда-шй и сооружений случайных кратковременных динамических нагрузок шарийного характера.
Взрыв на Томском нефтехимическом комбинате, авария в Чернобыле, ізрьів нефтепровода в Башкирии, землетрясения в Армении и Нефтегорске - это далеко не полный перечень катастрофических явлений последних лет, іриведших к значительным материальным потерям и гибели людей.
Одновременно с этим осуществляется совершенствование конструк-гивных решений сооружений гражданской обороны и специального защит-гого назначения, основной нагрузкой для которых является кратковремен-іая динамическая нагрузка от современных средств поражения. К этому слассу сооружений предъявляются особые эксплуатационные требования: сонструкция должна выдержать однократное действие динамической на-рузки, не вызвав обрушения сооружения.
Важное значение имеет также в настоящее время проблема эффективного решения топливно-энергетического обеспечения городов и насе-генных пунктов страны. Решение этой проблемы во многом зависит от надежного проектирования, строительства и эксплуатации атомных электростанций (АЭС). Согласно действующим нормативным документам, к ком-ілексу сооружений АЭС предъявляются повышенные требования по эбеспечению их жизнедеятельности. По этим требованиям МАГАТЭ защитные конструкции атомных электростанций должны рассчитываться на действие воздушной ударной волны взрыва газового облака и другие кратковременные динамические воздействия аварийного характера.
Одним из путей экономичного и надежного проектирования отмеченных выше сооружений, подверженных воздействию кратковременной динамической нагрузки, является разработка эффективных методов их расчета. Эти методы расчета должны:
- основываться на общем принципе использования полных запасов
прочности конструкций;
- учитывать основные физические закономерности динамического
сформирования железобетона с трещинами;
- позволять получать непосредственно из расчета необходимые да проектирования величины, в том числе данные о напряженно-деформі рованном состоянии железобетонной конструкции на всех стадиях ее раб< ты с момента приложения нагрузки до разрушения.
В связи с этим задача совершенствования методов расчета железоб тонных конструкций при статическом и кратковременном динамическо нагружении является научной проблемой, имеющей важное народш хозяйственное значение.
Работа выполнена в Томской государственной архитектурн» строительной академии в соответствии с координационным гагано научно-исследовательских работ Минвуза СССР по строительной тематш (1.21.003.90). По межвузовской научно-технической программе Госкомву: РФ "Архитектура и строительство" (приказ Госкомвуза РФ № 252 ( 27.03.91).
Целью диссертационной работы является комплексное решение npi блемы разработки новых методов расчета железобетонных плоскостнь конструкций на кратковременные динамические нагрузки с учетом ра личных факторов физической нелинейности, а также систематизирование экспериментально-теоретическое изучение сопротивления изгибаемых сжато-изогнутых конструкций с проемами и без них по наклонны сечениям при статическом и кратковременном динамическом нагружениял
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработан метод динамического расчета железобетонных конструкщ при плоском напряженном состоянии на основе динамических диаграм "напряжение - деформация" бетона и арматуры с учетом трещинообр зования в бетоне, влияния скорости и характера динамического нагруж ния на прочностные и деформативные свойства материала, с учетом ус лий, возникающих по берегам трещины при ее движении, а также поп речных усилий, воспринимаемых арматурой при срезе;
на основе проведенных динамических испытаний двенадцати балочнь конструкций изучено влияние растянутого бетона на участках меж; трещинами на неравномерность деформаций арматуры по длине желез бетонного элемента;
экспериментально изучено влияние эффективности косвенного армир вания сжатой зоны бетона изгибаемых конструкций на их энергоемкое и несущую способность;
получен критерий прочности бетона в условиях плоского напряженно-деформированного состояния при кратковременном динамическом на-гружении в осях главных напряжений, а также нормальных и касательных ортогональной системы координат;
на основе теории деформирования железобетона с трещинами проф. Карпенко Н.И. получены физические соотношения для расчета конструкций, находящихся в условиях плоского напряженно-деформированного состояния, с учетом особенностей динамического деформирования железобетона с трещинами, на основе диаграмм о-є бетона и арматуры;
на основе метода конечных элементов и способа Newmark-P разработана и реализована процедура итерационного расчета в приращениях плосконапряженных динамически нагруженных железобетонных конструкций;
проведены комплексные экспериментальные исследования семидесяти изгибаемых и сжато-изогнутых высоких конструкций балочного типа {hll = 1/3...1/6) по наклонным сечениям при статическом и однократном динамическом нагруженнях, при разном положении проема и без него, с изменением схем армирования наклонных сечений, разных условиях на-гружения конструкции (а = Ь, а = 1,5/ю, а = 2ho, а = ЗЛо, упруго-податливом защемлении на опорах), при неодинаковых уровнях продольного обжатия и без него;
получены и систематизированы новые опытные данные, характеризующие процесс статического и динамического сопротивления железобетонных конструкций с проемом в пролете среза по наклонным сечениям;
разработана инженерная методика статического и динамического расчета железобетонных балок с проемами по наклонным сечениям, при расположении проемов в зоне максимальных поперечных сил при разном пролете среза;
на основе методов математической статистики дана оценка надежности формул СНиП 2.03.01-84 при расчете изгибаемых конструкций по наклонным сечениям на действие сосредоточенных сил и распределенной нагрузки (конструкции прямоугольного профиля с поперечной арматурой И без нее; балки таврового профиля с поперечной арматурой и без нее; предварительно напряженные конструкции). Показано, что в разном диапазоне прочности наклонных сечений расчет по нормам дает разную степень надежности.
- на основе методов математической статистики получены и качественн
обоснованы расчетные зависимости для оценки прочности наклонны
сечений изгибаемых конструкций, позволяющие получать результаті
одинаковой степени надежности во всем диапазоне несущей способност
конструкций по поперечной силе; даны предложения по уточнению м«
тодики СНиП 2.03.01-84 для расчета прочности железобетонных кої
струкций по критической наклонной трещине.
На защиту выносятся:
физические предпосылки, положенные в расчетную модель диш мического деформирования железобетона с трещинами;
методика расчета железобетонных конструкций на кратковременные дг намические нагрузки при плоском напряженно-деформированном ее стоянии и комплекс программ расчета на ЭВМ;
методика и результаты экспериментальных исследований 70-ти крупне масштабных изгибаемых и сжато-изогнутых высоких балочных кои струкций (hll = 1/3...1/6) с проемом в опорной зоне при статическом и о;: нократном динамическом нагружении по наклонным сечениям;
инженерная методика статического и динамического расчета железобс тонных балок с проемом в пролете среза по наклонным сечениям;
предложения по совершенствованию расчета прочности наклонны сечений железобетонных изгибаемых конструкций балочного типа п критической наклонной трещине.
Практическое значение работы состоит: в разработке и реализаци методов расчета железобетонных конструкций при статическом и одне кратном динамическом нагружении, позволяющих всесторонне оценит работу конструкций на различных стадиях деформирования и обеспечит расчетным путем их надежность при эксплуатации.
Достоверность научных положений и выводов. Расчетные предпоськ ки основаны на обширных экспериментальных данных о поведении мате риалов и конструкций. Реализация методики расчета на ЭВМ и полученны расчетные зависимости для инженерного расчета железобетонных кок струкций по наклонным сечениям основаны на строгом решении задач соответствии с принятыми предпосылками и моделями. Достаточна точность расчетных методик подтверждена удовлетворительным совпади нием теоретических и опытных результатов.
Реализация работы. Результаты исследований включены в нормативные документы по расчету железобетонных конструкций специальных юоружений.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и юлучили одобрение: на 1-ой Всесоюзной конференции по расчету зданий и юоружений на динамические воздействия, г. Харьков, 1978 г.; на научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ МИСИ им. В.В.Куйбышева (в 1979, 1982 гг.); на совещании секции теории железобетона, совета по координации НИР в области бетона и железобетона Госстроя СССР на тему: "О методах учета нисходящей ветви диаграммы напряжение-деформация в расчетах бетонных и железобетонных конструкций г. Ростов-на-Дону, 1980 г.; на 2-й Всесоюзной конференции "Совершенствование методов расчета зданий и сооружений на динамические воздействия" г. Тбилиси, 1982 г.; на Всесоюзном научно-техническом совещании "Предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений" г. Нарва, 1986 г.; на Всесоюзном координационном совещании "Интенсивные кратковременные воздействия на здания и сооружения", г. Томск, 1987 г.; на Международной конференции МАГАТЭ, г. Москва, 1988 г.; на XXII Международной конференции в области бетона и железобетона, г. Иркутск, 1990 г.; на Всесоюзной конференции "Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии", г. Белгород, 1991 г.; на ХХШ Международной конференции в области бетона и железобетона "Волго-Балт", 1991 г.; на научной конференции общества железобе-тонщиков Сибири и Урала, г. Новосибирск, 1993 г.; на научном семинаре кафедры железобетонных конструкций и строительной механики Томской государственной архитектурно-строительной академии (1985, 1989, 1994, 1996 гг.); на научном семинаре кафедры железобетонных конструкций Московского государственного строительного университета, 1996 г.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 433 стр. (без приложений), в т.ч. 284 стр. машинописного текста, 197 иллюстраций (126 стр.), библиография из 221 наименований (23 стр.), приложения на 45 стр.