Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований.. 8
1.1. Экспериментальные исследования железобетонных элементов при длительном действии нагрузки .-...8
1.2. Методы расчета деформаций 15
1.3. Выводы и задачи исследований 29
Глава 2 . Методика расчета джормавдй железобетонных стержневых элементов с учетом длительности действия нагрузок на основе диагрдмм-изохрон 31
2.1. Исследование влияния различных факторов на результаты расчета деформаций железобетонных элементов при длительном нагружении и разра ботка рекомендаций по описанию диаграмм -изохрон 31
2.1.1. Исследование влияния пластичности бетонной смеси на результаты расчета деформаций .36
2.1.2. Исследование влияния масштабного фактора на результаты расчета деформаций 39
2.1.3. Исследование влияния относительной влажности среды на результаты расчета деформаций 45
2.1.4. Исследование влияния возраста бетона при загружения на результаты расчета деформаций 52
2.2. Рекомендации по описанию диаграмм - изохрон длительного сжатия бетона 60
2.3. Алгоритм и программа расчета деформаций железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки на основе диаграмм-изохрон 64
2.3.1. Физические соотношения для расчета деформаций 64
2.3.2. Алгоритм и программа расчета... 75
Глава 3. Анализ и сопоставление результатов расчета деформации железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки на основе диаграмм - изохрон с экспериментальными данными 79
Глава 4. Экспериментальные исследования деформащй изги баемой железобетонной рамы при длительном действии нагрузки 134
4.1. Характеристика опытных образцов 134
4.2. Методика испытания опытных образцов 138
4.2.1. Определение физико - механических характеристик бетона и арматуры 138
4.2.2. Медодика испытания рамы 141
4.3. Результаты испытания образцов 145
4.3.1. Прочностные и деформативные характеристики бетона 145
4.3.2. Результаты испытания рамы на
длительное действие нагрузки 146
Основные выводы 152
Литература
- Экспериментальные исследования железобетонных элементов при длительном действии нагрузки
- Исследование влияния различных факторов на результаты расчета деформаций железобетонных элементов при длительном нагружении и разра ботка рекомендаций по описанию диаграмм -изохрон
- Алгоритм и программа расчета деформаций железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки на основе диаграмм-изохрон
- Определение физико - механических характеристик бетона и арматуры
Введение к работе
В связи с развитием автоматизированных методов расчета железобетонных конструкции возрастает актуальность вопроса учета нелинейных свойств бетона при длительном действии нагрузки . Бетон имеет ряд специфических особенностей , важными из которых являются свойства , обусловленные ползучестью , усадкой и старением бетона . В настоящее время разработан ряд методик расчета напряженно -деформированного состояния железобетонных элементов при длительном действии нагрузки с учетом нелинейных свойств бетона .
Одной из перспективных является методика расчета железобетонных элементов с учетом физической нелинейности бетона при длительном нагружении на основе диаграмм - изохрон длительного деформирования . Однако предложенные аналитические зависимости для описания диаграмм - изохрон , полученные на основе соотношений теории ползучести , не имеют достаточного экспериментального обоснования . Кроме этого , значительное количество параметров и переменных теории ползучести со сложной математической формой их представления приводят к большой трудоемкости вычислений и громоздким ЭВМ - программам , что сдерживает использование указанной методики .
В связи с этим возникает необходимость в проведении специальных теоретических и экспериментальных исследований для дальнейшего совершенствования методики расчета
железобетонных элементов с учетом длительности нагружения на основе диаграмм - изохрон .
Ц^_мсс&ртанионной_работы состоит в совершенствовании зависимостей для параметров физических соотношений методики диаграмм - изохрон на основе численных исследований с последующей проверкой как имеющимися экспериментальными данными , так и путем проведения специальных испытаний статически неопределимой рамы на действие длительной нагрузки , ив разработке практических рекомендаций по расчету стержневых железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки на основе диаграмм - изохрон .
4?ї2Р_?ШЩвт :
- результаты численных исследований влияния различных
параме тров диаграмм - изохрон на ра счет деформаций
железобетонных элементов с учетом длительности действия
нагрузки ;
рекомендации по описанию параметров диаграмм - изохрон длительного деформирования бетона ;
алгоритм и программу расчета деформаций железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки на основе диаграмм - изохрон ;
результаты сопоставительного анализа расчетных значений деформаций железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки на основе диаграмм - изохрон ;
результаты экспериментального исследования деформирования статически неопределимой рамы при длительном действии нагрузки.
Научну_ю_новизну_работы составляют :
данные численных исследований влияния различных параметров аналитической зависимости диаграмм- изохрон на результаты расчета деформаций железобетонных элементов при длительном действии нагрузки ;
рекомендации по описанию диаграмм - изохрон длительного сжатия и растяжения бетона ;
методика расчета деформаций железобетонных стержневых элементов при длительном действии нагрузки с учетом нелинейных свойств арматуры и бетона на основе диаграмм -изохрон ;
программный комплекс для расчета длительных деформаций стержневых железобетонных элементов с учетом физической нелинейности материалов ;
результаты расчета стержневых железобетонных элементов , согласованные с экспериментальными данными ;
результаты экспериментального исследования длительного деформирования статически - неопределимой железобетонной рамы
Практическое_щачеше_работы : разработаны рекомендации по описанию параметров физических соотношений , методика и ЭВМ -программа расчета деформаций железобетонных стержневых элементов при длительном действии эксплуатационной нагрузки с учетом нелинейных свойств материалов на основе диаграмм - изохрон ;
- результаты работы будут использованы при составлении
дополнений к программному обеспечению " Пособия по расчету
статически неопределимых железобетонных конструкций " .
Апробация_работы:
Основные результаты работы доложены на Международной
конференции по бетону и железобетону "Инженерные проблемы современного железобетона " ( г. Иваново 1995 г.) , изложены в четырех научных публикациях .
5^бм_и_стукту^а_лиссе^тации :
Диссертация состоит из введения , четырех глав , основных выводов , списка литературы из 169 наименовании и приложения . Работа изложена на 205 страницах , включая 49 рисунков и 36 таблиц .
Работа выполнялась в I99I-I996 гг. в лаборатории механики железобетона НИЙЖБ Минстроя РФ ж Казахской Государственной научно - исследовательской лаборатории " КОРЗС " при КарГТУ под руководством доктора технических наук Т.А. Мухамедиева .
Экспериментальные исследования железобетонных элементов при длительном действии нагрузки
К настоящему времени выполнено значительное количество экспериментальных работ , посвященных исследованию изменения напряженно - деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов при длительном нагружешш.
К наиболее ранним экспериментальным исследованиям относятся работы К.И. Вилкова t 34] , СЕ. Фрайнфельда [ 159,160 3, Я.М. Немировского [103,104,105,1063, СВ. Александровского [ 3,12,13 3, Ю. А. Суслова [139 ], В.В. Фигаровского [ 158 3 , B.C. Рокача [ 130 ], Р.К. МахтоС 4-9 3 и др.
Экспериментальными исследованиями железобетонных изгибаемых элементов при действии эксплуатационной длительной нагрузки занимались И.А. Русинов [ 147 ], Й.И. Улидкий Е 146,147,149,150 ]., Н.С Метелик [ 90,91,149 ], Г.М. Реминец [ 127,149 3, Я.М. Немировский [ 105,106 3 , И.Е. Прокопович [ 121-1233, И.И. Темпов [ 143 3 , В.И. Шатохин [ 152 3, В.А. Зедгенидзе [ 53 ], В.В. Фигаровский С 158 3 и ДР В опытах Я.М. Немировского и Р.В. Попова [ 105 3, проведенных в 1955 году в б. ЦШШС , исследовались железобетонные балки различного поперечного сечения подвергнутые длительному изгибу . Балки имели поперечные сечения : прямоугольное , тавровое с полкой в сжатой зоне и тавровое с полкой в растянутой зоне . Расчетный пролет элементов составил 3000 мм . Всего было испытано 40 балок в возрасте при загруженйй от I до 6 месяцев . Прочность бетона балок к моменту испытаний составляла 350 кг/см . Процент армирования балок прямоугольного сечения : 0.5 - 2.5 ; для тавровых сечений - около I и 2.5 , отнесенных к ребру . В качестве арматуры использовалась стержни диаметром 6 , 8 ,10 мм из стали класса Ст.З и диаметром 12 , 16 , 18 мм из стали класса Ст.5 . Балки оставлены под длительным нагружением при расчетных напряжениях различной интенсивности к началу выдержки - от 800 до 2800 кг/см . Максимальная длительность наблюдений - 70 суток .Относительная влажность во время эксперимента изменялась в пределах 80 - 90 %.
В работе Е 10б] приведены результаты опытов , проведенных с железобетонными балками прямоугольного сечения с обычной арматурой . Испытаниям подверглись три серии образцов размером 150 х 400 пролетом 4000 мм . Все образцы изготовлялись из бетона состава I: 1.75 : 3.25 при водоцементном соотношении В/Ц = 0.6 . Использовался портландцемент активностью 650 кг/смг . В качестве рабочей арматуры использовались стержни диаметром 14 , 20 и 25 мм класса А-БГ из стали 20ХГСТ , упроченной предварительной вытяжкой . Процент армирования варьировался в пределах 0.199 -1.5 % . Длительный изгибающий момент для различных балок достигал 2.5 - 8.6 тм . Возраст бетона на момент загружения составлял 170 суток .
В Киевском инженерно - строительном институте в 1957 -1Э58 гг. под руководством проф. В.Н. Ярина и проф . й.й. Улшцкого были проведены экспериментальные исследования по определению прогибов при длительных загружениях железобетонных балок прямоугольного сечения [ 146 ] . Для приготовления бетонных смесей применялись цемент марки 400 , песок со средней крупностью зерен 0.31 мм , щебень гранитный с максимальной крупностью 25 мм . Все образцы были изготовлены из бетона состава I: 2.8S : 4.32 ( по весу ) при В/Ц = 0.7 . Поперечное сечение балок размером 80 х 100 мм , расчетный пролет 1200 мм . Для армирования образцов использовались стержни диаметром 6 и 8 мм из стали класса А -II марки Ст.5 . Процент армирования принят равным 1.47 % . Образцы в возрасте 5 суток покрывались изоляцией ; нагружение производилось в возрасте 7 суток . Длительность эксперимента составила 165 суток . Относительная влажность воздуха в период проведения опытов составляла 80 - 90 % . Исследовались балки с различной схемой поперечного армирования : с одиночной и двойной симметричной арматурой . Уровень длительного нагружения составлял 0.45 от кратковременной несущей способности .
Исследование влияния различных факторов на результаты расчета деформаций железобетонных элементов при длительном нагружении и разра ботка рекомендаций по описанию диаграмм -изохрон
Теория ползучести бетона учитывает широкий спектр факторов влияющих на деформативность железобетонных элементов при длительном нагружении :пластические свойства бетонной смеси при заливке , возраст бетона при нагружении , масштабный фактор , влажность окружающей среды , длительность процесса деформирования и уровень напряжений в бетоне . Аналитическая зависимость для описания диаграмм - изохрон длительного деформирования бетона , построенная в [ 73 ] на соотношениях теории ползучести бетона с учетом влияния перечисленных выше факторов имеет довольно громоздкий вид . Задачей данной работы является упрощение зависимостей при обеспечении достаточной для инженерных расчетов точности . Для решения поставленной задачи был проведен численный эксперимент , в ходе которого выявлялось влияние на деформации железобетонных элементов каждого из перечисленных факторов . Для этого была разработана ЭВМ - программа расчета напряженно- деформированного состояния железобетонного изгибаемого элемента с учетом изменения исследуемых параметров ползучести . При этом для каждого дискретного значения рассматриваемого параметра ползучести варьировались класс бетона по прочности на сжатие , процент армирования ж длительность нагружения . Исходя из принципа наложения воздействий , влияние каждого из отмеченных выше факторов на процесс ползучести рассматривалось отдельно .
Различают два основных режима нагружения конструкций С 99 ] : " жесткий " режим - когда нагрузка прикладывается в течении непродолжительного отрезка времени и в дальнейшем выдерживается постоянной в течении длительного времени , и " мягкий " режим - когда рост нагрузки продолжается в течении длительного времени с примерно постоянной скоростью роста напряжений или деформаций . В диссертации рассматривается жесткий режим нагружения конструкций , как наиболее распостраненный .
Для жесткого режима нагружения зависимости для описания параметров трансформированной диаграммы сжатия бетона предложены в трудах [ 69,73,99] .
Пластические свойства бетонной смеси при заливке N оцениваются параметром ср „ принимаемом равным : pN = CN(- oo ;38)-Eb. ( 2.20 ) Численные исследования влияния подвижности бетонной смеси на длительные деформации изгибаемых элементов производилось путем расчета балок с поперечным сечением 100 х 200 мм . Пролет всех балок принимался равным 2000 мм . Уровень длительного нагружения в пределах расчетного эксплуатационного : (0.5 - 0.8) от кратковременного разрушающего момента .
Для исключения влияния параметров среды относительная влажность принята постоянной и равной 60 %.Для каждого фиксированного значения пластичности бетонной смеси варьировались : класс бетона по прочности на сжатие - от ВІЗ. 5 до B5G ;процент армирования - \х (j , р. Цд, ц ц ; длительность нагружения - от 30 до 1000 суток .Результаты расчетов прогибов для балок из бетона различной прочности представлены в табл. 2.1 .
Анализ результатов проведенного численного эксперимента выявил еле думце е : — независимо от класса бетона в слабоармированных элементах пластические свойства бетонной смеси не оказывают существенного влияния на деформации изгибаемых элементов :при изменении характеристик смеси от жесткости 70 сек . до осадки конуса 10 см значения прогибов различаются между собой на 2 -3 % . С течением времени это различие несколько увеличивается , но даже при длительности нагружения 1000 суток оно не превышает 5 % ; для нормально и пере армированных элементов влияние исследуемого параметра на длительные деформации более существенно : разница между прогибами элементов из жестких и подвижных смесей составляет при t = 30 суток 5 -6Ж , при t= 1000 суток - 7 - 9 Ж; —независимо от класса бетона с увеличением пластичности смеси значение длительных деформаций железобетонных изгибаемых элементов увеличиваются .
В инженерной практике в соответствии с требованиями обеспечения удобоукладываемости бетона для изготовления балочных элементов применяются смеси в основном с осадкой конуса 4 - 8 см и жесткостью 10 -15 сек Е 132,136]. Исходя из этого предлагается принять пластические свойства бетона постоянными с указанными значениями подвижности .
Учитывая , что смеси с жесткостью более 50 сек и смеси с осадкой конуса более 8 см в производстве стержневых железобетонных элементов применять не рекомендуется Е 136 ] , данное упрощение приводит к погрешностям расчета реальных конструкций в пределах 5 - 6% . В табл 2.2 приведен сравнительный анализ расхождений результатов расчета прогибов на основе данного предложения и существующих норм для подвижных и жестких бетонных смесей с результатами , полученными на основе рекомендаций С 73,125 ] .
Влияние масштабного фактора в теории ползучести оценивается модулем открытой поверхности MQ..По данным многих авторов [ 167,3,7,58,146 J с увеличением размеров сечения элемента ползучесть бетона уменьшается .
Для выяснения характера зависимости длительных деформаций железобетонных изгибаемых элементов от модуля открытой поверхности были проведены численные исследования , в ходе которых необходимо было выяснить диапазон вероятных значений данного параметра для изгибаемых элементов прямоугольного поперечного сечения и возможность упрощенного учета его влияния на характеристику ползучести бетона .
Алгоритм и программа расчета деформаций железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки на основе диаграмм-изохрон
По данным различных авторов [ 104,105,106,121,146 ] при длительном действии статической нагрузки процесс трещинообразования в конструкции продолжается : ранее образовавшиеся трещины в растянутой зоне бетона расширяшся , появляются также новые трещины , хотя в целом процесс имеет затухающий характер . Это приводит к тому , что бетон растянутой зоны постепенно выключается из работы , а параметр ф5 , характеризующий работу растянутого бетона на участках между трещинами , увеличивается во времени , приближаясь к предельному значению . Таким образом процесс нарастания прогибов железобетонных изгибаемых элементов во времени обусловлен не только ползучестью бетона , но и увеличением деформаций растянутой арматуры . Неучет данного фактора приводит , по данным Я.М. Немировского , к недооценке фактических прогибов до 40 % . Особенно ярко это проявляется в случае слабоармированных балок с высоким уровнем нагружения. Исследованию закономерностей изменения параметра ф3 во времени посвящено значительное число экспериментальных и теоретических работ Е 26,27,103,106,121,149,146 ] , на основании которых авторы приходят к заключению , что значение коэффициента ( 3(t,t0) зависит от напряженно деформированного состояния всего элемента в целом , от процента армирования и длительности действия нагрузки . Имеется ряд предложений по описанию зависимости для определения коэффициента Мурашева при длительном деформировании , отличающиеся мещду собой формой записи , входящими в них параметрами . Но неизменным является затухающий характер функций , стремящихся к определенному пределу . Сохраняя общий вид зависимостей для определения коэффициента ф при кратковременном нагружении , при длительном деформировании примем : (Mt,tn) = і- ( -1 1) Р1а- Шх---- "-— I ( 2.36 ) 3 Фв.сгс V V .-цуп L L % u / V V = ( 2.37 ) W V + t-7- 1) 1з 8зт,сгс s,crc
Здесь ( (t,t ) - коэффициент Мурашева при длительном действии нагрузки ; ф - значение коэффициента ф в момент образования трещины ;согласно [ 99 ] в расчетах принято ф = 0»45 ; єзт сгс Я&я деформации арматуры єзш в момент образования трещин ; в соответствии с предпосылками , принятыми при выводе основных соотношений методики є равны предельной растяжимости бетона ё ; os(t,t0) - текущие напряжения в арматуре ; W V - сРедшш Деформации арматуры на участке между трещинами ; Ф1з - коэффициент , учитывающий длительность действия нагрузки , принимаемый по табл . 36 СНиП 2.03.01-84 .
Первая из формул используется при расчете по напряжениям , вторая - при расчете по деформациям .
С учетом длительности действия нагрузки зависимости для определения коэффициента изменения секущего модуля средних деформаций растянутой арматуры при расчете по напряжениям примут вид: snr cr sm ч our о snr ( 2.38 ) Здесь параметр u)js определяется зависимостью : 0,2-no,2 iSffi-v03I(t,t0))2 где для арматуры без площадки текучести :
В формулах ( 2.41 ) - ( 2.42 ) А.т - длина площадки текучести [ 99 ] , a - физический предел текучести для мягких сталей . Зависимости [ 99 ]для описания диаграммы деформирования арматуры , расположенной в сжатой зоне бетона и в растянутой части сечения без трещин , остаются без изменения .
Расчет статически определимых железобетонных стержней без учета геометрической нелинейности сводится к расчету нормального сечения с максимальным значением вектора внешних сил.
При заданном векторе внешних сил деформации в нормальном сечении элемента определяли путем решения системы уравнений ( 2.24) итерационным способом на ЭВМ по следующему алгоритму: — сечение бетона условно разбивали на отдельные равные малые участки прямоугольной формы ( рис 2.7 ) со следующими параметрами : I - номер бетоного участка ; A -j - площадь сечения 1 -го участка ; s i - расстояние от призвольной оси у до центра тяжести і -го участка бетона .
Размеры элементарных участков не должны превышать 0.1 номинальных размеров сечения , при этом высота сжатой зоны должна состоять как минимум из пяти частей .
Определение физико - механических характеристик бетона и арматуры
В соответствии с целью эксперимента опытный образец испытывался на действие длительной нагрузки . Для испытания рамы использовался стенд , схема которого представлена на рис 4.2.
Нагружеяие рамы длительной вертикальной нагрузкой производилось в возрасте tQ=I4I суток . Уровень длительного нагружєния составил 0,75 от расчетной разрушащей кратковременной нагрузки . Длительность нагружєния % составила 306 суток . В ходе эксперимента в характерных сечениях рамы , указанных на рис Л » измерялись перемещения , деформации арматуры и бетона . В качестве измерительных приборов для измерения прогибов в зоне чистого изгиба ригеля использовались прогибомеры ІЇ&0-5 с ценой деления 0,01 мм . Прогибомеры крепились к стойкам и штангам , независимым от опытной установки . Деформации бетона измерялись тензорезисторами на базе 50 мм .Средние деформации арматурных стержней определяли с использованием индикаторов часового тина с ценой деления 0,01 на базе 200 мм , для установки которых перед бетонированием к стержням продольной арматуры прикреплялись металлические репера .
Деформации усадки и ползучести определяли на основе испытаний двух групп призменных образцов размеров 10x10x40 см . Каждая такая группа состояла из двух призм , одна из которых загружалась длительной нагрузкой эксплуатационного уровня для определения деформаций ползучести , другая оставалась в ненагруженном состоянии для определения усадочных деформаций, Температура воздуха в период длительных испытаний изменялась в пределах 20 + 1С , влажность - в пределах 50 ± 3 % ,
На рис 4.5 приведена кривая нарастания деформаций усадки во времени .График изменения деформаций ползучести во времени приведен на рис 4.6 .
Опытный образец была загружена длительной нагрузкой при возрасте бетона 141 суток , когда прирост прочности и усадочных деформаций практически прекратился . До уровня длительного нагружения рама загружалась ступенями по 0,1 Р в течении одного часа . При этом уровень яагружения составил 0,75 от расчетной кратковременной разрушающей . Величина вертикальной нагрузки Рн = 108,4 кН . В ходе эксперимента определялись деформации бетона на уровне сжатой арматуры , деформации растянутой арматуры и прогибы в сечении ригеля с максимальным изгибащим моментом Результаты эксперимента приведены на рис 4.7 - 4.$ в виде графиков приращений деформаций бетона и арматуры , а также пригибов ригеля рамы в сечении
1. Одним из перспективных методов расчета напряженно деформированного состояния железобетонных элементов является метод , основанный на использовании диаграмм - изохрон деформирования бетона и позволяющий с единых позиций рассматривать вопросы расчета прочности и деформативности железобетонных элементов с учетом длительности действия нагрузки и различных факторов , влияющих на процесс деформирования .
Методика расчета на основе диаграмм - изохрон с использованием соотношений теории ползучести позволяет достаточно точно оценивать напряженно - деформированное состояние в нормальном сечении железобетонных элементов при действии длительной нагрузки . Отклонение расчетных данных по прогибам от опытных для балочных образцов составляет 6 -7 % , при расчете по рекомендациям СНиП 2.03.01 -84 это отклонение составляет 15 - 20 % .
2. Аналитические зависимости для описания параметров диаграмм - изохрон с использованием соотношений теории ползучести отличаются сложностью, трудно поддаются программированию на ЭВМ и нуждаются в дальнейшем совершенствовании .
3. Численные исследования влияния различных факторов на процесс длительного деформирования показали ,что : независимо от класса бетона с увеличением процента армирования влияние пластических свойств бетонной смеси при заливке на деформации ползучести железобетонных элементов возрастает.Принимая во внимание требование обеспечения удобоукладываемости бетона при заливке целесообразно рассматривать смеси только средней подвижности с осадкой конуса 4 - 8. см и жесткостью 10-15 сек . для всех рассмотренных классов бетона график зависимости характеристики ползучести от модуля открытой поверхности можно разделить на два основных участка:с модулем _т открытой поверхности MQ = 7.5 - 30 м и с модулем открытой поверхности 30 MQ = 40 м"1 и принимать влияние модуля открытой поверхности в пределах каждого участка одинаковым ; с увеличением прочности бетона и уменьшением процента армирования влияние влажности среды на длительные деформации железобетонных элементов снижается . Для практических расчетов значении коэффициента влажности 1 рекомендуется принимать 1.3 - при W 40 % ; I - при W = 40 - 75% ; 0.7 при W = 76 - 90 % ; 0.5 - при W 90 ; с увеличением прочности бетона и уменьшением процента армирования влияние возраста бетона при загружении на длительные деформации железобетонных элементов снижается . Влияние возраста бетона при нагружениЫрекомендуется учитывать посредством коэффициента k 0 , значение которого принимаются линейно изменяющимся на участках tQ 28 суток , %Q 28 - 90 суток и tQ 90 суток ;
Похожие диссертации на Учет деформаций ползучести на основе диаграмм-изохрон в расчетах стержневых железобетонных элементов
