Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, цель и задачи исследований 7
1.1. Способы усиления железобетонных конструкций 7
1.2. Материалы, применяемые для усиления железобетонных конструкций 30
1.3. Методы расчета усиленных железобетонных изгибаемых элементов 55
1.4. Некоторые аспекты внедрения усиливаемых железобетонных конструкций 61
2. Исследование прочности и деформативности дисперсно армированных полимербетонов с применением математических методов планирования экспериментов 64
2.1. Основные принципы математического планирования эксперимента 64
2.2. Конструкционные свойства дисперсно армированных полимербетонов 66
2.3. Механическая модель дисперсно армированного полимербетона 85
2.4. Выводы 93
3. Исследование несущих конструкций, усиливаемых полимербетоном 94
3.1. Композиционные конструкции слоистого сечения 94
3.2. Усиление железобетонных балок по наклонным сечениям ... 107
3.3. Влияние усиления на высоту сжатой зоны и несущую способность изгибаемых элементов 109
3.4. Выводы , 116
4. Расчет усиленных железобетонных элементов конструкций 118
4.1. Инженерные методы расчета 118
4.2. Решение задачи теории упругости для двухслойного элемента конструкций 134
4.3. Выводы 142
Общие выводы 143
Список литературы
- Материалы, применяемые для усиления железобетонных конструкций
- Конструкционные свойства дисперсно армированных полимербетонов
- Усиление железобетонных балок по наклонным сечениям
- Решение задачи теории упругости для двухслойного элемента конструкций
Введение к работе
Реконструкция является одним из магистральных направлений в области современного строительства. Ее объемы неуклонно возрастают. По своей специфике проектирование и проведение работ по реконструкции существенно отличаются от процесса создания новых зданий и сооружений.
Реконструкция зданий и сооружений - это их переустройство с целью частичного или полного изменения функционального назначения, установки нового эффективного оборудования, улучшения застройки территорий, приведения в соответствие с современными возросшими нормативными требованиями.
Она является частью общей реконструкции производственных предприятий или городского района, жилого массива, комплекса социально-бытовых, культурных учреждений.
Реконструкция зданий и сооружений осуществляется и при проведении технического перевооружения предприятий, однако, в этом случае расходы на строительно-монтажные работы не должны превышать 10% общих капиталовложений.
Переустройство включает перепланировку и увеличение высоты помещений, усиление, частичную разборку и замену конструкций, а также надстройку, пристройку и улучшение фасадов зданий.
Осуществление обширной программы внедрения во все отрасли народного хозяйства новых технологий, требует особого внимания к проблемам реконструкции зданий и сооружений. Обновление основных фондов не предполагает замены строительных конструкций, а приводит к целесообразности эффективного использования существующих зданий и сооружений. Однако многие строительные конструкции имеют значительный физический износ, поэтому при реконструкции зданий и сооружений большое внимание следует
уделять обследованию конструкций, уточняющему геометрические размеры, расчетные схемы, дефекты проекта, наличие коррозионных и механических повреждений.
Многолетняя практика проведения реконструкции сооружений указывает наиболее прогрессивные способы ее осуществления: изыскание и использование резервов несущей способности конструкций на основе экспериментального и теоретического изучения их действительной работы с уточнением нагрузок, фактических свойств материалов и расчетных схем. Применяются также новые разгружающие или заменяющие конструкции, воспринимающие увеличение нагрузки и выключающие из работы часть существующих железобетонных плит и панелей металлополимерными и иными легкими ограждающими конструкциями, в частности изделиями из легких бетонов. Постоянно разрабатываются способы усиления конструкций, находящихся под нагрузкой или после их частичной разгрузки на действующих предприятиях.
В последние годы за рубежом интенсивно используется усиление железобетонных конструкций металлическими пластинами, прикрепляемыми различными способами к плоскостям железобетонных конструкций, в частности приклеиванием.
Целесообразны наиболее простые приемы и способы усиления конструкции. Чаще всего, существующие конструкции включаются в работу усиленной системы, поэтому расчеты должны производиться с учетом этих обстоятельств.
Статически неопределимые железобетонные конструкции после усиления и до усиления традиционно рассчитываются обычными методами строительной механики упругих систем, а затем производится поэлементный расчет конструкций и стыков элементов. Однако данный способ расчета не учитывает предыстории
нагружения, особенности несущей способности и деформативности элементов, усиленных под нагрузкой.
Проблема реконструкции зданий и сооружений в САР в настоящее время приобрела актуальность вследствие различных причин. Основными из них являются:
а) внедрение во многие отрасли народного хозяйства новых
технологий, влекущее за собой необходимость реконструкции зданий
и сооружений;
б) приближение границ зоны сейсмической активности к
территории САР;
в) необходимость сохранения исторического облика многих
древних городов Сирии ставит проблему реконструкции и усиления
зданий и сооружений на одно из первых мест в области
строительства.
Цель работы - повышение эксплуатационной надежности и долговечности железобетонных конструкций путем усиления их эффективными композиционными материалами на основе полимеров.
Автор защищает:
результаты экспериментальных исследований деформирования и разрушения железобетонных конструкций, усиленных полимербетоном;
полученные многофакторные корреляционные зависимости прочности и модуля упругости полимербетонов и армополимербетонов, применяемых для усиления железобетонных конструкций;
рекомендации по расчету усиленных полимербетоном железобетонных элементов конструкций.
Научную новизну работы составляют:
- основные закономерности деформирования и разрушения
железобетонных изгибаемых элементов, усиленных полимербетоном;
- многофакторные корреляционные зависимости прочности и
модуля упругости полимербетонов и армополимербетонов в
зависимости от параметров их составляющих;
. - решение задачи совместной работы железобетона и армополимербетона для усиленного железобетонного элемента;
- предложения по расчету усиленных полимербетоном
железобетонных элементов конструкций.
Достоверность положений и выводов диссертации
обеспечивается применением математических методов планирования
экспериментов, общепринятых основных допущений теории
железобетона и армополимербетона, подтверждается
экспериментальными исследованиями, а также сопоставлением с многовариантными численными исследованиями при широком варьировании исходных параметров.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации доложены и одобрены на :
II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (МИИТ; 1996 г.);
Научно-практической конференции «Неделя науки - 96» (МИИТ; 1996 г.);
Научно-практической конференции «Неделя науки - 99» (МИИТ; 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 научные работы.
Материалы, применяемые для усиления железобетонных конструкций
Для восстановления несущей способности железобетонных конструкций наиболее эффективны материалы на основе цемента с полимерными добавками (полимерцементные бетоны и растворы), материалы на основе полимерного связующего (полимерные мастики и полимербетоны)[22, 23, 24].
Полимерцементные бетоны характеризуются наличием комплексного вяжущего: минерального (цемента) и органического (полимера). При совмещении этих различных по свойствам веществ образуются материалы со сложной органоминеральной структурой и специфическими свойствами. Как показывают многочисленные отечественные и зарубежные исследования и экспериментальные работы, введение полимера улучшает основные физико-механические свойства бетона: делает его более плотным, уменьшает водопроницаемость, увеличивает показатели прочностных свойств, особенно статических и ударных при изгибе и растяжении, повышает трещиностойкость и коррозионную стойкость. Заслуживает внимания повышенная клеящая способность полимерцементных бетонов. Благодаря этим свойствам полимерцементные бетоны получили широкое распространение.
Экспериментальные работы на аэродроме по ремонту бетонного покрытия полимерцементным бетоном с использованием поливинилацетатной эмульсии (ПВАЭ) и див и нилсти рольных латексов показали, что в случае применения ПВАЭ прочность склеивания .при сдвиге цементных образцов через 7 сут достигает 8 МПа, но клеевой шов при этом недостаточно водостоек.
Применение дивинилстирольного латекса СКС-65ГП позволяет получить более водостойкие клеевые соединения, с прочностью склеивания 2—3 МПа. Было установлено, что лучшие результаты (хорошее сцепление с бетоном, отсутствие трещин и достаточная прочность) достигнуты при использовании натурального латекса. При применении ПВАЭ были получены удовлетворительные результаты, а при использовании синтетического латекса СКС-65ҐП полимерцементный бетон имел удовлетворительное сцепление, но недостаточную прочность. Значительные работы по восстановлению железобетонных конструкций полимерцементными материалами проведены в Скандинавских странах, ФРГ, США. В Англии для заделки сколов и трещин применяется «экстеркрит», состоящий из смеси полиэфирной смолы, портландцемента и воды. Смесь «экстеркрита» с заполнителем, содержащим до 99% кремнезема, быстро твердеет и приобретает высокую прочность: в суточном возрасте—17,5—20 МПа, через 7 сут— 20—25 МПа. Время твердения смеси при 20 С 3—5 ч.
В условиях действующей конструкции необходимо применение быстротвердеющего материала, обладающего высокими физико-механическими характеристиками и надежной адгезией к бетону. Такими материалами являются синтетические клеи, растворы, мастики, а также полимербетоны на их основе.
В России и за рубежом имеются примеры использования эпоксидных мастик, модифицированных различного рода соединениями, а также полиэфирных и полиуретановых композиции. Такие материалы обладают высокой стойкостью к истиранию и растрескиванию, высокой твердостью в сочетании с эластичностью, хорошими адгезионными показателями и оказывают позитивное воздействие на напряженно-деформированное состояние конструкций.
Устройство полимерных покрытий заключается в розливе эпоксидного клея по очищенной и просушенной поверхности в одних случаях без наполнителя, в других—с наполнителем, а также в приготовлении и распределении эпоксидно-минеральных смесей.
Для создания покрытий, работающих в агрессивных эксплуатационных условиях, для гидроизоляции и противокоррозионной защиты нашли широкое применение мастики на основе модифицированных эпоксидных смол.
В последние годы для ремонта железобетонных конструкций разработана эффективная и надежная технология, связанная с применением полимербетонов. С разработкой полимербетонов значительно повысилась оперативность и надежность ремонтно-восстановительных работ.
Конструкционные свойства дисперсно армированных полимербетонов
Большинство исследований конструкционных строительных материалов связано с определением их оптимальных свойств. Математическая теория эксперимента, получившая в настоящее время широкое развитие, позволяет выбирать оптимальное направление исследования при неполном знании какого-либо параметра, при чем направление исследования может меняться в процессе самого поиска. В результате получаем математическую модель процесса, что дает возможность решить проблему ее автоматизированного управления [39, 40, 41, 42,43].
При этом результаты эксперимента могут быть представлены тремя способами: - табличный способ используется в тех случаях, когда исследуемый параметр зависит только от одной переменной; .- графический способ применяют для описания зависимостей какого-либо фактора от нескольких (двух-трех) переменных; - функциональный способ является наиболее общим для представления экспериментальных данных многофакторных систем.
Математическая постановка задачи оптимального планирования заключается в следующем: необходимо получить определенное представление о функции, характеризующей отклик: у =/(x1t х2, х3, хп) где: у - параметр процесса, подлежащий оптимизации; хь х2, Хз, хп - независимые переменные или факторы влияния, определяемые из эксперимента.
В общем случае указанная функция должна быть представлена в виде полинома, характеризующего зависимость параметра оптимизации от исследуемых факторов.
Исторически первыми явились ортогональные планы, предложенные Боксом и Уилсоном еще в 1951 г. Эти планы обладают минимальной дисперсией при определении коэффициентов регрессии и расчете значения параметра оптимизации \уА), однако при использовании математической модели в виде полинома второй степени не обеспечивается равенство дисперсий для коэффициентов регрессии. Поэтому был предложен другой подход, при котором дисперсия должна быть постоянной на эквидистантных расстояниях от центра плана. Это условие называется ротатабельностью, т.е. инвариантностью к вращению координат.
Свойства дисперсно армированного полимербетона в наибольшей мере определяются свойствами матрицы, содержанием и свойствами армирующих волокон, соотношением между их длиной и диаметром, которые, в свою очередь, являются независимыми, случайными факторами, и др. Установление общих закономерностей механизма влияния этих факторов на некоторые конструкционные свойства армополимербетона проводилось с помощью математикостатистических методов планирования и обработки результатов эксперимента, в частности, с использованием многофакторного композиционного планирования [42,43].
Свойства матрицы (полимербетона) характеризовались величиной модуля упругости. Необходимо отметить, что с увеличением (уменьшением) величины модуля упругости увеличивалась (уменьшалась) прочность полимербетонной матрицы.
Для армирования применялись дискретные волокна бора диаметром 0,1 мм, свойства которых приведены в работах [51,74].
Свойства дисперсно армированного полимербетона в рассматриваемом случае являлись функцией следующих факторов, изменяющихся в пределах: ХІ - степень наполнения полимербетонной матрицы волокнами бора (содержание волокон) - (0,2 - 8,0)%; х2 - длина волокон - (5 - 45) мм; х3 - модуль упругости матрицы - (100 - 300) 102 МПа. Общее количество экспериментов при К = 3 (где К — количество факторов варьирования) равно 20. Выбор величины «звездного плеча» (а=2к/4=23/4=1,682) и количество экспериментов в центре плана осуществлялось в соответствии с требованиями ротатабельности планирования. Средние уровни переменных: xf = 4,1%; х2 = 25мм; х3 = 200 102 МПа. Шаг варьирования переменных: xf =2,3%; х2 = 12 мм; х3 = 6 102МПа.
Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в табл.2.1. В табл.2.2 приведены составы дисперсно армированных полимербетонов для каждого номера опыта по плану матрицы планирования с учетом свойств полимербетона и длины волокон.
Порядок проведения экспериментов был рандомизирован, что позволило ослабить влияние неконтролируемых переменных. В математической постановке задача сводится к отысканию уравнений регрессии, аналитической и графической интерпретации полиномиальных модулей (уравнения регрессии искались в классе полиномов второго порядка).
Обработка результатов и построение контурных кривых проводились на ЭВМ. Получены следующие уравнения регрессии (математические модели)
Усиление железобетонных балок по наклонным сечениям
Вопросы дальнейшего конструирования слоистых конструкций из железобетона и полимербетона должны решаться в направлении, обеспечивающем высокий уровень трещиностойкости и прочности в наиболее опасных нормальных и наклонных сечениях. С этой целью все растягивающие усилия, возникающие в конструкции, должны восприниматься полимербетоном, а сжимающие - цементным бетоном. Учитывая это, рассмотрена конструкция балок покрытия и перекрытия, состоящая из полимербетонного элемента решетчатого типа и железобетона [65]. Такая конструкция позволяет наиболее полно сочетать в себе положительные свойства полимерного и цементного бетонов.
Технология изготовления балок [66] включает следующие операции: изготовление арматурных каркасов, обетонирование растянутых стержней арматурного каркаса полимербетоном (эпоксидным, полиэфирным, фурановым и др.), установка полимербетонных каркасов в опалубку, установка отдельных стержней для создания пространственного каркаса, укладка цементного бетона, термообработка и распалубливание. Введение наклонных хомутов в слой полимербетона обеспечивает высокую степень трещиностойкости как по нормальным, так и наклонным сечениям. Для исследования работы этих конструкций было изготовлено и испытано несколько серий балок с различным процентом армирования. Размеры балок составляли 4,5 х 9,6 х 80 см, толщина полимербетона 2 см, диаметр рабочей арматуры для балок I серии — 6 мм, для II серии - 8 мм (рис. 3.7). Характерным для балок обеих серий является высокая трещиностойкость, причем, несмотря на наличие большой поперечной силы, трещины в наклонных сечениях отсутствовали. Повышение трещиностойкости для балок с арматурой диаметром 6 мм составило 250%, а при диаметре 8 мм 200%. При меньшем диаметре рабочей арматуры влияние полимербетона в растянутых зонах на жесткость балок также оказалось более существенным, т.е. эффективность использования полимербетона увеличивается с уменьшением процента армирования.
Положительной особенностью предложенной конструкции является также и то, что рабочая арматура полностью защищена полимербетоном от коррозии.
Другим конструктивным решением может явиться создание трехслойных конструкций с верхним и нижним слоями из полимербетона небольшой толщины, а средний, основной слой, из цементного бетона. Такое решение будет приемлемо для зданий с плоскими перекрытиями и покрытиями, а также пролетных строений мостов, пассажирских платформ и др. [67,68,69,70,71]. Предлагаемая конструкция будет практически полностью химстойка, причем, верхний слой полимербетона, стойкий к различным механическим и агрессивным воздействиям, может одновременно выполнять функции пола, гидроизоляции, дорожного покрытия и т.д. [72,73,74]. 3.3. Влияние усиления на высоту сжатой зоны и несущую способность изгибаемых элементов.
Для усиленных изгибаемых элементов представляет определенный интерес характер изменения сжатой зоны при различной толщине усиливаемого слоя полимербетона в растянутой зоне. При этом появляется возможность выявить перераспределение напряжения по высоте сечения усиливаемых конструкций.
Прочность двухслойной балки достаточна, если внешний расчетный изгибающий момент не превосходит расчетные несущие способности сечения. При моментах, взятых относительно оси, нормальной к плоскости действия изгибающего момента и проходящей через точку приложения равнодействующей усилий по всей растянутой арматуре As, условие прочности выражается неравенством, М ЯтМК 5х)+ ЯтусАуЛ (3-1) Относительную высоту сжатой зоны можно определить по формуле = f (3.2) к Граничную относительную высоту сжатой зоны gR, при которой растягивающие напряжения в арматуре начинают достигать предельных значений as — Rs, находят из зависимости: Т (3 3) 2-- где: й = 0,85-0,008. Д„6 Исходные данные и результаты расчета изложены в таблице 3.1.
На графике зависимости от толщины полимербетона (рис.3.9) выявлено, что при увеличении толщины полимербетона в растянутой зоне двухслойной изгибаемой балки А , увеличивается относительная высота сжатия зоны, а также на графике зависимости М от толщины полимербетона в растянутой зоне hvc, (рис.3.10) величина разрушающего момента изменилась в соответствии с увеличением толщины полимербетона.
Решение задачи теории упругости для двухслойного элемента конструкций
Разработка теории расчета композиционных конструкций с учетом неоднородности свойств их составляющих представляет собой хотя и сложную, но исключительно актуальную проблему, особенно в связи с ускоренным развитием композиционных конструкций различного типа [51,82,83].
Рассмотрим плоскую задачу теории упругости для композитного элемента прямоугольной формы (рис.4.5), состоящего из полимербетона и железобетона. Граничными условиями здесь являются функциональные условия совместности деформаций полимербетона и железобетона. Все переменные и функции, имеющие индекс 1, относятся к полимербетону, индекс 2 - к бетону.
Деформации єхі и напряжения сх{Л,у) определялись с шагом Ah = 1 см. Все эти величины вычислялись для т=1;2; до тех пор, пока т - ный член ряда не становился меньше заданной относительной ошибки. Оказалось, что решение расходится на границе у=0 ; у=Н и сходится довольно быстро внутри области. Так при заданной ошибке от -10 3 внутри области достаточно взять т=10.
Таким образом, при точном решении плоской задачи с помощью рядов, краевые условия удается удовлетворить только интегрально. 1. Рассмотренные инженерные методы расчета усиленных железобетонных элементов. 2. На основе действующего СниП предложена методика расчета усиленных железобетонных элементов и выполнены численные исследования. 3. Выполнено решение задачи теории упругости для двухслойного конструктивного элемента. 4. Установлена допустимая сходимость теоретических и экспериментальных результатов исследований.
В результате проведенных комплексных исследований сформулированы следующие основные выводы:
1. Выявлены основные закономерности поведения усиленных полимербетоном конструкций при кратковременном и длительном действии нагрузок, установлены оптимальные параметры их составляющих. Отмечены новые особенности в работе растянутой арматуры усиленных железобетонных конструкций перед их разрушением.
2. Рассмотрены инженерные методы расчета усиленных железобетонных элементов. На основе действующего СНиП предложена методика расчета усиленных железобетонных элементов и выполнены численные исследования.
3. На основе применения математических методов планирования экспериментов получены зависимости, позволяющие прогнозировать прочностные свойства армированных полимербетонов в зависимости от параметров их составляющих.
4. Выявлено влияние соотношения модулей упругости полимербетонной матрицы и армирующих волокон, размеров и содержания последних на конструкционные свойства армополимербетонов и получены соответствующие зависимости. Установлено, что модуль упругости матрицы существенным образом влияет на модуль упругости композита только при высоком уровне дисперсного армирования. С увеличением соотношения модулей упругости армирующих волокон и матрицы (т.е. в случае применения высокомодульных волокон) происходит снижение модуля упругости армополимербетона. Показано, что увеличение длины армирующих волокон и их содержания приводит к повышению модуля упругости армополимербетона. 5. Выполнено решение задачи теории упругости для двухслойного конструктивного элемента. Установлена допустимая сходимость теоретических и экспериментальных результатов исследований.
