Содержание к диссертации
Введение
1. Конструктивная безопасность железобетонных конструкций зданий и сооружений 12
1.1 Состояние и концепция развития теории методов расчета и нормирования безопасности строительных конструкций 12
1.2 Современное состояние проблемы повышения безопасности эксплуатации конструктивных систем зданий и сооружений 25
1.3 Методы анализа силового сопротивления железобетонных стержневых конструкций в предельных и запредельных состояниях 33
1.4 Краткие выводы. Цель и задачи исследований 46
2. Деформирование и трещиі юстоикость железобе тонных статически неопределимых стержневых конструкций в запредельных состояниях 49
2.1 Основные положения. Исходные гипотезы 49
2.2 Определение напряжений (деформаций) в сечениях железобетонных стержневых систем при динамических эффектах 52
2.3 Определение кривизн в сечениях железобетонных элементов стержневых систем при динамических эффектах 59
2.4 Анализ запредельных состояний стержневых статически неопределимых железобетонных конструкций 67
2.5 Выводы 82
3 Экспериментальные исследования статически неопределимых балок при аварийном выключении из работы отдельных элементов 83
3.1 Цель и задачи исследований 83
3.2 Конструкции опытных образцов и методика экспериментальных исследований 84
33 Результаты испытаний и их анализ 95
3.4 Выводы 111
4. Алгоритмизация задач расчета железобетонных стержневых и балочных конструктивных систем после запроектного воздействия и рекомендации по обеспечению их конструкционной безопасности 113
4.1 Методика и особенности алгоритмизации задач расчета конструкционной безопасности железобетонных и комбинированных конструкций с мгновенно изменяющимися конструктивными схемами 113
4.2 Исследование деформирования и разрушения стержневых и балочных конструкций в запредельных состояниях 132
4.3 Рекомендации по повышению безопасности и снижению объема повреждений стержневых и балочных конструкций при запроект-ных воздействиях 146
4.4 Выводы 148
Основные результаты и выводы 150
Список литературы
- Современное состояние проблемы повышения безопасности эксплуатации конструктивных систем зданий и сооружений
- Определение напряжений (деформаций) в сечениях железобетонных стержневых систем при динамических эффектах
- Конструкции опытных образцов и методика экспериментальных исследований
- Исследование деформирования и разрушения стержневых и балочных конструкций в запредельных состояниях
Современное состояние проблемы повышения безопасности эксплуатации конструктивных систем зданий и сооружений
Проблема обеспечения безопасности при проектировании, строительстве и поддержании в надежном состоянии конструкций зданий и сооружений в различных отраслях национальной экономики в последнее время становится одной их важнейших сторон деятельности научно-исследовательских проектных и строительных организаций во многих странах мира. Она входит в число приоритетных направлений РААСН и критических технологий федерального уровня [34,128]. Со всей остротой эта проблема встала в России в новых экономических условиях, в которых проектирование и строительство зданий и сооружений осуществляется множеством проектных мастерских и строительных фирм разного уровня квалификации и ответственности. Анализ отечественной практики проектирования и строительства в последнее десятилетие показал, что проектная документация выполняется чаще всего поэтапно и подвергается экспертизе далеко не в полном объеме, определенном действующими нормативно-техническими требованиями. Такое положение дел, особенно для технически сложных объектов, приводит к прямому нарушению нормативных требований безопасности проектируемых объектов.
Известно также, что даже при соблюдении всех требований современных норм не обеспечивается необходимый уровень надежности. Нормы лишь устанавливают минимальный уровень безопасной эксплуатации и долговечности конструкции и закладывают ее в конструкции на стадии проектирования. В процессе строительства требуется реализовать это качество, а службам эксплуатации сохранить и поддерживать это, заложенное в проекте, важнейшее качество в течение нормируемого срока службы.
Тем не менее, первым документом во многом определяющим безопасную эксплуатацию конструкции являются государственные нормы проектирования и, следовательно, их состояние и концепция совершенствования представляют первостепенный интерес при рассмотрении данной научно-технической проблемы.
Проблема нормирования конструктивной безопасности в последние годы коснулась большинства стран мира, включая страны Восточной Европы, СНГ и Россию, страны Западной Европы. Неслучайно, вслед за Европейскими странами, объединившимися в создании международных норм так называемых Евро-кодов и Евростатідартов [154-157], идет объединение усилий в плане создания Азиатских региональных норм, гармонизации норм и стандартов стран Восточной Европы, России и стран СНГ [61,65]. Наиболее изученным этот процесс оказался в Европейских странах, где он был начат еще в 1979 году с так называемого Римского соглашения и соответствующих по этому вопросу документов совета Европы. В настоящее время концепция создания Европейских норм приобрела достаточно строгое очертание, согласно которому эти нормы включают три основных части: 1. Общие нормативные требования; 2. Еврокоды; 3. Евростандарты. І Іринято решение, что действие этих региональных норм будет распространяться на 20 стран Европы, включая Венгрию и Польшу. Из намеченных к разработке восьми Еврокодов на сегодня наиболее разработаны три, и в их числе и Еврокод-2 - Железобетонные конструкции [158]. Предполагается, что новые Еврокоды уже через 2-3 іх да заменят соответствующие нормативные документы во всех странах, участницах проекта. Из стран СНГ наиболее полные проработки по гармонизации Европейских и отечественных норм сделаны в республике Беларусь [132] и России [61,65]. Создаваемые нормы этих стран строятся на единой концептуальной и методологической основе с Европейскими нормами. В частности, они имеют общую с Европейскими нормами структуру и включают: 1. Общие положения; 2. Пособия; 3. Стандарты.
С позиции, рассматриваемой в настоящей работе, проблемы создания научных основ анализа строительных конструкций в запредельных состояниях, представляет интерес ответ на вопрос какие принципиально новые моменты, касающиеся безопасности, включены или намечено включить в стратегию создания Европейских и отечественных норм по строительным конструкциям, на грузкам и воздействиям. В основе Еврокодов [154-158] остается метод расчета по предельным состояниям. Как и раньше[ 120-121], безопасность конструкции обеспечивается системой коэффициентов надежности. Это вызывает наибольшую сложность при гармонизации Еврокодов с действующими национальными нормами в отдельных странах. Сложность связана, прежде всего, с принятыми в этих нормах разными коэффициентами запаса, как по нагрузкам, так и по материалам, Предложение ввести единые во всех странах коэффициенты запаса по наїрузкам и оставить различные для разных стран коэффициенты по материалам приведет к неодинаковым экономическим потерям в этих странах. Поэтому на сегодня выдвинуто ряд предложений по нивелированию этих расхождений и обеспечению максимальной надежности метода расчета. В частности, в некоторых странах, имеются рекомендации по снижению среднего коэффициента запаса до уровня 20%. Естественно, это также неоднозначно отразится не только на экономических потерях, но и главным образом на конструкционной безопасности сооружений, проектируемых со сниженными коэффициентами
Определение напряжений (деформаций) в сечениях железобетонных стержневых систем при динамических эффектах
Проблема поддержания в надежном эксплуатационном состоянии железобетонных конструкций зданий и сооружений в различных отраслях в последнее время становится все более важной стороной деятельности научных, проектных и строительных организаций и фирм во многих странах мира.1 Понимание проблемы выходит па новый уровень и требует анализа. Одним из его аспектов является попытка установить связь между конструктивными решениями несущих систем, применяемыми материалами и их безопасностью.
Исследованиями, выполненными в последние годы, показано [12], что вероятность появления грубых ошибок зависит от выбора принципиальной схемы конструкции, ее материала, условий эксплуатации и многих других факторов. Следовательно, помимо прочего, решение проблемы повышения конструкционной безопасности конструктивных систем лежит в плоскости процедур инженерного анализа самих конструкций и, надо полагать, для каждой принципиальной схемы можно найти критерий ее подверженности отказу, учитываемый в процессе принятия решений.
Как следует, из обзора приведенного в предыдущем параграфе, основным методом, применяемым для анализа состояния конструкций, является метод предельных состояний. Исходя из этого, современная концепция обеспечения конструкционной безопасности строительных конструкций зданий и сооружений базируется на следующих основных положениях [30,112,130].
Обеспечение надежности и долговечности эксплуатируемых конструкций при накоплении повреждений и дефектов от неординарных техногенных и природно-климатических воздействий, в т.ч. запроектных, возможно, на основе развития и дополнения основных положений метода расчета по предельным состояниям. Подтверждением этому являются уже наработанные сегодня в России и других странах конкретные предложения по обобщению и развитию метода предельных состояний на построение теоретических основ безопасности прогнозирования поведения зданий и сооружений в запредельных состояниях [43,94,131]. Помимо этого, по мнению ряда ведущих ученых [12,24,119,127], современные методы строительной механики, теории сооружений и других смежных дисциплин, таких как механика разрушения [5,7,108,150], теория и механика катастроф [8] могут и должны найти широкое применение при решении задач конструктивной безопасности.
К работам названного направления можно отнести ряд широкомасштабных исследований, выполненных в последнее время в институте МНИИТЭП [1,2,7]. Базируясь на традиционных положениях метода предельных состояний, авторы наряду с профилактическими мерами предупреждения чрезвычайных ситуаций формулируют целый ряд принципов, направленных на предотвращение прогрессирующего обрушения конструктивных систем. При всей безусловной важности результатов этих исследований, в целом, для решения проблемы повышения конструктивной безопасности зданий и сооружений, они носят в основном локальный экспериментально-прикладной характер. Сформулированные в этих работах принципы справедливы лишь для тех конкретных конструктивных систем на которых проводились исследования и при конкретных применявшихся граничных условиях. Так, например, в качестве основного принципа предотвращения прогрессирующего обрушения выдвигается принцип повышения неразрсзности (статической неопределимости) конструктивной системы. В то же время последние теоретические исследования, выполненные, например, в НИИЖБ [71] показали, что степень неразрезности важное, но далеко недостаточное условие надежности конструктивной системы.
К теоретическим работам этого направления, носящим постановочный характер прежде всею можно отнести исследования проф. Г.А.Гениева [42,43]. Им, по-видимому, одним из первых сформулированы постановки задач о прогрессирующих (лавинообразных) разрушениях стержневых конструктивных систем вследствие выключения из работы отдельных элементов, сечений узлов. При этом, показано, что при разрушении конструктивных систем опасным становится не только мгновенное выключение из работы какого-то элемента (узла сечения), но и влияние возникающего при этом динамического эффекта такого выключения на другие оставшиеся неразрушенными элементы. Так, в работе [43] проведен теоретический анализ и конкретные расчетные зависимости для оценки динамических эффектов в стержневых системах из хрупких материалов типа бетон. На примере растянутого железобетонного стержня устаноатено, что при мгновенном образовании в бетоне стержня трещины от внешней нагрузки, в нем происходит перераспределение усилий и усилие в растянутой арматуре мгновенно увеличивается. Причем, это увеличение значительно больше того усилия, которое возникло бы в арматуре ггри перераспределении общего усилия в рассматриваемом железобетонном стержне от выключения из работы бетона, если бы это перераспределение происходило медленно.
Конструкции опытных образцов и методика экспериментальных исследований
Рассматриваются железобетонные статически неопределимые стержневые конструкции (балки, рамы) после запроектного воздействия. В результате такого воздействия в конструкциях из двухкомпонентных материалов типа железобетон возможен мгновенный переход конструктивной системы в запредельное состояние. Он может характеризоваться мгновенным ( хрупким ) разрушением отдельных элементов, сечений, узлов конструктивной системы. При этом опасным становится не только разрушение этого элемента- переход заданной п- раз статически неопределимой системы в систему п-1 раз статически неопределимую (первый этап), но и возникающий эффект импульсивного воздействия на другие элементы конструкции. В этих элементах могут также возникнуть запредельные состояния второй или первой группы. В последнем случае возможно как локальное так и прогрессирующее (лавинообразное) разрушение всей системы - переход п-1 раз статически неопределимой системы в изменяемую систему (второй этап). В процессе разрушения на первом и втором этапах изменяется конструктивная и расчетная схема системы. Возникает новая теоретическая задача о разработке методики расчета сооружений с изме няюшимися конструктивной и расчетной схемами. При этом для разработки методов защиты от прогрессирующих разрушений, важным является не только ответ на вопрос о недопустимости наступления предельного состояния в том или ином элементе, но и ответ на вопрос, каков будет характер разрушения конструктивной системы, если оно все же наступило: разрушение одного элемента, нескольких элементов или прогрессирующее разрушение всей конструкции. Такой анализ позволит уточнить основные положения метода предельных состояний и, тем самым, повысить безопасность эксплуатации систем, в том числе при запроектных воздействиях: стихийных и экологических авариях, непредвиденных нагрузках, случаях применения некачественных материалов, изготовленных с дефектами элементов и т.п. Для оценки эффекта импульсивного воздействия в виде мгновенного выключения из работы отдельного элемента ( сечения, узла) на достижение предельньтх и запредельных состояний в других элементах конструктивной системы будем исходить из следующих основных рабочих гипотез:
1. Под мгновенным разрушением элемента из двухкомпонентного упруго-хрупкого материала будем понимать разрушение, продолжительность реализации которого исчисляется десятыми и сотыми долями секунды;
2. При мгновенном переходе заданной n-раз статически неопределимой стержневой конструкгивной системы из двухкомпонентного материала в п-1 раз статически неопределимую систему, полная удельная энергия системы не изменяется;
3. Теоретическая диаграмма состояния бетона и арматуры принимается в виде некоторой произвольной нелинейной диаграммы (см. рис. 2.1,2), а обобщенная диаграмма, характеризующая состояние сечения при мгновенном на-гружении, описывается квадратной параболой;
4. Переход сечений элементов п-1 раз статически неопределимой системы в запредельное состояние второй или первой группы при мгновенном выключении из работы элемента ( узла, связи ) в исходной п- системе характеризуется теми же критериями, что и при обычном кратковременном режиме нагруже-ния, но с учетом изменения пределов прочности материалов определяемых продолжительностью внешнего воздействия;
5. Запредельное состояние конструктивной системы при мгновенном выключении из работы элемента характеризуется либо некоторым интегральным результатом накопления повреждений в ее элементах - резервом живучести, либо локальным или прогрессирующим разрушением конструктивной системы.
6. Разрушение конструктивной системы определяется таким набором сечений, в частности пластических шарниров, которые превращает конструкцию в кинематически изменяемую систему. Если минимально возможное число пластических шарниров (простейших схем разрушения) охватывает ограниченную часть элементов системы, то возникает локальная схема разрушения; если минимально возможное число пластических шарниров охватывает большинство элементов системы - возникает прогрессирующее разрушение конструктивной системы.
Исследование деформирования и разрушения стержневых и балочных конструкций в запредельных состояниях
В результате мгновенного воздействия рассматриваемого типа на п-раз статически неопределимую конструктивную систему ( мгновенное исключение сечения, элемента, дополнительной связи), оставшиеся элементы системы также испытывают запроектное воздействие. Как было показано в предыдущих подразделах, в оставшихся элементах возникает всплеск деформаций и напряжений в сечениях. В запроектированных без излишних запасов железобетонных элементах конструктивной системы, в зависимости от уровня действующей на нее проектной нагрузки, могут возникнуть нарушения либо требований предельных состояний второй или требований первой группы.
В соответствии с принятыми гипотезами, невыполнение требований предельных состояний второй группы (всплеск деформаций и напряжений в сечениях элемента) приведет к некоторому интегральному результату повреждений этого конструктивного элемента, в виде образования или приращения ширины раскрытия трещин и, следовательно, к изменению остаточного ресурса элемента. Степень повреждения и оценка остаточного ресурса железобетонных элементов стержневой конструктивной системы в виде неразрезной балки (рамы), поврежденной рассматриваемым видом запроектного воздействия, могут быть определены на основании следующих расчетных процедур:
1.Используя расчетный аппарат деформационной модели [63,77], вычисляем напряжения в арматуре бетоне в сечениях рассматриваемого железобетонного элемента заданной n-раз статически неопределимой системы от проектной нагрузки.
2. Используя методику расчета динамических кривизн, изложенную в п. 2.3., производим расчет заданной конструктивной физически нелинейной системы на мгновенное приложение запроектной нагрузки. В результате этого расчета определяем максимальные кривизны во всех элементах системы. Сравнивая их с предельными, определяем характер и степень разрушения конструктивной системы (основные элементы этого расчета будут рассмотрены ниже).
3. Для элементов, оставшихся неразрушенными после запроектного воздействия, с учетом видоизменившейся расчетной схемы системы, в соответствии с методикой п.2.2., вычисляем значения приращений динамических напряжений в арматуре и бетоне.
4. Следуя рекомендациям [131], последовательно вычисляем максимальное и среднестатистическое значение ширины раскрытия трещин, деформаций арматуры, глубину раскрытия трещин, напряжение в крайнем сжатом волокне бетона от совместного действия проектной нагрузки и приращения динамических напряжений, вызванных запроектной наїрузкой. При этом, в отличие от работы [131], здесь решается не обратная, а прямая задача - за-проектная нагрузка и приращения усилий, вызванные этой нагрузкой, определяются расчетным путем.
5. Если вычисленная указанным способом максимальная ширина раскрытия трещин меньше предельно допустимого значения [асе], установленного нормами [132] - конструкция пригодна к дальнейшей эксплуатации.
6. В случае невыполнения условия трещиностойкости, вычисляется интегральный результат накопления повреждений в сжатом бетоне неразрушенных пролетов балки - резерв живучести (HCfC) рекомендациям [ 131 ], и сравнивается с предельным значением критерия живучести (H]jm). В результате сравнения определяется стадия работы конструкции и целесообразность ее усиления.
Нарушение требований предельных состояний первой группы статически неопределимой конструктивной системы, в частности, исчерпание несущей способности в результате запроектного воздействия, также носит не однозначный характер. Схема разрушения может быть локальной, т.е. ограничиваться некоторой зоной, например, для неразрезной балки - одним пролетом, или разрушение одного элемента может вызвать последовательное прогрессирующее разрушение всей системы. Предложенные в п.2.2., 2.3. теоретические зависимости для расчета приращений напряжений (деформаций) или кривизн открывают возможность анализа процесса разрушения рассматриваемых конструктивных систем в запредельных состояниях, как с обычными так и с предварительно напряженными железобетонными элементами.
В работе [97] показано, что при мгновенном наїружении неразрезной балки, исходя из уравнения ее вынужденных колебаний, соответствующих главной форме, балка начинает совершать колебаний около статической упругой линии Ус(х) как система с одной степенью свободы. Перемещения точек бачки в любой момент времени t- y(x,t), при условии незатухания поперечных колебаний в течение первого полупериода ее колебаний, может быть выражено через статический прогиб балки Ус зависимостью: y(x,t)= Ус(х)( 1 -coscot) (2.21)
При изменении cos wt от к до 0, перемещение. у(хД) изменяется от 2Ус(х) до 0, т.е. в конструкции при мгновенном нагружении и принятых допущениях наибольший прогиб в любой точке балки равен ее удвоенному статическому прогибу. Допустим, что в силу непредусмотренных проектом обстоятельств (обрыва пережженного сваркой арматурного стержня, нарушении стыковой сварки стержней, нарушении анкеровки стержней в бетоне, ошибок, связанных с человеческим фактором [12] и т.п.), произошло локальное разрушение опорного сечения на некоторой промежуточной опоре, например (к=1) неразрезной балки (см. рис.2.3.а,б).
