Введение к работе
Актуальность проблемы. Железобетонные конструкции в капитальном строительстве занимают ведущее место в общем объеме применяемых материалов и конструкций. На их долговечность значительное влияние оказывают климатические факторы,'в особенности такие, как интенсивная солнечная радиация, температура и влажность воздуха, что характерно для условий центральной Азии.
В республиках Центральной Азии климат отличается резкой континенталь-ностью, которая выражается в значительных колебаниях температуры и относительной влажности воздуха, причем не только в течение сезона года, но и в течение суток. Суточные колебания температуры и относительной влажности воздуха могут достигать соответственно 20 С и 50 % и выше, а сезонные - 45 С и 80% и выше. Так, летом температура воздуха может превысить + 40 С а относительная влажность воздуха понизиться до 10 ... 15%. Поверхность железобетонных конструкций летом от действия прямых солнечных лучей нагревается до 70 ... 80 С; зимой же температура воздуха может снижаться ниже-20 С
При указанных колебаниях температуры и влажности воздуха нарушается формирование структуры бетона; происходит интенсивная гидратация и обезвоживание бетона, в результате - снижается его прочность и модуль упругости, возрастают деформации усадки и ползучести. Значительный перепад температуры в течении суток также вызывает неравномерное распределение температурных деформаций и напряжений по сечениям бетона, что сказывается на предварительно напряженом и напряженно- деформированном состоянии железобетонных конструкций, а также на снижении их трещиностойкости, несущей способности и жесткости, а в целом, эксплуатационной надежности.
Разработка научно обоснованных методов расчета с достаточной нормативной базой, oбеспечивающих требуемую эксплуатационную надежность железобетонных конструкций, является одной из важнейших задач проектирования железобетонных конструкций в условиях жаркого климата Центральной Азии. Для этого требуются, в частности, экспериментально-теоретические исследования влияния условий жаркого климата на работу железобетонных изгибаемых и сжатых элементов т тяжелого и легкого конструкционного бетонa, представляющие особенно большой интерес, т.к. они относятся к числу недостаточно' изученных научных проблем в области строительных конструкций.
Всесторонний анализ опубликованных работ по прочности и долговечности эксплуатируемых объектов - несущих железобетонных конструкций зданий и сооружений приводит к выводу о том, что системные и целенаправленные исследования по комплексному воздействию основных факторов жаркого климата на показатели прочности, деформации и трещиносгойкости железобетонных конструкций не проводились.
Опубликованные работы показывают, что, предпринимались лишь определенные попытки в научно-технической оценке степени влияния основных факторов на работу железобетонных конструкций, их нормирование и обеспечение требуемой стойкости и устойчивости к неблагоприятному их воздействию. Отсутствие координации работ привело к тому, что в настоящее время наблюдается резкое расхождение в оценке важных показателей, поскольку результаты получены для различных темпе-ратурно-влажностных условий и по различным несопоставимым методикам.
В ряде таких работ показано поведение железобетонных конструкций в условиях, имитирующих воздействие повышенной температуры от технологического оборудования. Однако известно, что лабораторные условия далеки от естественных климатических условий жаркого климата. Так при лабораторных испытаниях железобетонные конструкции нагревались до 50 ... 70 С, что приводило к снижению прочностных и упругих свойств бетона, изменению темпа развития его усадки и ползучести. Однако достоверность этих результатов, полученных в условиях, неадекватных реальным, вызывает определенными обоснованные сомнения.
Вместе с тем, результаты исследований, в которых не учитывалось комплексное влияние солнечной радиации и влажности, играющих доминирующую роль при формировании структуры бетона, представляют повышенный интерес для познания сложных процессов,- происходящих Б структуре бетона.
Несмотря на это, до сих пор используется ряд недостаточно надежных мер, направленных на снижение неблагоприятного воздействия сухого жаркого климата на бетон, они отражены в известных СНиПах и нормативных документах. Так как они недостаточно обоснованы научно, то для оценки напряженно-деформированного состояния бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в климатических условиях Центральной Азии, должны быть разработаны другие более совершенные нормативные документы. Например, используемая в настоящее время мето-, дика расчета железобетонных элементов по деформации, прочности, и трещиностой-кости, описанная в СНиП 2.03.01 - 84 и СНиП 2.03.04 - 84, не в полной мере соответ-
ствует фактической работе железобетонных конструкций при комплексном воздействии на них солнечной радиации, температуры и влажности воздуха в условиях жаркого климата.
Исходя из анализа и оценки работ, выполненных к настоящему времени, может быть сделан обоснованный вывод о том, что они были предназначены для достижения целей локального характера. Работ же по изучению влияния комплекса факторов на основные показатели прочности и долговечности железобетонных конструкций, практически нет. Поэтому результаты, полученные в выполненных работах не могут быть использованы непосредственно для создания эффективной методики расчетов, разработки рекомендаций и предложений по повышению прочности железобетонных конструкций в условиях неблагоприятного воздействия жаркого климата, обеспечивающих допустимые показатели их Деформируемости или же позволяющих после снятия влияния неблагоприятных факторов восстановить их исходные свойства. Практически отсутствуют обоснованные разработки методов расчета образования и Т) ЯЗВИТИ Я TDCUIHH и Ни этой основе предложений* нзгш явленных ггосдотвтзэшение их оболзования а тэи их обсэзовании - ОТТЗЗНИЧСНИС ИХ ТЭЗСЛООСЛЭПНСНИЯ и ТЭОСТ в Д0ПУСТИ МЫХ гтосделах
Рассматриваемые нами задачи, несомненно вызывают большой интерес, вместе с тем решение их сопряжено с преодолением ряда существенных трудностей, как при выполнении исследований, так и при систематизации полученных результатов и получении полноценных научных выводов и практических рекомендаций.
В связи с вышеизложенным своевременность исследований влияния условий жаркого климата на работу железобетонных конструкций и легкого конструкционного и тяжелого бетонов, приобретают особо важное значение. В главу СНиП 2.03.01 - 84 нужно ввести требования расчета железобетонных конструкций на совместное воздействие внешних нагрузок (сил) и неблагоприятного влияния факторов жаркого климата Центральной Азии.
Исследования состояния бетонных и железобетонных конструкций в условиях жаркого климата проводились автором по комплексной теме "Исследование влияния сухого жаркого климата на прочность и трещиностойкость железобетонных конструкций", согласно заданию СПв4 отраслевой программы 0.55.16.031. На основании обобщения и систематизации результатов, полученных автором, и совместно с другими исследователями, в работе разработаны и предложены рекомендации по расчету жетезобетонных конструкций, используемых в строительной индустрии.
Целью работы , проведенной в рамках диссертационных исследований, является:
-
Обоснование и совершенствование методики расчетов бетонных и железобетонных конструкций широкого назначения на прочность, деформативность и тре-щиностойкость под влиянием комплекса факторов жаркого климата: перепада температур, влажности и солнечной радиации в условиях резких скачков температуры и влажности как в суточном, так и сезонном режимах, характерных для континентального климата Центральной Азии.
-
Обоснование и использование нового метода натурных исследований, эффективно проявившего себя при проведении исследований, конкретной оценке численных и качественных показателей по принятым критериальным условиям, объяснении картины процесса и влияния на него факторов жаркого климата.
-
Постановка новых задач исследований и их решение в широком диапазоне значений факторов и условий жаркого климата, позволивших получить в достаточном объеме информацию, используемую для разработки научно-технических предложений, в том числе по обоснованию причин разрушения железобетонных конструкций, и эффективных средств, обеспечивающих требуемые прочностные и де-формативные свойства, а также существенное повышение их долговечности.
Автор выносит на защиту:
-
Усовершенствованную методику расчета и анализа современных несущих железобетонных конструкций на прочность, деформативность и трещиностойкость в условиях комплексного влияния на них основных региональных факторов: жаркого климата: температурного режима, состояния влажности среды и солнечной радиации.
-
Новое объяснение процесса влияния региональных факторов на прочность и долговечность железобетонных конструкций, и на этой основе - обеспечение температурного и влажкостного расчета в условиях жаркого климата и резких перепадоЕ температуры и влажности в суточном и сезонном режимах колебаний.
-
Разработку научно-обоснованных рекомендаций и предложений по расчету анализу и прогнозу физико-механических свойств и характеристик тяжелых и лег ких конструкционных бетонов, используемых в современных строительных кон струкциях с целью определения прочности и деформативности их в условиях ком плексного влияния на них резких перепадов температуры, влажности и солнечно! радиации.
-
Результаты широкого изучения и анализа состояния температурных и влаж
ностных деформаций, образования и раскрытия трещин в элементах железобетонных конструкции при кратковременном и длительном воздействии региональных факторов.
-
Разработанные научно-технические рекомендации и предложения, обеспечивающие обоснованные предпосылки устранения причин разрушения в мало изученной области исследований и определение, прочности, напряженно-деформированного состояния, долговечности железобетонных конструкций, образования, раскрытия и роста трещин в растянутой зоне железобетонных элементов.
-
Обоснование научно-технических рекомендаций и предложений по совершенствованию имеющихся к настоящему времени нормативных документов и технических условий, не учитывающих комплексное влияние факторов температурного, влажностного и силового воздействия, а также разработанные новые нормы и правила расчета бетонных и железобетонных конструкций, обеспечивающих эффективные технико-экономические показатели эффективности в региональных условиях.
-
Научно-экспериментальную оценку решений задач на основе использования современной теории, проведения широких натурных экспериментов и их анализа, сравнения полученных решений, необходимых для получения достоверных научно-теоретических и практических результатов.
Научную новизну работы составляют:
- методика расчетного определения изменений влажности в сечениях элементов железобетонных конструкций в региональных условиях жаркого климата;
- метод учета деструктивных процессов в легком и тяжелом бетонах, вызываемых
температурным и влажностным воздействиями жаркого климата;
установленные закономерности и разработанные общие методы теоретической (расчетной) оценки образования и раскрытия трещин в железобетонных элементах при воздействии температуры и влажности воздуха, а также солнечной радиации в региональных условиях;
предложения по расчетному определению влияния температуры и влажности жаркого климата на развитие деформации в железобетонных элементах;
результаты комплексного исследования физико-механических свойств бетона и разработанные рекомендации по определению коэффициентов условий работы бетона, учитываемых при расчете элементов железобетонных конструкций;
- разработанные рекомендации по учету изменения свойств бетонов, вызванных
длительным воздействием температуры, влажности наружного воздуха и солиечион
радиации, а также методы расчета несущей способности, трещиносгойкости и де-формативности железобетонных изгибаемых и внецентренно-сжатых элементов из тяжелого и легкого конструкционных бетонов.
Практические значение работы. На основе результатов исследований разработаны рекомендации по определению прочностных и деформативных свойств и характеристик бетонов с учетом кратковременного и длительного воздействия комплекса факторов условий жаркого климата. Решен ряд практически важных задач, связанных с применением бетонов на цементном вяжущем с различными заполнителями: керамзитом, аглопоритом, известняком, гранитом. Результаты исследований положены в основу разработанных автором нормативных документов:
рекомендации по проектированию бетонных и железобетонных конструкций для жаркого климата (НИИЖБ Госстроя СССР, Москва, 1988 г.);
рекомендации по расчету железобетонных конструкций на воздействия климатической температуры и влажности (ТАСИ-НИИЖБ Госстроя РФ, Ташкент, 1994 г.);
рекомендации по расчету железобетонных конструкций на воздействие жаркого климата Центральной Азии (Госкомархитекстрой РУз- ТАСИ, Ташкент, 1995 г.);
Указанные рекомендации использованы при разработке новых СНиП Республики Узбекистан: КМК 2.03.01-96 "Бетон ва темирбетон конструкциялар", Ташкент 1997г.: КМК 2.03.04-98 "Бетонные и железобетонные конструкции предназначенные в условиях воздействии повышенных и высоких температур", Ташкент 1998 г.
В соответствии с заявкой Аппарата Президента Республики Узбекистан № 07-1П067от28 декабря 1994 г. в ГКНТ РУз автором выполнена работа: "Новые методы расчета строительных конструкций и экономия материальных ресурсов (по 2-й группе предельных состояний с учетом трещин)". Справка о реализации выдана ГФНТИ при ГКНТ Руз. Ташкент, 1996г.
Перечисленные рекомендации внедрены НИИЖБ, ЦНИИС (г. Москва), Уз-ЛИТТИ, Госкомархитектсроем РУз в проектировании реальных объектов, что позволило, благодаря полученным оптимальным проектным решениям получить весомый социальный и экономический эффект.
Результаты комплексных исследований внедрены в учебный процесс в вузах Республики Узбекистан. Они вошли в общий и специальный курсы "Железобетонные конструкции" для студентов строительных специальностей, а также книги: "Расчет железобетонных конструкций для условий жаркого климата" (Ташкент, "Укитувчи"", 1991 г.); "Поведение железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях воз-
действия температур" (Ташкент, ВНИИНТИ, деп. № 1707-Уз 92,1992 г.). "Физико-механические свойства бетона, арматуры и железобетона при воздействии температуры" (Ташкент, ВНИИНТИ, деп. № 1715-Уз 92,1992 г.) и "Расчет железобетонных конструкций на воздействие температуры" (Ташкент, "Укитувчи", 1994 г.), рекомендованные УМО МВиССО Республики Узбекистан.
Достоверность разработанных рекомендаций и предложений подтверждена статистической обработкой данных, выполненных с привлечением методов математического планирования экспериментов и математической статистики. Подтверждена близкой сходимостью сопоставленных опытных и теоретических данных.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы доложены на 1,2 и 3-м Всесоюзных координационных совещаниях по расчету, проектированию и испытанию железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях сухого жаркого климата (Фергана, 1982 г., Ташкент 1984 г., Наманган 1986 г.), Всесоюзном координационном совещании "Применение жаростойких бетонов и железобетона при строительстве тепловых агрегатов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности" (г. Закаталы, Азербайджан, 1976 г.); на профессорско-преподавательской конференции ТашПИ (1974 ... 1989 гг.), ТАСИ (1991 ... 1997 гг.); Всесоюзном координационном совещании "Исследование и проектирование пространственных конструкций и башенных сооружений из монолитного железобетона со стержневым и дисперсном армированием" (Донецк, 1987, 1989, 1991 гг.), на Международном симпозиуме по архитектуре и строительству "Архитектурно-строительная наука и развитие экономики Республики Узбекистан" (Ташкент, 1994 г.) и II Международной конференции "Актуальные вопросы сейсмостойкости зданий и сооружений Центральной Азии" (Самарканд 1997 г.);
Основные положения выполненных исследований нашли отражение в 57 публикациях, в том числе, в 4-х монографиях и учебных книгах и 3-х нормативных документах.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 258 страницах машинописного текста; состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 286 наименований; содержит 122 рисунка, 77 таблиц, а также приложения: программы на ПЭВМ и документы о внедрении результатов исследований,