Напряженно-деформированное состояние короткого центрально-сжатого железобетонного элемента при повторном загружении после полной разгрузки на время реконструкции

С начала пятидесятых годов и до конца восьмидесятых годов объемы строительства с использованием бетонных и железобетонных конструкций неуклонно возрастали. Несмотря на снижение темпов роста строительства за последнее десятилетие важную роль продолжает играть повышение эффективности методов расчетов и проектирования строительных конструкций, выполняемых при реконструкции и усилении различных элементов существующих зданий и сооружений. В первую очередь это относится к железобетонным конструкциям, которые являются основными элементами зданий и сооружений, построенных как в прошлом, так и строящихся в наше время.

Вертикальными несущими элементами в каркасных зданиях и сооружениях различной модификации в гражданском и промышленном строительстве являются железобетонные колонны. В результате различных видов воздействий при длительной эксплуатации, аварийных ситуаций, а также в связи с перепрофилированием производства может возникнуть необходимость в реконструкции зданий и сооружений, при проведении которой колонны могут быть разгружены. После полной разгрузки несущую способность и устойчивость колонн необходимо определять с учетом структурных изменений в бетоне и реальным уровнем напряжений в бетоне и арматуре, изменение которого обусловлено процессом перераспределения усилий на каждом этапе изменения условий загрузки, вследствие наличия деформации ползучести.

Действующие нормативные документы не позволяют прямо учитывать длительные процессы, происходящие в сжатом железобетонном элементе в процессе эксплуатации и реконструкции. Помимо этого, в СНиП не регламентируется учет образования и развития продольных трещин и их влияние на прочность и устойчивость сжатых железобетонных колонн в процессе эксплуатации и реконструкции. Задача состоит в разработке расчетной модели, позволяющей учитывать возможность образования продольных трещин в бетоне на различных стадиях эксплуатации, с целью повышения точности результатов расчетов. Решение поставленной задачи имеет существенное значение для надежного и рационального расчета и проектирования железобетонных колонн.

Цель диссертационной работы:

1) исследование изменений напряжений в бетоне и арматуре на каждом этапе изменения внешней нагрузки с учетом процесса перераспределения напряжений между бетоном и арматурой вследствие деформации ползучести;

2) выявление условий достижения арматурой предела текучести или предела прочности при сжатии, исходя из значения предельной сжимаемости бетона;

3) определение условий, при которых необходимо усиление железобетонных колонн обоймами при реконструкции;

4) разработка метода определения расстояний между нормальными трещинами, которые могут образоваться в результате разгрузки;

5) разработка качественного описания микротрещино-образования и развития трещин в бетоне при одноосном сжатии;

6) выявление уровня напряжений, соответствующего началу процесса образования микротрещин в бетоне при одноосном растяжении;

7) изучение влияния разгрузки на прочность и устойчивость центрально-сжатого железобетонного элемента при последующем загружении.

Автор защищает:

1) результаты численных экспериментов на ЭВМ с целью определения перераспределения усилий в бетоне и арматуре вследствие деформации ползучести на каждом этапе изменения внешней нагрузки;

2) метод определения расстояний между нормальными трещинами, которые могут образоваться вследствие разгрузки;

3) выявленные условия, при которых железобетонный центрально-сжатый элемент нуждается в усилении обоймами;

4) качественное описание образования микротрещин и трещин в бетоне при одноосном сжатии и растяжении;

5) расчет образования и развития продольных трещин в центрально-сжатом железобетонном элементе.

Научная новизна работы:

1) разработана расчетная модель по определению значений перераспределения усилий между бетоном и арматурой центрально-сжатого железобетонного элемента вследствие деформации ползучести на каждом этапе изменения условий приложения нагрузки. Для определения значений напряжения в арматуре и бетоне составлены алгоритм и программа расчета на ЭВМ;

2) разработан метод определения расстояний между нормальными трещинами, которые могут образоваться при разгрузке;

3) выявлена группа центрально-сжатых железобетонных элементов, нуждающихся в усилении обоймами в случае полной разгрузки при реконструкции;

4) разработана модель образования и развития продольных трещин в центрально-сжатом железобетонном элементе.

Достоверность предложенных методов расчетов и разработанных на их основе рекомендаций подтверждается результатами численных экспериментов и согласованием с данными экспериментов по литературным источникам, использованием апробированных методов механики деформируемого твердого тела и математической статистики.

Практическое значение и внедрение результатов работы.

Разработанная программа расчетов на ЭВМ удобна для использования в научно-исследовательской и проектной деятельности, а также в качестве учебно-демонстрационных программ для студентов ВУЗов.

Использование разработанных автором рекомендаций позволяет более точно оценить напряженно-деформированное состояние центрально-сжатых железобетонных элементов в стадии эксплуатации, разгрузки при реконструкции и последующей эксплуатации.

Апробация работы и публикации. 9.

Основные положения диссертации опубликованы в двух научных статьях:

1. Напряженно-деформированное состояние железобетонной сжатой колонны при повторном нагружении с учетом деформации ползучести;

2. Образование магистральных продольных трещин в центрально-сжатых железобетонных элементах.

Работа была доложена:

1) на Второй Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Проблемы, инновационные подходы и перспективы развития туристско-рекреационного комплекса России» (Секция 6. Инновационные подходы к развитию инженерной инфраструктуры курортов).

Диссертационная работа выполнена в Сочинском государственном университете туризма и курортного дела под руководством доктора технических наук, профессора Е. Н. Пересыпки-на.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. В результате проведенных исследований напряженно-деформированного состояния короткого центрально-сжатого сжатого железобетонного элемента с учетом деформации ползучести в стадии эксплуатации, разгрузки на время проведения реконструкции и последующей повторной загрузки было установлено:

1) предела текучести достигают напряжения в арматуре класса All при среднем изменении влажности окружающей среды W в пределах от 40 до 61.67% и малых и средних процентов армированияпреимущественно предела текучести достигают напряжения в арматуре класса Al 1 при классах бетона В30 и В40, а так же при средних и больших значениях начальной меры ползучести;

2) напряжения в арматуре класса Al 11 могут достигнуть значения предела прочности при сжатии ^с=400МПа, принятого, исходя из предельной сжимаемости бетона ?? l (=2−10″ 3, при малых и средних процентах армирования и относительной влажности среды 40%.

2. В железобетонных центрально-сжатых элементах при определенных уровнях загружения и средних и больших коэффициентах армирования в результате полной разгрузки образуется система нормальных трещин. В результате чего элемент состоит из системы блоков. Образование нормальных трещин может привести к коррозии арматуры в процессе проведения работ по реконструкции и снижению несущей конструкции и снижению несущей способности элемента при дальнейшей эксплуатации.

3. Предложен метод определения расстояния между нормальными трещинами, который основан на представлении распределения касательных напряжений в форме квадратной параболы и суммировании эпюр распределения нормальных напряжений на уровне центрального и среднего волокна железобетонного элемента.

4. Предложено соотношение для определения возможности образования трещин раскалывания.

5. Исследования микротрещинообразования при одноосном сжатии бетона в зависимости от расстояния между порами, пористостью матрицы и процентом содержания зерен крупного заполнителя позволило дать качественное описание процесса микротрещинообразования и развития трещин при одноосном сжатии. Выявлено, что реальными факторами, сдерживающими развитие трещин при одноосном сжатии, является неравномерное распределение пор и наличие зерен крупного заполнителя.

6. В результате исследований по определению уровня начала микротрещинообразования при одноосном растяжении бетона было установлено, что при использовании значения теоретического коэффициента концентрации напряжений началу процесса образования микротрещин соответствует уровень напряжений равный (0,34.0,35)^. Показана необходимость в проведении специальных исследований по определению коэффициента концентрации напряжений. Проведено моделирование возможных значений коэффициента концентрации напряжений путем введения поправочного коэффициента который лежит в пределах от 0,35 до 1. Также было установлено, что расстояние между порами слабо влияет на развитие микротрещин. Единственным сдерживающим фактором роста макротрещины являются зерна крупного заполнителя.

7. Если в случае разгрузки образуеться система нормальных трещин, то будет происходить длительный процесс микро-трещинообразования практически по всей длине блоков, что приведет к разуплотнению структуры бетона, ослаблению площадок контакта матрицы и зерен крупного заполнителя, перпендикулярных направлению действия растягивающих напряжений, которые являлись реальным фактором сдерживания развития макротрещин при одноосном сжатии и образования магистральной продольной трещины. Таким образом, несущая способность центрально-сжатого железобетонного элемента снижается и при повторной загрузке, равной или большей первоначальной, существует возможность образования магистральной продольной трещины, что по существу означает достижение элементом предельного состояния, а именно потерю устойчивости.

8. Предложены расчетные зависимости, позволяющие вычислить напряжения в бетоне, при которых может появиться магистральная продольная трещина при заданном значении коэффициента поперечного расширения или определить степень разуплотнения структуры бетона, предшествующую появлению продольной трещины при заданном уровне напряжений в бетоне.

9. Даны рекомендации по определению снижения несущей способности короткого центрально-сжатого железобетонного элемента в результате полной разгрузки и длительного процесса микротрещинообразования в бетоне при растяжении.

На основании вышесказанного короткие центрально-сжатые железобетонные элементы могут достигнуть предельного состояния при полной разгрузке на время проведения реконструкции и последующем повторном нагружении:

1) в случае армирования арматурой класса Al 1, при малых и средних коэффициентах армирования и относительной влажности среды W от 40 до 61.67%, когда арматура достигает предела текучести;

2) в случае армирования арматурой класса Al 11, при малых и средних коэффициентах армирования и относительной влажности среды 40% < W <60%, когда напряжения в арматуре достигают значения предела прочности при сжатии 7?5С=400МПа, о принятого, исходя из предельной сжимаемости бетона sb>и=2−10″ ;

3) в случае образование системы нормальных трещин и длительного процесса разуплотнения структуры, когда при повторной загрузке высока вероятность образования магистральной продольной трещины.

В этих случаях следует:

1) по возможности, избегать полной разгрузки коротких центрально-сжатых железобетонных элементов;

2) произвести усиление коротких центрально-сжатых железобетонных элементов металлическими или железобетонными обоймами.