Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшими задачами в области капитального строительства являются: кардинальная интенсификация производства, повышение качества строительства, сокращение расхода цемента, и стали, снижение .трудоемкости и энергоемкости производства.
Успешное решение этих задач связано с широким аспектом.научно-технических проблем и, в первую очередь, со значительным снижением материалоемкости железобетонных конструкций, что повлечет за собой снижение трудозатрат, энергозатрат, стоимости номенклатуры железобетонных изделий, а также удешевление возведения объекта. Проблема эта имеет множество аспектов: снижение затрат на исходные ресурсы, повышение эффективности работы промышленности строительных материалов, снижение собственной массы изделия за счет применения бетонов повышенной прочности, более широкого внедрения бетонов на легких заполнителях, использование местных материалов и т.п. Особое место занимает проблема экономии стали, .применение которой для армирования железобетона носит безвозвратный характер.
Важное место в решении этих задач занимает проблема дальнейшего совершенствования теории сопротивления железобетона, сближения расчетной модели и физической- Все более широкое внедрение в проектирование железобетонных конструкций, зданий и сооружений вычислительной' техники, методов оптимизации с использованием вероятностного подхода, многовариантной проработки предпроектных решений требует постановки расчетной модели на более строгой физико-математической основе, с достаточной полнотой учитывающей особенности работы железобетонных элементов под нагрузкой, но без существенного увеличения затрат машинного
времени при расчетах на ЭШ. С отой точки зрения в первую очередь интерес представляют исследования, направленные на совершенствование метода расчетных сечений с широким использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры. Необходимость дальнейших исследований в этом направлении отражена в проблеме УП (задания Z-t6) сводного координационного плана важнейших научно-исследовательских работ по'бетону и железобетону на двенадцатую пятилетку 1986-1990 гг., а также была отмечена на ежегодной сессии НК $ИП СССР, состоявшейся в г. Ереване в 1987 г., на X Всесоюзной конференции по бетону и железобетону, проходившей в октябре 1988 г. в г. Казани, и на Всесоюзном координационном совещании по теории железобетона, состоявшемся в ноябре 1989 г. в г. Новосибирске.
Таким образом, потребности современного развития производства железобетона определяют необходимость совершенствования методов расчета на достаточно общей основе. При этом простота реализации и скорость получения вариантных проработок должны быть приемлемыми для использования модели при оптимизации, в вероятностных расчетах, при гибком проектировании, в расчетах с экономической ответственностью, качественном моделировании работы конструкции во времени, в оценке начальной безотказности конструкций на основе контроля технологических процессов при их изготовлении, а также при обработке опытных результатов и оценке напряженного состояния при реконструкции. Создание подобной модели на достаточно общей основе будет способствовать дальнейшему совершенствованию теории сопротивления железобетона.
Вышесказанное позволяет сформулировать цель настоящего исследования, которая заключается в формировании новой теоретической расчетной модели с широким использованием энергетических соотношений в рамках дальнейшего развития .теории сопротивления
железобетона, позволяющей уточнить методы расчета жесткости, трещиностойкести и прочности железобетонных элементов, осуществляющей теоретическое обобщение, которое решает крупную научную проблему, имеющую важное народнохозяйственное- значение. Автор защищает:
общий.подход к решению задач теории сопротивления железобетона с использованием энергетических соотношений;
использование энергетического критерия при оценке изменения состояния железобетона;
новое теоретическое решение задачи определения напряжений арматуры в сечении с трещиной и глубины трещины;
способ построения расчетной модели железобетона с использованием энергетических соотношений на всех этапах:
-
при построении нелинейных трансформированных диаграмм деформирования бетона, учитывающих влияние характера нагружения и других факторов;
-
при определении момента образования трещин;
-
при определении напряжений арматуры в трещине и глубины трещины - наибольших и стабилизированных;
-
при определении перемещений;
-
при определении несущей способности конструкции;
способ единообразного построения общих диаграмм для арматуры и бетона, связывающих напряжения и деформации с учетом физической нелинейности;
разработку численно-аналитического метода построения функции кривизны стержневого элемента с трещинами;
разработку численного метода решения системы нелинейных алгебраических уравнений и реализацию его на ЭВМ;
результаты модельного эксперимента с использованием по-ляризационно-оптических методов исследования;
оценку адекватности результатов численных и физических экспериментов;
результаты применения разработанной модели для создания упрощенных методов расчета с использованием табличных коэффициентов или номограмм;'
р^зудьт^ти г.р;'.::с;:с;;;;-і с^цсй расчётной мидели при решеши практических задач, связанных с опытным проектированием, реконструкцией и контролем качества железобетонных конструкций при их заводском производстве.
Научную новизну работы составляют:
общий подход к решению некоторых задач теории сопротивления железобетона, связанных с образованием и стабилизацией трещин - общи* физические соотношения приняты с использованием нелинейных диаграмм деформирования материалов и известных в строительной механике энергетических соотношений;
способы единообразного построения нелинейных диаграмм деформирования арматуры и бетона на основе методов сплайн-функций;
построение уравнения баланса энергий для сечения с трещиной;
обоснование применения энергетического критерия для оценки состояния предразрушення бетона при различном характере нагружения;
способы трансформации диаграмм деформирования бетона, использующие энергетический критерий разрушения;
метод определения момента трещинообразования с использованием энергетического критерия;
приближенный метод определения наибольших и стабилизированных значений напряжений арматуры в трещине и глубины трещины в момент ее образования, учитывающий равенство.
энергии деформирования и работы напряжений в арматуре на полном [риращении ее деформаций;
способ определения перемещений элемента; численно-анали-'ическое решение определения кривизны балки с трещиной для любого сечения; построение функции кривизны;
общетеоретические положения, на основе которых разрабо- гана и реализована на ЭВМ расчетная модель деформирования железобетонного стержневого элемента при изгибе и внецентренном . зжатий-в сечении с трещиной принята гипотеза об отсутствии ки-іематичеокой связи деформаций арматуры в трещине и бетона над грещиной;
результаты модельного эксперимента.
Практическую ценность работы составляет общетеоретическая модель деформирования железобетонных конструкций при одномерном тгружении, позволившая создать основу для дальнейшего совер-аенствоввния методов расчета железобетонных конструкций. Они легли в основу разработанных алгоритмов и программ расчета железобетонных конструкций на ЭВМ, которые используются при построении диаграмм деформирования арматуры и бетона, при формировании отраслевой подсистемы САПР: "Оптимальное проектирование железобетонных конструкций"; при формировании подсистемы автоматизированного контроля качества железобетонных конструкций определение начальной безотказности конструкций); при разработке рекомендаций по расчету железобетонных конструкций с использованием диаграмм работы арматуры и бетона и использованию в железобетонных конструкциях термрмеханически упрочненной арматуры классов Ат-ШС * Ат-УП, при разработке технических решений В вариантном проектировании железобетонных конструкций и решении других практических задач в.области железобетона; в учебном процессе при подготовке лекционных курсов с элементами САПР
в рамках целевой интенсивной подготовки студентов специальности ПГС по проблеме САПР (ЦЖ1С САПР).
Внедрение результатов исследований осуществлялось в рамках выполнения работ в соответствии с заданием 0I.O7.UI СПв и СІІвІ подпрограммы 0.55.16.Ц целевой комплексной научно-технической программы по строительству 0.Ц.03І, утвержденной Госстроем СССР, ГКНТ, Госпланом СССР постановлением от 31.12.80 г. * 233/591/270.
Результаты исследований, описания алгоритмов и программ, тексты программ для ЭВМ и инструкции к их использованию, а также рекомендации по результатам исследований переданы в НИИЇБ Госстроя СССР в форме отчетов по важнейшей тематике. Эти результаты использованы при разработке рекомендаций по применению в железобетонных конструкциях эффективных видов стержневой арматуры и приняты для использования в новой редакции СНиП "Бетонные и железобетонные конструкции".
На основе выполненных исследований разработаны и переданы заказчику рекомендации по расчету изгибаемых железобетонных конструкций с использованием нелинейных диаграмм арматуры и бетона для включения их в подсистему автоматизированного проектирования.
Пакет программ для ЭВм использован при разработке технических решений и рабочих чертежей при опытном (серия Э-756) и типовом проектировании пустотных настилов в ЦНИШ1 жилища, при разработке технических решений и внедрении в производство железобетонных конструкций с пониженным расходом стали на предприятиях стройиндустрии Сибакадемстроя., Агропромстроя-2, Главново-сибирскстроя. На комбинате Братскжелезобетон спецуправления строительством "Братскгэострой" пакет программ внедрен в подсистему автоматизированного контроля качества железобетонных
бристых плит при их изготовлении (определение начальной безот-зности), а также использован при оценке фактической несущей особности железобетонных конструкций, пострадавших в результа-землетрясения в Армении.
Результаты исследований используются в учебном процессе:
и чтении спецкурсов "Применение ЗВИ в проектировании железобе-
нных конструкций и строительных объектов" для специальности
роиышленное и гражданское строительство", в том числе для спе-
ализации по целевой интенсивной подготовке студентов - пользо-
телев систем автоматизированного проектирования (ЦИПС САПР);
и подготовке учебного пособия: "Применение ЭВМ в проек-
ровании железобетонных конструкций".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве-ния, семи глав, заключения, библиографического списка и прило-ния. Диссертация изложена на 20Q страницах машинописного текста ключая 15 таблиц), содержит 60 рисунков, список литературы из н наименований и 115 страниц приложения.