Введение к работе
Актуальность избранной темы. Железобетонные конструкции, особенно эксплуатируемые при сложных режимах нагружения, для обеспечения требуемых параметров в течение всего срока эксплуатации, должны обладать заданной прочностью и трещиностойкостью. Важным фактором, предопределяющим обеспечение на стадии расчета требуемой долговечности конструкции является учет влияния вида нагружений на изменение прочностных и деформационных свойств бетона, которое происходит вследствие процесса микротре-щинообразования, а также обеспечение усадочной трещиностойкости. Напрягающие бетоны, обеспечивающие в процессе формирования структуры благоприятное поле собственных напряжений в связи с этим перспективны для применения в конструкциях, эксплуатируемых при сложных режимах нагружения. Учитывая современную тенденцию широкого применения монолитных конструкций, производство которых, как правило, предопределяет применение высокоподвижных, в т.ч. самоуплотняющихся бетонных смесей, и широкое применение в последнее десятилетие в РФ расширяющей добавки (РД) «Эмбэлит», совершенствование методов расчета железобетонных конструкций из таких бетонов при различных режимах немногократно-повторных нагружений представляет актуальную задачу.
Степень разработанности темы. Железобетонные конструкции при эксплуатации могут претерпевать различные сложные нагружения, например, стойки зданий промышленного и гражданского назначения, колонны мостов и эстакад, вертикальные конструкции сооружений бункеров могут испытывать как повторные нагружения одного знака, так и знакопеременные нагружения. Такие воздействия, как показали ранее выполненные исследования, оказывают значительное влияние на параметры диаграммы деформирования бетона и, в конечном счете, на работе железобетонной конструкции в целом. Напрягающие бетоны, обеспечивающие в процессе твердения формирование поля собственных напряжений, принципиально отличного от традиционных портландце-ментных бетонов, обладают повышенной трещиностойкостью, что предопределяет перспективность их применения в конструкциях, эксплуатируемых при
сложных, в т.ч. знакопеременных, нагружениях. Однако систематические исследования влияния различных режимов повторного нагружения на свойства и диаграммы деформирования напрягающего бетона, в частности, на основе РД «Эмбэлит» и СП, не проводились. Отсутствуют данные о малоцикловой прочности таких бетонов, не установлены пределы усталостной прочности от основных факторов. Не достаточно разработаны методы расчета железобетонных конструкций при однократных и знакопеременных воздействиях. Использование в расчетах методов учета изменения диаграмм деформирования бетона после повторных нагружений позволит в одних случаях открыть дополнительные резервы экономии арматуры и бетона; в других – повысить надежность расчетной оценки конструкций. Исследованию вышеперечисленных малоизученных вопросов посвящена настоящая диссертационная работа.
Цели и задачи: совершенствование методов расчета железобетонных конструкций при различных режимах немногократно-повторных нагружений на основе развития научных представлений о влиянии собственного поля напряжений бетонов с РД «Эмбэлит» и СП на основе эфиров поликарбоксила-тов на параметры диаграммы «напряжения – деформации» при сжатии и растяжении, а так же установления малоцикловой усталостной прочности таких бетонов и пределов усталостной прочности от основных факторов с целью расширения областей их применения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
Задачи исследования:
-
Усовершенствовать итерационные методы расчета железобетонных конструкций на однозначные и знакопеременные немногократно-повторные нагружения с учетом влияния таких нагружений на изменения параметров диаграммы бетона с РД "Эмбэлит" и СП при сжатии и растяжении. Разработать алгоритмы и программы расчета.
-
Выявить закономерности изменения основных показателей конструкционных свойств бетонов с РД и СП, используемых при расчетах конструкций по 1 и 2 группам предельных состояний: предел прочности, начальный модуль упругости, коэффициент упругости и ползучести, самонапряжение.
-
Исследовать влияние различных режимов немногократно повторных
однозначных и знакопеременных нагружений на конструкционные свойства бетона с РД «Эмбэлит» и СП при последующем сжатии и растяжении.
-
Установить основные факторы, оказывающие влияние на малоцикловую усталостную прочность бетонов с РД «Эмбэлит» и разработать методику ее расчетной оценки.
-
На основе обширных экспериментальных данных разработать расчетные зависимости по определению относительного предела малоцикловой усталостной прочности от различных факторов, удобную для использования при расчете конструкций.
-
Разработать методы учета влияния повторных нагружений (однозначных и знакопеременных) на диаграмму деформирования изучаемого бетона при расчете железобетонных конструкций.
Научная новизна работы:
предложены алгоритмы и реализованы программы расчета прочности, деформативности и трещиностойкости железобетонных конструкций на немногократно-повторные однозначные и знакопеременные нагружения, учитывающие изменения параметров диаграмм деформирования бетона при сжатии и растяжении при указанных нагружениях;
выявлено влияние РД «Эмбэлит» в сочетании с СП на основные конструкционные свойства бетонов, используемые при расчете по 1 и 2 группам предельных состояний: соотношение кубиковой и призменной прочности и предела прочности на растяжение и сжатие, начальный модуль и коэффициент упругости и ползучести бетонов, получены полные диаграммы деформирования для бетонов классов В 45 – В 60 и численные значения параметров диаграмм при кратковременном и длительном действии нагрузки;
выявлены основные закономерности развития собственных деформаций и напряжений бетонов при твердении в условиях ограничения деформаций расширения и без ограничения, установлена количественная зависимость марки бетона по самонапряжению в зависимости от класса бетона и энергетической активности на основе новых экспериментальных данных цемента;
на основе новых экспериментальных данных определено значительное
влияние на характерные точки диаграммы деформирования бетона с РД «Эмб-5
элит» и СП на основе эфиров поликарбоксилатов при сжатии и растяжении режимов немногократно повторного нагружения; установлена зависимость основных конструкционных характеристик исследуемого бетона от параметров предварительных сжимающих или растягивающих напряжений, коэффициента асимметрии цикла;
установлены основные факторы, которые оказывают влияние на малоцикловую усталостную прочность бетонов с добавкой «Эмбэлит» и разработаны расчетные зависимости для ее определения при расчете железобетонных конструкций;
разработаны предложения по расчету конструкций на малоцикловую усталостную прочность с использованием разработанных формул по определению относительного предела усталостной прочности исследуемых бетонов в зависимости от варьируемых факторов;
разработана методика расчета железобетонных конструкций, позволяющая учесть изменения диаграммы деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП после различных режимов повторного однократного или знакопеременного нагружения.
Теоретическая и практическая значимость работы:
предложены практические рекомендации по расчету прочности, де-формативности и трещиностойкости железобетонных конструкций с учетом влияния различных параметров немногократно повторного нагружения на свойства и диаграмму деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП при сжатии и растяжении;
даны практические рекомендации по учету при расчете и проектировании изменения предела усталостной прочности бетонов с добавкой «Эмбэлит» в зависимости от основных факторов;
разработана методика определения малоцикловой усталостной прочности бетона с РД «Эмбэлит» в зависимости от основных варьируемых факторов.
изучены прочностные (предел кубиковой, призменной прочности, предел прочности на растяжение) и деформационные свойства при кратковременной (модуль упругости, коэффициент упругости, относительная деформация,
соответствующая пределу кратковременной прочности) и длительной (коэффи-6
циент ползучести, мера ползучести) нагрузках бетонов классов В 45 – В 60 и предложены аналитические значения параметров диаграмм деформирования для расчета конструкций;
на основе выявленной зависимости самонапряжения от энергетической активности цемента с добавкой «Эмбэлит» и класса бетона предложено нормирование марок бетона классов В 45 – В 60 по самонапряжению;
внедрение в практику проектирования разработанных автором рекомендаций приведет к более правильной оценке работы железобетонных конструкций при различных режимах повторного нагружения;
Методология и методы диссертационного исследования: экспериментально-теоретические исследования с использованием стандартных и оригинальных методик, численный эксперимент.
Положения, выносимые на защиту:
методика расчета железобетонных конструкций на однозначные и знакопеременные малоцикловые воздействия с учетом влияния таких воздействий на конструкционные свойства бетона;
результаты экспериментально-теоретического исследования влияния различных режимов повторного нагружения на диаграммы деформирования бетона с РД «Эмбэлит» и СП при сжатии и растяжении;
предлагаемая методика определения малоцикловой усталостной прочности бетона с РД «Эмбэлит» и СП;
результаты исследований влияния РД в сочетании с СП на кинетику собственных деформаций и напряжений, величину прочности при кратковременном сжатии и растяжении, деформационных показателей при кратковременном и длительном нагружении бетона;
выявленные закономерности влияния РД в сочетании с СП на основные конструкционные показатели, используемые при расчете конструкций по 1 и 2 группам предельных состояний, полученные зависимости и предложения по нормированию самонапряжения, модуля упругости и коэффициента ползучести бетона с РД «Эмбэлит» и СП;
Степень достоверности научных положений, выводов и практических
рекомендаций обеспечена использованием стандартных методов эксперимен-7
тальных исследований, применением поверенного оборудования, непротиворечивостью полученных результатов основным положениям теории бетона и железобетона, статистической надежностью при обработке большого количества результатов экспериментов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2011, 2012, 2013, 2014 гг.).
Результаты исследований использованы в проектной практике институтов ООО «Севкавнипиагропром», ООО «ПроектЮгСтрой» и др.
Объект исследования: железобетонные конструкции на основе напрягающих бетонов классов В 40 – В 60 с использованием РД «Эмбэлит» из высокоподвижных бетонных смесей с СП на основе эфиров поликарбоксилатов.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 7 работах, в т.ч. 6 статей в изданиях, рецензируемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложений. Изложена на 149 страницах, включая 50 рисунков и 35 таблиц.