Определение с позиций теории трещин ресурса железобетонных балочных элементов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

РГ6 Ой 11 ИЮН В93дКЛдПМ1Я ПДУК уКрдіИІІ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г. В. КАРПЕНКА

На правах рукопису

ГЕМБАРА Тарас Васильович

ВИЗНАЧЕННЯ З ПОЗИЦІЙ ТЕОРІЇ ТРІЩИН РЕСУРСУ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Спеціальність 01.02.04 — механіка деформівного

твердого тіла

Авторефер а т дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Л Ы? І В -

Робота виконана у 'йзико-шїанічнсецу інституті хм. Г .В.Карпвшса £Н України.

Науковий керівник: чден-кореспондеят АН України,

доктор технічних, наук, професор АЦЦРЕЙКЇВ Олександр Євгенович

Науковий консультант: кандидат технічних: наук,

старший науковий співробітник ЛУЧКО Йосип Йосипович

Офіційні олонектиг доктор фізико-матемагичних неук, професор

РУСИНКО Костянтин 'Миколайович

кандидат твзснічаик наук, доцент БАРАЕАШ Василь Михайлович

Провідна установа: Науково-дослідний інститут будівельного виробництва, м. Київ.

Захист відбудеться "_____У____________1993 р. о _____годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 016.42.01 при Фізико-механтчноіфг інституті Ьі. Г.Б.Карпенка АН України (290601, м. Львів, МСП, вуї. Наукова, 5).

З дисертацією мокна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту іьі. Г.Б.Карпенка АН України.

Автореферат розісланий " _____________1933 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ;

ниюйорчш

ИГОРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ"

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність тамі». Проблема визначення ресурсу залізобетонних олеігнтів конструкцій виникав гіри проектуванні та експлуатації споруд. Згідно положень будівельних нормативних документів зародження >'а розвиток тріщин у розтягнутій зоні залізобетонних балочних елементів при згині вважається причиною втрати експлуатаційних властивостей. Поява тріщин в бетоні викликав доступ зовнішнього середовища до сталевої арматури через що відбувається корозія металу. В свою чергу, надмірне розкриття берегів тріщин свідчить про досягнення критичних напружень в арматурі та небезпеку катастрофічного руйнування елемента конструкції. Тому вивчення закономірностей зародження і розвитку тріщин в залізобетонних елементах та їх врахування при розрахунках має важливе значення для підвищення надійності та довговічності будівельних; конструкцій.

1 В даній області науки про міцність накопичений значний фактичний матеріал, запропоновано ряд фізичних та феноменологічних концепцій про вплив тріщин на міцність залізобетону. Однак більшість розроблених методів розрахунку залізобетону » з тріщинами базується лише на емпіричних даних, без врахування реального напчужено-деформованого стану в області тріщин. Тому підходи різних дослідників по розрахунку міцності та розкриття тріщіш часто нехаять єдиного концептуального зв"яз-ку. Про це свідчить, наприклад, той факт, що якщо розрахувати залізобетонний елемент по нормативних документах різних країн, які е, в основному, досягненнями теорій залізобетону різних напрямків, и виявиться, що на елемент, який призначений для єдиних умов експлуатації при проектуванні витрачається різна кількість арматури, або при розрахунку елемента в стадії експлуатації отримуються різні значення його ресурсу. Очевидно, що відсутність єдиного методологічного підходу чапто веде до перевитрат арматурної сталі при проектуванні або може бути причиною непередбачених руйнувань споруд. ,

Одним із перспективних напрямків рішення вказаних задач е застосування методів теорії тріщин до залізобетону, які грунтуються на математичному моделюванні реальних фізичних

З

явищ при зародженні та розвитку тріщин. Теоретико-єкспери-ментальне обгрунтування переваг такого підходу представлене в роботах Гіанасюка В.В., Аидрейківа O.S., Яреми С.Й., Зайцева Ю.В., Пересипкіна 6.М., Трапезникова Я.П., Русинка К^М., Лучка U.M., Чубрикова В.М. та ін. При розрахунку параметрів механіки руйнування в даноцу випадку виникає ряд труднощів, наприклад необхідність врахування умов зчеплення арматури з 'бетоном, проблематичним е також визначення характеристик трішностійкості бетону. Аналіз літератури показуз на недостатність досліджень, присвячених вивченню поведінки залізобетонних балочних елементів з тріщинами та без них, при дії довготривалих статичних навантал.ліь згином, з позицій теорії тріщин. Слід відзначити, що такі дослідження s актуальними, так як пов"язані із вирішенням проблеми достовірного та надійного прогнозування довготривалої експлуатаційної придатності будівельних конструкцій.

Метою дисертації е розробка з позицій теорії тріщин ма-тодики для визначення ресурсу залізобетонних елементів конструкцій тішу плит та балок із стержневою арматуро», з'нормальними тріщинами у розтягнутій зон; та без них, згідно ви-

- мог категорій трішииостійкості йїючих будівельних норматив-' них документі^#приґ статичних навантаженнях згином, враховуючи умови зчеплош/я Арматури з бетоном та фізико-меганічні ісаракт.£;риоти:/и тріщиностійкості бетону,

У Е ;дповідносгі з метою в роботі ставляться наступні завдання:

1. Вибрати критерій розвитку тріщин в розтягнутій зоні залізобетонних балочних елементів при статичному навантаженні згином.

2. Розробити методику розрахунку параметрів тріщино-

стійкості для балочного елемент., з трішно'о при короткочасному згині, враховуючи умови зчеплення стержневої арматури з бетоном. .

3. Розробити методику визначення статичного навантаження тріщиноутворення для залізобетонних балочних елементів.

4. Визначити параметри тріщиноутворення внаслідок повзучості та усадки бетону при довготривалому згині залізобетонних елементів. ■ ■

б. Розрахувати розкриття берегів тріщин та ріст їх довжини при довготривалому згині балочного елемента.

6. Вибрати методику випробувань бетонних зразків з надрізами, віізна'-ити по пій фізико-механічні характеристики тріщиностійкості звичайних видів бетону марок ВІ0-В40 та бетону іа введенням грубого базальтового волокна.

7. Провести апробацію запропонованих методів визначення ресурсу шляхом співставлений результатів розрахунків з позицій теорії трішин та по будівельних інженерних методиках а даними експериментів.

8. Розробити}з позицій теорії тріщин, методи по розрахунку ресурсу залізобетонних балочних елементів з тріщинами та без них згідно вимог категорій трішииостійкості будівельних нормативних документів (БНШ 2.03.01-84).

Методи досліджень. У роботі застосовуються аналітичні методи теорії тріщин для пружнопластичних тіл у сполученні з методами теорій повзучості і міцності залізобетону.

Фізико-механічні характеристики тріщиностійкості отримувались на основі випробувань балочних зразків з надрізами згідно методі« механіки руйнування, причому контроль за розвитком тріщин здійснювався аа допомогою спеціально розробленого устаткування.

Наукова новізна.

1. На основі сучасної механіки руйнування запропоновані критерії розвитку нормальних тріщин в залізобетонних балочних елементах конструкцій із стержневою арматурой, в які входять параметри, що враховують зусилля зчеплення арматури з бетоном та відшарування бетону від стержнів.

2. Запропонована модель розвитку тріщин внаслідок повзучості в залізобетонноцу елементі .При довготривалому згині, яка поширена для випадку системи тріщин.

3. Визначено.вплив фізико-механічних характеристик тріщиностійкості бетону на трігшюутворенкя при довготривалому згині елементів, армованих у розтягнутії! та стисненій зонах

4. Запропонована методика розрахунку залізобетонних елементів конструкцій при згині згідно вимог категорій тріщиностійкості будівельних нормативних документів^ позицій теорії тріщи, яка враховує характеристики тріщиностійкості

бетону.

б. Розроблена нова методика контролю за розкриттям та ростом довжини тріщин у залізобетонних елементах при згині.

6. В результаті випробувань трьохте*іковим згином бетонник зразків з надрізами з метол визначення характеристик їх тріданостійкості встановлено, шо введення грубого базальтового волокна у бетонну суміш підвищує тріщшостійкість бетону.

Апробація роботи. Результати досліджень та основні положення роботи доповідались і обговорювались на П Всесоюзній конференції "Механіка неоднорідних структур" (м. Львів,1987), І Всесоюзній конференції "Механіка руйнування матеріалів" (и.Львів, 1987), науково-технічній конференції "Міцність та температурна трішиностійкість споруд" (м.Нарва, 1988), 1-му Всесоюзно^ симпозіумі "Механіка і фізика руйнування композитних матеріалів" (м.Ужгород, 1988), Всесоюзній конференції по композиційній«! матеріалам на основі базальту (м.Київ,

1988), ІУ симпозіумі "Міцність матеріалів та елементів конструкцій при складному напруженому стані" (м.Севастополь,

1992), ХУГ1 науковій конференції молодих вчених інституту механіки АН України <м.Київ, 1992), 1-му Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (м.Львів, 1993).

Практична дінкіо^ь^ •• •

1. Залропонорана в 'роОоті модель розвитку тріїїгн в розтягнуті? .зоні'залізобетонних балочних елементів використана для прогпзування кінетики тріщин внаслідок повзучості бетону при довготривало^ статичному згині.

2. Методика визначення умов зародження тріщин використана для прогнозування тріїдияоугворення в розтягнутій зоні балочних елементів при арцуванні як стисненої, так і розтягнутої зон.

3. Результати експериментам -них випробувань бетонних зразків з надрізами та їх аналізу з позицій теорії трішин дозволяють стверджувати, що введення грубого базальтового волокна підвшцуз трішиностійкість бетону.

4. Розроблена методика контроля за ростом довжини тріщин у розтягнутій зоні та їх розкриття на поверхні залізобетонних балочних елементів дозволяє проводити дистанційний контроль за розвитком тріщин у натурних конструкціях, зменшує трудо-

ємкість лабораторних випробувань.

5. Отримані в роботі математичні співвідношення забезпечують можливість визначення ресурсу залізобетонних балочних елементі;', згідно ¡вимог категорій тріщиностійкості будівельних нормативних документів, на основі даних про навантаження на елемент, геометричні та міцністні характеристики бетону

та арматури, параметр тріщиностійкості бетону, умови зчеплення арматури з бетоном та параметри повзучості і осадки бетону.

6. Розроблені в дисертації методики оцінки ресурсу еле-мєеітів залізобетонних конструкцій впроваджені на ВО "Закар-патзалізобетон".

7» Розроблено інженерні рекомендації по розрахунку залізобетонних балочних елементів з позицій теорії тріщин (прв-принтнв видання).

На захист виносяться наступні наукові результати і положення: ■ .

- запропонований метод розрахунку параметрів тріщиностійкості для залізобетонних балочних елементів конструкцій із тріщинами у розтягнутій зоні, та критерій їх розвитку, шо дозволяє враховувати зусилля зчеплення арматури з бетоном та розшарування між ними в області тріщин;

- розрахункова модель росту тріщини в залізобетонному балочному елементі пнаслідок повзучості бетону при довготривалих статичних навантаженнях;

- методика визначення паршетрів тріщиноутворення при статичному згині елементів;

- розроблений пристрій для дистанційного контролю за ростом .тріщин у залізобетонних конструкціях;

- розроблена з позицій теорії тріщин методика визначення ресурсу залізобетонних елементів конструкцій типу плит та балок по вимогах нормативних категорій тріщиностійкості для будівельних конструкцій.

Публікації. Основні ре-ультати дисертації викладені у 12 роботах.

Структура дисертацій. Дисертація складається з передмови, п"яти розділів, загальних висновків та списку використаної літератури 122-х найменувань. Загальний об"ем складає 130 сторінок машинописного тексту, 23 малюнки і 4 таблиці.

У передмові пикладений короткий зміст дисертації і обгрунтована актуальність, наукова новизна та практична цінність роботи. '

У период розділі розглянуті існую'** підходи для розрахунку на міцність бетону та з&.лзобетону, в то му числі з позицій теорії тріщин. Вказано та проаналізовано недоліки і обмеження в застосуванні існуючих підходів, визначена мета ро-'боти і завдання їх основних досліджень.

У другому розділі обгрунтовано вибір критерію розвитку нормальної тріщини в балочному елементі із стерчшевою арматурою, пропонується методика розрахунку критичного коефіцієнта інтенсивності напружень та наближений метод визначення розкриття у вершині тріщини. ГІри цьому визначаються зусилля в арматурних стержнях а області тріщини із врахуванням умов зчеплення з бетонною матрицей,

" третьому розділі описана модель розвитку тріщини в балочному елементі при довготривалому статичному згині внаслідок повзучості бетону, на основі якої проведений розрахунок розкриття її берегів та росту довжини. Наведено• ілюстрації .розвитку параметрів трішин у еквівалентних залізобетонних елементах для бетонів ¡ларок ¿10, 815, В20, В25, ВЗО, В35, В40. Приділено/увагу/розробці методу розрахунку розкриття берегів -тріщини і» області її контакту їз арматурою, яке е нормативним будівельним параметром.

У ч-твертоьу розділі описані, методики розрахунку навантажень тріщиноутворення, уїдав зародження систем тріщин внаслідок повзучості та осадки бетону, розглядається розвиток систем тріщин у балочних елементах при довготривалому згині.

У п"ятоцу розділі описуються методи розрахунку,з позицій теорії тріщин,ресурсу залізобет нних балочних елементів по вимогах тріщиностійкості будівельних нормативних документів; проілюстрована методика проведення випробувань для визначення характеристик тріщиностійкості бепну. Проводиться апробація основних теоретичних результатів у порівнянні із традиційними інженерними методиками та експериментальними даними.

У загальних висновках показані переваги перед існуючими запропонованих в дисертації ішсенерних підходів, що дозволя-

ють, на основі сучасник положень механіки руйнування, розраховувати та проектувати залізобетонні елементи конструкцій типу плит та балок згідно стандартних будівельні« вимог по тріщиностійкооті, враховуючи нові додаткові параметри -зчеплення арматури з бетоном та характеристику тріщішостій-кості бетону. Найефективніша рзаліоація запропонованих підходів для елементів із коефіцієнтом армування до 3% при застосуванні дрібнозернистих бетонів.

Аналіз літератури показує, що більшість існуючих методів розрахунку бетону та залізобетону з позицій теорії тріщин побудована на використанні концепції критичного коефіцієнта інтенсивності напружень К^с. Це питання критично розглянуто в ряді найновіших робіт А.Хіллерборга, З.Базанта, ' Да.Планаса, б.Н.Пересипкіна та ін., де переконливо доведено, що у бетоні перед вершиною тріщини е область псеадопластич-них деформацій значних розмірів. Отже в даному випадку необхідно застосовувати інші критерії теорії тріщин, наприклад деформаційні критерії Леонова-Ланасака, Хіллерборга та їнг- ■ раффеа-Саоума, які полягають у концепції критичного розкриття у вершині тріщини і відрізняються лише моделюванням напружень у зоні перед вершиною тріщини.

При розрахунку залізобетонних балочних елементів у відомих роботах стержневу арматуру моделюють як пружний шар, вчеплений з бетонною матрицею, через що питання відшарування бетону бід стержнів в області тріщини та впливу профілю арматури на тріишностійкість залишаються мало вивченими,

В даній дисертації для оцінки напруженого стану при статичноцу навантаженні залізобетонного балочного елемента д тріщиною використовується коефіцієнт інтенсивності напружень (КІН) Кх, який січислюєгься з міркувань суперпозиції напружених етанів у вигляді:

СТІКШІЇ ЗМІСТ РОБОТИ

для навантаженого неармованого еквівалентного бетонного елемента з тріщиною, а К^а)- як КІН для бетонного елемента, в якому на берегах тріщини, в точках центру ваги поперечного перерізу арматурних стержнів, прикладені сили. Для обчислення Кї> напруження в області вершини тріщини 03^ знайдено пк напруження від впливу періодичної система зосереджених зусиль, прикладених на віддалі Ь, від вершини тріщини. При цьоцу використано розв'язок для круглої плоскої тріщини, на берегах якої прикладені зосереджені сили, знайдений методом сингулярних інтегральних рівнянь. В результаті цього для аалізобетонного балочного елемента з тріїшшою записується на основі формули (І) так:

У - іі,^Ч_МЧД1 __ _ О В-1(В!.Гба^ і Кі” * Ь4 'я Ін ч

(^+К)С ~~п

----- . (2)

де ОС - довжині 'тріии'аи.Н' - висота елемента, А= § ; М -вгинаючий момент;С- » '^> = Н-0- , - від-

даль-між стержнями. Тут значення р> - відношення коефіцієнта інтенсивності Напружень » У випадку моделювання стриму-

ючого впливу арматури на розвиток тріщини зосередженими зусиллями ДоК^л» У випадку моделювання пружним шаром, тобто рівномірно розподіленими зусиллями*»/^по лінії контакту стержнів з поверхнея тріщини, для якого виведена формула:

0 _ .

1 ~ ’ (3)

де Й - - координата вздор« ряду стержнів.

Зусилля в арматурних стержнях обчислиться із врахуванням відшарування бетону і арматури в області берегів тріщини, тобто відсутності ЇХ зчеплення на відрізку 1^0 вздовж стержня:

де ~ модуль пружності арматури, К<* - віддаль між точками прикладання зусиль ,&<>.- розкриття берегів тріщини на рівні центру ваги поперечного перерізу арматури, яке визначається аналогічно як і К^ . а міркувань суперпозиції напружених станів, із використанням відомого розв'язку задачі визначення розкриття берегів тріщини при розтягу площини з тріщиною зосередженими зусиллями, прикладеними на деякій віддалі від берегів тріщини та методу еквівалентних напружених станів, для визначення розкриття іЗерегіп тріщини від дії згинаючого моменту. При цьому з уїло ви рівноваги зусиль в арматурі на ділянці відшарування бетону і стержнів в області тріщини та на "вмурованій" ділянці, які визначені Поре-сипкішім Є;М. наближено обчисляється довжина ко відрізку відшарувань на стержні.

Розрахунки по формулі (2) для залізобетонної плити з тріщино» показують (рис.І) переваги застосування запропонованого методу ¿юделгавшшя стержневої арматури зосередженими зусиллями перед традиційним принципом її "розмазування", тобто моделювання рівномірно розподіленими стискаючими напруженнями, В даному випадку показано, що при збільшенні віддалі між стержнями зростав похибка при обчисленні значень Кх традиційним методом, а це приводить до недооцінки напруженого стану. ' .

Для оцінки граничного стану при статичних навантаженнях у-роботі вибрано критерій Леонова-Панасюка. Згідно з концепцією критерію вважається, що тріщина в бетоні починає розвиватись, якщо розкриття її берегів у вершині досягає деякого критичного значення , яке є константою матеріалу. Критерій відрізняє наочність та зручність з реалізації для бетону, так як доведено, що його застосування для матеріалів із значними розмірами пластичних зон перед вершинок тріщини дав задовільні результати. Згідно вибраного критерію руйнування, напруження сил зчеплення берегів тріщини у її- вершині

Рис,І. Значення КІН К* на проміжку між стержнями арматури в • залежності від віддалі h*між ними: =

І) 0,04 мі 2) 0,06 мі 3) 0,07 м; 4) 0,09 м; 5) 0,1 н. для числового прикладу залізобетонної плити з-наступними параметрами: cl « 0,1 м, Н •» 0,35 м,' =

» 2,7.І0Ю Па (модуль пружності беїону),(А « 0,15 (коефіцієнт Пуассона длялЗетону), 7і » 1,8 м (ширина), H&t в 1*4.10° Па-(границя мішості важкого, dejrduÿ нормального твердіння марки В20 при од-новісному Ьозтязі), , с 2 Л О-1-* Па (для «пматури класу AHÎ}. h. в 0.03 м; D =» 0,010 м; СІУ »

.«‘0,36 м (довжина відрізку арматури, де діють напру-

ження зчеплення з бетоном із середнім значениям X.. - 5.10b lia). *

¿v

наближено вважаються рівними границі міцності при одноаісно-иу розтязі для бетону fat. . _

Розрахунки розкриття у вершині тріщини Супроводились на основі наближеного методу еквівалентних напружених станів по формулі г

&Y і ~ і

VC

(5)

де S>g - розкриття у вершині тріщини в еквівалентному ноармо-

іДм} •

ваному елементі при згині; г\г -- та ж величина, що і и (І).

При побудові розрахункової моделі руйнування залізобетонній: елементів при довготривалому згині пикористовуаться співвідношення між напруженнями та деформациями теорії спадкового старіння бетону, виведені Масловим Г.К. та Арутяняном

Н.Х. Функція міри повзучості вибрана у формі

C( t/t) с ; (б)

Де %):CQ+ » "Ь - тривалість навантаження,^ - вік

бетону у початковий момент напан'тчєніш,Со , А і, Йо - параметри повзучості. Тшса форма забезпочуо добру кореляцій з експериментальними крив;мі повзучості бетону в староцу та молодому віці, а також лідображао такі явища повзучості бетону, пк старіння і спадковість. ■

Для дослідження розвитку тріщин в бетоні при довготривалих навантаженнях застосований підхід, розроблений Зайцевим Ю.В. Згідно цього підходу, при довготривалої/^ навантаженні батон вважається пружним матеріалом з умовним модулем пружності * залежним від часу:

■ (7) Показано, що в даному випадку дотримуються умови теореми Аругганяна Н.Х. для старіючих лрушопластичних тіл, в шейх розвиваються тріщини.

Розвиток тріщини и бетоні при довготривалих статичних навантаженнях розділяються, згідно прийнятого принципу Камін-ського A.A., на два періоди: інкубаційний та квазіствтичного росту тріщини. Прийнято, шо під час інкубаційного періоду розкриваються береги тріщини у вершині при постійній її доплаті, а ріст тріщини почнеться, коли розкриття у її вершині досягне критичного значення При обчисленні розкриття у вершині тріщини використовується метод еквівалентних напружених станів. В інкубаційний період розвитку тріщини у формулі (5) значення Кг приймається зал&тшл від часу, за рахунок зміни його силової частини внаслідок повзучості бетону в області виходу стержнів на поверхи:;) тріщини '¡'а збільшення відшарувань стержнів. *

На ОСНОВІ умови досягнення Критичного розкриття «цУ вершині тріщини в кінці інкубаційного періоду виведене співвідношення для визначоння його тривалості -Ь„ . Очевидно, що у випадку, коли при розрахунках не існує загрози

росту тріщини#

При розрахунку тривалості інкубаційного періоду для залізобетонного балочного елемента з .тріщиною особливу увагу приділено можливості уникнення росту тріщин, застосовуючи відповідні марки бетону.

У період квазістатичного росту довжини тріщини функція-І!Н, залежними від часу, вважаються всі параметри рівняння (5) і, згідно прийнятої моделі руйнування, використовуючи метод еквівалентних напружених станів, ножна записати;

,а)

де - довжина тріщини в період часу £ . Вважається,

шо співвідношення (ї) дотримується у будь-який момент часу •Ь періоду росту довжини тріщини.

Оцінити довжину тріщини в будь-який момент часу Ъ маша наближено, знайшовши значення СХСі) із співвідношення (З), Вперше встановлено, що- ріст довжини тріщини визначається не тільки міцністниш характеристиками бетону та арматури, функцією міри повзучості бетону, але й характеристикою трішино-стійкосгі бетону, порушенням зчеплення арматури з бетоном з плином часу. •

Практичний інтерес представляє визначення розкриття тріщини на поверхні елемента, так як часто у залізобетонних балочних елементах, наприклад, в плитах перекриття, через труднощі доступу до бокових поверхонь неможливо виміряти довжину тріщини. Розкриття тріщини на поверхні можна обчислити тим же методом суперпозиції, що і розкриття тріщини на рівні арматури.

Числові приклади показують, що для достатньо зрілого бетону при довготривалому навантаженні елемента з тріщииою, її розкриття на поверхні та ріст до вжиті мають взаємно пропорційний вгасайчий характер та значно залежать від марки бетону С рис,?-).

t,M

Рис.2. Ріст довтні тріщини OL та розкриття на нижній грачі ' елемента^ після інкубаційного періоду для різних марок бетону: І) ВІО; 2) ВІ5; 3) В20; 4) В25; 5) ВЗО. Для числового прикладу залізобетонної плити гір;і 0,08 м (див. дані рис.І).

Існуючі методи розрахунку тріщиноутворення у залізобетонних балочних елементах при згині не дозволяють враховувати вплив характеристик тріщнностійкості бетону, хоча експерименти показують необхідність дослідження цього питання. Для визначення тріщиноутворюючого згинаючого навантаження у розтягнутій зоні елемента використовуємо відомій у літературі метод визначення напруженого стану в однорідній балці при мікротрі-щиноутворонні та наближені співвідношення теорії залізобетону для визначення напружень при різних видах армування. Важливо, що у співвідношення для отримання розрахунку тріщино-утворшчого моменту входять два параметри тріщиностійкості бетону - величина 6* та довжина зони псевдопластичних деформацій перед воришов тріщини. .

Тим же методом запропоновано розрахувати граничне навантаження тріщиноутворення при довготривалому статичному згині лри заданому терміні експлуатації елемента, використавши співвідношення для напружень теорії залізобетону при повзучості та осадці залізобетону, або визначити ресурс при зада-ерцу навантаженні по формулі: ^

-Ьс =і■т: -V 5 {е)

с*

де г(^ - .функція, в яку входять міцні Сяні, деформаційні та геометричні параметри елемента, характеристики тріщиностійкості, співвідношення повзучості та усадки. Аналіз співвідношення (9), отриманого для розрахунку часу тріщиноутворення Іс. У елементі при довготривалому згині показує, що при інтенсифікації процесу повзучості у бетоні зменшується значення -Ьс. При інтенсифікації процесів осадки виникає протилежний ефект,очевидно, чзрез збільшення напружень стиску в арматурі.

Реалізація опрацьованого методу розрахунку параметрів тріщин у випадку систем тріщин в залізобетонних балочних елементах проведена на основі результатів чисельних розрахунків їрапезникова Д.ГІ. та Пащенка В.І. КІН для балочних елементів із періодичними системами тріщин. На основі апрок-симації^результатів розрахунків отримане співвідношення для' КІН у випадку системі; тріщин на основі ро5в"яику для однієї тріщини. Якщо відношення віддалі. мік тріщинами до

висоти И елемента перовіїщуо значення Б/4, то розв'язок задачі для системи тріщім та однієї тріщини співпадав.

•Відповідним чином знайдена співвідношення для у випадку систош тріщин, a також для розкритті! у вершині тріщин ни. При ньому прийнято допущення, що розкриття берегів тріщини періодичної системи у еквівалентно^ неармоьаному балоч-ноцу елементі визиачазться, як і для однієї тріщини, напруженим станом, який шшшіза при підгювідноі^у значенні КІЛ системи. '

При визначенні зміни параметрів системи тріщин при довготривалому згині використовуються аналогічний підхід. Розрахунки показують, що із збілшо-нням віддалі між тріщинами зменшується тривалість інкубаційного періоду і тріщини за період згасання повзучості підростазгь па більшу довжину.

З матою отримання величин критичного розкриття тріщини у вершині 6ц , як характеристики трішиностійкості матеріалу, проведені випробування трьокточковим згином пр;ізмати'іник балочних зразків розмірами 400x100x100 ш з крайовою трішною-надрізом. Зразки виготовлені з бетону марок DIO - М0 Львівського заводу ЗБІС— І, крім того'у о'оюнні суміші марок ЛІ5 та Б25 згідно спеціальних мотодичних рекомендацій було злодено грубе базальтове волокно з мотоо дослідження його впливу на трішичостійкість бетону.

Тріщина яплло собою наскрізний надртз (доекиной 30-10 т), кут при вершині шесто рівний 60и, з радіусом заокруглення 0,1 ММ.

Для визначення довжини тріщини розроблена спеціальна ь;а-тодика, яка г;:унтуоться ііа вимірюванні змтни параметрів поля вихрових струмів при розвитку трішинп У тонкій даталосій фользі, яка наклеєна на позорхіп зразка в обллеті надрізу.

З її доаомогою вдасться поде пати відомі трудноті практичного вимірювання довбши тріщини г: бі'топі та яиігі псевдоплнстич-них деформацій (мгкророзтріскуг.іання) перед її вершино^. Крім того вона дозволяє лртзодптп достаїщійкпй контроль за ростом трішізш та використовуї-аги при цьсму записуючі пристрої. Перед вшіро буиакшми проводились тарірозжа ьнкір.'.вально: апаратури, де доьжша їр::ш.:ия то з'.ие мікророзтртс^ування визначались при допомозі нггетс/стра га метод/ капілярної ад-

сорбції спеціальної рідини в області тріщини.

Для визначення розкриття у вершині тріщини застосовується форцула, виведена иа основі підбору емпіричної кривої числових результатів, отриманих методов скінчених елементів Йенгом та Шахом, 3 табл.І видно, що характеристика тріщино-стійкості залежить від марки бетону і зменшується із підвищенням міцності бетону

Таблиця І

Марка бетону ВІО |ві5 БІ5*{в20 ¡В20* 1 1 В25 ВЗО ¡В35 ¡В40 І І

Границя міцності при одновісному розтязі п а)проектна ,Ша б) реальна Ябь.Ша КРіб*, М х ІО-4 1 1 1 І 0,85(1,15 0,6311,14 4,65{2,63 1,15 1,53 3,01 1 1 І 1.4 1І,4 1.4 11,39 1,91 2,31 1,6 1,61 1,57 ! І 1 1 1,8 [1,95[2,1 1,75 1,9312,17 1,25 І,Іб|0^9

Встановлено, що введення грубого базальтового волокна у бетонну суміш відчутно підвішує величину , а отже і тріщи-постійність бетону.

У роботі порівнюється дослідне,згідно літературних даних, та теоретичне, розраховане по запропонованій методиці тріши-ноутворююче навантаження при короткочасиоцу статичному згині, В результаті встановлено, що вони ду«е близькі в якісному відношенні. Однак в кількісному відношенні дослідне навантаження як правило перевищує розрахункове в середньому на 1555. Це можна пояснити тіш, що теоретичний розрахунок ведеться по утворення мікротріщин, а дослідне значення отримують при появі "видимих" тріщин. Аналіз випробувань, проведених Лучком ЙЛІ., показує, що момент мікротріщиноутворення в середньому на 10% менший від моменту "видимого" тріїаиноутвореиня. Тому доцільно проводити розрахунок по персіій категорії тріиаіно-стійкості (БНІЛ 2,03.01-84) із відповідної поправкою.

При довготривалих навантаженнях методика дозволяа надійно обчислити момент тріщиноутворення б залежності від тривалості навантаження, а це досить зручно:для розрахунку елемен-гів у стадії експлуатації, що підтверджено експериментальними спостереженнями тривалістю до 500 діб.

Розрахунок допустимого недовготривалого розкриття трішн-н по другій категорії тріщиностіЯкості проведений із врахуванням можливого підшарупання бетону від арматури в області тріщин та росту їх до&ЖИНМ . при дії додаткового короткочасного навантаження. Співвідношення, одержані на основі запропонованої методики, дозволяють розраховувати критично короткочасне навантаження по гранично допустимій ширині розкриття тріщини на рівні центру ваги поперечного перерізу арматури, яко с нормативного характеристикою для елемента.

По третій категорії вимог тріщиностіЯкості визначали гранично допустицу ширину розкриття трішшш і допустимо короткочасна та довготривало навантаження на залізобетонний балочний елемент, .

Порівняння розрахункових та експериментальних даних показує, що різниця мім ними для напружень в арматурі не перовищуз 105? для слабоармоааних елементів. Цп різниш для розкриття тріщин при довготривалому згині ке поревіяіувяла в середньому 10% л.;я дрібнозернистого батону і для трьохксипонеїшюго, прнчоцу для величин ШіССІШЬЛЬНОГО розкриття, яко відповідао згасанню процесів повзучості ці підхияешп тиші і становлять відповідно ІІ> І Ш'п, шс, очевидно, ПОЯСНЮЄТЬСЯ похибками, які дшоть рівняння опису кривих гштучості на деяких відрізках часу.

. ■ ЗАГАЛЬНІ віпіавги

1. На основі сліп ставлення результатів теоретичних’ розрахунків з експериментальними даними та аналізу літератури можна стверджувати, що застосування розрахункових моделей пружнопла-стичног механіки руйнування до бетону та залізобетону при короткочасних та довготривалих навантаженнях, з точки зору врахування фізичних явищ руЯлуиання Сільц коррскгне, і дає в ряді випадків кращі результати ніж застосування методик, рекомендованих діючими норкагчшннмі документами.

2. Е^сктіівг/ість застосування запропонованих методик роз-рахушсу по нормальним трішянам обмежуються залізобетонними балочнім! елементами з ксефіпізотом армукашя не більше 3$ при умові, що запошшач в бетоні за ліні.інкш розмірами повинен бути значно мекшг.к дог;;я;ш; тріщини.

3. Встановлена, им у випдді'.ах, йоли аідоачь мій аркатур-,

ниші стержнями значно перевищує їх діаметр, значення ЇСІН суттєво змішаться вздовж фронту тріщини у її вершині, і цей фактор необхідно враховувати, беручії за розрахунковий параметр максимальне значения КІН на проміжку між стержнями.

4. Теоретичними розрахунками встановлено, що явище порушення зчеплення арматури а бетоном в області контакту стеринів з поверхне« тріишн впливав на тріщшостійкість елементів, а довжина відрізка порушення зчеплення вздовж стержня а важливим додатковим розрахунковим параметром.

б. При труднощах доступу до бокової поверхні балочних елементів з де той контролю параметрів тріщин (ширини розкриття та довжини), розрахунок при короткочасних та довготривалих навантаженнях можна проводити по величині поверхневого розкриття тріщин на розтягнутій грані.

6. При розрахунках параметрів гріщнноутворєння як при

короткочасному, так і довготривалому згині враховудться характеристики ТрІЩННОСІ'ІЙКОСТІ бьтону. .

7. В результаті експериментів встановлено, що значення КРТ- £* для звичайних видів бэтону залежить від його марки, причоцу змонтується з її підвищенням. Введення грубого базальтового волокна підвищує для відповідної марки бетону, докращуа його тріщиносчійкість,

8. На основі нового підходу, пов"язаноро з гіпотезами прухнопластичної механіки руйнування, запропонована ефективна методика розрахунку залізобетонних балочних елементів, яка дозволяв з єдиних позицій оцінювати тріщиноутворення та розвиток тріщин незалежно від виду бетону. Ефективність застосування цієї методики підвищується із вменшанням величини заповнювача, а найкращі результати дає її застосування до елементів з дрібнозернистих бетонів, очевидно через крашу відповідність їх структури моделі однорідного пружнопластичного Тіла з тріщино», ніж у випадку звичайних трьохкомлонентних бетонів.

Основний зміст дисертаційної роботи відбито у таких публікаціях: .

І, ГємбараТ.В., Лучко И.И, Распространении третин в балке из оязко-упругого армированного митерилла при изгибе // Тез. докл, II Всесоюзної! коифорзнции "Механика неоднородных ' структур"» Львов, Т.І}с,6ч,

-2, Андрейкив A.E., Лучко И.H., Геыбара Т.В. Методы опредалеіяи коэффициентов интенсивности напряжений для трсаин, ортогональных к арматурным стержням. Тез,докл. I Всесоюзного симпозиума "Механика и физика разрушетш композитных материалов", 1980, Ужгород? с.з.

d» Гембарп Т.В. Экспериментальное определение параметров тре-щиностоПкооти бет ома и базальтобетоне. Там se, с. 4.00.

4, Голиш О,Н., Гембара Т.В., Обухивский О.И. Метод определения длины и раскрытия трещины в балочных образцах из бетона.Тан ко,

G. Лучко И,И,, Гембара Т.В. Распространенно трещин в балке при здстом изгибе в условиях устапоглваойсп ползучести.Сопротивление ггатериалов и расчет конструкций. I960, №3, с.46-4®,

6. Лучко И.И., Гембара Т.В, Наследование физйко-механические

свойств б азаль тс батона н перспектива ого применения в строительных конструкциях Западного региона УССР, Композиционные материалы на основе базальтовых волокон. Сб. научных трудов Мі Ш УССР, Киев, 1989, с. I05-II3. .

7. Андрейкив А.Е., Геммра Т.В., Лучко И.И, Развитие трошн вследстзиэ поязучеот-ч о иэгиЗяемых елешнтах, армированных стеркяевой армаїур°а* ївз.дскл, 1У Стаоэиума ’’Прочность материалов и элементов конструкций при сложном нэиркконном состоянии", Севастополь, 1992. - С.4-5.

tí, Af-upsiteiß 0.6., Лучко Л.і'І., Гспбара Т.В. Іїетод визначення косфіціонта інтенензпості напружень в заліаоботонних елементах з тріїшінвм! при згині// ЙЗ&1.-19Э2. ~'i\3.-C.I04-IIQ,

9. Гейдара Т.В, Визначення розкриття тріщин з армованих елементах при згині // Праці ХУЛ наукової конференції молодих вчених інституту механіки A4 України, Київ, 19-22 травня)

1992, 4.Í., дол. в У яр ВДІНГІ, с. 38-42.

10. Лучко ІЇ.И,, Голнян О.М., Гсмізрц Т.В, Устройство для измерения трещин в железобетонных конструкциях // Строительные- материалы и конструкции. - 1992. - № 3-4, - С. 33-34.

11. Лувдсо ¡І.И., ГемЗара Т.В., Квіт РЛ, Дослідження розвитку трішш в- бетоні та залізобетоні методами механіки руйнування // Тези доп. І міжнародного симпозіуму українських інженерів-кеханікіз. Львів, -18-20 травня, 1993, с.50-51,

12. АндреАків 0.6., Лучко »I.Ü., Геыбара Т.В, Розрахунок залізобетонних балочних елементів методами механіки руйнування. Львів, IS93, препринт І.» 183 <íMt № України,60с (у друїді).