Бамбура Андрій Миколайович. Експериментальні основи прикладної деформаційної теорії залізобетону

Короткий опис

Бамбура Андрій Миколайович. Експериментальні основи прикладної деформаційної теорії залізобетону : дис... д-ра техн. наук: 05.23.01 / Харківський держ. технічний ун-т будівництва та архітектури. - Х., 2006.

Бамбура А.М. Експериментальні основи прикладної деформаційної теорії залізобетону. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.01 Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України. Харків, 2006.
У дисертації наведено результати виконаного комплексу експериментальнотеоретичних досліджень актуальної науково-технічної проблеми, які дозволили розробити основи прикладної деформаційної теорії залізобетону стрижневих систем, яка базується на реальних діаграмах деформування бетону та арматури при різному напружено-деформованому стані та зовнішніх діях.
Експериментально встановлено закономірності впливу режиму навантаження (одно- і двоосьового стискання, градієнта напружень, повторюваних навантажень високого рівня та тривалої дії навантаження високого рівня) і технологічних факторів на параметри діаграми стискання бетону в широкому діапазоні зміни його міцності та поведінку залізобетонних елементів під навантаженням.
Запропоновано аналітичні залежності для визначення параметрів діаграм деформування бетону при різних режимах навантаження та розроблено на основі деформаційного методу аналітичний апарат для визначення напружено-деформованого стану нормальних перерізів (двотаврового, таврового, прямокутного, трикутного, круглого та кільцевого) звичайних і попередньо напружених згинних і позацентрово стиснутих залізобетонних елементів при різних режимах навантаження.
Наведено рекомендації щодо нормування параметрів діаграм деформування бетону при різних режимах навантаження для розрахунку залізобетонних елементів за двома групами граничних станів. Розроблено метод трьох кривизн” для визначення несучої здатності нерозрізних залізобетонних балок та балок на деформівній основі. Наведено результати експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій і елементів об’єкту Укриття” Чорнобильської АЕС, будівлі вокзалу Київ-Паса-жирський”, супермаркету МЕТRО” в м. Харкові та ін.

Виконання сформульованої автором комплексної програми експериментальнотеоретичних досліджень актуальної науково-технічної проблеми дозволило розробити деформаційну теорію залізобетону стрижневих систем, яка базується на реальних діаграмах деформування бетону та арматури при різному напружено-деформованому стані та зовнішніх діях. Внаслідок виконання комплексу лабораторних, натурних та теоретичних досліджень отримано такі основні результати:
1. Розроблені устаткування та методика експериментальних досліджень, які дозволяють не тільки отримувати повні рівнозважені діаграми стиску бетону, але і з достатньою точністю визначати момент руйнування зразків. Зазначена методика дозволяє отримати досить надійні дані про параметри нелінійності повних діаграм деформування бетону в умовах одно- та двоосьового стиску, поздовжнього градієнта напружень, небагатоповторних та тривалому навантаженнях. Вона рекомендується для широкого використання при дослідженні як зазначених параметрів бетону, так і нових композиційних матеріалів.
2. Запропонована методика визначення коефіцієнтів полінома п’ятого ступеня для апроксимації діаграми стиску бетону при однократному центральному деформуванні досить точно відображає закономірності впливу різних факторів на параметри згаданої діаграми. Отримані залежності, за допомогою яких з достатньою для практики точністю можна визначити всі параметри діаграми важкого трьохкомпонентного бетону на основі призмової міцності. Складена таблиця середньодослідних значень параметрів і коефіцієнтів полінома п’ятого ступеня для важкого трикомпонентного бетону.
3. Експериментально встановлено, що граничні деформації та початковий модуль деформацій бетону практично не залежить від рівня поперечного обтиску при двоосьовому стиску, що пояснюється характером зміни додаткової роботи і потенціалу навантаження в процесі деформування.
4. Результати порівняння діаграм деформування бетону в умовах одноосьового, двоосьового та неоднорідного стиску бетону при чистому і поперечному згині свідчать про те, що розходження між ними полягає, в основному, у зміні числових значень максимальних напружень і відповідних їм деформацій. Що ж стосується кривих деформування стиснутого бетону при чистому згині, то вони, як це і очікувалось, практично збігаються з кривими одноосьового стиску. Запропоновані залежності з урахуванням впливу перелічених факторів на параметри діаграми стиску бетону.
5. На основі відомих даних і за результатами проведених дослідів одержані граничні криві та поверхня міцності бетону на площадках головних напружень, які досить точно відображають поведінку бетону в умовах рівномірного та нерівномірного плоского напруженого стану.
6. Аналіз експериментальних діаграм деформування бетону, в тому числі і з допомогою енергетичного методу, дозволяє стверджувати, що діаграма ” бетону є енергетичною характеристикою матеріалу, а її параметри, у рамках прийнятих допущень, його константами.
7. Експериментально встановлено, що діаграма ” однократного стиску являє діаграму, що є огинною щодо діаграми бетону при цикловому навантаженні у жорсткому режимі довільного рівня. Це дозволяє з єдиних позицій виконувати оцінення напружено-деформованого стану залізобетонного перерізу як при однократному, так і при малоцикловому навантаженні.
8. Експериментально встановлено, що несуча здатність і деформативність залізобетонних балок, отримані після завершення заданої програми повторних навантажень і довантаження до руйнування (за умовиі, що зразок не зруйнований від малоциклової втоми), залежать від властивостей бетону, а також від параметрів навантаження та кількості циклів. В дослідах зафіксовано три можливі випадки:
- несуча здатність не змінюється порівняно з несучою здатністю балок при однократному навантаженні;
- вичерпання несучої здатності балок відбувається після реалізації програми повторних навантажень на гілці довантаження;
- вичерпання несучої здатності балок відбувається в процесі повторних циклічних навантажень (малоциклова втома), причому вона, як правило, менша за несучу здатність балок при однократному навантажені.

Максимальний рівень тривалого навантаження на згинний залізобетонний елемент, при якому він не зруйнується у часі, може становити до 0,93 від його несучої здатності при короткочасному навантаженні. Необхідною умовою цього є пружне деформування розтягнутої арматури. При цьому, при наступному короткочасному навантаженні до руйнування, несуча здатність балок може перевищувати несучу здатність незавантажених зразків у 1,4 рази.

На основі теоретичних досліджень показано, що поряд з руйнуванням як згинні, так і короткі позацентрово стиснуті елементи з матеріалів, що мають діаграму деформування з спадною ділянкою, втрачають стійкість деформування, тобто мають точку екстремуму на кривій стану.
Руйнування залізобетонного перерізу ніколи не відбувається в локальному перерізі: в експериментах зона руйнування бетону перекриває найчастіше декілька ділянок між тріщинами. Це положення добре узгоджується з сучасними уявленнями про механізм руйнування бетону зокрема і твердого тіла взагалі, у відповідності з яким мікроруйнування накопичуються у певному об'ємі, і врешті-решт руйнується певний об'єм.

Вказане і дозволяє сформулювати поняття моделі розрахункового перерізу залізобетону переріз з характеристиками, що відповідають середньому напружено-деформованому стану бетону та арматури на довжині блоку. Довжина блока становить не менше висоти перерізу або відстані між тріщинами, якщо такі є, та не менше п'ятикратного найбільшого розміру крупного заповнювача.
12. Вперше запропоновано такий комплекс критеріїв вичерпання несучої здатності залізобетонних перерізів:
вичерпання міцності, руйнування перерізу внаслідок роздроблення стиснутого бетону або розриву арматури;
втрата стійкості деформування перерізу внаслідок порушення рівноваги між внутрішніми і зовнішніми зусиллями.
13. Сформульовано головні допущення і передумови, виконано їхнє обґрунтування. Отримано рекурентні залежності для оцінки напружено-деформованого стану моносиметричного, прямокутного, таврового та двотаврового, кругового та кільцевого залізобетонних розрахункових перерізів на довільному етапі навантаження та безпосередньо перед його руйнуванням при короткочасній, тривалій та небагатоповторній дії навантаження з урахуванням можливості виникнення складного напруженого стану та попереднього напруження арматури.

На основі виконаних розрахунків і порівняння їхніх результатів з експериментальними даними та їх статистичного аналізу показано, що розроблений деформаційний метод та розрахунковий апарат для оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних елементів досить добре відображає модельований процес якісно і кількісно. Так, математичне середнє відношення підрахованої несучої здатності до експериментальної становить 0.98 при коефіцієнті варіації всього 5.8%. Точність розрахункового апарату є досить високою, помилка у визначенні несучої здатності вказаних елементів, яка перевищує 15%, становить всього 1%.
Розроблено деформаційний метод, алгоритм та прикладні програми для реалізації їх на ПЕОМ щодо оцінки напружено-деформованого стану залізобетонного перерізу на будь-якому етапі навантаження аж до його руйнування. Наведено пропозиції щодо визначення міцності, жорсткості та ширини розкриття тріщин як звичайних, так і попередньо напружених залізобетонних елементів довільного перерізу.
Розроблено пропозиції щодо нормування параметрів діаграм бетону та арматури. Статистичний аналіз співставлення результатів розрахунків на основі розрахункових та середньодослідних діаграм показав, що розроблений апарат забезпечує необхідну (0.9987) надійність залізобетонних конструкцій. При цьому встановлено, що залежно від виду вичерпання несучої здатності, критерієм якої є руйнування по бетону, вичерпання несучої здатності внаслідок текучості арматури або втрати стійкості деформування, співвідношення середньодослідних величин до обчислених за розрахунковими діаграмами може складати від 1.3 до 1.67.
Розроблено пропозиції щодо подальшого розвитку основних положень дисертації і поширення їх для розрахунку статично невизначених стрижневих залізобетонних систем. Наведені приклади показують, що, використовуючи розроблений розрахунковий апарат, деформаційний метод та апарат будівельної механіки, неважко скласти систему розрахункових рівнянь для будь-якої статично невизначеної системи.
Запропоновано аналітичний апарат для розрахунку нерозрізних балок та балок, що лежать на пружній основі. Розрахунок нерозрізних балок виконують за розробленим методом рівняння трьох кривизн”, аналогічно відомому в будівельній механіці методу рівняння трьох моментів”.
Порівняння результатів розрахунків, на прикладі переармованої попередньо напруженої балки, за нормами DIN та СНиП показує їх збіжність. Однак визначено, що згадані норми мають спільний недолік використання прямокутних епюр у стиснутій зоні бетону, що в ряді випадків призводить до переоцінювання до 30% несучої здатності конструкцій. Виконана оптимізація армування вказаної балки дозволила при зменшенні армування на 18,3% збільшити її несучу здатність на 17%.