авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Халафалла железобетонные конструкции из высокопрочных бетонов на материалах судана

На правах рукописи

Мохамед Ахмед Хатим Халафалла Железобетонные конструкции из высокопрочных бетонов на материалах Судана Специальность 05.23.01. – Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.05. – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2006 2

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете Научные руководители: доктор технических наук, профессор Маилян Дмитрий Рафаэлович доктор технических наук, профессор Несветаев Григорий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Байрамуков Салис Хамидович доктор технических наук, профессор Курочка Павел Никитович

Ведущая организация: ОАО ПСП «СевкавНИПИагропром»

Защита состоится «4» июля 2006 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 в Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, ауд. 232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета

Автореферат разослан «» июня 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Л.В. Моргун

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение эффективности капитального строительства может быть достигнуто за счет дальнейшего совершенствования бетонов и железобетонных конструкций на их основе, снижения материалоемкости конструкций, применения для их производства высокопрочных материалов.

Важное значение в этой связи приобретает разработка технологии изготовления высокопрочных бетонов на материалах Судана с изменением очередности загрузки бетоносмесителя, использованием различных суперпластификаторов.

Актуальной задачей является экспериментальное изучение свойств высокопрочных бетонов, полученных на материалах Судана по традиционной и по предложенной технологии. При этом следует учесть влияние высокопрочной арматуры на диаграмму деформирования бетона.

Требуют уточнения и корректировки нормативные методики расчета прочности, деформативности и трещиностойкости внецентренно сжатых железобетонных элементов с высокопрочной арматурой.

В последние годы активно развиваются методы расчета железобетонных конструкций с учетом полных с нисходящими ветвями диаграмм деформирования материалов. Необходимо проверить и откорректировать методы расчета прочности и деформативности внецентренно сжатых железобетонных элементов с учетом трансформированных диаграмм деформирования бетона и фактических диаграмм деформирования стали.

Следует уделить внимание и приближенным методам расчета прочности и трещиностойкости железобетонных стоек, учитывающим трансформированные диаграммы деформирования бетона.

Исследованию этих и других малоизученных вопросов посвящена настоящая диссертационная работа. Решение поставленных в ней задач имеет существенное значение для рационального и надежного проектирования сжатых железобетонных элементов из высокопрочных материалов.

Цель диссертационной работы - разработка технологии изготовления высокопрочных бетонов на материалах Судана и рекомендаций по проектированию железобетонных конструкций на их основе.

Автор защищает:

- результаты оценки эффективности сочетания различных суперпластификаторов с суданским цементом и выбор рекомендованного суперпластификатора melment F 10;

- результаты исследований технических свойств суданского цемента;

установленную возможность использования пыли в качестве расширяющей добавки, что снижает влажностную усадку цементного камня и исключает контракционную усадку;

- технологию изготовления высокопрочных бетонов на гравии с повышенным содержанием пылевидных частиц, заключающуюся в изменении очередности загрузки бетоносмесителя;

- результаты исследований свойств бетона на материалах Судана, полученного по традиционной и предложенной технологии;

- рекомендации по расчету прочности железобетонных элементов с высокопрочной ненапрягаемой арматурой, основанные на использовании перераспределения усилий с бетона на арматуру в конце нисходящего участка диаграммы деформирования;

- предложения по усовершенствованию расчета прочности железобетонных элементов с учетом действительного напряженно деформированного состояния элемента при разрушении, фактических напряжений в арматуре растянутой и сжатой зон;

- усовершенствованный метод расчета прочности и трещиностойкости железобетонных стоек с использованием дважды трансформированных диаграмм деформирования бетона в зависимости от градиента деформаций и влияния преднапряжения;

- приближенные методы расчета прочности и трещиностойкости железобетонных стоек с учетом зависимостей максимально реализованных деформаций сжатия и растяжения бетона от основных факторов и фактические диаграммы деформирования стали.

Научная новизна работы:

- на основе оценки эффективности сочетания различных суперпластификаторов с суданским цементом по критериям водопонижающего эффекта, гидрационной активности цемента в присутствии суперпластификатора, влияния последнего на усадочные деформации рекомендован суперпластификатор melment F 10;

- изучены технические свойства суданского цемента, выявлена высокая влажностная усадка и склонность к раннему трещинообразованию;



установлена возможность применения пыли в качестве расширяющей добавки, что позволило исключить контракционную усадку и снизить влажностную усадку цементного камня;

- предложена технология изготовления высокопрочных бетонов на гравии с повышенным содержанием пылевидных частиц посредством изменения очередности загрузки бетоносмесителя, произведена ее экспериментальная проверка;

- изучены свойства бетонов, полученных на материалах Судана по традиционной и по предложенной технологии;

- даны рекомендации по совершенствованию расчета прочности железобетонных элементов с учетом фактического напряженно деформированного состояния элементов при разрушении, фактических напряжений в арматуре растянутой и сжатой зон, влияния преднапряжения на свойства материалов;

- даны предложения по расчету прочности железобетонных элементов с высокопрочной ненапрягаемой арматурой, которые основаны на перераспределении усилий с бетона на арматуру в конце нисходящего участка диаграммы деформирования;

- предложен метод расчета прочности и трещиностойкости железобетонных стоек на основе дважды трансформированных диаграмм деформирования бетона в зависимости от градиента деформаций и влияния преднапряжения и фактических диаграмм деформирования высокопрочной стали;

- даны приближенные методы расчета прочности и трещиностойкости железобетонных конструкций с учетом зависимостей максимальных реализованных деформаций сжатия и растяжения бетона от основных факторов и фактических диаграмм деформирования высокопрочных сталей.

Достоверность разработанных рекомендаций и предложений по технологии изготовления и проектирования железобетонных конструкций из высокопрочных бетонов подтверждается результатами собственных экспериментов, а также обработкой опытных данных различных авторов.

Практическое значение и внедрение результатов работы Разработаны практические рекомендации по технологии изготовления высокопрочных бетонов на материалах Судана с использованием гравия с повышенным содержанием пылевидных частиц в качестве расширяющей добавки.

Даны рекомендации по рациональному проектированию железобетонных колонн с учетом трансформированных диаграмм деформирования бетона и влияния преднапряжения на свойства материалов.

Разработанные рекомендации приняты для использования фирмой REAL ESTATE DEVELOPMENT CO.LTD. и фирмой Danfodio for Engineering Works and Investment CO.LTD.

Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете – они включены в программу специального курса для студентов строительных специальностей.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 научных статьях.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно технических конференциях Ростовского государственного строительного университета в 2002-2006 гг.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основные выводов, списка литературы из 116 наименований и приложения. Они содержат 110 страниц машинописного текста, 28 таблиц и 29 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. В настоящее время в нормах развитых стран максимальный класс бетона составляет В80 (Франция, Япония, Швеция, Дания, Великобритания), В105 (Норвегия), В115 (Германия). В США максимальный класс бетона нормами не регламентируется. В России в соответствии с ГОСТ 26633 предусмотрен максимальный класс бетона В80, но нормативное обеспечение для проектирования конструкций в соответствии со СНиП предусмотрено только для бетона класса В 60.

Весьма перспективным направлением в технологии высокопрочных бетонов является применения расширяющихся (РЦ) и напрягающих цементов (НЦ), либо специальных расширяющих добавок (РД) к портландцементу, позволяющих практически полностью исключить негативное влияние химической усадки в ранний период формирования структуры и значительно снизить величину деформаций влажностной усадки. Кроме того, бетоны на указанных вяжущих обладают повышенной морозостойкостью, водонепроницаемостью, высокой интенсивностью твердения в ранний период, в т.ч. при пониженных температурах.

Стремление повысить прочностные характеристики применяемых в железобетоне материалов, а также сократить материалоемкость и вес конструкций неизбежно приводит к уменьшению сечений и повышению гибкости сжатых элементов. В связи с этим усовершенствование методов расчета элементов повышенной гибкости имеет весьма важное значение.

Анализ сырьевой базы Судана. В Судане производится бездобавочный портландцемент по стандарту BS12 активностью 42,5 МПа, что соответствует М500 в соответствии с российским стандартом ГОСТ 310.4.





Цемент имеет нормальную густоту 25 %, начало схватывания – 1 ч, конец схватывания – 2 ч 15 мин, предел прочности при сжатии в возрасте 3 с 24, МПа, т.е. по российским стандартам относится к категории быстротвердеющих (трехсуточная прочность составляет более 55 % марочной). Судан располагает значительными запасами гравия, который представляет собой окатанный кварцит (джеспелит – железистый кварцит).

Как свидетельствует мировая практика, возможно получение высокопрочных бетонов на гравии при введении в состав бетона суперпластификатора и микрокремнезема (silica fume SF). Помимо высокой прочности в марочном возрасте, бетоны на гравии характеризуются достаточно низким коэффициентом вариации прочности S / R от 3,4 % (Сиэтл) до 10,8 % (Германия).

Дробимость суданского гравия составляет Др 8, в связи с чем по этому показателю практически нет ограничений по его применению для высокопрочных бетонов с учетом мирового опыта. Но суданский гравий обладает высоким содержанием пылевидных частиц, что требует специальных исследований по оценке целесообразности его применения для высокопрочных бетонов.

Судан располагает значительными запасами кварцево полевошпатового песка, который по гранулометрическому составу и модулю крупности пригоден для приготовления тяжелых бетонов без каких-либо ограничений. Содержание ПГ в песке не превышает 0,8 %, что также свидетельствует о его пригодности для получения бетонов любых классов без ограничений. Вредные примеси и органические включения в песке практически отсутствуют.

Методика определения контракционной усадки цемента. Цементное тесто делится на две части. Одна из частей помещается в водонепроницаемый эластичный чехол из тонкой резины. Далее обе части цементного теста помещаются в коническую колбу с дезаэрированной водой, закрываются резиновыми пробками с установленными в них мерными трубками. Изменение объема системы фиксируется по изменению уровня жидкости в трубках.

Методика определения влажностной усадки цемента. Сущность методики состоит в измерении линейных деформаций образцов-балочек размером 40 х 40 х160 мм, изготовленных из цементного теста с величиной В/Ц, требуемой по плану эксперимента. Для измерения деформаций используется измерительная стойка с индикатором часового типа. Метод измерения регламентирован ГОСТом, ТУ.

Методика определения эффективности суперпластификаторов.

Изготавливаются образцы из цементного теста нормальной густоты с применением суперпластификатора и без него. Фиксируется снижение водопотребности цемента, предел прочности цементного камня в 28 суточном возрасте, усадочные деформации в возрасте 120 сут. Далее рассчитываются показатели:

Z = ((В / Ц )СУПЕР ) / (В / Ц 0 )1,3885, (1) численно равный возможному повышению предела прочности цементного камня за счет снижения В/Ц при введении суперпластификатора;

К = ( AC )СУПЕР / ( АС )0, (2) численно равный соотношению приведенного значения предела прочности цемента в присутствии суперпластификатора и без него. Приведенное значение предела прочности определяется по формуле АС = К / 0,48(В / Ц )1,3885, (3) где R – предел прочности цементного камня, МПа.

Показатель K косвенно характеризует гидратационную активность цемента в присутствии суперпластификатора.

Показатель C = Z K (4) численно равен повышению предела прочности бетонов, полученных из равноподвижных смесей с применением суперпластификатора.

Показатель ф о S = sh / sh, (5) ф sh – фактическое значение деформаций усадки цементного камня с где добавкой суперпластификатора, % или мм/м;

о sh – значение деформаций усадки цементного камня без суперпластификатора, приведенное к величине В/Ц цементного камня с суперпластификатором.

Приведение осуществляется по формуле sh = sh ( f (В / Ц )0 / f (В / Ц )НГ ), о НГ (6) где f (В / Ц ) = 1,98В / Ц + 0,18.

Показатель S позволяет выявить влияние суперпластификатора на величину деформаций усадки с учетом изменения В/Ц и численно равен отношению усадки цементного камня, полученного при постоянном значении В/Ц, с суперпластификатором и без суперпластификатора В экспериментальных исследованиях применялись цементы:

портландцемент Суданского производства;

портландцемент ПЦ 500 Д производства ОАО «Осколцемент»;

портландцемент ПЦ 500 Д производства ПО «Новоросцемент», завод «Пролетарий».

Использовались суперпластификаторы производства Германии:

Melment F10;

BW11;

BW14;

Isola;

Melment F15;

Melflux PP100 F;

Великобритании: Super Flow;

Швеции: Peramin;

России: С-3.

Дозировка суперпластификаторов в основном составляла 0,8 % от массы цемента. Для суперпластификаторов BW11 BW14 дозировка принята по рекомендации производителя.

В качестве мелкого и крупного заполнителя в экспериментальных исследованиях применялись суданский песок и гравий.

Выполнен анализ эффективности суперпластификаторов для Суданского цемента (табл. 1), который позволил сделать следующие выводы.

Таблица Показатели эффективности суперпластификаторов Суперплас ЦЕМЕНТ тификатор СтО ПЦ 500 Д0 Н ПЦ 500 Д20 BS CEM I 42,5 R Z K C Z K C Z K C 1 5 6 7 8 9 10 11 12 C–3 1,546 0,814 1,258 1,439 0,762 1,1 1,439 0,803 1, Isola 1,546 0,733 1,133 1,546 0,63 0,97 1,546 0,788 1, BW 11 1,345 0,855 1,15 1,345 1,302 0,822 1, BW 14 1,345 0,8 1,078 1,345 1,302 0,798 1, Melment 1,546 0,747 1,154 1,49 0,865 1,29 1,546 0,803 1, Super Flow 1,345 0,95 1,279 1,345 1,391 0,78 1, Peramin 1,546 0,768 1,188 1,345 0,705 0,95 1,439 0,841 1, 1. Поскольку минимальное значение критерия Z должно составлять для суперпластификатора 1,363, то очевидно, что этому требованию удовлетворяют все суперпластификаторы, за исключением BW11 и BW14.

Наибольший водоредуцирующий эффект проявляется при применении суперпластификаторов Isola ( z = 1,546 ) и Melment F10 ( z = 1,49 1,546 ).

2. Наименьшее отрицательное влияние на гидратацию суданского цемента (критерий К) оказывают суперпластификаторы Peramin, BW 11, Melment F 10 и C-3 (в порядке убывания предпочтительности).

3. Максимальное повышение прочности бетона в равноподвижных смесях обеспечивают суперпластификаторы Melment F 10, Isola, Peramin (в порядке убывания предпочтительности).

Исходя из вышеизложенного по критерию обеспечения прочности бетона из анализируемых суперпластификаторов для Суданского цемента наиболее подходит Melment F 10.

Суданский цемент отличается высокими значениями усадочных деформаций как в ранний, так и в более длительный период. При введении суперпластификатора Melment F 10 деформации усадки суданского цемента снижаются.

Одной из основных проблем применения суданского цемента для производства высокопрочных бетонов может являться его высокая влажностная усадка, поскольку высокопрочные бетоны характеризуются высокой концентрацией цементного камня в составе бетона и при высокой усадке последнего возможны значительные усадочные деформации бетона, что может привести к трещинообразованию и как следствие снижению жесткости сечений. Положительным фактом является то, что суперпластификатор Melment F 10 из всех цементов наименее негативно влияет на усадку суданского цемента. В связи с этим следует сделать вывод о целесообразности применения именно этого суперпластификатора для производства высокопрочных бетонов в условиях Судана.

Исследование свойств пылевидных частиц на крупном заполнителе и их влияния на усадку и прочность цементного камня Крупный заполнитель – железистый кварцит - покрыт пылевидными частицами характерного красноватого цвета. Количественный анализ содержания пылевидных частиц на гравии показал, что содержание пыли колеблется от 1,8 до 2,4 %, что при расходе гравия порядка 1200 кг/м3 бетона составляет 21,6 – 28,8 кг/м3 бетона. При расходе цемента порядка 500 кг/м бетона количество пылевидных частиц составит от 4,3 до 5,76 % от массы цемента.

Исследование влияние пыли крупного заполнителя на прочность цементного камня и усадку проведено посредством введения пыли в состав цемента в количестве 5, 10 и 15 % по массе. Образцы изготавливались из теста нормальной густоты. Твердение образцов осуществлялось в воде и на воздухе.

Образцы с добавкой пыли в воде показывают деформации расширения, превышающие по величине деформации набухания эталонного образца. При выдерживании на воздухе введение пыли в состав цемента приводит к снижению величины усадочных деформаций с 2,065 мм/м до 1,47 мм/м, т.е.

почти на 30 %.

Введение молотого железистого кварцита не оказывает практически никакого эффекта на деформации усадки.

Химический состав пылевидных частиц позволяет предположить возможность образования при взаимодействии с продуктами гидратации портландцемента так называемого «железистого эттрингита» – вещества, подобного эттрингиту, но с замещением оксида алюминия оксидом железа.

Исследованы конструкционные свойства бетона класса В50, изготовленного на материалах Судана. В качестве суперпластификатора использовался разжижитель производства Германии melment F 10 в количестве 0,8% от массы цемента.

Определены такие свойства бетона, как кубиковая и призменная прочность, начальный модуль упругости, деформация, соответствующая пределу кратковременной прочности, коэффициент упругости в вершине диаграммы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что бетон класса В 50 характеризуется основными показателями назначения, которые очень хорошо согласуются со среднестатистическими данными для бетонов указанного класса, ошибка не превышает 5%.

Способ получения высокопрочного бетона класса В 80. Перспектива получения высокопрочного бетона на материалах Судана связана с исключением вредного влияния пылевидных частиц, содержащихся на крупном заполнителе. В связи с этим более подробно изучено влияние количества пыли в составе цемента на прочностные и деформативные свойства цементного камня. Очевидно, что введение пыли в небольших количествах (до 5%) весьма благоприятно влияет на рост прочности цементного камня. В марочном возрасте отмечается повышение прочности на 28 %. Повышение содержания пыли в составе цемента приводит к снижению прочностных показателей и даже к падению прочности, что связано, вероятно, с более интенсивным развитием деформаций расширения и характерно в принципе для всех расширяющихся цементов. В связи с этим целесообразным количеством пыли в составе цемента следует считать ее содержание в пределах 5 %. Необходимо отметить, что такое количество пыли в принципе содержится на крупном заполнителе, который необходимо ввести в состав бетона при расходе цемента порядка 500 кг/м3. Перевести пыль с поверхности заполнителя, где она играет вредную роль, поскольку препятствует качественному сцеплению заполнителя с цементным камнем, в объем цементного камня достаточно просто – необходимо изменить порядок загрузки бетоносмесителя при приготовлении бетонной смеси, т.е.

фактически перенести процесс мойки крупного заполнителя в бетоносмеситель (табл. 2).

Таблица Порядок приготовления бетонной смеси № Традиционный способ Предлагаемый способ операции 1 Загрузка крупного заполнителя Загрузка крупного заполнителя 2 Загрузка мелкого заполнителя Дозировка воды – 70 % 3 Перемешивание Перемешивание 4 Загрузка цемента Загрузка мелкого заполнителя 5 Перемешивание Перемешивание 6 Дозировка воды с добавками Загрузка цемента 7 Перемешивание Перемешивание 8 Разгрузка Загрузка 30 % воды с добавками 9 Перемешивание 10 Разгрузка Необходимо отметить, что предлагаемый способ не является новым и его эффективность неоднократно подтверждена.

Исследования собственных деформаций цементного камня на ранней стадии твердения показали, что введение 5 % пыли от массы цемента принципиально изменяет характер собственных деформаций суданского цемента, а именно: приводит к полному отсутствию химической усадки, вызывая взамен достаточно стабильное расширение, что весьма благоприятно для формирования качественной структуры цементного камня высокопрочного бетона и предотвращает раннее трещинообразование.

Диаграмма деформирования высокопрочного бетона Анализ диаграммы " - " свидетельствует об упругой работе высокопрочного бетона вплоть до нормативного сопротивления, что выгодно отличает его от традиционного бетона класса В 50, применяемого в Судане для несущих конструкций. Основные параметры деформирования высокопрочного бетона класса В 80 представлены в табл. Таблица Основные показатели деформирования бетона класса В Показатель Фактическое Расчетное значение (% от фактического) значение Предел кубиковой прочности, МПа 108,0 Предел призменной прочности, МПа Rb = 0,54 R1, 87,5 88,9 (101,6) 0,05Rb + Начальный модуль упругости бетона, E0 = 1, ГПа 1+ 3,8 + Rb 68,73 56,83 (82,7) R = 0,058(Rb / E0 )0, Относительная деформация, соответствующая пределу кратковременной прочности, 105 265 207 (78,1) Коэффициент упругости в вершине диаграммы 0,48 0,615 (128,1) Параметр К в уравнении диаграммы ЕКБ-ФИП 2, Оценка влияния высокопрочной ненапрягаемой арматуры на диаграмму деформирования бетона была выполнена на основе результатов испытаний железобетонных стоек с высокопрочной арматурой на центральное сжатие в РГСУ. Для этого на каждом этапе нагружения напряжения в бетоне определялись по формуле:

N N si bi = i, (7) Ab где N si = As Es si - усилие, воспринимаемое арматурой;

N i - текущее значение продольного усилия;

Ab - площадь бетонного сечения (за вычетом площади арматуры).

Анализ опытных диаграмм « b b » показал, что в отличие от диаграмм деформирования бетона неармированных призм координата вершины при наличии высокопрочной арматуры смещена вправо и вверх. То есть присутствие высокопрочной арматуры повышает прочность и увеличивает деформацию, соответствующую предельным напряжениям.

Координаты вершины диаграммы « b b » предлагается определять по формулам:

Rb = Rb (1 + 0,15µ ), b = bR (1 + 0,075µ ).

* * (8) Несущая способность может быть определена следующим образом:

N = b Rb* b h + SC As, (9) b Значение коэффициента зависит от прочности бетона, коэффициента армирования и т.д.

Расчет внецентренно сжатых элементов может производиться по уравнениям статики, имеющим для элементов прямоугольной формы сечения следующий вид:

Nu e = b Rbbx(h0 0,5 x ) + RSC As (h0 a) ;

* (10) * b Rbbx + RSC As S AS N = 0. (11) Следует отметить, что с увеличением усилия, воспринимаемого арматурой в сжатой зоне элемента, с одной стороны, происходит более интенсивное перераспределение напряжений с бетона на арматуру, что ведет к увеличению предельных сжимающих напряжений в арматуре, а с другой реализация нисходящего участка диаграммы « b b » ведет к снижению напряжений в бетоне. По–видимому, несущая способность железобетонной стойки с повышением процента армирования высокопрочной ненапрягаемой сталью будет всегда возрастать, т.к. повышение усилия, воспринимаемого арматурой, больше, чем падение усилия, воспринимаемого бетоном. Вместе с тем при превышении процента армирования некоторого оптимального значения эффективность использования высокопрочной арматуры может снижаться.

Упрощенная методика расчета трещинообразования. Фиксируются предельные деформации крайнего растянутого волокна бетона bt,u и деформации крайнего сжатого волокна бетона, реализуемые к моменту появления трещин b, crc. Эпюра напряжений в бетоне в момент появления трещин: прямоугольник в растянутой зоне и треугольник в сжатой. При этом угол в вершине треугольной эпюры не задается. Уравнение равновесия выглядит следующим образом:

h N crc + bt Rbt b ( h xcrc ) + AS sp + b,crc o 1 E + xcrc (12) a b Rbt b xcrc + AS sp b,crc 1 Es = 0, xcrc b,crc где xcrc = h.

b,crc + bt,u Напряжения в бетоне крайне сжатого волокна b в момент появления трещин могут быть определены по деформации b,crc с помощью любой зависимости, связывающей напряжения и деформации бетона.

Предлагаемая методика отличается простотой и удобством, для расчета b,crc.

необходимо лишь располагать двумя значениями деформаций bt,u и Диаграмма деформирования бетона (особенно нисходящий участок) зависит от скорости деформирования. В связи с этим каждое волокно железобетонного элемента деформируется по своему закону « b b » в зависимости от градиента деформаций, т.е. расстояние этого волокна до нейтральной оси, значения его деформации, высоты сечения элемента.

Трансформация диаграммы осуществляется умножением сопротивления бетона R и соответствующего значения деформации R на коэффициенты K R и K. Значения этих коэффициентов могут быть получены путем сопоставления результатов расчета железобетонных элементов (без учета трансформации) с опытными данными. На основе анализа опытных данных, полученных в РГСУ, рекомендуются следующие формулы для определения коэффициентов K R и K :

R 0, (1,12 ) ;

K = 1,2 K R.

KR = (13) 5, Значение относительной высоты сжатой зоны получают из расчета с обычными (нетрасформированными) диаграммами деформирования бетона.

В преднапряженных конструкциях бетон еще до приложения внешней нагрузки испытывает воздействие предварительных сжимающих или растягивающих напряжений, которые изменяют вид диаграммы « b b ».

При неравномерном предварительном напряжении в каждом волокне бетона возникает свое напряженно-деформированное состояние, характеризуемое переменным по высоте сечения уровнем преднапряжения bi = bpi / Rb или bti = bpti / Rbt. Степень же изменения диаграммы « b b », вызванная предварительным напряжением бетона, существенно зависит от уровня b (bt ), т.е. в каждом волокне бетона железобетонного элемента диаграмма будет изменяться (трансформироваться) по–разному.

Необходимо корректировать параметры диаграммы деформирования бетона ( R и R ), умножая их на соответствующие коэффициенты ( R и ), полученные в РГСУ.

Таким образом, при расчете преднапряженных железобетонных элементов необходимо дважды трансформировать диаграммы « b b » в зависимости от влияния преднапряжения и градиента деформации.

Предлагается итерационная методика определения напряженно деформированного состояния элементов от действия усилий предварительного напряжения на основе дважды трансформированных диаграмм « b b ».

В качестве исходной принимается диаграмма деформирования бетона, рекомендованная ЕКБ-ФИП, которая в данном случае принимает вид:

Kb K K R R.

= (14) K R R R 1 + (Kb 2) K R В общем виде уравнения равновесия элемента по нормальным сечениям при воздействии усилий предварительного напряжения могут быть представлены следующими интегральными выражениями:

x02 y b ( x)dx02 b bt ( y )dy02 AS sp AS sp = 0 ;

b (15) x h + y02 x02 y b ( x)(h x02 + x02 )dx02 b bt ( y )( y02 y02dy02 AS sp (h a) AS sp a = 0.(16) b x02 h + y02 Вначале система уравнений (15) - (16) решается с учетом исходных (нетрансформированных) диаграмм деформирования бетона ( K R = 1;

K = 1 ;

R = 1;

= 1). Затем производится трансформация диаграммы деформирования бетона в зависимости от градиента деформаций (первая), новая зависимость « b b » справедлива для всех волокон. После этого вновь решается система уравнений (15) – (16). Решение системы уравнений позволяет получить эпюру напряжений в бетоне, на основании которой определяются уровни предварительного напряжения каждого волокна бетона - x 02i = bx 02i / Rb и y 02i = bty 02i / Rbt. После этого для каждого волокна бетона определяются коэффициенты Ri и i. Таким образом производится трансформация диаграммы деформирования бетона в зависимости от влияния предварительного напряжения (вторая). Новая связь « b b » различна для различных волокон бетона.

Затем вновь решается система уравнений (15) - (16), в результате чего уточняется эпюра напряжений в бетоне. Далее трансформируется диаграмма деформирования « b b » в зависимости от изменившегося градиента деформаций, решается система уравнений (15) - (16) и на основании новой эпюры напряжений производится трансформация диаграммы в зависимости от влияния предварительного напряжения. Процесс продолжается до достижения заданной точности.

Шагово-итерационный метод расчета прочности и трещиностойкости железобетонных стоек с учетом дважды трансформированных диаграмм « b b » и фактических диаграмм « S S ».

Перед началом расчета определяются параметры диаграмм деформирования высокопрочной арматуры и ее изменение в результате предварительного напряжения.

Задаемся начальным значением внешнего усилия N1, заведомо меньшим разрушающего. Каждое последующее значение усилия на новом этапе расчета определяется из выражения:

N k = N k 1 + N k. (17) Первая стадия работы элемента - без трещин в растянутой зоне.

Благодаря тому, что сечение остается сплошным, деформации крайних волокон бетона можно выразить друг через друга и через x ( y ) :

x x или b = bt b = bt. (18) hx y Предельным состоянием в первой стадии работы является состояние в момент трещинообразования, при котором деформации крайнего растянутого волокна bt = btu ( btu K btR ), а напряжения bt = btu ( btu K R R Rbt ).

M = M ( bt ) В момент трещинообразования функция достигает максимума при значении деформации bt = btu, что выражается следующим образом: dM d = 0.

bt Вторая стадия работы характеризуется наличием трещин. Деформация крайнего растянутого волокна над трещиной принимается равной K bt, т.е. реализуется нисходящая ветвь трансформирования диаграммы « bt bt ». Предельным состоянием второй стадии работы является состояние начала разрушения, при котором деформации крайнего сжатого волокна достигают величины b = bu ( bu K bR ), а напряжения соответственно b = bu ( bu K R R Rb ).

При разрушении функция M = M ( b ) достигает максимума при соответствующем значении деформации b = bu, т.е. dM d = 0.

bt В общем виде система уравнений статики записывается следующим образом:

y x b ( x)dx + b bt ( y )dy + AS S AS S = 0 ;

Nk b (19) x h y y x h N k eo + b b ( x ) (h x + x )dx + b bt ( y ) ( y y )dy + AS S a AS S (h a) = 0 (20) 2 x h y На первом этапе трансформация диаграмм не производится.

На каждом этапе нагружения определяются:

y bt ( y ) ydy y Pbt = b bt ( y )dy ;

M bt = Pbt ( ybt + x ) ;

ybt =. (21) y bt ( y )dy M bt bt достигает максимума ( dM bt / d bt = 0 ), Когда функция происходит образование трещин.

После этого производится трансформация диаграммы деформирования бетона в зависимости от градиента деформаций и влияния преднапряжений.

Расчет повторяется до достижения заданной сходимости, после чего задается новое значение усилия.

На каждом шаге расчета (при каждом N u ) проверяется условие совместности системы уравнений. Если уравнения несовместны (не имеют решения), то, значит, достигнуто предельное значение N k = N u без образования в элементе трещин.

Расчет элементов с трещинами в растянутой зоне начинается с определения внешнего усилия N k. Первое значение силы N принимается большим усилия трещинообразования.

Сперва определяется глубина развития трещин по формуле:

hcrc = y 1 btu. (22) bt В формуле (22) высота растянутой зоны и деформация крайнего волокна растянутой зоны bt принимаются по результатам расчета нормального сечения в предположении отсутствия трещин при воздействии силы N k.

После этого полученное значение hcrc вводится в систему уравнений статики, которая в этом случае примет вид:

y hcrc x b ( x)dx + b bt ( y )dy + AS S AS S = 0 ;

Nk b (23) x h y y hcrc x h N k eo + b b ( x ) (h x + x )dx + b ( y )( y y )dy + AS S a AS S (h a ) = 0. (24) bt 2 x h y В результате решения системы с исходными диаграммами « b (bt ) b (bt ) » ( K R = 1;

K = 1 ;

R = 1;

= 1) получим новые значения x, b, y, bt. Итерационный процесс заканчивается при выполнении условия сходимости:

hcrcj hcrc ( j 1). (25) hcrcj На каждой итерации проверяется условие совместности системы уравнений. Если система несовместна, т.е. решение системы уравнений отсутствует, элемент считается разрушившимся.

Приближенный метод расчета прочности нормальных сечений заключается в следующем.

Уравнения (22) и (23) решаются при значении деформации крайнего сжатого волокна b = bu. Зависимости, связывающие деформации волокон бетона по высоте сечения и арматуры с деформацией крайнего сжатого волокна, имеют вид:

x y y b = bu ;

bt = bu ;

bt = bu ;

S = bu ( x a).

(26) x x x x При первом расчете напряжения в арматуре принимаются равными S = S E + sp и S = S E sp. В результате решения системы (22) - (23) определяются значения N u и x. Затем проверяется условие неупругой работы арматуры: S el (или el - в преднапряженных конструкциях).

Если арматура работает в неупругой стадии, то к уравнениям (22) - (23) добавляется дополнительная формула.

После повторного решения системы уравнений определяются новые значения N u, x и проверяется условие bt btu.

Если условие не выполняется, т.е. элемент работает с трещинами в растянутой зоне, определяем высоту трещины по формуле (25).

Затем расчет повторяется по уравнениям (22) - (23) с измененными пределами интегрирования по высоте растянутой зоны от нуля до ( y hcrc ).

На первом этапе расчета диаграмма деформирования бетона принимается в исходном нетрасформированном виде. После получения окончательных на первом этапе значений N u и x, производится трансформация диаграммы « b b ».

После этого расчет повторяется с использованием трансформированных диаграмм деформирования бетона. Таким образом приближенный метод определения прочности в отличие от шагово итерационного требует всего 5-6 шагов расчета.

Определение трещиностойкости железобетонных элементов приближенным методом с учетом трансформированных диаграмм деформирования бетона производится аналогично описанному выше расчету прочности. В этом случае на первом этапе уравнения (22) и (23), в которых вместо N u записывается N crc, решается при значении деформации крайнего растянутого волокна bt = btu.

После проверки упругой работы арматуры проверяется условие b bu.

Если условие не выполняется, то, значит, в элементе вплоть до разрушения трещин не образуется.

При выполнении условия производится трансформация диаграммы « b b », после чего расчет повторяется до получения окончательных значений N crc и x.

Основные выводы 1. Выполнена оценка эффективности различных суперпластификаторов в сочетании с суданским цементом. По критериям водопонижающего эффекта, гидрационной активности цемента в присутствии суперпластификатора, влияния последнего на усадочные деформации рекомендован суперпластификатор melment F 10.

2. Экспериментально выявлена высокая влажностная усадка и склонность к раннему трещинообразованию вследствие контракционной усадки суданского цемента, что вызывает необходимость модифицирования цемента посредствам введения расширяющей добавки, в качестве которой могут быть использованы пылевые включения на поверхности гравия. При введении пыли в количестве 5 % от массы цемента наблюдается снижение влажности усадки цементного камня до 28 %, исключается контракционная усадка.

3. Предложена и экспериментально подтверждена технология изготовления высокопрочных бетонов на гравии с повышенным содержанием пылевидных частиц, отличающаяся изменением очередности загрузки бетоносмесителя для перевода пылевидных частиц с поверхности гравия в воду затворения.

4. Определены прочностные и деформативные свойства бетонов, полученных на материалах Судана, по традиционной (В 50) и предложенной (В80) технологии, экспериментально получены их диаграммы деформирования и дано аналитическое описание.

5. Даны предложения по усовершенствованию расчета прочности железобетонных элементов, позволяющие учитывать действительное напряженно-деформированное состояние элементов при разрушении, фактические напряжения в арматуре растянутой и сжатой зон, влияние преднапряжения на свойства материалов.

6. Установлено влияние высокопрочной ненапрягаемой арматуры на диаграмму деформирования бетона. Разработаны предложения по расчету прочности железобетонных элементов с высокопрочной ненапрягаемой арматурой, основанные на использовании перераспределения усилий с бетона на арматуру в конце нисходящего участка диаграммы деформирования.

7. Даны предложения по упрощенному определению усилий трещинообразования железобетонных стоек, жесткостей и кривизн на всех стадиях работы конструкции.

8. Предлагается трансформировать полные диаграммы деформирования бетона в зависимости от градиента деформаций и влияния преднапряжения, приведены способы трансформации с учетом указанных факторов.

9. Дан шагово-итерационный метод расчета прочности и трещиностойкости железобетонных стоек на основе дважды трансформированных диаграмм деформирования бетона и фактических диаграмм деформирования высокопрочной стали.

10. Даны приближенные методы определения прочности и трещиностойкости железобетонных стоек, учитывающие корреляционные зависимости максимальных реализованных деформаций сжатия и растяжения бетона от основных факторов и фактические диаграммы деформирования высокопрочных сталей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах 1. Несветаев Г.В., Мохамед Ахмед Хатим Халафалла. Оценка пригодности суданского цемента для высокопрочных бетонов //Материалы Международной научно-практической конференции "Строительство-2003". Ростов н/Д: РГСУ, 2003.-с3,авт- 2. Несветаев Г.В., Мохамед Ахмед Хатим Халафалла. Перспективы применения высокопрочных бетонов в Судане //Материалы Международной научно-практической конференции "Строительство-2003". - Ростов н/Д:

РГСУ, 2003.-с3,авт- 3. Мохамед Ахмед Хатим Халафалла. Конструкционные свойства бетона класса В50, изготовленного из материалов Судана// Железобетон, строительные материалы и технологии в третьем тысячелетии. - Ростов н/Д:

2003.-с 4. Маилян Д.Р., Мохамед Ахмед Хатим Халафалла. К расчету гибких железобетонных стоек из высокопрочного бетона //Материалы юбилейной Международной научно-практической конференции "Строительство-2004". Ростов н/Д: РГСУ, 2004.-с3,авт- 5. Мохамед Ахмед Хатим Халафалла. Учет депланации сечений при расчете железобетонных стоек из высокопрочного бетона //Материалы юбилейной Международной научно-практической конференции "Строительство-2004".- Ростов н/Д: РГСУ, 2004.-с 6. Мохамед Ахмед Хатим Халафалла, Маилян Д.Р. Метод определения прочности и трещиностойкости железобетонных колонн из высокопрочного бетона. Расчет и проектирование железобетонных конструкций, Ростов-на Дону, 2004.-с3,авт- 7. Несветаев Г.В., Мохамед Ахмед Хатим Халафалла. Высокопрочные бетоны на гравии с компенсированной усадкой// Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения, РААСН,.- Самара, 2004.-с4,авт- Подписано в печать 09.06.06. Формат 6084/16. Бумага песчая. Ризограф.

Уч. – изд. л. 1.4. Тираж 100 экз. заказ 566.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.