Живучесть железобетонных предварительно напряженных балочных конструкций в запредельных состояниях

на правах рукописи

Шувалов Константин Александрович

ЖИВУЧЕСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ БАЛОЧНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ В ЗАПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Орел - 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс».

Научный руководитель:	–	Клюева Наталия Витальевна доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:	– –	Смоляго Геннадий Алексеевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», профессор кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Парфенов Сергей Григорьевич
		кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия», заведующий кафедрой «Строительные конструкции»
Ведущая организация	–	ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «21» декабря 2012 г. в 1200 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.182.05, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, зал диссертационных советов, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК».

Автореферат разослан «20» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета А.И. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возросшее число аварий и высокая степень износа эксплуатируемых объектов капитального строительства в стране обозначили необходимость разработки новой концепции создания и эксплуатации строительных систем, коренным образом отличающейся от существующих и удовлетворяющей современным вызовам природного и техногенного характера. Развитие основ теории конструктивной безопасности и создание основ живучести зданий и сооружений, как одного из перспективных направлений по снижению числа аварийных ситуаций или ущерба при их возникновении, требует постановки и проведения новых экспериментально-теоретических исследований по этому направлению. Ряд исследований в таком направлении выполнен за последние годы РААСН, МГСУ, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, Госуниверситетом – УНПК (ОрелГТУ) и др. организациями. В их основе лежит идея использования фундаментальных положений метода предельных состояний, на базе которой сформулированы постановки задач о прогрессирующих (лавинообразных) разрушениях конструктивных систем вследствие внезапных структурных изменений в их элементах, и предложен термин живучесть строительных систем. В такой постановке начаты исследования по отдельным направлениям проблемы, и в настоящее время имеются предложения по решению лишь некоторых задач живучести конструктивных систем. Исследования, связанные с живучестью предварительно напряженных железобетонных статически неопределимых стержневых конструктивных систем, не проводились.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются предварительно напряженные железобетонные балочные конструкции, а предметом исследования – методы оценки силового сопротивления таких конструкций в запредельных состояниях.

Цель работы – развитие основ теории и практических методов расчета живучести предварительно напряженных железобетонных балочных систем в запредельных состояниях с учетом динамических догружений и сопутствующих им упрочнений материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Критический анализ современного состояния проблемы конструктивной безопасности и живучести железобетонных конструктивных систем эксплуатируемых зданий и сооружений.

• Разработка стенда и опытных образцов для испытания предварительно напряженных железобетонных неразрезных балок в запредельных состояниях.

• Проведение экспериментальных исследований для оценки прочности, деформативности, трещиностойкости и частот колебаний предварительно напряженных железобетонных трехпролетных статически неопределимых нагруженных балок при запроектных воздействиях.

• Разработка способа оценки прочности и деформативности железобетонных балочных конструкций с учетом динамических догружений и сопутствующих им динамических упрочнений материалов.

• Проведение оценки влияния предварительного напряжения и динамического упрочнения материалов на параметры живучести железобетонных балочных систем.

• Разработка рекомендаций по повышению живучести железобетонных балочных конструкций при внезапных запроектных воздействиях.

Научную новизну работы составляют:

• предложенные диаграммы статико-динамического деформирования сечений конструктивно нелинейных предварительно напряженных железобетонных статически неопределимых балочных конструктивных систем для оценки их силового сопротивления и деформативности при выключении одного из несущих элементов;

• результаты экспериментального определения частот колебаний и других параметров живучести неразрезных предварительно напряженных железобетонных балочных систем с внезапно выключающейся моментной связью;

• методика и алгоритм расчета параметров живучести железобетонных балочных конструктивных систем при внезапном выключении одного из несущих элементов, построенные на энергетической основе с использованием предложенных диаграмм статико-динамического деформирования;

• результаты анализа экспериментальных и численных исследований параметров живучести железобетонных балочных конструктивно нелинейных систем и рекомендации по повышению живучести железобетонных конструкций рассматриваемого типа при внезапных запроектных воздействиях.

Методы исследования. При проведении теоретических и экспериментальных исследований использовались методы дедукции, геометрического и физико-механического моделирования строительных конструкций, общие методы строительной механики и теории железобетона.

Автор защищает:

• результаты экспериментального определения частот колебаний и параметров живучести неразрезных предварительно напряженных железобетонных балочных систем с внезапно выключающейся моментной связью;

• расчетную модель оценки силового сопротивления нагруженных конструктивно нелинейных предварительно напряженных железобетонных статически неопределимых балочных конструкций при внезапном выключении одного из несущих элементов;

• алгоритм расчета и результаты численного анализа живучести железобетонных балочных систем при внезапных выключениях несущего элемента с учетом динамических догружений и сопутствующих им упрочнений материалов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов основывается на использовании базовых гипотез строительной механики и механики железобетона, а также подтверждается результатами выполненных автором экспериментальных исследований трехпролетных неразрезных предварительно напряженных железобетонных балочных конструктивных систем и сопоставлением полученных данных с результатами теоретических исследований живучести по предложенной методике.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Разработанный расчетный аппарат позволяет вести анализ деформирования и разрушения железобетонных балочных конструктивных систем в запредельных состояниях, вызванных внезапным выключением из работы одного из несущих элементов таких систем.

Реализация предложенных метода и алгоритма расчета при решении задач проектирования и реконструкции железобетонных балочных конструкций жилых, гражданских и производственных зданий позволяет вполне обоснованно принимать решения по их защите от прогрессирующих обрушений в запредельных состояниях.

Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для молодых кандидатов наук «Исследование живучести железобетонных пространственных конструктивных систем при запроектных воздействиях» (2010-2011 гг.), государственного задания (ГЗ) 7.402.2011 «Физические и расчетные модели сопротивления конструктивных систем из железобетона в запредельных состояниях», НИР «Исследование энерго-, ресурсоэффективных конструктивных систем с высоким уровнем конструктивной безопасности и живучести», «Исследования закономерностей неравновесных процессов и статико-динамического деформирования пространственных конструктивных систем и развитие на этой основе теории живучести энерго-, ресурсоэффективных зданий и сооружений» (Федеральная целевая программа: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»). Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ЮЗГУ» и ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК».

Апробация работы и публикации.

Результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на XV научно-методической конференции «Дефекты зданий и сооружений. Усиление строительных конструкций» (г. Санкт-Петербург, ВИТИ, 24 марта 2011 г.), международной научно-методической конференции «Железобетонные конструкции: исследования, проектирование, методика преподавания», посвященной 100-летию со дня рождения профессора, доктора технических наук Байкова Виталия Николаевича (г. Москва, МГСУ, 4-5 апреля 2012 г.). В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкций и материалы» Архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» (г. Орел, сентябрь 2012 г.).

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 6 работ в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Она изложена на 185 страницах, включающих 165 страниц основного текста, 42 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 154 наименований и 2 приложения (20 стр.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, приведены общая характеристика работы и основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе изложен критический анализ современного состояния проблемы конструктивной безопасности и живучести железобетонных конструктивных систем эксплуатируемых зданий и сооружений. Показано, что на сегодняшний день проектирование железобетонных конструкций подчиняется принципу минимизации расхода материалов, а их расчет основывается на методе предельных состояний. Однако этот метод не учитывает так называемые «запроектные» воздействия, число которых в современных условиях постоянно возрастает. Следовательно, необходима новая концепция расчета и проектирования объектов недвижимости, которая учитывала бы не только конструктивную безопасность зданий и сооружений - как характеристику неразрушимости в течение расчётного эксплуатационного периода, но и живучесть – как способность системы распределять нагрузку между остальными элементами в случае повреждения или ослабления одного из элементов.

Решение проблемы обеспечения конструктивной безопасности сооружений базируется на результатах исследований в области создания и развития современных деформационных моделей силового сопротивления железобетона. В числе наиболее известных из них можно отметить работы В.М. Бондаренко, С.В. Бондаренко, В.Н. Байкова, А.А. Гвоздева, Г.А. Гениева, А.Б. Голышева, А.И. Васильева, А.С. Залесова, А.В. Забегаева, Н.И. Карпенко, С.И. Меркулова, В.О. Алмазова, Вл.И. Колчунова, В.И. Мурашева, Б.С. Расторгуева, В.И. Римшина, Р.С. Санжаровского, Г.А. Смоляго, Т.И. Барановой, В.Д. Райзера и др. Благодаря этим и другим исследованиям в рамках рассматриваемой проблемы достаточно полно разработаны теория и методы расчета прочности и деформативности конструктивных элементов при различных силовых воздействиях. Показано, что идея использования базовых положений метода предельных состояний представляется одним из наиболее реальных и перспективных направлений в решении не только задач конструктивной безопасности, но и живучести сооружений. Более того, в работах А.В. Александрова, В.В. Болотина, В.М. Бондаренко, Г.А. Гениева, В.А. Гордона, Э.Н. Кодыша, Н.И. Карпенко, Н.В. Клюевой, В.И. Колчунова, И.Е. Милейковского, Е.А. Ларионова, А.В. Перельмутера, В.И. Травуша, А.Г. Тамразяна, К.П. Пятикрестовского, В.П. Чиркова, В.С. Федорова и др. предложены основные направления таких исследований, и решены отдельные задачи живучести физически и конструктивно нелинейных строительных систем.

В обзорах научных работ в рассматриваемой области, выполненных В.М. Бондаренко, Н.И. Карпенко, В.И. Колчуновым, Н.В. Клюевой и др., отмечено, что создание основ теории и нормирование запроектных воздействий требуют накопления результатов обследований эксплуатируемых сооружений, а главное – результатов целенаправленно поставленных экспериментальных исследований. В настоящее время известны лишь отдельные работы опытного характера по решению задач живучести сооружений, среди них публикации Г.А. Гениева, А.С. Бухтияровой, О.А. Ветровой, А.И. Демьянова, Н.В. Клюевой, В.И. Колчунова, Т.М. Пецольда, Н.О. Прасолова, А.В. Тура, Б.С. Расторгуева, А.И. Плотникова, К.П. Пятикрестовского.

Дальнейшее развитие исследований этого направления связано с изучением особенностей деформирования и разрушения предварительно напряженных железобетонных конструкций конструктивных систем, режимов статического и динамического нагружения. В этой связи представляют интерес многочисленные отечественные и зарубежные труды, посвященные исследованию динамических свойств арматурной стали, бетона и железобетона. Среди работ в этом направлении применительно к арматурной стали можно назвать труды И.К. Белоброва, А.А. Гвоздева, Н.Н. Давиденкова, А.А. Ильюшина, Дж. Кемпбелла, В.А. Котляревского, Н.Н. Попова, Л. Прандтля, Ю.Н. Работнова, Б.С. Расторгуева и др., к бетону и железобетону - А.Л. Амбарцумяна, Ю.М. Баженова, И.К. Белоброва, Г.В. Беченевой, А.А. Гвоздева, Г.А. Гениева, О.Г. Кумпяка, В.С. Плевкова, В.С. Удальцова, В.И. Щербиной.

На основе проведенного обзора и анализа научных публикаций по рассматриваемой проблеме сформулированы цель и задачи настоящих исследований.

Вторая глава диссертации посвящена развитию отдельных положений теории живучести железобетонных конструктивно нелинейных систем с предварительно напряженными элементами с учетом динамических догружений и сопутствующих им динамических упрочнений материалов. Оценка динамических эффектов в таких конструктивных системах при хрупком разрушении элемента k, например, при исчерпании прочности связи, вызывающем затухающие во времени колебания оставшихся неразрушенными стержней, в том числе и рассматриваемого i-го элемента (от точки а до точки с на рис. 1), производится на энергетической основе, не прибегая к составлению и решению дифференциальных уравнений динамики стержневых систем. Условие постоянства полной удельной энергии элемента приводит при этом к следующему аналитическому выражению для искомых значений :

, (1)

где значения уровней потенциальной энергии и относительно точки статического равновесия b определяются из уравнений:

Рис. 1. К оценке динамических эффектов в элементах внезапно повреждаемых конструктивных систем на энергетической основе

, (2)

. (3)

Значения статических усилий и деформаций в элементах конструктивной системы , определяются статическим расчетом исходной и системы с выключенным из работы элементом.

В общем случае диаграмма состояния сечения «» предварительно напряженного изгибаемого железобетонного элемента строится при его кратковременном нагружении и может быть описана некоторой кривой, представленной на рис. 1. Зависимость (1) означает равенство площади криволинейной трапеции АасС площади прямоугольника AedС, общим участком для которых является площадь фигуры AabdC. Таким образом, действительное значение кривизны на первой полуволне колебаний, вызванных динамическим догружением от внезапного уменьшения степени статической неопределимости на единицу, соответствует равенству площади заштрихованных криволинейных треугольников aeb и bdc.

Для учета динамического упрочнения материалов при статическом нагружении системы и дальнейшем динамическом догружении и росте усилий с высокой интенсивностью при мгновенном изменении расчетной схемы построена расчетная модель статико-динамического деформирования бетона и арматурной стали.

За основу принята аналитическая модель Г.А. Гениева, описывающая деформирование бетона и арматурной стали при действии кратковременных динамических нагрузок и предназначенная для определения динамических пределов прочности. Она состоит из параллельно соединенных элементов А и Б, первый из которых характеризуется диаграммой работы, построенной по результатам стандартных (не кратковременных) испытаний, второй – представляет собой чисто вязкий (ньютоновский) элемент.

Опираясь на известные опытные данные об относительном развитии деформаций бетона при различных режимах нагружения, для решения рассматриваемой задачи приняты следующие рабочие гипотезы:

- диаграммы деформирования материалов при статическом и динамическом нагружении аффинноподобны, т.е. диаграмма деформирования бетона в относительных единицах не изменяется в зависимости от скорости нагружения, а меняется лишь значение предела прочности материалов для различных диаграмм;

- скорость нагружения при динамическом воздействии постоянна.

Согласно принятой модели связи между напряжениями (при статическом нагружении) и (при динамическом нагружении) и деформациями бетона имеет вид: