Розробка основ прикладної деформаційної теорії залізобетону стрижневих систем, яка базується на реальних діаграмах механічного стану бетону і арматури та деформаційному методі при різних видах навантажень, та впровадження її в практику проектування.
Аннотация к работе
Обсяг використання залізобетону в світі весь час зростає, і сьогодні за різними оцінкам використання бетону і залізобетону сягає від 2-х до 3-х мільярдів кубічних метрів щорічно, що оцінюється в 200-300 мільярдів доларів США. Дослідження проводились у рамках Загальносоюзної галузевої комплексної науково-технічної програми 0.55.16.031, № проблеми 0.55.16.031, завдання 01.01: тема № НГ-23: “Провести дослідження бетонів на найбільш поширених видах нових заповнювачів, визначити характеристики для розрахунку конструкцій та розробити пропозиції для проектування”, 1981 р. 81048530); № проблеми 0.55.16.031, завдання 01.01.СПВ4, 02.01.СПВ4, тема № НП-38: “Дослідити несучу здатність залізобетонних стрижневих систем з урахуванням реальної діаграми “s-e“ бетону з урахуванням піддатливості основи” 1984 р. Метою роботи є розробка основ прикладної деформаційної теорії залізобетону стрижневих систем, яка базується на реальних діаграмах механічного стану бетону і арматури та деформаційному методі при різних видах навантажень, та впровадження її в практику проектування. · розробити пропозиції щодо врахування попереднього напруження арматури при визначенні напружено-деформованого стану залізобетонних елементів при звичайному та змішаному армуванні;У другому розділі наведено обгрунтування програми експериментальних досліджень діаграми “s-e” бетону при одноразовому центральному деформуванні. Аналіз результатів, відомих з літератури та наших дослідів, дозволив отримати рівняння огинної кривої міцності бетону: Аналогічне рівняння огинної кривої отримано і для деформацій : Графічне представлення рівняння (3) наведене на рис. Аналіз отриманих результатів досліджень дозволив запропонувати рівняння для врахування впливу поздовжнього градієнта напружень на діаграму стиску бетону: Для накопичення дослідних даних про характер деформування бетону і залізобетону при небагаторазово повторних навантаженнях високого рівня, на основі яких можна було б розробити досить надійну методику оцінення напружено-деформованого стану залізобетонних елементів на всіх стадіях навантаження, виконані комплексні експериментальні дослідження. Аналіз результатів випробувань показав, що огинна діаграма "sb-eb ", тобто крива, проведена через точки, які відповідають верхньому рівню навантаження на кожному циклі, діаграми стиску бетону при повторних навантаженнях близька до діаграми, отриманої при однократному навантаженні. Отримані дані з урахуванням результатів дослідів інших дослідників дозволили розробити пропозиції щодо врахування трансформації параметрів діаграми деформування бетону залежно від терміну та рівня тривалого навантаження та від короткочасних їх значень за формулами (9)-(13): Для визначення нахилу висхідної гілки діаграми деформування при тривалій дії навантаження на початковій ділянці (E(t)=tgq(t)) було використано розрахунковий апарат модифікованої теорії повзучості бетону.Виконання сформульованої автором комплексної програми експериментально-теоретичних 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. 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. Запропонована методика визначення коефіцієнтів полінома пятого ступеня для апроксимації діаграми стиску бетону при однократному центральному деформуванні досить точно відображає закономірності впливу різних факторів на параметри згаданої діаграми. 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. Аналіз експериментальних діаграм деформування бетону, в тому числі і з допомогою енергетичного методу, дозволяє стверджувати, що діаграма “sb-eb” бетону є енергетичною характеристикою матеріалу, а її параметри, у рамках прийнятих допущень, - його константами.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
Виконання сформульованої автором комплексної програми експериментально-теоретичних 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 пятого 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 пятого 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 “sb-eb” бетону є енергетичною характеристикою матеріалу, а її параметри, у рамках прийнятих допущень, - його константами.
7. Експериментально встановлено, що діаграма “sb-eb” 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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 обємі, і врешті-решт руйнується певний обєм.
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 пятикратного 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.
14. 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%.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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”.
19. 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%.
Список литературы
Всього по темі дисертації опубліковано більш ніж 70 робіт, основними з яких наступні.
Монографії
1. Голишев О.Б., Бамбура А.М. Курс лекцій з основ розрахунку будівельних конструкцій і з опору залізобетону - К.: Логос, 2004. - 339 с.
Особистий внесок: Підготовка матеріалів та написання таких розділів: - Частина I, розділи 3, 4, 5;
- Частина II, розділи 2.1, 3.1, 3.2 та 4.1.
Статті в наукових виданнях
2. Бамбура А.Н. Диаграмма “напряжения-деформации” для бетона при центральном сжатии // Вопр. прочности, деформативности и трещиностойкости железобетона: Сб. науч. тр. - Ростов-на-Дону: РИСИ, 1980. - С. 19-22.
3. Бамбура А.Н. К расчету железобетонных статически неопределимых стержневых систем с учетом реальных диаграмм деформирования бетона // Матер. XXIII междунар. конф. "Волго-Балт-91". - М., 1991. - С. 234-235.
4. Бамбура А.Н. К совершенствованию методов расчета железобетонных конструкций // Матер. междунар. науч.-техн. конф. “Новые методы расчета, материалы и технология в строительстве”. - Алчевск, 1993. - С. 27-31.
5. Бамбура А.М. Про критерії руйнування залізобетонного перерізу // Матер. міжнар. наук.-техн. конф. “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”. - Рівне, 1996. - С. 84.
6. Bambura A. About Failure Criterion of Eccentrically Compressed and Flexural and Members in Elastoplastic Material // Fifth International Conference on Computation Plasticity Fundamentals and Applications. - Barcelona, 1997. - Vol. I - P. 357-360.
7. Бамбура А.М. Критерії руйнування елементів позацентрово-стиснених та згинних елементів з пружно-пластичного матеріалу з обмеженою деформативністю // Будівельні конструкції: Зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2000. - Вип. 52. - С. 37-44.
8. Bambura A. CONSTRUCTION PROBLEMS OF THE “SHELTER” OBJECT ERECTED IN 1986 OVER THE DESTROYED UNIT 4 OF THE CHERNOBYL NUCLEAR POWER PLANT // Materially 2nd International Conference on the Behavior of Damaged Structures “DAMSTRUC - 2000”. - Rio de Janeiro, 1-3 June 2000. - P. 116-130.
9. Бамбура А.Н. К оценке прочности железобетонных конструкций на основе деформационного подхода и реальных диаграмм деформирования бетона и арматуры // Матер. 1-й Всерос. конф. по пробл. бетона и железобетона "Бетон на рубеже третьего тысячелетия". - М., 9-14 сентября 2001. - Том 2. - С. 750-757.
10. Бамбура А.М. До аналітичного описання діаграми механічного стану бетону при одноразовому короткочасному деформуванні // Будівельні конструкції: Зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2002 - Вип. 57. - С. 31-34.
11. Бамбура А.М. Про втрату стійкості позацентрово стиснутих елементів з пружно-пластичного матеріалу // Механіка і фізика руйнування буд. матер. та конструкцій: Зб. наук. праць. - Львів: Каменяр, 2002. - Вип. 5. - С. 213-218.
12. Бамбура А.М. Аналітичне описання діаграми механічного стану арматури для залізобетонних конструкцій // Будівельні конструкції: Зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2003. - Вип. 59. - С. 131 - 136.
13. Бамбура А.М. До врахування попереднього напруження арматури при оцінці напружено-деформованого стану залізобетонних елементів за деформаційним методом // Будівельні конструкції: Зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2005. - Вип. 62. - С. 30-35.
14. Бамбура А.Н. Влияние режима нагружения на прочностные и деформативные характеристики трехкомпонентного бетона/А.Н. Бамбура, Н.В. Журавлева // Строительные конструкции: Сб. тр. - К.: Будівельник, 1983. - Вып. 36.- С. 90-93.
Особистий внесок: розроблення програми та методики досліджень, аналіз результатів, висновки.
15. Бачинский В.Я. Связь между напряжениями и деформациями бетона при неоднородном кратковременном сжатии/ В.Я. Бачинский, А.Н. Бамбура, С.С. Ватагин // Бетон и железобетон. - 1984. - № 10. - С. 18-19.
Особистий внесок: розроблення методики досліджень, аналіз результатів, висновки.
16. Бачинский В.Я. О построении диаграммы состояния бетона по результатам испытаний железобетонных балок/ В.Я. Бачинский, А.Н. Бамбура, С.С. Ватагин// Строительные конструкции: Сб. тр. - К.: Будівельник, 1985. - Вып. 38. - С. 43-46.
Особистий внесок: розроблення програми та методики досліджень, аналіз результатів.
17. Методические рекомендации по определению параметров диаграммы “ “ бетона при кратковременном сжатии / В.Я. Бачинский, А.Н. Бамбура и др. - К.: НИИСК, 1985. - 16 с.
Особистий внесок: розроблення та написання розділів 1, 2, 3.
18. Бамбура А.Н. Исследования влияния технологических факторов на параметры диаграммы “напряжения - деформации” керамзитобетона/ А.Н. Бамбура, Т.Ю. Раджабов// Тр. Киргиз. автомоб.-дор. конструкт.-технологич. ин-та. - Фрунзе, 1986. - Вып. 3. - С. 22-27.
Особистий внесок: розроблення програми та методики досліджень, аналіз результатів, висновки.
19. Бамбура А.Н. Исследования связи “напряжения - деформации” тяжелого бетона при центральном кратковременном сжатии/ А.Н. Бамбура, Н.В. Журавлева// Строительные конструкции: Сб. тр. - К.: Будівельник, 1987. - Вып. 40. - С. 99-103.
Особистий внесок: розроблення обладнання, програми та методики досліджень, керівництво та участь в експериментах, аналіз результатів, висновки.
20. Методические рекомендации по уточненному расчету железобетонных элементов с учетом полной диаграммы сжатия бетона / А.Н. Бамбура, В.Я. Бачинский и др. - К.: НИИСК Госстроя СССР, 1987 - 25 с.
Особистий внесок: розроблення та написання розділів 1, 2, 3, отримання формул розділу 5 та розробка алгоритму для розрахунків.
21. Бамбура А.Н. Использование полной диаграммы сжатия бетона для определения напряженно-деформированного состояния сборно-монолитного элемента / А.Н. Бамбура, В.Я. Бачинский, А.Е. Жданов // Строит. конструкции, здания и сооружения: Сб. тр. - Белгород: изд. БТИСМ им. Гришманова, 1988. - С. 47-50.
Особистий внесок: діаграма деформування, отримання розрахункових залежностей, аналіз результатів, висновки.
Особистий внесок: розроблення обладнання, програми та методики досліджень, аналіз результатів, висновки.
25. Бамбура А.Н. Несущая способность изгибаемых железобетонных элементов при немногократно повторных нагрузках высокого уровня / А.Н. Бамбура, А.В. Войцеховский, Т.Н. Подобенко // Problemy naukowo-badawcze budownictwa: XL. Konf. KILIW PAN i RN PZITB. - Krynica. - 1994. - P. 11-16.
Особистий внесок: діаграма деформування, отримання розрахункових залежностей, аналіз результатів, висновки.
26. Бамбура А.Н. Оценка прочности железобетонных конструкций зданий и сооружений на основе реальных диаграмм деформирования бетона и арматуры / А.Н. Бамбура, М.С. Безбожная // Materialele Conferintei Nationale, A 11-а editie a schimbului de experienta. COMPORTAREA IN SITU A CONSTRUC-TIILOR. -Bucuresti. - Brashov, 26-28 septembrie 1996. - S. 35-43.
Особистий внесок: отримання розрахункових залежностей, аналіз результатів, висновки.
27. Бамбура А.М. Результати експериментальних досліджень впливу малоциклового тривалого навантаження високого рівня на роботу залізобетонних балок / А.М. Бамбура, О.В. Войцехівський, О.Б. Гурківський // Повзучість в конструкціях: Зб. праць. - Одеса. - 1998. - С. 16-20.
Особистий внесок: отримання розрахункових залежностей, аналіз результатів, висновки.
28. Бамбура А.Н. Особенности построения расчетных моделей сложных строительных систем со значительными дефектами / А.Н. Бамбура, И.Р. Сазонова // Міжвідомчий наук.-техн. зб. “Будівельні конструкції”: Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження. - К., 8-9 грудня 1999. - Вип. 51. - С. 151-156.
Особистий внесок: розроблення програми та методики досліджень, отримання розрахункових залежностей, аналіз результатів, висновки.
29. Бамбура А.Н. Особенности конструктивных решений и расчета несущих элементов здания вокзала ст. Киев-Пассажирский / А.Н. Бамбура, И.Р. Сазонова, Ю.Г. Аметов// Міжвідомчий наук.-техн. зб. “Будівельні конструкції”: Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми.- К., 2001.- Вип.. 54. - С. 106-111.
Особистий внесок: розроблення програми та методики досліджень, аналіз результатів, висновки.
30. Бамбура А.Н. К оценке несущей способности изгибаемых сталежелезобетонных элементов на основе деформационного метода и реальных диаграмм деформирования материалов / А.Н. Бамбура, Ю.Г. Аметов // Сталезаліз-обетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. ст. - Кривий Ріг: КТУ, 1994. - Вип. 6. - С. 71-76.
Особистий внесок: отримання розрахункових залежностей, аналіз результатів, висновки.
31. Bambura Andriy To assessment of bearing capacity and deformability of the reinforced concrete structures on the basis of material deformation real diagrams and deformation approach / Andriy Bambura, Oleksandr Gurkivskiy, Marianna Bezbozhna // fip Symposium “Keep Concrete Attractive”, Budapest 2005. - P. 742-747.
32. Bambura Andrey. Deformation method of reinforced concrete structures design based on experimental investigations of impact of biaxial stress state and stress gradient on the concrete "stress-strain" diagram parameters / Andrey Bambura, Petr Kozeletskyy, Aleksandr Davidenko // 5th international conference AMCM 2005.”ANALYTICAL MODELS AND NEW CONCEPTS IN CONCRETE AND MASONRY STRUCTURES” - Gliwice-Ustron, 12-14 June 2005. - P. 15-16.
33. Бамбура А.М. Експериментальні дослідження впливу на діаграму “ “ бетону небагаторазово повторних навантажень високого рівня / А.М. Бамбура, Т.М. Подобенко // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. - Рівне: НУВГП, 2005. - вип. 12. - С. 100-108.