Ющук, О. В. та Yushchuk, O. V. (2021) НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ, ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ І ДЕФОРМАТИВНІСТЬ НЕРОЗРІЗНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОК ЗА ДІЇ МАЛОЦИКЛОВИХ ПОВТОРНИХ І ЗНАКОЗМІННИХ НАВАНТАЖЕНЬ. [Автореферати, дисертації] (Неопублікований)

Text Диертація у Ющук. zax.pdf Download(8MB)

Анотація

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 «Будівельні конструкції, будівлі та споруди» (192 – будівництво та цивільна інженерія) Національний університет водного господарства та природокористування. Рівне 2021. У вступі викладено актуальність теми, мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичне значення роботи особистий внесок здобувача. В розділі 1 виконано аналіз досліджень з даної тематики, виконаних як в нашій країні так і закордоном. Описано умови за яких нерозрізні залізобетонні балки зазнають дії знакозмінного навантаження. Найчастіше знакозмінні навантаження зустрічаються у багатопролітних конструкціях мостів, естакад, силосних ємностей внаслідок того, що останні випробовують специфічні види навантаження та тимчасового перевантаження окремих перерізів конструкцій. В залізобетонних конструкціях по мірі росту навантаження проходить ряд суттєвих змін в порівнянні з початковим станом. До певної межі конструкції із залізобетону працюють без тріщин. При досягнені певного рівня навантаження в бетоні починають виникати пластичні деформації (лінійні), а в розтягнутій зоні виникають і розвиваються тріщини. А при дії знакозмінного навантаження тріщини через виникнення з обох боків перерізу перерізують весь переріз балки внаслідок чого ділять її на окремі блоки, що значно змінює жорсткісні згинальні характеристики балки. Внаслідок зміни жорсткості змінюється деформативність і несуча здатність балок. Тому, для точного розрахунку конструкцій, що працюють за дії знакозмінних навантажень необхідно мати повну інформацію про напружено-деформований стан залізобетонних конструкцій, що сприймають дані навантаження. В розділі 2 подано програму та методику експериментальних досліджень. Під час проведення експериментів було випробувано 20 кубів на центральний стиск, 21 призма на центральний стиск і розтяг за короткочасного навантаження, 9 залізобетонних балок (як згинальні елементи). Загальна кількість випробуваних бетонних та залізобетонних зразків склала 50 штук. Для проведення дослідів було виготовлено три серії монолітних нерозрізних залізобетонних балок. В кожній серії виготовляли по три балки. Балки по серіях відрізнялись режимами завантажень при випробуванні. Довжина балок складала 300 см, а поперечний переріз прийнято 100×160 мм. Армування балок виконувалось симетричними каркасами, щоб у них була можливість перерозподілу зусиль під час завантаження і сприйняття навантажень при зміні знака. Для балок використовувалась робоча арматура класу А400С 2Ø12 мм. Для поперечного армування застосовувався арматурний дріт класу В500 Ø6 мм з кроком 20 см в пролітних ділянках балки. На приопорних ділянках крок поперечної арматури зменшувався до 10 см шляхом встановлення додаткових стержнів. Поздовжні й поперечні стержні об’єднувалися в просторовий каркас. Спочатку зварювались плоскі каркаси із 2-х повздовжніх стержнів робочої арматури ∅12 А400С і поперечних стержнів В500 Ø6 мм, а потім 2 плоскі каркаси зварювались у просторовий каркас за допомогою стержнів В500 Ø6 мм. Балки випробовували як двопрольотні з навантаженням чотирма зосередженими силами, які прикладалися на відстані 60 і 100 см від центру нерухомої опори. Навантаження балок БОС-1, БОС-2 та БОС-3 здійснювали одноразово короткочасно до руйнування. Зосереджені сили прикладали ступенями, які були рівними (0,08 … 0,10) u F , де u F – передбачуване руйнівне навантаження, яке визначалося за розрахунком. Балки БМЦП-1, БМЦП-2 і БМЦП-3 піддавались повторним короткочасним навантаженням, рівень яких складав 60 % від руйнівного (η cyc = cyc u F / F , де cyc η – відносний рівень повторного навантаження; cyc F – навантаження в циклах; u F – руйнівне навантаження, яке визначалося шляхом випробовування балок БОС-1, БОС-2, БОС-3). Балки БМЦЗН-1, БМЦЗН-2 і БМЦЗН-3 піддавались знакозмінним повторним короткочасним навантаженням, рівень яких складав 60 % від руйнівного (η cyc = cyc k F / F , де cyc η – відносний рівень повторного навантаження; cyc F – навантаження в циклах; k F – руйнівне навантаження, яке визначалося шляхом випробовування балок БОС-1, БОС-2, БОС-3). Рівень відносного навантаження був вибраний таким, щоб як найближче імітував дію навантаження в процесі реальної експлуатації балок (експлуатаційне навантаження). Навантаження й розвантаження в циклах здійснювали ступенями, величина яких приймалась такими ж, як і при одноразовому навантаженні. На балки БМЦП-1, БМЦП-2, БМЦП-3, БМЦЗН-1, БМЦЗН-2, БМЦЗН-3 навантаження повторювалось десять циклів, а на одинадцятому напівциклі вони були доведені до руйнування. Деформації арматури вимірювали за допомогою тензометрів Гугенбергера на базі 20 мм з ціною поділок 0,001 мм та тензорезисторів на базі 20мм. Фіксування показників тензорезисторів здійснювалося за допомогою багатоканальної вимірювальної тензометричної системи для статичних випробувань ВНП-8. Деформації бетону вимірювали за допомогою індикаторів годинникового типу МИГ-2 з ціною поділок 0,001 мм на базі 200 мм. Деформації бетону по висоті перерізів балок вимірювали ланцюжками тензорезисторів, які мали базу 50 мм. Прогини балок вимірювались під силами та на відстані 40 см від крайніх опор, за допомогою прогиномірів 6ПАО ЛИСИ з ціною поділок 0,01 мм. За появою тріщин в процесі випробування балок спостерігали візуально та за допомогою мікроскопу МПБ-3 з ціною поділки 0,002мм. В процесі проведення експерименту іксували показники вимірювальних приладів до прикладання навантаження, на кожному ступені навантаження, а також здійснювали огляд зовнішніх поверхонь балок, спостерігаючи виникнення та розвиток тріщин. З метою покращення візуального спостереження за виникненням та розвитком тріщин на бокові поверхні балок наносився вапняний розчин. Утворення тріщин фіксувалось візуально, ширина розкриття тріщин визначалась за допомогою мікроскопу МПБ-3. На кожному ступені навантаження позначали розвиток існуючих і виникнення нових тріщин. Ширина розкриття тріщини замірялась на рівні розтягнутої арматури. Закриття тріщин при розвантаженні фіксувалось за тією ж методикою, що і при навантаженні. В розділі 3 наведено результати міцності, деформативності і тріщиностійкості залізобетонних балок. Аналіз отриманих результатів експериментальних випробувань показав, що несуча здатність залізобетонних балок, що сприймають малоциклові повторні і знакозмінні навантаження зменшується в порівнянні з балками, які завантажуються статичним навантаженням до руйнування. Проте помічена наступна особливість роботи балок, що за дії повторних навантажень за рівня навантажень = 0,6 cyc η відбувається стабілізація процесів тріщиноутворення і прогинів, а за дії знакозмінних навантажень, відбувається постійне збільшення показників деформативності, аж до руйнування. Це пояснюється утворенням магістральних тріщин, які перерізують весь переріз і змінюють згинальні жорсткісні характеристики нормального перерізу. Схема утворення тріщин за дії малоциклового знакозмінного навантаження значно відрізняється від схеми розкриття тріщин за однозначного статичного навантаження. Це в значній мірі впливає на надійність нерозрізних залізобетонних балок в процесі експлуатації. При роботі нерозрізних залізобетонних балок за дії малоциклового повторного навантаження спостерігається розвиток тріщин до 4-5 циклу завантаження, після чого спостерігається стабілізація ширини розкриття тріщин. При роботі нерозрізних залізобетонних балок за дії знакозмінного навантаження спостерігається значний розвиток ширини розкриття нормальних тріщин на 1-2 циклах. Після 3-го до 5-го циклів відбувається плавне зростання значень ширини розкриття тріщин. При знакозмінних завантаженнях після 5-го циклу нормальні тріщини практично розділили переріз балки на окремі блоки, тобто злилися з розтягнутої до стиснутої зон перерізу. Після чого спостерігається подальший розвиток ширини розкриття тріщин на 7-10 циклах внаслідок деструктивних змін бетону через наскрізне перерізання перерізу балки нормальними тріщинами. При завантаженні балки на 7-му циклі з’являлись похилі тріщини. Перерозподіл зусиль в балках БОС-1, 2, 3 підтверджується роботою бетону і арматури. Так, величини деформацій опорної і прольотної арматури на перших ступенях навантаження змінювались практично пропорційно значенням прикладеного рівня навантаження. При цьому величини деформацій опорної арматури перевищували значення деформацій прольотної, відповідно до величини моментів, які сприймають опорні та прольотні перерізи. Відповідно до зміни величин згинальних моментів у балках БМЦП змінювались і значення деформацій арматури і бетону. Величини деформацій опорної та прольотної арматури змінювались на першому циклі практично пропорційно до навантаження. На наступних циклах, аж до руйнування, спостерігались такі ж тенденції, тобто матеріали працювали практично пружно, що підтверджується також майже повною відсутністю залишкових деформацій при розвантаженні. Іншими словами, відбулася стабілізація значень деформацій. На останніх ступенях 11 півциклу навантаження до руйнування відбувалося зближення величин деформацій в опорних та прольотних перерізах балки. Безпосередньо перед руйнуванням величини деформацій в прольотних перерізах переважали відповідні величини деформацій на середній опорі, що свідчить про практично повний перерозподіл зусиль. Значення деформацій бетону і арматури в балках БМЦЗН змінювались дещо по-іншому, ніж у балках за дії малоциклових повторних навантажень. З першого циклу навантаження величини деформацій змінювались пропорційно до навантаження. При зміні знака навантаження на протилежний, величини деформацій також змінювались пропорційно до навантаження. На другому циклі характер величини деформацій від навантаження не змінився, але максимальні деформації на циклі збільшились, як і залишкові їх величини при розвантаженні. До руйнівного навантаження величини деформацій не стабілізувались. На останніх ступенях одинадцятого півциклу навантаження до руйнування відбувалося суттєве зближення величин в опорних та прольотних перерізах деформацій бетону і арматури, що свідчить про значний перерозподіл зусиль між опорними та прольотними перерізами. В розділі 4 показано порівняння розрахунку, за діючими нормативними документами, залізобетонних балок за дії малоциклових повторних і знакозмінних навантажень з експериментально отриманими даними. Проведені експериментальні дослідження роботи двопролітних залізобетонних балок за дії малоциклових повторних і знакозмінних навантажень дають можливість зазначити, що вище вказані навантаження суттєво впливають на напружено-деформований стан і його зміну в процесі випробувань, порівняно з однозначним статичними навантаженнями. За дії малоциклових повторних навантажень несуча здатність балок після десяти циклів в середньому зменшилась на 8%, а за дії малоциклових знакозмінних після десяти циклів – на 16%. Відповідно прогини збільшились при малоциклових повторних навантаженнях за рівня η=0,6 – на 12%, а при малоциклових знакозмінних – на 40%. Ширина розкриття як нормальних так і похилих тріщин також збільшилась. За рівня навантажень η=0,6 при однозначному статичному навантаженні ширина нормальних тріщин складала Wk=0,06 мм, при малоцикловому повторному після десяти циклів – Wk=0,14мм, а при малоцикловому знакозмінному після десяти циклів – Wk=0,6 мм. Вказані зміни напружено-деформованого стану необхідно враховувати при розрахунках статично-невизначених згинальних елементів за дії вище зазначених навантажень шляхом введення відповідних коефіцієнтів умов роботи.

Title in English

Load-bearing capacity, crack resistance and deformability of reinforced concrete continuous beams under the action of low-cycle repeated and alternating loads

English abstract

Thesis for a Candidate of Technical Science Degree in Specialty 05.23.01 «Construction structures, buildings and structures» (192 – Construction and civil engineering). - National University of Water Management and Nature Recourses Use, Rivne, 2021. The introduction outlines the relevance of the topic, the purpose and objectives of research, the scientific novelty, the practical value of the work, the personal contribution of the degree seeker. Section 1 analyzes the studies on this topic, carried out both in our country and abroad. It describes the conditions under which reinforced concrete continuous beams are exposed to alternating loads. Alternating loads are found mostly in multi-span structures of bridges, overpasses and silos, due to specific types of loads and temporary overload of individual cross-sections of structures. As the load increases, reinforced concrete structures experience number of significant changes, compared to the original state. Up to a certain limit, reinforced concrete structures function without cracking. After reaching the certain level of loading, the concrete experience plastic deformations (linear), while in the tension zone cracking process starts. Under the action of alternating loads, cracks appear on both sides of the cross-section, cutting the entire cross-section of the beam and dividing it into separate blocks. This significantly changes the stiffness and bending properties of the beam. The stiffness change causes the change of deformability and load-bearing capacity of the beams. Therefore, accurate calculations of structures affected by alternating loads require complete information about the stress-strain state of reinforced concrete structures which support these loads. Section 2 presents the program and methods of experimental research. During experiments 20 cubes were tested for central compression, 21 prisms were tested for central compression and tension under short-term loading. Also were tested 9 reinforced concrete beams (as bending elements). The total number of tested concrete and reinforced concrete samples was 50 pieces. Three batches of monolithic reinforced concrete continuous beams were made for the experiments. Each batch included three beams. Beams in each batch differed in loading modes during testing. The length of each beam was 300 cm, with crosssection 100×160 mm. The beams were symmetrically reinforced, so that they could redistribute forces during loading and supporting loads when changing of sign. Working reinforcement А400С class 2Ø12 mm was used for the beams. For transverse reinforcement, B500 class reinforcement wire Ø6 mm was used with 20 cm pitch in the span sections of the beam. In the supporting sections, the pitch of the transverse reinforcement was reduced to 10 cm by inserting additional rods. Longitudinal and transverse rods were combined into a spatial frame. First, the flat frames were welded using 2 longitudinal rods of working reinforcement A400C Ø 12 and transverse rods B500 Ø6 mm. Further, 2 flat frames were welded together into a spatial frame using rods B500 Ø6 mm. The beams were tested as those with central prop, under load of four concentrated forces, applied at a distance of 60 and 100 cm from the center of the fixed support. Beams BDS-1, BDS-2 and BDS-3 were loaded one time for a short term up to fracture. The concentrated forces were applied in equal steps (0.08 ... 0.10) Fu, where Fu – is estimated breaking load, determined by calculation. Beams BLCR- 1, BLCR-2 and BLCR-3 were subjected to repeated short-term loads, 60% of the destructive level ( сyc cyc u η = F / F , where cyc η – is the relative level of re-load; cyc F – load in cycles; u F – breaking load, determined by testing the beams BDS-1, BDS-2, BDS-3). Beams BLCAL-1, BLCAL-2 and BLCAL-3 were exposed to alternating repeated short-term loads, 60% of the destructive level ( сyc cyc k η = F / F , where cyc η – is the relative level of repeated load; cyc F – load in cycles; k F – breaking load, determined by testing beams BDS-1, BDS-2, BDS-3). The relative load level was chosen to simulate 10 the loading action as closely as possible during the actual operation of the beams (operational load). Loading and unloading in cycles was carried out by steps, the value of which was assumed to be the same as for a one time loading. Beams BLCR- 1, BLCR-2, BLCR-3, BLCAL -1, BLCAL -2, BLCAL -3 were loaded repeatedly for ten cycles, and they were brought to fracture at the eleventh half-cycle. Reinforcement deformations were measured using Guggenberger strain gauge based on 20 mm with a graduation of 0.001 mm and resistive-strain sensors based on 20 mm. The resistive-strain parameters were recorded using VNP-8 multichannel measuring strain gauge system for static tests. Concrete deformations were measured using a MIG-2 dial gauge with a graduation of 0.001 mm on a 200 mm base. The deformations of concrete along the height of the cross-sections of the beams were measured using chains of resistive-strain sensors on a 50 mm base. The deflections of the beams were measured under the forces at a distance of 40 cm from the outer supports, using a 6PAO LISI deflection indicator with a graduation of 0.01 mm. The cracks appearing during the beams testing was observed visually and using MPB-3 microscope with a graduation of 0.002 mm. In the course of the experiment, the indicators of the measuring devices were recorded before the load was applied, at each loading stage. Also the external surfaces of the beams were examined for cracks appearing and propagation. In order to improve the visual observation of the cracking, lime-stone mortar was applied to the side surfaces of the beams. Cracking was observed visually, while the crack width was determined using a MPB-3 microscope. At each loading stage the development of existing cracks and the appearance of new ones were marked. The crack width was measured at the level of the strained reinforcement. The closing up of cracks during unloading was recorded according to the same method as during loading. Section 3 presents the results of strength, deformability and cracking resistance of reinforced concrete beams. The analysis of the obtained results of experimental tests showed decreasing of the load-bearing capacity of reinforced concrete beams affected by low-cycle repeated and alternating loading in comparison with beams loaded with a static load until fracture. However, the following feature of the beams operation was noticed: under the action of repeated loads according to the loads level, the processes of cracking and deflections are stabilized, while under the action of alternating loads, there is a constant increase of deformation, up to fracture. This occurs due to the formation of main cracks, cutting the entire cross-section and changing the bending stiffness properties of the normal cross-section. The model of cracking under the action of a low-cycle alternating load differs significantly from the model of crack opening under an non-alternating static load. This significantly affects the reliability of the reinforced concrete continuous beams during operation. During the operation of reinforced concrete continuous beams under the action of low-cycle repeated loading, the cracks propagation is observed up to 4-5 loading cycles, after which the crack width is stabilized. During the operation of the reinforced concrete continuous beams under the action of alternating loading, a significant development of normal cracks width is observed in 1-2 cycles. After the 3rd to 5th cycles, there is a smooth increase of the crack width values. Under alternating loads after the 5th cycle, normal cracks practically divided the beam cross-section into separate blocks, that is, they merged with the strained and compressed cross-section zones. After that, a further crack width development occurs at 7-10 cycles as a result of destructive changes in concrete in the normal crosssection due to the through-cutting of the beam cross-section by normal cracks. When loading the beam at the 7th cycle, diagonal cracks appeared. The redistribution of forces in the beams BDS-1, 2, 3 is confirmed by the concrete and reinforcement operation. Thus, the deformation values of the support and span reinforcement at the first loading stages varied almost in proportion to the values of the applied loading level. In this case, the deformation values of the supporting reinforcement exceeded the values of the span reinforcement deformations, in accordance with the values of the moments affecting the supporting and span cross-sections. In accordance with the values change of the bending moments in the BLCR beams, the deformations values of reinforcement and concrete changed as well. The deformation values of support and span reinforcement varied at the first cycle almost proportionally to the loading. In subsequent cycles, up to fracture, the same trends were observed, that is, the materials functioned almost elastically. This is confirmed by the almost complete absence of residual deformations during unloading. In other words, the deformation values were stabilized. At the last stages of the 11th half-cycle of the loading before fracture, the strain values in the support and span cross-sections of the beam converged. Immediately before fracture the strain magnitude in the span cross-sections exceeded the corresponding strain values on the middle support, which indicates an almost complete redistribution of forces. The strain magnitude of concrete and reinforcement in the BLCAL beams changed somewhat differently than in the beams under the action of low-cycle repeated loads. From the first loading cycle, the strain magnitude changed in proportion to the load. When changing the load sign to the opposite, the strain magnitude also changed in proportion to the loading. At the second cycle, the nature of the strain magnitude caused by loading did not change, but the maximum deformations during the cycle increased, as well as their residual values during unloading. Before the breaking load, the strain magnitude was not stabilized. At the last stages of the 11th half-cycle of loading up to fracture, there was a significant convergence of the values in the support and span cross-sections of concrete and reinforcement deformations, which indicates a significant redistribution of forces between the support and span cross-sections. Section 4 presents a comparison of the calculation (according to the current regulatory documents) of reinforced concrete beams under the action of low-cycle repeated and alternating loads with experimentally obtained data. The conducted experimental studies of the operation of reinforced concrete beams with central prop under the action of low-cycle repeated and alternating loads make it possible to note that the above mentioned loads significantly affect the stress-strain state and its change during testing, compared with non-alternating static loads. Under the action of low-cycle repeated loads, the bearing capacity of the beams after 10 cycles decreased by an average of 8%, while under the action of low-cycle alternating loads after 10 cycles it decreased by 16%. Accordingly, the deflections increased under low-cycle repeated loads at a level of η = 0.6 - by 12%; under low-cycle alternating loads - by 13 40%. The cracks width (both normal and diagonal) increased as well. At the load level η = 0.6 under non-alternating static load, the normal cracks width was: Wk = 0.06 mm; under low-cycle repeated load after 10 cycles it was: Wk = 0.14 mm; under low-cycle alternating load after ten cycles: Wk = 0.6 mm. The indicated changes in the stress-strain state must be taken into account when calculating statically undefined bending elements under the action of the above mentioned loads by introducing the corresponding coefficients of operating conditions.

Перегляд елементу

Завантажень