CC BY
12
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / ENGINEERING
DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.175 Абрамов Л.М.1, Галкина М.А.2, Маклакова С.Н.3
1 Доктор технических наук, профессор, 2аспирант, 3доцент кафедры строительных конструкций,
Костромская государственная сельскохозяйственная академия ОБ ОСНОВАХ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Аннотация
Цель работы - исследование факторов, влияющих на прочностные характеристики бетонов при определении прочности на сжатие. Проводимые по стандартной методике по ГОСТ 10180-2012 испытания на сжатие контрольных образцов бетона не отвечают современным требованиям как по качеству подготовки экспериментов, так, как следствие, по объективным показателям получаемых результатов, что указывает на необходимость корректировки методики испытаний, рекомендованной нормативными документами.
Ключевые слова: испытание, сопротивление, сжатие, перемещение, напряжение, анализ.
Abramov L.M.1, Galkina M.A.2, Maklakova S.N.3
1PhD in Engineering, Professor, 2postgraduate student, 3associate Professor, Department of building structures,
Kostroma state agricultural Academy ABOUT THE BASICS OF IMPROVING THE RELIABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
DURING DESIGN AND OPERATION
Abstract
Purpose - the study of factors affecting on strength characteristics of concrete in the determination of the compressive strength. Conducted by standard methods according to GOST 10180-2012 compression testing of control samples of concrete do not meet modern requirements as to the preparation of the experiments, as a result, for the objective indicators of results, indicating the need to adjust testing methods recommended by regulatory documents.
Keywords: test, resistance, compression, displacement, voltage, analysis.
В последнее время по объективным причинам возрос интерес к проектированию и возведению зданий и сооружений повышенного уровня ответственности. Одновременно, как констатирует большинство экспертов, резко упало качество материалов, применяемых при изготовлении строительных элементов (балки, колонны, плиты и т.д.). Это безусловно связано с падением культуры производства в связи с использованием дешевой, малоквалифицированной рабочей силы, с понижением уровня подготовки специалистов для строительной отрасли, а также с нарушениями технологии процессов производства основных конструктивных материалов (бетон, арматура).
Как указано в работе [1], поскольку бетон относиться к конструкционным материалам, то весьма важны его прочностные характеристики. Однако до последнего времени, на наш взгляд, уделяется недостаточно внимания исследования в области методики испытания бетона в части определения его нормативных и расчетных характеристик прочности, хотя назревшая необходимость в этом имеется.
Следует так же отметить, что существует достаточно распространенная точка зрения [2-3], что надежность железобетонных конструкций - это прежде всего надежность основного конструктивного материала, т.е. бетона, и объективная оценка прочности как основного его показателя, является одной из важнейших сторон обеспечения надежности любой элементарной конструкции в целом.
Как показано в работах [4-5], проводимые по стандартной методике [6] испытания на сжатие контрольных образцов бетона не отвечают современным требованиям как по качеству подготовки экспериментов (вывод формы и размеров образцов, обеспечение необходимых условий для реализации одноосного сжатия и т. д.), так, как следствие, по объективным показателям получаемых результатов.
По-видимому, впервые Ю.М. Баженовым [2] было отмечено, что одна из основных проблем при проведении испытаний на сжатие бетонных образцов - это устранение вредного влияния сил трения (касательных напряжений), возникающих на контактных поверхностях «образец-плита испытательной машины».
Схемы нагружения образца и возникающих напряженных состояний в этом случае приведены на рис. 1.
образца
Рис. 1 - Схема нагружения образца и возникновения напряженно-деформированного состояния: а - схема нагружения образца; б -схема нагруженного состояния и действия главных напряжений
Очевидное влияние касательных напряжений (рис.1 а) ярко проявляется при рассмотрении видов разрушения изгибающих образцов, испытанных в рекомендуемых нормами [6] условиях (рис2).
Рис. 2 - Формы разрушенных кубических образцов при испытаниях при рекомендуемых нормами условиях: 1 - нормальное разрушение, 2-5 - дефектное разрушение
При этом форма рис.1 а. принята стандартом за основную, результаты испытаний только таким образом разрушенных образцов, рекомендовано учитывать при расчете характеристик прочности.
Однако разработанная нами методика испытаний позволила существенно уменьшить влияние сил трения (напряжения т^ на рис. 1б), создав на контактных поверхностях образца режим гидродинамического трения, что подробно описано в работах [4-5].
Результаты испытаний кубических образцов по рекомендуемой стандартом и предложенной нами методике приведены в таблице 1. В качестве материалов были использованы бетоны В15 и В30, часто применяемые для изготовления строительных элементов типа балок, плит, колонны, панелей и т.д. В качестве заполнителя был использован песок с размером зерен от 0,63 до 2,5 мм, что позволило уменьшить величину абразивной составляющей силы трения, возникающей на касательных поверхностях.
Количественных результаты испытаний по определению разрушающей нагрузки при использовании кубических образцов размером 100x100x100 мм приведены с учетом масштабного коэффициента, рекомендованного ГОСТ 10180 -2012.
Таблица 1 - Величина разрушающей нагрузки при испытании на сжатие бетонных _образцов размером 100х100 мм (кН)_
Класс бетона Заполнитель песок -фракция заполнителя По нормативной методике Среднее значение С учетом масштабного коэф-та 0,95 По предложенной методике Среднее значение С учетом масштабного коэф-та 0,95
В15 1,25...2,5 2100 2082,50 1978,37 1481 1468,25 1394,83
1,25...2,5 1950 1375
1,25.2,5 2140 1509
1,25.2,5 2180 1537
1,25.2,5 2060 1452
1,25.2,5 1990 1403
0,63. 1,25 1650 1652,50 1569,87 1267 1269,00 1205,55
0,63. 1,25 1660 1275
0,63. 1,25 1610 1236
0,63. 1,25 1650 1267
Окончание табл. 1 - Величина разрушающей нагрузки при испытании на сжатие бетонных _образцов размером 100x100 мм (кН)_
0,63... 1,25 1690 1298
0,63... 1,25 1600 1229
>0,63 1220 1202,50 1142,37 1050 1037,50 985,62
>0,63 1200 1040
>0,63 1200 1100
>0,63 1220 1000
>0,63 1190 1010
>0,63 1220 1040
Среднее значение 1645,83 1563,53 1258,25 1195,33
Класс бетона Заполнитель песок -фракция заполнителя По нормативной методике Среднее значение С учетом масштабного коэф-та 0,95 По предложенной методике Среднее значение С учетом масштабного коэф-та 0,95
В30 1,25.2,5 2890 2800,00 2660,00 2030 1918,75 1822,81
1,25.2,5 2800 1980
1,25.2,5 2810 1900
1,25.2,5 2910 1920
1,25.2,5 2680 1875
1,25.2,5 3100 1980
0,63. 1,25 2690 2642,50 2510,37 1975 1881,25 1787,18
0,63. 1,25 2620 1740
0,63. 1,25 2610 1930
0,63. 1,25 2740 1995
0,63. 1,25 2600 1860
0,63. 1,25 2900 1890
>0,63 2400 2570,00 2441,50 1610 1825,00 1733,75
>0,63 2560 1700
>0,63 2550 1920
>0,63 2620 1700
>0,63 2550 1980
>0,63 2500 1990
Среднее значение 2670,83 2537,28 1875,00 1781,25
Приведенные результаты были использованы при расчете величин характеристик прочности отдельного образца по формуле
Й! = • РЬ/АЬ . (1)
где ак - максимальный коэффициент для образца, принятый по стандарту (а„ =0,95);
Р, - минимальная разрушающая нагрузка, взятая по таб. 1;
А, - площадь поперечного контактного сечения испытанного образца, измеренная перед нагружением.
Класс бетона В, как характеристику прочности, указываемую в рабочих чертежах, определяли по формуле
В = Ят - 5, (2)
где Кт - среднее значение характеристик прочности, вычисленное по результатам испытания серии; - коэффициент Стьюдента, определяемый с учетом рекомендаций ГОСТ 0180-2012;
8 - среднеквадратическое отклонение для результатов испытаний для конкретной серии образцов.
Нормативное Яъ,„ и расчетное Къ сопротивления бетона, используемые при расчете по 2-й и 1-й группе предельных состояний, вычисляем по формулам
ЯЪп = (0.77 - 0.001В)В < 0.72В; (3)
п
П , (4)
п
где уъ - коэффициент надежности по бетону, принимаемый по рекомендациям [7].
Как следует из расчетных зависимостей [1-4] при определении нормативного сопротивление сжатию величину характеристики прочности материала конкретного образца уменьшают три раза, а при определении расчетного сопротивления величину Кь,п уменьшают дополнительно в уь раз, поскольку уь >1. Это связано со структурой бетона, которая отличается высокой неоднородностью и содержит несколько составляющих (цементный камень, заполнитель, добавки), а также 5 видов дефектов (3 вида коррозии и 2 вида трещин).
Вследствие этого при испытаниях при испытаниях кубических бетонных образцов помимо сил трения дополнительно действует ряд факторов, существенно влияющих на условия деформирования материала, которые подробно были описаны в работе [8]:
- неплоскостность контактных поверхностей образцов;
- наличие выступающих частей зерен заполнителя на контактных поверхностях;
- наличие абразивного эффекта вследствие высокой твердости зерен заполнителя;
8
- неравномерность распределения нормативных напряжений по контактах поверхности.
Численный расчет с применением программного комплекса АЫБУБ показал, что при отсутствии или наличии контактных сил трения картины деформирования образцов в различных условиях существенно разнятся [рис 3-4].
Рис. 3 - Распределение осевых перемещений (а) и осевых напряжений (б) для изотропного бетона в условиях
отсутствия трения
а)
►ад?**
II,
б)
Рис. 4 - Распределение осевых перемещений (а) и осевых напряжений (б) для изотропного бетона
при наличии трения
Для теоретического анализа напряженно-деформированного состояния бетонного изотропного образца использовали модель упругопластичного тела (бетон обладает нелинейной характеристикой типа «напряжение оь -деформация еь»). Граничные условия задавали в перемещениях, величина которых не превышала предельных упругих значений, подсчитанных по величине предельных упругих деформаций, равных 0,1%. При таких принятых допущениях математическая расчетная модель была записана в виде [8]:
,ЭА
(Л + Оь) — + ОьУ2и = 0
дх
(Л + Оь) ^ + ОьГ V = 0 (¿ъ + ^) ^ + ОьУ2 w = 0
(5)
где
(1 + )(1 - )
О,
2(1 + )
(6)
ди ду
где А =--I---I--; и, V, w - перемещения точек деформированного материала по соответствующим
дх ду дг
координатным осям х, у, 2; Х , /иь, Еь - упругие характеристики бетона, принимаемые по нормативным данным для бетонов используемых классов без учета анизотропных свойств бетонов.
Рис. 5 - Внешний вид образцов, разрушенных в условиях возникновения режима гидродинамического трения в контакте
Анализ внешнего вида образцов (рис.5), разрешенных в условиях гидродинамического трения по контактным поверхностям, показывает, что радикально уменьшились не только усилия разрушения, а, следовательно, и характеристики прочности бетона, приведенные в табл. 1, но и радикально изменился вид разрушения.
Неучет рассмотренных причин влияния приводит к неоправданному завышению характеристик прочности бетона, а, следовательно, неизбежно приводит к аварийным ситуациям возводимых объектов, поскольку вводимые и ранее принятые коэффициенты запаса уже не будут перекрывать фактически объективную и меньшую, по сравнению с принятой в расчете, характеристику прочности.
Следует отметить также, что аналогичные условия возникают при обследовании зданий и сооружений при изменении их функционального назначения, что особенно актуально в современных условиях.
При обследовании зданий и сооружений для оценки степени деградации бетона ГОСТ 28570-90 рекомендует выпиливать или выбуривать цилиндрические образцы диаметром от 44 до 150 мм и высотой от 0,8 до 2,0 диаметров. Такие типы образцов стандарт рекомендует тогда, когда невозможно изготовить образцы согласно ГОСТ 10180-2012.
Так как при обследовании зданий весьма часто выбуривают цилиндрические образцы, то целесообразно провести испытания для определения прочности на сжатие таких образцов, используя стандартную и предлагаемую нами методику проведения испытаний.
Различные формы разрушенных цилиндрических образцов, результаты которых следует учитывать при подсчете характеристик прочности бетона, приведены на рис. 6.
которых подлежат учету
Нами были испытаны цилиндрические образцы, внешний вид которых после испытаний приведен на рис. 7.
Рис. 7 - Внешний вид форм разрушения цилиндрических образцов диаметром 100 мм и высотой 200 мм при
испытаниях на сжатие в режиме граничного (а) и гидродинамического (б) трения
Результаты испытаний по определению характеристик прочности бетонов В15 и В30 на цилиндрических образцах при песчаном заполнителе фракций от 0,63 до 2,5 мм приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Величины минимальных разрушающих нагрузок при испытании на сжатие
цилиндрических бетонных образцов, кН _(размер диаметра - 100 мм; высота - 200мм)_
Класс бетона Заполнитель песок -фракция заполнителя По нормативной методике Среднее значение С учетом масштабного коэф-та 0,95 По предложенной методике Среднее значение С учетом масштабного коэф-та 0,95
В30 1,25 ... 2,5 мм 2550 2572,0 2443,4 1990 1980,0 1881,0
2640 1900
2526 2050
В15 1,25 ... 2,5 мм 1864 1883 1788,85 1320 1368 1299,9
1905 1440
1880 1345
Анализируя полученные результаты, несложно заметить, что при осесимметричном нагружении влияние сил трения несколько (на 10.15%) ниже, по сравнению с кубическими образцами. Это вполне объяснимо, поскольку выступающие углы кубических образцов создают значительную местную концентрацию напряжений на отдельных угловых зонах контактных поверхностей, что и приводит к отмеченному эффекту.
Таким образом, результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы:
- рекомендуемая стандартная методика определения характеристик прочности бетонов дает существенно завышенные результаты по значениям получаемых прочностных характеристик, что в условиях проектирования и эксплуатации строительных конструкций повышенного уровня ответственности значительно увеличивает риски возникновения аварийных ситуаций;
- предлагаемая методика экспериментального определения характеристик прочности бетонов в условиях гидродинамического режима трения не только позволит повысить объективность получаемых результатов, а, следовательно, снизить существенно риски возникновения аварийных ситуаций, но и просто в испытании, практически малозатратна и может быть эффективно использована в производственных условиях без существенных дополнительных затрат.
Литература
1. Гусев Б.В. Подходы к решению задач по оценке теоретической прочности бетона /Б.В. Гусев// Промышленное и гражданское строительство, 2013.-№7.-С.44-46.
2. Баженов Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов //М.:АСВ, 2002.-500с.
3. Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон /О.Я. Берг, Е.Н. Щербаков, Г.Н. Писанко// М.: Стройиздат, 1971 .-132с.
4. Абрамов Л.М. Об оценке влияния сил трения при определении прочности на сжатие по контрольным образцам /Л.М. Абрамов [и др.]// Бетон и железобетон, 2014.-№1.-С. 6-9.
5. Абрамов Л.М., Галкина М.А. Особенности определения механических характеристик прочности бетона при сжатии// Научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - взгляд в будущее», том 1, стр. 12-20. Москва 12-16 мая 2014г.
6. ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Госстрой СССР, 1989-38с.
7. СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры [текст]. - М: Госстрой РФ, 2004. - с.58
8. Абрамов Л.М. О напряженно - деформированном состоянии элементов узла контакта типа «металл-бетон» при испытаниях на сжатие изотропных бетонных образцов /Л.М. Абрамов, И. Л. Абрамов, М.А. Галкина//М.: изд-во «ПГС», Промышленное и гражданское строительство, 2015. - №8.-С.71-75.
References
1. Gusev B. V. Approaches to solving tasks to assess the theoretical strength of concrete /B. V. Gusev// Industrial and civil engineering, 2013.-№7. p. 44-46.
2. Bazhenov, Y. M. Technology of concrete / Yu. M. Bazhenov //Moscow:ASV, 2002.-500p.
3. Berg, O. Ya., Shcherbakov, E. N., Pisanko G. N. High-strength concrete /A. J. Berg, E. N. Shcherbakov, G. N. Pisanko// M.: Stroiizdat, 1971.-132p.
4. Abramov, L. M. estimation of the effect of friction forces in determining the compressive strength for control samples / L. M. Abramov [et al.]// Concrete and reinforced concrete, 2014 no. 1.- 6-9 p.
5. Abramov L. M., Galkin, M. A. Peculiarities of determination of mechanical characteristics strength of concrete in compression// proceedings of the III all-Russian (II International) conference on concrete and reinforced concrete "Concrete and reinforced concrete - glance at future", vol. 1, pp. 12-20. Moscow may 12-16, 2014.
6. GOST 10180-2012. The concretes. Methods for determination of strength to control samples. M: Gosstroy of the USSR, 1989-38p.
7. SP 52-101-2003 concrete and reinforced Concrete structures without prestressing [text]. - M: Gosstroy of the Russian Federation, 2004. - p. 58
8. L. M. Abramov, On the stress - strain state of elements of the contact type "metal-concrete" when tested on isotropic compression of concrete samples /L. M. Abramov, I. L., Abramov, M. A. Galkina//M.: Izd-vo "ice", in Industrial and civil construction, 2015. - No. 8.-p. 71-75.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.136 Анищенко С.С.
Аспирант, Омский государственный технический университет ПРИМЕР РАСЧЕТА ТРУДОЕМКОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ «ФЛАНЕЦ» ЧЕРЕЗ СТАНКО-ЧАС
Аннотация
В статье рассмотрено — расчет трудоемкости изготовления детали «фланец» через станко-час. Расставлены акценты для рационального использования новейших программных станков и устаревших программных и универсальных. Проведен детальный анализ по использованию в каждом конкретном случае новейших программных станков или устаревших универсальных и программных. Подробно рассмотрено понятие станко-часа в производственном процессе. Рассчитана часовая стоимость использования токарно-фрезерного станка с числовым программным управлением SP-280.
Ключевые слова: станко-час, металлорежущий станок с ЧПУ, трудоемкость.
Anischenko S.S.
Postgraduate, Omsk State Technical University EXAMPLE OF CALCULATING THE COMPLEXITY OF MANUFACTURING PARTS "FLANGE"
THROUGH THE MACHINE-HOUR
Abstract
In the article - the calculation of the complexity of manufacturing parts "flange" through the machine-hour. Placed accents for the rational use of the latest software tools and obsolete software and universal. A detailed analysis of the use in each case the latest software tools or legacy software and universal. Details discussed the concept of machine-hours in the manufacturing process. Calculated hourly cost of using thread-milling machine with numerical control of SP-280.
Keywords: machine-hour, cutting machine, CNC labor input.
В настоящее время происходит техническое перевооружение на промышленных предприятиях (машиностроение, автомобилестроение и т.д.). Закупается новое современное, дорогостоящее программное оборудование. Считается, что чем больше будет его загрузка, тем быстрее оно окупится. Поэтому происходит загрузка станка в 3 смены, для более быстрой амортизации. Однако не всегда учитывается, что чем более несвойственна номенклатура обработки станка, тем быстрее теряется точность обработки и оборудование скорее выходит из строя. Так же на современном предприятии, для более полного и комплексного анализа трудоемкости изготовления деталей, ввести понятие станко-час.
Станко-час определяет стоимость эксплуатации (затраты на оборудование) в конкретных производственных условиях. При перенесении оборудования в другие условия стоимость станко-часа меняется. Любой станок, если его перенести в другой цех или на другое производство, будет иметь другую стоимость станко-часа, поскольку изменяться какие-либо составляющие затрат. Поэтому нельзя оперировать понятием «для данного станка станко-час равен столько-то рублей», необходимо указывать место и условия эксплуатации оборудования. Особенностью станко-часа является также то, что он не зависит от продукции, которая выпускается на станке. Даже при переходе на выпуск других изделий стоимость станко-часа остается неизменной. В то же время технология производства может косвенно влиять на станко-час. В качестве примера приведем ситуацию, когда из-за неоптимального выбора геометрии инструмента или режимов обработки имеет место плохое стружкодробление - образование длинной стружки. Эта длинная стружка плохо отводится транспортером и может вызывать его заклинивание, что в свою очередь увеличивает расходы на обслуживание станка, входящие в стоимость станко-часа. Станко-час в целом определяет затраты на содержание оборудования, не зависящие от выпуска деталей. Это означает также, что эти затраты присутствуют даже тогда, когда станок простаивает по тем или иным причинам. По величине станко-часа можно определить убытки, вызванные простоями станка по техническим или организационным причинам. Иными словами, каждый час простоя станка приносит убыток, равный стоимости станко-часа этого станка.
