CC BY
101
УДК 624.012 ТОШИН Д. С.
Работа бетона при усилении конструкции под нагрузкой
Распределение напряжений в «старом» и «новом» бетоне после усиления конструкции во многом зависит от уровня ее начального нагружения. В статье предложено производить оценку напряженно-деформированного состояния усиленной конструкции диаграммным методом. Полученные данные позволяют определить эффективность использования прочностных параметров бетона усиления в зависимости от уровня нагружения усиливаемой конструкции. Результаты могут быть использованы при проектировании усиления железобетонных элементов без снятия нагрузки.
Ключевые слова: бетон, усиление, нагрузка, напряжения и деформация, уровень нагружения.
TOSHIN D. S.
THE WORK OF CONCRETE IN REINFORCEMENT UNDER LOAD
The stress distribution in the «old» and «new» concrete after strengthening depends on the initial level of loading. The paper proposed to evaluate the stress-strain state of reinforced construction of the diagram method. The obtained data allow to estimate efficiency of use of strength parameters of concrete reinforcing, depending on the stress level of the reinforced structure. The results can be used in the design of strengthening of reinforced concrete elements without removing the load.
Keywords: concrete, strengthening, load, stress and strain, level of loading.
Тошин
Дмитрий
Сергеевич
кандидат технических наук, заведующий кафедрой Городское строительство и хозяйство ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»
e-mail: [email protected]
Возрастающий физический и моральный износ объектов промышленного и гражданского строительства повышает актуальность вопросов реконструкции. Восстановление несущей способности и ее доведение до первоначального состояния, а также усиление конструкций, как правило, производится без разгрузки или с частичным снятием нагрузки.
Применение экстенсивных вариантов усиления подразумевает устройство конструкций, максимально разгружающих или заменяющих существующие несущие элементы. При проектировании несущая способность усиливающих конструкций нередко назначается из условия восприятия суммарных значений усилий от неблагоприятных сочетаний отдельных видов нагружения. Снижение напряжений в «старом» бетоне и учет уровня нагружения материала при расчете усиливаемых конструкций позволяет проводить усиление по интенсивному пути, максимально используя прочностной ресурс бетона существующей и усиливающей конструкции. Снижение напряжений в эксплуатируемых конструкциях до начала проведения работ по усилению позволяет повысить эффективность использования материалов усиливающих элементов. Рекомендуется производить максимальную разгрузку строительных конструкций, а при выполнении проекта на усиление учитывать возможность и степень снижения усилий в элементах. В рекомендациях [8] указывается, что усиление кон-
струкций железобетонными обоймами, рубашками и наращиванием предпочтительно выполнять под нагрузкой, не превышающей 65% от расчетной. При этом расчетные характеристики бетона и арматуры усиления умножаются на коэффициент, равный 1. При сложности или невозможности достижения требуемой степени разгружения допускается выполнение усиления под большей нагрузкой, при этом для определения расчетных показателей бетона и арматуры принимается коэффициент 0,8.
Очевидно, что указанный выше коэффициент, учитывающий эффективность вовлечения в работу усиливающей конструкции, возрастает по некоторой функциональной зависимости и определяется уровнем нагружения эксплуатируемых конструкций в момент усиления. При этом предлагаемый подход не позволяет достаточно точно определить степень вовлечения в работу бетона усиливающего элемента при наращивании сечения конструкции в зависимости от произвольного уровня нагружения усиливаемого элемента. Растущие потребности в усилении строительных конструкций промышленных и гражданских зданий требуют более строгого учета влияния уровня нагружения элементов до усиления на конечную несущую способность конструкции.
Целью данной работы является разработка методики определения напряженно-деформированного состояния бетона конструкций, усиленных под нагрузкой, а также оценка эф-
66
© Тошин Д. С., 2015
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 3|2015
Ч =
Еь VЬ
Иллюстрация 1. Диаграммы деформирования бетона усиливаемой аь — е4 и усиливающей ст6 а^ — а^ конструкции. Автор Д. С. Тошин
фективности использования прочности бетона усиления в зависимости от начального уровня нагружения эксплуатируемого элемента.
Рассмотрим вариант усиления на примере увеличения площади поперечного сечения бетонного негибкого элемента, работающего на центральное сжатие. Площадь сечения до усиления составляет Аь, площадь бетона усиления - Аьм.
Для решения данной задачи установим следующие предпосылки и допущения:
1 При нагружении бетон усиливаемой (диаграмма аъ — еъ) и усиливающей (диаграмма аь аЛ — еь аЛ) конструкций работает совместно.
2 Рассматриваемый элемент до и после усиления работает на сжатие как центрально нагруженный.
3 Диаграмма деформирования бетона принимается нелинейной.
4 Изменениями напряженно-деформированного состояния бетона усиливаемой конструкции при возможной разгрузке, предшествующей усилению, можно пренебречь. В процессе выполнения работ напряжения в «старом» бетоне остаются постоянными.
5 Критерий разрушения — достижение в бетоне усили-ва емой конструкции предельных значений напряжений аъ и деформаций еъ. Ниспадающая ветвь диаграммы не рассматривается.
6 Влияние эффекта обоймы не учитывается.
Совершенствование методов расчета бетонных и железобетонных элементов базируется преимущественно на учете нелинейных свойств материалов конструкции. В данной работе оценку напряженно-деформированного состояния системы «усиливаемый элемент — усиливающий элемент» предлагается выполнять также диаграммным методом. Диаграммы, описывающие закономерности деформирования бетона под нагрузкой, включены в нормативные документы европейских стран, России, Белоруссии, Украины, Бразилии, Индии, Китая, Японии [7]. Использованию диаграмм деформирования бетона в расчетах конструкций посвящено много научных работ, часть которых представлена в источниках [1, 5, 6, 11].
При всем многообразии форм и аналитических представлений закономерностей деформирования бетона широкое одобрение ученых получили криволинейные диаграммы, математическое описание которых предложено академиком Н. И. Карпенко [2]. Оно непрерывно совершенствуется с учетом различных условий [3, 4]. Учет нелинейных свойств бетона при нагружении усиленной конструкции предлагается осуществлять по исходной эталонной диаграмме деформирования, которая при центральном сжатии описывается следующим образом:
где еъ, оъ, Еь — соответственно относительные деформации, напряжения, начальный модуль упругости бетона; Еь vb = Ес — секущий модуль.
Проследим по диаграмме деформирования последовательность изменения напряженно-деформированного состояния бетона усиливаемой конструкции и бетона усиления (Иллюстрация 1). При первоначальном приложении нагрузки напряжения в бетоне достигают значения стъ1, а деформации — значения еъ1, что соответствует точке 01 на диаграмме. Последующее усиление путем наращивания сечения производится без разгрузки. Нагружение усиленной конструкции и оценка напряжено-деформированного состояния сечения производятся после набора проектной прочности бетоном усиления.
Напряжения в бетоне усиливающей конструкции (аь ас1 ) и приращения напряжений в усиливаемой конструкции (стдъ) перераспределяются пропорционально соответствующим секущим модулям ЕЪааЛпъм и ЕАЬудЬ:
°Ь,аё _ ЕЬ,аё уЬ,аё
СТДЬ ЕДЬУДЬ
где ®ь си1 — напряжения в бетоне усиливающей конструкции; стдъ — приращения напряжений в бетоне усиливаемой конструкции, отсчитываемые от точки 01; Еь ас1 — начальный модуль упругости бетона усиления; пъ аС — коэффициент изменения секущего модуля бетона усиливающей конструкции; Еь ас1 пъ ас1 — секущий модуль «нового» бетона; Еаь = Еьиь — секущий модуль «старого» бетона в точке 01; удъ — коэффициент изменения секущего модуля бетона усиливаемой конструкции, отсчитываемый от точки 01 и рассматриваемый в системе координат аь аС — гь аС ; Еаь удг> — секущий модуль «старого» бетона, отсчитываемый от точки01 и рассматриваемый в системе координат
иЬ,ай — еЬ,аё.
Работа бетона усиливающей конструкции может быть описана исходной эталонной диаграммой, которую будем рассматривать в системе координат аь ай — гЬаё с вершиной в точке [ст6, а11, еЬаС1 ]. Координаты вершины диаграммы определяются классом бетона, назначаемым для усиливающей конструкции.
Для аналитического описания работы бетона усиливаемой конструкции применяем метод конечных приращений. Реализация данного подхода к применению диаграмм в практических расчетах ранее подробно рассматривалась в работе [10]. Для этих целей необходимо введение дополнительной системы координат аь ай — гЬаё с началом отсчета в точке 01, которая на Иллюстрации 1 условно не отображается, так как совпадает с системой координат сть ай — еь аё. Приращениям деформаций Деъ в новой системе координат соответствуют приращения напряжений Дстъ. Начальный модуль упругости для данной диаграммы Еаь определяется физико-механическими параметрами «старого» бетона и уровнем нагружения при напряжениях стъ1. Численно он может быть выражен как Еьиь.
Практический расчет по рассматриваемому примеру выполнен с введением физико-механических характеристик, равных для «старого» и «нового» бетона: прочность 32 МПа, начальный модуль упругости 3 • 104 МПа.
Полученные расчетным путем зависимости свидетельствуют о том, что эффективность вовлечения в работу усиливаемой конструкции выше при незначительных уровнях напряжения в существующей конструкции на момент усиления (Иллюстрация 2). Данные согласуются с результатами работы [9], полученными для внецентренно сжатых железобетонных элементов.
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 3|2015
67
При усилении сильно нагруженных элементов эффективность работы усиливаемой конструкции будет достаточно мала. С учетом обозначенных ранее предпосылок разрушение усиленного элемента будет начинаться со «старого» материала и при развитии прогрессирующих деструктивных процессов приводить к потере несущей способности конструкции в целом. При этом на момент начала разрушения напряжения в бетоне усиления могут составлять менее 70% от Rbad , что подчеркивает неэффективность проведения работ при значительных уровнях нагружения материала на момент усиления.
Из зависимости видно, что при усилении конструкции, нагруженной до уровня 0,65 и менее, эффективность использования прочностных ресурсов «нового» бетона достаточно высокая и превышает 90% от разрушающих значений. Для рассматриваемого примера показано, что при учете коэффициента 0,8 в условиях п1 > 0,65 использование рекомендаций [8] дает некоторый запас прочности в пределах П1 = 0,65... 0,82 и переоценивают прочностные параметры «нового» бетона при тц > 0,82. В целом представленная зависимость имеет нелинейный характер с максимальной кривизной в пределах уровней нагружения п1 = 0,65... 0,95.
Эффективность работы бетона усиления можно оценить, рассматривая закономерности перераспределения напряжений между «новым» и «старым» бетонами. На Иллюстрации 3 представлено семейство линий, построенных для различных уровней нагружения тц и характеризующих отношение напряжений в бетоне усиливающей конструкции к полным напряжениям в бетоне усиливаемой конструкции при совместной работе материалов.
Из полученных данных видно, что характер зависимости и положение графика в рассматриваемой системе координат определяется, в первую очередь, уровнем нагружения Т1 при усилении. При низких значениях Т1 (показано для тц = 0,25 ) график криволинейный, при высоких величинах (показано для п1 = 0,8) перераспределение напряжений между «старым» и «новым» бетонами подчиняется практически линейной зависимости. Анализ полученных закономерностей также подтверждает, что эффективность использования прочностных ресурсов бетона усиления снижается при увеличении относительного уровня напряжений т1 на момент усиления.
Иллюстрация 2. График, характеризуй -щий в предельном состоянии (аь = аь) уровень нагружения бетона усиливающей конструкции т в зависимости от уровня нагружения бетона усиливаемой конструкции т1 на момент усиления. Автор Д. С. Тошин
Иллюстрация 3. Соотношение напряжений в «новом» и «старом» бетоне при их совместном деформировании после усиления элемента под нагрузкой, соответствующей уровню нагружения т1. Автор Д. С. Тошин
Заключение
Разработана методика, позволяющая определять напряженно-деформированное состояние элемента, усиленного под нагрузкой. По предложенному алгоритму могут быть определены корректирующие понижающие коэффициенты, применяемые к расчетным параметрам бетона, при произвольном уровне нагружения конструкции на момент усиления. Предложенная методика может быть использована и при расчете усиливаемых железобетонных конструкций без снятия нагрузки с применением деформационной модели и введении диаграмм деформирования материалов в конечных приращениях.
Список использованной литературы
1 Ерышев В. А., Тошин Д. С., Латышев Д. И. Расчетная модель определения остаточных деформаций изгибаемых железобетонных элементов при разгрузке // Известия КазГАСУ. 2009. № 1 (11). С. 85-91.
2 Карпенко Н. И. Общие модели механики железобетона. М., 1996.
3 Карпенко Н. И., Ерышев В. А., Латышева Е. В. и др. Методика опи-
сания диаграммы бетона с переменными уровнями напряжений сжатия и частичной разгрузкой // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. С. 12-15.
4 Карпенко Н. И., Соколов Б. С., Ра-дайкин О. В. Анализ и совершенствование криволинейных диаграмм деформирования бетона для расчета железобетонных конструкций по деформационной модели // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 25-27.
5 Мирсаяпов И. Т., Абдрахма-нов И. С. Метод расчета прочности нормальных сечений деревожеле-зобетонных изгибаемых элементов на основе аналитических диаграмм деформирования бетона и древесины // Известия Орлов. гос. техн. ун-та. Сер. Строительство и транспорт. 2007. № 3-15. С. 40-45.
6 Мурашкин Г. В., Мордовский С. С. Применение диаграмм деформирования для расчета несущей способности внецентренно сжатых железобетонных элементов // Жилищное строительство. 2013. № 3. С. 38-40.
7 Панфилов Д. А., Пищулев А. А., Ги-мадетдинов К. И. Обзор существующих диаграмм деформирования бетона при сжатии в отечественных и зарубежных нормативных документах // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 3. С. 80-84.
8 Рекомендации по проектированию усиления железобетонных конструкций зданий и сооружений реконструируемых предприятий. Надземные конструкции и соору-жения/Харьк. ПромстройНИИ-проект, НИИЖБ. М., 1992.
9 Снятков Н. М., Алексеев Д. С. Расчет железобетонных элементов, усиленных под нагрузкой // Вестник Тамб. гос. техн. ун-та. 2004. № 2. С. 556-566.
10 Тошин Д. С. Нелинейный расчет деформаций изгибаемых железобетонных элементов при разгрузке с применением деформационной модели: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01. Самара, 2009.
11 Panfilov D. A., Pischulev A. A. The methodology for calculating deflections of reinforced concrete beams exposed to short duration uniform loading (based on nonlinear deformation model) // Procedia Engineering, XXIII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering (23RSP) (TFoCE 2014) ISSN: 18777058. Vol. 91. 2014. P. 188-193. URL: doi:10.1016/j. proeng.2014.12.044.
68
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 3|2015
