Метод определения критического коэффициента интенсивности напряжения бетона эксплуатируемых железобетонных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Круциляк, Михаил Михайлович

• Круциляк, Михаил Михайлович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Круциляк, Михаил Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 Обзор теорий трещиностойкости и долговечности бетона.

1.1 Энергетический подход к разрушению материалов.

1.2. Критерий предельных напряжений.

1.3 Деформационный критерии разрушения.

1.4 Кинетический критерий разрушения.

1.5 Методы и схемы проведения испытаний для определения К1С.

1.6 Влияние различных факторов на К^ и Сг/с.

1.7 Методики и критерии определения ресурса работы материала.

1.8 Цель работы. Постановка задач.

Глава 2 Методика проведения испытаний.

2.1 Описание образцов.

2.2 Методика проведения испытания.

2.3 Моделирование физического эксперимента с помощью метода конечных элементов.

Глава 3 Результаты испытаний и моделирования.

3.1 Результаты испытаний на трехточечный изгиб.

3.2 Результаты испытаний при отломе углового сегмента.

3.3 Результаты испытаний при отломе углового сегмента с арматурой.

3.4 Факторный анализ полученных данных.

3.5 Регрессионная обработка полученных данных.

3.6 Факторы, влияющие на определение ККИН при отломе углового сегмента.

3.7 Выводы по главе.

Глава 4 Оценка долговечности эксплуатируемых железобетонных. элементов на основе"определения характеристик трещиностойкости.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод определения критического коэффициента интенсивности напряжения бетона эксплуатируемых железобетонных конструкций»

Несмотря на то, что бетон и железобетон являются основными строительными материалами, до настоящего времени не существует законченной теории их деформирования и разрушения. Сложность проблемы обусловлена многокомпонентно-стью бетона, влиянием свойств составляющих его материалов, поэтому важным является выбор критериев, которые могли бы комплексно охарактеризовать основные параметры бетона. В связи с этим многие важные вопросы расчета бетонных и железобетонных конструкций решаются с использованием эмпирических или полуэмпирических зависимостей [27].

Известно, что явление разрушения бетона и железобетона представляет собой сложный многоступенчатый процесс появления, роста и развития трещин. Отсюда возникает необходимость изучения бетона и железобетона с позиций механики разрушения, которая в широком смысле этого понятия включает в себя ту часть науки о прочности материалов и конструкций, которая связана с изучением несущей способности тела с учетом начального распределения трещин, а также с изучением различных закономерностей их развития.

Одна из важных задач, возникающих при проектировании бетонных и железобетонных конструкций связана с учетом влияния трещин на работу конструкции. При этом чаще всего бывает необходимо либо определить размеры ожидаемых трещин, либо оценить несущую способность конструкции, имеющей трещины. В экспериментальной механике разрушения определяют следующие основные силовые — в терминах коэффициентов интенсивности напряжений (К), энергетические - в терминах удельные энергозатраты (О) и джей-интеграл (У), характеристики трещиностойкости. Критический коэффициент интенсивности напряжений' К1с (МПа-М1/2) обычно одна из основных- механических характеристик конструкционных материалов.- Использование понятия критического коэффициента интенсивности напряжений предполагает, что материал везде, кроме малой области вблизи устья трещины, является линейно упругим, однородным и изотропным.

Целью механики разрушения является выяснение условий разрушения тел различной формы, работающих под действием заданных нагрузок в определенных внешних условиях. Механика разрушения содержит, таким образом, два направления:

1, Построение континуальных моделей разрушения на основе экспериментальных данных и общих теоретических соображений.

2. Решение с помощью этих моделей соответствующих задач.

В железобетонных элементах трещины могут быть вызваны условиями твердения и усадки бетона, предварительным внецентренным обжатием при изготовлении, перенапряжением материалов при эксплуатации в результате перегрузки, осадки опор и т.д. Трещины в растянутых зонах элементов, незаметные на глаз, появляются даже в безукоризненно выполненных железобетонных конструкциях. Образование их обусловлено малой растяжимостью бетона, неспособного следовать за значительными удлинениями арматуры при высоких рабочих напряжениях.

Механика разрушения неоднородных тел исследована гораздо меньше, чем в случае однородных (квазиоднородных) материалов. Особенно это относится к такому существенно неоднородному материалу, как бетон. Бетон, рассматриваемый на уровне макроструктуры [26], имеет ряд особенностей, не позволяющих непосредственно перенести на него некоторые положения, полученные для однородных материалов. Поэтому для анализа развития трещин в бетоне привлекаются некоторые дополнительные гипотезы [53].

Важным моментом механики разрушения является формулировка критерия локального разрушения. Анализ показывает, что классические методы расчета деталей по упругому и пластическому состояниям в ряде случаев не обеспечивают разрушений, имеющихся дефектов [52]. Такое положение привело к необходимости разработки теории, которая- позволила бы применять результаты, полученные при испытании образцов, к проектированию конструкций и точно предсказывать связи между разрушающими напряжениями и размером дефекта. Попытки решения этой проблемы показали, что сущность теории и используемые критерии в большей мере зависят от величины общей деформации, предшествующей разрушению, как натурной конструкции, так и образцов. Задача состоит в том, чтобы ввести характеристики трещиностойкости конструкционных материалов и разработать методы испытаний, позволяющие правильно выбирать материалы, технологические процессы и условия эксплуатации по критерию трещиностойкости, устанавливать безопасные размеры трещин и трещиноподобных дефектов.

На сегодняшний день не существует достаточно простого экспериментального способа определения характеристик трещиностойкости на эксплуатируемых элементах. Не только извлечение необходимого количества образцов, но и даже одного образца необходимого размера без снижения несущей способности железобетонного элемента, в подавляющем большинстве случаев не представляется возможным. Опытные данные о сопротивлении бетона распространению трещин относятся в основном к опытным лабораторным образцам, что в переносе их на натурные конструкции в большинстве случаев пока невозможно. В связи этим сегодня выдвигаются гипотетические модели развития систем трещин и трещиноподобных дефектов, на которых строится прогнозирование долговечности и оценка технического состояния железобетонных элементов.

Долговечность является важной характеристикой, которая определятся различными критериями, наиболее удачно для большинства случаев на основе критериев механики разрушения

В связи с этим в данной работе была поставлена цель, разработать методику определения долговечности железобетонных элементов эксплуатируемых зданий и сооружений.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Круциляк, Михаил Михайлович

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработан новый метод, который позволяет определять ККИН тяжелых бетонов классов В12,5^В60 на эксплуатирующихся элементах железобетонных конструкций при статическом нагружении, заключающийся в образовании с помощью алмазного диска «углового» сегмента с последующим его отломом. Использование метода позволяет повысить точность определения ККИН и тем самым повысить точность расчетов: несущей способности, прогибов, ширины раскрытия трещины, долговечности и многих других, которые позволяет выполнять аппарат механики разрушения.

2. Изучены основные факторы, влияющие на определение ККИН при отломе «углового» сегмента. Результаты исследований факторов показали, что отклонения от масштабных, геометрических параметров и наличие арматуры в площади отлома, могут влиять на значение ККИН до 39,6%. В связи с этим были получены новые закономерности представленные в виде поправочных функций. Полученные закономерности позволяют определять ККИН в более широком диапазоне масштабных, геометрических и конструктивных (наличие арматуры) параметров, тем самым увеличить возможности использования разработанного метода. Исследование влияния промежутка времени меду выполнением пропилов и отломом «углового» сегмента показало, что временной промежуток в 24 часа не оказывает влияния на значение ККИН.

3. Сравнение результатов полученных с помощь разработанного метода с известным методом трехточечного изгиба показало различие в среднем 2,7%. В® абсолютном

1 /9 выражении величина ККИН разработанного метода оказалось на 0,02 МПа-м больше по сравнению с. трехточечным изгибом во всем исследуемом диапазоне бетонов. Установленная' теснота взаимосвязи с данными известных исследователей (коэффициент детерминации - 0,9397) показала состоятельность данного метода для применения его как в лабораторных условиях так и на эксплуатирующихся конструкциях.

4. Разработана методика определения ЬСКИН на эксплуатируемых конструкциях состоящая из описания оборудования, требований предъявляемых к геометрическим параметрам при выполнения «углового» сегмента, алгоритма определения ККИН и поправочных функций (закономерностей).

5. Разработанный метод экспериментально апробирован на однотипных эксплуатируемых железобетонных конструкциях имеющих возраст от 1 года до 34 лет. Выявлено уменьшение ККИН во времени в 1,7 раза за 34 года.

127

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Круциляк, Михаил Михайлович, 2010 год

1. Альтшулер Б.А. Сборные жаростойкие конструкции М.: Стройиздат. 1976- 120с.

2. Андрейкив А.Е. Пространственные задачи теории трещин. Киев.: Наукова думка, 1982. -346 с.

3. Андрейкив А.Е. Разрушение квазихрупких тел с трещинами при сложном напряженном состоянии. Киев.: Наукова думка, 1979. — 139 с.

4. Баренблатт Г.И. Математическая теория равновесных трещин, образующихся при хрупком разрушении.// ПМТФ. 1961.№ 4, С. 122-129.

5. Баренблатт Г.И. О равновесных трещинах, образующихся при хрупком разрушении. Прямолинейные тещины в плоских пластинах.// ПММ, 1959. Т.23.- №4. С. 706-721.

6. Баренблатт Г.И., Ентов В.М. Салганик Р.П. О кинетике распространения трещин. Флуктационное разрушение.// МТТ, 1967. №1. - С. 122-129.

7. Бартенев Г.М. Зуев Ю.С. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов.- М.: Химия, 1964.- 387 с.

8. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. -М.: Госстройиздат, 1962. — 96 с.

9. Благуш П: Факторный анализ с обобщениями. М.: Финансы и статистика, 1989.- 248 с.

10. Бобрышев А.Н. Новая кинетическая модель.// 2-е академические чтения. Казань.: КГАСА.1996. С.27-28.

11. Болыпев Л.Н. Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1965.-464с.данных. -М.: Наука, 1983.- 464с.

12. ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностой-кости (вязкости разрушения) при статическом загружении. — М.: Изд-во стандартов, 1992.-18с.

13. ГОСТ 25.206-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.- 1985.-62с.

14. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.-1991-19с.

15. ГОСТ 10180 Допуски по геометрическим характеристикам и показателям внешнего вида.

16. Грушко ИМ., Алтухов В.Д. Вопросы теории структуры, прочности и разрушения бетонов.// Технологическая механика бетона. Рига, 1986 с. 15-29.

17. Грушко И.М., Ильин А.Г., Рашевский С.Т. Прочность бетона на растяжение Харьков.: Изд-во ХГУ, 1986 - 152с.

18. Гузеев Е.А., Леонович С.Н., Милованов А.Ф., Пирадов К.А., Сейланов Л.А. Разрушение бетона и его долговечность. — Мн.: Редакция журнала «Тыдзень», 1997. 170 с.

19. Девятченко Л.Д. Главные компоненты информационных матриц. Введение в факторный анализ. Магнитогорск, 2000: 95с.

20. Девятченко Л.Д. Валяева Л.Е., Камардина Ф.Д. Матрицы многомерных наблюдений в линейном и регрессионном анализе. Магнитогорск, 1988.- 36с.

21. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной« регрессионный анализ. М;: Статистика. 1973 .-391с.

22. Журков С.Н. Проблема прочности твердых тел.// Вестник АН СССР. 1957. № 11.-С. 78-82.

23. Зайцев Ю.В., Казацкий М.Б., Цаава Г.Ф. К нормированию значений К1с для мелкозернистого бетона.// Бетон и железобетон.- 1984. №6. — С 23-24.

24. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения. -М.: Стройиздат, 1982. 196 с.

25. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей. — М.: Высшая школа, 1991.-288 с.

26. Зайцев Ю.В. Новое в строительной науке. По материалам первой всесоюзной конференции и первой международной конференции посвященных механике разрушения бетона и железобетона. М.: Знание, 1986. - 63 с.

27. Инденбом В.Л. Межузельный (краздионный) механизм пластической деформации и разрушения.// Письма ЖЭТФ, 1970. Т.12.- №11.- С.526-528.

28. Иоффе А.Ф. Физика кристаллов.- М.: Гостехиздат, 1929. 249с.

29. Иоффе А.Ф., Кирпичева М.В., Левицкая М.А. Деформация и прочность кристаллов.// Журнал Русск. физ.- хим. общества им.Д.И. Менделеева. Ч. физ.-1924. — 56. — С.489-503.

30. Кадырбеков А.Д. Кинетический подход к изучению разрушения некоторых строительных и конструкционных материалов.: Дис. . канд. физ. мат. наук. -Л., 1985.-130 с.

31. Ковлер К.Л. Прогнозирование развития силовых трещин в несущих стеновых конструкциях крупнопанельных зданий. //Канд. дис./ М.: МИСИ, 1985. -148с.

32. Куксенко В.С. Модель перехода от микро — к макроразрушению твердых тел.// Физика*прочности и пластичности. Л.: Наука, 1986.- С. 36-41.

33. Мальцов К.А. физический смысл условного предела прочности бетона на растяжение при изгибе . // Бетон и железобетон, 1985,№3.

34. Новожилов В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкой прочности.//Прикл. математика и механика.- 1969.-Т.ЗЗ №22.-С.212-222.

35. Орлов А.Н. Длительная прочность и стационарная ползучесть поликристаллических тал.//ФТТ, 1961,-Т.З.-№2 С.500-505.

36. Пак А.П. Исследование трещиностойкости бетона с позиции механики разрушения.// Бетон и железобетон^ — 1985. №8. - С 41-42.

37. Панасюк В.В. Деформационные критерии в механике разрушения.// Физ,-хим. механика материалов.-1986.-№1.-С. 7-17.

38. Панасюк В.В. и др. Механика квазихрупкого разрушения материалов.- Киев.: Наукова думка, 1991.-416с.

39. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с тещинами.- Киев.: Наукова думка, 1968.-246с.

40. Партон В.Э., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения.-М.: Наука, 1974.- 416 с.

41. Пересыпкин E.H. Механика разрушения армированных бетонов // Бетон и железобетон. 1984. - № 6. - С 24 - 25.

42. Петров В.А. Явление термофлуктуационного разрушения.// ФТТ, 1976, -Т. 18. №5. - С.1290-12988.

43. Перфилов В.А. Трещиностойкость бетонов / ВолгГАСА. Волгоград, 2000.-240с.шения.: Диссертация доктора технических наук.

44. Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Подход к оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов через параметры механики разрушения.// Бетон и железобетон. 1994.- №5.- С 19-23.

45. Пирадов К.А., Гузеев Е.А. Механика разрушения железобетона. М.: Новый век, 1998.-190 с.

46. Пирадов К.А., Гузеев Е.А., Мамаев Т.Д., Абдулаев К.У. Определение критического коэффициента интенсивности напряжений бетона и железобетона при поперечном сдвиге.// Бетон и железобетон 1995. - №5. - С 18-20.

47. Пирадов К.А., Мамаев Т.Д., Кожабеков Т.А., Марченко С.М. Подбор состава бетона по параметрам механики разрушения.// Бетон и железобетон. — 2003. №6. - С 16-17.

48. Пирадов К.А. Гузеев К.А. Расчет железобетонных элементов по критерию «работа энергия» //Бетон и железобетон.- 1998,№ 5.-С. 17.

49. Пирадов К.А. Гузеев К.А. Физико механические основы долговечности бетона и железобетона.// Бетон и железобетон.-1998.№ 1.-С. 25-26.

50. Райе Дж. Математические методы в механике разрушения.// Разрушение. Т.2.-М.: Мир, 1975.- С.204-249.

51. Райе Дж. Независящий от пути интеграл и приближенный анализ концентрации деформаций у вырезов и тещин.// Приклад. Механика. Сер.Е. 1968.- Т.35-№4.- С.340-3491

52. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.- М.: Наука, 1974.-535 с.

53. Руководство по подбору составов тяжелого бетона./ НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1979. -103с.

54. Савкук М.П. Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещинами. Киев.: Наукова думка.-1988.-615с.

55. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятности и математической статистики. М.: Наука, 1969.-512с.

56. Степанов В.А., Песчанская H.H., Шпейзман В.В. Прочность и релаксационные явления в твердых телах. Ленинград.: Наука, 1984. 246 с.

57. Трапезников Л.П. Температурная трещиностойкость массивных бетонных сооружений.- М.: Энергоатомиздат, 1986, 272с.

58. Фекри Абду Махмуд Салим. Использование принципов механики разрушения при расчете прочности бетонных и железобетонных конструкций: Дис. . канд. техт. наук. М., 1993. - 225 с.

59. Фридман Я.Б., Морозов Е.М. О вариационных принципах для механического разрушения.// Изв. Вузов. Машиностроение, 1962.-№4 С.56-71.

60. Хартман Г. Современный факторный анализ. М.: Статистика, 1972.- 488с.

61. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения.- М.: Наука, 1974 640с.

62. Черепанов Г.П. О распространении трещин в сплошной среде.// Прикладная математика и механика. 1967.- №3-С.476 488.

63. Черепанов Г.П., Ершов П.В. Механика разрушения.- м.: Машиностроение, 1977.- 222с.

64. Ягуст В.И. Сопротивление развитию трещин в бетонных конструкциях сучетом влияния макроструктуры материала: Дис. . канд. техт. наук. — М., 1981.-245 с.

65. Ярема С.Я: Крестин Г.С. Определение модуля-сцепления хрупких материалов путем испытания дисков с трещиной на сжатие. // Физ. хим. механика материалов, 1966, №1, - с. 10-14.

66. Blakey F., Beresford F. Strain distribution in concrete beams. Civil Engineering, 1955, vol. 50, №586.

67. Brown J.H. Measuring the Fracture Toughness of Cement paste and mortar // Mag. Concrete Res. -1972.-vol.24. -№81.

68. Brown J.H., Pomeroy C.D. Fracture toughness of cement paste and mortars. // Cement and Cone. Rec., 1973, v.3, p. 475 - 480. - 475 - 480.

69. Dugdale D.S. Yielding of steel sheets containing slits.// Journ. Mech. and Phys. Solids. 1960. vol. 8, №2. - P. 100-108.

70. Evans A.G. and Wiederhorn S.H. Ceramical materials testing is an analytic basic for predicting fracture. // International Jour. Of fracture. 1974. V. 10. - P.377-392.

71. Garison R.W., Haughton D.L., Polivka M. Causes and Control of Cracking in un-reinforced Mass Concrete. // Journal of the American Concrete Inst. 1979. - vol. 76. - №7. - pp.821-837.

72. Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids. // Phil. Trans. Ray. Soc. 1921. - Series A -221. P. 163-198.

73. Irvin G.R. Analisis of stresses and stain near and of crack traversing a plate. // Journ. Appl. Mech. 1957. - 24, №3. - P. 361-364.82 80 Irvin G.R. Fracture dynamics. // Fracturing of Metals. Cleveland. A.S.M., 1948.

74. Lones D.L., Chisholm D.B. An investigation of the adge sliding modes in fracture mechanics. // Eng. Fracture Mechanics. 1979. - 7, №2. - P. 261-270'.

75. Naus D.J. Lott J.L. Fracture toughness of Portland Cement Concrets // Journal of the American Concrete Inst. 1969.- vol. 66.- №6. — pp.48l-489i.

76. Orowan E.O. Fundamentals of brittle behaviour in metals. // Fatique and Fracture of metals. New-York: J. Wiley, 1952.dAÖ^1.asanne: 1985, p. 217-226. ^^

77. Wiederhorn S. M. Uber das Spalten und Zerressen elestischer Korpes. // Z. Math, und Phys. 1957. - 50. - P.60-103.

78. Wiederhorn S. M. and Ritter Y.E. Application of fracture mechanics concept of structural ceramic. // Journ. American Society for testing and materials. 1979 P. 202-214.

79. Wiederhorn S. M. Fracture mechanics of ceramics (edicted by R.C. Bradt, D.P.H. Hasselman and F.F. hang), New York, Plenum, 1974, P. 613.

80. Williams M.L. On the stress distribution at the base of a stationary crack. // Joun. Appl. Mech. 1957. 24, №1. - P. 109-114.