авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Основы теории живучести железобетонных конструктивных систем при запроектных воздействиях

-- [ Страница 2 ] --

Современные базовые понятия конструктивной безопасности были сформулированы Ю.Н. Работновым, В.М. Бондаренко, А.В. Александровым, Г.А Гениевым, В.И. Травушем. Им принадлежит одна из основополагающих идей в проблеме конструктивной безопасности сооружений – идея о необходимости учета режимного нагружения сооружений и предыстории их существования. Ими и другими учеными заложены принципиальные основы расчета безопасности железобетонных конструкций, с учетом износа и эволюционного накопления коррозионных и других средовых повреждений. Тем не менее, в этих работах теория конструктивной безопасности железобетона построена в рамках традиционных положений метода предельных состояний и не распространяется на системы с приобретенной конструктивной нелинейностью и, тем более, системы с внезапно выключающимися конструктивными элементами. Не разработаны основы теории живучести физически нелинейных сооружений с изменяющимися конструктивными и расчетными схемами при разрушении, не изучены последствия внезапно приложенных к конструкциям запроектных воздействий, вызванных аварийными и чрезвычайными ситуациями, недостаточно исследовано силовое сопротивление железобетонных конструкций при внезапных выключениях из работы отдельных элементов и разрушениях локальных зон. Отдельные работы этого направления носят пока еще постановочный характер.

На основе проведенного обзора и анализа научных публикаций по рассматриваемой проблеме сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.

Во второй главе диссертации рассмотрена теория живучести внезапно повреждаемых конструктивных систем из железобетона. Формулировки решений класса теоретических задач живучести в рамках обозначенной проблемы о динамическом деформировании физически и конструктивно нелинейных систем из железобетона в запредельных состояниях базируются на энергетическом подходе без привлечения аппарата динамики сооружений.

Физической основой теории живучести явилась специфическая посылка В.М. Бондаренко о феноменологическом единообразии кинетики неравновесных процессов повреждений и развития нелинейных деформаций, а так же о константности режимных, физико-механических и термодинамических факторов внешних воздействий на бетон.

Природа несиловых агрессивных воздействий может быть разной, однако с феноменологической точки зрения, процесс развития повреждений и силового сопротивления поврежденных конструкций имеет единообразное описание. Силовое сопротивление железобетонных статически неопределимых систем со средовыми повреждениями и прогрессирующими разрушениями, вызванными внезапными локальными изменениями или разрушениями элементов, можно представить единой математической зависимостью (1), отражающей кинетику неравновесных процессов продвижения повреждений и изменения характеристик силового сопротивления поврежденного бетона:

(1)

где L(t,t0) – текущее значение параметра повреждений нагруженного железобетонного элемента с изменяющимися характеристиками силового сопротивления, определяемое из выражения:

(2)

t - текущее время, t0- время начала наблюдений, ,m – параметры скорости, вида повреждений, как функции уровня и знака напряженного состояния.

Разделяя переменные, проинтегрировав обе части (1), определив из начального условия постоянную интегрирования и учитывая, что исходная зависимость (1) предполагает константность режимных, термодинамических и физико – химических факторов внешних воздействий, Lпр, , L(t0) – постоянные величины, а m - скачкообразно меняющийся параметр времени t (m=m0, при t0t<t1 и m=m1, при tt1) получим функцию вида:

при

; (3)

при

. (4)

Графически (3) и (4) проиллюстрированы рис. 1, а

В решаемой задаче расчета живучести коррозионно повреждаемых конструкций в качестве L рассматривается глубина повреждения сечения железобетонного элемента коррозией (t,t0). Причем при m>0 функция (t,t0) описывает энтропийно затухающую кинетику процесса L; при m<0 его лавинно – прогрессирующее развитие; при m=0 его линейные изменения во времени, некоторое граничное положение (применительно к повреждениям – фильтрационную кинетику).

Решение уравнения кинетики повреждений (1) после разделения переменных имеет вид:

, (5)

причем при ; (6)

при ; (7)

при . (8)

В каждом конкретном случае расчета конструктивной системы величина определяется обмерами на объекте. В частности, при

. (9)

Для каждой реально эксплуатируемой конструкции значение в соответствии с исследованиями Е.А. Гузеева, В.П. Селяева, О.Б. Чупичева зависит от уровня напряженного состояния.

 Схемы кинетики повреждений-18

Рисунок 1 - Схемы кинетики повреждений (а) и изменения параметров (б) при сжатии бетона в зависимости от знака, величины параметра и уровня напряжений (1–область лавинообразного развития (m<0); 2–область затухающего развития (m>0); 3–граничная линия (m=0))

Из графика рис.1 следует, что продвижение кинетики неравновесных процессов в глубь сечения и, соответственно, накопление повреждений в некоторый момент времени t может смениться внезапным лавинообразным разрушением сжатого бетона (кривая 1, при t >t1).

Схема изменения параметров глубины повреждения сечения коррозией , скорости и вида повреждений (,), как функции уровня и знака напряженного состояния, при аппроксимации полиномами представляются в следующем виде (рис. 1, б):

; ; ;

; ; .

где уровень напряженного состояния; , , - параметры, определяемые экспериментально.

При внезапных структурных изменениях в элементах конструктивной системы возникают динамические догружения системы. Определение приращений динамических усилий в элементах железобетонных конструкций при внезапных структурных изменениях в сечениях системы предложено выполнить на энергетической основе без привлечения аппарата динамики сооружений.

Рассмотрена статически неопределимая рамно – стержневая конструктивная система из железобетонных изгибаемых или внецентренно – нагруженных элементов под действием эксплуатационной проектной нагрузки и внезапного выключения из работы одного из элементов или связей, например с1 (см.

рис. 4,б). В результате исходная n – раз статически неопределимая система превращается в n-1раз статически неопределимую систему. В элементах n-1 раз статически неопределимой системы возникает динамический эффект и, соответственно, появятся дополнительные динамические усилия. Эти усилия в течение первого полупериода колебаний элементов системы (n-1) будут превышать усилия, соответствующие статическому нагружению заданной проектной нагрузкой системы (n-1) и, соответственно, на диаграммах деформирования оставшихся неразрушенными элементов системы, в том числе и рассматриваемого i-го элемента, возникнут затухающие во времени колебания с соответствующими динамическими параметрами деформирования nd, Mnd, n-1d, Mn-1d (рис.2).

Не ограничивая общности вывода и не конкретизируя аналитическое выражение нелинейной диаграммы общего вида «обобщенное усилие - кривизна» (М-), используя условие стационарности полной потенциальной энергии относительно точки статического равновесия на соответствующих кривых деформирования можно записать:

. (11)

Условие (11) для рассматриваемых нелинейных диаграмм «пластического типа» приводит к следующим соотношениям:

; (12)

. (13)

Конкретизация расчетных зависимостей по определению приращений динамических усилий и кривизн в элементах конструктивной системы выполнены для различных диаграмм статического и динамического деформирования сечений железобетонных элементов.

Так в случае аппроксимации диаграмм «М-» простейшей параболой, интегрирование выражения (11) приводит к следующему уравнению для определения искомого значения кривизн n-1d:

. (14)

где – коэффициент, равный отношению кривизны элемента в системе (n – 1) к кривизне в системе n.

В случае учета увеличения динамической прочности материалов в момент внезапного запроектного воздействия зависимость «М-» имеет перелом в точке начала динамического догружения, а уравнение для определения динамической кривизны принимает вид:

, (15)

где - предельное значение кривизны в расчетном сечении, определяемое с учетом динамической прочности бетона и арматуры.

Важнейшим элементов теории живучести конструктивных систем является учет возраста бетона и динамических пределов прочности бетона и стали при внезапно приложенной запроектной нагрузке.

Определение длительной и динамической прочности бетона выполнено на основе использования аналитической модели изменения деформационных параметров бетона во времени Г.А. Гениева. Использование этой расчетной модели деформирования бетона позволило получить простые аналитические выражения для критериев его длительной и динамической прочности, удобные для практического применения в алгоритмах расчета живучести конструктивных систем. Так, предел динамической прочности бетона при мгновенно приложенной нагрузке определяется из выражения:

, (16)

- коэффициент увеличения динамического предела прочности бетона эксплуатируемой конструкции, - параметр, величина которого определяется для того или иного класса бетона экспериментальным путем.

В расчетную зависимость для определения коэффициента входит время, за которое происходит приложение динамического воздействия на элемнт конструктивной системы. Теоретическое определение этого параметра в работе выполнено исходя из уравнения вынужденных колебаний элементов балочной или рамной системы при условии незатухания поперечных колебаний в течение первого полупериода:

, (17)

где yст – прогиб от действия статической нагрузки, Т – время одного полного колебания (период), g – ускорение свободного падения.

Третья глава посвящена построению критерия живучести коррозионно - повреждаемых рамно – стержневых железобетонных конструктивных систем с внезапно – выключающимися односторонними связями.

Принципиальная расчетная схема железобетонной балочной или рамно-стержневой системы при расчете параметра живучести представлена на рис. 4, а расчетные схемы сечений коррозионно повреждаемых элементов системы в стадии разрушения на рис. 5. Важной особенностью расчетной модели по определению параметра живучести является то, что расчетные схемы конструктивной системы сами являются функцией нагрузки и топологии конструкции. Структурно-кинематическим анализом показано, что при одной нагрузке и заданной схеме армирования конструкция будет работать как статически неопределимая с одним числом лишних неизвестных, при другой – как статически определимая.

В рассматриваемых конструктивных системах (с энтропийным уменьшением ресурса) при анализе предельных состояний возможны три случая разрушения сечений коррозионно повреждаемых элементов: пластическое «мягкое», хрупкое по бетону сжатой зоны и хрупкое как недоармированного сечения (см. рис. 5).

Условие перехода из области энтропийного развития коррозионных процессов в область лавинообразного развития (см. точку t1 на рис. 1, а) можно записать в виде следующего неравенства:

, (18)

где - предельный изгибающий момент (ресурс силового сопротивления) по нормальному сечению поврежденного коррозией железобетонного элемента; Мq- момент в рассматриваемом сечении от эксплуатационной нагрузки; р - предельная по разрушению глубина повреждений.

Ресурс силового сопротивления изгибаемого элемента по нормальному сечению (см. рис.5) оценивается по предельному усилию в сжатом бетоне из выражения:

, (19)

где - действующие в переходной и неповрежденной областях сжатого бетона силы и соответствующие им моментные плечи относительно центра тяжести растянутой арматуры, выраженные как функции толщины поврежденной, частично поврежденной и неповрежденной областей сжатого бетона высотой x*.

Используя слоистую расчетную модель сжатого бетона для поврежденного коррозией железобетонного элемента, значение предельной глубины повреждения можно определить с помощью так называемой функции повреждений, которая записывается в форме полинома

. (20)

Из геометрических условий (см. рис. 5) находим:

при ;

при . (21)

Отсюда находим значение коэффициента :

(22)

Поскольку при находится только из геометрических условий, то функция повреждений остается единой для всех характеристик силового сопротивления поврежденного бетона: прочности, модуля мгновенной деформации, ползучести и т.п. Приняв гипотезу об инвариантности функции повреждений k, в диссертации получена аналитическая зависимость для полных относительных деформаций (t, t0) аналогичная зависимости (9).

Разрушение коррозионно повреждаемого железобетонного элемента и изменение расчетной структуры статически неопределимой балочной или рамной системы возможно по нормальному или наклонному сечению:

(или ), (23)

где и - наибольшие усилия в исследуемой балке к моменту разрушения; и - соответствующие критические силовые сопротивления поврежденного коррозией элемента. В частном случае, когда глубина повреждения достигает высоты сжатой зоны поперечного сечения , значение критической глубины повреждения по моменту определяется из выражения:

, (24)

где, ; - высота сжатой зоны до начала повреждения; - коэффициент коррозионного повреждения арматуры; - глубина разрушенного бетона в сечении; - обозначения параметров расчетного сечения принятые в нормах (см. рис. 5).

При разрушение происходит согласно равенству (23). Для случая разрушение неизбежно. Экспозиция периода разрушения находится из решения (5) относительно : например, для :

. (25)

Определив ресурс силового сопротивления сечений поврежденных коррозией железобетонных элементов конструктивной системы, можно определять параметры ее живучести. В случае если в одном из элементов системы глубина повреждений достигнет предельной , ресурс силового сопротивления этого сечения будет исчерпан и произойдет его хрупкое или пластическое разрушение. Конкретизируем этот случай применительно к балочной или рамно – стержневой системе (см. рис. 4).

  Заданная (а) и основная-81   Заданная (а) и основная-82

Рисунок 4 – Заданная (а) и основная системы смешанного метода при расчете неразрезных балок (б) и рам (в)

Особенностью рассматриваемого варианта смешанного метода является то, что основная система рамы выбирается в виде шарнирного полигона с удаленными в местах возможного выключения связями и заменой их неизвестными Мj (j = 1,2,...,k). Если при удалении связей образуется геометрически изменяемая основная система, то накладываются дополнительные связи Zm (m = k+1,…, n). Пусть при значении параметра нагрузки = m в системе выключится i – я связь. Выключение связи произойдет в том случае, когда усилие в нейдостигнет предельного значения. На рис. 4, б эти сечения обозначены соответственно с1, с2, с3,….сl. Найти значение параметра m можно, используя канонические уравнения смешанного метода.

Запишем систему канонических уравнений смешанного метода для данной расчетной схемы в виде матричного уравнения:

, (26)

где - матрицы коэффициентов неизвестных Мj и Zm смешанного метода.

 Расчетные схемы сечений-85

 Расчетные схемы сечений-86

 Расчетные схемы сечений-87

Рисунок 5 - Расчетные схемы сечений коррозионно повреждаемых железобетонных элементов в стадиях разрушения: а - пластическое «мягкое»; б - хрупкое по бетону сжатой зоны; в - хрупкое как недоармированного сечения.

Решая эти уравнения, получим:

(27)

Для принятой двучленной формы записи грузовых коэффициентов, значения усилий в выключающихся связях от суммарного воздействия заданной и параметрической нагрузок определяются по формуле:

(28)

где и - соответственно j-е элементы матриц-столбцов и .

Выключение связи произойдет в том случае, когда усилие в этой связи достигнет предельного значения. Тогда для всех усилий в выключающихся связях должна удовлетворяться система неравенств:

(29)



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.