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:   || 2 | 3 |

Развитие расчетно-экспериментальных методов исследования прочности кладки каменных конструкций

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Пангаев Валерий Владимирович

развитие Расчетно-экспериментальных методов исследования прочности кладки каменных конструкций

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в госу­дарственном образовательном учреждении высшего профессио­нального образования «Новосибирский государственный архитек­турно-строительный университет (Сибстрин)»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РААСН

Енджиевский Лев Васильевич

доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РААСН

Соколов Борис Сергеевич

доктор физико-математических наук,

профессор

Никитенко Анатолий Федорович

Ведущая организация:

ОАО Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений (ЦНИИПромзданий)

Защита состоится « » декабря 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.01 при федеральном госу­дарственном образовательном учреждении высшего профессио­нального образования «Новосибирский государственный архитек­турно-строительный университет (Сибстрин)» по адресу: 630008, Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, аудитория 239

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «_____» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.Г. Себешев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. За последние годы произошли значитель­ные изменения в каменном строительстве. Увеличение этажности новых зданий и усложнение задач реконструкции существующих зданий и сооружений вызывают необходимость повышения качества проектирования, в первую очередь, расчетов прочности каменных конструкций. Применяемая для таких расчетов мето­дика не в полной мере отвечает современным требованиям. В целом эта методика основана на отношении к каменной кладке (далее кладке), как к однородному сплошному материалу. Влияние на прочность кладки различных по характеристикам компонентов, входящих в ее состав, учитывается эмпирическими зависимостями, предложенными в конце тридцатых годов прошлого века, влияние конструкции самой кладки (системы перевязки) не учитывается.

Наиболее распространенная кладка выполняется, как ми­нимум, из двух материалов - кирпича и раствора. При сжатии ряды кирпича и слои раствора горизонтальных швов деформируются совместно. Взаимодействие материалов с различными физическими свойствами вызывает возникновение в кладке объемного напряженно-деформирован­ного состояния. Именно оно в значительной мере определяет характер разрушения кирпича, раствора и, в итоге, кладки. Однако, напряжения, возникающие непосредственно в кирпиче и растворе при нагружении, современными расчетами не рассматриваются.

Кроме того, сама конструкция кладки отличается выраженной неоднород­ностью. В подавляющем большинстве случаев она состоит из чередующихся участков «ложковых» и участков «тычковых» рядов, элементов с разной жесткостью, что также влияет на ее напряженно-деформированное состояние (НДС).

Представление о разрушении нагруженной кладки, как о результате взаимодействия кирпича и раствора, участков ложковых и участков тычковых рядов создает условия более обосно­ванного назначения марок ее материалов и систем ее перевязки. Для реализации такого подхода существуют вполне объективные предпосылки. Это современные технологии рас­чета строительных конструкций и наличие значительного объема экспериментальных данных по характеристикам кирпича, раствора и самой кладки, которые требуются для выполнения расчетов.

Цель работы. Развитие основных положений физической тео­рии прочности каменной кладки на основе представления о типич­ных элементах кладки и их разрушении с учетом реальных свойств мате­риалов (кирпича, раствора) и использование полученных результа­тов для обоснованного назначения состава и конструкции кладки при проектировании, а также для исследования ее несущей способности в зданиях, сооружениях.

Задачи работы:

- формирование расчетно-экспериментального метода исследования прочности кладки каменных конструкций, учитывающего свойства материалов кладки, свойства самой кладки и особенности ее конструкции (системы перевязки);

- по­строение математических моделей (далее моделей) поведения нагруженной кладки и моделирование процессов ее разрушения;

- определение физических свойств материалов и самой кладки, необходимых для расчетов кладки численными методами;

- разработка методики расчета и кладки каменных конструкций с учетом ее НДС;

- применение моделей и данных о свойствах материалов и свойствах самой кладки для исследования ее прочности в каменных конструкциях и управления НДС кладки.

Методы исследования. В основу исследования положено ма­тематическое и физическое моделирование поведения кладки при нагружении. Математическое моделирование вы­полнено с приме­нением численных методов прикладной математики. Физическое моделирование – с применением механических и поляризационно-оптических методов испыта­ний. Соответствие между моделями и реальной кладкой было проверено при обследованиях и расчетах каменных конструкций аварийных зданий.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением сертифицированных расчетных программ в процессе разработки моделей поведения нагруженной кладки, надежным метрологическим обоснованием экспериментальных исследований, подбором пьезооптических материалов, позволяющих получить достаточно высокую точность определения напряжений методом фотоупругости (с погрешностью менее 6%).

Основные положения, выносимые на защиту:

- расчетно-экспериментальный метод исследования прочности кладки каменных конструкций, основанный на определении и анализе напряженно-деформиро­ванного состояния нагруженной кладки, учитывающий свойства ее материалов, свойства и особенности конструкции самой кладки;

- модели расчета НДС кладки, реализующие взаимодействие неоднородных материалов и элементов кладки: кирпича и раствора, участков ложковых и участков тычковых рядов;

- данные по деформативным свойствам материалов и самой кладки, необходимые при расчетах численными методами;

- методика расчета и анализа напряжений в кирпиче и растворе кладки каменных конструкций, позволяющая направленно подбирать состав (марки материалов) и систему перевязки кладки;

- представления о поведении нагруженной кладки каменных конструкций: об особенностях работы кирпича и раствора кладки в каменных конструкциях, о причинах и последовательности разрушения кладки.

Новизна научных положений:

- построены модели расчета напряженно-деформирован­ного состояния каменной кладки в направлении ложковых рядов кирпича и в направлении тычковых рядов кирпича;

- установлены модули упругости, средние модули и коэффициенты Пуассона материалов кладки и самой кладки, необходимые для расчетов численными методами;

- разработана методика расчета и анализа напряжений в кирпиче и растворе кладки каменных конструкций, позволяющая направленно подбирать состав и конструкцию кладки;

- выявлены причины и последовательность разрушения кладки при нагружении: причины разрыва кирпича тычковых рядов (расслоение кладки), причины деления расслоившейся кладки, причины разрушения слоев или их участков после деления слоев.

Практическая значимость работы:

Разработана методика расчета и анализа напряжений в кирпиче и растворе кладки каменных конструкций для направленного подбора марок материалов и системы перевязки кладки при проектировании, а также исследования состояния кладки в зданиях, сооружениях.

Указанная методика не исключает необходимость выполнения расчетов в соответствии с требованиями норм проектирования (далее норм). Предлагается их дополнение проверкой прочности кирпича и раствора кладки по условиям:

- для кирпича эк Rbr,t, max Rbr,sh ;

- для раствора эк Rsol,t, max Rsol,sh,

где эк и max – эквивалентные напряжения объемного напряженного состояния кирпича и раствора; Rbr,t, Rbr,sh – расчетные сопротивле­ние кирпича при растяжении и срезе; Rsol,t, Rsol,sh – расчетные сопротивления рас­твора при растяжении и срезе.

Проверкой прочности материалов кладки определяется возможная причина их разру­шения и производится изменение марки кирпича или марки раствора, или системы перевязки кладки (кор­ректировка результатов расчета, выполненного по нормам).

Реализация работы. Методика расчета НДС кладки, разработанная в диссертации, применялась при проектировании и расчетах усиления зданий г. Новосибирска. Всего с применением указанной методики запроектировано и усилено более тридцати многоэтажных зданий.

Данные, полученные в рамках диссертационной работы, используются в спецкурсах, читаемых в НГАСУ (Сибстрин).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конфе­ренциях, конгрессах и симпозиумах:

На 5,8-11-й Сиб. (междунар.) конф. (Новосибирск, 1995-2006), NDA`2 (Москва, 2002), 19th DANUBIA-ADRIA (Polanica-Zdruj – Poland, 2002), ISF (Москва, 2003), MESOMECHANICS (Томск, 2003, 2004, 2006), 21st SYMPOSIUM ON EXPERIMENTAL ME­CHANICS OF SOLIDS (Jachranka-Poland, 2004), ICF 11th (Italia, 2005), DYNAMICS, STRENGTH, AND LIFE OF MACHINES AND STRUCTURES (Киев, 2005), а также на летней (Казань, 2004) и зимней (Пермь, 2005) школах по моделям сплошных сред, 16th EUROPEAN CONFERENCE OF FRACTURE (Греция, 2006), на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).

В полном объеме работа докладывалась на научных семинарах: ИТПМ СОРАН, кафедры железобетонных и каменных конструк­ций СПбГАСУ, кафедры железобетонных конструк­ций ИГУРЭ СФУ, на объединенном семинаре кафедр ТГАСУ, на объединенном семинаре кафедр НГАСУ (Сибстрин).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 24 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации 257 страниц текста, в том числе 131 рисунок, 76 таблиц, 158 наименований литературных источников и Прило­жения.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, необходимость оценки работоспособности каменных конструкций с помощью расчета и анализа напряженно-деформиро­ванного состояния кладки и ее компонентов – кирпича и раствора, цель и задачи работы.

В первой главе «Анализ современных представлений о напря­женно-деформированном состоянии каменной кладки» выполнен анализ современных представлений о природе разрушения камен­ной кладки. Современные представления о поведении нагружен­ной кладки формировались в тридцатые – шестидесятые годы прошлого века трудами С.А. Андреева, А.С. Дмитриева, В.А. Ка­мейко, И.Т. Котова, А.М. Овечкина, Л.И. Онищика, С.В. Полякова, М.Я. Пильдиша, С.А. Семенцова, Б.Н. Фалевича и других. Наиболее обобщенно причины образования НДС кладки даны в работах С.В. Полякова, С.А. Семенцова.

Основные причины разрушения сжатой кладки были выявлены в результате многочисленных экспериментов. Однако не все параметры, определяющие состояние ее камня (кирпича) и раствора, в настоящее время найдены. В частности не установлено, почему поведение кладки при нагружении зависит от взаимного расположения камней и соотношения объемов кирпича и раствора, то есть от системы перевязки, толщины камней и растворных швов (далее швов). В современных зданиях и сооружениях применяется кладка с много­рядными системами перевязки. При этом тип системы перевязки выбирается без расчетного обоснования.

Из опыта технического освидетельствования зданий следует, что в кладках с многорядной системой перевязки, как правило, в первую очередь разрушается кирпич тычковых рядов. Только различием деформативных свойств кирпича и раствора, неодно­родностью раствора швов и концентрацией на­пряжений в швах (по С.В. Полякову и С.А. Семенцову) особенности поведения кирпича тычковых рядов не объяснить.

Объективное представление о природе разрушения кладки при нагружении может дать анализ напряжений непосредственно в ее составляющих (кирпиче и растворе). Однако достоверной методики определения таких напряжений не существует.

В последнее десятилетие зарубежными учеными A. Anthoine, L. Berto, R. de Borst, A. Cecchi, M. Dhanasekar, M.G.D. Geers, S. Gottcheiner, P.W. Kleeman, P.B. Lourenco, R. Di Marco, T.J. Massart, A.W. Page, R.H.J. Peerlings, J.G. Rots, A. Saetta, R. Scotta, R. Vitaliani интенсивно проводятся исследования кладки с использованием математиче­ского моделирования, основанного на численных методах расчета. Рассматрива­ются как плоские, так и объемные задачи. Но и в сложных много­элементных решениях авторы не отступают от упрощенной мо­дели с равномерным распределением кирпича и раствора по объ­ему. Исследуемые конструкции подчеркивают однородность кладки, несмотря на то, что кирпич в отмеченных работах обладает значительно более высокими характеристиками жесткости, чем раствор. За типичный элемент кладки принимается один камень, ок­руженный слоем раствора.

Тем самым можно утверждать, что и современные авторы не дают решения задачи о реальном НДС нагру­женной кладки. Требуются более обоснованные представления об ее разрушении. На необходимость формирования таких пред­ставлений прямо или косвенно указывается в работах Т.И. Барановой, А.И. Бедова, В.М. Бондаренко, Ф.П. Вахненко, И.А. Дегтева, О.М. Донченко, Т.Г. Маклаковой, А.И. Мальгано­ва, В.С. Плевкова, А.И. Полищука, Н.Н. Попова, Б.С. Соколова, Т.Н. Цая.

Особые возможности для исследования каменных конструкций предоставляют расчетные схемы и модели, наделенные свойствами «управления» и «активного» анализа. Идеология создания и применения таких моделей в значительной степени принадлежит Н.П. Абовскому и Л.В. Енджиевскому. Отметим также работы А.Ф. Никитенко в области математического моделирования деформированного состояния неоднородных конструкций. Построение мо­делей расчета НДС каменной кладки – одна из основных задач диссертации.

Во второй главе «Методика исследования» выполнено обосно­вание типичных элементов кладки; выбор типа и размеров конечных элементов (КЭ), применяемых при построении расчетных схем и моделей; введены критерии объемного НДС кирпича и раствора; методом фотоупругости опреде­лены коэффициенты концентрации напряжений у отверстий и вы­резов, необходимые для расчетов кладок из пустотелого кирпича и кладок с дефектами.

2.1. Определение размеров типичного элемента кладки. Были выявлены типичные элементы кладки полностью соответствующие по своему напряженно-деформиро­ван­ному состоянию кладке в целом. Первоначально был выявлен типичный элемент НДС кирпича и раствора ложко­вых рядов. Методом КЭ рассчитывались фрагменты кладки раз­личных размеров. Ширина рассчитываемых фрагментов была при­нята равной толщине ложкового слоя кирпича. Значения характеристик жесткости материалов определялись опытным путем.

Анализ результатов расчета фрагментов различной длины и высоты показал, что влияние длины фрагмента (на значения на­пряжений в ложковых рядах) гарантированно утрачивается при длине 510 мм, а влияние высоты фрагмента утрачивается, начиная с трех рядов кладки.

Установлено, что фрагмент длиной 510 мм из пяти ложковых рядов кирпича достаточен для получения достоверных данных о НДС кирпича и раствора ложковых рядов многорядных кладок любых размеров и перевязок. Этот фрагмент был принят в качестве ти­пичного элемента кладки. Таким же образом был выявлен и типичный элемент для исследования кирпича тычковых рядов.

2.2. Оценка влияния типа и размеров конечных элементов (КЭ). Конструкция типичного элемента разби­валась на КЭ, наделенные характеристиками жесткости кирпича и раствора. Были рассмотрены различные варианты разбивки типичного элемента на объемные и плиточные КЭ. Расчетная схема типичного элемента кладки приведена на рис. 1. Расчет выполнялся с помощью программно-вычислительного комплекса «SCAD». Влияния «вытянутых» приз­матических КЭ не наблюдалось. Не было отмечено разры­вов напряжений в местах изменения их размеров.

Сравнительный анализ установил оптимальные размеры конеч­ных элементов. Разница между резуль­татами расчетов с применением объемных и плиточных КЭ не превышала 7%. Эта разница объясняется тем, что расчет с приме­нением плиточных элементов определяет средние напряжения по ширине типичного элемента кладки. Расчетная схема из объемных КЭ помогает установить изменение полей напряжений во всех направлениях. При этом средние по ширине значения напряжений в расчетных схемах из объемных КЭ практически не отличаются от соответствующих напря­жений в схемах из плиточных КЭ.

 Расчетная схема типичного элемента-0

Рис. 1. Расчетная схема типичного элемента кладки для определения НДС кирпича и раствора ложковых рядов с разбивкой на объемные КЭ.

(Здесь и далее размеры даны в мм)

Учитывались ортотропные свойства материалов кладки. Уста­новлено, что их влияние проявля­ется при напряжениях, превышающих расчетное сопротивление сжатию кладки. Это влияние увеличивается по мере роста на­грузки.

Сопоставлением результатов различных вариантов расчета типичного элемента кладки было показано, что для оценки НДС кладки при построении рас­четных схем можно применять как плиточные, так и объемные конечные элементы.

2.3. Критерии НДС кирпича и раствора кладки. Расчеты ти­пичных элементов кладки подтвердили, что НДС кирпича и рас­твора зависит от соотношения характеристик их жесткости, таких как модули упругости (средние модули) и коэффициенты Пуассона. Возможны сле­дующие случаи: характеристики жесткости раствора ниже характеристик жесткости кирпича, и наоборот, характеристики жесткости раствора выше характеристик жесткости кирпича.

В первом случае кирпич в горизонтальных направлениях будет испытывать растяжение, раствор – сжатие. Во втором случае кир­пич в горизонтальных направлениях будет испытывать сжатие, раствор – растяжение. При равенстве характеристик жесткости кирпич, раствор и кладка в целом будут находиться в условиях одноосного сжатия.

Анализ НДС кирпича показывает, что расчет его прочности следует вести исходя двух возможных механизмов разрушения: разрыва (отрыва) кирпича нормальными напряжениями и среза касатель­ными напряжениями по сечениям, наклонным к продольной оси. В качестве эквивалентных напряжений в соответствующих случаях следует принимать критерий Мора, приведенный к эквива­лентному растяжению, или критерий наибольших касательных напряжений: эк = 1-3

max = (1-3)/2

Критерии Мора и наибольших касательных напряжений были приняты и для расчета прочности раствора кладки.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 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.