Надежность изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям, усиленных бетоном и арматурой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Махно, Андрей Сергеевич

• Махно, Андрей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Махно, Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Краткая история развития способов усиления железобетонных конструкций.

1.2. Причины и способы усиления железобетонных конструкций.

1.3. Краткая история развития и основные положения теории надежности строительных конструкций.

1.4. Современные методы оценки надежности строительных конструкций.

1.4.1. Метод расчета железобетонных конструкций по нормам.

1.4.2. Оценка надежности железобетонных конструкций.

1.4.3. Оценка надежности усиленных железобетонных конструкций.

1.5. Статистические характеристики случайных параметров.

1.5.1. Статистические характеристики бетона усиления.

1.5.2. Статистические характеристики бетона эксплуатируемой конструкции.

1.5.3. Прочностные и деформативные статистические характеристики арматуры усиленной конструкции.

1.5.4. Прочностные и деформативные характеристики арматуры эксплуатируемой и усиливаемой конструкции.

1.6. Статистические характеристики геометрических параметров конструкций.

1.7. Современные методы, используемые для оценки надежности железобетонных конструкций.

1.7.1. Метод статистических испытаний.

1.7.2. Метод Монте-Карло.

1.7.3. Модификации метода Монте-Карло.

1.8. Назначение требуемого уровня безопасности.

1.9. Результаты анализа литературных источников.

2. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ПО МЕТОДИКЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УСИЛИЙ.

2.1. Оценка состояния эксплуатируемых железобетонных конструкций по методике предельных усилий.

2.2. Оценка надежности эксплуатируемых конструкций по методике предельных усилий.

2.3. Оценка надежности усиленных конструкций по методике предельных усилий.

2.4. Исследование надежности усиленных статически определимых железобетонных конструкций.

2.4.1. Усиление изгибаемого элемента набетонкой.

2.4.2. Усиление изгибаемого элемента дополнительной арматурой.

А 2.5. Влияние качества материалов на надежность статически определимых усиленных железобетонных конструкций.

2.5.1. Влияние качества материалов на надежность изгибаемых элементов усиленных набетонками.

2.5.2. Влияние качества материалов на надежность изгибаемых элементов усиленных дополнительной арматурой.

2.6. Выводы.

3. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, УСИЛЕННЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ, ПО ДЕФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ.

3.1. Основные положения деформационной модели для расчета изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов.

3.2. Основные положения по оценке напряженно-деформированного состояния и прочности нормальных сечений железобетонных элементов.

3.3. Несущая способность изгибаемых железобетонных элементов прямоугольного сечения.

3.4. Оценка надежности эксплуатируемых железобетонных конструкций по деформационной модели.

3.5. Напряженно-деформированное состояние конструкций, усиленных монолитным бетоном и ненапрягаемой арматурой, при увеличении нагрузки.

3.6. Несущая способность конструкций, усиленных монолитным бетоном и ненапрягаемой арматурой.

3.7. Исследование надежности усиленных статически определимых железобетонных конструкций с использованием деформационной модели.

3.7.1. Усиление изгибаемого элемента набетонкой.

3.7.2. Усиление изгибаемого элемента дополнительной арматурой.

• 3.8. Влияние случайных параметров на надежность изгибаемых элементов усиленных набетонкой или дополнительной арматурой.

3.8.1. Влияние изменчивости деформативных характеристик на надежность изгибаемых элементов усиленных набетонкой.

3.8.2. Влияние изменчивости деформативных характеристик на надежность изгибаемых элементов усиленных дополнительной арматурой.

3.9. Сравнение результатов вероятностного расчета по методике предельных усилий и деформационной модели.

3.10. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Надежность изгибаемых железобетонных элементов по нормальным сечениям, усиленных бетоном и арматурой»

Актуальность проблемы. Первоочередной задачей настоящего времени является задача усиления железобетонных конструкций, определение несущей способности усиленных конструкций и оценка их надежности.

Методы определения несущей способности усиленных конструкций по предельным усилиям не в полной мере отвечают действительному напряженно-деформированному состоянию усиленных конструкций. Это связано с тем, что конструкции, подверженные усилению, уже эксплуатировались какое-то время, поэтому они уже получили необратимые деформации, определить которые существующими методиками не представляется возможным. В то же время эти деформации играют существенную роль при определении несущей способности усиленной конструкции.

Методика, основанная на деформационной модели гораздо в большей мере отвечает действительной работе как конструкции без усиления, так и усиленной конструкции. Эта методика способна учитывать как обратимые, так и необратимые деформации.

При проектировании усиленных конструкций проектировщики не имеют представления о надежности созданной ими конструкции и конструкции до усиления. Поэтому одной из важных задач усиления конструкций является задача оценки надежности усиленных конструкций, а также проектирование этих конструкций с заданным уровнем надежности.

Задача оценки надежности усиленных конструкций по своему характеру сходна с задачей оценки надежности проектируемых конструкций. И в том и другом случае проектировщик сталкивается с неопределенностью. В случае с усилением неопределенность заключается в нагрузках при эксплуатации неусиленной и усиленной конструкции, а также в их прочностных и деформативных характеристиках материалов. Эту неопределенность можно уменьшить, но никак не ликвидировать полностью. Поэтому задача оценки надежности усиленных конструкций сходна с оценкой надежности проектируемых конструкций.

Другая немаловажная задача, возникающая при усилении конструкций, это оценка параметров эксплуатируемой конструкции. Оценка этих параметров также проводится при помощи вероятностных методов. Все параметры оцениваются с определенной обеспеченностью. Поэтому и эта задача относится к оценке надежности как эксплуатируемой, так и усиленной конструкции.

Именно эти актуальные задачи и решаются в диссертации.

Цели работы:

- создание методов, алгоритмов и программ для ЭВМ, позволяющих выполнить оценку надежности и вероятностную оптимизацию усиленных под нагрузкой железобетонных конструкций;

- постановка и решение различных задач оценки надежности усиленных железобетонных конструкций;

- оценка влияния на надежность усиленных железобетонных конструкций различных параметров.

Научную новизну работы составляют:

- методика оценки надежности усиленных железобетонных конструкций любой формы сечения по прочности нормальных сечений на основе методики расчета по предельным усилиям;

- методика оценки надежности эксплуатируемых железобетонных конструкций любой формы сечения по прочности нормальных сечений на основе деформационной модели;

- методика оценки надежности усиленных под нагрузкой железобетонных конструкций любой формы сечения по прочности нормальных сечений на основе деформационной модели с учетом накопленных деформаций;

- методика и ЭВМ-программы реализации вероятностных расчетов;

- результаты оценки влияния различных случайных факторов на надежность усиленной конструкции при различных вариантах ее усиления.

Автор защищает:

- методику оценки надежности эксплуатируемых и усиленных конструкций по предельным усилиям;

- методику оценки надежности эксплуатируемых и усиленных конструкций по деформационной модели;

- результаты анализа влияния различных случайных параметров на надежность усиленных конструкций;

- результаты оценки надежности усиленных конструкций.

Практическая ценность работы:

- методики оценки надежности эксплуатируемых и усиленных конструкций позволяют определять надежность железобетонных конструкций различных сечений и разработаны впервые;

Внедрение результатов работы:

- результаты диссертации использованы в проектном институте "ЯР-ПРОМСТРОИПРОЕКТ" при усилении монолитного каркаса 12-ти этажного жилого дома, при этом получен значительный экономический эффект.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Махно, Андрей Сергеевич

4. Основные выводы

1. Разработанные на основе расчета по предельным усилиям и по * деформационной модели методы оценки надежности конструкций, усиленных набетонкой, рубашкой, обоймой или дополнительной арматурой, позволяют вычислять надежность или обеспеченность несущей способности подобных усиленных конструкций или их отдельно взятых элементов.

2. Коэффициенты обеспеченности несущей способности, вычисленные для различных вариантов усиления сечений набетонкой или дополнительной арматурой, позволяют проектировать усиление конструкций с обеспеченностью несущей способности, равной 0,9986.

3. На основании результатов вероятностных расчетов, вычисленных по методике предельных усилий, получены следующие выводы: а) Несущая способность усиленных бетоном или (и) дополнительной щ арматурой изгибаемых железобетонных элементов, вычисленная по методике предельных усилий во всех случаях имеет достаточную обеспеченность, равную или большую 0,9986. б) При прочих равных условиях — одинаковых классах бетонов и арматуры, одинаковой относительной высоте исходного и усиленного элементов, значение обеспеченности несущей способности усиленных элементов не зависит от их геометрических параметров сечений и их соотношений. в) В случае усиления железобетонного элемента набетонкой, увеличение соотношения между прочностью бетона усиления и прочностью старого бетона приводит к увеличению надежности усиленного элемента. При этом усиленные элементы с разными значениями прочностей, но с

А одинаковыми их соотношениями (при прочих равных условиях) будут иметь близкие значения обеспеченности несущей способности. Самые низкие значения обеспеченности имеют усиленные дополнительным бетоном элементы, у которых прочность бетона усиления равна или близка к прочности бетона усиляемого элемента. г) Для элементов усиленных дополнительной арматурой значение класса бетона не оказывает существенного влияния на надежность усиленного элемента. д) При проектировании конструкции усиления рекомендуется стремиться к тому, чтобы в усиленной конструкции вклады каждого из составляющих ее элементов в общую несущую способность были соизмеримы. В этом случае возрастает надежность всей конструкции и снижается степень влияния изменчивости прочностных свойств отдельных элементов и материалов на общую надежность конструкции. е) Наибольшее влияние на надежность усиленной конструкции оказывает элемент (материал), который в данный момент, при данном напряженно-деформированном состоянии определяет его несущую способность. Для переармированных элементов это бетон сжатой зоны, для слабо армированных элементов - арматура, для элементов, усиленных бетоном - бетон, занимающий большую площадь в сжатой зоне, для сечений с дополнительно устанавливаемой арматурой — арматура, количество которой в сечении преобладает по сравнению с другой. ж) Обеспеченность несущей способности зависит от количества арматурных стержней в сечении элемента. Наименьшая обеспеченность получается при расчете элемента с арматурой в виде одного стержня. С увеличением количества стержней обеспеченность несущей способности (при прочих равных условиях) возрастает. Учет в вероятностном расчете более десяти стержней в сечении не дает заметного прироста обеспеченности несущей способности элемента.

4. На основании результатов вероятностных расчетов, вычисленных по методике деформационной модели, получены следующие выводы: а) Начальное напряженно-деформированное состояние усиляемого элемента при средних процентах армирования не оказывает существенного влияния на надежность усиленного элемента. Незначительное влияние начального нагружения сказывается только для слабо < 0,1) или сильно > 1,0) армированных элементов. б) При расчете надежности по методике деформационной модели применение в набетонке бетонов различных классов слабо влияет на изменение надежности усиленного элемента. в) Для элементов усиленных набетонкой с увеличением процента армирования исходного элемента до значений относительной высоты сжатой зоны исходного элемента равных надежность усиленного элемента повышается. г) При усилении набетонкой несущая способность, полученная по методике деформационной модели, за исключением случая слабо армированного исходного элемента ^ 0,1), имеет обеспеченность большую 0,9986. д) В случае усиления элемента дополнительной арматурой при малом проценте армирования и близких к значениях относительной высоты сжатой зоны бетона усиленного элемента, падает обеспеченность его несущей способности. е) Для элементов, усиленных дополнительной арматурой, начальное нагружение исходного элемента до усиления снижает обеспеченность несущей способности усиленных элементов, у которых площадь старой арматуры не превышает более чем в 4 раза площадь арматуры усиления и

0,6ч-0,7) . Для остальных случаев армирования начальное нагружение не оказывает существенного влияния на обеспеченность несущей способности усиленного элемента. ж) При значениях больших (0,7-ь0,8) у элементов усиленных арматурой класс бетона оказывает существенное влияние на общую надежность усиленного элемента. При этом элементы, выполненные из бетона более высокого класса по прочности, имеют более высокую обеспеченность несущей способности, чем элементы, выполненные из бетона более низкого класса. При значениях меньших (0,7+0,8) влияние класса бетона на общую надежность элемента не значительно. з) При усилении элементов дополнительной арматурой наибольшая обеспеченность несущей способности наблюдается при (0,6+0,8) £,R и отношении площади старой арматуры к площади арматуры усиления равной 0,25 + 4,0. и) При усилении элементов бетоном или дополнительной арматурой изменчивость деформационных характеристик старого и нового бетонов или старой и новой арматуры не оказывают существенного влияния на общую надежность усиленного элемента.

5. Сравнение оценки надежности определенной по двум программам указывает на незначительное различие коэффициентов обеспеченности несущей способности и полное соответствие характера изменения надежности определенной по двум методикам.

Следует отметить более полный учет всех факторов влияющих на надежность усиленных конструкций при применении методики деформационной модели, этим и объясняются некоторые различия полученных результатов.

6. С точки зрения вероятностных методов выявлено, что для правильной оценки обеспеченности несущей способности усиленных элементов прочностные характеристики бетона и арматуры для детерминированного и вероятностного расчетов следует назначать исходя из их средних, а не нормативных, значений сопротивления.

7. Алгоритмы оценки надежности усиленных конструкций разработанные на основании метода предельных усилий и деформационной модели внедрены в практику оценки состояния эксплуатируемых сооружений и в практику усиления железобетонных конструкций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Махно, Андрей Сергеевич, 2005 год

1. Авиром Л.С. Надежность конструкций сборных зданий и сооружений.- JL: Издательство литературы по строительству, 1971. 216 с.

2. Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М.: Стройиздат, 1988. - 584 с.

3. Балдин В.А., Гольденблат И.И. и др. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям. М.: Стройиздат, 1951. - 194 с.

4. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1971. - 255 с.

5. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982. - 351 с.

6. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1961. - 576 с.

7. Гвоздев А.А. К вопросу о статистическом методе расчета элементов конструкций. // Строительная механика и расчет сооружений. 1964. - №6. - С. 20-21.

8. Залесов А.С., Чистяков Е.А., Ларичева И.Ю. Деформационная расчетная модель железобетонных элементов при действии изгибающих моментов и продольных сил. // Бетон и железобетон №5- 1996 -С. 116-18.

9. Залесов А.С., Чистяков Е.А., Ларичева И.Ю. Новые методы расчета железобетонных элементов по нормальным сечениям на основе деформационной расчетной модели. // Бетон и железобетон -№6-1996.-С. 31-34.

10. Исайкин А .Я. Оценка надежности статически неопределимых железобетонных конструкций на основе логико-вероятностных методов и метода предельного равновесия. Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М., НИИЖБ.- 1989.- 144 с.

11. Исайкин А .Я. Оценка надежности статически неопределимых железобетонных конструкций на основе метода предельного равновесия. Дис. на соиск. уч. степ, доктора техн. наук. М., НИИЖБ. 2000. - 401 с.

12. Исайкин А .Я. Расчет железобетонных плит с учетом надежности. ШШШ1ТПИ, Библ. указат. деп. рук., Вып. 8.- 1989.

13. Исайкин А .Я. Анализ надежности многопролетных неразрезных железобетонных балок логико-вероятностными методами. // ВНИИНТПИ, Библ. указат. деп. рук., Вып. 4. 1991.

14. Исайкин А.Я. Влияние вероятности безотказной работы критических сечений на надежность неразрезных железобетонных балок. // ВНИИНТПИ, Библ. указат. деп. рук., Вып. 4. 1991.

15. Исайкин А.Я., Юдина О.В. Несущая способность и оценка надежности балочных конструкций, усиленных упругими опорами. // Яросл. центр на-учн. техн. информации. Информ. листок № 53 - 96, серия Р.67.11. - 1996.

16. Исайкин А.Я, Фатиев В.П. Совместная работа свай с ленточным ростверком. // Яросл. центр научн. техн. информации. Информ. листок № 43 - 96, серия Р.50.41. - 1996.

17. Исайкин А.Я. Исследование надежности стержневых железобетонных конструкций логико-вероятностными методами. // Бетон и железобетон. 1999. -№ 1.-С. 17-20.

18. Исайкин А.Я. Оценка надежности железобетонных конструкций на основе логико-вероятностных методов и метода предельного равновесия. // Бетон и железобетон. 1999. - № 4. - С. 18-20.

19. Исайкин А.Я. Несущая способность и оценка надежности систем "грунт-сваи-сооружение". // Бетон и железобетон. 1999. - № 5. - С. 17-20.

20. Исайкин А.Я. Расчет неразрезных железобетонных балок с учетом условий надежности. // Бетон и железобетон. 1999. - № 6. С. 17-20.

21. Клевцов В.А. Учет изменчивости свойств материалов и геометрии сечений при расчете статически неопределимых ферм. // Предварительно напряженные конструкции зданий и сооружений. НИИЖБ. М.: Стройиздат, 1977. -176 с.

22. Краковский М.Б. Определение надежности конструкций методом статистического моделирования. // Строительная механика и расчет сооружений. -1982. №2.-С. 10-13.

23. Краковский М.Б., Шапиро А.В. Вероятностный расчет подколонников типовых монолитных фундаментов. // Бетон и железобетон. 1986. №11. - С. 19-20.

24. Краковский М.Б., Исайкин А.Я. Оценка надежности статически неопределимых стержневых конструкций. // Пространственные конструкции в Красноярском крае. Межвузовский сборник. Красноярск. 1986. С. 97-102.

25. Краковский М.Б., Исайкин А .Я. Надежность неразрезных железобетонных балок. // Совершенствование методов расчета статически неопределимых железобетонных конструкций. М.: НИИЖБ, 1987. - С. 126-131.

26. Краковский М.Б., Якубович А.Н. Надежность изгибаемых железобетонных элементов таврового сечения. // Бетон и железобетон. 1991.- №8. - С. 15-16.

27. Краковский М.Б., Игошин В.А. Математическое моделирование статического контроля бетона при разработке ГОСТ 18105. //Напряженно-деформированное состояние бетонныхг и железобетонных конструкций. М.: НИИЖБ. - 1986, С. 116-126.

28. Краковский М.Б., Долганов А.И. Надежность формул для расчета прочности железобетонных элементов. // Новые экспериментальные исследования и методы расчета железобетонных конструкций. М.: НИИЖБ. - 1989, С. 51-61.

29. Кудзис А.П. Оценка надежности железобетонных конструкций. -Вильнюс: Москлас, 1985. 156 с.

30. Кутуков В.Н. Реконструкция зданий: Учебник для строительных вузов. М.: Высшая школа, 1981. - 263 с.

31. Лычев А.С., Корякин В.П. Надежность железобетонных конструкций. Куйбышев. - 1974. - 129 с.

32. Лычев А.С., Вероятностные методы расчета строительных элементов и систем: Учебное пособие. Самарская Государственная архитектурно-строительная академия. Самара, 1995. 160 с.

33. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. Ленинград: Стройиздат. - 1965. - 342 с.

34. Прокопович А.А., Репекто В.В. Вероятностная модель работы железобетонных конструкций производственных зданий и сооружений. // Строительная механика и расчет сооружений. 1986. №3. - С. 16-19.

35. Райзер В.Д. Развитие теории надежности и совершенствование норм проектирования. //Строительная механика и расчет сооружений. 1983. - №5. -С. 5-7.

36. Райзер В.Д. Методы теории надежности в задачах нормирования расчетных параметров строительных конструкций. М.: Стройиздат. - 1986. - 191 с.

37. Райзер В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1995. - 352с.

38. Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании. М.: изд-во АСВ, 1998.-304 с.

39. Рекомендации по восстановлению и усилению полносборных зданий полимеррастворами. /Т.библ. ЗНИИЭП. -М.: Стройиздат. 1990. -160 с.

40. Рекомендации по оценке состояния и усиления строительных конструкций промышленных зданий и сооружений / НИИ строит. Конструкций — М.: Стройиздат, 1989. — 105 е.: ил., табл.

41. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.: Стройиздат. - 1978. - 239 с.

42. Ржаницын А.Р., Сухов Ю.Д., Снарскис Б.И. Основные положения вероятностно-экономической методики расчета строительных конструкций. // Строительная механика и расчет сооружений. 1979. - №3. - С. 7-11.

43. Рекомендации по оценке надежности строительных конструкций. -Свердл.: УРАЛПРОМСТРОЙПРОЕКТ. 1974. - 103 с.

44. Складнев Н.Н., Дрейер Ф.Е. О вероятностном расчете и проектировании железобетонных изгибаемых элементов. // Строительная механика и расчет сооружений. 1983. - №1. - С. 3-7.

45. Складнев Н.Н., Парфутин М.А. Оценка запаса несущей способности разрезных "и статически неопределимых железобетонных балок. // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1984. - №2. - С. 1-6.

46. Складнев Н.Н. О методических принципах вероятностного расчета строительных конструкций. // Строительная механика и расчет сооружений. -1986.-№3.-С. 12-16.

47. Складнев H.II., Федяев А.А. Ометодике определения коэффициента надежности по назначению. // Строительная механика и расчет сооружений. -1987.- №2. -С. 3-6.

48. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 80 с.

49. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 38 с.

50. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М.: ГУЛ «НИИЖБ», ФГУП ЦПП, 2004. - 26 с.

51. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. М.: ГУЛ «НИИЖБ», ФГУП ЦПП, 2004. -54 с.

52. Стрелецкий Н.С. Основы статистического учета коэффициента запаса прочности сооружений. М.: Госстройиздат. - 1947. - 92 с.

53. Ужполявичус Б.Б. Вероятностно-статистический расчет при проектировании и контроле сопротивления строительных конструкций. // Строительная механика и расчет сооружений. 1985. - №3. - С. 3-7.

54. Хоциалов Н.Ф. Запасы прочности. // Строительная промышленность. 1929. -№10.

55. Федоров Е.И., Матгазиев Х.М. Построение функции надежности строительных конструкций, находящихся под действием нескольких нагрузок. // Строительная механика и расчет сооружений. 1985. №3. - С. 5-8.

56. Шпете Г. Надежность несущих строительных конструкций/ Пер. с нем. М.: Стройиздат, 1994. - 288 с.

57. Cornell С.A. Bounds of the reliability of structural systems. // G. Struct. Mech. 1979, pp. 453-472.

58. Frangopol D.M. Interactive reliability-based structural optimization. // Computers and Structures, 1984, vol. 19, N 4, pp. 559-563.t

59. Maier M. Die Sicherkeit der Bauwerke und ihre Berechnung nach zu-lassiegen Spannungen. — Berlin, Springer-Verlag, 1926.1. ЧП ЯРПРОМСТРОЙПРОЕКТ

60. Заместитель директора ОАО "Ярпромстройпроект1л1. И.И.Краев