analiza naprężeń w ścianach żelbetowych 28] dla betonowych konstrukcji masywnych, dostosowany...

Click here to load reader

Post on 01-Mar-2019

214 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

POLITECHNIKA LSKA WYDZIA BUDOWNICTWA

ROZPRAWA DOKTORSKASUPLEMENT .

Analiza napre w cianach elbetowych poddanych wczesnym wpywom

termicznoskurczowym

Autor: Promotor:mgr in. Agnieszka dr hab. in. BarbaraKnoppik-Wrbel Klemczak, prof. Pol. l.

Stycze 2015

- 5 0

Spis treci

1 Cel i zakres pracy 1

2 Zachowanie cian elbetowych we wczesnych fazach dojrzewania betonu 32.1. Opis problemu ..................................................................................................................... 32.2. Naprenia term iczno-skurczowe.................................................................................... 52.3. Elementy betonowe podatne na zarysowania o charakterze termiczno-skurczowym 6

3 Modele analityczne do analizy cian elbetowych we wczesnych fazach dojrzewania betonu 73.1. Temperatura i skurcz........................................................................................................... 73.2. Naprenia term iczno-skurczowe...................' .............................................................. 93.3. Pezanie i dojrzewanie b e ton u ........................................................................................... 16

4 Modelowanie zachowania cian elbetowych we wczesnych fazach dojrzewaniabetonu 174.1. Mody beton ........................................................................................................................ 174.2. Podoe gruntowe................................................................................................................. 204.3. Zbrojenie .............................................................................................................................. 20

5 Analiza napre w cianach elbetowych we wczesnych fazach dojrzewaniabetonu 215.1. Modele do analizy cian elbetow ych............................................................................. 21

5.1.1. Model num eryczny................................................................................................. 215.1.2. Model analityczny ................................................................................................. 25

5.2. Charakter napre w cianach elbetowych................................................................... 265.2.1. Analiza termiczno-wilgotnociowa .............................................................. 275.2.2. Analiza napre i zarysowania........................................................................... 28

5.3. Wpyw geometrii i warunkw podparcia na naprenia............................................... 305.3.1. Wymiary ciany........................................................................................................ 305.3.2. Warunki podparcia................................................................................................. 34

5.4. Wpyw innych czynnikw na naprenia w cianach..................................................... 37

6 Wnioski 39

Bilbiografia 41

Curriculum Vitae 45

Wybrane publikacje 49

m

Rozdzia 1

Cel i zakres pracy

Niniejsza rozprawa jest efektem pracy badawczej przeprowadzonej w latach 2011-2014 i bazuje na pracy autora, ktrej wyniki byy na bieco publikowane. Model numeryczny, bdcy gwnym narzdziem stosowanym w tej rozprawie, wykorzystuje model opracowany przez KLEMCZAK[28] dla betonowych konstrukcji masywnych, dostosowany do analizy cian elbetowych. W swej pierwotnej formie zosta przedstawiony przez K l e m c z a k i K n o p p ik - W r BEL w pracy[33]. Charakterystyka napre w cianach elbetowych we wczesnych fazach dojrzewania betonu zostaa przedstawiona przez K l e m c z a k i K n o p p ik - W r b e l w pracy [30], a nastpnie rozwinita przez K n o p p ik - W r b e l [39] oraz K l e m c z a k i K n o p p ik - W r b e l [36]. Przeprowadzona zostaa analiza parametryczna wskazujca czynniki majce wpyw na naprenia w cianach: przedstawione zostay wstpne rozwaania dotyczce wpywu geometrii i wymiarw [32], warunkw pielgnacji [31] oraz skadu mieszanki betonowej [38]. Rezultaty tych szczegowych, przestrzennych analiz cian elbetowych ocenione zostay w kontekcie dotychczasowej wiedzy w tej dziedzinie. Podkrelone zostao rwnie znaczenie uproszczonych metod analitycznych, proponowanych w literaturze przedmiotu. Przedstawiony zosta przegld i analiza porwnawcza obecnie stosowanych metod analitycznych (K l e m c z a k i K n o p p ik - W r BEL [34, 35]). Modele te

- zarwno numeryczny jak i analityczne - zostay zweryfikowane na przykadach rzeczywistych cian [17, 29, 37, 40].

Celem rozprawy bya analiza charakteru i wielkoci napre prowadzcych do zarysowania cian elbetowych na skutek wczesnych wpyww termiczno-skurczowych oraz zbadanie wpywu rnych czynnikw na te naprenia, ze szczeglnym uwzgldnieniem wpywu warunkw skrpowania, w tym wpywu podoa gruntowego. Analiza ta zostaa przeprowadzona w wirtualnym laboratorium przy uyciu zaproponowanych modeli obliczeniowych.

W pierwszej kolejnoci scharakteryzowane zostay zjawiska decydujce o zachowaniu cian elbetowych we wczesnych fazach dojrzewania betonu i zaproponowane zostay rwnania konstytutywne opisujce te zjawiska. Nastpnie sformuowany zosta model numeryczny; wykazano, e umoliwia on poprawn symulacj zachowania analizowanych elementw konstrukcyjnych, i uyto go do przeprowadzenia analizy napre termiczno-skurczowych w rnych typach cian. Na kocu przedyskutowany zosta wpyw wybranych czynnikw na te naprenia. Prac podsumowuj wnioski wycignite z wykonanych analiz.

1

Rozdzia 2

Zachowanie cian elbetowych we wczesnych fazach dojrzewania betonu

2.1. Opis problemu

Na podstawie rozwoju temperatury w czasie twardnienia betonu mona wyrni dwie zasadnicze fazy zachowania betonu ciany (Rys. 2.la): faz nagrzewania ciany oraz faz chodzenia ciany do temperatury otoczenia. W pierwszej fazie ciana rozszerza si, skrpowana przez fundament, co skutkuje powstaniem w niej napre ciskajcych (Rys. 2.1c, t < t^)- Po osigniciu temperatury maksymalnej ciana zaczyna stygn, wci ograniczana przez fundament. W efekcie w cianie powstaj naprenia rozcigajce (Rys. 2.1c, t > 12). W trakcie caego procesu woda zawarta w betonie jest odprowadzana ze ciany na skutek wysychania oraz wizana z cementem (Rys. 2.Ib), a jej ubytek skutkuje skurczem ciany i w konsekwencji prowadzi do rozwoju napre rozcigajcych skurczowych (Rys. 2.Id). Rozwj tych napre rozpoczyna si kilka godzin po wykonaniu ciany, w tzw. momencie wizania, tS) kiedy to beton nabiera odpowiedniej sztywnoci.

Naprenia rozcigajce koncentruj si w ssiedztwie styku midzy cian a elementem ograniczajcym i osigaj znaczn cz wysokoci, a nawet ca wysoko ciany. Naprenia te mog prowadzi do zarysowania elementu. Typowy obraz zarysowania w cianie utwierdzonej wzdu podstawy przedstawia Rys. 2.2a. Powstajce rysy s pionowe w centralnej czci ciany i pochylaj si w kierunku swobodnych krawdzi elementu. Dodatkowo pozioma rysa moe pojawi si na styku midzy cian a fundamentem. Rys. 2.2b przestawia obraz rys w cianie utwierdzonej na kocach. Wizy zewntrzne mog stanowi kombinacj tych dwch przypadkw (Rys. 2.2c, Rys. 2.2d). Rozwijajce si w cianie rysy s zwykle pionowe i osigaj znaczne wysokoci. Najwysze rysy obserwowane s w rodkowej czci ciany, a ich wysoko maleje wraz ze zblianiem si do swobodnych krawdzi. Najwiksza szeroko rozwarcia rysy, Wfc,max, wystpuje na pewnej wysokoci powyej powierzchni styku: rysa najczciej rozpoczyna si na styku, rozszerza do szerokoci tUfc>max, a nastpnie zmniejsza swoj szeroko [18, 50]. Zarysowanie nie zaley od iloci zastosowanego zbrojenia. Jeli zastosowana zostaa wystarczajca ilo zbrojenia, zapewnione jest ograniczenie szerokoci rys gwnych, jednak powstaj rysy drugorzdne. Zatem zakres i rozmiar rys zaley od iloci i rozmieszczenia zastosowanego zbrojenia [1, 54, 55].

3

4 Rozdzia 2

(J max

t

(c ) rozwj napre termicznych (d ) rozwj napre skurczowych

R y s u n e k 2.1: Rozwj w czasie temperatury, wilgotnoci, napre termicznych i skurczowych w cianach elbetowych z wizami zewntrznymi.

(a ) ciana utwierdzona wzdu podstawy

(c ) ciana utwierdzona wzdu podstawy i jednego boku

(b ) ciana utwierdzona na kocach

(d ) ciana utwierdzona wzdu podstawy i obu bokw

R y s u n e k 2.2: Typowe obrazy zarysowania w cianach elbetowych we wczesnych fazch dojrzewania betonu.

Zachowanie cian elbetowych. 5

2.2. Naprenia termicznoskurczowe

Naprenia termiezno-skurczowe w elementach z wizami zewntrznymi s wynikiem jednoczesnego dziaania napre wasnych i wymuszonych, ze szczeglnie wyranym wpywem tych drugich [36, 39].

O x x ------- interior------- surface

Omax.int

t s 0,sur max,int max,sur

(c ) naprenia cakowite

R y s u n e k 2.3: Rozwj wczesnych napre termiczno-sukrczowych w czasie w elementach zograniczon swobod odksztace.

Naprenia wasne powstaj w wyniku istnienia wizw wewntrznych wywoanych gradientami temperatury i wilgotnoci. W elemencie z wizami wewntrznymi rozwj napre w czasie charakteryzuje si powstaniem napre ciskajcych we wntrzu i napre rozcigajcych na powierzchni elementu w fazie rozgrzewu, podczas gdy w fazie chodzenia nastpuje inwersja bryy napre (Rys. 2.3a). Wielko tych napre zaley od wielu czynnikw materiaowych i technologicznych, z gwnym wpywem gruboci elementu.

Naprenia wymuszone s wynikiem ograniczonej swobody odksztace elementu na skutek wystpujcych wizw zewntrznych. W cianie elbetowej posadowionej na wczeniej wykonanym fundamencie naprenia rozcigajce wywoane s przez ograniczenie moliwoci skrcenia ciany spowodowanego przez spadek temperatury w tej cianie. Ich wielko zaley od stopnia utwierdzenia (ang. degree of restraint) wywoanego przez element ograniczajcy. Stopie utwierdzenia mona

View more