Кричевский - Расчет железобетонных инженерных сооружений на температурные воздействия (1984)

Кричевский А.П. Расчет железобетонных  инженерных сооружений на температурные воздействия.  Москва, 1984г.

Изложена методика расчета железобетонных сооружений (дымовых труб, силосов, резервуаров для нефти и  нефтепродуктов, грануляционных башен и др.), эксплуатирующихся в диапазоне температур от -50 до +200°С. Приведены  аналитические выражения для учета влияния повышенных и  отрицательных температур на прочность, и деформативные свойства бетона; изложены методика определения температурных  усилий и напряжений в сооружениях, методы расчета прочности и трещиностойкости отдельных сечений сооружений и основные положения расчета сооружений как пространственных систем с учетом температурных воздействий; приведены примеры расчета дымовой трубы и силоса.

Для научных и инженерно-технических работников научно- исследовательских, проектных и строительных организаций.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года, принятыми на ХХVI съезде КПСС, предусматривается  интенсивное развитие строительства в районах Сибири и Крайнего Севера, в особенности объектов энергетической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Для успешного  решения этих задач необходимо обеспечить долговечность,  надежность и экономичность железобетонных конструкций  зданий и сооружений, эксплуатирующихся в сложных температурно-влажностных условиях. В районах Сибири и Крайнего Севера, а также в районах с сухим жарким климатом  конструкции систематически подвергаются воздействию повышенных и отрицательных температур. Интенсификация технологических процессов в энергетической, нефтеперерабатывающей,  химической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности приводит к повышенным  тепловыделениям и систематическому нагреву конструкций зданий и сооружений. Разработка методов расчета железобетонных конструкций зданий и сооружений на совместное действие температуры и нагрузки является одной из актуальных проблем в теории железобетона.

В книге рассмотрены результаты исследований и изложена методика расчета большой группы железобетонных  инженерных сооружений, подвергающихся в процессе эксплуатации технологическому нагреву и действию наружных температур.

К ним относятся дымовые трубы, силосы для хранения горячих продуктов, резервуары для нефти и нефтепродуктов,  грануляционные башни для производства аммиачной селитры и ряд других сооружений. К данной группе относятся и многие  сооружения, работающие не в столь жестких температурных  условиях, но для которых также нужно учитывать температурные воздействия при расчете трещиностойкости и деформаций.

Это зерновые силосы, телевизионные и водонапорные башни, грануляционные башни по производству карбамида и т.д. Действие температуры существенно меняет характер работы сооружения. Под влиянием повышенных и отрицательных  температур в сооружении возникает неоднородность бетона, обусловленная изменением его свойств. Температурные  градиенты приводят к возникновению температурных моментов, которые вызывают в стенах сооружений напряженное состояние, близкое к плоскому, и, как правило, систему трещин на  внешней, растянутой грани. Появление трещин в плосконапряженных элементах можно оценивать как анизотропию свойств  железобетона. Температурные воздействия влияют также на развитие реологических процессов в бетоне и арматуре.

Отсутствие общего метода расчета рассматриваемых  сооружений с учетом температуры и ряд условных предпосылок, вводимых в расчеты на температурные воздействия, объясняются недостаточной экспериментальной и теоретической  разработкой некоторых основных элементов расчета: методики  расчетного определения физико-механических и реологических свойств бетона при отрицательных, повышенных температурах и при знакопеременных температурных режимах; методики определения температурных усилий и деформаций в  сооружениях с учетом свойств материалов в рассматриваемом  диапазоне температур и их влияние на прочность, жесткость и трещиностойкость сооружений; методики учета физической  нелинейности железобетона для элементов сооружений,  работающих с трещинами при различных температурах. В предлагаемой книге сделана попытка в определенной степени восполнить этот пробел.

В книге использованы материалы экспериментальных  исследований, выполненных под руководством автора аспирантами и сотрудниками кафедры железобетонных конструкций  Макеевского инженерно-строительного института В.И. Веретенниковым, В.И. Дорошенко, В.В. Кардаковым, В.И. Корсуном, В.А. Косторниченко, Н.В. Невгенем и В.Д. Передереем.

Автор выражает глубокую признательность рецензенту д-ру техн. наук, проф. П.И. Васильеву за ценные замечания,  позволившие улучшить содержание книги.

 

ГЛАВА I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ РАСЧЕТА И МЕТОДИКЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Основные положения расчета. Характер воздействия  повышенных технологических температур весьма разнообразен — изотермическое воздействие, циклический нагрев с различной амплитудой и разным числом теплосмен, однократный или многократный аварийный подъем температуры и т.д.  Сооружения подвергаются также солнечной радиации, суточным и сезонным колебаниям температур воздуха. Подавляющая часть сооружений этой группы имеет кольцевое сечение и по статической схеме может быть отнесена к классу тонкостенных замкнутых цилиндрических конических оболочек или к стержням кольцевого сечения в зависимости от  деформируемости контура и характера действующих нагрузок и  температурных воздействий.

Остальные сооружения по статической, схеме, как правило, являются складками или стержнями прямоугольного и квадратного сечения.

В настоящей работе основное внимание уделено расчету сооружений, имеющих, кольцевое сечение, однако формулы для определения температурных усилий, момента образования трещин, ширины их раскрытия и прочности применимы для подавляющего большинства железобетонных сооружений, работающих в условиях температурного перепада по толщине стен.

Проблема расчета железобетонных сооружений с учетом температуры состоит в разработке методов, учитывающих физическую нелинейность деформирования железобетона и  длительные процессы в бетоне и арматуре при температурных воздействиях в условиях существенной неоднородности и  анизотропии материала.

Наиболее полной явилась бы физическая теория, которая основывалась на совместном учете длительных процессов и явления нелинейности. Однако, как отмечалось в работе Г.А. Гениева и др. [21] , создание такой теории для описания сложного напряженного состояния бетона является  чрезвычайно сложной задачей, и возможен более простой способ  получения физических соотношений, основанный на раздельном учете этих явлений. Поэтому расчет сооружения с учетом  температурных воздействий рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

определение напряженно-деформированного состояния в бетоне и арматуре сооружений в доэксплуатационный период;

определение напряженно-деформированного состояния в  бетоне и арматуре сооружения при длительном действии эксплуатационных нагрузок и технологических и климатических  температур в разнообразных сочетаниях с оценкой предельных состояний по образованию и раскрытию трещин;

определение напряженно-деформированного состояния бетона и арматуры сооружения при действии технологических и  климатических температур и кратковременной возрастающей нагрузки с оценкой предельных состояний по несущей  способности, деформациям и трещиностойкости. Расчет сооружений в такой последовательности обычно реализуется на ЭВМ одним из наиболее распространенных приближенных численных  методов — методом конечных элементов или методом конечных разностей.

Наряду с этими методами в проектной практике находят широкое применение приближенные методы расчета  сооружений по предельным состояниям. Прочность, деформации и трещиностойкость в этом случае определяются из упрощенных аналитических выражении для отдельных сечений; их можно использовать в нормах и руководствах. Ценность таких методов расчета значительно возрастает, если они имеют надежное  экспериментальное обоснование и хорошую сходимость с методами расчета, ориентированными на применение ЭВМ. В данной работе используются оба подхода. Напряженно-деформированное состояние сооружения в  стадии возведения определяется рядом факторов: монолитный или сборный вариант, наличием предварительного напряжения и способом его создания, расчетной схемой сооружения,  конструктивным решением узлов сопряжения элементов и т.д. В работе В.М. Левина, В.Д. Передерия, В.Г. Лебедева [43]  сооружение рассматривается как симметрично армированный  консольный стержень, защемленный в основании. Стержень  загружен постоянной нагрузкой от собственного веса. 

Особенностями, во многом определяющими  напряженно-деформированное состояние сооружения в стадии возведения, являются нагружение бетона в молодом возрасте и быстро возрастающая внешняя нагрузка, зависящая от скорости возведения  сооружения. В бетоне молодого возраста интенсивно развиваются деформации усадки и ползучести, оказывающие значительное влияние на распределение напряжений между бетоном и  арматурой. В горизонтальных сечениях сооружения и напряжения в продольной арматуре возрастают, а в бетоне уменьшаются, в результате чего может снизиться трещиностойкость горизонтальных сечений. В вертикальных сечениях основным воздействием является усадка бетона, которая приводит к возникновению сжимающих напряжений в кольцевой арматуре и  растягивающих напряжений в бетоне, что снижает трещиностойкость  вертикальных сечений. В работе [43] приведены аналитические  зависимости для определения напряжений в бетоне и арматуре, ориентированные на применение ЭВМ, а также номограммы и таблицы для упрощенного определения напряжений,  возникающих в бетоне и арматуре сооружения в стадии возведения.

Задача решена на базе наследственной теории старения бетона. В предварительно напряженных сооружениях напряжения в бетоне, напрягаемой и ненапрягаемой арматуре в доэксплуатационный период, т.е. до начала действия технологических температур и нагрузки, могут определяться по указаниям Норм [74] или более точными методами путем решения задачи о напряжениях в центрально-обжатом симметрично армированном железобетонном стержне.

Задачи по определению напряженно-деформированного  состояния в арматуре и бетоне сооружения в стадии эксплуатации с учетом длительного, действия температуры и нагрузки  решаются на базе наследственной теории старения для различных расчетных схем приближенным шаговым методом упругих решений. Методика учитывает неоднородность бетона,  особенности развития температурно-усадочных и упругих  деформаций бетона при повышенных и отрицательных температурах, температурное старение, нелинейность и обратимость  деформаций ползучести бетона при различных температурных режимах,  влияние температуры на прочность бетона и свойства  арматуры, наличие плосконапряженного состояния, появление и  раскрытие трещин в бетоне и ряд других факторов. Помимо методов расчета, ориентированных на применение ЭВМ, разработаны упрощенные аналитические выражения для определения температурных усилий и напряжений в бетоне для дискретных расчетных случаев - кратковременный нагрев, длительный нагрев и т.д.

Напряженно-деформированное состояние при действии  температуры и кратковременной возрастающей нагрузки, прочность, деформации и трещиностойкость сооружений следует  определять, учитывая неоднородность и анизотропию железобетона, предшествующие температурные и силовые воздействия,  зависимость жесткостных коэффициентов от температуры и  нагрузки и влияние температуры на предельные напряжения в бетоне и арматуре.

Разработаны упрощенные методы расчета прочности и трещиностойкости сооружений, основанные на методике Норм [74] и учитывающие перечисленные выше факторы с помощью ряда интегральных характеристик.

2. Температурно-влажностные воздействия и нагрузки. Температурно-влажностные воздействия на сооружения по  классификации главы СНиП П-6-74 [76] относятся к временным и подразделяются на длительно действующие, кратковременные и особые. Принятая в этой главе СНиП и Инструкции  классификация температурных воздействий для расчета сооружений является недостаточно полной. В частности, отсутствуют особые температурные воздействия и некоторые кратковременные воздействия, не оговорена возможность сочетания различных температурных воздействий. Принят разный подход для  определения расчетных зимних температур в главах СНиП П-6-74, СНиП П-21-75 и Инструкции [73]. Поэтому возникла  необходимость классификации температурных воздействий на  железобетонные сооружения.

Температурные воздействия, технологические и  климатические, являются временными (длительные, кратковременные и особые). К длительным воздействиям относятся: а)  температурные технологические воздействия от стационарного  оборудования, газов, жидкостей и сыпучих тел; б)  температурные климатические воздействия, принимаемые в соответствии с пп. 8.2-8.6 главы СНиП П-6-74.

Длительный нагрев (температурные технологические  воздействия) подразделяется на циклический и постоянный.  Циклический нагрев — температурный режим, при котором в процессе эксплуатации конструкция периодически подвергается  повторяющему нагреву с колебаниями температуры более 30%  расчетной, величины, выраженной в °С, при частоте циклов от 3 ч до 15 дней. Постоянный нагрев - температурный режим, при котором в процессе эксплуатации конструкция  подвергается нагреву с колебаниями температуры до 30% расчетной  величины [73].

К кратковременным воздействиям относятся: а) первый разогрев сооружения — кратковременный нагрев; б)  температурные климатические воздействия при действии расчетных температур; в) солнечная радиация; г) температурные  технологические воздействия от нестационарно работающего  оборудования. К особым воздействиям относятся температурные воздействия, вызываемые резкими нарушениями  технологического процесса, повреждением оборудования или футеровки конструкции: местный перегрев при разрушении футеровки, аварийный подъем технологической температуры. При определении усилий от нескольких температурных  воздействий следует учитывать коэффициенты сочетаний в  соответствии с указаниями главы СНиП П-6-74. Величины  технологических температур и температурный режим эксплуатации  сооружения зависят от параметров технологического  оборудования, вида и температуры хранимого продукта и ряда других факторов. При расчете сооружения по прочности, деформациям и трещиностойкости температурные параметры среды должны быть заранее заданы.

Расчетная температура наружного воздуха в холодное время года принимается равной температуре наиболее холодной  пятидневки, в теплое время года - температуре наиболее теплых суток по данным главы СНиП "Строительная климатология и геофизика". Для конструкций, находящихся на открытом воздухе,  наибольшие температуры бетона и арматуры определяются при расчетной температуре теплого времени года. Вычисленные  температуры не должны превышать предельно допустимой  температуры применения бетона и арматуры [73].

Методика расчета сооружений с учетом температуры,  излагаемая в настоящей работе, предполагает определение нагрузок по нормативным документам [31,72,76,77].

Анализ показывает, что длительные температурные  воздействия для рассматриваемых групп инженерных сооружений практически всегда являются осесимметричными. Постоянные и длительно действующие нагрузки также практически для всех сооружений носят осесимметричный характер. Это позволяет существенно упростить решение задач по определению  напряженно-деформированного состояния от длительного действия  температуры и нагрузки для большинства сооружений. Расчет  сооружений на, действие температуры и кратковременной  возрастающей нагрузки следует вести на действие постоянных и  временных нагрузок в наиболее неблагоприятном сочетании.

Для определения напряженно-деформированного состояния сооружения с учетом температурных воздействий и оценки их прочности и трещиностойкости необходимо иметь  информацию о полях распределения температуры в сооружении. В  некоторых случаях необходима также информация о полях  распределения влажности в бетоне сооружения. Распределение  температуры определяется путем решения уравнения  теплопроводности при заданных начальных и граничных условиях. В  тонкостенных сооружениях в период эксплуатации можно считать, что внутренний источник тепла отсутствует.

Граничные условия зависят от температурных условий  эксплуатации и конструкции сооружения процессы тепло- и массопереноса в бетоне при действии повышенных и отрицательных температур весьма сложны и являются объектом специальных исследований [1, 28, 50, 61]. Работой В.Г. Петрова-Денисова и И.Б. Заседателева [28] установлен ряд важных особенностей тепло- и массопереноса в бетоне сооружений в стадии их эксплуатации. Процессы влагопереноса в затвердевшем бетоне имеют существенные различия в двух температурных  диапазонах - при температурах нагрева до 100°С и при  температурах нагрева выше 10СК>С. В первом температурном диапазоне основной причиной влагопереноса является градиент  потенциала массопереноса. При этом считается возможным  процессы тепло- и массопереноса рассматривать раздельно, так как распределение температур в бетоне стабилизируется намного быстрее, чем распределение влажности. Это позволяет  существенно упростить расчет полей температуры и влажности. Во втором температурном диапазоне перенос обусловлен в основном градиентом нерелаксируемого давления пара в бетоне. Процесс влагопереноса осуществляется, по мнению авторов работы [28] , углублением фронта испарения внутрь бетона.

В этом случае также возникает возможность существенно  упростить аналитическое описание тепло- и массообмена,  рассматривая два сопряженных температурных' поля с подвижной  границей раздела - фронтом испарения. В первом температурном диапазоне используется уравнение теплопроводности A), а для расчета стационарных температурных полей - уравнение B). При этом учитывается влияние влажности бетона на коэффициент температуропроводности и возможность фазовых  переходов воды в бетоне в лед при температурах ниже 0°С.

Расчет температурных полей выполняется численными  методами - методом конечных разностей или методом конечных элементов или с использованием аналоговых вычислительных машин. Помимо этих более точных методов расчета  температурных полей, в проектной практике зачастую используются упрощенные методы, основанные на уравнениях A) и B). Приближенные инженерные методы расчета температурных полей для отдельных сооружений приведены в нормативной литературе [15,31,73].

3. Некоторые задачи термоупругости. Приведем основные  уравнения термоупругости и рассмотрим некоторые из задач, которые представляют интерес для расчета круглых в плане  сооружений.

...