2067

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

ho усреднённая толщина прослойки вяжущего, рассчитываемая для оптимальных составов; п – пористость композита; km – коэффициент упрочнения вяжущего;

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Коэффициентами km и f учитывается влияние индивидуальных свойств наполнителя на структуру приграничной области вяжущего и материала. По данным реологических исследований определяется f ,opt 1 3 .

Практически отношение hd f находят по Khom (11 3)3 , а граничные значения

Khom – по абсциссе второй параметрической точки f * [1] реологической зависимостиf f :

Пористость Псм в серных материалах создаётся в основном за счёт уменьшения

объёма (на 14,1 %) серы при переходе из жидкого состояния в твёрдое. В процессе изготовления композитов сера частично взаимодействует с наполнителем с образованием сульфидов и газообразного диоксида серы, что также способствует возникновению пор в композите. Эти процессы взаимосвязаны между собой и зависят от многих факторов (вид, количество и удельная поверхность наполнителя). Увеличение площади раздела фаз «сера дисперсная фаза» приводит к протеканию двух взаимно конкурирующих процессов:

росту пористости вследствие увеличения количества газообразного диоксида серы, образующегося в процессе химического взаимодействия наполнителя с серой;

снижению пористости вследствие образования на поверхности частиц наполнителя сульфидов и уменьшения количества серы.

Пористостьотфизико-химическогопроцессавзаимодействиянаграницеразделафаз

с введением наполнителя уменьшается [1]. Принято:

hx толщина слоя наполнителя, вступившего в химическое взаимодействие; mf , ms масса наполнителя и серы соответственно;

f , s , MeS плотности наполнителя, серы и сульфида соответственно;

активного оксида и сульфида наполнителя.

При достижении определённой степени наполнения ( f f ,opt ) пористость

серного материала возрастает (дефицит вяжущего приводит к образованию в серном материале агрегатов из несмоченных частиц наполнителя):

Под действием ионизирующего излучения в материале происходят структурные изменения, сопровождающиеся его разогревом. Количество выделившегося тепла

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

определяется поглощённой дозой ионизирующего излучения, которая зависит от активности источника, расстояния от источника до слоя защиты, энергии квантов излучения, теплофизических и радиационно-защитных свойств материала защиты, продолжительности облучения, теплового режима работы конструкции защиты и т.д.

В случае точечного источника ионизирующего излучения с активностью Ао, расположенного от плоского слоя защитного материала с толщиной х на расстоянии R, выделившаяся за время t энергия

n

-квантов i-го энергетического уровня; N ni .

i

В соответствии с законом Ламберта – Буггера

E E0e x

при прохождении излучения через слой защитного материала энергия ионизирующего

излучения, падающего на слой защитного материала) при ненаправленном излучении фотонов; So – общая площадь поверхности; коэффициент линейного ослабления

-излучения материалом защитного слоя, см-1; х толщина защитного слоя, см. Отсюда количество поглощённой энергии

Eпогл Eo E AoeoS2ot 1 e x .

4 R

Если вся поглощённая энергия излучения расходуется на разогрев материала

( Eпогл q =cm Mк T ), то

средняя плотность материала защитного слоя.

Одновременно с разогревом материала протекает процесс охлаждения, связанный с отводом некоторого количества тепловой энергии в окружающую среду. Интенсивность этого процесса зависит от теплофизических свойств материала, теплового режима работы конструкции, её формы, геометрических размеров и др. При справедливости закона Ньютона для теплообмена со средой имеем

q T T0 Tc ,

где коэффициент теплоотдачи; T0 T 0 – температура экрана при t=0;

Тс – температура окружающей среды.

При объёмной мощности qv внутренних источников тепла температурное поле определится из уравнения

2T qv 1 T

a t

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Если cm , , не зависят от температуры (при равномерном поле температур), то

модель процесса радиационного разогрева представляется соотношением [2]:

Величина радиационного разогрева материала прежде всего определяется теплоёмкостью, средней плотностью и коэффициентом теплоотдачи. Увеличение теплоёмкости приводит к уменьшению скорости нагрева материала, а с ростом значения коэффициента теплоотдачи время достижения стационарной температуры сокращается (рис.4). При длительном облучении материала величина радиационного разогрева в основном определяется температурным режимом работы конструкции (учитывается коэффициентом теплоотдачи).

Рис. 4. Зависимость температуры разогрева слоя защиты из серного композита от поглощённой дозы -излучения (кратность ослабления n=10, eo =0,66 МэВ, Ao =1015 Бк, =1 Дж/(м2 К))

Стойкость композиционных материалов к воздействию внешней среды обычно оценивается по отношению текущего значения выбранного показателя качества (например прочности) к первоначальному значению; процессу деструкции соответствует снижение показателя. В процессе эксплуатации материала возможны три последовательных этапа:

– упрочнение структуры и улучшение свойств (образование дополнительных структурных центров);

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

–относительная стабильность показателей (относительное равенство скоростей деструкции и упрочнения);

–деструкция материала (разрушение структуры и преобладание скорости деструктивных процессов над конструктивными).

При феноменологическом подходе к оценке долговечности материала (основан на методах химической кинетики) фиксируется только фактическое изменение прочности материала без выявления динамики конструктивного и деструктивного процессов. При

dFdt kд , F 0 Fo ; kд const ( F – некоторый параметр, по которому судят об изменении структуры материала при воздействии эксплуатационной среды)

коэффициентом эксплуатационной стойкости материала kст 1 kд t определяется

Fo

срок эксплуатации защитного покрытия (конструкции).

В общем случае стойкость композиционных материалов зависит от структуры (в частности, прочности, как показателя качества структуры); процесс деструкции материала определяется уравнением:

dFdt kдF n ( n =сonst ); F 0 Fo .

Решение уравнения имеет вид (модель долговечности)

где Ao qv,ef vmax = сonst – определяет максимальную скорость деструкции при заданных параметрах эксплуатационной среды; vmax – максимальная скорость деструкции; qv,ef – коэффициент, определяющий эффективность использования подводимой извне

энергии для преобразования структуры материала; U – энергия активации процесса деструкции (равна энергетическому потенциалу стойкости структуры композита в эксплуатационной среде); R – универсальная газовая постоянная; T – температура

S

среды; vmax Fοn – характеризует структуру; qv,ef e R – не зависит от температуры и

пропорционален количеству внешней энергии, поглощаемой материалом для преобразования структуры; S – удельное количество энергии, поглощённой материалом;

BE ( ST U ) – энергетический показатель процесса деструкции; ST – опреде-

ляет количество работы, совершаемой внешними силами для преобразования структуры материала.

Способность материала сопротивляться внешним воздействиям определяется значением

kE U ST

(при kE 1 композит не стоек в агрессивной среде).

Вычисление энергетических параметров U , S , BE процесса деструкции производилось по результатам испытаний при различных температурных режимах (при

U

tmax R Fo Ao 1eRT . Максимальный срок службы защитного покрытия определяется

величинами Aо и U. Указанный подход к прогнозированию долговечности позволяет определить продолжительность эксплуатации материала, обосновать область применения и провести анализ влияния различных рецептурно-технологических и эксплуатационных факторов на его стойкость.

Разработка и оптимизация параметров серных композитов [1] на основе решения многокритериальной задачи (при ранжированных частных критериях качества с заданными интервалами их изменения) в соответствии с разработанными моделями (1)…(5) подтвердила эффективность использования предложенного метода системного проектирования композитов. При расширении множества критериев качества для оценки композитов, естественно, должны добавляться и другие частные узко ориентированные модели.

Список литературы

1.Королев, Е.В. Радиационно-защитные и химически стойкие серные строительные материалы / Е.В. Королев, Ю.М. Баженов, А.И. Альбакасов. – Пенза, Оренбург: ИПК ОГУ, 2010. − 364 с.

2.Дульнев, Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре / Г.Н.Дульнев. – М.: Высшая школа, 1984. – 246 с.

References

1.Koroliov, Y.V. Radiation-protective and corrosion-resistant sulfur construction materials / Y.V. Koroliov, Yu.M. Bazhenov, A.I. Al'bakasov. – Penza, Orenburg: OSU, 2010. – 364 p.

2. Dulnev, G.N. Heat and mass transfer in electronic equipment / G.N. Dulnev. – M.: High School, 1984. – 246 p.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 624.075.014

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК УСТОЙЧИВОСТИ ДЛЯ КОЛОНН ИЗ СТАЛИ

ÈВЫСОКОПРОЧНЫХ БЕТОНОВ

ÂСТОЙКАХ КАРКАСОВ ЗДАНИЙ

А.М. Иващенко, В.И. Калашников, А.А. Каргин

Рассмотрены особенности расчета характеристик устойчивости для колонн из стали и высокопрочных бетонов в стойках каркасов зданий.

Ключевые слова: стержневые конструкции, стойки каркасов зданий, колонны из стали и высокопрочных бетонов, характеристики устойчивости, механические модели.

SOME FEATURES OF CALCULATION STABILITY

CHARACTERISTICS FOR COLUMNS FROM STEEL AND HIGH-STRENGTH CONCRETE IN RACKS OF BUILDING FRAMES

A.M. Ivashchenko, V.I. Kalashnikov, A.A. Kargin

Some features of calculation stability characteristics for columns from steel and high-strength concrete in racks of building frames are considered.

Keywords: rod designs, buildings skeletons racks, columns from steel and high-strength concrete, characteristic of stability, mechanical models.

Основной целью проектирования колонн в центрально-сжатых неразрезных стойках, а также сжимаемых вертикальных элементов в строительных лесах является исключение их потерь устойчивости. Это требование становится чрезвычайно важным и для колонн, изготовленных из высокопрочных и особо высокопрочных бетонов нового поколения – классов В120–В140. Высокопрочные бетоны получают и эффективно начинают использовать за рубежом при строительстве не только небоскребов, телевизионных вышек высотой 1000 м и более, мостов с пролетами 500–2000 м, нефтяных платформ для добычи нефти и газа в морских шельфах, но и других сооружений с большими расчетными нагрузками. Особенностью таких конструкций является применение комбинированной прутковой и дисперсной арматуры.

Дисперсное армирование бетона фиброй диаметром 0,15–0,25 мм и длиной 6–10 мм превращает его по всему объему в достаточно пластичный микрокомпозиционный материал, обладающий дуктильными свойствами [1]. В отличие от бетона для пруткового армирования прочность дисперсно-армированного бетона при осевом сжатии

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

увеличивается до 140–150 МПа, при осевом растяжении – до 12–15 МПа, а на растяжение при изгибе – до 40–50 МПа. Ударная прочность возрастает в 15–20 раз. Коэффициент Пуассона находится в пределах 0,33–0,34. Модуль упругости, оцененный при уровне внутренних напряжений от 0,22 до 0,26·Rсж, – в пределах 0,48–0,50 МПа.

Высокие физико-технические показатели реакционно-порошковых бетонов позволяют изготавливать из них ажурные конструкции с уменьшенными сечениями – у центрально сжатых стоек в 3 раза и более в сравнении с аналогичными конструкциями из традиционных бетонов классов В25–В40. В связи с этим на пути разработки методов расчета колонн, выполненных из нетрадиционных видов конструкционного бетона и отличающихся большой гибкостью, интерес представляет преемственность новых методов, предназначенных для проверки устойчивости стержней при проектировании стальных конструкций в виде неразрезных стоек.

При проверке устойчивости стальных сжимаемых стержней (колонн) должно соблюдаться условие

годном сочетании внешних воздействий; Nj – то же, с учетом коэффициента условий работы γс; j Rj,у Aj N j,д – максимально допустимая упругопластическая несущая

способностьколонны; j = 1, 2, 3, …, n – номер колонны в стойке; k = 1, 2, 3, …, p – номер силового воздействия в сочетании нагрузок; γf,k – коэффициент надежности по нагрузке от k-го воздействия; Nj,н,k – нормативная нагрузка; Rj,y – расчетное сопротивление

стали; Аj – площадь сечения колонны брутто; Nj,ф – фактическая несущая способность колонны в стойке.

Стержневые конструкции не должны обладать чрезмерным ресурсом устойчивости, но должны максимально соответствовать уровню безопасности, регламентированному в СП 53-102–2004. Для этого необходимо неравенство (1) заменить равенством (3):

Проверяя тождество (4) после выполнения инженерного расчета, знак равенства между сопоставляемыми величинами можно использовать при несущественном излишнем ресурсе устойчивости конструкции и при расхождении менее 5 %.

Для соблюдения тождества (4) коэффициенты φj, при проектировании стальных стержневых конструкций с небольшой гибкостью (λj ≤ 150), необходимо определять в зависимости от характеристик устойчивости (коэффициентов расчетных длин) μj,пл. Уточненные коэффициенты μj,пл позволяют учитывать перераспределение продольных изгибающих моментов.

Методика инженерных расчетов требует уточнения. В инженерных расчетах пока используются приближенные, в условиях дискретности сортамента металлопроката, коэффициенты μj,уп. В основу вычисления таких коэффициентов заложена теория упругой устойчивости стержневых систем. Поэтому они обозначены μj,уп. При определении характеристик μj,уп применяются различные методы, которые изложены в работах [2, 3, 4].

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

На ранней стадии исследований [5], выполненных в ЦНИИПСК им. Мельникова, широко использовались результаты решений упругопластической геометрически нелинейной задачи предельного равновесия. Привлекалась известная программа КАССАНДРА. Показано, что возможно варьирование значений коэффициентов расчетных длин j в достаточно широких пределах без изменения несущей способности стержневой конструкции. На основании проведенных исследований делаем следующие выводы: только имея результаты уточненного решения μj,пл, можно вполне обоснованно оценить корректность частных результатов μj,уп; результаты уточненного решения должны быть представлены в виде целого спектра взаимосвязанных между собой коэффициентов μj,пл.

В таблице дается классификация коэффициентов расчетных длин (характеристик устойчивости).

Что касается корректности приближенных коэффициентов μj,уп, их оценку можно осуществить путем сопоставления со значениями уточненных характеристик μj,пл для стержневых систем малой гибкости (λj ≤ 150).

Целесообразность выполнения в дальнейшем такого сопоставительного анализа обусловлена результатами исследований совместной работы элементов в центрально-