ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Бармотін Олександр Олександрович

УДК 624.012.45

МІЦНІСТЬ НОРМАЛЬНИХ ПЕРЕРІЗІВ ЗГИНАНИХ І ПОЗАЦЕНТРОВО СТИСНЕНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ З УРАХУВАННЯМ ЇХ ФОРМИ, РОЗМІРІВ І ХАРАКТЕРУ АРМУВАННЯ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі і споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Макіївка - 2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі технології, організації і охорони праці в будівництві Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Веретенников Віталій Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри технології, організації і охорони праці в будівництві

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дорофеєв Віталій Степанович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій

кандидат технічних наук, доцент

Корсун Володимир Іванович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури, докторант кафедри залізобетонних конструкцій

Ведуча організація: Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, кафедра залізобетонних конструкцій

Захист дисертації відбудеться “26” квітня 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01, у Донбаській державній академії будівництва і архітектури: (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, перший навчальний корпус, зал засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий “24” березня 2001 року.

Вчений секретар

спеціалізованої ради,

кандидат технічних наук, доцент А.М.Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Залізобетонні конструкції будівель і споруд відрізняються великою розмаїтістю форм, розмірів, видів і способів армування. Форми поперечного перерізу конструкцій найчастіше бувають прямокутні, таврові, круглі чи кільцеві, але можуть мати й інші обриси при наявності у конструкцій дефектів або пошкоджень. Висота нормальних перерізів залізобетонних конструкцій знаходиться в межах від декількох сантиметрів (у плит) до декількох десятків метрів (в інженерних спорудах, таких як димарі чи вентиляційні труби). Поздовжнє армування залізобетонних конструкцій може бути у вигляді ряду стержнів в розтягненій зоні, рівномірно розподіленим по периметру або висоті перерізу, а поперечне армування - у вигляді хомутів або сіток (непряме армування).

Перераховані фактори тією чи іншою мірою впливають на напружено-деформований стан (НДС) перерізів залізобетонних елементів, але не завжди враховуються при розрахунку за діючими нормами. Найбільш прийнятною для врахування розглянутих факторів є методика розрахунку міцності з використанням діаграм деформування бетону й арматури. Така методика розрахунку прийнята в Єврокоді і є досить обґрунтованою, але її окремі положення, пов'язані з урахуванням форм, розмірів і характеру армування нормальних перерізів, мають потребу в додатковому дослідженні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру виконані в рамках програми, що орієнтована на розробку нових державних будівельних норм з проектування бетонних і залізобетонних конструкцій, і при виконанні розділу “Дослідження і розрахунок конструкцій, які зводяться в сучасних опалубних системах” держбюджетної теми №

Метою досліджень є уточнення методики розрахунку міцності нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються і позацентрово стискуються, з урахуванням їх форми, розмірів і характеру армування.

Задачі досліджень:

-розробити методику експериментальних досліджень, що дозволяє випробувати зразки на стиснення із заданим розподілом деформацій по нормальному перерізу;

-одержати експериментальні дані впливу форми і розмірів стисненого перерізу на деформації найбільш навантаженої грані, величину і положення рівнодіючої нормальних напружень у бетоні;

-розробити рекомендації з аналітичного представлення діаграми деформування неоднорідно стисненого бетону при різних градієнтах деформацій, розмірах і формах поперечного перерізу;

-дослідити вплив поперечного і поздовжнього армування на НДС неоднорідно стисненого бетону на стадії, близькій до руйнування;

-одержати дані про особливості деформування нормальних перерізів залізобетонних елементів, що мають різне насичення розтягнутою арматурою;

-дати рекомендації з практичного застосування отриманих результатів при розрахунку міцності елементів, що згинаються і позацентрово стискуються.

Об'єкт досліджень. Згинани і позацентрово стиснуті залізобетонні елементи.

Предмет досліджень. Міцність нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються і позацентрово стискуються, при короткочасному навантаженні з урахуванням їх форми, розмірів і характеру їхнього армування.

Методи досліджень. Вивчення НДС нормальних перерізів залізобетонних елементів проводилося на зразках-моделях, виготовлених і випробуваних до руйнування в лабораторних умовах з використанням стандартного устаткування і ряду спеціальних експериментальних установок.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- розроблено пристосування до стандартного гідравлічного преса, що дозволяє в ході навантаження зразків витримувати прийнятий розподіл деформацій по перерізу;

- встановлено вплив градієнта деформацій, розмірів і форми поперечного перерізу на граничні деформації, на положення рівнодіючої і величину коефіцієнта повноти епюри напружень у неоднорідно стисненому бетоні;

- запропоновано аналітичний опис діаграми деформування бетону, що враховує градієнт деформацій, розміри і форму стисненого перерізу;

- одежано дослідні дані впливи поперечного армування, яке зроблено у вигляді хомутів, на міцність і деформативність бетону при позацентровому стисненні;

- запропоновано рекомендації з коректування діаграми деформування стисненого бетону при конструктивному (хомути) і непрямому (сітки) поперечному армуванні;

- установлено, що в залізобетонних елементах з багаторядним армуванням найбільш навантажені стержні проковзують у бетоні, порушується лінійність розподілу середніх деформацій в розтягненій арматурі по висоті перерізу;

- запропоновано рекомендації з урахування нелінійності розподілу середніх деформацій у розтягненій арматурі при теоретичному встановленні НДС і розрахунку міцності нормальних перерізів з використанням діаграм деформування бетону й арматури.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що виконані експериментальні дослідження і розроблені рекомендації дозволяють врахувати характер армування, розміри і форму при установленні НДС і розрахунку міцності нормальних перерізів залізобетонних конструкцій з використанням діаграм деформування бетону й арматури.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто отримані:

-пропозиції щодо удосконалення методики випробувань залізобетонних елементів на стиснення;

-дослідні дані впливу і рекомендації з урахування градієнта деформацій, висоти і форми поперечного перерізу на міцність і деформативність бетону при стисненні;

-результати досліджень впливу поздовжнього і поперечного армування на НДС бетону при осьовому і позацентровому стисненні;

-рекомендації з урахування впливу кроку, кількості і виду поперечної арматури на діаграму деформування бетону при стисненні;

-дослідні дані про розподіл середніх і дискретних поздовжніх деформацій бетону й арматури в елементах, що мають кілька рядів розтягненої арматури;

-пропозиції з урахування нелінійності розподілу середніх деформацій при розрахунку міцності нормальних перерізів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень доповідалися й обговорювалися на наукових конференціях Донбаської державної академії будівництва і архітектури (м. Макіївка 1996-2000 рр); на міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми будівництва” (м. Донецьк, 1997 р.); на міжнародній конференції “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону” (м. Київ, 1998 р.); на міжнародній конференції “Сталезалізобетонні конструкції” (м. Кривий Ріг, 2000 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 статей у наукових журналах і збірниках, з яких 2 роботи опубліковані без співавторів.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, п'ять розділів, основні висновки, список літератури з 148 найменувань на 15 сторінках і два додатки на 5 сторінках. Має 118 сторінок основного тексту, серед них 54 малюнки (22 сторінки) і 15 таблиць (9 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, показані наукова новизна і практичне значення роботи.

У розділі I аналізується стан питання і результати експериментально-теоретичних досліджень міцності і деформативності залізобетонних елементів, що згинаються і позацентрово стискуються. Зроблений огляд літератури з математичного опису діаграм деформування бетону й арматури, досліджень впливу розмірів і форми нормальних перерізів на міцність і деформативність бетонних і залізобетонних елементів, впливу поздовжнього і поперечного армування на НДС бетону при стисненні; з методик розрахунку міцності і деформативності залізобетонних елементів з використанням діаграм деформування бетону й арматури.

З аналізу робіт Базанта З.П., Байкова В.Н., Бамбури А.Н., Барашикова А.Я., Васильєва П.І., Горбатова С.В., Гущі Ю.П., Зака М.Л., Залесова А.С., Карпенка М.І., Леміша Л.Л., Мамедова Т.І., Мадатяна С.А., Мухамедієва Т.А., Саєнца Л.П., Яшина А.В., Ящука В.Є. встановлено, що найбільшою мірою вивчені залежності між напруженнями і деформаціями в бетоні й арматурі при осьовому навантаженні.

Дослідження Аубакірова Г.Т., Байкова В.Н., Белікова В.А., Веретенникова В.І., Вахненко П.Ф., Гущі Ю.П., Дехтярьова В.В., Дорофеєва В.С., Караваєва А.В., Корсуна В.І., Мамедова Т.И., Нелепова А.Р., Немировського Я.М., Семенова П.П., Пірадова А.Б., Попова Н.Н., Рискінда Б.Я., Узуна І.А., Чайки В.П., Чистякова Є.А., Ящука В.Я. та інших авторів показують, що на НДС бетону можуть впливати градієнт деформацій, форма і розміри стисненої зони. Встановлено, що параметри деформування бетону при осьовому і окремих волокон, при неоднорідному стисненні відрізняються. Запропоновано ряд варіантів з урахування впливу градієнта деформацій на параметри деформування бетону за рахунок коректування напружень і деформацій в вершині діаграми осьового стиснення, кута нахилу або довжини спадної вітки.

Істотно впливає на роботу залізобетону поперечне і поздовжнє армування. Дослідженнями Бакірова К.К., Васильєва А.П., Гвоздьова А.А., Маткова Н.Г., Мухамедієва Т.А, Кузовчикової Е.А., Рискінда Б.Я., Шорникової Г.И., Чистякова Є.А., Яшина А.В. та інших авторів встановлено, що поперечне армування у вигляді хомутів або сіток (непряме армування) підвищує міцність і граничну стисливість бетону при осьовому і позацентровому стисненні.

Роботи Байкова В.Н., Гущі Ю.П., Додонова М.І, Дорофеєва В.С., Залесова А.С., Карпенка М.І., Корсуна В.І., Леміша Л.Л., Паньшина Л.Л., Мухамедієва Т.А., Фоміна С.Л., Чистякова Є.А., Шагіна А.Л. присвячені питанню вдосконалення методики урахування пружнопластичних властивостей бетону й арматури при розрахунку міцності залізобетонних елементів. Разом з тим, відсутній єдиний підхід у вирішенні деяких питань, пов’язаних з встановленням параметрів діаграми деформування бетону при неоднорідному стисненні, критеріїв руйнування стисненої зони і залізобетонного перерізу в цілому. Має потребу в експериментальному підтвердженні передумова про лінійний розподіл середніх деформацій по висоті перерізів у залізобетонних елементах, що мають кілька рядів розтягненої арматури.

У розділі 2 обґрунтована необхідність вдосконалення методики випробування бетону на стиснення. З метою встановлення НДС стисненої зони залізобетонних елементів для проведення випробувань використовувалося пристосування до стандартного гідравлічного преса (рис.1) у вигляді чотирьох консолей, закріплених по двох кутах верхньої і нижньої плит пресу, і двох вертикальних тяг, шарнірно з'єднаних з консолями. Навантажуючи зразок силами N1, N2, N3, можна змінити величину і положення їх рівнодіючої, забезпечуючи бажаний розподіл деформацій по перерізу. У такий спосіб забезпечувалося навантаження зразка по фізичному центру ваги або моделювалася робота стисненої зони перерізу. Для виміру поздовжніх деформацій зразків замість традиційних рамок-тримачів були використані тензометри важільного типу, тому що рамки, особливо на стадії, близькій до руйнування, через розвиток поперечних деформацій в зразках, що випробуються, жолобляться і вносять похибка. Кріплення тензометрів здійснювалося гнучкою стрічкою, що створювало умови для незалежної роботи приладів. База виміру поздовжніх деформацій складала 2/3 висоти зразка. Порівняльний аналіз показав (рис.2), що розбіжність сум деформацій по гранях призм на стадії, що передує руйнуванню, по рамках складає 2-4.5а по тензометрах 1-2

У розділі 3 описана методика експериментальних досліджень бетонних і залізобетонних елементів, що згинаються і позацентрово стискуються. На позацентрове стиснення випробувалися бетонні і залізобетонні зразки з прямокутною, ромбовидною і сегментною формою поперечного перерізу. Прямокутні зразки-призми мали розміри 0.10х0.10х0.40 м, 0.15х0.15х0.60 м і 0.50х0.30х1.4 м. Зразки з ромбовидним перерізом являли собою призми з розміром перерізу 0.1х0.1 м і 0.15х0.15 м, які випробувались з градієнтом деформацій у напрямку однієї з діагоналей, тобто висота перерізу ромба складала 0.141 м і 0.212 м. Сегменти були частиною круга діаметром 0.50 м і мали висоту перерізу 0.1 м і 0.15 м.

Залізобетонні зразки були розподілені на три групи. Першу групу склали призми розміром 0.10х0.10х0.40 і 0.15x0.15x0.6 м, армовані тільки хомутами 3 мм і 4 мм з дроту Вр-I з кроком 0.08, 0.12, 0.15, 0.18 м. До другої групи були віднесені призми розміром 0.1х0.1х0.4 м, армовані просторовими в’язаними каркасами з двох поздовжніх стержнів, розміщених біля однієї грані, і хомутами з кроком 0.12, 0.15, 0.18 м. Поздовжні стержні прийняти з арматури класу А- III 8 мм ( =1.01), 10 мм ( =1.57) або 12 мм ( =2.26), хомути – з дроту 3 мм Вр-I. Третю групу склали призми розміром 0.15х0.15x0.6 м, армовані в’язаними каркасами з чотирьох поздовжніх стержнів 10 мм або 12 мм класу А-III ( =1.39, 2.01% відповідно) і хомутами 4 мм Вр-I із кроком 0.15 і 0.18 м. Зразки першої групи випробувалися на осьове і позацентрове стиснення, а другої і третьої - тільки на позацентрове. Усього було випробувано 189 бетонних і залізобетонних зразків.

У дослідах використовували бетон такого складу: цемент пластифікований М500 Амвросіївського цемкомбінату - 450 кг/м3; щебінь гранітний фракції 10-20 мм Каранського кар'єру -1128 кг/м3; пісок кварцовий Ямпольського кар'єру – 630 кг/м3; вода – 180 л/м3.

При проведенні випробувань ексцентриситет прикладання рівнодіючої зовнішніх стискальних сил коректувався в залежності від бажаного розподілу деформацій у перерізі. За цією ознакою бетонні і залізобетонні зразки були розподілені на три групи. Перша група зразків випробувалася на осьове стиснення (рис. 3а). Навантаження на зразки другої групи прикладалися таким чином, щоб на одній з граней деформації дорівнювали нулю (моделювалася стиснена зона залізобетонних елементів, рис. 3б), а на зразки третьої групи - таким чином, щоб переріз був повністю стиснений, а епюра деформацій являла собою трапецію (рис. в). Трапецієподібна епюра деформацій витримувалась таким чином, щоб умовна висота стисненого бетону Хк дорівнювала 0.15, 0.25 чи 0.50 м. Зразки навантажувалися з постійною швидкістю росту напружень з коректуванням розподілу деформацій на кожнім етапі.

Крім цього, були проведені випробування двох серій залізобетонних балок прольотом 2.18 м з розміром поперечного перерізу 0.12х0.24 м. Балки армувалися в’язаними каркасами. Поздовжня арматура (2 12 мм A-III) каркасів першої серії розташовувалася в одному ряді, а другої серії (6 10 мм A-III) - у трьох рядах. Хомути виконані з арматури 5 мм Вр-I.

Випробування залізобетонних балок виконувалися на спеціальному стенді. Навантаження прикладалися двома рівними за величиною силами в третинах прольоту. Середні деформації вимірювалися тензометрами важільного типу з базою 0.4 м у стисненому бетоні і з базою 0.6 м у розтягненій арматурі кожного стержня. Дискретні деформації бетону й арматури вимірялися тензорезисторами. Прилади на балках залишалися до руйнування.

У розділі 4 наведені результати експериментальних досліджень стисненої зони залізобетонних елементів. Встановлено, що при збільшенні висоти неармованих зразків, випробуваних за трикутною епюрою деформацій, коефіцієнт повноти епюри напружень і граничні деформації крайових волокон бетону зменшуються. Так, зі збільшенням висоти прямокутного перерізу від 0.10 до 0.50 м коефіцієнт зменшився на 7-9а деформації на -30-33(рис.4). У ромбовидних зразках із зростанням висоти перерізу від 0.142 м до 0.212 м коефіцієнт зменшився на 4-6%, а деформація - на 9-12У сегментних зразках зі зміною висоти перерізу від 0.1 м до 0.15 м коефіцієнт зменшився на 9-11а деформація - на 22-26У прямокутних зразках з висотою перерізу 0.15 м коефіцієнт був на 7-8більше встановленого на сегментних зразках з такою ж висотою перерізу і на 18-22менше отриманого при випробуванні ромбовидних зразків з висотою 0.142 м. Граничні деформації в прямокутних зразках були на 12-15% менше, ніж у сегментних, і на 24-28% менше, ніж у ромбовидних.

У зразках прямокутного перерізу при випробуваннях із трапецієподібною і трикутною епюрами деформацій, при рівних значеннях Хк, були близькі граничні деформації.

Для опису НДС нерівномірно стиснених бетонних елементів використовувалося аналітичне представлення діаграми бетону, запропоноване М.І.Карпенком:

, (1)

де - коефіцієнт зміни січного модуля:

. (2)

Параметри, що входять у (2), визначаються за формулами:

; (3) ; (4)

, (5)

де ; (6) ; (7)

; (8) ; (9) (10)

Виявилося, що для всіх випробуваних зразків дослідні значення деформацій, положення і величина рівнодіючої напружень у бетоні були близькі до теоретичних на тих етапах навантаження зразків, коли деформація крайового волокна була меншою, ніж гранична стисливість при осьовому стисненні (при ). При значеннях крайової деформації великих , спостерігалися розбіжності між дослідними і теоретичними даними, що свідчить про необхідність уточнення положення спадної вітки діаграми бетону. Коректування нахилу спадної вітки виконувалося введенням у (7) коефіцієнта Кh:

(11)

Порівняння дослідних і розрахункових даних показало, що якщо коефіцієнт Кh представити функцією параметра Хк, то можна домогтися хорошої збіжності між теоретичними і дослідними даними по зразках з усіма розглянутими формами перерізу і градієнтами деформацій (рис.4). Значення коефіцієнта Kh, який враховує висоту стисненого бетону Хк, пропонується визначати за емпіричною залежністю:

, (12)

де a1=-443.484; b1=1.558; c1=18.376; Хк , у м.

Діаграми стиснення бетону в залежності від Хк представлені на рис.5.

Дослідні дані щодо міцності і величини деформацій порівнювалися з теоретично обчисленими по чотирьох варіантах:

I варіант - по Єврокоду 2;

II варіант – по М.І.Карпенку (введення більш пологої спадної вітки) шляхом зміни коефіцієнта е1 у формулі (7):

; (13)

III варіант - по І.О.Узуну (підвищення напружень і деформацій в вершині діаграми деформування і обмеження граничних деформацій бетону);

IV - запропонований варіант, з коректуванням спадної вітки в залежності від Хк.

Нормальний переріз будь-якої форми вводили в розрахунок у дискретній формі – у вигляді набору i-го числа елементарних ділянок бетону з площадками Abi, на яких у процесі чисельного інтегрування напружень в бетоні вважали рівномірно розподіленими. По варіантахIV за розрахункове значення міцності приймалося максимальне значення рівнодіючої напружень у стисненому бетоні, а по варіантах I, III - значення рівнодіючої при деформаціях, що не перевищують встановлені. При трикутній епюрі деформацій розрахунок по варіантудає хорошу збіжність з дослідом для зразків з висотою перерізу близької до 0.15 м; по варіанту- гарну збіжність з дослідом для зразків з висотою перерізу 0.10 м; по варіанту- дає завищення міцності, у середньому на 8% для всіх зразків. Зі збільшенням висоти перерізу до 0.5 м точність розрахунків по варіантахі II знижується; при цьому по варіанту I похибка у визначенні міцності складає +5%, граничних деформацій +18%; - по варіанту– похибка за міцністю +10%, за граничними деформаціями +35%. Відхилення теоретичних даних від дослідних по варіантузнаходилося в межах від –3% до +4% за міцністю і від –8% до +9% за деформаціями для всіх зразків. Знак “+” означає завищення теоретичних данних по відношенню до дослідних.

Випробування на осьове і позацентрове стиснення призм, армованих хомутами, показали, що зі зменшенням кроку стержнів міцність і граничні деформації зрастають у порівнянні з характеристиками неармованих зразків. Особливо це помітно, коли крок хомутів менше 0.15 м. При осьовому стисненні зменшення кроку хомутів з 0.15 м до 0.08 м призводить до підвищення міцності залізобетонних призм у порівнянні з неармованими на 6-9%. Деформації таких зразків перевищують деформації бетонних на 11-17%.

Аналіз отриманих результатів, а також дослідів Кузовчикової Є.А. і Яшина А.В., Рискінда Б.Я. і Шорникової Г.І., виконаних на однорідно стиснених призмах перерізом від 0.2 м до 0.25 м, армованих хомутами, показав, що при однаковому армуванні більш високе значення міцності і граничних деформацій, у порівнянні з бетонними аналогами, спостерігалося у зразках, що мають менше значення відношення кроку хомутів s до площі бетону Aef, що знаходиться всередині контура хомутів. Відношення s/Aef характеризує геометрію обсягу бетону, охопленого хомутами.

При позацентровому навантаженні призм зменшення кроку хомутів від 0.18 м до 0.08 м призвело до підвищення міцності, у порівнянні з неармованими, на 7-10% при діаметрі хомутів 3 мм і на 10-13% при діаметрі 4 мм. Граничні деформації армованих призм перевищили деформації бетонних на 12-14%. При теоретичному аналізі дослідних даних зусилля Nдосл, що сприймається залізобетонним перерізом, умовно розділяли на зусилля, які сприймаються бетоном захисного шару Nb і бетоном, який укладено всередині контуру хомутів Nbw. Зусилля Nbw знаходили як різницю (Nдосл – Nb). Величину Nb визначали теоретично, використовуючи дослідне значення деформацій на етапі навантаження і діаграму деформування бетону, представлену залежностями (1)-(12). Спроба описати НДС бетону, укладеного між хомутами, за допомогою залежностей (1)–(14) показала, що для зразків з кроком хомутів більше 0.15 м це можливо, а для інших - необхідне коректування діаграми , яке враховуватиме складний напружений стан бетону. Діаграма деформування бетону, укладеного всередині контура хомутів, коректувалася коефіцієнтом , що підвищує величину напруження і деформації у вершині діаграми:

; (14) ; (15).

Значення коефіцієнта залежить від параметра , що враховує вплив на міцність і деформативність бетону таких факторів, як обсяг поперечної арматури в бетоні, міцність і деформативні властивості бетону й арматури, геометрію обсягу бетону, укладеного між хомутами. Значення і визначаються за формулами:

; (16) , (17)

де Еs – модуль поперечної арматури, МПа; Rb – призменна міцність бетону, МПа; - коефіцієнт, який враховує геометрію обсягу бетону між хомутами; - коефіцієнт поперечного армування.

; (18) ; (19) , (20)

де s – крок хомутів, м; def - діаметр кола, площею рівною площі Аef, м;

nx, Asx, lx – відповідно, число стержнів, площа перерізу і відстань між крайніми стержнями в одному напрямку; ny, Asy, ly – те ж, в іншому напрямку.

Запропонований варіант визначення міцності Rb,red порівнювали з розрахунком міцності елементів з непрямим армуванням, зробленим за п.3.22 CНиП 2.03.01-84*. Зіставлення показує, що запропонований варіант дає результат більш близький до досліду (рис.6). Відхилення розрахункової міцності бетону від дослідної для зразків, армованих хомутами, за запропонованим варіантом знаходилося в межах від –5% до +11%, а за СНИП .03.01.84* від –3% до +29%. Для зразків з непрямим армуванням відхилення розрахунку за запропонованим варіантом від досліду склало від –11% до +8%, а за СНиП .03.01-84 від –13% до +15%.

Випробування позацентрово стиснених зразків, армованих хомутами, показали, що їх НДС задовільно описується шляхом виконання двох коректувань діаграми деформування бетону: зміною кута нахилу спадної вітки і збільшенням напружень і деформацій у вершині діаграми для бетону всередині контура хомутів. Відхилення розрахункових значень міцності від дослідних не перевищує .

У розділі 5 представлені результати експериментально-теоретичних досліджень міцності згинаних і позацентрово стиснених залізобетонних елементів. При випробуванні згинаних і позацентрово стиснених елементів з однорядним армуванням яких-небудь відмінностей від загальновідомих закономірностей деформування під навантаженням виявлено не було. Середні деформації розподілялися по висоті перерізу лінійно. Бетон і арматура, які не перетиналися тріщиною, деформувалися спільно. Балки, що мають кілька рядів розтягненої арматури, крім загальних закономірностей мали особливості в деформуванні під навантаженням. Це насамперед зв'язано з розподілом деформацій по висоті перерізу. У балок з трирядним армуванням розподіл середніх деформацій бетону й арматури по висоті перерізу носить лінійний характер до стадії навантаження, при якій відносні деформації в крайніх розтягнених стержнях досягають значення . При подальшому навантаженні балок спостерігається нелінійний розподіл середніх деформацій у розтягненій арматурі (рис.7а). При досягненні в крайніх стержнях середніх деформацій відбулося їхнє різке проковзування в бетоні.

Рис. 7 Розподіл середніх (а) і дискретних у перерізі з тріщиною (б) деформацій бетона і арматури у балках з трирядним армуванням

- упосереджені значення деформацій бетону і арматури у балках-близнятах.

Деформації в перерізі з тріщиною зменшувалися (рис.7б), що рівноцінно появі на діаграмі арматури ділянки часткового розвантаження 1-2 (рис.8). Це явище для крайніх стержнів враховувалося коректуванням діаграми введенням спадної ділянки на величину дослідного проковзування . Описати таку діаграму зручно, використовуючи січний модуль деформації. Коефіцієнт зміни січного модуля на ділянці 1-2 визначається за формулою:

(21)

де , - напруження і коефіцієнт переходу від початкового до січного модуля деформацій для точки 1; , - те ж, для деякої точки на ділянці 1-2.

Значення визначається за діаграмою при значеннях деформацій в арматурі, рівних , що відповідає середнім деформаціям в дослідних елементах при проковзуванні арматури (рис. 7 а).

Установлені особливості деформування нормальних перерізів залізобетонних елементів, використані при уточненні методики розрахунку міцності згинаних і позацентрово стиснених залізобетонних елементів. Як базовий використаний варіант розрахунку, розроблений М.І.Карпенком і Т.А. Мухамедієвим. Основні передумови і допущення, які покладені в основу розрахунку, полягають в наступному:

-за розрахункові приймаються нормальні напруження в перерізі з тріщиною;

-зміни деформацій бетону й арматури по висоті перерізу поза тріщинами і середніми деформаціями арматури, яка перетинається тріщинами, відповідають гіпотезі плоских перерізів;

-напруження в арматурі, яка перетинається тріщиною, визначаються через значення її середніх деформацій за залежністю (коефіцієнт переходу від середніх деформацій до напруженнь арматури в перерізі з тріщиною).

Рис. 9. Розрахункова схема нормального перерізу (а), епюри деформацій (б),

напружень і зусиль у перерізі з тріщиною (в).

Рівняння рівноваги в нормальному перерізі елемента записуються у вигляді:

(22)

де , Abi, Xbi, Ybi – напруження в i-й елементарній ділянці бетону захисного шару площею Abi, з координатами Xbi, Ybi щодо осей X, Y; , Abj, Xbj, Ybj – те ж, у j-ій ділянці бетону, охопленого поперечною арматурою; , Ask, Xsk, Ysk – те ж, для к-го стисненого або не пересіченого нормальною тріщиною розтягненого арматурного стержня; ,sn, Xsn, Ysn – для n-го арматурного стержня, який перетинається нормальною тріщиною.

Систему рівнянь (22), виходячи з прийнятої схеми розподілу деформацій у перерізі з тріщиною (рис.8 б), можна представити в матричній формі:

(23) або , (24)

де - вектор-стовбець зовнішніх сил; - матриця твердості; - вектор-стовбець деформацій.

Розрахунок виконується ітераційним способом у наступному порядку:

- визначаються елементи матриці твердості для пружної стадії;

- вирішується система рівнянь (24) щодо кривизн kx, ky і деформацій ;

- за значеннями kx, ky, визначаються поздовжні деформації бетону й арматури по центру ваги елементарних ділянок і висота стисненої частини перерізу;

- за значеннями поздовжніх деформацій визначаються коефіцієнти зміни січних модулів , , , , відповідно для ділянок захисного шару, бетону, укладеного всередині контура хомутів, розтягненого бетону, для арматури, розташованої над тріщиною і пересіченої тріщиною (рис. 8);

-коефіцієнти , коректуються на спадній вітці за формулою (7) коефіцієнтом Kh; коефіцієнт уточнюється за формулою (7) і за рахунок введення в формулу (10) коефіцієнта : ; (25)

- перехід від середніх деформацій в арматурі до напружень у перерізі з тріщиною здійснюється через коефіцієнт , що визначається з урахуванням пропозицій В.І. Мурашева: ; ` (26)

-для балок з арматурою, що проковзує, при визначенні середні деформації приймалися не фактичні, а відповідні умовно лінійному розподілу по висоті перерізу елемента;

-уточнюються елементи матриці твердості і розрахунок повторюють з другого пункту.

Значення складових вектора деформацій при ітераційному розрахунку збільшуються в міру збільшення непружних деформацій у бетоні й арматурі і, якщо міцність нормального перерізу забезпечена, вони досягають деяких кінцевих значень, після чого збільшення складових вектора деформацій згасають і стають менше деякого заздалегідь заданого малого числа.

Зіставлення значень міцності згинаних і позацентрово стиснених елементів, отриманих у дослідах В.Н. Байкова, В.І. Веретенникова, Є.А. Чистякова й автора, з теоретичними, установленими за запропонованою методикою, показало їхню задовільну збіжність.

Результати роботи прийняті Державним науково-дослідним інститутом будівельних конструкцій м. Київ і Донецьким інститутом “ПромбудНДІпроект” для розробки норм по проектуванню і розрахунку залізобетонних конструкцій, а також використані при оцінці несучої здатності пошкоджених колон ливарного цеху Макіївського труболиварного заводу.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

АНОТАЦІЯ

Бармотін О.О. Міцність нормальних перерізів згинаних і позацентрово стиснених залізобетонних елементів з урахуванням їх форми, розмірів і характеру армування. – Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі і споруди. – Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2001.

Дисертація присвячена вивченню напружено-деформованого стану нормальних перерізів залізобетонних елементів з урахуванням розмірів і форми стиснутої зони і розташування подовжньої і поперечної арматури. Удосконалено методику експериментальних досліджень міцності і деформативності стиснутих залізобетонних елементів. Отримано дослідні дані і розроблені рекомендації з впливу градієнта деформацій, форми і розмірів нормального перерізу і поперечного армування на параметри діаграми деформування бетону при стисненні. Експериментально встановлено нелінійний розподіл середніх деформацій у залізобетонних елементах, що мають більш одного ряду розтягнутої арматури.

Запропоновано рекомендації з удосконалення методики розрахунку міцності залізобетонних елементів з використанням діаграм деформування бетону й арматури.

Ключові слова: діаграма деформування бетону, напружено-деформований стан, граничні деформації бетону, стиснута зона, спадна вітка, неоднорідний стиск, міцність, поперечне і подовжнє армування.

АННОТАЦИЯ

Бармотин А.А. Прочность нормальных сечений изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных элементов с учетом их формы, размеров и характера армирования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования Украины, Макеевка, 2001.

Диссертация посвящена исследованию влияния размеров, форм сжатой зоны и расположения продольной и поперечной арматуры на напряженно-деформированное состояние нормальных сечений железобетонных элементов.

На основании проведенных экспериментально-теоретических исследований разработаны предложения по уточнению метода расчета прочности нормальных железобетонных элементов с использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры.

В первой главе анализируется состояние вопроса и результаты экспериментально-теоретических исследований прочности и деформативности внецентренно сжатых и изгибаемых железобетонных элементов. Выполнен обзор литературы по математическому описанию диаграмм деформирования бетона и арматуры; исследованиям влияния размеров и формы нормальных сечений на прочность и деформативность бетонных и железобетонных элементов; влиянию продольного и поперечного армирования на напряженно деформированное состояние бетона при сжатии; по методикам расчета прочности и деформативности железобетонных элементов с использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры. Изложены основные задачи исследований.

Во второй главе обоснована необходимость совершенствования методики испытания внецентренно сжатых элементов и, в том числе, измерения продольных деформаций. Разработано приспособление к стандартному гидравлическому прессу, позволяющее в ходе нагружения образцов выдерживать принятое распределение деформаций по сечении.

В третьей главе приведена методика испытания бетонных и железобетонных элементов при сжатии и изгибе.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния градиента деформаций, размеров и формы нормального сечения на диаграмму деформирования неоднородно сжатого бетона. Дана качественная и количественная оценка влияния поперечного и продольного армирования на прочность и деформативность бетона. Разработаны рекомендации по теоретическому описанию диаграммы деформирования бетона с учетом высоты сжатой части сечения, шага и диаметра поперечной арматуры.

В пятой главе приведены опытные данные по распределению средних и дискретных деформаций бетона и арматуры внецентренно сжатых и изгибаемых элементах. Установлена возможность проскальзывания крайнего наиболее нагруженного стержня в элементах с многорядным армированием.

Разработаны рекомендации по учету этого явления, а также градиента деформаций и поперечного армирования на НДС сжатой зоны сечений при расчете нормальных сечений с использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры.

Ключевые слова: диаграмма деформирования бетона, напряженно-деформированное состояние, предельные деформации бетона, сжатая зона, нисходящая ветвь, неоднородное сжатие, прочность, поперечное и продольное армирование.

Abstract

Barmotin A. A. Durability of normal sections of bending and eccentrically compressed reinforced-concrete members according to their shape, dimensions and reinforcement character. – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Science on a speciality 05.23.01 – Building constructions, buildings and structures. – Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makeyevka, 2001.

Thesis is devoted to the investigation of stressedly deformed condition of normal sections of bending and eccentrically compressed reinforced-concrete members according to dimensions and shape of compressive area and arrangement of longitudinal and transversal reinforcement. There had been improved and perfected character of experimental researches of durability and deformability of compressive reinforced concrete elements. There had been received experimental data and had been elaborated recommendations regarding deformation gradient influence, shape and dimensions of normal section and transversal reinforcement at compression of the parameters of strain diagram. There had been established possibility of the most loaded rod slipping in elements of multiserial reinforcement.

There had been worked out some recommendations for perfecting design procedure for reinforced concrete member durability using strain diagrams of concrete and reinforcement.

Key words: concrete strain diagram, stressedly deformed condition, limiting concrete deformation, compressive area, descending branch, inhomogeneous compression, durability, longitudinal and transversal reinforcement.