ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

ЯХІН Сергій Валерійович

УДК 624.015.5

згинальні НЕСУчІ КОНСТРУКЦІЇ ЗІ СТАЛЕВИХ ДВОТАВРІВ

ІЗ ПОРОЖНИНАМИ, ЗАПОВНЕНИМИ БЕТОНОМ

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі конструкцій із металу, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Стороженко Леонід Іванович,

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор

Чихладзе Елгуджа Давидович,

Харківська державна академія залізничного

транспорту, завідувач кафедри будівельної

механіки і гідравліки

кандидат технічних наук, доцент

Роговий Станіслав Іванович,

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Провідна установа – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться ”21” січня 2003 р., о 1300, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Полтавського національного технічного університету ім. Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий ”16” грудня 2002 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради В.В. ЧернявськийЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зменшення матеріалоємності несучих конструкцій є головною проблемою сучасного будівництва. Цього можна досягти, застосовуючи високоміцні й ефективні матеріали, створюючи нові конструктивні форми поперечних перерізів. Одним із можливих шляхів зменшення матеріалоємності несучих елементів є раціональне поєднання прокатних профілів та залізобетону. Ефективність конструкцій, що згинаються, зі сталезалізобетону порівняно з традиційними залізобетонними забезпечується за рахунок більш ефективного використання жорсткої арматури шляхом розміщення її на всю висоту перетину. Це дає можливість збільшити робочу висоту перетину й одержати відповідний приріст міцності та жорсткості або зменшити розміри поперечного перетину конструкції. Доцільність використання сталезалізобетонних конструкцій у практиці будівництва неодноразово відзначена на міжнародних симпозіумах і конференціях, а також підтверджена досвідом їх широкого практичного застосування в усьому світі. Однак дотепер не розв'язані проблеми проектування цих конструкцій, які полягають у визначенні кількості арматури, розмірів поперечного перерізу та способів армування складних конструктивних елементів. Існують лише рекомендації до розрахунку окремих видів конструкцій, за рівнем розвитку котрі значно відстають від методів розрахунку залізобетонних елементів. Для підвищення ефективності та більш широкого розповсюдження конструкцій із армуванням сталевими профілями, розміщеними на всю висоту перетину, необхідне розроблення теорії і методів їх розрахунку. Вищевикладене визначає актуальність теми дисертаційної роботи й дозволяє кваліфікувати дослідження опору елементів зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, дії згинаючого моменту і поперечних сил та розробленням методів їх розрахунку як наукову задачу, що має велике народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконана робота являє собою частину загальної наукової програми досліджень за темою “Дослідження напружено-деформованого стану та впровадження у будівництво сталезалізобетоних конструкцій” кафедри конструкцій із метала, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Мета і задачі дослідження. Розробити методику оцінки напружено - деформованого стану та розрахунку міцності при дії згинального моменту і поперечної сили балок зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі поставлені такі задачі:

1. Обґрунтувати та розробити нові способи армування бічних порожнин сталевих двотаврів.

2. Провести експериментальні дослідження несучої здатності й деформативності запропонованих конструкцій із використанням бетонів різних класів за міцністю та різних способів армування.

3. Розробити чисельні методи оцінювання напружено-деформованого стану і розрахунку міцності дослідних конструктивних елементів.

Об'єкт дослідження – балки із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Предмет дослідження – напружено - деформований стан та міцність при дії згинального моменту і поперечної сили.

Метод дослідження – проведення експериментальних та теоретичних досліджень напружено - деформованого стану й міцності при дії згинального моменту та зусиль зсуву.

Наукову новизну одержаних результатів становлять:

1. Запропоновані нові способи армування бокових порожнин сталевих двотаврів, що забезпечують спільну роботу бетону та сталевого профілю.

2. Експериментально встановлені характерні форми руйнування зразків балок із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном.

3. Визначення впливу різних схем армування та різних класів бетону за міцністю на деформативність і несучу здатність елементів, що досліджувалися.

Практичне значення одержаних результатів досліджень:

1. Розроблена методика та програма моделювання напружено-деформованого стану сталезалізобетоних балок на ПЕОМ.

2. Подані пропозиції щодо інженерного методу розрахунку і конструювання сталезалізобетоних балок.

3. Запропоновані для впровадження у виробництво несучі конструкції, що працюють на згин.

Впровадження. Запропонована методика розрахунку і конструювання застосована: під час проектування балок прогоном 15 м пішохідної галереї на Полтавському комбікормовому заводі; при проектуванні сталезалізобетонного ригеля прогоном 22 м Державним проектним інститутом “Міськбудпроект” для реконструкції кінотеатру “Полтава”; при проектуванні сталезалізобетонних ригелів прогоном 12 м для реконструкції приміщень будинку по вул. Пролетарській, 56, у м. Кременчуці.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі автору належать: нові способи армування сталезалізобетонних елементів, що згинаються; результати експериментальних досліджень та їх аналіз; запропонований і розроблений метод оцінювання напружено-деформованого стану й переміщень балок зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, при дії згинаючого моменту і поперечної сили на ПК за допомогою методу кінцевих елементів з урахуванням реальних діаграм деформування матеріалів та пропозиції до інженерного методу розрахунку.

Апробація результатів дисертації. Результати експериментально-теоретичних досліджень доповідалися й обговорювалися в період 1998-2001 рр. на наукових семінарах і науково-практичних конференціях викладачів, аспірантів та студентів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка й доповідалися на VII Українській науково-технічній конференції „Металеві конструкції” (Дніпропетровськ – 2000 р.).

Публікації. З теми дисертації опубліковано 5 робіт, у тому числі 4 у збірниках наукових праць та 1 за матеріалами конференції.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Обсяг дисертації – 151 сторінка, у тому числі 44 рисунки, 10 таблиць і 32 сторінки додатків. Список використаних джерел складається із 152 найменувань на 17 сторінках.

основний ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячений вивченню існуючих типів сталебетонних конструкцій і методів їх розрахунку. Питання теорії розрахунку конструкцій із зовнішнім армуванням і зв'язаних із ними комбінованих конструкцій розглянуті в роботах О.Я.Берга, О.О.Гвоздєва, Г.А.Генієва, О.А.Долженка, В.І.Єфіменка, О.І.Кікіна, Ф.Є.Клименка, Л.К.Лукші, Г.П.Передерія, В.О.Пермякова, В.А.Росновського, Р.С.Санжаровського, Л.І.Стороженка, В.М.Сурдіна, М.М.Стрєлецького, В.А.Трулля, Е.Д.Чихладзе, О.Л.Шагіна, О.В.Шимановського, В.М.Фонова й інших. У даних роботах досить широко висвітлені проблеми сталезалізобетону, але значна кількість практично і теоретично важливих задач усе ще вимагає вирішення. Зокрема, не вивчені питання розрахунку й конструювання елементів зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном. Базуючись на вивченні нових напрямків в галузі удосконалення будівельних конструкцій, важливо відмітити перспективність використання різних варіантів зовнішнього армування, яке одночасно виконує силові, захисні, ізоляційні та технологічні функції. Практика використання сталезалізобетоних конструкцій у будівництві вказує на те, що при великих навантаженнях та обмежених розмірах перерізу вони мають переваги перед іншими типами конструкцій. У кінці розділу сформульовані завдання дослідження.

Другий розділ присвячений розробленню конструкції дослідних зразків, програмі експериментальних досліджень їх несучої здатності при згині та визначенні фізико-механічних властивостей матеріалів.

Для одержання експериментальних результатів, що дадуть можливість із достатньою мірою судити про особливості роботи конструкцій із сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими армованим бетоном, запроектовані наступні зразки (табл. 1):

- сталеві елементи із двотаврів серії Б-І (рис. 1,а; 2,а);

- елементи зі сталевих двотаврів із заповненими порожнинами із застосуванням бетонів трьох різних класів за міцністю, армованих звареними арматурними каркасами з поздовжньою арматурою періодичного профілю трьох діаметрів і П - подібними хомутами, привареними до стінки двотавра – серія Б-ІІ (рис. 1,б; 2,б);

- елементи із застосуванням бетонів різних класів за міцністю, армованих звареними арматурними каркасами з поздовжньою арматурою періодичного профілю, привареною до внутрішніх граней полиць, трьох діаметрів із поперечним армуванням вертикальними хомутами – серія Б-ІІІ (рис. 1,в; 2,в);

- елементи, армовані звареними арматурними каркасами з поздовжньою арматурою періодичного профілю, привареною до внутрішніх граней полиць, трьох діаметрів і зиґзаґоподібним поперечним армуванням – серія Б-ІV (рис. 1,в; 2,г);

Рис 1. Схеми поперечного перерізу дослідних зразків:

а) серія Б-I; б) серія Б-II; в) серія Б-III і Б-IV

Рис. 2. Схеми армування бокових порожнин зразків:

а) серії Б-I; б) серії Б-II; в) серії Б-III; г) серії Б-IV

Таблиця 1

Характеристики сталезалізобетонних зразків

Серія Зона чистого згину, см Розтягнута арматура Захисний шар Клас бетону за міцністю, В

nґds, мм as, см as?, см

Б-ІІ-1 50 2Ж14А-IІІ 3.0 3.0 25

Б-II-2 140 2Ж14А-IІІ 3.0 3.0 25

Б-ІІ-3 50 2Ж18А-IІІ 3.0 3.0 20

Б-ІI-4 140 2Ж18А-IІІ 3.0 3.0 20

Б-ІІ-5 50 2Ж18А-IІІ 3.0 3.0 25

Б-ІІ-6 140 2Ж18А-IІІ 3.0 3.0 25

Б-ІІ-7 50 2Ж18А-IІІ 3.0 3.0 30

Б-ІІ-8 140 2Ж18А-IІІ 3.0 3.0 30

Б-ІІ-9 50 2Ж22А-IІІ 3.0 3.0 25

Б-ІI-10 140 2Ж22А-IІІ 3.0 3.0 25

Б-ІІІ-1 50 2Ж14А-IІІ 1.6 1.3 25

Б-ІІI-2 140 2Ж14А-IІІ 1.6 1.3 25

Б-ІІІ-3 50 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 20

Б-III-4 140 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 20

Б-ІІІ-5 50 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 25

Б-IІІ-6 140 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 25

Б-ІІІ-7 50 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 30

Б-ІІІ-8 140 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 30

Б-ІІІ-9 50 2Ж22А-IІІ 2.0 1.3 25

Б-ІІI-10 140 2Ж22А-IІІ 2.0 1.3 25

Б-ІV-1 50 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 25

Б-IV-2 140 2Ж18А-IІІ 1.8 1.3 25

У всіх елементах в стиснутій зоні використовувалася стиснута арматура Ж10 А-ІІІ і хомути з арматури Ж6 А-I із кроком 100 мм. Арматура в розтягненій зоні, в залежності від серії, прийнята Ж14...22 А-ІІІ. Всі зразки мали довжину 2м. Для одержання даних про фізико-механічні властивості матеріалів зразків була використана стандартна методика їх випробування. Зразки досліджувались на дію короткочасного навантаження в лабораторії кафедри КМДіП Полтавського національного технічного університету імені Ю.Кондратюка. Навантаження від гідравлічних домкратів передавалося через траверсу у вигляді двох зосереджених сил так, що в середині прогону виникала зона чистого згину. Деформації при цьому вимірялися за допомогою індикаторів годинникового типу й електротензорезисторів. Показання з електротензорезисторів знімалися за допомогою приладу АИД-4. Прогини вимірялися прогиномірами Максимова в середині прогону.

У третьому розділі дисертації подані результати проведення досліджень напружено-деформованого стану та міцності нормальних і похилих перетинів експериментальних зразків при дії навантаження, а також відзначалися особливості виникнення й розвитку нормальних і похилих тріщин, характер розподілу деформацій по висоті перетинів та довжині елементів, інтенсивність зростання прогинів. Відповідно до прийнятої методики проведення досліджень несучої здатності і деформативності елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, із метою виключення впливу зусиль зрізу, вимірювання деформацій проводилося в зоні чистого згину, що складала 50 см.

У результаті випробувань на дію згинаючого моменту отримані діаграми розподілу деформацій по довжині елемента на рівні розтягнутої арматури, по висоті перетину і графіки прогинів, деякі з них наведені на рис. 3, 4, 5.

На поданих графіках (рис. 3) можна виділити дві ділянки, що плавно переходять одна в одну. Перша ділянка лінійна, друга – нелінійна, перехід до якої намітився після досягнення в крайніх волокнах двотавра границі пружності сталі. У сталезалізобетонних зразках перші тріщини з'являлися при навантаженні, що дорівнювало 0,2...0,3Мu у середній частині прогону. При навантаженнях 60-70% від руйнівних відзначався початок розвитку похилих тріщин під кутом 40-45° до поздовжньої осі елемента в зоні дії поперечної сили між місцем прикладання навантаження й опорою. При навантаженнях 70–75% від руйнівних був відзначений початок плинності крайніх волокон сталевого двотавра, який спостерігався аж до руйнування, та елемент усе ще міг сприймати зростаюче навантаження за рахунок роботи бетону стиснутої зони і поздовжньої арматури, в якій деформації відповідні межі плинності, вищі, ніж у двотавра.

Подальше збільшення навантаження приводило до значного зростання деформацій та прогинів, які досягали до 1/100 прогону конструкції. Руйнування всіх балок відбувалося в цілому однаково, характеризуючись різким розкриттям вертикальних тріщин, розвитком їх догори перетину, значним зростанням прогинів до 3 см і руйнуванням стиснутої зони бетону на середній ділянці між місцями або під місцем прикладання зусиль. Крихкого руйнування зразків не відзначено.

Рис. 3. Залежність між деформаціями двотавра та згинальним моментом

у крайніх волокнах випробуваних зразків

Рис. 4. Розподіл деформацій по довжині зразка Б-II-9

на рівні розтягнутої арматури

Рис. 5. Розподіл деформацій по висоті перетину зразка Б-II-9

Рис. 6. Прогини балок при випробуванні на дію згинаючого момента:

а) серії Б-II; б) серії Б-III та Б-IV

До моменту руйнування бетону стиснутої зони заміряні деформації сталевого профілю в 2-3 рази перевищували межу пружності і складали 500...700ґ10-5, деформації стиску бетону при цьому становили 250...400ґ10-5 відносних одиниць.

При проведенні експериментальних досліджень несучої здатності за нормальними перетинами визначалися навантаження відповідно до моменту утворення тріщин Mcrc, моменту початку плинності сталевого двотавра My, максимальному навантаженню, яке сприймає елемент Mu та момент Mf, що викликає прогин елемента, рівний 1/250 прогону.

Експериментальні значення несучої здатності досліджених зразків, які відповідають початку плинності сталевого двотавра, збільшуються в сталезалізобетоних зразках порівняно зі сталевим на 43% для серії Б-II, 44% для серії Б-III та Б-IV. Момент, відповідний максимальному навантаженню, що сприймає елемент, збільшується на 64% для зразків серії Б-II, 65% для зразків серії Б-III і 71% для зразків серії Б-IV. Збільшення жорсткості елемента, завдяки заповненню бічних порожнин бетоном, на 36% для зразків серії Б-II, 41% для зразків серії Б-III та 46% для зразків серії Б-IV. Руйнування відбувалося пластично, про що свідчить різниця між моментом виникнення пластичних деформацій у двотаврі та моментом руйнування, що складає 43% для зразків серії Б-II, 42% для зразків серії Б-III і 50% для зразка серії Б-IV.

Дослідження несучої здатності похилого перетину проводилося при плечі зрізу, рівному 300 мм, що відповідає 1,5 висоти перетину елемента.

На початку роботи балок у зоні дії поперечної сили в бетоні і сталевому двотаврі виникають переважно пружні деформації. Графіки залежності прогинів від навантаження на даній стадії – прямолінійні. Інтенсивність зростання деформацій і прогинів пропорційна міцності бетону бічних порожнин. Із подальшим збільшенням навантаження в дослідних балках утворювалися перші тріщини на ділянці дії поперечних сил і розвивалися по похилому напрямку від опор до місць прикладання навантаження. Ці тріщини ставали видимими при навантаженнях, що складають 30...35% від руйнівних. Однак за показаннями ряду електротензорезисторів, установлених на бічних гранях, у зоні зрізу виникнення тріщин відзначалося при навантаженнях 25...30% від руйнівних. При подальшому збільшенні навантаження відбувався поступовий розвиток цих тріщин. Одночасно з цим відбувалось утворення вторинних тріщин. При навантаженнях, що складали 50...60% руйнівних, відбувалось утворення нормальних тріщин, викликаних дією згинаючого моменту. До моменту руйнування в зонах дії поперечних сил утворювалася велика кількість похилих тріщин, що поширюються від опор до стиснутої зони під місцем прикладання зусиль.

Руйнування балок характеризувалося розкриттям похилих тріщин і роздробленням стиснутої зони бетону під місцем прикладання зусиль. Одночасно вздовж бічних граней балок спостерігалося руйнування бетону по напрямку головних стискаючих напружень. Значного впливу способу й кількості поздовжньої арматури на несучу здатність від дії зусиль зрізу не відзначено. Головним фактором була міцність бетону заповнення бічних порожнин.

При проведенні досліджень несучої здатності похилого перетину визначалося навантаження відповідно: утворенню похилих тріщин Qcrc, початку плинності сталевого двотавра Qy, максимальному навантаженню, що сприймає елемент Qu.

Навантаження, що відповідають початку плинності крайніх волокон сталевого двотавра від дії зусиль зсуву, збільшується в сталезалізобетоних зразках на 47% для серії Б-II, 48% для серії Б-III і Б-IV. Зусилля, відповідне максимальному навантаженню, збільшується на 51% для зразків серії Б-II, 55% для зразків серії Б-III і Б-IV. Різниця між зусиллям, що викликає виникнення пластичних деформацій двотавра і моментом руйнування склала 11% для зразків серії Б-II, 13% для зразків серії Б-III і 14% – для зразків серії Б-IV.

У четвертому розділі наведений алгоритм розрахунку сталезалізобетонних конструкцій зі сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном за методом скінчених елементів (МСЕ), який є інструментом для розрахунку різних конструкцій, а також пропозиції щодо уточнення інженерного методу розрахунку. На основі розробленого алгоритму розрахунку складена програма розрахунку для ПК мовою “Delphi”. Блок-схема розрахунку наведена на рис. 7.

Точність розрахунку за запропонованою математичною моделлю сталебетонних конструкцій цілком залежить від точності вхідної інформації про фізико-механічні характеристики матеріалів. Для врахування непружних властивостей бетону, сталевого профілю і стрижневої арматури запропоновано використовувати їхні реальні діаграми деформування з урахуванням спадаючої гілки. З метою розв'язання даної проблеми розроблені алгоритми для визначення напружень у сталі та бетоні. Фізична нелінійність деформування сталі й бетону врахована за допомогою послідовних наближень з уточненням січних модулів деформацій скінчених елементів відповідно до їхніх реальних діаграм деформування. При розрахунку за МСЕ конструкція розбивається на окремі геометричні елементи. Розрахункова схема прийнята плоскою. Бетон і стінка сталевого профілю приймається як пластини товщиною tі, арматурні стрижні та полки профілю прийняті як стержні з площею перерізу Asi, що з'єднуються в окремих граничних точках, які називаються вузлами, де дотримуються умови рівноваги й нерозривності переміщень.

Зовнішнє навантаження прикладене у відповідні вузли, його зростання виконується східчасто, при цьому на кожнім етапі обчислюються деформації ex, ey і напруження sx, sy у скінчених елементах та прогини з коригуванням січних модулів до заданої точності й перевіркою міцності матеріалів. При перевищенні несучої здатності будь-якого матеріалу відбувається повернення на половину кроку збільшення навантаження і розрахунок ведеться до досягнення необхідної точності визначення навантажень.

Результатами розрахунку є exi, eyi, sxi, syi, Ei для всіх скінчених елементів, що визначались на кожнім етапі розрахунку, а також прогин fmax та граничні навантаження. Також розроблено метод, який формується на основі методу розрахунку залізобетонних конструкцій із жорстким армуванням. При розгляді напружено-деформованого стану елементів зі сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном прийняті наступні передумови:

дотримується гіпотеза плоских перетинів;

- дотримуються умови статики:

, ; (1)

- опір бетону розтягу приймається рівним нулю;

- опір бетону стискові умовно представляється напруженнями, розподіленими по висоті стиснутої зони, рівними Rb (рис. 8) (помноженими, у необхідних випадках, на коефіцієнти умов роботи);

- напруження у жорсткій і гнучкій арматурі приймаються не більші від розрахункових опорів розтягу Ry та Rs (помноженими, у необхідних випадках, на коефіцієнти умов роботи). Розподіл напружень у двотаврі приймається за схемами „А” або „Б” (рис.8).

Рис. 8. Випадки розподілу внутрішніх зусиль

у нормальному перетині

Згідно зі схемами внутрішніх зусиль (рис. 8) з рівності (1) висота стиснутої зони перетину визначається за формулою:

, (3)

де As,red – сума приведених площ жорсткості і гнучкої арматури;

Ss,red – статичний момент площі As,red відносно крайнього стиснутого волокна;

дt – товщина стінки двотавра.

Подальший розрахунок міцності елемента доцільно проводити у відповідності з посібником із проектування залізобетонних конструкцій із жорсткою арматурою.

Для випадку А:

, (4)

де Wsr red – приведений момент опору жорсткої арматури відносно нейтральної вісі перетину.

Для випадку Б:

(4)

де Wpl – пластичний момент опору жорсткої арматури щодо вісі, яка поділяє перетин на дві рівновеликі площини; для двотаврів

Wpl = 1.17Wel, де Wel – "пружний" момент опору;

(r-x)2dt – виправлення до Wpl, рівного пластичному моментові опору частини стінки профілю арматури між нульовою лінією перетину і центральною віссю профілю арматури.

При розрахунку похилих перетинів на дію поперечної сили граничні зусилля визначаються з наступних передумов:

- розрахунковий похилий перетин приймається під кутом 45° до поздовжньої осі елемента;

- у розрахунок уводиться вся поперечна гнучка арматура й стінка профілю, що пересічені похилим перетином.

- поперечне зусилля в бетоні над похилою тріщиною визначається залежно від його розрахункового опору розтягу Rbt, робочої висоти і розмірів перетину.

Несуча здатність стінки профілю та хомутів до моменту руйнування по похилих перетинах використовується цілком (до межі пружності). Розрахунок міцності похилих перетинів за поперечною силою не роблять, якщо дотримується одна з умов:

. (5)

. (6)

Міцність похилих перетинів по поперечній силі перевіряють за умовою рівноваги SY= 0,

. (7)

Теоретичні значення руйнівних навантажень досліджуваних сталезалізобетонних елементів, що згинаються, отримані за запропонованими методами розрахунку з використанням МКЕ й інженерному методу мають розбіжності з експериментальними значеннями в межах 6% та 9% відповідно.

У п'ятому, завершальному, розділі описаний досвід проектування запропонованих конструкцій із метою оцінювання ефективності їхнього застосування при будівництві будівель і споруд.

Запропонована методика розрахунку та конструювання використана під час проектування балок прогоном 15 м пішохідної галереї на Полтавському комбікормовому заводі по вул. М.Бірюзова. Пропозиції до конструювання і розрахунку були використані при проектуванні сталезалізобетонного ригеля прогоном 22 м Державним проектним інститутом “Міськбудпроект” для реконструкції кінотеатру “Полтава” по вул. Жовтневій в м. Полтава. Пропозиції до конструювання і розрахунку також були використані при виготовленні сталезалізобетонних ригелів прогоном 12 м для реконструкції приміщень будинку по вул. Пролетарській у м. Кременчуці.

Проведені порівняння запропонованих варіантів конструктивних рішень із застосуванням балок зі сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном, із первісними проектними конструкціями. При цьому показано, що застосування сталезалізобетонних балок дозволяє досягти економії матеріалів (до 20%) або знизити вагу конструкції (до 60%).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У роботі викладено результати експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану й міцності елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, при дії згинаючого моменту і поперечних сил.

Проведений аналіз отриманих результатів дає можливість зробити такі висновки:

1. Аналіз існуючих методів розрахунку сталебетонних конструкцій показав, що питання розрахунку сталебетонних елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, вивчені недостатньо.

2. Уперше проведені експериментально-теоретичні дослідження міцності нормальних і похилих перетинів балок зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, залежно від процентного вмісту і способу закріплення поздовжньої арматури, а також класу бетону при короткочасній дії навантаження.

3. Експериментальні дослідження сталезалізобетонних балок показали, що заповнення бічних порожнин двотавра залізобетоном дозволяє збільшити несучу здатність сталевого профілю при згині на 30-40%, а при зрізі на 40-50% порівняно із сталевим елементом, а також визначені особливості їх роботи та руйнування при дії навантаження.

4. Розроблена методика та програма розрахунку на ПК із застосуванням методу скінчених елементів та з урахуванням впливу фізичної нелінійності при деформуванні матеріалів на міцність і деформативність конструкцій дозволив теоретично описати особливості роботи досліджуваних елементів під дією навантаження. Розрахунок з використанням МСЕ дає змогу одержати дані про несучу здатність і деформативність, що відрізняються високою точністю.

5. Запропонований інженерний метод розрахунку дозволяє з достатньою точністю визначити несучу здатність по нормальних і похилих перетинах, а також обчислити прогини елемента;

6. Результати проектування і техніко-економічне порівняння з відомими конструкціями, що згинаються, дали можливість оцінити доцільність застосування конструкцій зі сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном, у будівництві, а також показали, що сталезалізобетонні конструкції значно ефективніше від залізобетонних, тому що дозволяють зменшити розмір поперечного перерізу і тим самим знизити масу конструкції.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

ОПУБЛіКОВАНі В РОБОТАХ:

1. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Згинальні несучі конструкції із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном. // Зб. “Таврійський науковий вісник”, вип. 11, частина 3. – Херсон. – 1999. с. 32-34. (Особистий внесок: автором описані нові типи сталезалізобетоних елементів, що згинаються, та наведена програма експериментальних досліджень несучої здатності й деформативності та деякі результати досліджень).

2. Яхін С.В. Експериментальні дослідження згинальних елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном, по нормальних перетинах // Зб. наук. пр. ПДТУ імені Юрія Кондратюка: Галузеве машинобудування, будівництво. – Вип. 5. – Полтава: ПДТУ. – 2000. с. 207-212.

3. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Несуча здатність сталевих двотаврів, підсилених залізобетоном, під дією згину // Зб. “VII Українська науково-технічна конференція Металеві конструкції”. – Дніпропетровськ. – 2000. (Особистий внесок: автором отримані експериментальні дані про несучу здатність елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном у порівнянні із сталевими елементами).

4. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Несучі конструкції зі сталевих двотаврів

із бічними порожнинами, заповненими бетоном // Наук.-техн. зб. “Комунальне господарство міст” . – Вип. 33. – серія технічні науки. – Харків: ХДАМГ. – 2001. с. 59-62 (Особистий внесок: автором на прикладі деяких об'єктів описана доцільність використання у будівництві згинальних елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном у порівнянні із сталевими елементами).

5. Стороженко Л.І., Яхін С.В. Розрахунок балок із сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном, за методом кінцевих елементів // Наук.-техн. зб. “Комунальне господарство міст” . – Вип. 38. – серія технічні науки. – Харків: ХДАМГ. – 2002. с. 81-84. (Особистий внесок: автором розроблений алгоритм та програма розрахунку для ПК балок зі сталевих двотаврів із бічними порожнинами, заповненими бетоном).

АННОТАЦії

Яхін С.В.

Згинальні несучі конструкції зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, 2002.

Дисертацію присвячено питанням дослідження несучої здатності та деформативності і розробленню теоретичних методів визначення напружено - деформованого стану згинальних конструкцій зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном. Проведено експериментальне дослідження конструкцій, що згинаються, зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном різних класів за міцністю та різними типами армування. Показані особливості роботи зразків під навантаженням. Розроблені метод оцінювання напружено - деформованого стану сталезалізобетонного елементу з використанням методу скінчених елементів та рекомендації щодо інженерного методу розрахунку. Основні результати праці знайшли впровадження при проектуванні згинальних несучих конструкцій, що дозволило зменшити витрати матеріалів і вартість будівництва.

Ключові слова: двотавр, сталезалізобетонні конструкції, напружено-деформований стан, поперечна сила, згинаючий момент, несуча здатність.

Яхин С.В

Изгибаемые несущие конструкции из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, 2002.

Диссертация посвящена вопросам исследования несущей способности и деформативности, а также разработке теоретических методов определения напряженно - деформированного состояния изгибаемых конструкций из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном. Рассмотрены существующие методы расчета сталежелезобетонных конструкций с жестким армированием и выполнен их анализ. Показано, что вопросы расчета и конструирования изгибаемых элементов из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном, изучены недостаточно. Поэтому задачи настоящей работы были сформулированы таким образом: необходимо исследовать прочность нормальных и наклонных сечений балок из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном; выявить влияние различного способа и количества продольного и поперечного армирования, а также классов бетона по прочности на несущую способность и деформативность; экспериментально выявить особенности образования и развития нормальных и наклонных трещин в бетоне и деформаций предложенных балок; экспериментально исследовать характер разрушения; разработать предложения по расчету и проектированию сталежелезобетонных балок; провести внедрение несущих конструкций из двутавров с заполненными бетоном полостями в строительство и выявить их технико-экономическую эффективность.

Все образцы запроектированы на основе двутавра №20. Согласно принятой методике проведения исследований несущей способности и деформативности балок пролетом 2 м с целью исключения влияния усилий среза, измерение деформаций проводилось в зоне чистого изгиба, которая составляла 50 см. При исследовании деформаций в опорной зоне деформации измерялись по наклонным сечениям, при этом пролет среза составлял 1,5h. В ходе проведения исследований напряженно-деформированного состояния нормальных и наклонных сечений экспериментальных образцов под действием нагрузки отмечались особенности возникновения и развития нормальных и наклонных трещин, характерные особенности распределения деформаций по высоте сечений и длине элементов, а также интенсивность роста прогибов. Выявлено, что эффективность заполнения боковых полостей, по сравнению с чисто металлическим двутавром, составляет 40-50% в зависимости от прочности бетона и количества продольной арматуры.

Разработаны методы оценки напряженно-деформированного состояния конструкций из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном по методу конечных элементов (МКЭ). Расчетная модель принята плоской. Точность работы предложенной математической модели расчета обеспечена учетом нелинейности физико-механических характеристик составляющих материалов. Для учета неупругих свойств бетона, стального профиля и стержневой арматуры использованы математические зависимости для описания их полных реальных диаграмм деформирования "s - e".

Задача решается по упругой схеме, физическая нелинейность стали и бетона учтена при помощи последовательных приближений с уточнением секущих модулей деформаций конечных элементов согласно их реальным диаграммам деформирования. Увеличение внешней нагрузки выполняется ступенчато, при этом на каждом этапе вычисляются деформации e x, e y и напряжения sx, sy и sxy в конечных элементах, секущие модули и прогибы с проверкой прочности материалов. На основе разработанного алгоритма реализована программа расчета для ПК на языке “Delphi”. Также разработаны предложения по уточнению инженерного метода расчета. Полученные результаты расчетов несущей способности и деформативности свидетельствуют о том, что предложенные методы расчета конструкций хорошо учитывают реальную работу элемента. Теоретические значения разрушающих нагрузок исследуемых сталежелезобетонных изгибаемых элементов имеют расхождения с экспериментальными значениями: 5% для МКЭ и 8% для инженерного метода.

Основные результаты работы нашли внедрения при проектировании изгибаемых несущих конструкций, что позволило уменьшить затраты материалов и снизить стоимость строительства.

Ключевые слова: двутавр, сталежелезобетонные конструкции, напряженно-деформированное состояние, поперечная сила, изгибающий момент, несущая способность.

Jahin S.V.

Bended I-beams with the cavities filled with concrete. - The Manuscript

Dissertation for the scientific degree of the Candidate of Technical sciences by speciality 05.23.01 - building constructions, buildings and structures. The Poltava National Technical University named in honor of Jury Kondratyk, 2002.

The dissertation is devoted to questions of research of bearing strength and deformability, and also to development of theoretical methods of estimation of tensely-deformed condition of bended I-beams with the cavities filled with concrete. The existing computational methods of composite constructions with rigid reinforcement and their analysis are executed. The experimental research of elements out of I-beams with the cavities filled concrete of different strength classes and different types of reinforcing is carried out. The features of work of samples under action of loading are shown. The efficiency of filling of cavities, in comparison with steel I-beams, composes 40-50 %, depending on strength of concrete and amount of reinforcement. Method of estimation a tensely-deformed condition by method of finite elements with use of the complete diagrams of a deforming of materials and recommendation concerning an engineering calculation method of strength and deformability is developed.

The basic results of dissertation work were applied at designing bended load-carrying constructions, which has allowed to reduce expenses of materials and to lower cost of buildings.

Key words: I-beams, steel-concrete designs, the rigid reinforcement, tensely-deformed condition, the shearing force, the bending moment, the bearing strength, the method of finite elements.