20
Національний університет "Львівська політехніка"
Максимович Богдан Юрійович
УДК 624.071.012
НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ
КОРОТКИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСОЛЕЙ
05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів – 2004
Дисертація є рукописом.
Робота виконана на кафедрі “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: | доктор технічних наук, доцент
ДЕМЧИНА Богдан Григорович,
Національний університет “Львівська політехніка”,
завідувач кафедри “Будівельні конструкції та мости”
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
ДОРОФЄЄВ Віталій Степанович
ректор Одеської державної академії будівництва та архітектури, завідувач кафедри “Залізобетонні та кам’яні конструкції”
кандидат технічних наук, доцент
БАРАБАШ Василь Михайлович,
Львівський державний аграрний університет,
доцент кафедри “Будівельні конструкції”
Провідна установа: |
Український державний університет водного господарства та природокористування Міністерства освіти і науки України, м. Рівне
Захист відбудеться “2” квітня 2004р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К35.052.11 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.
Автореферат розісланий “1” березня 2004р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К35.052.11 Г. Петришин
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У будівництві збірні залізобетонні конструкції надалі займають одне з важливих місць. Застосування збірного залізобетону дає можливість використовувати бетони високих класів і високоміцну арматуру, що приводить до зменшення витрат матеріалів і зменшення маси конструкцій. При виготовленні збірних залізобетонних конструкцій легко застосувати високу механізацію і автоматизацію трудомістких будівельних процесів, що в значній мірі підвищує продуктивність праці і скорочує терміни будівництва.
З’єднання збірних конструкцій між собою у каркаси споруд і передача навантажень від балок, ригелів і ферм на колони у багатьох випадках неможливі без участі коротких консолей. Короткі консолі являються найбільш відповідальними конструктивними елементами у каркасах споруд. Прикладом цього може служити руйнування консолі колони, яке призвело до обвалу понад 500м2 покриття резервуара на перекачувальній станції магістральних нафтопроводів “Дружба”.
У нормах проектування різних країн світу закладені різні підходи до розрахунку і конструювання коротких консолей, що підтверджує складність їх напруженого стану.
Необхідно зазначити, що кожного разу, коли переглядалися норми проектування СНиП, методика розрахунку коротких залізобетонних консолей коректувалася або змінювалася. Це свідчить про те, що і до сьогодні не знайдено раціонального підходу до розрахунку і конструювання цих елементів. Важливість проблеми підтверджує скликання спеціального семінару у 1989р. в Казані на тему: “Міцність і тріщиностійкість коротких залізобетонних консолей”.
При обстеженні інженерних споруд після тривалої експлуатації, у яких короткі консолі були запроектовані відповідно раніше чинних норм, часто виявляли надмірну ширину розкриття похилих тріщин, яка, як правило, призводила до руйнування коротких консолей і аварій споруд. Тому пошук нових концепцій розрахунку цих дуже відповідальних конструктивних елементів є важливим. І не дивно, що в останні десятиріччя минулого століття у нас і закордоном авторитетними лабораторіями проводилося багато експериментальних досліджень, правда, запропоновані ними нові методи розрахунку, часом дуже складні і навряд чи придатні для використання в інженерній практиці.
Враховуючи вище сказане, вважаємо за необхідне продовжити теоретичні і експериментальні дослідження у цьому напрямку.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках тематики НДЛ-23 кафедри “Будівельні конструкції та мости”, по госпдоговору з Управлінням магістральних нафтопроводів “Дружба”, тема № 3411 (№ держреєстрації 81007218), а також являється складовою частиною науково-технічної програми РН 55.08 “Матеріалоємкість”. Вона є продовженням дослідження кафедрою проблеми міцності похилих перерізів залізобетонних згинальних елементів.
Мета роботи. Виявлення дійсної роботи коротких консолей під навантаженням, пошук нового підходу до розрахунку поперечної арматури у
коротких залізобетонних консолях.
Задачі дослідження:
- провести аналіз експериментальних досліджень коротких залізобетонних консолей, які опубліковані у вітчизняних і зарубіжних виданнях і на його основі розробити практичний метод розрахунку похилих перерізів (поперечної арматури), який був би пов’язаний з розрахунком міцності вертикальних перерізів;
- виконати експериментальні дослідження несучої здатності коротких залізобетонних консолей та характеру їх тріщиноутворення при різних схемах поперечного армування на всіх стадіях навантаження, включно до руйнування, для підтвердження справедливості запропонованої розрахункової моделі;
- виконати числовий експеримент, за допомогою якого показати недоліки прийнятого у СНиП 2.03.01-84* методу розрахунку і переваги пропонованого підходу до розрахунку коротких залізобетонних консолей.
Об’єкт досліджень – короткі залізобетонні консолі.
Предмет досліджень – несуча здатність коротких залізобетонних консолей.
Методи досліджень – для досягнення поставленої мети використовувалися теоретичні та експериментальні методи досліджень.
Наукова новизна отриманих результатів:
- розроблено методику розрахунку поперечної арматури коротких консолей, яка пов’язує розрахунки похилих перерізів з розрахунками вертикальних;
- запропоновано новий підхід до визначення робочої висоти коротких консолей h0;
- на основі аналізу експериментальних досліджень вітчизняних та зарубіжних авторів виявлено залежність коефіцієнта зміщення епюри згинальних моментів V від коефіцієнта =x/h0, який враховує вплив міцності бетону і арматури на несучу здатність консолі і спрощує її розрахунок;
- виявлено вплив різних схем розміщення горизонтальних і похилих хомутів на несучу здатність та характер руйнування коротких консолей;
- розроблено рекомендації раціонального розміщення поздовжньої і поперечної арматури у коротких консолях;
- виявлено вплив зчеплення поздовжньої арматури з бетоном на несучу здатність та характер руйнування коротких залізобетонних консолей;
- розроблено рекомендації використання закладних деталей коротких консолей як листової арматури для забезпечення їх несучої здатності.
Наукові положення, висновки та рекомендації, які викладені в дисертаційній роботі, є теоретично обґрунтованими, а їх справедливість підтверджена результатами експериментальних і теоретичних досліджень.
Практичне значення отриманих результатів:
1. Запропоновано просту інженерну методику розрахунку поперечної арматури коротких консолей, яка дає прямий вихід на одержання кількості поперечної арматури і має хорошу збіжність з експериментами. Методика розрахунку поперечної арматури за чинними нормами СНиП 2.03.01-84* носить перевірочний характер, а розрахунок ведеться методом послідовного наближення.
2. Запропоновано новий підхід до визначення робочої висоти коротких залізобетонних консолей, який є простіший в користуванні ніж методика визначення h0 за п.3.32, п.3.34 і за умовою (84) чинних норм СНиП 2.03.01-84* та формулами інших дослідників.
3. Побудовано графік для визначення коефіцієнта зміщення епюри моментів (Mu,test - експериментальний руйнуючий момент консолі по похилому перерізу; Mu - несуча здатність вертикального перерізу) в залежності від , що дозволило поєднати розрахунок похилого перерізу з розрахунком вертикального перерізу коротких консолей.
4. Раціональне розміщення арматури в консолі на основі розроблених рекомендацій дозволяє забезпечувати несучу здатність короткої консолі при мінімальній витраті арматури.
5. Використання закладних деталей коротких консолей, як листової поздовжньої робочої арматури дає можливість зменшити кількість стержневої арматури на 25% в порівнянні з консолями, в яких закладні деталі не включені в роботу.
Впровадження результатів роботи. На основі експериментальних досліджень автора разом з Всесоюзним науково-дослідним інститутом по збору, підготовці і транспортуванні нафти і нафтопродуктів (ВНИИСПТнефть, г. Уфа) розроблена “Инструкция по ремонту железобетонных предварительно напряженных цилиндрических резервуаров для нефти” РД 39-0147103-378-87.
Результати досліджень та запропонований метод розрахунку використані при реконструкції залізобетонних циліндричних попередньо напружених резервуарів для нафти на перекачувальних станціях “Високе” і “Нікольське” магістральних нафтопроводів “Дружба”, а також впроваджені в навчальний процес на кафедрі “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка”.
Особистий внесок здобувача:
- поєднано розрахунок вертикальних перерізів з розрахунком похилих перерізів коротких консолей;
- розроблено методику розрахунку поперечної арматури (горизонтальних хомутів) в коротких залізобетонних консолях, яка базується на результатах експериментальних досліджень багатьох авторів;
- запропоновано новий підхід до визначення робочої висоти консолей;
- проведений числовий експеримент – розрахунок реальної консолі колони ТЕЦ на великі навантаження підтвердив простоту пропонованого методу розрахунку та дав результати близькі до вимог міжнародних норм ЕС2;
- виконано обробку даних та проведено аналіз 219-ти дослідних зразків коротких залізобетонних консолей різних авторів;
- побудовано графік для визначення коефіцієнта в залежності від , який значно спрощує розрахунок похилих перерізів коротких консолей;
- розроблені конструкції дослідних зразків коротких консолей трьох серій - всього 35-ть дослідних зразків;
- розроблено програму і проведено експериментальні дослідження 35-ти зразків коротких консолей;
- зафіксовано особливості динаміки утворення та розвитку вертикальних і похилих тріщин у коротких залізобетонних консолях, які раніше не фіксувалися авторами досліджень.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на Всесоюзній конференції “Экспериментальные исследования инженерных сооружений” (Новополоцк, 1986), на науково-технічній зональній конференції “Пути снижения материалоемкости и стоимости в строительстве и при реконструкции зданий” (Пенза, 1990), на Львівсько-Жешувському науково-технічному семінарі “Нові матеріали і конструктивно-технологічні системи та їх застосування в будівництві” (Львів, 1992), на науково-технічній конференції присвяченій 150-річчю Львівської політехніки та 100-річчю залізобетону у м. Львові (Львів, 1994), на Першій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону” (Київ, 1996), на Третій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (Київ-Львів, 2003), на науково-технічних конференціях інституту будівництва та інженерії довкілля і наукових семінарах кафедри “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка” у 1990-2003 роках.
Публікації. Основні наукові результати за темою дисертаційної роботи опубліковані у 6-ти наукових працях, в тому числі 4-ри статті в спеціалізованих наукових збірниках і 2-і статті у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4-х розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 115 найменувань, 3-х додатків. Робота виконана на 185 сторінках, в тому числі містить 116 сторінок основного тексту, з них 18 повних сторінок з рисунками і таблицями, 11 сторінок використаних джерел, 16 таблиць, 91 рисунок, 40 сторінок додатків.
Автор висловлює щиру подяку науковому керівнику д.т.н., доц. Демчині Б.Г., консультанту к.т.н., доц. Дорошкевичу Л.О. за керівництво та консультації, а також всім членам кафедри БКМ Національного університету “Львівська політехніка” за допомогу при виконанні дисертаційної роботи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ містить обґрунтування актуальності теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення в галузі будівництва.
Перший розділ розглядає сучасний стан проблеми, яка досліджується.
В останні десятиріччя минулого століття у нас і закордоном цю проблему досліджували: Баженов Г.Л., Баранова Т.І., Безухов К.І., Залєсов А.С., Вікторов В.В., Воскобойник П.П., Гладишев Г.М., Дорошкевич Л.О., Клименко Є.В., Кудрін
Б.А., Ляшенко Т.В., Хайдарі А., Чубріков В.М., Шостак Б.А., Шпинталь М.Я., Франц Г., Ніденгоф Г., Гастон Дж.Р., Хагберг Т., Германсен Б.Р., Кован Дж., Горачек Е., Джонсон Е., Сваре Т.І., Келен Н., Кріз Л.Б., Ратс К.Г., Леонгардт Ф., Манн В., Меток А.Г., Чен К.С., Мемель А., Беккер Г., Фрайтаг В., Нагродська-Годицька К., Рауш Е., Робінзон Дж.Р., Сомервіль Г., Штайнле А. та інші. На основі їх досліджень розроблені різні пропозиції до розрахунку і рекомендації до конструювання цих елементів.
Багато авторів вважає, що так само як у гнучких балках у коротких консолях поперечна сила сприймається поперечною арматурою, тобто відгинами і вертикальними, похилими або горизонтальними хомутами. У німецьких нормах DIN 1045 та міжнародних EC2 ця поперечна арматура взагалі не розраховується, а призначається в залежності від кількості основної поздовжньої арматури, яка визначається на дію згинального моменту.
Більшість теоретичних досліджень коротких консолей зводяться до запису рівнянь рівноваги діючого на консоль навантаження і внутрішніх зусиль на базі отриманих результатів експериментальних досліджень. Враховуючи складний напружений стан в коротких консолях, для виявлення напрямків траєкторій головних напружень деякі автори випробували зразки із оптично-активних матеріалів з використанням методу фото-пружності.
Експериментальні дослідження моделей коротких консолей із оптично-активного матеріалу дозволили отримати картину розміщення траєкторій головних напружень. Власне вони наштовхнули на використання у розрахунку консолей каркасно-стержневої моделі, а також на раціональне розміщення арматури.
Досліди показали, якщо арматура раціонально розміщена відповідно згаданих вище траєкторій, то у залізобетонних консолях в стадії після утворення вертикальних і похилих тріщин, принципово не змінюється система внутрішніх зусиль.
Автори, що досліджували роботу коротких консолей розрізняють наступні види їх руйнування:
а) від зминання бетону під опорною плитою, через яку передається навантаження;
б) порушення анкерування поздовжньої арматури на вільному кінці консолі;
в) діагональне розколювання бетону консолі;
г) зріз стиснутої смуги;
д) зріз розтягнутої смуги;
е) роздавлювання стиснутої смуги;
ж) руйнування по вертикальній тріщині внаслідок текучості поздовжньої арматури у перерізі з максимальним згинальним моментом.
Для попередження руйнування за схемою (а) необхідно розрахунком перевірити можливість зминання бетону під опорною плитою.
Попередження руйнування за схемою (б) вимагає забезпечення надійного анкерування основної поздовжньої арматури у кінці консолі і за перерізом її защемлення у колоні. Тому деякі автори рекомендують основну поздовжню арматуру виконувати у вигляді замкнутих петель і розміщувати їх у два-три ряди по
висоті консолі.
Руйнування за схемою (ж) можливе при дуже низькому проценті поздовжнього армування (%), і при незабезпеченому зчепленні арматури з бетоном (гладка, полірована арматура), або із штучно порушеним зчепленням, як це прийнято у консолях К-1-15, К-2-1, К-2-2, К-2-3 наших досліджень. Тому при поздовжній арматурі класу А-ІІ і А-ІІІ доцільно приймати мінімальний коефіцієнт поздовжнього армування, як це рекомендують Кріз і Ратс ().
Руйнування за схемами (в, г, д, е) візуально важко розрізнити і встановити дійсний вид руйнування – це є суб’єктивною справою кожного дослідника.
В залежності від того, наскільки дослідники усвідомлюють ці чотири схеми руйнування, вони по різному розв’язують одну і ту ж каркасно-стержневу систему.
Фактори, які впливають на несучу здатність коротких консолей:
- відношення . Дослідження виявили, що на руйнування консолей по похилих тріщинах суттєвий вплив має параметр і насичення консолі основною поздовжньою арматурою. При зменшенні і при збільшенні процента армування збільшується руйнуюче навантаження.
- міцність бетону. Вплив міцності бетону на несучу здатність коротких консолей ще недостатньо вивчено. Окремі автори тільки епізодично вивчали цей вплив, а більшість із них проводили експериментальні дослідження при постійній міцності бетону (Горачек Е., Робінзон Ж.Р., Ляшенко Т.С. та інші). Частково відображений цей вплив у дослідженнях Чубрикова В.Н. і Баженова Г.Л. – Кудріна Б.А. Найбільш ретельно вплив міцності бетону вивчався у дослідженнях Кріза Л.Б.- Ратса Ц.Н.
Найбільш позитивно на несучу здатність коротких консолей впливає зростання міцності бетону при малих відношеннях , а найменший ефект від зростання міцності бетону отримано при .
- поздовжня арматура. Вплив поздовжньої арматури на несучу здатність коротких консолей чітко відображають експериментальні дослідження Ляшенка Т.В. , а також дослідження інших авторів.
У розрахункових формулах різних авторів вплив поздовжньої арматури характеризується процентом армування %, який безпосередньо входить у розрахункові формули. На нашу думку, вплив поздовжньої арматури на міцність коротких консолей доцільніше враховувати більш узагальненим параметром , як і при розрахунку міцності вертикальних перерізів. Цей параметр практично враховує як вплив міцності бетону так і поздовжньої арматури на несучу здатність коротких консолей.
Параметр, який характеризує несучу здатність консолей, є відношення експериментального руйнуючого моменту Mu,test до розрахункового руйнуючого моменту вертикального перерізу Mu при руйнуванні консолі по похилому перерізу.
Відношення цих моментів позначено як і вперше застосовано
Дорошкевичем Л.О. у розрахунку міцності похилих перерізів залізобетонних балок. У даній роботі це відношення пропонується застосовувати у розрахунку міцності похилих перерізів коротких консолей.
Методика розрахунку похилих перерізів коротких консолей прийнята у СНиП 2.03.01-84* має перевірочний характер, а розрахунок ведеться методом послідовного наближення, що приводить до необґрунтованих витрат арматурної сталі. З формули (85) СНиП 2.03.01-84* () видно, що міцність похилих перерізів консолі залежить від коефіцієнта , який відображає вплив поперечного армування і визначається за емпіричною формулою (87) , де , а . Відомо і це відображено у чинних нормах табл.29*, що при зменшенні класу арматури модуль пружності зростає. Тобто при зменшенні міцності поперечної арматури у консолі буде зростати розрахункова міцність похилого перерізу. Проведена перевірка на прикладі розрахунку 49 (стор.105), наведеному у “Пособии” до СНиП 2.03.01-84, підтвердила, що при рівноцінній заміні поперечної арматури класу А-ІІІ на арматуру А-І розрахункова міцність похилого перерізу консолі зросла на 6,6%. Очевидно, що це суперечить принципам міцності залізобетонних конструкцій і тому необхідний пошук нових підходів до визначення міцності похилих перерізів коротких консолей.
Розділ 2. Розглядаються експериментальні дослідження коротких залізобетонних консолей. До експериментальних досліджень коротких консолей колон підштовхнула аварія покриття резервуара № 8 на перекачувальній станції “Високе” магістральних нафтопроводів “Дружба”, причиною якої було руйнування консолі колони. При складанні програми експериментальних досліджень була поставлена задача максимально наблизити умови експерименту до реальної роботи консолей колон резервуарів для нафти об’ємом 30000м3, зведених за типовим проектом Т-1470, тому розміри дослідних зразків прийняті в натуральну величину.
Згідно з програмою експериментальних досліджень запроектовано, виготовлено і випробувано три серії дослідних зразків – всього 35-ть консолей. Всі зразки мають одинакові розміри, відрізняються тільки армуванням вертикальних і похилих перерізів. Проектний клас бетону зразків першої і другої серій – В25.
Нульова серія складається із 6-ти зразків – присвячена визначенню дійсної несучої здатності консолей колон резервуару з недоліками конструювання, допущеними у типовому проекті Т-1470, а також перевірці ефективності запропонованого підсилення.
Перша серія складається із 16-ти зразків – присвячена вивченню впливу різного розміщення похилих і горизонтальних хомутів на несучу здатність та характер руйнування консолей. Конструкції дослідних зразків першої серії подані на рис.1.
Друга серія складається із 13-ти зразків – присвячена вивченню можливості використання закладних деталей як робочої листової арматури для забезпечення несучої здатності консолей, тобто використати їх як зовнішнє листове армування, розроблене Клименком Ф.Є. |
Рис.1. Конструкції дослідних зразків першої серії.
При випробуванні зразків нульової серії експериментально визначено фактичну несучу здатність зразків виготовлених з недоліками допущеними при проектуванні, а також виявлено вплив на несучу здатність і характер руйнування підсилення консолей попередньо напруженими тяжами.
При випробуванні зразків першої серії виявлено:
- вплив на несучу здатність і характер руйнування консолей різного розміщення по висоті похилих хомутів під кутом 45о ;
- вплив на несучу здатність і характер руйнування консолей різного розміщення по висоті горизонтальних хомутів;
- вплив зчеплення основної поздовжньої арматури з бетоном на несучу здатність і характер руйнування консолей.
При випробуванні зразків другої серії виявлено:
- можливість використання закладних деталей як робочої листової арматури для забезпечення міцності вертикальних і похилих перерізів консолей;
- вплив різних способів анкерування листової арматури у торці консолі на несучу здатність і характер руйнування ;
- вплив способу обробки поверхні листової арматури на зчеплення з бетоном, несучу здатність і характер руйнування консолей.
Розділ 3. Виконаний аналіз результатів експериментальних досліджень коротких залізобетонних консолей автора. Результати випробувань дослідних зразків приведені в табл.1. Характер утворення тріщин та руйнування зразків першої серії показано на рис.2.
З аналізу аварій споруд спричинених руйнуванням консолей колон випливає, що при розрахунку поздовжньої арматури необхідно враховувати можливе виникнення горизонтальної сили.
Армування коротких консолей вертикальними хомутами не збільшує несучу здатність вертикальних перерізів в такій мірі, яке можливе при застосуванні горизонтальних хомутів.
Горизонтальні хомути, які проходять через колону підвищують її несучу здатність не тільки по похилих, але і по вертикальних перерізах.
Більшу несучу здатність мають ті елементи, у яких горизонтальні хомути частіше розміщені у верхній частині консолі, тобто в її розтягнутій зоні.
У стадії близькій до руйнування напруження в поздовжній арматурі у перерізі прикладення навантаження наближуються до межі текучості (s=(0,80,95)T), що вимагає надійного анкерування поздовжньої арматури на вільному кінці консолі.
Збільшення поздовжньої арматури підвищує несучу здатність не тільки вертикальних, але і похилих перерізів. Тому підсилення консолей колон доцільно виконувати горизонтальними попередньо напруженими тяжами, які значно збільшують несучу здатність, що підтверджують наші дослідження.
Нахилені під кутом 45о хомути підвищують експериментальну несучу здатність консолей у вертикальному перерізі, порівняно з розрахунковою, якщо вони перетинають вертикальний переріз по грані колони. Якщо ж ці стержні розміщені у верхній частині консолі і не перетинають вертикальний переріз, де діє максимальний згинальний момент, то вони тільки запобігають руйнуванню консолі
по похилому перерізу. Руйнування консолей при такому розміщенні поперечної арматури проходить по вертикальному перерізу і ефективність таких похилих стержнів буде рівна ефективності армування вертикальними хомутами.
Таблиця 1
Результати випробувань дослідних зразків першої серії
№ п/п | Марка
зразка | Експериментальні величини | Вирахувані величини | Вид руйнування
Pu,test,
кН | Mu,test, , кНм | Mu, кНм | Pu,, кН
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8
1 | К-1-1 | 350,0 | 102,0 | 75,6 | 262,0 | 1,33 | по похилому перерізу
2 | К-1-2 | 400,0 | 116,0 | 75,8 | 262,0 | 1,53 | по вертикальному перерізу
3 | К-1-3 | 400,0 | 116,0 | 75,0 | 259,0 | 1,55 | по похилому перерізу
4 | К-1-4 | 450,0 | 130,0 | 76,2 | 263,0 | 1,72 | по похилому перерізу
5 | К-1-5 | 400,0 | 116,0 | 76,6 | 265,0 | 1,52 | по похилому перерізу
6 | К-1-6 | 685,0 | 198,5 | 101,0 | 349,0 | 1,97 | по похилому перерізу
7 | К-1-7 | 450,0 | 130,5 | 86,0 | 297,0 | 1,52 | по похилому перерізу
8 | К-1-7а | 588,0 | 170,0 | 95,5 | 329,0 | 1,78 | по похилому перерізу
9 | К-1-8 | 600,0 | 174,0 | 101,0 | 349,0 | 1,73 | по похилому перерізу
10 | К-1-9 | 730,0 | 212,0 | 101,5 | 350,0 | 2,09 | по похилому перерізу
11 | К-1-10 | 650,0 | 188,5 | 131,0 | 452,0 | 1,45 | по похилому перерізу
12 | К-1-11 | 500 | 145,0 | 73,0 | 252,0 | 1,99 | по похилому перерізу
13 | К-1-12 | 470 | 136,0 | 72,5 | 250,0 | 1,88 | по вертикальному перерізу
14 | К-1-13 | 440 | 127,5 | 73,0 | 251,0 | 1,75 | по похилому перерізу
15 | К-1-14 | 406 | 118,0 | 72,7 | 252,0 | 1,62 | по похилому перерізу
16 | К-1-15 | 477,5 | 138,0 | 72,7 | 251,0 | 1,90 | по верт. перерізу
без утворення пох. тріщин
Армування коротких консолей сітками (непряме армування) неефективне тому, що підвищує несучу здатність у 1,09 рази (наші досліди) при збільшенні витрат арматури у 2 рази, в порівнянні з армуванням горизонтальними хомутами.
Збільшення кількості горизонтальних хомутів, які проходять через консоль і колону, хоч і підвищують несучу здатність консолі, але не запобігають її руйнуванню по похилому перерізу. При такому армуванні, незалежно від кількості горизонтальних хомутів, руйнування консолей завжди буде проходити тільки по похилих перерізах.
Експериментальна несуча здатність коротких консолей, як при відсутності поперечної арматури так і при її наявності, завжди вище розрахункової, якщо до уваги приймати роботу тільки поздовжньої арматури As. При відсутності поперечної арматури це перевищення складає 30-40%, а у зразках армованих горизонтальними хомутами досягає 100%.
У тих випадках, коли в коротких консолях за конструктивними вимогами передбачаються закладні деталі у вигляді металевого листа, економічно вигідно цей лист включити в роботу і використати його як листову арматуру, яка забезпечить розрахункову міцність консолі як по вертикальному так і по похилому перерізах, а також дає економію стержневої арматури до 25%. |
Рис.2. Характер утворення тріщин та руйнування зразків першої серії.
Беззаперечною умовою включення в роботу металевого листа є його надійне анкерування у кінці консолі, яке може вирішуватися приваркою до листа опорного кутника підсиленого ребрами.
Щоб не допустити утворення похилих тріщин в коротких консолях необхідно ліквідувати адгезію металевого листа чи стержневої арматури з бетоном, що можна досягнути наклеєнням плівки. У таких консолях поперечна арматура не потрібна тому, що завжди буде повністю реалізована розрахункова несуча здатність вертикального перерізу. Поперечна арматура в таких випадках ставиться конструктивно.
Розділ 4. Подано методику розрахунку поперечної арматури коротких консолей. До коротких консолей відносяться такі згинані елементи, для яких виконується умова . При проектуванні коротких консолей в першу чергу визначають їх висоту h0. Ширина консолі, як правило, приймається рівною ширині колони. Якщо консоль защемлена у конструкції із значною шириною то її ширину слід визначити з умови .
Виконаний аналіз експериментальних досліджень різних авторів дозволяє запропонувати визначати висоту консолі в залежності від параметра в межах . Причому менші значення необхідно приймати при великих навантаженнях.
Робоча висота консолі:
. (1)
Рис.3. Графік залежності h0 від P.
Для порівняння визначених величин h0 за пропонованим методом і СНиП 2.03.01-84* для консолей з навантаженнми від 250кН до 3500кН побудовано графік залежності h0 від P (рис.3).
Отже, як видно із графіка рис.3, найбільш реальні значення h0 дає запропонована методика, яка є дуже простою у користуванні.
Розрахунок міцності похилих перерізів
Для розрахунку міцності похилих перерізів коротких консолей прийнята модель запропонована Дорошевичем Л.О. для розрахунку поперечної арматури у залізобетонних балках. Розрахункова модель коротких консолей подана на рис.4.
|
M0 - момент, при якому консоль руйнується по похилому перерізу;
M=Mu-M0 - різниця моментів, на яку необхідно розраховувати поперечну арматуру, щоб повністю використати несучу здатність вертикального перерізу 1-0.
Рис.4. Розрахункова модель коротких консолей:
а) схема консолі з утвореними
вертикальною і похилою тріщинами;
б) теоретична епюра розтягуючих
напружень у поздовжній арматурі;
в) фактична епюра розтягуючих напружень у поздовжній арматурі, якщо руйнування проходить по вертикальному перерізу;
г) теоретична епюра згинальних моментів;
д) фактична епюра згинальних моментів, якщо руйнування проходить по
вертикальному перерізу. |
При розрахунку консолей рекомендується враховувати можливе виникнення горизонтальної сили, яку слід приймати .
Згинальний момент у перерізі защемлення консолі:
. (2)
У короткій консолі (рис.4) після появи вертикальної тріщини у перерізі 1-0 і похилої у перерізі 2-0, внутрішній момент відносно ц.в. стиснутої зони (точки 0) у вертикальному перерізі завжди буде перевищувати внутрішній момент у похилому перерізі 2-0. Тому що напруження в арматурі As у перерізі 1-0 буде вище ніж у перерізі 2-0, а зовнішні моменти у цих перерізах будуть одинакові. Таке співвідношення моментів і зусиль у поздовжній арматурі у вертикальному і похилому перерізах буде зберігатися до моменту руйнування консолі по похилому перерізу. З цього випливає, що руйнування по похилому перерізу наступає при напруженнях у поздовжній арматурі нижчих за межу її текучості. Для того щоб запобігти передчасному руйнуванню консолі по похилому перерізу 2-0 і використати несучу здатність вертикального перерізу (Mu) необхідно передбачити відповідну поперечну арматуру.
На основі аналізу 219-х зразків коротких консолей із досліджень Кріза/Ратса, Баженова/Кудріна, Чубрикова, Робінзона і Ляшенка побудовано графік залежності від =x/h0 (рис.5).
На графіку подано значення V для відношення в межах 0,9 > a/h0 > 0,2.
Для визначення прийнято параметр =x/h0 незважаючи на те, що відношення має теж суттєвий вплив на руйнуюче навантаження. Проаналізовані дослідження Кріза і Ратса показали, що одному значенню відповідають кілька консолей з різною величиною . Тому, очевидно, параметр є більш узагальнюючим ніж відношення a/h0.
Ордината зміщеного моменту M0 під силою:
, (3)
поперечна арматура розраховується на різницю моментів:
. (4)
Рис.5. Графік залежності V=Mu,test / Mu від =x/h0.
Розрахунок поперечної арматури (горизонтальних хомутів)
Прийнято лінійний розподіл напружень у хомутах по довжині похилої тріщини. Середні напруження у хомутах (рис.6):
. (5)
Момент внутрішніх зусиль всіх горизонтальних хомутів при :
, (6)
де Ash - площа всіх горизонтальних хомутів у консолі.
Сумарна площа горизонтальних хомутів при :
. (7)
Крок горизонтальних хомутів:
, (8)
де ash - площа поперечного перерізу однієї вітки хомута;
n - кількість віток хомутів в одній площині (по ширині консолі).
Враховуючи, що площа поздовжньої арматури As визначена без врахування впливу на міцність вертикального перерізу горизонтальних хомутів доцільно її уточнити, тобто визначити :
. (9)
Алгоритм розрахунку короткої консолі:
1. Складаємо схему консолі (рис.6), визначаємо ширину опорної плити lsup=P/(Rbb) і уточнюємо величини a і .
2. За формулою (1) визначаємо робочу висоту консолі , прийнявши попередньо =0,070,13 і за таб.20 (Пособие к СНиП) - ; (M=Pa).
3. Визначаємо момент за формулою (2) з врахуванням можливості
виникнення горизонтальної сили H.
4. Уточнюємо коефіцієнт :
, (10)
і за табл.20 (Пособие к СНиП) знаходимо і .
5. Визначаємо площу основної поздовжньої арматури :
. (11)
6. За графіком (рис.5) в залежності від визначаємо коефіцієнт V, а у випадку використання ЕОМ за формулою:
. (12)
7. Визначаємо ординату зміщеного моменту за формулою (3).
8. За формулою (4) визначаємо приріст згинального моменту .
9. Визначаємо загальну кількість горизонтальних хомутів за формулою (7).
10. Задавшись діаметром поперечної арматури dsh і кількістю віток , крок горизонтальних хомутів визначаємо за формулою (8).
11. Уточнюємо крок хомутів відповідно до конструктивних вимог норм.
12. Остаточно уточнюємо кількість поздовжньої арматури за формулою (9).
Визначена загальна площа поперечної арматури (горизонтальних хомутів) за пропонованим методом, ЕС2 і СНиП 2.03.01-84* при різних навантаженнях на консоль починаючи від 3500кН до 250кН і побудовано графік (рис.7).
Як видно із графіка рис.7 загальна кількість поперечної арматури (горизонтальних хомутів) визначена за пропонованим методом близька до загальної кількості хомутів визначених за ЕС2, що підтверджує достовірність пропонованого методу розрахунку. Значення загальної кількості хомутів визначені за СНиП 2.03.01-84* у багато разів перевищують значення одержані за ЕС2.
Перевірка міцності похилих перерізів дослідних зразків коротких консолей, армованих горизонтальними хомутами (Хайдарі, Баженова-Кудріна і автора) виконана за пропонованим методом показала, що розрахункова несуча здатність похилих перерізів у всіх зразках була меншою за експериментальну, що свідчить про надійність пропонованого методу.
Рис.6. Розрахункова схема консолі при армуванні горизонтальними хомутами. | Рис.7. Графік залежності загальної кількості
горизонтальних хомутів від навантаження.
ВИСНОВКИ
1. Розрахунок міцності коротких консолей, в основу якого покладена каркасно-стержнева модель, має перевірочний характер і вимагає вдалого попереднього призначення поперечної арматури, що може здійснити тільки спеціаліст з великим практичним досвідом проектування таких конструктивних елементів.
2. Каркасно-стержнева модель розрахунку міцності коротких консолей за граничними станами, пропонована багатьма авторами і введена в норми проектування у тому числі і у СНиП 2.03.01-84*, не відповідає дійсному характеру утворення і розвитку тріщин і тому є умовною і дуже приблизною.
3. У формулу (87) СНиП 2.03.01-84* для визначення , закладено механізм, який при збільшенні класу арматури зменшує розрахункову несучу здатність консолі, що заперечує основні принципи міцності залізобетонних конструкцій і може приводити до необґрунтованих витрат арматурної сталі.
4. Аналіз експериментальних досліджень автора, а також інших дослідників показав, що похилі тріщини у коротких консолях, як правило, зароджуються на розтягнутій верхній грані біля опорної плити, через яку передається навантаження. Максимальне їх розкриття при збільшенні навантаження досягається на рівні основної поздовжньої арматури As, тобто природа утворення і розвитку похилих тріщин така сама як тріщин від дії згинального моменту у вертикальному перерізі.
5. Зміна зусилля в основній поздовжній арматурі по довжині консолі при забезпеченні її надійного анкерування не відповідає зміні зовнішнього згинального моменту через часткову втрату зчеплення арматури з бетоном, а максимальні напруження у ній при відсутності поперечного армування не досягають границі текучості підчас руйнування.
6. Проведений аналіз прикладів розрахунків коротких консолей, поданих у нашій та зарубіжній технічній літературі виявив, що короткі консолі є згинальними
елементами з дуже низькими коефіцієнтами поздовжнього армування, у яких відношення не перевищує 0,070,13. Тому висоту консолі у перерізі її защемлення доцільно визначати як у балці при , а не за складними емпіричними формулами зарубіжних авторів, або за умовами СНиП 2.03.01-84* п.3.32, п. 3.34 і формулою (84), які показують значні розбіжності між собою (рис.3).
7. Пропонований метод розрахунку міцності похилих перерізів коротких консолей є дуже простим, зрозумілим, надійним, забезпечує несучу здатність і відповідає результатам експериментальних досліджень.
8. Розрахунок поперечної арматури (горизонтальних хомутів) на приріст згинального моменту на довжині консолі є не що інше як розрахунок на дію в іншій інтерпретації (M/x=Q). Очевидно тому, при переході розрахунку залізобетонних конструкцій від класичної теорії на розрахунок по стадії руйнування, а пізніше і на розрахунок за граничними станами, розрахунок коротких консолей потрактовано як безпосередньо на дію поперечної сили. Важко собі уявити як горизонтальні хомути, при такій трактовці, можуть сприймати поперечну силу ; тому для оправдання, очевидно, було прийнято каркасно-стержневу систему і розрахунок по стиснутій смузі.
9. Аналіз аварій споруд, причиною яких було руйнування коротких консолей колон, підтверджує необхідність при розрахунку поздовжньої арматури враховувати можливе виникнення горизонтальної сили.
10. Експериментальними дослідженнями підтверджено, що найбільш раціональним поперечним армуванням є горизонтальні хомути надійно заанкеровані у колоні і на краю консолі, які прості при застосуванні зварних і в’язаних каркасів і що дуже важливо – збільшують несучу здатність вертикального перерізу на дію моменту, за рахунок чого можна частково зменшити кількість основної поздовжньої арматури.
11. Армування коротких консолей арматурними сітками (непряме армування) є неефективним тому, що незначно підвищує несучу здатність при значних витратах арматурної сталі в порівнянні з консолями, які армовані горизонтальними хомутами.
12. У коротких консолях колон із закладними деталями у вигляді металевого листа економічно вигідно включити цей лист в роботу використавши його як арматуру, яка забезпечить розрахункову міцність консолі як по вертикальних так і по похилих перерізах.
Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:
1. Л.О. Дорошкевич, Б.А. Шостак, Г.Н. Гладышев, Б.Ю. Максимович. Обследование и разработка рекомендаций по восстановлению эксплуатационной пригодности железобетонных резервуаров для нефти емкостью 30 тыс. м3. “Пути снижения материалоемкости и стоимости в строительстве и при реконструкции зданий.” Тезы докладов к зональной конференции 22-23 октября 1990г. Пенза, 1990, -с.49-50. Дисертантом розроблена конструкція підсилення консолей колон резервуара. Виконано випробування підсилених зразків консолей колон і обробку результатів випробування.
2. Г.Н. Гладишев, Л.О. Дорошкевич, Б.А. Шостак, Б.Ю. Максимович. Експериментальні дослідження коротких залізобетонних консолей. Збірник матеріалів науково-технічної конференції, присвяченої 150-річчю Львівської політехніки “Проблеми теорії та практики будівництва”, Львів – 1994, -с.47-57. Дисертантом розроблені креслення дослідних зразків і їх армування. Виконана обробка результатів випробування зразків консолей колон з побудовою графіків деформації арматури і бетону.
3. Л.О. Дорошкевич, Г.Н. Гладишев, Б.А. Шостак, Б.Ю. Максимович. Про розрахункові моделі коротких залізобетонних консолей. Перша Всеукраїнська науково-технічна конференція “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону”. Збірник тез. Київ – 1996, -с.292-295. Дисертантом виконаний літературний огляд досліджень коротких консолей.
4. Б.Ю. Максимович. Про експериментальні дослідження коротких консолей. Збірник наукових праць НАН України. Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка. “Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій”. Випуск 5. Львів, Каменяр, 2003, -с.143-156.
5. Б.Ю. Максимович. Про підсилення консолей колон. Вісник Національного університету “Львівська політехніка” “Теорія і практика будівництва”. Львів, 2003, -с.128-132.
6. Л.О. Дорошкевич, Б.Ю. Максимович. Міцність залізобетонних коротких консолей. Будівельні конструкції. Випуск 59, книга 1. Міжвідомчий науково- технічний збірник “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону”. Київ, НДІБК, 2003, -с.57-64. Дисертантом виконані випробування дослідних зразків, обробка результатів випробувань, графіки деформацій арматури і бетону. На основі обробки даних випробувань побудований графік залежності від .
АНОТАЦІЇ
Максимович Б.Ю. Несуча здатність коротких залізобетонних консолей. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівля та споруди. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004.
Дисертація присвячена вивченню роботи коротких консолей під навантаженням і пошуку нового підходу до розрахунку поперечної арматури. Розроблена проста методика розрахунку поперечної арматури коротких консолей, яка дає прямий вихід на одержання сумарної кількості поперечної арматури і має хорошу збіжність з експериментами.
На основі аналізу експериментальних досліджень вітчизняних та зарубіжних авторів побудований графік для визначення коефіцієнта зміщення епюри моментів V=Mu,test/Mu в залежності від коефіцієнта , який враховує вплив міцності бетону і арматури на несучу здатність консолей та поєднує розрахунок похилих перерізів з розрахунком вертикальних перерізів коротких консолей.
Запропоновано новий підхід до визначення робочої висоти коротких
залізобетонних консолей, який є простіший у користуванні ніж методика визначення h0 за чинними нормами та формулами інших дослідників.
Виявлено вплив різних схем розміщення поперечної арматури і зчеплення поздовжньої арматури з бетоном на несучу здатність та характер руйнування коротких консолей.
Проведений
