ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ
НАЗАРОВ ОЛЕКСАНДР ВІКТОРОВИЧ
УДК 624.014.27
НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ТРУБОБЕТОННИХ
ЕЛЕМЕНТІВ ПРИ МІСЦЕВИХ СИЛОВИХ ВПЛИВАХ
Спеціальність 65.23.01. Будівельні конструкції, будівлі
та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
КИЇВ 2004
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Полтавській регіональній лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури.
Науковий керівник:–
доктор технічних наук, професор Стороженко Леонід Іванович, головний науковий співробітник Полтавської регіональної лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Фомиця Леонід Миколайович, професор кафедри будівництва та архітектури Сумської національної аграрної академії Міністерства освіти і науки України;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Голоднов Олександр Іванович, провідний науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Державного комітету України з будівництва та архітектури.
Провідна установа:
Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних конструкцій.
Захист відбудеться “22 “ червня 2004 р., о 16.00 год., на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.833.01 у Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. Івана Клименка, 5/2.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. Івана Клименка, 5/2.
Автореферат розіслано “20“ травня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради К 26.833.01 Ю.С.Слюсаренко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасний рівень будівельного виробництва ставить до несучих конструкцій вимоги щодо високої надійності в поєднанні з малою матеріалоємністю і низькими трудовими витратами при виготовленні та монтажі. Цим вимогам повною мірою відповідають трубобетонні конструкції.
Трубобетонні конструкції порівняно із залізобетонними більш індустріальні при виготовленні й монтажі, мають меншу вагу і зручніші при транспортуванні. При їхньому виготовленні не потрібні арматурні каркаси, опалубка та закладні деталі. Використовувати конструкції з трубобетону вигідніше всього в елементах, що сприймають великі зусилля стиску. До таких елементів належать трубобетонні колони.
У трубобетонних колонах найбільш відповідальними є зони місцевого навантаження: місця передачі навантажень на стійки від ригельних систем, місця переходу від одного діаметра елемента до іншого тощо.
На даний час досліджена робота трубобетону для несучих конструкцій, що працюють на стиск і вигин у своїй основній частині, однак дослідження, пов'язані зі станом трубобетонних елементів при різних видах місцевої передачі навантаження, практично відсутні. Відсутність рекомендацій до розрахунку і проектування вузлових з'єднань конструкцій значною мірою перешкоджає масовому впровадженню трубобетону в будівництво. Таким чином, завдання дослідження трубобетонних елементів при різних способах передачі місцевого навантаження є досить актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Полтавській регіональній лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Держбуду України. Дослідження виконані відповідно до плану робіт лабораторії з дослідження напружено-деформованого стану і несучої здатності сталезалізобетонних конструкцій.
Метою роботи є експериментальна оцінка і розроблення методики розрахунку несучої здатності й напружено-деформованого стану трубобетонних елементів у випадку дії на них місцевих навантажень.
Завдання роботи:
- експериментально дослідити міцність і деформації трубобетонних стиснутих елементів при місцевій дії навантаження ;
- провести аналіз результатів експериментальних досліджень та виявити особливості роботи трубобетонних конструктивних елементів при різних видах локального завантаження;
- розробити методику оцінювання напружено-деформованого стану і розрахунку несучої здатності трубобетонних елементів при місцевій дії навантаження;
- розробити рекомендації до впровадження результатів досліджень при будівництві будівель з використанням трубобетонних конструкцій.
Об’єкт дослідження. Трубобетонні стиснуті конструктивні елементи під дією місцевих навантажень.
Метод досліджень є експериментально-теоретичним. Він складається з вивчення й аналізу літературних джерел, на основі якого формулюються мета і завдання роботи, виконання експериментальних та теоретичних досліджень міцності й деформативності стиснутих трубобетонних елементів при місцевій дії навантаження.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
- уперше експериментально досліджена робота трубобетонних елементів при різних схемах місцевого навантаження з вимірюванням деформацій у середині бетонного ядра;
- запропонована методика оцінювання напружено-деформованого стану трубобетонних елементів при місцевій дії навантаження;
- запропонована методика визначення несучої здатності трубобетонних елементів при різних схемах місцевого навантаження.
Практичне значення отриманих результатів:
- сформульовані рекомендації до раціональних способів застосування трубобетонних колон, що сприймають місцеві завантаження;
- запропонована методика визначення несучої здатності трубобетонних колон при різних видах місцевого навантаження;
- на основі запропонованої методики складена програма для оцінювання напружено-деформованого стану трубобетонних стійок за допомогою ЕОМ;
- результати роботи впроваджені в будівництво об'єктів різного призначення з використанням трубобетонних конструкцій.
Особистий внесок здобувача полягає в наступному:
- одержані результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану і міцності трубобетонних елементів при різних схемах місцевого навантаження;
- запропоновано метод оцінювання напружено-деформованого стану елементів при місцевій дії навантаження;
- розроблена методика визначення несучої здатності трубобетонних елементів, що працюють при місцевому навантаженні;
- результати роботи впроваджені в будівництво конструкцій із використанням трубобетону.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Всеукраїнській конференції по залізобетону в НДІБК (м. Київ) у 1999 році, на третій Всеукраїнській конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (м.Львів) у 2003 році, на 52-ій, 53-ій, 54-ій наукових конференціях Полтавського НТУ в 2002 - 2004 роках.
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 6 надрукованих роботах, із яких п’ять (поз. №1 - №5) відповідають вимогам ВАК.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та рекомендацій, списку використаних джерел із 199 найменувань і додатка.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, дана загальна характеристика роботи, показана її новизна та практичне значення.
Перший розділ присвячений аналізу стану питання і постановці задач дослідження. Розглянуті питання про особливості роботи конструктивних елементів із трубобетону, в тому числі при місцевій дії навантажень.
Проаналізовані основні результати дослідження особливостей роботи трубобетонних конструкцій в будівлях і спорудах. Відмічено, що на даний час напружено-деформований стан трубобетонних конструкцій вивчено досить глибоко, розроблені методи їх розрахунку, в результаті чого прийнято нормативний документ Eurocode-4, який стосується проектування сталезалізобетонних конструкцій. Відмічено, що дослідженню сталезалізобетону присвятили свої роботи такі вчені, як Л.І. Стороженко, Ю.Г.Аметов, О.П.Васильєв, Р.В.Воронков, Ф.Є.Клименко, О.В.Семко. Серед багатьох праць, із вивчення трубобетону проаналізовані праці О.О.Гвоздєва, О.А.Довженка, Л.К.Лукші, Г.П.Передерія, В.А.Росновського, Р.С.Санжаровського. Відзначено видатний вклад у розроблення теорії трубобетону та впровадження його в будівництво вітчизняних дослідників В.І Барбарського, І.Д.Бєлова, Ю.В.Бондаренка, Д.А.Єрмоленка, В.І.Єфіменка, В.Н.Кебенка, В.І.Маракуци, М.В.Микули, В.Ф.Пенца, В.О.Пермякова, В.В.Пінського, Л.І.Стороженка, В.М.Сурдіна, О.Л.Тарановського, С.О.Харченка, Е.Д.Чіхладзе, О.Л.Шагіна, С.В.Шкіренка, І.С.Ярового та інших учених.
Проаналізовані результати досліджень роботи трубобетонних елементів у вузлах (С.П.Воскобійник, П.Г.Кортушов, О.І.Лапенко, В.Ф.Пенц та В.М.Тимошенко), що були виконані в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка. Досліджені особливості роботи в стиках трубобетонних елементів, у вузлах поєднання трубобетону з монолітним залізобетоном. Розроблені вузли стикування трубобетонних елементів та запропоновані методи їх розрахунку.
Однак особливості роботи трубобетонних елементів при місцевій дії навантаження до цього часу не вивчались. На основі виконаного огляду наукової літератури сформульовані завдання досліджень.
Другий розділ дисертації присвячений методиці проведення експерименту та визначенню фізико-механічних властивостей матеріалів, із яких були виготовлені зразки. У ході розроблення програми експерименту ставились задачі дослідження роботи трубобетонних елементів при місцевому завантаженні залежно від фізико-механічних властивостей використовуваних матеріалів, геометричних характеристик перетину, конструктивних особливостей елементів і способів передачі навантаження на елемент. Схеми дослідних зразків наведені на рисунку1.
Експериментальні зразки запроектовані таких типів: із труб з переходом від одного діаметра до іншого (від 108 мм до 159 мм), трубобетонні елементи з консолями ( 102 мм), короткі трубобетонні елементи ( 102, 108, 159 мм). При виготовленні зразків із консолями в місці стику до оболонки приварювалися ребра жорсткості. Досліджувалися також зразки з порожніх труб для оцінки впливу бетонного ядра на несучу здатність елемента.
У таблиці 1 представлені характеристики прийнятих до дослідження дослідних зразків. Прийнято таке маркування серій експериментальних зразків: K-I – зразки з переходом від одного діаметра до іншого; K-II –трубобетонні зразки з консолями; K-III і К-ІV – трубобетонні зразки, що працюють на центральний і позацентровий стиск, у тому числі при місцевій дії навантаження; К-V – зразки, що працюють на сприйняття поперечного зусилля.
Кожна серія складалася з однакових зразків-близнюків. Із метою визначення фізико-механічних властивостей використовуваного бетону були виготовлені бетонні кубики й призми. Бетон, прийнятий для зразків усіх серій, мав однакову середню призмову міцність = 16 МПа.
Попередньо підготовлені зразки з труб заповнювалися бетоном на заводі ЗБК-1 (м. Полтава). Зразки з'єднувалися в пакети по кілька штук, установлювалися на піддони і подавалися краном на вібраційний стіл. Бетон подавався зверху з бадді в торець пакета, що забезпечувало самовільне проходження бетону при заповненні ним пакета. Всі зразки заповнювалися бетоном з одного замісу. Торці трубобетонних зразків старанно зарівнювалися. Бетонування бетонних призм і кубів проводилося тут же на вібраційних столах в інвентарних сталевих формах.
При підготовці до випробувань старанно вирівнювався бетон у торцях зразків. Тензорезистори опору наклеювалися на ґрунтовану поверхню за допомогою клею БФ-2. Для контролю вимірів поздовжніх деформацій установлювалися також індикатори годинникового типу, що кріпилися за допомогою приварених до труби гайок. Крім зовнішніх використовувалися тензорезистори опору для виміру поздовжніх і поперечних деформацій у середині бетонного ядра.
Рис. 1. - Схема дослідних зразків
Зразки серій: а) - К-I; б) – К-II;
ва), вб) – К-III, К-IV; г) – К-V
Таблиця 1
Програма експериментальних досліджень трубобетонних зразків
Серія зразків | Діаметр зразка
, мм | Висота зразка
, мм | Товщ. стінки труби
, мм | Характерис-тика зразка | Схема завантаження | Спосіб передачі навантаження
К-І-1
К-І-2
К-І-3
К-І-4 | 108 -
159 | 1078 |
4.5 | трубобетон
трубобетон
трубобетон
порожня
труба | осьовий стиск |
на весь перетин
на бетон
на оболонку
на оболонку
К-ІІ-1
К-ІІ-4 | 102 |
408 | 3,5 | трубобетон
порожня труба | осьовий стиск |
на весь перетин
на оболонку
К-ІІІ-1
К-ІІІ-2
К-ІІІ-3
К-ІІІ-4 | 102 |
408 |
3,5 |
трубобетон
порожня
труба | місцевий стиск
позацентро-
вий стиск |
на весь перетин
на частину перетину
на оболонку
К-ІV-1
К-ІV-2 | 108
159 | 432
636 | 4,5
4,5 | трубобетон |
позацентро-вий стиск |
на частину перетину
К-V-1
К-V-2
К-V-3
К-V-4 |
102 |
102 |
3,5 |
трубобетон
порожня
труба | поперечний
стиск | на бічну поверхню оболонки
.
Зразки випробувалися після досягнення проектної міцності бетону, але не раніше ніж через 28 доби після бетонування. Дослідження зразків проводилися на пресі ПММ-500. Випробування трубобетонних зразків проводилося при осьовому або позацентровому стиску. Навантаження здійснювалося ступенями в межах 0,1-0,05 від граничного значення. На всіх етапах завантаження вимірялися поздовжні й поперечні деформації. Схема розташування тензорезисторів передбачала дослідження деформативних характеристик по декількох перетинах на поверхні труб та в середині бетонного ядра.
Майже з початку завантаження залежність мала криволінійний характер. Відомо, що напружено-деформований стан трубобетонних елементів значною мірою залежить від коефіцієнта поперечної деформації =поп/позд. Зі збільшенням напруг величина цього коефіцієнта змінювалася від 0,15 до 0,4 – 0,5, що характерно для важких бетонів. У зв'язку з тим, що залежність криволінійна, величина січного модуля деформацій зі зростанням навантаження зменшувалася.
Механічні характеристики металу були отримані в результаті випробування порожніх труб і вирізаних із труб смужок відповідно до ДСТ 1497-84. Границі текучості, отримані обома методами, виявилися близькими.
У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень трубобетонних елементів при місцевій дії навантаження.
Програмою експерименту (таблиця 1, зразки серій К-І-1, К-І-2, К-І-3, К-І-4) було передбачене випробування складених елементів із переходом від одного діаметра до іншого. Були випробувані як трубобетонні зразки, так і зразки з порожніх труб. Конструктивні елементи випробувалися на осьовий стиск із передачею навантаження на комплексний перетин або тільки на бетон чи на оболонку.
Залежно від способу передачі навантаження зразки мали різну несучу здатність, що видно із таблиці 2. У зв'язку з тим, що зразки мали різні діаметри по висоті, їхня несуча здатність вичерпувалася в результаті руйнування частини зразка з труби меншого діаметра.
Як бачимо з таблиці 2, несуча здатність трубобетонних елементів значно вище від несучої здатності зразків, виготовлених із порожніх труб, не заповнених бетоном (у 3-4 рази). Слід зазначити, що зразки з порожніх труб утрачали свою несучу здатність у результаті деформування горизонтальної сполучної пластини.
Таблиця 2
Несуча здатність випробуваних трубобетонних елементів
Серія
зразків | Несуча
здатність
елемента
Nтб, кН |
Nт, кН |
Nб, кН |
б,
МПа |
т
К-І-1
К-І-2
К-І-3
К-І-4
К-III-1
К-III-2
К-III-3
К-III-4
К-IV-1
К-IV-2 | 775
752
748
225
422
416
370
268
516
812 | 477
477
477
-
268
268
268
-
349
514 | 298
275
271
-
154
148
102
-
167
298 | 38,7
35,7
35.2
-
21,8
20,9
14,4
-
21,7
16,9 | 2,42
2,23
2,20
-
1,34
1,31
0,90
-
1,36
1,05 | 1,29
1,25
1,24
-
1,10
1,09
0,97
-
1,09
1,02
Несуча здатність трубобетонних складених елементів серії К-1 залежно від способу передачі навантаження (на комплексний перетин або тільки на бетонне ядро і сталеву оболонку) коливаласъ не в значних межах (775 – 748 кН). Таким чином, із проведених експериментів можна зробити висновок, що в складених по висоті конструкціях з елементів різного діаметра несуча здатність практично не залежить від способу передачі навантаження: на комплексний перетин або на ядро чи оболонку.
Відомо, що в трубобетонних елементах у процесі навантаження виникає об'ємний напружений стан, а поздовжні напруження в бетонному ядрі значно перевищують призмову міцність Rb. Для оцінювання ефективності роботи бетонного ядра було використано коефіцієнт
(1)
При цьому
(2)
де Nтб – несуча здатність центрально стиснутого трубобетонного елемента;
Nт – несуча здатність труби-оболонки;
Аб – площа поперечного перерізу бетонного ядра.
Значення коефіцієнта наведені в таблиці 2. З таблиці видно, що його значення коливається в межах 2,2 - 2,4 і практично не залежить від способу передачі навантаження на зразок.
Відомо, що несуча здатність трубобетонного елемента завжди більша від сумарної несучої здатності труби-оболонки і бетонного ядра, випробуваних окремо. Для оцінювання ефективності роботи трубобетонного елемента в цілому визначено коефіцієнт
(3)
де Nтб – несуча здатність трубобетонного елемента;
Nб, Nт – несуча здатність бетонного ядра і труби-оболонки, випробуваних окремо.
Значення коефіцієнтів т - ефективності роботи трубобетонного елемента в цілому подані в таблиці 2. Як бачимо з таблиці, цей коефіцієнт практично не залежить від способу передачі навантаження на складений трубобетонний елемент. Якщо при передачі навантаження на комплексний перетин т = 1,29, то при передачі навантаження тільки на бетон або тільки на трубу-оболонку цей коефіцієнт дорівнював відповідно 1,25 і 1,24.
Слід зазначити, що у випадку передачі навантаження на комплексний перетин та на бетонне ядро характер руйнування був практично однаковим і визначався загальною втратою стійкості верхньої частини зразка, при цьому в місці сполучення з нижньою частиною в трубі-оболонці утворювалися гофри. При передачі навантаження тільки на трубу втрата загальної стійкості верхньої частини зразка супроводжувалася інтенсивним утворенням та розвитком поперечних гофр у трубі-оболонці не тільки в місці сполучення верхньої й нижньої частини, але і в її середині, і в місці передачі навантаження.
У процесі експериментальних досліджень вимірялися подовжні й поперечні деформації дослідних зразків, у тому числі в середині бетонного ядра. При аналізі результатів вимірювань були побудовані графіки залежності подовжніх і поперечних деформацій від величини діючого на зразок зусилля.
На рисунку 2 у якості прикладу наведені графіки залежності подовжніх та поперечних деформацій від навантаження для зразків серії К-I-1, завантажених на комплексний перетин. За характером розвитку деформації заміряні в середині бетонного ядра були приблизно такими ж, як і деформації, що замірялися на поверхні зразків.
Аналіз залежності поздовжніх та поперечних деформацій від величини зусилля для зразків серії К-I-2 з передачею навантаження тільки на бетонне ядро показав, що і при дії поздовжнього зусилля тільки на бетон труба-оболонка активно включається в роботу, а характер розвитку деформацій принципово не відрізняється від випадку, коли зусилля передається на комплексний перетин.
Рис.2. - Залежність відносних поздовжніх і поперечних деформацій від навантаження зразка серії К-І-1 ; №5-№44 – номери електротензорезисторів. Пунктир – деформації, що заміряні в середині ядра
Трохи по-іншому розвивалися поздовжні й поперечні деформації в зразках серії К-I-3 при передачі навантаження тільки на сталеву трубу-оболонку. Якщо в перерізах, розташованих поряд із торцем труби, на який передавалося навантаження, деформації в трубі інтенсивно зростали, то з віддаленням від торця в роботу включалося бетонне ядро і поздовжні деформації в трубі зростали менш інтенсивно. Характер зміни коефіцієнтів поперечних деформацій свідчить про спільну роботу бетонного ядра та оболонки й у випадку передачі навантаження тільки на трубу.
З експериментальних досліджень можна зробити висновок, що в трубобетонних конструкціях, що складаються по висоті із труб різних діаметрів, напруження передаються від верхньої частини на нижню так, що бетон і труба-оболонка працюють спільно. У місці передачі навантаження від верхньої частини зразків на нижню в бетонному ядрі виникали поздовжні напруги, що значно перевищували призмову міцність бетону.
Програмою експерименту (таблиця 1, зразки серій К-II-1, К-II-4) було передбачене випробування трубобетонних елементів з консолями. Схема випробуваних зразків наведена на рисунку 1. Були випробувані як трубобетонні зразки, так і зразки з порожніх труб. Конструктивні елементи випробувалися на осьовий стиск із передачею навантаження на трубобетонні елементи й елементи з порожніх труб через консолі.
Залежно від того, була труба заповнена бетоном або вона була порожньою, зразки мали різну несучу здатність, відповідно 522 і 175 кН. При цьому коефіцієнти ефективності роботи бетону в трубі та роботи елемента в цілому т були значно більшими від одиниці (відповідно 1,97 і 2.41). Великі значення коефіцієнтів ефективності свідчать про те, що бетон бере активну участь у роботі трубобетонного елемента при передачі навантаження через консолі, а через них – на трубу-оболонку.
У випадку передачі навантаження на консоль, приварену до труби, що заповнена бетоном, характер руйнування був іншим порівняно зі зразками, консолі в які були приварені до порожніх труб. У трубобетонних зразках настання граничного стану за несучою здатністю відбувалося при одночасному руйнуванні консолей (вигин горизонтальної опорної пластини і втрата місцевої стійкості ребра) та втратою місцевої стійкості труби-оболонки з утворенням поперечних гофр у середній частині зразка під консоллю. Руйнування зразків із порожніх труб з консолями проходило від “умяття” ребер жорсткості в стінки труби до її середини і від одночасного вигину опорної горизонтальної плити консолі. При цьому руйнівне навантаження було приблизно в три рази менше ніж у трубобетонних елементах. Як видно з порівняння несучої здатності випробуваних зразків із порожніх труб і з труб, заповнених бетоном, у цьому випадкові бетон ядра активно брав участь у роботі.
У процесі аналізу отриманих результатів були побудовані графіки зміни поздовжніх і поперечних деформацій залежно від діючого на консолі зусилля. Залежності між напруженнями й деформаціями на всіх рівнях завантаження були криволінійними. Характерно, що й та частина зразка, що знаходилася вище від консолі, активно втягувалася в роботу, хоча максимальні значення поздовжніх деформацій у ній були приблизно в два рази меншими порівняно з перетинами, розташованими нижче від консолей. За характером розвитку деформації заміряні в середині бетонного ядра були приблизно такими ж, як і деформації, заміряні на поверхні зразків. Винятки становлять деформації, заміряні в середині бетонного ядра вище від консолей.
Згідно з програмою експерименту (таблиця 1, зразки серій К-III-1, К-III-2, К-III-3, К-III-4, а також К-IV-1 і К-IV-2) були проведені випробування трубобетонних елементів на осьовий і позацентровий стиск із передачею навантаження на комплексний перетин, або на його частину (на половину комплексного перетину, або на сегменти з висотою в половину радіуса, розташовані симетрично щодо поздовжньої осі елемента).
Значення несучої здатності трубобетонних елементів залежно від способу передачі навантаження (на комплексний перетин чи тільки на його частину, у тому числі при позацентровому стиску) коливалося в незначних межах. Обчислені значення коефіцієнта наведені в таблиці 2. З таблиці видно, що значення цього коефіцієнта коливається в межах 1,36 -0,9 і залежать від способу передачі навантаження на зразок. Особливо зменшується значення цього коефіцієнта при позацентровій передачі навантаження на частину перетину зразка. Значення коефіцієнту ефективності роботи трубобетонного елемента в цілому т також залежить від способу передачі навантаження на елемент. Якщо при передачі навантаження на комплексний перетин т = 1,1, то при передачі навантаження на частину перетину, при позацентровому стиску, цей коефіцієнт дорівнював 0,97.
Цікаво відзначити, що в порожній трубі при втраті несучої здатності гофри утворювалися в місці передачі навантаження, а у випадку передачі навантаження на комплексний перетин характер руйнування відрізнявся утворенням поперечних гофр у середньому перетині елемента. При передачі навантаження на половину перетину характер втрати несучої здатності зразків був іншим: загальна втрата стійкості (скривлення зразка) супроводжувалася інтенсивним збільшенням місцевих пластичних деформацій під штампом, абсолютні значення яких становили(10-12) мм. Пластичні місцеві деформації такої величини без повного руйнування зразка неможливо досягти ні в залізобетонних, ні в сталевих стиснутих елементах. Коефіцієнт перевищення міцності завантаженої частини бетонного ядра становив у цьому випадку 2,5.
Програмою експерименту (таблиця 1, зразки серій К-V-1, К-V-2, К-V-3 і К-V-4) було передбачене випробування трубобетонних елементів із передачею рівномірно розподіленого навантаження на бічну поверхню зразків по їх утворюючій. Випробувалися зразки з труб заповнених бетоном, і зразки з порожніх труб (серія К-V-4). Залежно від наявності або відсутності бетонного ядра при бічному завантаженні зразки витримували різне навантаження. Для трубобетонних елементів (серії К-V-1, К-V-2, К-V-3) воно склало 160 кН, а для елементів з порожніх труб (серія К-V-4) –75 кН. Таким чином, завантажена збоку, заповнена бетоном труба мала більше ніж у два рази вищу несучу здатність порівняно з порожньою трубою.
Четвертий розділ присвячений теоретичному дослідженню напружено-деформованого стану та несучої здатності трубобетонних елементів при місцевій дії навантаження.
В оцінюванні напружено-деформованого стану трубобетонного елемента найбільш теоретично обґрунтованою є теорія, представлена в роботах Стороженка Л.І., а у визначенні міцності трубобетонних елементів заслуговує на увагу теорія Лукші Л.К.
Як передумову було прийнято, що діаграма - описується кривою, наближеною до експериментальної. Пружно-пластичний модуль Eb.pl зменшується зі зростанням напруг. Вважається справедливою гіпотеза плоских перетинів. У всіх випадках задовольняються умови рівноваги.
Трубобетонний елемент розглянуто як неоднорідний ізотропний брус, що складається із суцільного кругового бетонного циліндра і кругової оболонки-труби. Вважається, що між складовими комплексного бруса існує “спай” уздовж бічних поверхонь. Кожну складову частину бруса приймаємо за однорідну й ізотропну. Нормальний перетин комплексного елемента складається з ділянок (Ав, Аs), що відповідає різним матеріалам з різними фізико-механічними властивостями. Вважається також, що бічна поверхня бруса вільна від дії зовнішніх сил, а до його основ прикладено задане навантаження, що відповідає умовам рівноваги твердого тіла.
Поставлена задача розв’язана методами математичної теорії пружності з використанням теорії функції комплексної перемінної. При цьому деформації дорівнюють:
(3)
Напруження:
(4)
У загальному випадку , тому доводиться розв’язувати допоміжну задачу, у якій стрибок зсувів дорівнює
(5)
де
Знайдений розв’язок складено з елементарним, отриманий результат, помножений на постійну а3, забезпечує виконання всіх передумов.
(6)
У такий спосіб задача розв’язана в точній постановці з погляду теорії пружності. Остаточно переміщення, деформації і напруги будуть дорівнювати.
Переміщення в бетоні:
(7)
Деформації (за рівняннями Коші):
(8)
Напруження в ядрі
(9)
Переміщення в оболонці
(10)
Деформації в оболонці
(11)
Напруження в оболонці
(12)
При розв’язанні задачі за межами пружності будемо вважати відомою діаграму - для бетону й сталі як у пружній області, так і за межами пружності. Для розв’язання задачі застосовано відомий метод ітерацій. Процедура послідовних наближень закінчується, коли січні модулі попереднього та наступного наближення до сталі і бетону будуть відрізнятися менше ніж на наперед задану величину.
За наведеним алгоритмом була складена блок-схема і програма для визначення напруг та деформацій бетону й сталевої оболонки залежно від величини діючого зусилля.
За втрату несучої здатності трубобетонного елемента прийнято досягнення поздовжніми напруженнями в трубі межі плинності, то в цей час поздовжні напруження в ядрі, що працює в умовах об'ємного напруженого стану, досягнуть значення . Формула для визначення несучої здатності трубобетонного елемента має вигляд:
(13)
Значення у цій формулі може бути обчислене за наведеними вище формулами у припущенні, що поздовжні деформації і напруження в трубі в цей момент відповідають станові початку плинності сталі оболонки.
(14)
Як випливає з результатів експериментальних досліджень, для важких бетонів і сталевих оболонок коефіцієнти поперечних деформацій рівні = 0,5; = 0,3.
Після перетворень отримано
(15)
де
(16)
N = (17)
Фізичний зміст параметра – відносна частка зусилля, що сприймається бетоном у трубі.
При проведенні експериментальних досліджень, крім місцевих, фіксувалися загальні, характерні для всього зразка, поздовжні і поперечні деформації. З використанням узагальненого закону Гука, за заміряними подовжніми й поперечними деформаціями, були обчислені напруги в сталевій трубі. Теоретичні значення деформацій та напруг обчислені з використанням ЕОМ за приведеним алгоритмом і за складеною на його основі програмою. Порівняння експериментальних і теоретичних значень напруг показали, що збіг експериментальних та теоретичних значень задовільний.
Для зразків, що в процесі експериментальних досліджень втрачали несучу здатність не від дії місцевих зусиль, а в цілому, обчислювалася несуча здатність за формулою (17). Збіг експериментальних та теоретичних значень задовільний.
При розробленні методів розрахунку трубобетонних елементів при місцевій передачі навантаження враховано, що бетон працює в умовах усебічного стиску і його міцність перевищує призмову. На основі власних експериментів й обробки результатів експериментів інших авторів установлено, що значення коефіцієнта ефективності коливається в значних межах, у середньому (1,3– 2,5). Якщо прийняти значення цього коефіцієнта близьким до мінімального ( = 1,3), то отримуємо розрахунковий опір бетону, що працює при всебічному стиску в сталевій оболонці:
(18)
Значення міцності, одержане з наведеного вище виразу, приблизно відповідає нормативному опорові бетону, яке рекомендовано враховувати при розрахунку трубобетонних конструкцій як вітчизняними дослідниками, так і Eurocode 4.
При місцевій передачі навантаження від елемента меншого діаметра на елемент більшого діаметра розрахункова схема елемента подана на рисунку 4. В цьому випадку навантаження в складених елементах по висоті передається від елемента, що має менший діаметр, на елемент, що має більший діаметр. Будемо вважати, що при цьому навантаження передається тільки через бетонне ядро. Втрата несучої здатності в такому випадку може наступити, коли в бетоні нижче від розташованого елемента напруги досягнуть значення Rb. loc. За такої умови несучу здатність розглянутого вузла рекомендується визначати за формулою:
(19)
де Rb* – розрахунковий опір бетону в ядрі трубобетонного елемента, що обчислюється за формулою (18);
Рис. 4. - Розрахункова схема трубобетонних елементів з різними діаметрами при їхньому з'єднанні по висоті
– коефіцієнт, що враховує особливості роботи бетонного ядра при місцевій передачі навантаження. Визначається за відомою формулою:
(20)
Aloc.1 – площа поперечного перерізу ядра вищерозташованого елемента;
Aloc2 – площа поперечного перерізу ядра нижчерозташованого елемента.
Як показали результати експериментів, при передачі бічного місцевого навантаження по утворюючій завантаження здійснюється через трубу-оболонку. Завдяки тому, що тиск на бетон передається практично рівномірно, розрахунок несучої здатності трубобетонного елемента в цьому випадку передачі місцевого навантаження рекомендується робити за формулою:
(21)
де d – діаметр ядра трубобетонного елемента;
lloc – довжина частини утворюючої, вздовж якої передається місцеве навантаження.
Розглянуті інші можливі випадки передачі місцевого навантаження на частину комплексного перетину .
Дослідження особливостей роботи трубобетону при місцевих завантаженнях супроводжувалися його впровадженням у будівництво. Застосування прогресивних трубобетонних конструкцій здійснювалося в будівлях, де необхідне було використання багатоярусних трубобетонних колон з обпиранням на них ригелів у різних напрямках.
Як приклад наводиться застосування несучих конструкцій із трубобетону в будівництві храму Віри, Надії і Любові та Будинку торгівлі в м. Полтаві. У цих спорудах балки спираються на консолі, що приварені безпосередньо до поверхні сталевої оболонки трубобетонного стояка.
При проектуванні трубобетонних конструкцій використовувалися методи розрахунку, наведені в цій роботі. Оскільки відповідні нормативні документи в нашій країні ще тільки розробляються, то при проектуванні трубобетонних конструкцій, крім матеріалів наших досліджень, використовувався також нормативний документ Eurocode 4.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Результатами дисертації є отримані дані про роботу трубобетонних елементів у випадку передачі на них місцевого навантаження. Проведені дослідження дозволили виявити загальні і відмінні риси роботи трубобетонних елементів у різних випадках передачі місцевого навантаження й отримати наступні результати.
1. У всіх випадках передачі місцевого навантаження на трубобетонні елементи спостерігалася сумісна робота бетонних ядер і труб-оболонок на всіх етапах завантаження. Це підтвердили результати вимірювання деформацій у середині бетонного ядра, що здійснювалися вперше.
2. За несучу здатність трубобетонного елемента при місцевому навантаженні рекомендується приймати зусилля, при якому в трубі-оболонці виникають поздовжні деформації, що відповідають границі текучості стали, або руйнується бетонне ядро в місці передачі локального навантаження.
3. Виявлено характер руйнування трубобетонних елементів при різних способах передачі місцевого навантаження. Цікавим є висновок про те, що при будь-якому способі передачі місцевого навантаження, за рахунок внутрішнього перерозподілу напруг між сталлю і бетоном, в остаточному підсумку обидва ці матеріали працюють спільно.
4. У процесі експериментальних досліджень досягнуті місцеві деформації, що становлять 10-12 мм, тобто в місці передачі місцевого навантаження комплексний матеріал, який складається з бетону і сталі, працював у стадії плинності. Таке явище можливе тільки в трубобетонних елементах.
5. Оцінено ефективність роботи бетонного ядра в трубі трубобетонного елемента при передачі місцевого навантаження. Значення коефіцієнта ефективності бетонного ядра в усіх випадках місцевого завантаження було більшим від одиниці.
6. Експериментальні дослідження трубобетонних елементів при різних способах місцевого завантаження показали, що в усіх випадках деформації розвиваються нелінійно. Граничні деформації для різних випадків завантаження значно відрізнялися за величиною.
7. Запропоновано методики для оцінювання напружено-деформованого стану й міцності трубобетонних елементів, реалізовані на ЕОМ. Порівняння експериментальних і теоретичних значень напруг та несучої здатності показали, що вони збігаються задовільно.
8. Розроблено методи розрахунку міцності трубобетонних елементів при різних способах передачі місцевих зусиль. Порівняння експериментальних і теоретичних значень несучої здатності показали, що вони збігаються задовільно.
9. У результаті впровадження трубобетонних елементів при спорудженні будинків різного призначення встановлено, що запропоновані в цій роботі способи розрахунку дають змогу проектувати надійні конструктивні елементи, що сприймають місцеве навантаження.
ПУБЛІКАЦІЇ
1. Стороженко Л.І., Воскобійник С.П., Назаров О.В. Проектування фундаментів старанного типу під трубобетонні клони для будівництва храму Віри, Надії і Любові в місті Полтаві // Зб наук. пр. „Галузеве машинобудування, будівництво”, вип. 7. – Полтава: ПНТУ, 2001.- С. 29-32. Дисертантом проведений розрахунок та проектування трубобетонних колон у храмі Віри, Надії і Любові в місті Полтаві.
2. Стороженко Л.И., Пенц В.Ф., Назаров А.В. экспериментальное исследование несущей способности трубобетонных элементов при передаче нагрузки через консоли // Зб наук. пр. „Галузеве машинобудування, будівництво”, вип.10. – Полтава: ПНТУ, 2002.-С. 32-34. Дисертантом проведено експериментальні дослідження та аналіз результатів несучої здатності зразків
3. Стороженко Л.І., Назаров О.В., Сінельник О.П. Міцність та деформації трубобетонних елементів при боковому місцевому стисненні // Зб наук. пр. „Галузеве машинобудування, будівництво”, вип.11. – Полтава: ПНТУ, 2002.-С. 107-113. Дисертантом проведені експериментальні дослідження та аналіз результатів несучої здатності зразків. Зроблені висновки за результатами експерименту.
4. Назаров А.В. Экспериментальное исследование напряжённо-деформированного состояния трубобетонных элементов при местном воздействии нагрузки // Зб наук. пр. „Будівельні конструкції”, вип. 58. – Київ: ДНДІБК, 2003.- С. 69-72.
5. Стороженко Л.И., Назаров А.В. Особенности работы бетона в стальной оболочке при местном сжатии // Зб наук. пр. „Будівельні конструкції”, вип. 59. – Київ: ДНДІБК, 2003.- С. 115-120. Дисертантом проведена експериментальна оцінка особливостей роботи та напружено-деформованого стану трубобетонних елементів зі змінним по висоті діаметром.
6. Стороженко Л.І., Назаров О.В., Сінельник О.П. Міцність та деформації стиснутих трубобетонних елементів при місцевому завантаженні // Бетон и железобетон в Украине- №3. - Полтава, 2003. – С.15-17. Дисертантом проведені експериментальні дослідження, здійснене оцінювання роботи та напружено-деформованого стану трубобетонних елементів за різних схем завантаження перерізу.
АНОТАЦІЯ
Назаров О.В. Напружено-деформований стан трубобетонних елементів при місцевих силових впливах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди.
Дисертація присвячена дослідженню напружено-деформованого стану й міцності трубобетонних елементів при місцевому завантаженні. Проведено експериментальні дослідження з визначення впливу характеру місцевого навантаження на роботу трубобетонного елемента. Досліджувалася поведінка тубобетонних елементів під навантаженням, що мали різні конструктивні ознаки: елементи, що мали різні діаметри при сполученні по висоті, елементи, на які навантаження передавалися через консолі, при передачі навантаження на частину перерізу, при боковій дії навантаження. Запропоновані методи розрахунку трубобетонних елементів при місцевому завантаженні. Результати досліджень упроваджені в будівництво при зведенні будівель різного призначення.
Ключові слова: трубобетонні конструкції, місцеві навантаження, несуча здатність, напруження, деформації.
АННОТАЦИЯ
Назаров А.В. Напряжённо-деформированное состояние трубобетонных элементов при местных силовых воздействиях. – Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения.
Диссертация посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния и прочности трубобетонных элементов при местном воздействии нагрузки. В ней представлены как результаты экспериментальных исследований, так рекомендации по расчёту рассматриваемых конструкций.
В первой главе диссертации приведены общие сведения о работе конструктивных элементов из трубобетона и сформулированы задачи исследования. Осуществлен анализ результатов научных работ других авторов, посвящённых исследованию трубобетонных конструкций. Отмечены особенности работы трубобетонных элементов при местном действии нагрузки. Приведены примеры несущих конструкций, в которых наблюдается местная передача нагрузки. Сделан вывод, что работа трубобетонных элементов при местных воздействиях исследована недостаточно.
Во второй главе разработана методика экспериментальных исследований и рассмотрены результаты определения физико-механических свойств принятых к исследованию материалов. Приведена программа экспериментов, конструкции опытных образцов и технология их изготовления. Сделан вывод, что физико-механические свойства принятых для изготовления опытных образцов материалов ничем не отличаются от стандартных.
В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований трубобетонных образцов при местной передаче нагрузки, а также результаты исследования несущей способности и деформаций трубобетонных образцов, состоящих из элементов с различными диаметрами по высоте, трубобетонных элементов, на которые нагрузка передавалась через консоли, при местной передаче нагрузки на часть поперечного сечения, при боковой передаче нагрузке по образующей элемента. Сделан вывод, что при всех видах местной нагрузки сталь и бетон в трубобетонном элементе работали совместно, а местные напряжения в ядре значительно превышали призменную прочность бетона.
В четвёртой главе диссертации рассмотрено напряжённо-деформированное состояние и несущая способность трубобетонных элементов при местном воздействии нагрузки. Задача оценивания напряженно-деформированного состояния трубобетонных элементов при местных воздействиях решена как в упругой, так и в пластической стадиях. Разработаны формулы для определения несущей способности трубобетонных элементов при местном действии нагрузки с учётом возможных схем нагрузок. В результате сопоставления экспериментальных данных с результатами расчёта сделан вывод, что они совпадают удовлетворительно. Даны сведения о проектировании и строительстве зданий с использованием трубобетонных конструкций, воспринимающих местные нагрузки. Сделан вывод о надёжной работе трубобетонных конструкций при местных воздействиях.
Ключевые слова: трубобетонные конструкции, местные нагрузки, несущая способность, напряжения, деформации.
ABSTRACT
A.V.Nazarov. Strained deformed state of steel concrete elements where local stress occurs. -Manuscript.
Thesis for a candidate's degree. Speciality 05.23.01 - Building constructions, buildings and structures.
The Dissertation is devoted to the study of the condition of strained deformed state and strength of steel concrete elements under local load. The paper contains both the results of experimental research and recommendations as for analysis and design of constructions under consideration. It also deals with research results of carrier properties and deformation of steel concrete samples, consisting of elements different across the height diameter; steel concrete elements where the load was transmitted with help of cantilevers; under local load transfer to the part of cross-section and under side load transfer to generator of an element. Some formulas were elaborated to evaluate carrier capability of steel concrete elements where local stress occurs taking into consideration different load schemes. Results of investigation are also used in engineering design and construction of buildings using steel concrete constructions undergoing local load.
Key words : steel concrete constructions , local load , carrier capability , stress, deformations .
