ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

БЄЛЯЄВА СВІТЛАНА ЮРІЇВНА

УДК 624.012.41

Міцність і деформативність залізобетонних плит,

армованих сталевим профільованим настилом

і поперечними анкерами

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | - доктор технічних наук, професор

Давиденко Олександр Іванович,

Донбаський державний технічний університет,

завідувач кафедри будівельних конструкцій

Офіційні опоненти | - доктор технічних наук, професор

Пермяков Володимир Олександрович,

Київський національний університет будівництва і

архітектури,

завідувач кафедри металевих та дерев’яних

конструкцій;

- кандидат технічних наук, старший науковий

співробітник Бамбура Андрій Миколайович,

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій,

завідувач відділом надійності будівельних конструкцій

Провідна установа | - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Міністерство освіти і науки

України, кафедра конструкцій із металу, дерева та пластмас, м. Полтава.

Захист відбудеться "_19_" __вересня__2006 р. о _1600_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 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 розісланий " 21_" __липня___2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 26.833.01,

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник Ю.С. Слюсаренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності залізобетонних конструкцій, армованих сталевим профільованим настилом, пов'язано з удосконалюванням методів їх розрахунку на основі чітких фізичних передумов, що дозволяють найбільш повно використовувати властивості бетону й арматури. Саме такий підхід відповідає сучасному напрямку розробки нормативних документів. Не менш важливим є створення нових конструктивних рішень, що сприяють підвищенню несучої здатності і зниженню власної ваги перекриттів. Однак, вирішення поставлених задач, як свідчать дослідження монолітних перекриттів із зовнішнім армуванням, можливо лише при забезпеченні надійної сумісної роботи бетону з профільованим настилом.

Нормативні матеріали не включають питання проектування плит, армованих сталевим профільованим настилом, а існуючі методичні рекомендації перевищують несучу здатність плит, особливо, статично невизначених, оскільки засновані на ідеалізованих епюрах розподілу напружень у бетоні й арматурі і можливості існування пластичного шарніра.

Таким чином, вирішення задач, зв'язаних з удосконалюванням методів розрахунку і створенням нових конструктивних рішень плит, армованих сталевим профільованим настилом, є актуальним для ефективного використання будівельних матеріалів при зведенні залізобетонних перекриттів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає актуальним напрямкам науково-технічного розвитку України. Отримані результати використані при розробці нових національних норм розрахунку залізобетонних конструкцій, у рамках роботи, що виконувалася в НДІБК – договір між НДІБК і Держбудом України від 11.09.03 № З-2-2-03/643 „Розробити ДБН „Бетонні та залізобетонні конструкції” (на заміну СНиП 2.03.01 – 84*)” РК №0103U008522 07.2003 – 12.2005.

Мета роботи і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - розробка методики розрахунку міцності і деформативності залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом, на основі реальних діаграм деформування матеріалів.

Поставлена мета досягається рішенням наступних задач:

- на основі експериментальних досліджень встановити особливості роботи залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом, при короткочасному навантаженні і оптимальний крок поперечних анкерів зі стрижневої арматури;

- розробити розрахункові методики оцінки напружено - деформованого стану нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, армованих сталевим профільованим настилом, на основі діаграми Прандтля і повної діаграми деформування матеріалів;

- одержати рівняння для розрахунку статично невизначених плит, армованих сталевим профільованим настилом, на основі розвитку методу граничної рівноваги систем з обмежено пластичних матеріалів;

- розробити ефективне конструктивне рішення залізобетонних плит, армованих двома сталевими профільованими настилами;

- розробити методику розрахунку міцності і деформативності залізобетонних плит, армованих двома сталевими профільованими настилами, з використанням повної діаграми деформування бетону й оцінити ефективність отриманих пропозицій і рекомендацій.

Об'єкт дослідження – натурні залізобетонні плити, армовані сталевим профільованим настилом, в умовах короткочасного навантаження.

Предмет дослідження – міцність і деформативність нормальних перерізів залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом.

Методи дослідження – експериментальні натурні дослідження з застосуванням кореляційного аналізу, теоретичні дослідження на основі теорії пластичності матеріалів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- експериментально встановлена величина оптимального кроку поперечних анкерів зі стрижневої арматури в прольоті для залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом;

- розроблені розрахункові методики оцінки напружено деформованого стану нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, армованим сталевим профільованим настилом, на основі діаграми Прандтля і повної діаграми деформування матеріалів;

- виконано розвиток методу граничної рівноваги систем з обмежено пластичних матеріалів для статично невизначених конструкцій залізобетонних перекриттів, армованих сталевим профільованим настилом;

- запропоновано нове ефективне конструктивне рішення залізобетонної плити з двома профільованими настилами, що відрізняється високою питомою несучою здатністю, зниженням власної ваги.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені та впроваджені в нормативні документи ефективні методи розрахунку міцності елементів залізобетонних перекриттів, що згинаються, армованих сталевим профільованим настилом, що дозволяють найбільш повно враховувати властивості сталі і бетону і оцінювати напружено-деформований стан статично визначних і невизначених конструкцій на всіх етапах навантаження.

Нове ефективне конструктивне рішення залізобетонної плити, армованої сталевим профільованим настилом, забезпечує підвищення в 1,6 раз питомої несучої здатності зі зниженням у 1,35 рази власної ваги. Питома вартість 1 м2 запропонованої плити в перерахуванні на одиницю несучої здатності в порівнянні з традиційним рішенням нижче на 12,6Конструктивне рішення захищене деклараційним патентом.

Результати наукових досліджень впроваджені:

- у національних нормативних документах (дог. С-2-2-03/643. „Розробити ДБН „Бетонні та залізобетонні конструкції” (на заміну СНиП 2.03.01 – 84*)” РК №0103U008522 07.2003 – 12.2005.);

- у навчальному процесі кафедри “Металеві і дерев'яні конструкції” Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ) і кафедри “Будівельні конструкції” Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ) для підготовки фахівців і магістрів за фахом “Промислове і цивільне будівництво”.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується достатньою обґрунтованістю прийнятих передумов фундаментальної теорії залізобетону, значним обсягом натурних експериментальних досліджень, використанням для отриманих аналітичних залежностей методів математичної статистики, збіжністю результатів досліджень з результатами, отриманими за запропонованими методиками.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом, у розробці методик розрахунку міцності і деформативності нормальних перерізів на основі діаграми Прандтля в бетоні і профільованому настилі і повної діаграми деформування бетону, у розробці ефективного конструктивного рішення плити перекриття з двома сталевими профільованими настилами.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на п'ятої Всеукраїнської науково-технічної конференції: “Будівництво в сейсмічних районах України” (Ялта, 2004 р.), на VIII Української науково-технічної конференції “Металеві конструкції: погляд у минуле і майбутнє” (Київ, 2004 р.), на четвертій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (Суми, 2005 р.), на 10-ому міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з метала і деревини” (Одеса, 2005 р.).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на кафедрі “Будівельні конструкції” Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ, 2006), на науковому семінарі відділу оцінки надійності будівельних конструкцій об'єкта “Укриття” Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій (м. Київ, 2006 г.).

Публікації. По тематиці дисертації опубліковано 10 робіт, з них 9 опубліковані у виданнях, що входять у перелік, затверджений ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і шести додатків. Загальний обсяг роботи 187 сторінок, у тому числі 139 сторінок основного тексту, 20 таблиць, 73 малюнка, 131 найменування літератури на 15 сторінках і 6 додатків на 24 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність розглянутої проблеми, сформульовано мету і визначені задачі досліджень, приведена наукова новизна, практичне значення й апробація отриманих результатів.

У першому розділі розглянуті основні конструкції залізобетонних перекриттів, армованих сталевим профільованим настилом (СПН), дослідження спільної роботи профільованого настилу з бетоном, оцінка напружено-деформованого стану елементів, армованих СПН, що представлені в роботах Ю.Г. Аметова, Е.Л. Айрумяна, Ф.І. Багатурії, В.Ф. Бєляєва, О.Н. Богдановой, А.П. Васильєва, Р.В. Воронкова, В.М. Голосова, В.М. Горшкової, Б.Г. Демчины, Ф.Є. Клименка, В.І. Козаря, Ю.С. Мартинова, М.М. Онуфрієва, Я.Я. Панарина, В.О. Пермякова, І.В. Саннікова, В.Б. Сергєєва, Л.І. Стороженка, А.Л. Шубіна, B.J.К. Лооритс, M. Patrick, A.R. Kenp, P.E.та ін.

Показано, що основний напрямок експериментально-теоретичних розробок направлений на пошук нових видів анкеровки, які відрізняються підвищеною металоємністю і трудомісткістю виготовлення. Відзначено, що рифлення гофрованого профілю недостатньо ефективно для забезпечення спільної роботи з бетоном при роботі плит на згін, а для підвищення сумісної роботи профнастилу з бетоном у прольоті плити і місцевої стійкості стінок профанстилу є раціональним використання поперечних анкерів, розподілених по довжині ребер профнастилу.

Приведено аналіз відомих методик розрахунку міцності нормальних перерізів і деформативності залізобетонних елементів, армованих СПН. Показано, що більшість робіт, у тому числі діючі рекомендації, засновані на використанні ідеалізованих епюр розподілу напружень за висотою перерізу елемента перекриття, що призводить до переоцінки несучої здатності конструкцій, особливо статично невизначених, і некоректним розрахункам міцності перерізів у багатьох випадках, коли напруження в розтягнутому профнастилі не досягають граничних. Обґрунтована необхідність розробки методів розрахунку з використанням реальних діаграм деформування матеріалів на базі чітких фізичних передумов. Наприкінці розділу сформульовано висновки й основні задачі досліджень.

У другому розділі наведено обсяг і методика проведення експерименту, оснащення й устаткування, конструкція експериментальних зразків і технологія їх виготовлення, а також результати експериментальних досліджень.

Експериментальні зразки – фрагменти однопрольотних плит довжиною 2 м і шириною поперечного переріза 0,86 м виготовлені з використанням у якості опалубки і зовнішньої арматури сталевого профільованого настилу Н75-750-0,7. Зразки розділені на чотири серії. Кожна серія включала три зразки. Перша серія - плити, армовані лише сталевим профільованим настилом (П-1). Друга серія (П-II) відрізнялася від першою постановкою поперечних анкерів зі стрижневої арматури з кроком 200 мм. Третя серія (П-III) відрізнялася від другої кроком поперечних анкерів – 400 мм. Четверта серія (П-IV) представляла пропоноване конструктивне рішення плити з двома сталевими профільованими настилами і поперечними анкерами (рис. ).

Рис. 1. Конструктивне рішення залізобетонної плити перекриття з двома сталевими профільованими настилами:

1 – верхній профільований лист;

2 – нижній профільований лист;

3 – бетон;

4, 5 – поперечні анкери зі стрижневої арматури.

У торцях плит кожної серії в гофрах СПН встановлювали кінцеві анкери з арматури класу А-III O12мм, а вздовж прольоту плити - поперечні анкери з арматури класу ВР-ІІ O5 мм.

Міцність та деформаційні характеристики бетону встановлювалися за допомогою випробувань бетонних кубів і призм. Механічні характеристики сталевого профільованого настилу одержані відповідно до ДСТУ 11701-84 на зразках-стрічках, вирізаних зі сталевого профнастилу.

Випробування плит проводили на спеціально розробленому стенді за схемою чистого згину. Деформації бетону в плитах вимірювали на базі 200 мм за допомогою механічних індикаторів. Деформації сталевого профільованого настилу вимірювали тензорезисторами з базою 20 мм, що наклеювали в зоні максимального моменту на стінках, нижніх і верхніх полках СПН. Прогин вимірювали в середині прольоту плит за допомогою двох прогиномірів Аістова. Зсув СПН відносно бетону вимірювали механічними індикаторами. Навантаження зразків здійснювалось за деформаціями ?е=20х10-5 на кожній ступені.

Результати випробувань плит, армованих СПН, представлені в табл. .

Таблиця 1

Основні результати випробувань залізобетонних плит,

армованих сталевим профільованим настилом

Шифр серії

П-I-1 | 30,15 | 9,05 | 59,42 | 238,25 | 2,38 | 22,18 | 1,22

П-I-2 | 34,63 | 10,39 | 56,28 | 285 | 2,76 | 25,61 | 1,06

П-I-3 | 35,6 | 10,68 | 52,82 | 250,3 | 2,425 | 21,89 | 1,1

П-II-1 | 62,405 | 18,7215 | 237,5 | 354,6 | 4,74 | 29,505 | 0,688

П-II-2 | 62,596 | 18,778 | 217,8 | 322 | 4,32 | 34,46 | 0,629

П-II-3 | 60,76 | 18,28 | 195,6 | 321 | 4,13 | 35 | 0,567

П-III-1 | 52,31 | 15,69 | 60,28 | 329,57 | 3,12 | 38,35 | 0,98

П-III-2 | 52,21 | 15,66 | 65,85 | 320,22 | 3,09 | 43,4 | 0,87

П-III-3 | 53,34 | 16,002 | 59,7 | 295,8 | 2,84 | 47,62 | 0,92

П-IV-1 | 66,94 | 20,082 | 294,73 | 215,62 | 4,08 | 32,32 | 0,56

П-IV-2 | 77,53 | 23,259 | 309,37 | 240,51 | 4,4 | 37,19 | 0,67

П-IV-3 | 73,1 | 21,93 | 262,35 | 207,2 | 3,76 | 33,34 | 0,603

Примітка: - деформації зсуву СПН відносно бетону.

Згідно табл. 1, максимальний згинаючий момент у плитах серії П-II перевищував у 1,88 рази відповідний момент плит серії П-I і в 1,18 рази плит серії П-III. Відсутність поперечного армування призвела до зниження граничних деформацій бетону в плитах серії П-I у 3,87 рази в порівнянні з плитами серії П-II (рис. ,а). Плити серії П-I працювали фактично як бетонні елементи в опалубці з СПН. У плитах серій П-II, П-III у момент руйнування деформації в нижній полиці СПН і лише в частині стінок перевищували деформації, що відповідають межі плинності. Зсув в плитах серії П-I спостерігався на початкових етапах навантаження при деформаціях бетону стиснутої зони (рис. б) і супроводжувався відшаруванням листа СПН від бетонної полиці. Діаграми для плит серій I, II, III, IV показані на рис. 3.

а)

б)

Рис.2. Експериментальні залежності , , для плит, армованих СПН:

I – зразки серії П-I;

II – зразки серії П-II;

III – зразки серії П-III;

IV – зразки серії П-IV.

Рис. 3. Діаграми для плит I, II, III та IV серій : |

- за даними випробувань;

- розрахункові на основі повної діаграми деформування бетону;

- розрахункові на основі прямокутних епюр розподілу напружень за висотою перерізу;

- розрахункові на основі пружно-пластичної діаграми деформування матеріалів.

У плитах серії П-II, при кроці поперечних анкерів у прольоті 200 мм, зсув настилу відносно бетону був мінімальним у порівнянні зі зразками серії П-III, П-I і спостерігався безпосередньо перед руйнуванням. Визначено, що міцність бетону плит, у значній мірі залежить від кроку анкеровки СПН за довжиною прольоту. Наведені результати дозволили встановити оптимальний крок поперечних анкерів – 200мм, що дозволяє цілком використовувати міцнісні і деформативні характеристики бетону стиснутої зони. Руйнування плит серій П-I – П-III відбувалося за нормальним перерізом в зоні дії максимального моменту з розкриттям тріщин на бокових гранях полиці плити з подальшим руйнуванням бетону стиснутої зони.

Особливістю деформуваня плит серії П – IV з двома СПН було практично одночасне досягнення межі плинності на розтягнутій і стиснутій гранях, а також утворення в момент руйнування на крайній стиснутій грані в зоні чистого згину хвиль у полках верхнього сталевого профнастилу, що відповідало втраті місцевої стійкості і спостерігалось після руйнування бетону стиснутої зони при . Залежності , , , для плит серії П – IV після статистичної обробки приведені на рис. 2, 3.

У третьому розділі представлені розрахункові методики оцінки напружено – деформованого стану плит, армованих СПН, при короткочасному навантаженні на основі реальних діаграм деформування матеріалів. Розроблено два варіанти розрахунку: перший – з використанням в якості основної передумови залежності між напруженнями і деформаціями бетону і профнастилу у виді діаграми Прандтля і другий – з використанням повної діаграми деформування бетону.

Особливістю розробленої методики з використанням діаграми Прандтля є отримані рівняння щодо визначення напружень в стінці, нижній і верхній полицях СПН при пластичній і пружній роботі.

Другий варіант представляє методику розрахунку залізобетонних елементів, армованих сталевим профнастилом, з використанням реальних діаграм деформування матеріалів.

Передумови розрахунку:

- залежність між напруженнями і деформаціями бетону в розрахунковому перерізі при апроксимована поліномом п'ятого ступеня (пропозиція НДІБК);

- залежність між напруженнями і деформаціями СПН приймається у вигляді діаграми Прандтля;

- вважається справедливим лінійний закон розподілу деформацій в розрахунковому перерізі;

- за критерій руйнування приймається досягнення значень граничних деформацій крайнім стиснутим волокном або крайнім розтягнутим волокном .

Відповідно до прийнятих передумов напружено-деформований стан таврового перерізу, армованого СПН, визначається системою рівнянь рівноваги з урахуванням положення нейтральної осі в полиці або в ребрі.

У випадку розташування нейтральної осі в межах товщини “полки” плити (рис. 4):

; | (1)

. | (2)

де - кривизна розрахункового перерізу;

- висота стиснутої зони;

- коефіцієнти полінома, що визначаються в залежності від значень параметрів діаграми “ ” бетону при одноосьовому стиску;

- деформації крайнього стиснутого волокна перерізу;

і - суми сил і моментів у сталевому профільованому настилі визначаються в формулах за допомогою лінійного закону розподілу деформацій в перерізі.

Рис. 4. Напружено-деформований стан перерізу при .

У випадку розташування нейтральної осі в межі ребра () (рис. 5):

(3) | (4) |

Приведена методика дозволяє визначити напруження в кожному волокні бетону й в арматурі, кривизну зігнутої осі елемента в розглянутому перерізі, а також найбільш точне значення жорсткості і прогин елемента. Отримані рівняння (1 і 2, 3 і 4) можуть бути використані для побудови залежності “момент кривизна” на всіх етапах роботи.

Рис. 5. Напружено-деформований стан перерізу при .

Ефективність розроблених методик для плит серії П-I, П-II, П-III визначена за допомогою порівняння експериментально отриманих і розрахункових значень несучої здатності і прогинів. Приведені на рис. 3 результати свідчать, що методики розрахунку з використанням діаграми Прандтля і повної діаграми деформування матеріалів, у порівнянні з розрахунками, заснованими на прямокутних епюрах розподілу напружень в бетоні і СПН, дозволяють виконувати достовірну оцінку напружено-деформованого стану плит, армованих СПН, на всіх етапах деформування при забезпеченні спільної роботи бетону і СПН у прольоті.

У рамках розвитку методу граничної рівноваги конструкцій з обмежено пластичних матеріалів у розділі приведена методика розрахунку міцності нормальних перерізів статично невизначених елементів, що згинаються. Формули для визначення пролітного й опорного моментів защемленої плити при досягненні граничних деформацій на фібрах у пролітному перерізі і роботі опорного перерізу в пружній і пружно-пластичній стадії отримані відповідно до розрахунку міцності таврового перерізу на основі діаграми Прандтля:

- пролітний момент:

; | (5)

- опорний момент при роботі перерізу в пружній стадії:

; | (6)

- опорний момент при роботі перерізу в пружно-пластичній стадії:

. | (7)

Приведені формули (5 - 7) використані для одержання чисельних результатів оцінки несучої здатності статично невизначених залізобетонних плит, армованих СПН, при різних значеннях параметра обмеженої пластичності .

На рис.6 показано, що несуча здатність опорних перерізів плит, згідно з методом обмеженої пластичності, при на 24менше значення несучої здатності згідно методу граничної рівноваги в його класичній постановці при .

Рис. 6. Перерозподіл зусиль в статично невизначеній плиті, армованій сталевим профільованим настилом:

1 – пролітний момент;

2 – опорний момент.

Розходження між граничним навантаженням, обчисленим з урахуванням обмеженої пластичності і граничним навантаженням , що отримано в припущенні ідеальної пластичності матеріалу при значеннях досягає 30%. Встановлено, що неврахування впливу стиснутого бетону на несучу здатність опорних перерізів плит без надопорної гнучкої арматури, відповідно до діючих рекомендацій, призводить до недооцінки несучої здатності приблизно на 23-46% в залежності від параметра . Таким чином, при проектуванні залізобетонних плит перекриттів, армованих СПН, виготовлених з матеріалів з вираженим обмеженням пластичних властивостей (бетони середньої і високої міцності з ), це обмеження повинне бути враховане в розрахунках.

У четвертому розділі представлені розрахункові залежності і методика оцінки напружено – деформованого стану запропонованих плит, армованих двома СПН, при короткочасному навантаженні з використанням повних діаграм деформування бетону і діаграми Прандтля в СПН і прямокутних епюр розподілу напружень у бетоні і СПН. Приведено оцінку ефективності запропонованого конструктивного рішення і методики розрахунку міцності і деформативності плит.

У випадку розташування нейтральної осі в межах товщини полки плити (рис. 7), рівняння рівноваги отримані у вигляді:

Рис.7. Напружено-деформований стан перерізу при .

. | (8)

. | (9)

У розділі приведені також рівняння рівноваги щодо випадку розташування нейтральної осі в межах висоти ребер плити , а також таблиці значеннь розрахункових прольотів у залежності від висоти перерізу плити у діапазоні навантажень від 5 до 40 кН/м2.

Оцінка ефективності запропонованого конструктивного рішення виконана зіставленням питомої несучої здатності і вартості натурних плит, армованих двома й одним СПН. Запропоноване конструктивне рішення (рис. ) відрізняється приблизно в 1,6 рази більшою питомою несучою здатністю в порівнянні з плитами, армованими одним СПН і в 1,35 рази меншою власною вагою (рис. ). При цьому питома вартість 1м2 перекриття з використанням двох сталевих профнастилів несучою здатністю 1 кН·м з урахуванням власної ваги менше на 12,6

Рис. 8. Запропоноване конструктивне рішення плити з двома СПН.

Рис. 9. Результати порівняння питомої несучої здатності експериментальних плит серій П-II і П-IV.

Слід зазначити, що запропоноване конструктивне рішення перекриття з двома СПН відрізняється підвищеним опором зосередженим навантаженням за рахунок збільшення просторової жорсткості конструкції і сприймає моменти за статично невизначеною схемою.

Конструктивне рішення плити з двома СПН захищене деклараційним патентом України.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Виконані дослідження дозволяють сформулювати основні результати і загальні висновки:

1. На основі експериментальних досліджень натурних зразків плит, армованих сталевим профільованим настилом, встановлено, що прийняті в діючих рекомендаціях анкерні пристрої в місцях обпирання плит не забезпечують повної сумісної роботи бетону і сталевого профільованого настилу; відсутність анкеровки в прольоті плити призводить до зниження в 3,8 рази граничних деформацій стиску бетону, в 1,28 рази деформацій у розтягнутому профнастилі і, як наслідок, до зниження в 1,9 рази несучої здатності конструкції перекриття.

2. Експериментально обґрунтовано крок поперечної анкеровки в прольоті плити, що забезпечує спільність роботи бетону і профнастилу до досягнення граничних деформацій у бетоні стиснутої зони і деформацій плинності в сталевому профільованому настилі.

3. Розроблено методики розрахунку міцності і деформативності нормальних перерізів плит, армованих одним і двома сталевими профільованими настилами на основі повної діаграми деформування бетону і трапецеїдальної епюри розподілу напружень в бетоні і профнастилі, що дозволяють проектувати конструкції перекриттів з мінімальною витратою сталі і бетону і дають достовірну оцінку напружено-деформованого стану на всіх етапах деформування.

4. У рамках розвитку методу граничної рівноваги систем з обмежено пластичних матеріалів отримані рівняння щодо розрахунку статично невизначених елементів, армованих сталевим профільованим настилом, і обґрунтовано їхнє раціональне використання для бетонів середньої і високої міцності.

5. На основі порівняння результатів розрахунків статично невизначених елементів, армованих сталевим профільованим настилом, за запропонованою і існуючою методиками встановлено, що використання прямокутних епюр розподілу напружень в бетоні і сталевому профнастилі призводить до завищення на 30 % несучої здатності опорних перерізів.

6. Запропоновано оцінку деформованого стану залізобетонних елементів, армованих сталевим профнастилом, з використанням реальних діаграм деформування бетону і профнастилу, що дозволяє найбільш точно визначати характеристики жорсткості і прогини на будь-якій стадії навантаження.

7. Розроблено ефективне конструктивне рішення залізобетонної плити, армованої двома профільованими настилами, що забезпечує, в порівнянні з традиційним рішенням, зниження в 1,35 рази власної ваги за рахунок зменшення об’єму бетону, збільшення в 1,6 рази питомої несучої здатності за рахунок введення верхнього профнастилу. Питома вартість запропонованого конструктивного рішення з урахуванням зниження власної ваги в перерахуванні на 1м2 перекриття несучою здатністю 1 кН·м на 12,6менше, ніж плит, армованих одним профнастилом.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Давиденко А.И., Беляева С.Ю., Безбожная М.С. К расчету несущей способности монолитной железобетонной конструкции перекрытия с двойным профилированным настилом // Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. – Київ: НДІБК, 2002. – вип. 57 – С. 175 - 180. (Здобувачу належить розробка розрахункових рівнянь методики оцінки несучої здатності плит, армованих двома СПН).

2. Пат. 58278 А Україна, МКИ7 Е 04 В 5/40. Перекриття / Давиденко О.І., Бєляєва С.Ю. (Україна, ДГМІ) – № 2002118932; Заявлено 1.11.02; Опубл. 15.07.03, Бюл. №7. – 3 с. (Здобувачу належить розрахунок міцності та деформативності конструктивного рішення перекриття з двома СПН).

3. Давиденко А.И., Беляева С.Ю. Расчет железобетонной конструкции перекрытия, армированной стальным профилированным настилом, на основе упругопластической диаграммы работы материалов // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. – Дніпропетровськ, ПДАБтаА - 2003. - №8. – С.10-15. (Здобувачу належить розробка основних розрахункових залежностей).

4. Беляева С.Ю., Присяжнюк Н.В., Давиденко А.И. К вопросу совершенствования методики расчета прочности изгибаемых железобетонных элементов, армированных стальным профилированным настилом// Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. – Київ: НДІБК, 2004. – вип. 60 – С. - 546. (Здобувачу належить розробка методики розрахунку міцності нормальних перерізів плит, армованих СПН).

5. Беляева С.Ю., Псюк, В.В. Методика исследования прочности и деформативности плит с двойным стальным профилированным настилом // Сб. докладов VIII Украинской научно-технической конференции “Металлические конструкции - взгляд в прошлое и будущее”. – Часть 1. - Киев: Изд-во “Сталь”, 2004 – С. 289 - 292. (Здобувачу належить розробка методики проведення експерименту і способи виготовлення плит, армованих двома СПН).

6. Давиденко А.И, Давиденко М.А., Беляева С.Ю., Присяжнюк Н.В. К расчету железобетонных плит, армированных стальным профилированным настилом, на выносливость и малоцикловую усталость// Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. – Київ, НДІБК, 2005. – вип. 62 –С.  . (Здобувачу належить розробка розрахункових залежностей на основі повної діаграми деформування бетону).

7. Беляева С.Ю. К расчету прочности монолитной железобетонной конструкции перекрытия с двойным профилированным настилом. – Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції” – Київ: НДІБК, 2005 – вип.. 63. – С. 37 - 42.

8. Давиденко А.И, Давиденко М.А., Беляева С.Ю., Присяжнюк Н.В. Трубчато-ребристая железобетонная плита со стальным профилированным настилом: конструктивное решение и расчет прочности // Сб. научных трудов “Современные строительные конструкции из металла и древесины”. – Одесса, ОГАСА, 2005 – часть 1 – С. 62 – 67. (Здобувачу належить розробка передумов розрахунку й основних розрахункових залежностей).

9. Беляева С.Ю. Экспериментальные исследования железобетонных плит, армированных стальным профилированным настилом // Зб. наук. праць Донбас. технічн. ун-ту. – Вып. 20. – Алчевск: “Ладо” ДГМІ. – 2005. – С. 344–348.

10. “Методические рекомендации по определению несущей способности железобетонных перекрытий со стальным профилированным настилом” // Беляева С.Ю., Присяжнюк Н.В., Давиденко А.И., Давиденко М.А. - Алчевск: ДонДТУ, Ладо. - 2006 г.-17 с. (Здобувачу належить розробка розрахункових залежностей для оцінки несучої здатності нормальних перетинів елементів, що згинаються, армованих СПН).

АНОТАЦІЯ

Бєляєва С.Ю. Міцність і деформативність залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом і поперечними анкерами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України, м. Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена розробці методів розрахунку міцності і деформативності нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, армованим сталевим профільованим настилом, з використанням реальних діаграм деформування бетону і СПН. На основі експериментальних досліджень плит, армованих одним і двома СПН, обґрунтовано оптимальний крок анкерів у прольоті і його вплив на міцність і деформативність плит. Запропоновано ефективне конструктивне рішення плити, армованої двома СПН, підвищеної питомої несучої здатності. Розроблено методики розрахунку міцності і деформативності нормальних перерізів елементів, що згинаються, армованих СПН, з використанням повної діаграми деформування бетону й пружно-пластичної діаграми Прандтля в бетоні і сталевому профнастилі. Представлено пропозиції щодо розвитку методу граничної рівноваги для статично невизначених елементів, виготовлених з обмежено пластичних матеріалів, армованих СПН. Результати досліджень використані в національних нормативних документах, і для підготовки фахівців і магістрів у провідних будівельних вузах України. За матеріалами роботи отримано деклараційний патент на винахід плити з двома сталевими профільованими настилами.

Ключові слова: залізобетонна плита, сталевий профільований настил, конструктивне рішення, міцність, деформативність, реальні діаграми деформування.

аннотация

Беляева С.Ю. Прочность и деформативность железобетонных плит, армированных стальным профилированным настилом и поперечными анкерами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций Госстроя Украины, г. Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена разработке методов расчета прочности и деформативности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов, армированных стальным профилированным настилом, на основе реальных диаграмм деформирования бетона и стали профилированного настила.

Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическое значение работы, дана ее общая характеристика.

В разделе 1 приведен обзор основных конструктивных решений железобетонных перекрытий, армированных стальным профилированным настилом, проанализированы работы, посвященные исследованию сцепления профнастила с бетоном. Отмечена необходимость создания новых конструктивных форм перекрытий и анкеровки СПН в пролете. Рассмотрены предложения по определению прочности и деформативности элементов, армированных СПН. Показана целесообразность применения реальных диаграмм деформирования бетона и стали профнастила для оценки напряженно-деформированного состояния плит, армированных СПН.

В разделе 2 изложены экспериментальные исследования прочности и деформативности железобетонных плит, армированных СПН, при кратковременном нагружении. Приведены методика проведения испытаний, данные о характере деформирования и разрушения плит под нагрузкой. Исследовано влияние поперечной анкеровки в пролете плит на несущую способность, деформативность и совместную работу бетона с профнастилом. Обоснован оптимальный шаг поперечной стержневой арматуры, позволяющий полностью использовать прочностные и деформативные свойства бетона и СПН. Экспериментально установлено повышение удельной несущей способности предлагаемой конструкции плиты с двумя СПН в сравнении с плитами, армированными одним СПН.

В разделе 3 приведены методики расчета нормальных сечений изгибаемых элементов, армированных СПН, на основе полной диаграммы деформирования бетона и упругопластической диаграммы Прандтля в бетоне и стальном профнастиле и показана эффективность их использования на примере зависимостей , . Представлены предложения по развитию метода предельного равновесия для статически неопределимых элементов, армированных СПН, с использованием ограниченно пластичных материалов (бетонов высокой и средней прочности). Показано влияние параметра ограниченной пластичности на перераспределение моментов в опорных сечениях.

В разделе 4 приведена расчетная методика оценки прочности и деформативности предлагаемого конструктивного решения плиты, армированной двумя стальными профнастилами, на основе полной диаграммы деформирования бетона и диаграммы Прандтля в стальном профнастиле, а также с использованием прямоугольных эпюр распределения напряжений. На основе сопоставления опытных и теоретических результатов показана целесообразность использования реальных диаграмм деформирования материалов для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции на всех этапах деформирования, вплоть до разрушения. Приведено технико-экономическое обоснование и показатели эффективности предлагаемого конструктивного решения плиты с двумя СПН: повышение в 1,6 раза удельной несущей способности, снижение в 1,35 раза собственного веса, снижение на 12,6% удельной стоимости плиты в сравнении с плитами, армированными одним СПН.

В выводах представлены основные результаты, отражающие научную новизну и решение научно-технической проблемы.

В приложении приведены примеры расчета по разработанным методикам.

Результаты исследований использованы: при разработке национальных нормативных документов по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, в учебном процессе кафедры “Металлические и деревянные конструкции” Киевского национального университета строительства и архитектуры (г. Киев) и кафедры “Строительные конструкции” Донбасского государственного технического университета (г. Алчевск). По материалам работы получен декларационный патент на изобретение плиты с двумя стальными профилированными настилами.

Ключевые слова: железобетонная плита, стальной профилированный настил, конструктивное решение, прочность, деформативность, реальные диаграммы деформирования.

summary

Belyaeva S.J. Strength and deformation properties of reinforced concrete slabs reinforced with steel shaped flooring and cross anchors. – The manuscript.

The manuscript for a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.23.01 – Building Construction, Buildings and Structures. The State Scientific Research Institute of Building Constructions of Gosstroy of Ukraine, Kiev, 2006.

The dissertation is devoted to the development of methods of calculation of strength and deformation properties of standard cross-sections of the bent reinforced concrete elements additionally reinforced with steel shaped flooring (SSF) on the basis of real diagrams of deformation of concrete and SSF. Based on the pilot research of the slabs, additionally reinforced with one and two SSF, the optimum step of anchors in span and its influence on strength and deformation properties of the concrete slabs have been proved. The effective constructive solution for the slabs additionally reinforced with two SSF, with improved specific load-carrying capacity is offered. Design procedures for strength and deformation properties of standard cross-sections of the bent reinforced concrete elements additionally reinforced with the SSF on the basis of full diagram of deformation of concrete and Prandtl’s elasto-plastic diagram in concrete and steel shaped flooring have been developed. Offers on the development of a method of limiting balance for statically indeterminate elements made of plastic-restricted materials, reinforced with SSF are presented. The results of research have been noted in national normative documents and in training programs for experts and masters at leading building high schools of Ukraine. It has been taken out an inventor’s patent for the slab with two steel shaped floorings on the materials of research.

Keywords: concrete slab, steel shaped flooring, constructive solution, strength, deformation properties, real diagrams of deformation.

Підп. до друку 11.07.2006 р. Формат 60х90 1/16. Папір офс.

Друк RISO Ум. друк.арк. 1. Зам. № . Наклад 100 пр.

Видавництво не несе відповідальності за зміст матеріалу, наданого автором до друку.

Видавець та виготівник:

Донбаський державний технічний унірситет

94204, Луганська обл.., м. Алчевськ, пр. Леніна, 16. (ТВО „Ладо”, ауд.2113, т/факс 2-02-59)

Свідоцтво Держкомтелерадіо серія ДК, №2010 від 12.11.2004