ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА
Биба Володимир Васильович
УДК 624.012.45:624.071.34
СТИСНЕНІ СТАЛЕЗАЛІЗОБЕТОННІ ЕЛЕМЕНТИ ЗІ СТРІЧКОВИМ АРМУВАННЯМ
05.23.01 – „Будівельні конструкції, будівлі та споруди”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Полтава 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі конструкцій із металу, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор
Стороженко Леонід Іванович,
Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка,
професор кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас. | Офіційні опоненти – | доктор технічних наук, професор
Бліхарський Зіновій Ярославович,
національний університет „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, професор кафедри будівельних конструкцій і мостів;
кандидат технічних наук, доцент
Воскобійник Павло Павлович,
Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри залізобетонних і кам’яних конструкцій та опору матеріалів. | Провідна установа – | Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ надійності будівельних конструкцій Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України, м. Київ. |
Захист відбудеться 16 січня 2007 р. о 1300 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд. 218.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.
Автореферат розісланий „8 ” грудня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.В. Чернявський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Сталезалізобетонний елемент – це комплексна конструкція, яка складається з металевого профілю та бетону. Використання таких конструкцій у практиці проектування і будівництва дозволяє підвищити ефективність несучих будівельних конструкцій, знизити вартість, енерго- й трудовитрати при їх будівництві. Завдяки специфіці армування в багатьох випадках можливе застосування конструктивних рішень, що дозволяють спростити технологію виготовлення та отримати значний техніко-економічний ефект. Економічність сталебетонних конструкцій із зовнішнім армуванням порівняно з традиційними залізобетонними забезпечується за рахунок ефективнішого використання стрічкової арматури шляхом розміщення її на найбільш напруженій грані перерізу. Це дає змогу збільшити робочу висоту перерізу й одержати відповідний приріст міцності та жорсткості або зменшити висоту конструкції при збереженні міцнісних і деформативних властивостей.
Широке застосування сталезалізобетонних конструкцій у будівництві стримується відсутністю нормативних документів для їх розрахунку та проектування. Використання в будівництві збірних і монолітних конструкцій із зовнішнім листовим армуванням потребує детального вивчення їх роботи при різних видах завантаження.
На даний час достатньо досліджені згинальні конструкції зі стрічковим армуванням, доведена їх техніко-економічна ефективність. Однак стиснені сталезалізобетонні конструкції зі стрічковим армуванням до цього часу не досліджувались. Тому завдання з вивчення міцності, несучої здатності й напружено-деформованого стану стиснених залізобетонних елементів із листовим армуванням і розроблення методів їх розрахунку є актуальним.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі конструкцій із металу, дерева і пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка у рамках держбюджетних дослідних тем: „Розробка методів розрахунку, проектування і будівництва трубобетонних конструкцій на основі дослідження їх дійсної роботи” (державний реєстраційний номер 019U009180), „Дослідження об’ємного напружено-деформованого стану елементів із сталевих труб, заповнених бетоном при складних навантаженнях” (державний реєстраційний номер 019U006060).
Мета і завдання дослідження. Розробити методи оцінювання напружено-деформованого стану та розрахунку несучої здатності стиснених сталезалізобетонних елементів зі стрічковим армуванням на основі експериментально-теоретичних досліджень.
Об’єкт дослідження – стиснені сталезалізобетонні елементи зі стрічковим армуванням.
Предметом дослідження є несуча здатність і напружено-деформований стан стиснених сталезалізобетонних елементів зі стрічковим армуванням.
Метод дослідження – експериментально-теоретичний, що містить підбір, вивчення й аналіз літературних джерел, на основі якого формулюється мета та завдання роботи, виконання експериментальних і теоретичних досліджень стиснених сталезалізобетонних елементів зі стрічковим армуванням.
Наукову новизну отриманих результатів складають:
- запропонований новий вид стиснених елементів зі стрічковим армуванням;
- вперше одержані експериментальні результати щодо несучої здатності нових конструктивних рішень стійок із зовнішнім стрічковим армуванням, яке забезпечує сумісну роботу бетону зі сталевим листом, та виявлено характер їх руйнування;
- вивчені особливості роботи поздовжньої арматури в комплексному перерізі під навантаженням, що дозволяє зробити висновок про сумісну роботу конструкції;
- установлено, якою мірою несуча здатність стиснених сталезалізобетонних елементів залежить від висоти, ексцентриситету прикладання зусилля;
- розроблені методи розрахунку несучої здатності та оцінювання напружено-деформованого стану центрально і позацентрово стиснених сталезалізобетонних елементів зі стрічковим армуванням.
Практичне значення отриманих результатів:
- запропонований новий конструктивний елемент та зроблені висновки щодо застосування на будівництві в якості несучих конструкцій стиснених сталезалізобетонних елементів зі стрічковим армуванням;
- розроблені методи розрахунку несучої здатності досліджуваних конструкцій;
- на основі одержаних теоретичних залежностей створена програма розрахунку на ПЕОМ стиснених сталезалізобетонних елементів;
- запропоновано рекомендації по проектуванню несучих конструкцій із сталезалізобетонних елементів.
Особистий внесок полягає в наступному:
- запропоновано конструкції дослідних зразків і методика експериментальних досліджень, яка апробована автором;
- установлений характер руйнування та деформування сталезалізобетонних елементів;
- розроблені методи розрахунку несучої здатності центрально і позацентрово стиснених сталезалізобетонних елементів.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на V, VІ та VІІ Міжнародних науково-технічних конференціях „Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація” (м. Кривий Ріг) у 2002, 2004 і 2006 роках; на ІV Всеукраїнській науково-технічній конференції „Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (м. Суми) у 2005 році; на щорічних науково-технічних конференціях ПолтНТУ (2001 – 2006 рр.) та на семінарах кафедри КМДіП Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Результати дисертаційної роботи прийняті для впровадження при розробленні нормативного документа України ДБН „Сталезалізобетонні конструкції” та прийняті при проектуванні несучих конструкцій складу контейнерів у м. Запоріжжі.
Публікації. Основні результати дисертації були викладені у восьми наукових працях, шість із яких опубліковані у фахових виданнях.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків. Зміст викладено на 133-х сторінках. Окрім основного тексту, робота містить 58 рисунків, 10 таблиць та список літературних джерел із 216-ти найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі дисертації розглянуті основні поняття про сталезалізобетонні конструкції, їх переваги й недоліки, сферу застосування, дослідження в галузі сталезалізобетону та методи розрахунку.
У наш час сталезалізобетонні конструкції, що являють собою сполучення профільної сталі, стержневої арматури й бетону для їх сумісної роботи, отримали широке разповсюдження в усьому світі. Сталезалізобетон використовується в різних галузях будівництва. Проведеними дослідами встановлено, що сталезалізобетонні конструкції надійні в експлуатації, про це свідчить те, що в граничному стані вони не втрачають несучу здатність миттєво, як залізобетонні, а ще тривалий час здатні витримувати значні навантаження.
У нашій країні питаннями розроблення теорій розрахунку сталезалізобетонних конструкцій з різним армуванням займалися О.Я. Берг, О.О. Гвоздєв, Г.А. Генієв, О.А. Долженко, В.І. Єфименко, Ф.Є. Клименко, Л.К. Лукша, Г.П. Передерій, В.А. Росновський, Р.С. Санжаровський, О.В. Семко, Л.І. Стороженко, В.М. Сурдін, М.М. Стрелецький, В.А.Трулль, В.М. Фонов, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагін та інші дослідники.
У цих роботах достатньо широко висвітлені проблеми сталезалізобетону, але значна кількість практично і теоретично важливих завдань усе ще потребує розв’язання. Широко досліджені згинальні конструкції з листовим армуванням групою вчених Національного університету „Львівська політехніка” під керівництвом Ф.Є. Клименка.
Європейськими дослідниками розроблено нормативний документ Єврокод-4, в якому узагальнені наукові основи розрахунку і конструювання сталезалізобетонних конструкцій.
Міцність сталезалізобетонних елементів розглянута в багатьох роботах, однак за цими дослідженнями отримані різні висновки, що пояснюється різноманітністю застосування теорій міцності бетону при визначенні несучої здатності сталезалізобетонних елементів. До цього часу методи розрахунку стиснених сталезалізобетонних елементів зі стрічковим армуванням не розроблені, а особливості роботи таких елементів під навантаженням експериментально не досліджені.
У зв’язку з розширенням сфери застосування сталезалізобетону як економічної і прогресивної конструкції виникає необхідність дослідження напружено-деформованого стану стиснених елементів із зовнішнім армуванням сталевими листами.
На підставі цього були сформульовані такі завдання дослідження:
- розробити схеми армування поперечних перерізів стиснених елементів із листовим армуванням;
- експериментально дослідити особливості роботи під навантаженням та характер втрати несучої здатності сталезалізобетонних зразків із зовнішнім армуванням сталевими листами залежно від висоти й ексцентриситету прикладання зусиль;
- розробити методи оцінювання напружено-деформованого стану та визначення несучої здатності дослідних елементів на стиск;
- запропонувати рекомендації щодо розрахунку й проектування та впровадити результати дослідження стиснених сталезалізобетонних елементів із зовнішнім листовим армуванням у виробництво.
Другий розділ присвячений програмі експериментальних досліджень, методиці проведення експерименту й дослідженню фізико-механічних властивостей матеріалів дослідних конструкцій.
При складанні програми експерименту враховувалось, що несуча здатність та напружено-деформований стан елемента залежать від конструктивного вирішення, ексцентриситету прикладення навантаження і фізико-механічних властивостей вихідних матеріалів. Було поставлено завдання експериментально визначити міцність та особливості роботи під навантаженням стиснених елементів зі стрічковим армуванням. Для експериментальних досліджень використані сталебетонні стійки різної висоти, а також із різним поздовжнім армуванням, заповнені важким бетоном і не заповнені ним. Характеристика дослідних зразків наведена в табл. 1.
Таблиця 1
Характеристика дослідних зразків
Серія зразка | Висота Н, мм | Ексцентриситет е0, мм | Несуча здатність, кН | з | m
CБ-1-10 | 400 | 0 | 414 | 1,51 | 1,21 | CБ-1-20(А) | 400 | 25 | 385 | - | - | CБ-1-20(Б) | 400 | 25 | 375 | - | - | CБ-1-30(А) | 400 | 50 | 275 | - | - | CБ-1-30(Б) | 400 | 50 | 271 | - | - | СА-1-12 | 400 | 0 | 582 | 1,28 | 1,08 | СА-1-16 | 400 | 0 | 850 | 1,22 | 1,13 | СС-1-10 | 400 | 0 | 59 | - | - | СС-2-10 | 800 | 0 | 33 | - | - | СС-3-10 | 1000 | 0 | 32 | - | - | CБ-2-10 | 800 | 0 | 375 | 1,15 | 1,06 | CБ-2-20(А) | 800 | 25 | 275 | - | - | CБ-2-20(Б) | 800 | 25 | 300 | - | - | CБ-2-30(А) | 800 | 50 | 275 | - | - | CБ-2-30(Б) | 800 | 50 | 250 | - | - | CБ-3-10 | 1000 | 0 | 375 | 1,33 | 1,14 | CБ-3-20(А) | 1000 | 25 | 275 | - | - | CБ-3-20(Б) | 1000 | 25 | 275 | - | - | CБ-3-30(А) | 1000 | 50 | 240 | - | - | CБ-3-30(Б) | 1000 | 50 | 215 | - | - |
При маркуванні літерами і цифрами позначено: СБ – зразки, заповнені бетоном, СС – незаповнені бетоном, СА – заповнені бетоном із допоміжною стержневою арматурою; перша цифра – висота зразка, відповідно: 1 – 400 мм, 2 – 800 мм, 3 – 1000 мм; друга цифра – початковий ексцентриситет, відповідно: 10 – 0 мм (без ексцентриситету, центральний стиск ), 20 – 25 мм, 30 – 50 мм; літера А – ексцентриситет паралельно листу, Б – ексцентриситет перпендикулярно листу.
Процес виготовлення комплексних сталезалізобетонних конструкцій складався з двох частин: виготовлення каркасів та виготовлення зразків.
Для виготовлення експериментальних зразків використовувався сталевий лист t = 4 мм, поздовжня арматура класу А-ІІІ 12 мм, 16 мм і поперечна арматура класу А-І 6 мм. Висота зразків складала 400, 800, 1000 мм, переріз 100х100 мм (рис. 1). Для виявлення ефективності роботи сталезалізобетонних елементів випробовувались зразки зі сталі без бетону таких же розмірів.
Торцеві пластини та поперечні стержні з’єднують між собою поздовжню листову арматуру, яка виконує одночасно функцію опалубки. Поперечна арматура приварюється на відстані 100 мм одна від одної. Під час бетонування зварені у вигляді короба листи позицій 1 і 3 з’єднані між собою за допомогою стержнів позиції 2, вкладаються на піддон і заповнюються бетоном у горизонтальному положенні. Зовнішня арматура виконує функції закладних деталей.
Рис.1. Конструкції експериментальних зразків
Визначення фізико-механічних властивостей стержневої та стрічкової арматури проводилось на розривній машині ТМС-50 з одночасним записом діаграми розтягу. Для виготовлення дослідних зразків було прийнято бетон класу В25 за міцністю. Для приготування бетону застосовувався гранітний щебінь (фракція 10 – 20 мм), річковий пісок (Мк=1,58). В якості в’яжучої речовини використовувався портландцемент ПЦ – 400. Бетон виготовлявся промисловим способом на заводі залізобетонних виробів. Призмова міцність бетону склала Rb=19,6 МПа. Початковий модуль пружності Eb= 2,4 х 10 МПа. Для визначення фізико-механічних властивостей бетону, що був прийнятий для досліджень, виготовлялися бетонні куби та призми. Випробування зразків проводилось у віці 28 діб і більше на пресі ПММ-250. Поздовжні та поперечні деформації вимірювались за допомогою електротензорезисторів, для тензометричних випробувань використовувався автоматичний вимірювач деформацій АИД-4. Крім того, поздовжні деформації вимірювались за допомогою індикаторів годинникового типу. Прогини в дослідних елементах вимірювались прогиномірами Максимова. На всіх ступенях завантаження відмічались особливості характеру деформування, розподілення деформацій по висоті зразка, розвитку тріщин у бетоні, а також інтенсивність зростання прогинів елемента. Усі зразки доводились до руйнування.
Третій розділ дисертаційної роботи присвячений аналізу результатів експериментальних досліджень міцності та деформативності сталебетонних елементів із листовим армуванням, характеру руйнування й несучої здатності дослідних зразків.
При випробуванні експериментальні зразки мали різну несучу здатність, яка залежала від конструктивного вирішення, висоти, ексцентриситету прикладення навантаження. Несуча здатність та ефективність сумісної роботи матеріалів наведена в табл. 1.
Про ефективність листового армування свідчать результати випробовування центрально стиснених елементів, подані на рис. 2.
Рис. 2. Залежність несучої здатності випробуваних сталезалізобетонних зразків від висоти елемента
Несуча здатність комплексного елемента значно перевищує сумарну несучу здатність сталевого каркаса та бетонного осердя, випробуваних окремо.
Для оцінювання ефективності сумісної роботи матеріалів у сталебетонних елементах із листовим армуванням розраховували коефіцієнти ефективності m і з.
, (1)
де Nsb – несуча здатність сталебетонного елемента з листовим армуванням; Ns – несуча здатність металевого каркасу; Nb – несуча здатність бетонної складової.
, (2)
де – напруження в бетоні сталебетонного елемента з листовим армуванням у граничному стані за несучою здатністю;
Аb – площа бетону в поперечному перерізі сталебетонного елемента з листовим армуванням.
Значення коефіцієнта m сталебетонних елементів залежать від конструктивних особливостей конструкції і знаходяться у межах від 1,06 до 1,21, що свідчить про їх ефективність.
За результатами експериментальних досліджень центрально стиснених зразків були побудовані графіки залежності поздовжніх та поперечних деформацій бетону й листового армування від навантаження, деякі з них наведені на рис. 3.
Рис. 3. Залежність поздовжніх та поперечних деформацій від навантаження для зразків СБ-1-10, СА-1-12, СА-1-16: а) бетону; б) листового армування
У зразках із листовим армуванням у середньому перерізі (для коротких зразків), коли поздовжні деформації дорівнювали межі плинності металу (е=200...300), на лакофарбовому покритті утворювалась сітка ліній Чернова. На поверхні бетону, вільній від листового армування, мікротріщини об’єднувались у макротріщини. Напрямок цих тріщин співпадає з поздовжньою віссю дослідного зразка. Далі відбувалося випучування листового армування внаслідок тиску бетону в поперечному напрямку з утворенням гофр перпендикулярно до поздовжньої осі, на ділянці між сусідніми рядами поперечних хомутів. Подальше збільшення навантаження призводило до руйнування. Руйнування сталебетонного елемента з листовим армуванням відбувається внаслідок досягнення межі плинності та втрати місцевої стійкості найбільш напруженим волокном стисненого листового армування з одночасним виколюванням бетону. На всіх етапах завантаження сталезалізобетонних елементів бетон і листове армування працювали сумісно.
У четвертому розділі розглядається напружено-деформований стан та несуча здатність сталезалізобетонних стиснених елементів зі стрічковим армуванням.
Поставлена задача розв’язувалась за допомогою методу скінченних елементів (МСЕ) із використанням програмного комплексу NASTRAN. При розрахунку за МСЕ конструкція розбивається на окремі геометричні елементи (скінченні елементи), напружено-деформований стан яких попередньо досліджується. Точність розрахунку конструкції залежить від точності вхідної інформації про фізико-механічні характеристики матеріалів. На рис. 4. можна спостерігати характер руйнування стиснутих сталезалізобетонних конструкцій зі стрічковим армуванням.
Рис. 4. Загальний характер руйнування стиснених сталезалізобетонних конструкцій зі стрічковим армуванням за результатами розрахунку
Отримані результати щодо несучої здатності свідчать про те, що спосіб розрахунку конструкцій за методом скінченних елементів добре враховує спільні деформації бетонного плоского елемента типу „плита” та лінійного стержневого скінченного елемента.
Методика визначення напружено-деформованого стану сталебетонних елементів із листовим армуванням при осьовому стисненні побудована на експериментальних дослідженнях центрально стиснутих зразків. За результатами цих дослідів одержано залежності розвитку поздовжніх і поперечних деформацій поперечного перерізу від навантаження. За заміряними деформаціями та відповідними зусиллями визначалися напруження в бетоні, листовому армуванні й арматурних стержнях. При цьому припускалося, що бетон і метал працюють сумісно до моменту досягнення зразком граничного стану за міцністю. Таким чином, вважаємо, що метал та бетон надійно "спаяні" і через цю межу відбувається вплив однієї складової поперечного перерізу на інші.
Із графіків залежності поздовжніх та поперечних деформацій від навантаження видно, що вони мають криволінійний характер, тобто дослідні зразки працюють як у пружній ( % від руйнівного зусилля), так і в пластичній стадії. Тому ці дві стадії роботи дослідних зразків розглянуті окремо.
У пружній стадії поздовжні та поперечні напруження можна визначити за узагальненими формулами закону Гука.
Вважаємо, що напружений стан стержневого армування є одноосним. Для листового армування й бетону приймаємо плоский напружений стан. Напруження у відповідних частинах поперечного перерізу сталебетонних елементів із листовим армуванням:
а) стержнева арматура: ; (3)
б) листове армування: ; (4)
;
в) бетон: ; (5)
,
де х, у, z, x, у, z – деформації та напруження вздовж відповідних осей; і – коефіцієнт поперечної деформації.
У випадку, коли залежність деформацій від навантаження отримує криволінійний характер унаслідок розвитку пружно-пластичних деформацій, напруження визначаються з використанням теорії малих пружно-плаcтичних деформацій. У цьому випадку залежності між окремими компонентами напружень та деформацій за формою аналогічні пружній стадії, але із заміною постійного модуля пружності Е на змінний модуль деформації Еґ.
Ураховуючи, що стержневе армування в сталебетоні з листовим армуванням знаходиться в одноосному напруженому стані, використовуємо залежність напружень від деформацій, одержану при простому розтязі.
Таким чином ми визначаємо поздовжні напруження в стержневій арматурі та листовому армуванні. Це дає змогу знайти величину поздовжнього зусилля, яке вони сприймають. Іншу частину зусилля сприймає бетон
. (6)
Із цього рівняння обчислюємо напруження бетону на кожному етапі завантаження
. (7)
За результатами експериментальних досліджень визначені напруження в бетоні під час вичерпання несучої здатності, оцінено ефективність сумісної роботи матеріалів у сталебетонних елементах із листовим армуванням та обчислено коефіцієнт ефективності бетону в умовах двовісного стиснення.
За наведеною вище методикою побудовано графіки зміни напруженого стану бетону й металу сталебетонних дослідних елементів із листовим армуванням (рис. 5, 6), результати експериментальних досліджень яких викладені в попередніх розділах.
Рис. 5. Напружено-деформований стан зразків серії СБ-1-10
Рис. 6. Напружено-деформований стан досліджуваних зразків серії СА-1-12
За підсумками порівняння слід зробити висновок про сумісність роботи металу та бетону в сталебетонних елементах і про можливість обчислення значень напружень залежно від виміряних деформацій. Метод розрахунку за напружено-деформованим станом дозволяє з належною точністю врахувати фізико-механічні характеристики матеріалів й оцінити поведінку зразка під навантаженням з урахуванням його деформування. Значення несучої здатності стиснутих сталезалізобетонних елементів, отримані експериментальним шляхом, добре збігаються з розрахунковими значеннями.
У п’ятому розділі розглядаються інженерні методи розрахунку стиснених сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням та результати впровадження їх у виробництво.
Метод розрахунку за зведеним перерізом дозволяє визначити несучу здатність позацентрово стиснених елементів до моменту появи пластичних деформацій і враховує зміну геометричної осі елемента як для однорідного тонкого стержня шляхом використання в розрахунку гнучкості стисненого елемента.
При розрахунку центрально стиснених сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням несучу здатність можна визначати шляхом зведення комплексного поперечного перерізу до односкладового – сталевого. До того ж це дає змогу використовувати у розрахунку табличні коефіцієнти поздовжнього згину ц. У такій постановці питання несуча здатність сталезалізобетонного елемента з листовим армуванням визначається за формулою
N = цRsAзвед, (8)
де Азвед – площа поперечного перерізу, зведена до площі металу листового армування.
При цьому, зведена площа обчислюється за формулою
. (9)
Коефіцієнт ц визначається за таблицею 72 СНиПа ІІ-23-81* залежно від гнучкості л та міцності сталі листового армування Rs.
Гнучкість елемента обчислюється за формулою
, (10)
де L0 – вільна довжина сталезалізобетонного стисненого елемента з листовим армуванням; м – коефіцієнт розрахункової довжини; ізвед – радіус інерції поперечного перерізу сталезалізобетонного елемента з листовим армуванням, зведеного до сталі листового армування, що визначається за формулою
. (11)
При цьому Азвед обчислюється за формулою (9), а зведений момент інерції розраховується за формулою
. (12)
Таким чином, відповідно до запропонованої методики можна визначити несучу здатність центрально стиснених сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням із застосуванням наведених у СНиП ІІ-23-81* табличних коефіцієнтів поздовжнього згину. До того ж, при розрахунку сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням на стиснення необхідно враховувати випадковий ексцентриситет, який не повинен перевищувати величини випадкового ексцентриситету поздовжнього зусилля е0.
Несуча здатність позацентрово стисненого сталезалізобетонного елемента з листовим армуванням може визначатись шляхом зведення комплексного поперечного перерізу до односкладового – сталевого. При цьому виникає можливість використовувати при розрахунках табличні значення коефіцієнта поздовжнього згину це, що містяться у СНиП ІІ-23-81*. У такому випадку розрахункова формула для визначення несучої здатності позацентрово стиснутого сталезалізобетонного елемента з листовим армуванням має вигляд
, (13)
де Азвед – площа поперечного перерізу, зведена до площі металу листового армування; ymax – відстань від центра ваги зведеного поперечного перерізу до найбільш розтягнутого волокна; Іх(у),звед – зведений момент інерції поперечного перерізу відносно центральних осей, визначається за формулою
, (14)
де Іх(у),b, Іх(у)ss, Іх(у),s1 – моменти інерції бетону, металу листового армування та металу стержневого армування відносно осей центра ваги (Х0 та Y0) зведеного поперечного перерізу.
При розрахунку на стійкість позацентрово стиснених сталезалізобетонних конструкцій із листовим армуванням вводиться коефіцієнт поздовжнього згину. Тоді розрахункова формула для визначення несучої здатності гнучких сталезалізобетонних конструкцій із листовим армуванням при позацентровому стисненні буде мати вигляд
. (15)
Величина коефіцієнта поздовжнього згину це встановлюється відповідно до СНиП ІІ-23-81* залежно від розрахункового опору сталі листового армування Ry та зведеної гнучкості .
Метод розрахунку за граничним станом не враховує зміну геометричної осі стисненого елемента під дією навантаження. У цьому методі умовно приймається рівномірний розподіл навантаження по всіх елементарних ділянках. Розрахунок ведеться за умови досягнення величиною внутрішніх напружень рівня розрахункового опору стиску на кожній елементарній ділянці (прямокутна епюра напружень).
При розрахунку центрально стиснених сталебетонних елементів із листовим армуванням вважаємо, що несуча здатність складається з несучої здатності листового армування, бетону і додаткового стержневого армування.
Формула для розрахунку міцності центрально стиснених сталебетонних конструкцій із листовим армуванням має вигляд
N = (RbAb + RsAs + Rs1As1), (16)
де Rs – розрахунковий опір листового металу, який відповідає межі плинності; Rs1 – розрахунковий опір стержневого армування, що відповідає межі плинності; Rb – розрахунковий опір бетону; Ab, As, As1 – площі поперечного перерізу бетону, листового та стержневого армування.
Напружено-деформований стан і характер руйнування позацентрово стиснених сталебетонних елементів із листовим армуванням залежить, головним чином, від ексцентриситету прикладання навантаження е0. Крім того, поперечний переріз є симетричним лише відносно однієї з головних осей. Будемо розрізняти два випадки граничного стану за несучою здатністю.
Випадок 1: елемент завантажений з малим ексцентриситетом. У цьому випадку розтягнуте листове армування не досягає межі плинності, а руйнування відбувається в стиснутій зоні. Розтягнуте армування залишається недовикористаним. Це випадок малих ексцентриситетів.
У цьому разі вважаємо, що місце прикладання зовнішнього зусилля знаходиться в межах ядра перерізу. Тоді епюри напружень у бетоні, листовому та стержневому армуванні мають один знак і представлені у вигляді трапеції.
Вважаємо, що несуча здатність обчислюється за формулою:
N = Nb + Ns + Ns1, (17)
де Nb – зусилля, яке сприймає бетон; Ns – зусилля, що сприймає металеве армування; Ns1 – зусилля, котре сприймає стержневе армування.
Значення зусиль Nb, Ns, Ns1 визначаються, виходячи із розрахункової схеми та епюри напружень.
Сталебетонні елементи з листовим армуванням мають симетрію лише відносно однієї з осей Х або Y, тому при розрахунку враховуємо, в якій площині утворюється згинальний момент Мх чи Му. Для цього е0 представляємо через ех або еу. Тоді розрахункові формули для визначення несучої здатності позацентрово стиснених сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням у випадку малих ексцентриситетів будуть мати вигляд
; | (18) | . | (19) | Випадок 2: елемент завантажений зі значним ексцентриситетом. У результаті цього поздовжня вісь сталебетонного елемента з листовим армуванням має вигин. Це випадок великих ексцентриситетів прикладання навантаження.
Рис. 7. Розрахункова схема поперечного перерізу сталебетонного елемента з листовим армуванням у граничному стані (випадок великих ексцентриситетів): а – навантаження прикладено у площині ZX; б – навантаження прикладено у площині ZY
Двозначна епюра внутрішніх зусиль має форму прямокутників. Деформації в стиснутих і розтягнутих волокнах перерізу досягають величини, яка відповідає міцності бетону та межі плинності металу. Розглянемо напружено-деформований стан сталебетонного елемента з листовим армуванням, поперечний переріз якого складається з таких зон (рис. 7).: 1 – зона стиснутого бетону; 2 – зона стиснутого листового армування; 3 – зона стиснутого стержневого армування; 4 – зона розтягнутого листового армування; 5 – зона розтягнутого стержневого армування.
З урахуванням величин внутрішніх зусиль, що виникають у кожній із зазначених зон, одержимо рівняння рівноваги ?М = 0 для перерізу сталебетонного елемента з листовим армуванням
(20)
У граничному стані напруження дорівнюють величині розрахункового опору: для сталі – межа плинності; для бетону – міцність в умовах сталебетону.
Несуча здатність визначатиметься так:–
для схеми а):
; (21)–
для схеми б):
. (22)
Для оцінювання несучої здатності стиснених елементів із листовим армуванням були прийняті вихідні дані для бетону та сталі, отримані в результаті експериментів із розділу 2. Теоретичні значення несучої здатності стиснених елементів із листовим армуванням були одержані за наведеними методиками. Значення несучої здатності, отримані за розрахунком, мають задовільну збіжність з результатами експерименту. Отже, використовуючи запропоновані методи розрахунку, можна достатньо точно визначати несучу здатність конструкцій.
Дослідження стиснених елементів із листовим армуванням супроводжувались проектуванням реальних конструкцій і впровадженням їх у будівництво. За завданням Світловодського заводу швидкомонтуємих конструкцій (Кіровоградська обл.) були запроектовані сталебетонні колони для складу контейнерів продбази в м. Запоріжжі, армовані сталевими листами. На основі розробленої методики та розрахунків, запропонованих у цій роботі, розроблена технологія виготовлення й монтажу сталезалізобетонних колон. При монтажі колон відкрита металева поверхня використовується у якості закладних деталей для кріплення стінових панелей та елементів в’язей. Монтаж сталезалізобетонних колон принципово нічим не відрізняється від монтажу залізобетонних колон. У запропонованих колонах арматура слугує одночасно опалубкою, що не знімається. Колони виготовляються в заводських умовах у горизонтальному положенні.
Загальні висновки
На основі проведених досліджень стиснених сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням можна зробити такі висновки:
1. У дисертаційній роботі запропонований новий стиснений конструктивний елемент, що має суттєві переваги: можливість відмовитися від опалубки під час виготовлення, раціональне використання сталі й бетону при їх сумісній роботі.
2. За результатами експериментів установлено, якою мірою несуча здатність стиснених сталезалізобетонних елементів залежить від висоти, ексцентриситету прикладання зусилля, виду армування.
3. Виявлено, що на всіх етапах завантаження сталь і бетон у стиснених сталезалізобетонних елементах працюють сумісно. На перших етапах завантаження залежність між зусиллями та деформаціями практично лінійна, кривизна цієї залежності спостерігається на завершальних етапах завантаження.
4. Запропонована конструкція забезпечує об’ємний напружено-деформований стан, що є позитивним з точки зору роботи бетону й конструкції в цілому.
5. Руйнування сталезалізобетонного елемента з листовим армуванням відбувається внаслідок досягнення найбільш напруженим перерізом листового армування межі плинності сталі з одночасним руйнуванням бетону.
6. Підсилення бетону листовим армуванням призводить до збільшення міцності бетону в 1,1 – 1,3 рази. Коефіцієнт ефективності роботи бетону в стисненому сталебетонному елементі з листовим армуванням збільшується при зменшенні висоти елемента та зменшується при збільшенні величини ексцентриситету прикладення навантаження. Введення додаткового стержневого армування дозволяє уникнути втрати місцевої стійкості листовим армуванням і підвищує несучу здатність елемента на 30 – 40 %.
7. Результати розрахунку стиснених елементів зі стрічковим армуванням із використанням методу скінченних елементів свідчать про те, що цей метод добре враховує сумісну роботу сталі та бетону.
8. Розроблені методи розрахунку стиснутих сталезалізобетонних елементів за зведеними перерізами й за граничними станами. Метод за приведеними перерізами дозволяє підібрати необхідний переріз відповідно до навантаження в пружній стадії роботи. Метод розрахунку за граничними станами дає змогу визначити несучу здатність конструкції з урахуванням її роботи в пластичній стадії. За всіма методами отримано задовільну збіжність експериментальних та теоретичних значень.
9. Упровадження результатів дослідження, одержаних у дисертації, свідчать про можливість застосування стиснених сталезалізобетонних конструкцій із листовим армуванням у будівництві. Для розрахунку цих конструкцій рекомендується використовувати методи, запропоновані в даній роботі.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ
ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ
1. Стороженко Л.І., Биба В.В. Стиснуті елементи зі стрічковим армуванням // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. ст. – Кривий Ріг: КТУ, 2002. – Вип. 5. - С.85 – 88.
2. Стороженко Л.І., Биба В.В. Стиснуті сталезалізобетонні елементи з листовим армуванням // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2003. – Вип. 13. - С.3 – 6. (Особистий внесок: проведено аналіз експериментальних досліджень, зроблена оцінка ефективності сумісної роботи бетону та листового армування).
3. Стороженко Л.І., Биба В.В. Стиснуті елементи зі стрічковим армуванням // Деклараційний патент на винахід №62201 А. – Держ. Департамент інтелектуальної власності, 2003. (Особистий внесок: сформульована сутність винаходу).
4. Стороженко Л.І., Биба В.В. Стиснуті сталезалізобетонні елементи зі стрічковим армуванням // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2004. – Вип. 14. - С.38 – 40. (Особистий внесок: проведено аналіз несучої здатності та руйнування конструкції, що досліджувалась).
5. Биба В.В. Стиснуті сталезалізобетонні елементи зі стрічковим армуванням // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. ст. – Кривий Ріг: КТУ, 2004. – Вип. 6. - С.34 – 42.
6. Стороженко Л.І., Биба В.В. Розрахунок стиснутих сталезалізобетонних конструкцій із листовим армуванням // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво) / Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України: У 2-х т. – К.: НДІБК, 2005. – Вип. 62. – С.308 – 311. (Особистий внесок: наведено результати розрахунків та експериментальних досліджень стиснутих елементів із листовим армуванням, розглянуто існуючі методи розрахунку стиснутих сталезалізобетонних конструкцій).
7. Биба В.В. Аналіз напружено-деформованого стану сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2006. – Вип. 17. - С.96 – 101.
8. Биба В.В. Інженерні методи розрахунку стиснених сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням. Метод приведених перерізів // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво) / Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України: – К.: НДІБК, 2006. – Вип. 65. – С.74 – 79.
АНОТАЦІЯ
Биба В.В. Стиснені сталезалізобетонні елементи зі стрічковим армуванням. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – „Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. – Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, 2006.
У дисертації розглядаються експериментальні й теоретичні дослідження несучої здатності та визначення напружено-деформованого стану стиснених сталезалізобетонних елементів із листовим армуванням. Проведений аналіз експериментальних даних і встановлено особливості роботи сталезалізобетонних конструкцій на центральний та позацентровий стиск зразків різних висот із різними ексцентриситетами й різними типами армування. Запропоновано способи визначення несучої здатності центрально та позацентрово стиснених сталезалізобетонних елементів з листовим армуванням, розроблена методика оцінювання напружено-деформованого стану таких конструкцій. Розроблені рекомендації щодо розрахунку досліджуваних конструкцій за інженерними методами. Здійснене порівняння ефективності роботи конструкцій, які розглядаються. Дослідження супроводжувалися проектуванням реальних конструкцій та впровадженням їх у будівництво, що дозволило зменшити витрати матеріалів і вартість будівництва.
Ключові слова: сталезалізобетонні конструкції, центральний стиск, напружено-деформований стан, несуча здатність, стрічкове армування.
АННОТАЦИЯ
Биба В.В. Сжатые сталежелезобетонные элементы с ленточным армированием. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, 2006.
В первом разделе диссертации рассмотренны основные сведения о сталежелезобетонных конструкциях, преимущества и их недостатки, область применения, а также напряженно-деформированное состояние, несущая способность и методы расчета центрально и внецентренно сжатых сталежелезобетонных конструкций с листовым армированием. Сделан анализ исследований и работ посвященных исследованию конструкций с другими видами внешнего армирования.
В связи с расширением области применения сталежелезобетонных конструкций как экономичных и прогрессивных, были сформулированы следующие задачи исследования: экспериментально изучить особенности работы и характер потери несущей способности сталежелезобетонных конструкций с внешним армированием стальными листами, разработать методику определения несущей способности и оценки напряженно-деформированного состояния исследуемых элементов при сжатии, разработать рекомендации по расчету и проектированию сжатых сталежелезобетонных конструкций с внешним листовым армированием.
Второй раздел посвящен программе экспериментальных исследований, методике проведения эксперимента и изучению физико-механических свойств материалов конструкции. Процесс изготовления комплексных сталежелезобетонных конструкций состоял из двух частей: изготовление каркасов и собственно образцов. Для изготовления каркаса использовались стальной лист t=4 мм, продольная арматура класса А-ІІІ 12 мм, 16 мм и поперечная арматура класса А-І 6 мм. Высота образцов составляла 400, 800, 1000 мм, сечение 100х100 мм. Для выявления эффективности работы сталежелезобетонных элементов испытывались образцы с бетоном и без него таких же размеров. При проведении экспериментальных исследований замерялись деформации бетона и стали, а также прогибы конструкции.
Третий раздел диссертационной работы посвящен анализу результатов экспериментальных исследований прочности и деформативности сталебетонных элементов с листовым армированием, характера разрушения и несущей способность исследуемых образцов, обеспечения совместной работы бетона и листового армирования. Для оценки эффективности совместной работы материалов в сталебетонных элементах с листовым армированием рассчитывали коэффициенты эффективности и з. По результатам экспериментальных исследований были построены графики зависимости от нагрузки продольных и поперечных деформаций бетона и листового армирования. Разрушение сталебетонного элемента с листовым армированием происходит вследствие достижения границы текучести и потери местной устойчивости наиболее напряженным волокном сжатого листового армирования с одновременным отслоением бетона. На всех этапах работы сталежелезобетонных конструкций бетон и листовое армирование работали совместно. Установлено, что усиление бетона листовым армированием ведет к увеличению прочности бетона в 1,1 – 1,3 раза.
В четвертом разделе рассматривается напряженно-деформированное состояние и несущая способность сталебетонных сжатых элементов с листовым армированием.
Задача решалась с помощью метода конечных элементов с использованием программного комплекса NASTRAN. Полученные сведения о несущей способности свидетельствуют о том, что метод расчета конструкций по методу конечных элементов хорошо учитывает общие деформации бетонного плоского элемента типа „плита” и линейного стержневого конечного элемента.
По результатам экспериментальных исследований определены напряжения в бетоне во время исчерпания несущей способности, оценена эффективность совместной работы материалов в сталебетонных элементах с листовым армированием и рассчитан коэффициент эффективности бетона в условиях двухосного сжатия.
По итогам исследований сделан вывод о совместности работы металла и бетона в сталебетонных элементах и о возможности определения значений напряжений в зависимости от измеренных деформаций. Значения несущей способности сжатых сталежелезобетонных элементов, полученные экспериментальным путем, хорошо совпадают с расчетными значениями.
В пятом разделе рассматриваются методы расчета сталебетонных сжатых элементов с листовым армированием и результаты внедрения их в производство. Для расчета несущей способности внецентренно сжатых сталежелезобетонных элементов можно использовать один из методов расчета, которые отличаются точностью воспроизведения соответствующей действительной картины деформирования элементов и несущей способности. Это метод расчета по деформированой схеме, по приведенным сечениям, по предельным состояниям. Метод расчета по приведенным сечениям определяет несущую способность внецентренно сжатых элементов к моменту появления пластических деформаций. Метод расчета по предельным состояниям не учитывает изменение геометрической оси сжатого элемента под действием нагрузки. Теоретические значения несущей способности сжатых элементов с листовым армированием
